新会单站降水的多尺度振荡特征

赵亮，崔权良，徐浩彬，王成

（1.江门市新会区气象局，广东新会　529100；2.开平市气象局，广东开平　529300）

新会单站降水的多尺度振荡特征

赵亮1，崔权良1，徐浩彬1，王成2

（1.江门市新会区气象局，广东新会529100；2.开平市气象局，广东开平529300）

利用新会国家站1957—2014年逐日降水数据，通过功率谱分析、Morlet小波变换对新会单站年降水、年内逐日降水进行周期分析，使用Butterworth带通滤波对年内各尺度降水振荡进行滤波分析，并对汛期少雨年景与汛期降水正常年景的降水周期对比分析。分析表明：新会单站降水在多个尺度上表现有明显周期振荡特征，其中年降水在整个分析时段内并不存在稳定周期，以阶段性周期递增演变为主；年内逐日降水周期基本表现为5 d及以下天气尺度振荡、准单周振荡、准双周振荡、季节内振荡和季节振荡等5种尺度。在少雨汛期，逐日降水振荡趋向短周期、高频率，而正常降水汛期则在低频振荡表现更明显。

单站降水；周期振荡；逐日降水；汛期；新会

赵亮，崔权良，徐浩彬，等.新会单站降水的多尺度振荡特征［J］.广东气象，2016，38（4）：17-21.

现代气象预报是基于单点（单站）预报而实施的预报业务。多年来，气象工作者在推进数值模式预报的同时仍然在寻找单站天气预报方法，其中地面气象三要素曲线指标方法应用比较普遍。近年来随着数值预报技术的发展，其在1～7 d短期天气预报中起到关键支撑作用，但在延伸期预报方面仍然没有突破性进展，延伸期预报方法仍然是世界性难题。面对延伸期预报难题，近年来不少气象工作者对区域性降水的延伸期预报做了大量研究。陈官军等［1］针对我国华南地区逐日降水的低频信号，探究了江淮地区夏季降水的延伸期可预报性；杨秋明［2-3］利用850 hPa风场资料对2011年7月中旬长江下游地区降水进行了10～30 d延伸期预报试验，并利用降水低频分量和环流低频成分构造模型，延长预报时效；谌志刚等［4］利用广东省逐日降水资料所表现出的周期特征，建立了一种较为有效的自回归模型延伸期预报方法。此外地区性及单站降水信号也被广大气象学者重视起来，信飞等［5］利用上海逐日降水资料，分析降水和环境物理场低频信息后发现这种低频信号有助于提高延伸期强降水预报质量；谷德军等［6］利用广州单站降水提取多尺度降水振荡，并建立简谐波模型延伸期降水预报方法。越来越多的气象工作者将降水预报与降水资料中分离出的周期振荡联系在一起［7-15］，单站降水资料中所表现出的周期振荡特征将可能在延伸期预报方面得到普遍应用。本研究试图通过对新会单站降水资料的分析，提取出单站降水的周期振荡特征，为今后延伸期预报方法的建立提供参考。

1　资料和方法

本研究使用的降水资料来自1957—2014年新会国家一般站的逐日降水观测资料，其中微量降水按无降水处理。采用功率谱分析和Morlet小波变换等方法对新会站年降水和年内逐日降水的周期振荡特征进行分析，采用Butterworth带通滤波器对各尺度降水进行滤波，并分析其演变特征。

2　年降水振荡特征

从新会国家站1957—2014年年降水距平分布（图1）可见，新会年降水强弱变化明显，其中1972—1976、1981—1983、1992—2001、2008—2013年为明显多雨期，1966—1971、1986—1991、2002—2005年为明显少雨期。这种连续的降水偏多（偏少）表明新会单站的年降水序列可能存在强（弱）振荡特征。

对1957—2014年新会站年降水序列计算距平后再进行功率谱分析。分析该过程发现，年降水距平序列的滞后自相关系数r（1）<0，表明年降水序列在整个分析时段内并不存在较显著的稳定振荡周期。为获得降水序列较高分辨率下的振荡特征，对年降水的距平序列进行Morlet小波变换（如图2），可见新会站年降水的强弱振荡变化在整个分析时段内并不存在稳定周期表现，这与功率谱分析结果相符合，但年降水在不同尺度和时段下又有不同的变化特征。

图1　1957—2014年新会站年降水量距平变化

图2　1957—2014年新会站年降水序列小波变换系数实数部（a）和小波方差（b）

从5年以下周期的小波变换来看（图2a），20世纪50年代后期至70年代年降水周期振荡表现不明显；70年代后期至80年代中后期年降水在3年周期尺度出现3个丰/枯循环振荡，而在5年周期尺度上丰/枯循环振荡特征持续至80年代末；90年代开始年降水的5年周期迅速消失，3～4年的周期逐渐加强，并于90年代后期分裂为3和4年2个周期振荡；2006年起4年周期消失，5年周期加强并维持至2014年，同时2006—2013年也存在较弱的3～4年的周期振荡。从5～14年周期的小波变换来看，年降水振荡周期表现出阶段递增的特征：20世纪60年代表现为6～7年周期振荡，70年代为8年周期振荡，80至90年代初为9～10年周期振荡，90年代初以后为准11年周期振荡。这种周期阶段性递增演变在小波方差（图2b）中表现为一条逐年倾斜向上的方差极大值分布，该分布的倾斜斜率约为1.5/10，即1957—2014年新会站年降水周期以每10年1.5年的速度递增。从14年以上周期的小波变换来看，1957年至90年代末年降水表现出稳定的16年振荡周期，70年代中期至2010年表现为稳定的19年振荡周期。此外，从小波变换实数部分布来看，22年尺度以上也可能存在阶段性的周期振荡现象。

从小波方差分布来看，20世纪90年代中后期至2006年的4年周期振荡和2006—2013年的5年周期振荡表现最强，5～14年的倾斜周期递增和20世纪70年代中后期至2010年的19年周期振荡表现较强。

3　逐日降水振荡特征

为获得逐日降水的季节内及以下尺度的周期振荡特征，使用年降水接近历年平均的1992年进行逐日降水周期分析（图3），以避免年降水变化对逐日降水振荡的可能影响。

图3a为1992年新会站逐日降水的功率谱，取最大滞后长度m为60 d。可见周期T=24.0、2.6、2.4 d均通过90%置信检验。此外周期T= 60、13.3、9.2、3.4、3.0、2.8 d虽然未通过90%置信检验，但也是明显的峰值。说明新会站1992年逐日降水主要表现为2～4、9、13.3和60 d等4种时间尺度的准周期振荡特征。

对1992年逐日降水资料进行小波变换，分析其小波变换系数分布（图3b）可见，3—9月小波系数强弱振荡十分明显，表明1992年降水主要发生在3—9月。进一步周期分析发现，4—7月小波系数在30～40 d尺度左右连续出现4个完整强弱振荡，并在小波方差分布（图略）中对应区域表现为方差极大值的带状分布，该方差极大值分布明显强于其他尺度的相应区域，说明1992年逐日降水各不同振荡周期中准30～40 d振荡表现最显著，这与功率谱分析的结论相符合。此外，其他尺度在不同时间段也有所体现：4—6和9月主要表现为准12～16 d振荡，5—11月主要表现为准120 d振荡，另外5—7和8—9月存在准7 d振荡，4—9月存在一定程度的5 d及以下尺度振荡。

图3　新会站1992年逐日降水的功率谱（a）；小波变换系数（b）；带通滤波（c—g）：c.5 d及以下尺度，d.5～10 d，e.11～20 d，f.21～80 d，g.81～120 d

为更清晰提取逐日降水在各尺度上的周期振荡，利用Butterworth滤波器对1992年逐日降水进行带通滤波。图3c-g为新会站1992年1—12月逐日降水在各种尺度上的演变，可见5 d及以下天气尺度降水振荡的振幅变化明显强于其他尺度，而80～120 d季节振荡振幅变化最弱。此外，5 d及以下天气尺度降水的周期振荡振幅十分强烈，这与该尺度降水突然出现、突然结束的特征相吻合；从5 d及以下天气尺度振荡到准21～80 d季节内振荡演变来看，6—7月振幅变化明显减弱，这与小波变换系数分布图中对应时段强弱振荡较弱的表现相一致；降水的准80～120 d季节尺度振荡从5月起逐渐加强并维持至年末，这与小波变换系数分布图中的表现一致。

对1957—2010年历年逐日降水的小波变换分析发现，虽然各年内总降水变化各异，但逐日降水总体表现为以下5种时间尺度：5 d及以下天气尺度振荡，6～10 d的准单周振荡，11～20 d的准双周振荡，21～80 d的季节内振荡及80～120 d的季节变化。

4　汛期逐日降水振荡特征

统计新会历年汛期（4—9月）雨量可见，新会站各年汛期降水强弱差异较大，汛期降水最大年比最小年有1 431.3 mm的雨量差值。对汛期多雨年和少雨年逐日降水分析发现，多雨年雨量之所以偏多，是由于天气尺度系统影响下的极端降水所引起，而并非长期多雨所导致。这样的小尺度极端降水在小波变换分析中反映为一处振荡极强的局部的强弱变化，虽对小波方差贡献较大，但对周期分析的意义不大。为分析汛期少雨年的逐日降水周期振荡特征，下面选取几个有代表性的年份进行具体分析。选取新会站1957—2014年汛期雨量最少的5年作为新会站汛期少雨的代表年，选取5个最接近历年汛期雨量平均的年份作为新会站汛期正常降水的代表年，除去其中包含极端降水的年份，并对以上年份的汛期逐日降水进行周期分析。

如图4a-e为汛期少雨年逐日降水功率谱图，图4f-j为汛期正常年逐日降水功率谱图。为较清晰区分降水的季节内振荡、准双周振荡、准单周振荡和5 d及以下天气尺度振荡。图4中用黑色竖线分别将各尺度功率谱值进行区划。分析图4可见，汛期少雨年通过95%置信检验的降水周期依次为：1988年的准单周振荡、1990年的准单周振荡和5 d及以下天气尺度振荡，1963、1967和1977年的5 d及以下天气尺度振荡。准双周振荡及更低频季节内振荡在汛期少雨年的表现不显著或没有表现。对比汛期正常年来看，汛期正常年通过95%置信检验的降水周期依次为：1995年的季节内振荡和5 d及以下天气尺度振荡、1992年的季节内振荡、1996年的准单周振荡、1982年的季节内振荡和1984年的准单周振荡。此外，5个汛期降水正常年功率谱分析中，2～5 d尺度的功率谱值相对偏小，并多次出现持续偏小于标准谱值的情况，说明在汛期降水正常年，汛期逐日降水的5 d及以下天气尺度振荡并不明显，且明显不同于汛期少雨年该尺度的降水振荡表现。综上所述，新会站汛期少雨年，汛期的逐日降水更易表现为显著的高频周期振荡；汛期正常年内，汛期的逐日降水则更易表现为低频周期振荡。

图4　汛期少雨年（a-e）、正常年（f-j）逐日降水的功率谱分析a.1988；b.1990；c.1963；d.1967；e.1977；f.1995；g.1992；h.1996；i.1982；j.1984

5　结论

1）1957—2014年新会单站年降水不存在稳定周期，以阶段性周期递增演变为主。其中5年及以下尺度在20世纪90年代后有3～5年的周期递增；5～14年尺度在1957—2014年存在稳定的周期阶段性递增，递增速度约为每10年递增1.5年，即1957—2014年新会站年降水周期以每10年1.5年的速度递增；14年以上尺度也存在阶段性周期振荡现象。

2）新会单站各年内逐日降水周期略有不同，但基本表现为5 d及以下天气尺度振荡、准单周振荡、准双周振荡、季节内振荡和季节振荡等5种周期振荡特征。

3）新会站汛期少雨年，汛期的逐日降水更易表现为显著的高频周期振荡；汛期正常年内，汛期的逐日降水则更易表现为低频周期振荡。

目前降水预报服务依然基于单点（单站）预报结论，分析单站历史降水数据，并找出其中的降水周期特征对今后降水预报，尤其是延伸期降水预报有一定的积极意义。从新会单站降水的Butterworth带通滤波结果来看，除5 d及以下天气尺度降水外，其他尺度降水基本表现出较为完整的正/负振荡特征。由此可见，利用5 d以上尺度的降水周期建立合理的多尺度拟合预报模型，可能是延伸期降水预报的一种新方法。

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The Multiscale Oscillation Characteristics of Precipitation in Xinhui

ZHAO Liang1，CUI Quan-liang1，XU Hao-bin1，WANG Cheng2
（1.Meteorological Bureau of Xinhui District，Jiangmen City，Xinhui 529100，China；2.Meteorological Bureau of Kaiping City，Kaiping 529300）

The oscillation characteristics of daily and annual precipitation in Xinhui are studied using observed data during 1957-2014 and methods of power spectrum，Morlet wavelet transform，Butterworth band-pass filter，and the oscillation characteristics of daily precipitation in less-precipitation years and normal-precipitation years of flood seasons are analyzed to determine the difference between them.It shows that the precipitation of Xinhui is manifested as multiple periodic oscillations.During the whole period of analysis，there is no stable period of annual precipitation，but the period increases with time.The daily precipitation is manifested as five quasi-periodic oscillations with periods of 5 d or less，quasi one-week and quasi two-week，and intraseasonal and seasonal periods.The daily precipitation of less-rain flood seasons often shows the oscillation characteristics of short periods and high frequencies but that of normal-rain flood seasons tend to have longer periods and higher frequencies.

single station precipitation；periodic oscillation；daily precipitation；flood season；Xinhui

P426

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.004

2015-12-10

赵亮（1989年生），男，助理工程师，主要从事天气预报业务。E-mail：zhao0010@foxmail.com