1957—2015年唐山市相对湿度变化特征分析

陈震　王丹　江聪杰

摘要 利用Morlet小波变换方法及趋势分析法对唐山市1957—2015年空气相对湿度资料进行分析。结果表明，近59年唐山市相对湿度波动明显，偏干与偏湿交替出现。1964年与2006年是振荡最明显的2年，小波系数实部分布图表明，唐山市空气湿度存在10～14年和准30年的周期变化。小波功率谱分析表明，波动能量基本集中在30年附近且通过显著性检验。整体小波功率谱存在2个峰值，分别是11.7年和30年，但只有30年通过α=0.05的显著性检验。

关键词 相对湿度；变化特征；小波分析；河北唐山；1957—2015年

中图分类号 P426.1+3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）13-0219-02

Abstract Relative humidity data in Tangshan City from 1957 to 2015 was analyzed by wavelet method and trend method. The results showed that in recent 59 years，the volatility of relative humidity was obvious，dry years and wet years were alternate，the most obvious was in 1964 and 2006. The real part of wavelet coefficients chart showed that there were 2 periodic changes of relative humidity，respectively 10 to 14 years and 30 years. The wave energy concentrated around 30-year period，passing the significance test in wavelet spectrum. In global wavelet spectrum，there were two spectrum peaks respectively 11.7-year period and 30-year period.However，only the 30-year period passed the significance test in α=0.05.

Key words relative humidity；change characteristics；wavelet method；Tangshan Hebei；1957-2015

气温与降水是影响气候最主要的2个因子，气候变化领域基本以研究气温和降水为出发点讨论气候变化。运用小波分析方法，黄 鹤等[1]研究了近55年河北省汛期暴雨变化特征，研究指出河北省暴雨呈西北—东南分布，进入21世纪暴雨量与暴雨频次下降明显。薛宇峰[2]利用小波分析研究了近50年湛江的气候变化，指出湛江气温变化存在16、4、2年的振荡周期，降水具有11年和4年的周期变化。万明波等[3]研究了青藏铁路沿线气温和降水变化特征，指出月降水有2个降水偏多中心和3个降水偏少中心，气温与降水的变化成正相关。刘 德等[4]结合小波分析探讨了重庆夏季气温及降水的变化，气温与降水均有明显的阶段性，气温振荡周期3年最强，降水变化的振荡周期以10年为最强。

相对湿度作为影响植物生长和农业产量的重要因素，其变化特征对农林经济有重要的参考意义。王 平等[5]利用Mann-Kendall检验法及R/S分析法讨论了云南盘龙河流域53年来相对湿度变化特征，指出盘河流域相对湿度逐年减少，以春季减少最快，春季和秋季存在明显突变特征。杨 雪等[6]研究了长江中游相对湿度的气候变化特征，发现夏季（6—8月）相对湿度比其他月份高，且差值逐年上升。相对湿度与降雨量成正相关，与蒸发量和日照时间成负相关。王 满等[7]利用小波分析法研究了河南烟区相对湿度变化特征，研究发现相对湿度存在3年和6年的周期振荡，但以3年短周期振荡为主，各周期均表现出局部化特征。王福淳[8]分析了近55年本溪县相对湿度变化特征，指出年、季平均相对湿度呈现显著减小趋势，冬季减小趋势最显著，秋季较强，春、夏季最弱。洪 雯等[9]研究了相对湿度日变化特征，研究表明相对湿度分为日间型和夜间型，日间存在强逆湿。李彩侠等[10]分析了黑龙江相对湿度变化，指出近51年相对湿度发生3次突变，且各有特点。季变化中春季略有升高，其余各季均逐年下降。本文利用小波分析法，对唐山市1957—2015年相对湿度进行分析，以期为唐山农业发展提供参考依据。

1 研究资料与方法

1.1 研究资料

本文所用资料为唐山站空气相对湿度年均值，时间尺度为1957—2015年。资料来源于中国气象数据网，数据经过严格的质量控制。

1.2 研究方法

本文采用趋势法与Morlet小波分析方法。小波分析将一维时间信号分解为时间-频率（对应于周期）二维场，具有多分辨率的分析特點。时间序列f（t）的小波变换为：

2 结果与分析

2.1 趋势分析

由图1可以看出，相对湿度距平波动十分明显，20世纪50年代至80年代末每8～10年偏干年与偏湿年交替出现，但20世纪90年代初至21世纪初的10余年基本处于偏干年。其中，1964年、1985年、1990年是明显的湿润年，而1965年、1972年、1996年、2002年、2005年是明显干燥年，干燥年数明显多于湿润年数。值得注意的是，1964—1965年距平值由0.06骤降至-0.04，2005—2008年距平值由-0.1突增至0.01，而后波动上升。

2.2 小波分析

由图2可以看出，湿度存在明显的多时间尺度变化，表现为存在10～14年和30年2个变化周期。具体体现在：干燥期与湿润期交替出现。在10～14年周期尺度上，19世纪60年代中期、19世纪70年代中后期及20世纪10年代为湿润期；1970年、19世纪80年代初期至中期、90年代中期、21世纪中期为干燥期。在30年时间尺度上，19世纪60年代初、80年代至90年代初期、2008—2015年为湿润期；19世纪60年代中期至70年代后期、19世纪90年代中后期至2008年为干燥期。值得注意的是，在21世纪初期小波实部系数的负值区贯穿了低频-高频整个频域，0等值线在2006年左右，2006年之前为小波系数负值，之后变为正值，可见2006年为突变年。

本文以小波功率谱为基础，研究不同尺度与时间下的小波变化，以更精确地确定变化周期。能量高值区主要集中在30年左右，同时30年周期通过了显著性检验，10～14年的周期能量很小而且未通過显著性检验。通过以上分析，可以确定相对湿度的变化周期有2个，即10～14年和30年，但30年周期更加显著。

图3是整体小波功率谱图，反映了小波变化的主要周期和主周期，粗实线是95%显著水平。可见，整体功率谱有2个峰值，分别是位于11.7年和30年，二者能量相差甚大，而且11.7年的谱峰未通过95%显著水平。

3 结论

（1）唐山市相对湿度变化波动非常明显。偏干年数大于偏湿年数，1957—1990年的近30年内，每8～10年干燥年与湿润年交替出现。1993—2007年低相对湿度距平值在-0.1～0之间，这段时期唐山地区处于干燥状态。

（2）小波实部系数图表明唐山相对湿度存在10～14年和准30年的周期变化。2004—2006年小波系数均为负值，而且从低频一直延伸到高频，0等值线在2006年左右。2006年后小波系数转为正值，同样覆盖了低频至高频的整个频域。认为相对湿度发生1次突变，突变大致发生在2006年左右。

（3）小波功率谱的能量基本集中在30年周期附近。能量谱值为1～13，高能区通过显著性检验，对应的周期为30年。

（4）整体小波功率谱存在11.7年和30年2个峰值，但只有30年的峰值通过了显著性检验。

4 参考文献

[1] 黄鹤，杨超，于雷，等.1958—2012年河北省汛期暴雨气候变化特征分析[J].气象与环境学报，2015，31（2）：44-50.

[2] 薛宇峰.近50年来湛江、韶关气候变化的小波分析[J].广东气象，2006（1）：29-32.

[3] 万明波，程智，王文.青藏铁路沿线气温和降水的小波分析[J].干旱气象，2006，24（4）：35-39.

[4] 刘德，李永华，何卷雄.重庆市夏季气温及降水变化的小波分析[J].高原气象，2003，22（2）：174-178.

[5] 王平，程清平，孔国陈，等.云南盘龙河流域53年来相对湿度变化特征分析与预测[J].气象研究与应用，2016，37（1）：15-20.

[6] 杨雪，文元桥，黄立文，等.长江中游相对湿度的气候变化特征及其对航运的影响分析[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2013，37（3）：622-626.

[7] 王满，许自成，苏永士，等.河南烟区近35年来相对湿度变化特征分析[J].环境科学与技术，2011，34（10）：93-99.

[8] 王福淳.近55年本溪县相对湿度变化特征及其影响因素分析[J].安徽农业科学，2013，41（29）：11759-11760.

[9] 洪雯，王毅勇.夏季晴天沼泽湿地贴地气层气温和相对湿度日变化特征[J].湿地科学，2009，7（1）：60-66.

[10] 李彩侠，黄微薇，王雅珍，等.黑龙江省近51年相对湿度变化特征分析[J].鸡西大学学报，2016，16（6）：151-153.