1969—2016年江苏省降水时空变化特征分析

陈昕 叶小岭 熊雄 潘霄 王佐鹏

摘要    利用了1969—2016年江苏省13个气象基站逐日降水资料对江苏省近48年的年降水量进行时空分布特征分析。采用线性回归、经验正交分解（EOF）和小波变换等方法研究了1969—2016年江苏省年降水量的年际变化趋势、时空分布特征及其周期性。结果表明，近48年来，江苏省的年降水量呈不显著上升趋势;EOF将江苏省划分为3种降水类型，即全年的空间分布整体一致性、南北反位相和苏中与苏南苏北的反位相;时间上，有24年表现为第一类降水类型，有14年表现为第二类降水类型，有4年表现为第三类降水类型;从周期上来看，近48年江苏省的年降水周期存在28年、15年、9年、4年的周期尺度。

关键词    降水;时空变化;经验正交分解（EOF）;小波分析;江苏省;1969—2016年

中图分类号    P468.2        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）17-0187-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    Based on the daily precipitation data of 13 meteorological base stations in Jiangsu Province from 1969 to 2016，the spatial and temporal distribution characteristics of the annual precipitation in Jiangsu Province in the past 48 years were analyzed. Linear regression，empirical orthogonal decomposition（EOF） and wavelet transform were used to study the interannual change，spatial and temporal distribution characteristics and periodicity of annual precipitation in Jiangsu Province from 1969 to 2016.The results showed that the annual precipitation in Jiangsu Province increased（not significantly） in the past 48 years.The EOF divided Jiangsu Province into three types of precipitation，such as the overall spatial distribution of the whole year，the north-south anti-phase and the anti-phase between central Jiangsu and southern Jiangsu，northern Jiangsu. From the view of time，there were 24 years of performance as the first type of precipitation，14 years as the second type of precipitation，and 4 years as the third type of precipitation. From the periodic view，the annual precipitation cycle of Jiangsu Province in the past 48 years had a periodic scale of 28 years，15 years，9 years and 4 years.

Key words    precipitation;temporal and spatial change;empirical orthogonal decomposition（EOF）;wavelet analysis;Jiangsu Province;1969-2016

近100年来，全球气候逐渐变暖，伴随着极端天气发生频率不断上升。我国年平均地表气温在近50年来上升1.1 ℃[1-3]。由于我国的地形复杂，海拔高度变化大，受多种气候因素影响，导致区域气候差异较大，使得境内气候变化区域差异显著。气候变化导致一系列严重的后果，如冰川融化、海平面上升、天气变化异常、暴雨干旱等灾害事件增加以及生态系统遭到破坏等，给人类的生存环境带来了巨大压力，由此引起了各个国家的关注。江苏省位于我国的南北交界处，是中国政治、经济和文化最发达的省区之一。受全球变暖的影响，江苏省受旱涝灾害的影响越发严重，降水在时间和空间上分布不均匀，导致了江苏省干旱和洪涝灾害时有发生，给农作物的生长和人类的生产活动造成了较大影响[4-5]。邱新法等[6]利用江苏省近45年降水资料分析了江苏省降水变化趋势，结果表明，该省年降水无明显变化趋势，秋季降水呈现显著下降趋势，冬季降水呈现显著上升趋势;傅  帥等[7]利用江苏省近55年逐日降水资料，研究了该省降水及极端降水呈现的状况和趋势，提出了该省降水和极端降水具有年际波动大且变化趋势不明显的特点;肖艳兵等[8]研究了江苏省年降水的一般规律;曹乃和等[9]、扬宏青等[10]对长江流域的降水变化进行研究，指出江苏省处于二类和三类雨型的边缘，无法用此分类方法准确判断江苏省降水类型。由此说明，江苏地区降水类型比较复杂。本文旨在全面而深入地研究江苏省近48年年降水的时空变化特征，对了解该地区的气候变化背景、预测未来降水变化趋势、寻找其时空分布规律、合理有效保护利用水资源和有效保障该地经济、社会的持续稳定发展等具有重要意义。

1    资料与方法

1.1    资料来源

原始数据采用国家气象信息中心提供的江苏省13个国家级气象观测站（徐州、连云港、宿豫、淮安、盐城、南京、扬州、镇江、靖江、南通、常州、吴中、无锡）（图1）提供的1969—2016年日降水资料（降水量≥0.1 mm），观测资料经过初步质量控制。从江苏省的每个市选取1个代表性的站点，除了个别站点有个别日期的数据缺失以外，具有完整的观测资料时间序列。对于数据缺失的情况，通过查找周围最近的4个区域站数据，计算平均值作填补处理。

1.2    研究方法

本文首先对江苏省13个气象基站近50年平均年降水量进行一元一次线性回归分析;然后对13个站点的年降水量作标准化处理，采用EOF方法，对江苏省降水场的时空分布进行划分，提取特征向量;最后运用气候倾向率、Mann-Kendall检验、小波变换等方法，系统分析江苏省近48年降水量的时空变化特征。

其中，研究降水的周期性采用小波分析方法。该方法是具有多分辨功能的周期分析方法，可以用小波函数来表示或逼近某一信号或函数[11-12]。

对于给定小波函数φ（t），降水时间序列f（t）∈L2（R）的连续小波变换为：

公式（1）中，a为尺度因子，反映小波的周期长度;b为时间因子，反映时间上的平移;Wf（a，b）为小波变换系数，φ（■）为小波函数。

小波方差Var（a）的变化过程反映了波动的能量随时间尺度的分布，其峰值对应的时间尺度为降水序列的主周期，计算公式为：

2    结果与分析

2.1    降水量及其趋势

江苏省1969—2016年年降水量及变化趋势见图2。48年中，江苏省降水量在1 000 mm/a上下波动，属于亚热带降水充沛地区，存在明显的洪涝情况。在1978年出现一个最低的降水量（550.62 mm），在1991年出现一个最高的降水量（1 465.9 mm）。对年降水量进行Mann-Kendall趋势检验，计算出Z值为0.062（未通过显著性检验）。从图2中接近水平的趋势线可以看出，江苏省降水整体呈微弱增长趋势，增长幅度为6.99 mm/10 a。

2.2    降水空间分布特征

本文运用EOF分解法对江苏省1969—2016年降水场进行时空分解，前3个特征向量均通过North显著性检验，各自方差贡献率均超过了6%，累积方差达到了83.55%（表1）。可以认为，江苏省降水变化具有显著的空间差异，在研究江苏降水时，需要考虑到省内地区的差异。

图3（a）中，模态1特征向量的方差贡献率为55.99%，远高于其他模态，是江苏省降水场的主要分布形式。模态1特征向量表现出江苏省1969—2016年期间降水量变化的一致性，即全省均全年多雨或均为全年少雨，是一个全值均为正的典型降水分布场，说明江苏省降水主要受大尺度气候变化的影响[13-14]，这与江苏省的地理位置有关。最大的特征值位于南京市和扬州市附近，反映该区域的降水变化最明显;最低特征值位于徐州市北部，表明该区域降水变化最不明显;苏中的降水变化程度高于苏南和苏北。

图3（b）中，模态2特征向量的方差贡献率为20.83%，仅次于模态1，也属于典型的降水分布形式。可以看出，模态2正值部分位于江苏南部，负值部分位于江苏北部，南北呈反向分布模式，即江苏北部地区降水增多时，江苏南部地区降水减少;江苏北部地区降水减少时，江苏南部地区降水增多。特征向量自南向北递减，反映江苏省降水量变化也是由南向北递减。这种现象主要是由反气旋环流导致[11]，北多南少时，长江口以东为反气旋，水汽从东部沿海输送到江苏北部，造成北部涝、南部旱;反之，气旋位于长江口，降水则为南多北少。

图3（c）中，模态3特征向量的方差贡献率为6.73%，高于5%，也能体现出降水场的部分特征——中部与南北部的差异性。苏中的南京、扬州、泰州及盐城等地区特征向量值为负，其余部分为正，即苏中地区与苏南、苏北呈现一种反向分布模式。这就表明，江苏省年平均降水不仅存在南北差异，还存在一个中部与南北的反向差异，全区的这种差异不如前2种降水型明显。由此表明，苏中地区易出现降水异常现象，由于江苏省的降水量主要集中在夏季，造成中部“多—少—多”（少—多—少）降水类型，这可能与夏季的西太平洋副热带高压位置的南北异常有密切联系[12]。

根据3个模态可以得出，江苏省年平均降水的6种降水型：模态1决定全省的降水分布类型，即全省多雨和全省少雨;模态2决定了江苏省南北反向分布类型，即南部降水多、北部降水少和北部降水多、南部降水少;模态3决定了苏中与苏南苏北的降水反向分布型，即苏中降水多、苏南苏北少和苏南苏北多、苏中少。

2.3    降水时间分布特征

时间系数与空间分布特征对应，表示空间分布型随时间的变化特征，当时间系数为正时，表示与空间型同方向，负值则相反;系数值越大，表明这种空间型越典型。前3个模态的时间系数（图4）变化幅度最大的是EOF1时间系数，最小的是EOF3时间系数。对模态划分出的6种降水分布型作每年的时间系数绝对值最大值比较，统计出江苏省48年内每年的降水分布类型（表2）。其中，48年中有12年全年全省多雨，占总年数的25%;12年全年全省少雨，占总年数的25%;江苏省南部地区多雨、北部地区少雨的情况为6年，占总年数的12.5%;北部地区多雨、南部地区少雨的情况为8年，占总年数的16.67%;江苏苏中多雨、苏南和苏北少雨的情况为2年，占总年数的4.17%;苏中少雨、苏南和苏北多雨的情况为2年，占總年数的4.17%。模态1的降水型占48%，可以说明江苏省多年以来呈现一种整体降水多或者降水少的分布模式。模态1时间系数趋势倾斜率>0，说明整个江苏省降水呈现增加的趋势，这与江苏省年平均降水量的变化趋势相吻合。模态2的降水型占29.17%，说明江苏省南部和北部的降水量存在一定的差异，即南多北少或南少北多。模态2的时间系数趋势倾斜率>0，表明了这种差异性将越来越明显。模态3的降水型占8.54%，说明苏中与苏南、苏北的降水差异存在一定相反的异常情况。剩余模态的降水型占14.29%，为不典型场。各时间系数基本与空间特征向量反映的降水场相一致。

2.4    周期性检验

对选取的江苏省13个站点的48年年降水量数据作平均化处理。利用Matlab软件逐次得到小波系数、小波系数实部、小波系数模和小波系数模方。小波系数实部的正、负分别表示降水量的高、低;中心值越大表示降水量振荡幅度越大，反之越小。通过小波系数实部和虚部可以计算出小波系数模值，模值越大表示降水量的周期性越强且周期越明显，反之越弱且不明显。

根据对江苏省48年的年平均降水量进行Morlet小波分析，绘制小波系数实部等值线图和小波模方等值线图。图5（a）反映了年均降水量的年际及年代变化，由上往下，周期尺度逐渐减小，周期频率逐渐增高，存在着28年、15年、9年、4年等4类周期尺度。从第一主周期尺度的28年来看，江苏经历了低→高→低→高的交替。由于分析的原始数据只有48年，故28年的周期只出现了2次，这种周期可能是伪周期，需要更长的资料序列来验证。第二主周期尺度15年在48年里出现了5次，可以肯定江苏地区年雨量存在15年为周期的丰枯变化。9年和4年分别对应第三和第四主周期。

Morlet小波系数的模方等值线图反映了江苏省年降水量在不同时间尺度上的周期振荡，即强弱分布情况，见图5（b）。在28年的尺度上周期振荡能量最强，但也有局部特征（1969—1978年间）;在28年的尺度上周期振荡能量有所减弱，同样存在一定的局部限性（2001—2016年间）。

小波方差反映了能量随时间尺度的分布，可以确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度，对应峰值处的尺度称为该系列的主要时间尺度，用以反映时间序列的主要周期。图5（c）的小波方差图中存在4个明显的峰值，对应着4年、9年、15年、28年的时间尺度。最大峰值对应着28年，说明28年左右的周期振荡最强，为年降雨量变化的第一主周期;15年时间尺度对应着第二主周期;9年和4年依次对应着第三和第四主周期。4个周期波动控制着江苏省年降水量整个时间域内的变化特性。

3    结论

本文基于江苏省13个站点1969—2016年日降水资料，运用了线性回归、经验正交分解和小波变换等方法，分析了江苏省降水的时空分布特征，得出以下结论：

（1）随着全球气候变暖，江苏省48年年降水量呈微弱上升趋势，年际间差异性比较大，最大降水量（1 465.90 mm）和最小降水量（550.62 mm）相差915.58 mm，存在旱涝交替的现象。

（2）EOF分析结果表明，江苏省的降水量受大尺度气候的影响，全区域一致性多雨或者少雨，存在南、北的差异及中部与南、北之间较小的差异。

（3）根据经验模态分解划分的3种空间场，将每种空间场对应的时间年份提取出来，得到了各个模态对应发生的时间点。降水型与对应时间系数吻合，1991年江苏省降水充沛，同时模态1的时间系数最高，达到1.83×103。

（4）小波分析表明，江苏省1969—2016年存在28年的第一主控长周期，在很多年份里存在4年左右的短周期。同时，还存在15年和9年的中周期性时间尺度。

（5）研究表明，江苏省降水主要受到地理位置、大气环流和地形条件的影响。江苏省地处中国东部中纬地区、南北交界处，其地理位置和大气环流使得江苏省全年降水呈现一致性;苏中地区容易出现降水异常情况，这主要与反气旋环流有关。

4    参考文献

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