1967—2018年鄂托克前旗降水变化特征分析

张瑞华 崔彩

摘要    本文利用1967—2018年鄂托克前旗气象观测站近50年的气象资料，对鄂托克前旗降水特征进行分析。结果表明，整体来说，鄂托克前旗的年降水量变化呈微弱降低趋势，每10年大约减少1.2 mm;28年时间尺度决定的主周期控制著该地区的年降水变化特征，通过周期和突变分析，预计未来3年左右降水高于多年平均值，随后的14年左右时间内降水量呈现减少趋势，逐渐低于多年平均降水量。

关键词    降水;突变检验;周期变化;小波分析;内蒙古鄂托克前旗;1967—2018年

中图分类号    P426.614        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）06-0166-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Analysis  of  Precipitation  Variation  Characteristics  of  Otog  Front  Banner  from  1967  to  2018

ZHANG Rui-hua    CUI Cai

（Otog Front Banner Meteorological Bureau，Ordos Inner Mongolia 016200）

Abstract    In this paper，the precipitation characteristics of Otog Front Banner were analyzed by using the meteorological data of the meteorological observation station in recent 50 years from 1967 to 2018.The results showed that on the whole，the annual precipitation of Otog Front Banner showed a weak decreasing trend，about 1.2 mm per 10 years.The main period determined by the 28a time scale controlled the annual precipitation variation characteristics of the region.Through the analysis of period and mutation，it was predicted that the precipitation in the next three years would be higher than the multi-year average value，and then the precipitation would decrease in the next 14 years or so，gradually lower than the multi-year average precipitation.

Key words    precipitation;mutation test;periodic change;wavelet analysis;Otog Front Banner Inner Mongolia;1967-2018

全球气候变暖加剧陆地和海洋的水循环，已经影响到空间和时间降水量格局，从而导致干旱、洪涝等极端自然灾害的增加，影响该地区水资源和生态环境等[1]。鄂托克前旗位于鄂尔多斯市西南地区，属于温带大陆性气候，天然牧草面积93万hm2，农业和畜牧业是鄂托克前旗的第一产业，是鄂尔多斯高原重要的畜产品基地，对自然降水的依赖很大。本文通过对鄂托克前旗近50年降水量变化特征进行分析，对了解当地年降水变化特点、合理安排农牧业生产、生态建设、防灾减灾有一定的参考价值。

1    资料与方法

1.1    资料来源

本文使用的气象资料来自鄂托克前旗国家自动站1967—2018年月降水量资料。

1.2    研究方法

1.2.1    线性倾向估计。以一元线性回归方程表示气象要素x和时间t（t=1，2，…，n）之间的线性关系，该一元线性回归方程可表示为：

xi=a+bt（1）

其中，a为回归常数，b为回归系数，b值表示要素的变化趋势b>0，要素呈上升趋势b<0，要素呈下降趋势。

1.2.2    Mann-Kendall非参数检验方法。使用Mann-Kendall检验方法（简称为M-K检验法）检验气象要素随时间的长期变化趋势以及确定何时发生突变。定义统计变量UFk，其计算公式为：

UFk=（2）

UFk为标准正态分布（k=1，2，…，n），给定显著水平？坠（一般取？坠=0.05，U？坠=±1.96），如果|UFk|>U？坠，表示该气象要素存在显著的变化趋势。将时间序列x按逆序排列，进行相同的计算，且UBk=-UFkK=n+1-k，可以得到UBk曲线，结合UFk曲线可以进一步对要素的变化趋势进行分析，即UFk>0，呈上升趋势UFk<0，呈下降趋势，当UFk曲线超过直线y=±U？坠时，表明上升或下降趋势显著。如果UFk曲线和UBk曲线相交且相交于临界值线内，则交点对应的时间就是突变时间点。

1.2.3    小波分析法。

（1）计算小波系数，绘制小波系数实部等值线图。本文中使用Morlet连续复小波变换函数研究不时间尺度下不同气象要素的变化周期[2-3]。小波函数公式为：

（t）dt=0（3）

，b（t）=|a|-1/2？（4）

其中，a，b∈R，a≠0，？鬃a，b（t）为子小波;a为尺度因子，指小波的周期长度;b为平移因子，指时间上的平移。对于给定的能量有限信号f（t）∈L2（R），其连续小波变换（CWT）为：

Wf（a，b）=|a|-1/2）dt（5）

式中，Wf（a，b）为小波变换系数;f（t）为一个信号或平方可积函数;a为伸缩尺度;b平移参数;的复共轭函数。设函数f（kΔt），（k=1，2，···N），Δt为取样间隔，则式（5）的离散小波變换形式为：

Wf（a，b）=|a|-1/2Δ）（6）

这样就得到小波系数，然后绘制出小波系数实部等值线图，可以得到不同时间尺度下气象要素的周期变化及其所在时间序列中的分布，以预测该气象要素未来的发展趋势。

（2）绘制小波方差随时间尺度a的变化图。小波方差图可以确定主要时间尺度，即主周期。其计算公式为：

Var（a）=a，b）|2db（7）

（3）绘制主周期变化趋势图。提取主周期所对应的小波系数实部矩阵，并绘制主周期变化趋势图，即主周期特征时间尺度下小波系数实部随时间序列的变化，可以进一步得到气象要素的变化周期。

2    结果与分析

2.1    趋势性分析

从图1可以看出，降水量最多的年份为2011年，达到454 mm;降水最少的年份是2005年，为118.8 mm。在研究时段内，降水变化的波动性较大，但从近50年整体变化来看，鄂托克前旗的降水呈现逐年微弱降低的变化趋势，每10年大约减少1.2 mm。

2.2    周期性分析

图2（a）中红色部分反映降水较多时期，蓝色部分表示降水较少时期。从图2（a）可以看出，鄂托克前旗年降水的小波变换系数实部等直线在25～35年和15～20年尺度上有明显的正负位波动。中心尺度分别为28年和18年，而且2个尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定，具有全域性，且2种周期尺度相互嵌套，在28年尺度下，鄂托克前旗经历丰-枯-丰的循环交替，在18年尺度下，鄂托克前旗经历丰-枯-丰-枯-丰的循环交替，在2018年后2种周期尺度的等值线都尚未完全闭合，说明在2018年之后的2年时间左右降水仍处于丰水期。

小波方差图可以反映降水量时间序列的波动能量随时间尺度的分布特征，可用来确定降水量演化过程中存在的主周期[4-6]。图2（b）是运用Morlet复小波技术对鄂托克前旗1967—2018年降水量序列进行一维连续小波变换得到的小波方差。从图2（b）可以看出，存在一个较为明显的峰值，对应28年时间尺度，表明28年时间尺度的周期震荡最强，决定着鄂托克前旗年降水量变化的第一主周期，所以鄂托克前旗近50年降水量变化不但具有显著的周期性，而且28年时间尺度决定的主周期控制着该地区的年降水变化特征。

图2（c）为控制鄂托克前旗年降水量演变的第一主周期为28年的小波变化系数过程变化曲线图，可以看出，年降水量存在平均周期和丰-枯转换特征，平均周期为36年左右，大约经历1.5个丰枯转换期。由呈现的规律可以发现鄂托克前旗目前降水量处于丰水期，降水量高于多年平均水平，预计2021年之后的14年左右鄂托克前旗将逐渐进入一个枯水期。

2.3    突变性分析

从图3中的UF变化曲线可知，UF<0表明可以看出降水量序列呈下降趋势，和线性分析结论一致;从UF和UB线的交叉点情况来看，图中有3个交点，分别出现在2010年、2012年和2015年左右，所有交点都在置信区间内，表明降水存在多个突变点，震荡剧烈。交点开始交于2010年左右，说明在2010年突变后，降水由原来波动式变化转变为趋于稳定的变化，和小波分析结论一致，接下来的一段时间降水量将小于多年平均值并且持稳定变化趋势。

3    结论

（1）从整体变化来看，鄂托克前旗的降水趋势平缓，呈现微弱的逐年降低趋势，每10年大约减少1.2 mm。

（2）鄂托克前旗降水存在明显的周期性，存在28年和18年时间尺度，且2种时间尺度相互嵌套，28年时间尺度决定的主周期控制着该地区的年降水变化特征，通过周期和突变分析，预计未来3年左右降水高于多年平均值，随后的14年左右时间内降水量小于多年平均值。

（3）通过对鄂托克前旗年降水量的趋势性、周期性以及突变性的分析，发现小波分析、MK检验和线性分析这几种方法可以互相印证，是分析降水量变化特征的可信赖分析手段[7]。

4    参考文献

[1] 郭志起，王秀茹.河北省地区50年来降水变化特征分析[J].南水北调与水利科技，2012，10（3）：67-72.

[2] 邱海军，曹明明，曾彬.基于小波分析的西安降水时间序列的变化特征[J].中国农业气象，2011，32（1）：23-27.

[3] 李淼，夏军，陈社明，等.北京地区近300年降水变化的小波分析[J].自然资源学报，2011（6）：1001-1011.

[4] 王文圣，丁晶，李跃清.水文小波分析[M].北京：化学工业出版社，2005.

[5] 苏朝丞，谢葭颖.1988—2017年乌鲁木齐市降水变化特征分析[J].现代农业科技，2018（16）：188.

[6] 曹文明，王福良.基于Morlet小波分析的变化环境下大型灌区降水结构和周期特性研究[J].水利科技与经济，2019，25（7）：69-73.

[7] 姚建群.连续小波变换在上海近100年降水分析中的应用[J].气象，2001（2）：20-24.

[8] 白云玉，朱孟美，靳英华，等.模拟氮沉降对长白山岳桦林下草本植物和土壤肥力的短期影响[J].植物科学学报，2019，37（6）：748-757.

[9] 张国印.长期施肥对华北平原褐土土壤肥力以及作物产量的影响[C]//中国土壤学会.面向未来的土壤科学（下册）：中国土壤学会第十二次全国会员代表大会暨第九届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集.成都：中国土壤学会，2012.