1951-2018年河北围场地区降水的多尺度变化特征

龚兰兰，王长燕，郁耀闯，韩景卫，王 雄

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013； 2.陕西省灾害监测与机理模拟实验室，陕西 宝鸡 721013)

1 研究背景

降水是气象和水文循环系统的重要组成部分，也是农业、水资源管理和气候变化等方面的重要参数之一[1]。在全球变暖背景下，降水的强度和频率变化过大往往会导致干旱和洪涝等极端气候事件的发生[2-3]，从而对区域的生态环境和经济社会发展产生重要的影响[4-5]。目前，全球多数地区降水量呈增加趋势，并具有明显的区域差异。例如，我国东南沿海、秦岭-淮河以南以及西北地区降水量的增加趋势较为明显[4,6-7]，东北中南部和华北等地区的降水量则呈减少趋势[6,8]。围场满族蒙古族自治县(简称“围场地区”)，位于河北省承德市北部，地处干旱与半干旱区、季风与非季风气候、森林与草原以及农业与畜牧业之间的过渡地带，该地区具有多种多样的气候和地理条件，生态环境比较脆弱，对气候变化较为敏感。受自然环境和地理条件等因素影响，该地区霜冻、干旱和洪涝等极端气候事件频发[9]，是研究降水多尺度变化特征的理想区域。因此，开展河北围场地区年降水的多尺度变化特征及其影响因素分析，对于认识区域气候变化规律及水资源的有效管理具有重要意义。

本文以气候变化比较敏感、生态环境较为脆弱的河北围场地区为研究案例区，系统研究该区降水量的多尺度变化特征及其与厄尔尼诺(ENSO)和太平洋年代际振荡(PDO)的关系，该结果将为认识围场地区降水的变化规律、预测未来可能的降水变化趋势以及未来华北平原东南部的生态安全和有效管理水资源提供参考依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及区域概况

本文选取由中国气象数据网(https://data.cma.cn/)提供的河北围场满族蒙古族自治县气象站点1951-2018年的逐月降水观测资料，对年尺度降水系列进行统计。厄尔尼诺(ENSO)和太平洋年代际振荡(PDO)数据由荷兰皇家气象局气候资源管理网站(https://climexp. knmi.nl/start.cgi)提供。

围场满族蒙古族自治县，位于河北省承德市北部，地理坐标为116°32′～118°14′E，41°35′～42°40′N，该区地势西北高东南低，平均海拔1 500 m，东西长138 km，南北宽118 km，总面积9 219 km2。围场地区气候类型属于北(寒)温带-中温带、半湿润-半干旱、大陆性季风型和高原-山地气候，夏季温暖多雨而短促，冬季寒冷干燥而漫长，年平均气温3.3℃，年降水量为300～560 mm，多年平均降水量为445.6 mm，降水时空分异较大，主要集中在夏季，6-8月的降水量占全年降水的68%～72%，春季降水量相对较少，仅占全年降水的12%～15%。该区属于典型温带针叶林和暖温带落叶阔叶林过渡地带，气候变化比较敏感，生态环境较为脆弱。围场地区地理概况如图1所示。

图1 围场地区地理概况图

2.2 集合经验模态分解法

本文采用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)和Morlet小波函数法对围场地区降水的时间序列进行多周期尺度分解[23]。EEMD方法是在经验模态分解(EMD)的基础上改进而来，是一种适应于非线性、非平稳信号的处理方法[24-25]，目前已被广泛应用于水文、气候变化和地球物理等领域的多时间尺度序列信号分析[20,26-27]。小波分析是一种用于分析时序信号的功率谱局部变化的现代较新的分析方法，它同时兼顾了时域与频域的局域化特性，并考虑了有限数据的边缘效应对其周期的影响[28-29]。另外，利用交叉小波变换(cross wavelet transform，CWT)来进行交叉小波谱和小波凝聚谱分析[30]。

3 结果与分析

3.1 围场地区年降水量变化特征

图2为1951-2018年围场地区年降水量变化特征。由图2可知，1951-2018年河北围场地区年降水量总体上表现为波动增加的变化趋势，增加幅度为0.8 mm/10a，年降水量的变化范围为237.2～684 mm，平均值为450.9 mm。由图2中的5 a滑动平均曲线可以看出，该区年降水量具有7个明显不同的变化阶段，其中，1951-1957年、1963-1976年、1983-1992年和2007-2018年为该区年降水量的增加阶段，增加幅度分别为39.3%、21.4%、44%和28.9%；1958-1962年、1977-1982年和1993-2006年为该区年降水量的减少阶段，减少幅度分别为48.4%、24.2%和18.5%。

图2 1951-2018年围场地区年降水量变化特征

3.2 围场地区年降水量的年际-年代际特征

图3为1951-2018年围场地区年降水量时间序列的集合经验模态分解结果，该结果得到了5个周期不同的固有模态函数IMF(intrinsic mode function)及一个趋势项分量RES(residuals)，每个IMF分量都有其相对应的稳定准周期，不同时间尺度上的准周期在相同的时间段内表现出了不同强度的非均匀性变化。表1为1951-2018年围场地区年降水量不同时间尺度波动的平均周期和方差解释量，其中反映年际尺度变化的分量为IMF1和IMF2；反映年代际尺度变化的分量为IMF3、IMF4和IMF5；RES为趋势项。

IMF1+2(第一、二本征模函数之和)主要指示1951-2018年围场地区在主周期为准4 a尺度上的年降水量变化特征，该时间尺度的方差贡献率为64.3%(图3(a))。该区降水量年际变化主要可以分为以下几个阶段：1951-1955、1971-1985和2003-2005年IMF1+2曲线呈明显上升趋势，说明在这3个时段内降水量呈增加趋势；1956-1970和1986-2002年IMF1+2曲线呈明显下降趋势，说明在这2个时段内降水量呈减少趋势； 2006年以后降水量变化的波动幅度变小，说明该时期内降水量变化趋势趋于平稳。

IMF3+4+5(第三、四、五本征模函数之和)主要指示1951-2018年围场地区在主周期为准27 a尺度的降水量变化特征，该时间尺度的方差贡献率为16.2%(图3(b))。该区降水量的年代际变化特征大致可以分为以下几个阶段：1951-1957、1964-1972、1984-1992和2008-2018年IMF3+4+5曲线呈明显上升趋势，说明在这4个阶段内降水量呈增加趋势；1958-1963、1973-1983和1993-2007年IMF3+4+5曲线呈下降趋势，说明在这3个阶段内降水量明显减少。

RES为趋势项，主要指示1951-2018年围场地区年降水量的波动趋势，从RES曲线(图3(c))的趋势可以看出，围场地区在近70年的降水量变化趋势呈先降低后增加的趋势，降低和增加的时间拐点出现在1983年前后。

图3 1951-2018年围场地区年降水量的集合经验模态分解结果

3.3 围场地区年降水量与厄尔尼诺的关系

厄尔尼诺(ENSO)是影响我国北方地区气候变化的主要因素[31]，也是导致我国季风区气温和降水量发生变化的重要原因[32]，具有2～7 a的变化周期。当ENSO处于冷相位时，东赤道太平洋海温会呈现出明显的下降趋势，这可能会引起Walker和Hadley环流的变化，进而诱发强度较大的西太平洋副热带高压[14,32]。随着西太平洋副热带高压向我国北方地区的移动，我国季风区的降水量可能会减少到正常水平以下[33]，北方地区的温度可能会升高；相反，当ENSO处于暖相位时，相反的温度和降水量变化模式可能会在我国的北方地区发生。例如，一般在El Nio发生的当年或第2年长江中下游和黄河中下游地区的降水量通常会偏少[8]，在强El Nio 衰减并向La Nia态发展的年份，长江中下游地区的降水量会显著增加[34]。集合经验模态分解(EEMD)结果表明：1951-2018年围场地区年平均降水量中的准4 a周期变化与厄尔尼诺的2～7 a周期具有较好的对应关系，说明ENSO可能是影响该区1951-2018年降水量发生年际尺度变化的重要原因，这与孙艺杰等[15]、李芬等[19]以及其他一些相关研究结果[35-36]较为一致。

图4为1951-2018 年围场地区降水量与厄尔尼诺序列的交叉小波谱和小波凝聚谱，交叉小波能量谱中颜色越偏黄色表示能量谱密度值越大。交叉小波谱(图4(a))表明该区的降水量与厄尔尼诺间存在着显著的3～6 a共振周期；小波凝聚谱(图4(b))表明该区的降水量与厄尔尼诺间存在着3～7 a的强凝聚性共振周期，并且二者之间呈正相关关系。需要说明的是，交叉小波谱中显示，1967-1978年围场地区年降水量与厄尔尼诺的相位差箭头竖直向上，说明该区年降水量的变化周期滞后于厄尔尼诺约 3/4个周期，这一研究结果与郝志新等[34]的关中平原干湿变化滞后于厄尔尼诺大约2 a的研究结果类似。

表1 降水量序列本征模函数的组合方差解释量

图4 1951-2018年围场地区降水量与ENSO的交叉小波谱和小波凝聚谱

图5为1951-2018年围场地区降水量与ENSO空间遥相关的空间分布。分析图5可知，该区年降水量与厄尔尼诺间存在着显著的正相关关系，ENSO对区域空间降水量的影响大致可以从我国渤海湾西北海岸延伸至内蒙古地区的中东部(图5)，该结果与Wang等[32]研究的1820-2012年围场地区的温度与ENSO间存在着空间遥相关的结论类似。

3.4 围场地区年降水量与太平洋年代际振荡的关系

太平洋年代际振荡(PDO)是指北太平洋海温年代际循环变化的海洋现象，具有20～30 a的变化周期，不仅对北美而且对整个北半球大气环流均具有重要的影响[37]，其还可以通过调控ENSO事件来间接影响气候变化[38]。当PDO处于冷相位时，太平洋东部和北部的海温较低；相反，当PDO处于暖相位时，西太平洋副热带高压较强，太平洋东部和北部的海温较高[39]。需要说明的是，西太平洋副热带高压的加强是由于ENSO和PDO的共同作用叠加所致[40]。

图5 1951-2018年围场地区降水量与ENSO

由此可见，PDO与太平洋东部和北部的海温密切相关，它主要是通过海气相互作用影响北半球海平面的气压，使亚洲季风区海平面气压发生变化，与陆地气压的改变共同作用从而影响水汽的输送，进而对降水产生影响。集合经验模态分解(EEMD)结果表明：1951-2018年围场地区年降水量的准27 a周期变化与太平洋年代际振荡的20～30 a周期具有较好的一致性，说明太平洋年代际振荡是影响该区1951-2018年降水量发生年代际周期变化的主要原因。

图6为1951-2018 年围场地区降水与太平洋年代际振荡的交叉小波谱和小波凝聚谱。两者的交叉小波谱(图6(a))表明：该区的年降水量与PDO间在α=0.01水平上无明显的对应关系，但小波凝聚谱(图6(b))结果显示，该区1951-1988年年降水量与PDO之间存在着18～24 a的强凝聚共振周期，并且二者呈负相关关系，说明1951-2018年围场地区的年降水量与太平洋年代际振荡(PDO)间可能存在着某种关联，这与现有的一些相关研究结果[14-15, 20-21]较为一致。

图6 1951-2018年围场地区降水量与PDO的交叉小波谱和小波凝聚谱

4 结 论

(1)1951-2018年围场地区的年降水量总体上表现为增加的变化趋势，主要可以分为7个阶段，其中，1951-1957年、1963-1976年、1983-1992年和2007-2018年为年降水量的增加阶段，1958-1962年、1977-1982年和1993-2006年为年降水量的减少阶段。

(2)围场地区年降水量在时间尺度上存在着显著的准4 a和准27 a的年际和年代际变化周期，分别与厄尔尼诺的2～7 a周期和太平洋年代际振荡的20～30 a变化周期相对应，说明厄尔尼诺和太平洋年代际振荡是影响围场地区近70年降水量变化的主要因素。

(3)交叉小波谱和小波凝聚谱分析表明，围场地区年降水量与厄尔尼诺间存在着显著的共振周期，与太平洋年代际振荡间可能也存在着某种关联。

(4)围场地区年降水量的准4 a和准27 a的变化周期分别可以解释年降水量方差变量的64.3%和16.2%，说明厄尔尼诺(ENSO)对围场地区年降水量的贡献可能要大于太平洋年代际振荡(PDO)对该区年降水量的贡献。