气候突变点前后无锡站年际降水序列历史演化特征

秦 建 国，吴 朝 明，姚 华，任 小 龙，尤 征 懿，朱 骊，朱 前 维，严 维 宁

(江苏省水文水资源勘测局 无锡分局，江苏 无锡 214031)

1 研究背景

气候突变是一个与混沌理论几乎同时诞生的新概念，至今没有明确的定义[5]。由于气候突变是在研究古气候时首先提出的，所以人们曾经以为：① 它们都是古老的事件，在近现代气候中不会出现；② 其具有随机性，属于混沌学的一部分[6]。有一些学者根据突变理论给出了一个简单的定义：气候突变是指气候由一种稳定状态跃升另一种稳定状态的急剧变化[7]。虽然人们早就意识到近现代气候也存在突变性，但是迟至1990 s才找到一些不完整的证据[8]。2013年出版的文献[9]中，国家气候中心认为：根据对近现代气候年代际变化的研究，1970 s我国发生了一次气候突变(图1由江苏省气候中心提供)。

图1 江苏省冬季平均气温距平Fig.1 Winter mean temperature anomaly in Jiangsu Province

笔者对单要素时间序列做了较系统的研究，在近现代气候中首次发现了气候突变点，并且开展了验证工作。2009年夏季，在分析无锡站年际降水过程线时发现1978年前后旱涝特征的差异很大，有特征突变现象[10]；2012年提出了“气候成因不同特征不同”的猜想，然后采取分段法研究，发现了无锡站年际降水序列(1977～2011年)高中低的分布规律[11-12]；2014年萌生了细部特征法和非典型周期的概念，在突变临界点前后找到了无锡站年际旱涝周期性特征差异显著的关键证据[3]；2018年又提出了一个理念“分段特征一致性”，对无锡站的观测历史进行了全面探讨，发现3个气候突变点，实现了近现代气候分类研究[4]。

由于气候突变发现的时间较短，学术界还没有做过对时间序列的影响分析，更谈不上应用研究。而且如能使用统计手段揭示时间序列的变化规律，不但有助于理解水文气象的长期演化过程，并且可加深对地球系统的了解，为中长期预报模型、气候预报模型的建立提供必不可少的依据。因此，有必要对无锡站年际降水序列的历史演化特征进行全面探讨，寻找气候突变点存在的更多证据，为开展应用研究和促进地方台站中长期预报分析服务。

2 研究方法及资料

2.1 历史演变法及其机理

历史演变法可分为广义和狭义两种。广义的历史演变法是指所有根据历史演变过程总结的经验教训，狭义的历史演变法则是对水文气象要素历史演变过程的特征进行统计分析的方法。本文研究的是后者，是由气象学家杨鉴初首先提出的[13]。

所谓“历史演变法”，就是利用某站某一水文要素的历史演变曲线，即水文过程线的外形特征，分析它的统计规律来做预报的工作方法。这种方法的基本依据是：任何一个水文要素的长期记录，都是这个要素全部历史变化的反映。尽管影响这个要素的一切外界和内部因素目前还不能一一识别，并且不能判定各个因素的影响程度，但是所有这些因素的综合影响，却都已经反映在这个要素的历史演变曲线当中[14]。因而只要能够找出这个要素不同时间段的历史演变统计规律，就可以利用这些规律来进行预报。

1951年，杨鉴初首次利用历史上某月的气象特征推测来年这个月的气候变化情况。1958年经过内蒙古自治区水文部门的推广，也将该方法用于水文要素的年际时间序列预测分析。该方法曾经在全国得到大力推广，对我国地方台站的长期预报起到了推动作用，但是在1980 s前后，随着计算机和信息技术的普及，该方法逐渐被淘汰。然而历史演变法提出的5种预报规律，还是考虑得比较细致，方法也简单易行，至今还有着非常重要的现实意义[14]。因此，笔者再次使用该方法进行时间序列特征的对比分析，并根据实际情况做了一定的修正和整理。

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2.2 资料概况

无锡站位于太湖地区中部，是流域内代表性最好的雨量站[15]，多年均值略大于1 100 mm[16]。该站创建于1922年初，但是在1922～1950年，由于各种原因，降水时间序列缺失严重，完成全年观测的仅有11 a。因此，本文选择的时间序列是无锡站的1951～2014年(见图2)。所用原始数据都经过江苏省水文部门审核，资料真实可靠。

图2 无锡站年际降水过程线(1951～2014年)Fig.2 Interannual rainfall process line at Wuxi Station(1951～2014)

3 气候突变点前后历史演化特征

在实际工作中，杨鉴初先生从历史演变过程线的变化情况，总结出了以下5个方面的规律，即：持续性、相似性、周期性、最小可能性与最大可能性、突变点[13](此前称为转折点)。

3.1 持续性

持续性就是指水文要素在历史演变时，趋势升、降变化的持久程度。可分为2个方面：① 若1个水文要素的数值高出某个特定数值时，那么次年的趋势变化必然下降，笔者将这个特定数值称为数值临界点；② 若第1年下降，第2年连续下降，那么下一年的趋势变化必然上升[14]，笔者将这个持续的特定时间长度称为时长临界点。

3.1.1数值临界点

由图2可知，根据无锡站年际降水序列(1951～2014年)的实际情况可修正为：若某个水文要素的数值高出或少于某个特定数值时，那么次年的趋势变化必然反弹。

(1) 气候突变点前。无锡站1951～1978年期间：① 当年降水量大于1 400 mm时，第2年降水量必然小于1 300 mm；② 当年降水量小于1 000 mm时，次年降水量都是增加的，且其趋势维持的时间是1～3 a。在图3中第1种情况出现了2次，第2种情况出现了9次，无一例外。

图3 无锡站年际降水过程线(1951～1978年)Fig.3 Interannual rainfall process line at Wuxi Station(1951～1978年)

(2) 气候突变点后。无锡站1978～2014年期间：① 当年降水量大于1 300 mm时，次年降水量必然小于1 200 mm；② 当年降水量小于1 000 mm时，次年降水量都是增加的，且其趋势维持的时间是1～2 a。在图4中第1类特征出现了8次，第2类特征出现了11次，无一例外。

图4 无锡站年际降水过程线(1978～2014年)Fig.4 Interannual rainfall process line at Wuxi Station(1978～2014年)

3.1.2时长临界点

由图2可知，根据无锡站该时段的实际情况可修正为：在1951～2014年期间，当某一水文气象要素的趋势连续3 a上升或下降时，则次年必然反转。

(1) 气候突变点前。在无锡站1951～1978年期间，其特征与1951～2014年期间相同。在图3中连续3 a上升再下降的情况发生过1次(1967～1971年)，连续3 a下降再上升的情况也发生过1次(1962～1966年)，无一例外。

(2) 气候突变点后。在无锡站1978～2014年期间，则须改为：当某一水文气象要素的趋势连续2 a上升或下降，那么次年必然反弹。在图4中连续2 a上升再下降的情况出现过6次，连续2 a下降再上升的情况只出现过1次，无一例外。

3.2 相似性

“相似性”就是指在某个时期水文过程线的变化趋势在外形上与另一个时期有很相似的地方。

(1) 气候突变点前。在1951～1978年期间：① 1951～1955年与1974～1978年的变化趋势非常相似，它们的表现都是降-降-升-降的形态(其特征类似于不连续的平移对称)；② 1953～1958年(升-降-升-升-降的形态)与1973～1978年(升-降-降-升-降的形态)的变化趋势正好是相反(其特征类似于不连续的镜像对称)的形态，而且相似度较高；③ 1961～1966年(升-降-降-降-升的形态)与1966～1971年(降-升-升-升-降的形态)的变化趋势正好相反，即特征类似于镜像对称或者中心对称的形态(见图3)。

(2) 气候突变点后。在1978～2014年期间：① 1982～1988年的变化趋势与1988～1994年期间很相似(其特征类似于平移对称)，它们都表现为升-降-升-降-升-降的形态，而且都是第一个波峰矮、波谷小，后面两个波峰高、波谷大；② 1999～2004年的变化趋势与2009～2014年期间很相似(其特征类似于不连续的平移对称)，它们都表现为降-升-升-降-升的形态(见图4)。

3.3 周期性

“周期性”是指某一水文要素的历史演变经过一定时间后再次出现的现象。需要注意的是：本文中所说的周期并非科学意义上的严格周期，而是说水文要素在某些时段的变化情况，经过一些时间间隔之后，又再次出现类似的变化趋势。周期性本身在历史变化中不是永远不变的，必须灵活应用，配合其他规律来考虑，才不至于发生偏差[17-19]。

(1) 气候突变点前。根据传统的方法，1951～1978年期间的特征是：① 1951～1960年，期间每隔3 a就出现一次峰谷，在这里下凹式3 a周期是比较明显的；② 1962～1970年，期间每隔4 a就出现一次峰谷，在这里下凹式4 a周期也是特征明显的；③ 1970～1974年，期间每隔2 a就出现一次峰谷，下凹式的2 a周期特征明显[14](见图3)。

根据分段法和细部特征法，1951～1978年期间的特征是：① 如果将序列中从上升-下降的一次完整过程，视为1个年际旱涝周期性演化的基本单元，则无锡站年际降水过程线是由3种(2，3，4 a)周期组成的，笔者称其为非典型周期；② 按照时间趋势特性的不同，又可以分成正2 a(两侧历时相同)、顺3 a(左侧历时长、右侧短)、逆3 a(与顺的特征相反)、顺4 a、逆4 a等5种类型；③ 相临的2个基本单元，还可以合并成顺、逆相间的复合周期[3-4]。表1中1950年的旱涝趋势是根据历史文献插补的。

表1 无锡站各基本单元的组合Tab.1 Combination of basic units of Wuxi Station

(2) 气候突变点后。根据分段法和细部特征法，1978～2014年期间的特征是：① 由3种基本单元组成，其中正4 a周期仅在气候突变时出现，顺3 a、正2 a周期从不单独出现；② 1978～1994年和2003～2007年，期间的趋势变化基本一致，都是轴对称图像，其表现为升-升-降-降或者升-降-升-降的形态；③ 1994～2003年和2007～2013年，期间每隔3 a就会出现一次峰谷，而且它们都是升-升-降的形态[3-4](见图4)。

3.4 最小可能性与最大可能性

最小可能性与最大可能性是指任何一个水文要素的数值在一定时期内均有一定的波动区间。注意波动区间对预报分析具有很多的帮助。要素在数值未来超出它历史变化的区间不是不可能的，但是可能性较小。资料序列的年代越长，越过其区间的可能性也越小，预报数值超出历史变动区间的可能性为最小可能性；历史变化中经常出现的数值区间称为最大可能性。

(1) 气候突变点前。无锡站1951～1978年期间的年降水量数值中，对大于1 521.3 mm(1954年)和小于552.9 mm(1978年)的出现，可以认为是最小可能性；在800.0～1 400.0 mm之间是最大可能性(见图3)。

(2) 气候突变点后。无锡站1978～2014年期间的年降水量数值中，对大于1 630.7 mm(1991年)和小于552.9 mm(1978年)的出现，可以认为是最小可能性；在800.0～1 500.0 mm之间是最大可能性(见图4)。

3.5 突变点

突变点是指水文气象要素的历史演变过程中，在一个时段里有很明显的特征，但是在此后的时段里发生了改变，并且出现了新的特征，那么两个时段之间的转折期称为突变点。因此，突变点既是不同时段的接触线，也是2种演变特征的分界线[20-22]。

本文对突变点进行了明确的定义，突变点就是一种特殊的非典型周期(即独立周期与复合周期)分界点，可分成2种情况：① 低级的突变点，主要用于判断不同非典型周期旱涝特征升降的细微变化，称为周期性突变点；另一种是高级的突变点，用于判断旱涝特征的宏观变化，这种转折点往往40 a(预估值)左右才出现一次，称为气候突变点。需要注意的是，年际序列中的个别突变点会同时具备两种特征。

(1) 气候突变点前。根据分段法和细部特征法总结的经验，该时段的周期性突变点特征有2种划分方法：若按照独立周期划分，则不同独立周期的两侧都是周期性突变点[2]，图3中的1953，1955，1961，1965，1967，1971，1973，1976，1978年都是周期性突变点；若按照复合周期划分，则不同复合周期的两侧都是周期性突变点，只有1955，1961，1967，1973，1978年等5个点。对预报工作来说，这两种特征都是非常重要的，但是后一种特征的重要性更大一些。因此，本时段应该首先考虑复合周期的突变点。

(2) 气候突变点后。由于气候突变点后的复合周期特征不明显，所以本时段采用的是独立周期突变点的划分方法。由图4可知，1978～2014年期间的1978，1982，1994，2003，2007和2013年都是历史演变曲线中的周期性突变点，其中1978，2013年还是更高一级的气候突变点[3-4]。

4 结 论

(1) 研究表明，在水文气象时间序列领域，由于存在一些认知上的缺陷，目前已知的任何方法都无法真正完成单要素分析，历史演变法也不例外，必须与气候突变理论以及笔者提出的分段法、细部特征法等辅助方法配合使用，才能弥补其分辨率较低的弱点。

(2) 根据历史演变法5种特征的对比分析可知，1978年前后无锡站年际降水过程线的历史演化特征差异显著，即可以证实“气候成因不同特征不同” 的猜想和“分段特征一致性”的理念，也是气候突变点存在的有力证据。

(3) 经过改进后，无锡站年际降水序列的历史演化特征具有分段特征一致性清晰、历史演变规律明显、代表性良好的特点，可以满足该站开展单要素中长期水文气象预报和气候预测的需求。