礼泉县秋季降水变化特征分析

李云溪　任小锐　武琼　杨彤　王娟

摘要 选取陕西省礼泉国家气象观测站1960—2021年的降水资料，根据当地气候特征，对应具体月份，认为9—11月为秋季。对礼泉县秋季降水变化特征进行分析，结果表明：礼泉县秋季降水量占年平均降水量的32.3%，对年降水的贡献较大，仅次于夏季。秋季降水量总体为减少趋势，但趋势不明显，且降水量波动较大。9月降水对秋季降水贡献最大，11月最小。秋季降水日数呈减少趋势，其中小雨日数、中雨日数、大雨日数均呈减少趋势，暴雨日数在21世纪10年代后出现频次较多，占秋季暴雨总日数出现频率的40%。运用小波分析法研究礼泉秋季降水周期变化特征，降水周期序列存在3～7 a、8～11 a、12～18 a、22～32 a 共5个时间尺度，14 a时间尺度为第一主周期。

关键词 秋季降水;小波分析;时间尺度;主周期

中图分类号：P426.614 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2022）04–0136–03

礼泉位于关中平原中部，东邻泾阳，西与乾县接壤，南与兴平、咸阳相连，北与淳化、永寿相接。地处108°

17′40″E～108°41′46″E、34°20′ 50″N～34°50′02″N，海拔402～1 467 m之间。礼泉县属于暖温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，降水主要集中在夏、秋两季，秋季主要为连阴雨，或伴有暴雨天气[1]。连阴雨天气时常引发地质灾害和对农业生产造成不利影响，给当地的经济发展带来了极大的损失。研究了1960—2021年秋季降水的变化特征，为当地政府决策和城市建设提供科学依据，同时为礼泉县气候预测提供基础依据，对做好防灾减灾工作具有指导意义[2]。

1 资料与方法

1.1 数据的来源和预处理

对礼泉国家气象观测站1960—2021年共计62 a的逐日降水资料进行统计分析，季节以9—11月为秋季划分，确定秋季降水量，资料取自地面报表，并经过陕西省气象局信息中心格式审查和质量控制[3]。

1.2 研究方法

（1）运用气候倾向率、滑动平均法、相对变率、极值比等统计方法，统计分析礼泉县秋季降水变化趋势和特征。

（2）利用小波分析法分析秋季降水量周期变化和降水突变特征。小波函数是小波分析法的关键，在研究某一具体问题时，必须选择一种确定的子母波函数。本文选择Morlet小波，对其母函数进行Fourier变换，得到母函数：

Φ（ω）=πe-t                   （1）

小波变换将信号分解在不同的时间和频率尺度上，则任意函数的连续小波变换可表示：

W（s，τ）=f （t）Φ（s，t-τ）dt               （2）

通过分析小波方差，可以明确序列的主要周期。将小波系数的平方值在域积分，得到小波方差：

Var（s）=|Wf （s，τ）|2 dτ                 （3）

式中t为时间，s为伸缩尺度因子，表示小波的周期;为平移因子，表示时间上的平移。

2 秋季降水的变化特征

2.1 秋季降水的年变化

礼泉县近62 a秋季平均降水量为178.0 mm，秋季最大降水量为439.6 mm，出现在2011年;最小降水量为65.5 mm，出现在1987年。极大值与极小值相差374.1 mm。礼泉县1960—2021年秋季平均降水量变化情况如图1所示，1960—1985年、2010—2021年，2个周期内秋季降水较多，为多雨期，2011年、2021年秋季降水量均超过400 mm;1976—1980年、1986—2010年处于少雨期。秋季降水量总体呈减少趋势，气候倾向率为-2.22℃/10 a，但未通过0.05显著性检验;相对变率为36.2%，极值比为6.7，秋季降水变化波动较大。

2.2 秋季降水量的月变化

礼泉县秋季9—11月平均降水量呈现明显的递减趋势，9月月均降水量100.1 mm，是10月的1.8倍，是11月的4.7倍。9月降水量占秋季总降水量的56.2%。11月降水量最少，为21.4 mm，占比12.0%，对秋季降水的贡献最小。为消除降水数据1 a的周期变化扰动，对降水进行距平处理。9—11月的降水量年际差异较大，9月降水量的波动幅度与秋季的降水量波动幅度极为相似，两者之间的相关系数为0.89，通过了0.01显著性检验，说明9月降水量与秋季降水量之间呈显著的正相关关系。9月降水对秋季降水贡献最大，造成这一现象的主要原因是华西秋雨对礼泉秋季降水影响较大。当地主要降水时段多集中在9—10月;10月降水波动幅度与秋季的降水波动幅度之间的相关系数为0.58，通过了0.01显著性检验;11月波动幅度与秋季的降水波动幅度之间的相关系数为0.26，通过了0.05显著性检验，说明11月降水量与秋季降水量之间相关系数在3个月中最低[4]。

2.3 秋季降水日数的变化

礼泉县1960—2021年秋季平均降水日数为27 d（图2），秋季降水日数最多的是1975年，为50 d;秋季降水日数最少的是1991年，为14 d，降水日数极大值与极小值相差36 d。秋季平均降水日数呈减少趋势。根据国家标准，将日降水量量级进行划分，小雨：0.1～9.9 mm;中雨：10.0～24.9 mm;大雨：25.0 ～49.9 mm;暴雨：50.0～99.9 mm;大暴雨：100.0～249.9 mm。礼泉秋季未出现过大暴雨日数;小雨日数、中雨日数、大雨日数均呈减少趋势，但趋势不明显，秋季暴雨日数共出现10次，21世纪10年代后出现频次较高，共4次，占秋季暴雨总日数出现频率的40%，但该年代秋季小雨日数少于近62 a的秋季平均小雨日數，这也印证了21世纪10年代礼泉县秋季极端降水频发，具有变化波动大的特征[5]。

秋季降水量年際差异较大，年际变化幅度明显大于降水日数的变化幅度。秋季降水量与降水日数之间的相关性为0.65，通过了0.01的显著性检验，说明秋季降水量和降水日数呈显著的正相关关系。典型代表为1983年，秋季降水日数39 d，超过秋季平均降水日数12 d，秋季降水量为427.1 mm，为近62 a来秋季降水量第2位。

2.4 秋季降水与年降水变化关系

1960—2021年秋季降水量占年平均降水量的32.3%，对年降水的贡献较大，仅次于夏季。秋季降水量与降水日数之间的相关性为0.76，通过了0.01的显著性检验，说明秋季降水量与年降水量呈显著的正相关关系。典型代表为2021年，秋季降水量为415.8 mm，为1960—2021年秋季降水量第3位，年降水量为881.5 mm，为近62 a来年降水量第2位。

2.5 秋季降水周期的变化特征

2.5.1 小波系数实部等值线分析 小波系数实部等值线图能反映降水量不同时间尺度的周期变化规律，能判断在不同时间尺度上降水的未来变化趋势。在进行Morlet小波变换前，需要对统计年份秋季降水量进行距平处理。图3中小波实部正值用实线表示，图中颜色越浅，表示正值越高，代表降水越多;负值用虚线表示，图中颜色越深对应负值越大，代表降水越少;小波系数实部等值线0表示为转折点。礼泉1960—2021年秋季降水变化具有明显的多时间尺度变化特征，主要存在时间尺度有3～7 a、8～11 a、12～18 a、22～32 a共5种周期变化规律。在3～7 a的时间尺度上、周期变化几乎覆盖整个统计年份，说明具有全域性，但变化周期较为杂乱，表明秋季降水在该周期下，降水量变化频繁，没有明显的规律性。在8～11 a的时间尺度上，周期变化在20世纪70年代中后期至80年代中后期与21世纪00年代前中期出现间断情况，周期变化具有局部性。在12～18 a的时间尺度上，存在6次降水量多到少的振荡，特点明显，在1981—1989年和2011—2018年有两对正负值高中心，且整个统计研究时域上较为稳定，具有全域性。其中，秋季降水偏多时期分别为1964—1969年、1974—1976年、1981—1985年、1996—1997年、2002—2003年、2011—2015年。秋季降水相对偏少时期分别为1970—1973年、1977—1980年、1986—1995年、1998—2001年、2004—2010年、2016—2018年。降水量多到少转折点分别出现在1970年、1973年、1977年、1981年、1986年、1996年、1998年、2002年、2004年、2011年、2016年左右。22～32 a的时间尺度上存在3次降水量多到少的振荡，整个统计研究时域上较稳定，也具有全域性（图3）。

2.5.2 小波系数的方差分析 小波方差在时间尺度年中的演变过程，即小波方差图。小波方差图能清晰地表明波动能量随时间尺度年的分布情况，准确描述研究序列中不同尺度波动的强弱，波动能量波峰处为该研究序列对应的主要周期。由图4可以看出，礼泉1960—2021年秋季降水的小波方差存在4个较为明显的峰值，14 a时间尺度出现最大峰值，振荡最强烈，为第一主周期;20 a时间尺度为第二主周期，27～29 a为第三主周期，准5 a为第4主周期。

3 结束语

1960—2021年，礼泉县秋季降水量呈减少趋势，但总体趋势不明显，且降水波动幅度变化大。秋季降水日数呈减少趋势，其中小雨日数、中雨日数、大雨日数均呈减少趋势，暴雨日数在21世纪10年代后出现频次较高，秋季极端降水较多。华西秋雨对礼泉秋季降水影响较大，其主要降水时段多集中在9—10月，因而礼泉9月降水占秋季降水量的比例最高。礼泉秋季降水周期序列存在3～7 a、8～11 a、12～18 a、22～32 a共5个时间尺度，在12～18 a、22～32 a的时间尺度上，较为稳定，具有全域性，秋季降水量第1～4主周期依次为14 a、20 a、27～29 a、准5 a。

参考文献

[1] 王英，牛乐田，刘帆，等.咸阳市近54a汛期降水特征分析[J].咸阳师范学院学报， 2014，29（6）：50-55.

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[9] 荣先远，王宏伟，匡文怡.基于小波分析的舒城县暴雨气候特征分析[J].现代农业科技，2017（10）：193-195.

责任编辑：黄艳飞

Analysis on the Characteristics of Autumn Precipitation Change in Liquan County

LI Yunxi et al（Liquan Meteorological Bur-eau， Liquan， Shaanxi 713200）

Abstract Based on the precipitation data of Liquan National Meteorological Observatory in Shaanxi province from 1960 to 2021， September to November was considered as autumn according to the local climate characteristics and corresponding months. The results showed that the precipitation in autumn in Liquan county accounts for 32.3% of the annual average precipitation， which was second only to summer. The precipitation in autumn showed that a decreasing trend， but the trend was not obvious， and the precipitation fluctuated greatly. Precipitation contributed the most to autumn precipitation in September and the least in November. The number of precipitation days in autumn showed a decreasing trend， among which the number of light rain days， moderate rain days and heavy rain days all showed a decreasing trend. The number of rainstorm days appeared more frequently after 2010s， accounting for 40% of the total frequency of rainstorm days in autumn. Wavelet analysis was used to study the characteristics of autumn precipitation cycle in Liquan. The precipitation cycle series had 5 time scales， including 3～7 a， 8～11 a， 12～18 a and 22～32 a， and the 14A time scale was the first main period.

Key words Autumn precipitation; Wavelet analysis; Time scale; The main cycle

作者簡介 李云溪（1991—），男，陕西蒲城人，工程师，主要从事综合气象业务工作。#通信作者：任小锐（1990—），男，陕西乾县人，助理工程师，主要从事气象服务工作，E-mail：kongbai375882886@163.com。

收稿日期 2022-01-12