学 术 论 坛
近50年来南京梅雨期降雨量变化特征分析
徐福刚
(南京外国语学校仙林分校中学部 江苏南京 210046)
摘 要:以南京1954-2007年间梅雨期降雨量资料时间序列为基础,运用累积距平、Mann-Kendall突变检验法、小波分析等方法对南京近50多年来的梅雨期降雨量进行了多角度分析。结果表明:(1)、近50年南京梅雨期降雨量有着较为明显的阶段性,1954～1968年期间为南京梅雨期降雨量由丰转枯阶段,1969～2007年期间为南京梅雨期降雨量波动频繁、并呈现逐步增多阶段。(2)、在过去的近50多年中,南京梅雨期降雨量没有发生突变。(3)、南京梅雨期降雨量存在较为明显的周期特征,其显著周期为6年、4年、2年、15年和22年。关键词:梅雨 累积距平 Mann-Kendall 小波分析 南京中图分类号:P468文献标识码:A文章编号
:1674-098X(2012)08(b)-0218-03
南京位于长江下游地区,季风气候明显,气候资源丰富,但是由于受到西风带,副热带和热带天气系统的影响,气象灾害频繁发生,其中梅雨汛期降水形成的洪涝是南京地区的主要气象灾害之一,对人们的生活和生产造成了一定的影响。如1954、1998这两次大的洪涝灾害年均是由于梅雨期持续降水造成的。了解和研究南京地区的梅雨期降雨量的变化特征,对于长江下游做好与梅雨相关的预测服务工作,对于防灾减灾,甚至于国计民生都有着重要的意义。
1 资料来源与研究方法
本文的资料来源于江苏省气象台的梅雨观测资料和相关文献[1～2]。本文取了1954-2007年南京近50年的梅雨期降雨量作为基础数据,采取累积距平,Mann-Kendall突变检验法、小波分析等方法对南京近50年来的梅雨期降雨量进行多角度分析,以揭示其多年变化规律,为预测未来变化提供技术支撑。
2 分析与讨论
2.1梅雨期降雨量变化趋势
从图1上可以看出,近50年来南京市梅雨期降雨量的波动变化频繁,总的趋势线是梅雨量为略有增加,但不明显。为了更好的、更直接的了解南京近50年来的降雨量
的变化趋势,采用了累积距平方法[3]对数据
进行了分析,得出了南京市近50年来梅雨期降雨量的变化趋势图,结果如图2所示。
从图2上可以看出,近50年南京梅雨期降雨量有着较为明显的阶段性。从大的波动变化来说,南京梅雨期降雨量的变化可以划分为两个阶段,在1954-1968年之间,南京梅雨期降雨量以少于多年平均梅雨量的占绝对优势,累计距平曲线呈现出逐步下降的形态,由最大值降低为最小值,这说明1954-1968年期间南京梅雨期降雨量为明显的由丰转枯时期;而1969-2007年期间,南京梅雨期降雨量的累积距平曲线出现非常频繁的高低波动,总的趋势呈现出逐步上升的形态,这表明1969-2007年这一时期内南京梅雨期降雨量波动变化大,降雨量丰枯转换频繁,降雨量有逐步增多的趋势。2.2梅雨期降雨量突变特征
Mann-Kendall检验是由Mann和Kendall提出[4～5],并经广泛使用[6～10]的非参数统计检验方法,利用Mann-Kendall突变检验方法分析了南京梅雨期降雨量的突变情况,经计算所有UFk组成一条曲线UF。把同样的方法引用到反序列中,得到另一条曲线UB。在给定显著性水平(取α=0.05,则U0.05=±1.96)条件下,当|UFk|>Uα时,表明序列存在明显的增长或减少趋势。如果UF和UB两条曲线在临界线之间出现交点,且上升或下降超出临界线,则此交点就是突
６００
变的时间。从图3上可以看出,在近50多年时间内,UF和UB两条线出现了三次交点,一次在1981年,一次在1990年,还有一次在1994年,这三次交点均出现在临界线之间,随后并没有上升或下降超出临界线,所以,近50多年来南京梅雨期降雨量没有发生突变。2.3梅雨期降雨量周期特征
由图1可以看出,南京近50年来梅雨期降雨量高低波动频繁,存在着一定的振荡周期,但很难从数据中一下分辨出来,为了较为准确的得出降雨量数据变化的周期特征,这里采用了一种近年来应用比较成功的方法—小波分析法来对数据进行解析。小波分析法能将时间序列分解成交织在一起的多尺度成分,并对不同的尺度采用不同的取样步长从而能不断地聚焦到任意的细节,特别适合将隐含在时间序列中各种随时间变化的周期清楚地显现出来[11～12]。文中采用Morlet小波来识别南京近50年来梅雨期降雨量的多时间尺度特性,得出了小波变换图和小波方差图(图4和图5)。
从图4上可以看出,南京近50年来梅雨期降雨量主要存在着2年、4-5年、6-7年、14-15年、以及22年左右的周期振荡。在2年左右的特征时间尺度下,梅雨期降雨量的多少变化在20世纪70年代前后、80年代前后、以及90年代前后都表现较为明显,但60年代晚期以前的约10多年时间里,2年的周期特征没有体现出来;4-5年的特征尺度在20世纪
梅雨期降雨量（ｍｍ）
０１９５０
４００２０００年代
１９５０
１９６０
（ｍｍ）降雨量累计距平
１９７０
１９８０
１９９０
２０００
２０１０
１９６０１９７０１９８０１９９０２０００２０１０
图1 南京梅雨期降雨量变化曲线 图2 南京梅雨期降雨量累积距平曲线
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70年代中期至80年代中期表现最为明显,90年代中后期开始也有所体现;6-7年的特征尺度在整个研究时段内表现最为明显,呈现出非常规律的偏多偏少的转换,并且主要以6年左右的波动周期为主,仅在70年代后期至90年代之间表现不明显;14-15年左右的特征时间尺度在20世纪60年代前、70年代至80年代初、以及21世纪以来有所体现,其他时段表现不明显;22年左右的特征时间尺度在整个时段都有所表现,但在80年代前表现较为突出。另外,由图5可以看出,图中有5个明显的峰值,分别对应2年、4年、6年、15年和22年。由此可见,南京梅雨期降雨量变化存在着2年、4年、6年、15年和22年这5个主要的振荡周期,其中6年对应的小波方差最大,为南京梅雨期降雨量的第1主周期,第2～4主周期依次为4年、2年、15年和22年。
图3 南京梅雨期降雨量Mann kendall突变检验
3 结语
(1)近50年南京梅雨期降雨量有着较为明显的阶段性,1954～1968年期间为明显的南京梅雨期降雨量由丰转枯时期,1969～2007年期间为南京梅雨期降雨量波动频繁、并呈现逐步增多阶段。
(2)Mann-Kendall突变检验表明,在过去的近50多年中,南京梅雨期降雨量没有发生突变。
(3)Morlet小波分析表明,南京梅雨期降雨量存在较为明显的周期特征,其显著周期为6年、4年、2年、15年和22年。
参考文献
[1]江苏省气象局预报课题组.江苏重要天
气分析和预报(下册).北京:气象出版社,1989.
[2]南京市地方志编撰委员会.南京年鉴,南
京:南京年鉴编辑部出版,2001～2007.[3]魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术
(第二版),北京:气象出版社,2007.[4]Mannn HB.Non-parametric tests gain trend
[J].Econometrica,1945,13:245-259.[5]Kendall MG.Rank correlation measures
[M].London:Charles Griffin,1975.[6]徐宗学,孟翠玲,巩同梁,等.西藏自治
区气温变化趋势分析[J].自然资源学报,2009,24(1):162-170.
[7]张剑明,黎祖贤,章新平.长沙近50年来
降水的多时间尺度分析[J].水文,2007,27(6):78-80.
[8]陈德超,张晓波,陆建伟,等.苏州1956
年以来的降水变化及其空间差异研究[J].水文,2008,28(6):68-72.
[9]刘海涛,张向军,郭全水,等.和田河流
域半世纪来气温、降水突变分析[J].干旱区资源与环境,2010,24(1):58-62.[10]陈亚宁,徐长春,郝兴明,等.新疆塔里
木河流域近50a气候变化及其对径流的影响[J].冰川冻土,2008,30(6):921-929.
[11]纪忠萍,谷德军,谢炯光.广州近百年来
气候变化的多时间尺度[J].热带气象学报,1999,15(1):48-55.
[12]林振山,汴维林,金龙.中国旱涝史料的
层次分析[J].气象学报,1999,57(1):112-120.
图4 南京梅雨期降雨量小波变换图
图5 南京梅雨期降雨量的小波方差
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徐福刚
(南京外国语学校仙林分校中学部 江苏南京 210046)
摘 要:以南京1954-2007年间梅雨期降雨量资料时间序列为基础,运用累积距平、Mann-Kendall突变检验法、小波分析等方法对南京近50多年来的梅雨期降雨量进行了多角度分析。结果表明:(1)、近50年南京梅雨期降雨量有着较为明显的阶段性,1954～1968年期间为南京梅雨期降雨量由丰转枯阶段,1969～2007年期间为南京梅雨期降雨量波动频繁、并呈现逐步增多阶段。(2)、在过去的近50多年中,南京梅雨期降雨量没有发生突变。(3)、南京梅雨期降雨量存在较为明显的周期特征,其显著周期为6年、4年、2年、15年和22年。关键词:梅雨 累积距平 Mann-Kendall 小波分析 南京中图分类号:P468文献标识码:A文章编号
:1674-098X(2012)08(b)-0218-03
南京位于长江下游地区,季风气候明显,气候资源丰富,但是由于受到西风带,副热带和热带天气系统的影响,气象灾害频繁发生,其中梅雨汛期降水形成的洪涝是南京地区的主要气象灾害之一,对人们的生活和生产造成了一定的影响。如1954、1998这两次大的洪涝灾害年均是由于梅雨期持续降水造成的。了解和研究南京地区的梅雨期降雨量的变化特征,对于长江下游做好与梅雨相关的预测服务工作,对于防灾减灾,甚至于国计民生都有着重要的意义。
1 资料来源与研究方法
本文的资料来源于江苏省气象台的梅雨观测资料和相关文献[1～2]。本文取了1954-2007年南京近50年的梅雨期降雨量作为基础数据,采取累积距平,Mann-Kendall突变检验法、小波分析等方法对南京近50年来的梅雨期降雨量进行多角度分析,以揭示其多年变化规律,为预测未来变化提供技术支撑。
2 分析与讨论
2.1梅雨期降雨量变化趋势
从图1上可以看出,近50年来南京市梅雨期降雨量的波动变化频繁,总的趋势线是梅雨量为略有增加,但不明显。为了更好的、更直接的了解南京近50年来的降雨量
的变化趋势,采用了累积距平方法[3]对数据
进行了分析,得出了南京市近50年来梅雨期降雨量的变化趋势图,结果如图2所示。
从图2上可以看出,近50年南京梅雨期降雨量有着较为明显的阶段性。从大的波动变化来说,南京梅雨期降雨量的变化可以划分为两个阶段,在1954-1968年之间,南京梅雨期降雨量以少于多年平均梅雨量的占绝对优势,累计距平曲线呈现出逐步下降的形态,由最大值降低为最小值,这说明1954-1968年期间南京梅雨期降雨量为明显的由丰转枯时期;而1969-2007年期间,南京梅雨期降雨量的累积距平曲线出现非常频繁的高低波动,总的趋势呈现出逐步上升的形态,这表明1969-2007年这一时期内南京梅雨期降雨量波动变化大,降雨量丰枯转换频繁,降雨量有逐步增多的趋势。2.2梅雨期降雨量突变特征
Mann-Kendall检验是由Mann和Kendall提出[4～5],并经广泛使用[6～10]的非参数统计检验方法,利用Mann-Kendall突变检验方法分析了南京梅雨期降雨量的突变情况,经计算所有UFk组成一条曲线UF。把同样的方法引用到反序列中,得到另一条曲线UB。在给定显著性水平(取α=0.05,则U0.05=±1.96)条件下,当|UFk|>Uα时,表明序列存在明显的增长或减少趋势。如果UF和UB两条曲线在临界线之间出现交点,且上升或下降超出临界线,则此交点就是突
６００
变的时间。从图3上可以看出,在近50多年时间内,UF和UB两条线出现了三次交点,一次在1981年,一次在1990年,还有一次在1994年,这三次交点均出现在临界线之间,随后并没有上升或下降超出临界线,所以,近50多年来南京梅雨期降雨量没有发生突变。2.3梅雨期降雨量周期特征
由图1可以看出,南京近50年来梅雨期降雨量高低波动频繁,存在着一定的振荡周期,但很难从数据中一下分辨出来,为了较为准确的得出降雨量数据变化的周期特征,这里采用了一种近年来应用比较成功的方法—小波分析法来对数据进行解析。小波分析法能将时间序列分解成交织在一起的多尺度成分,并对不同的尺度采用不同的取样步长从而能不断地聚焦到任意的细节,特别适合将隐含在时间序列中各种随时间变化的周期清楚地显现出来[11～12]。文中采用Morlet小波来识别南京近50年来梅雨期降雨量的多时间尺度特性,得出了小波变换图和小波方差图(图4和图5)。
从图4上可以看出,南京近50年来梅雨期降雨量主要存在着2年、4-5年、6-7年、14-15年、以及22年左右的周期振荡。在2年左右的特征时间尺度下,梅雨期降雨量的多少变化在20世纪70年代前后、80年代前后、以及90年代前后都表现较为明显,但60年代晚期以前的约10多年时间里,2年的周期特征没有体现出来;4-5年的特征尺度在20世纪
梅雨期降雨量（ｍｍ）
０１９５０
４００２０００年代
１９５０
１９６０
（ｍｍ）降雨量累计距平
１９７０
１９８０
１９９０
２０００
２０１０
１９６０１９７０１９８０１９９０２０００２０１０
图1 南京梅雨期降雨量变化曲线 图2 南京梅雨期降雨量累积距平曲线
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学 术 论 坛
70年代中期至80年代中期表现最为明显,90年代中后期开始也有所体现;6-7年的特征尺度在整个研究时段内表现最为明显,呈现出非常规律的偏多偏少的转换,并且主要以6年左右的波动周期为主,仅在70年代后期至90年代之间表现不明显;14-15年左右的特征时间尺度在20世纪60年代前、70年代至80年代初、以及21世纪以来有所体现,其他时段表现不明显;22年左右的特征时间尺度在整个时段都有所表现,但在80年代前表现较为突出。另外,由图5可以看出,图中有5个明显的峰值,分别对应2年、4年、6年、15年和22年。由此可见,南京梅雨期降雨量变化存在着2年、4年、6年、15年和22年这5个主要的振荡周期,其中6年对应的小波方差最大,为南京梅雨期降雨量的第1主周期,第2～4主周期依次为4年、2年、15年和22年。
图3 南京梅雨期降雨量Mann kendall突变检验
3 结语
(1)近50年南京梅雨期降雨量有着较为明显的阶段性,1954～1968年期间为明显的南京梅雨期降雨量由丰转枯时期,1969～2007年期间为南京梅雨期降雨量波动频繁、并呈现逐步增多阶段。
(2)Mann-Kendall突变检验表明,在过去的近50多年中,南京梅雨期降雨量没有发生突变。
(3)Morlet小波分析表明,南京梅雨期降雨量存在较为明显的周期特征,其显著周期为6年、4年、2年、15年和22年。
参考文献
[1]江苏省气象局预报课题组.江苏重要天
气分析和预报(下册).北京:气象出版社,1989.
[2]南京市地方志编撰委员会.南京年鉴,南
京:南京年鉴编辑部出版,2001～2007.[3]魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术
(第二版),北京:气象出版社,2007.[4]Mannn HB.Non-parametric tests gain trend
[J].Econometrica,1945,13:245-259.[5]Kendall MG.Rank correlation measures
[M].London:Charles Griffin,1975.[6]徐宗学,孟翠玲,巩同梁,等.西藏自治
区气温变化趋势分析[J].自然资源学报,2009,24(1):162-170.
[7]张剑明,黎祖贤,章新平.长沙近50年来
降水的多时间尺度分析[J].水文,2007,27(6):78-80.
[8]陈德超,张晓波,陆建伟,等.苏州1956
年以来的降水变化及其空间差异研究[J].水文,2008,28(6):68-72.
[9]刘海涛,张向军,郭全水,等.和田河流
域半世纪来气温、降水突变分析[J].干旱区资源与环境,2010,24(1):58-62.[10]陈亚宁,徐长春,郝兴明,等.新疆塔里
木河流域近50a气候变化及其对径流的影响[J].冰川冻土,2008,30(6):921-929.
[11]纪忠萍,谷德军,谢炯光.广州近百年来
气候变化的多时间尺度[J].热带气象学报,1999,15(1):48-55.
[12]林振山,汴维林,金龙.中国旱涝史料的
层次分析[J].气象学报,1999,57(1):112-120.
图4 南京梅雨期降雨量小波变换图
图5 南京梅雨期降雨量的小波方差
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