余興湛，黃亦青，劉升源，陳燕

（臺(tái)山市氣象局，廣東臺(tái)山 529200）

近年來(lái)，全球氣候變化已受到各國(guó)學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注［1-2］。由于氣候變化，臺(tái)風(fēng)、暴雨等極端天氣氣候事件對(duì)人類(lèi)的威脅不斷加劇，這些災(zāi)害給許多地區(qū)造成了嚴(yán)重社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。在華南地區(qū)，各地降水的特征發(fā)生了明顯的變化，出現(xiàn)強(qiáng)降水和洪澇的風(fēng)險(xiǎn)顯著上升［3-5］。臺(tái)山市地處低緯，南臨南海，是臺(tái)風(fēng)、暴雨的多發(fā)地區(qū)，降水，尤其是汛期的降水對(duì)臺(tái)山市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響。目前針對(duì)臺(tái)山市降水特征的研究還比較少，因此有必要對(duì)本地降水量的變化特征作深入分析，提高本地的降水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平，對(duì)臺(tái)山的防災(zāi)減災(zāi)等工作十分重要。

目前數(shù)學(xué)分析方法在氣象學(xué)中應(yīng)用已非常普遍，其中在研究降水量多尺度振蕩特征方面受到越來(lái)越多學(xué)者們的青睞。孫國(guó)武等［6］從大氣低頻振蕩的角度出發(fā)，研究出了天氣關(guān)鍵區(qū)的范圍和降水特征；谷德軍等［7］對(duì)逐日降水的振蕩特征進(jìn)行分析，并建立了延伸期預(yù)報(bào)簡(jiǎn)諧波模型，可為中期與延伸期降水預(yù)報(bào)提供重要參考；徐冠宇［8］等通過(guò)分析華南前汛期澇年的低頻降水特征，確定了華南前汛期提前2～6 d延伸期預(yù)報(bào)時(shí)的關(guān)鍵區(qū)域。廣東地區(qū)多個(gè)市縣都對(duì)本地降水的周期性特征做了相關(guān)研究［9-11］，這些研究表明降水資料的周期性變化特征對(duì)中長(zhǎng)期降水預(yù)報(bào)的作用顯著，研究降水資料的多尺度振蕩特征成為降水預(yù)報(bào)的另一個(gè)方向。

本研究從單點(diǎn)的角度出發(fā)探究臺(tái)山降水多尺度振蕩特征，利用臺(tái)山國(guó)家基本氣象站建站以來(lái)的降水資料，對(duì)1954—2018年臺(tái)山不同時(shí)間尺度降水的周期性變化特征進(jìn)行分析，以期為本地的降水預(yù)報(bào)提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

本研究所用資料為臺(tái)山國(guó)家基本氣象站1954—2018年的逐日降水資料。利用的方法有功率譜分析和Morlet小波分析、Butterworth帶通濾波處理等。

2 年、前汛期和后汛期降水周期振蕩特征

從臺(tái)山市的年降水量（圖1）來(lái)看，臺(tái)山市年降水量存在著明顯的偏多或偏少的階段，其中1973—1977、1981—1986、1996—1999、2008—2010年為明顯多雨階段；1966—1969、1987—1991、2003—2007年為明顯的少雨階段，可見(jiàn)臺(tái)山站年降水具有顯著的階段性強(qiáng)弱變化，證明其可能具有周期振蕩特征。

圖1 臺(tái)山站1954—2017年年降水量距平

為了了解臺(tái)山單站降水的振蕩特征，對(duì)年、前汛期、后汛期降水量進(jìn)行Morlet小波變換分析，由于汛期降水量與年降水量的特征非常相似，在此不做分析。首先分析年降水序列的小波變換（圖2a），年降水序列周期振蕩主要表現(xiàn)為11～13、準(zhǔn)4、準(zhǔn)25年的周期振蕩。11～13年振蕩出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)初后期；準(zhǔn)4年的周期振蕩出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代初到21世紀(jì)10年代末；準(zhǔn)25年周期振蕩出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代前。由圖2b可見(jiàn)，前汛期降水序列周期振蕩主要表現(xiàn)為準(zhǔn)13、4～5、2～3年。準(zhǔn)13年周期振蕩在20世紀(jì)70年代后表現(xiàn)顯著；4～5年周期振蕩主要表現(xiàn)在20世紀(jì)50年代中期到70年代初和80年代后期到21世紀(jì)初；2～3年周期振蕩主要表現(xiàn)在20世紀(jì)70年代到80年代后期，以及21世紀(jì)初到21世紀(jì)10年代，信號(hào)較弱。由圖2c可見(jiàn)，后汛期降水序列周期振蕩主要表現(xiàn)為7～8、準(zhǔn)20、3～4、準(zhǔn)11年。20世紀(jì)70年代后一直表現(xiàn)出7～8年的周期振蕩，其中80年代后期后振蕩信號(hào)加強(qiáng)。20世紀(jì)70年代中期后有準(zhǔn)20年周期振蕩，總體信號(hào)較弱。3年周期振蕩主要表現(xiàn)在60年代后期到80年代，準(zhǔn)4年周期振蕩主要表現(xiàn)在21世紀(jì)后，準(zhǔn)11年周期主要表現(xiàn)在20世紀(jì)80年代前期之前。

圖2 1954—2018年臺(tái)山站年（a）、前汛期（b）、后汛期（c）降水Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部和降水量小波方差（d）

結(jié)合小波方差（圖2d）可以得出臺(tái)山站年降水量存在11～13、準(zhǔn)4、準(zhǔn)25年的周期振蕩，前汛期降水量存在準(zhǔn)13、2～5年的周期振蕩，后汛期降水量存在7～8、準(zhǔn)20、3～4、準(zhǔn)11年的周期振蕩。

3 逐日降水周期振蕩特征

為了進(jìn)一步了解臺(tái)山降水可能存在的周期特征，利用1954—2018年臺(tái)山逐日降水的逐日平均值進(jìn)行功率譜分析，最大滯后長(zhǎng)度m取60 d。由圖3a可以看出，周期為120、6、3.6、2.1～2.2 d通過(guò)了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)周期為2.8 d時(shí)，雖然沒(méi)有達(dá)到置信度95%的檢驗(yàn)，但其峰值已經(jīng)十分接近了，周期為20 d時(shí)也有明顯的峰值。因此，可以得出臺(tái)山站逐日降水存在2.1～3.6、6、20、120 d共4種時(shí)間尺度上的周期振蕩。從功率譜圖上看周期大于40 d的分析非常的粗略，所以再用小波變換來(lái)分析與平均年、前汛期、后汛期降水量都比較接近的1957年的逐日降水序列，以分析季節(jié)內(nèi)振蕩隨時(shí)間的變化。從圖3b可看出，4—9月存在明顯30～60 d的周期振蕩；5—6、7和9月存在11～20 d的準(zhǔn)雙周振蕩；4—10月存在81～120 d的周期振蕩。從圖3c小波系數(shù)模分布來(lái)看，1957年逐日降水的各尺度振蕩中，季節(jié)內(nèi)及以下尺度都出現(xiàn)了局部最大值，表明季節(jié)內(nèi)及以下尺度振蕩強(qiáng)度相當(dāng)。因此，綜合功率譜和小波變換分析結(jié)果，臺(tái)山站逐日降水振蕩基本表現(xiàn)為5 d及以下的天氣尺度振蕩、6～10 d的準(zhǔn)單周振蕩、11～20 d準(zhǔn)雙周振蕩、21～80 d的季節(jié)內(nèi)振蕩和81～120 d的季節(jié)變化振蕩等5種時(shí)間尺度，季節(jié)內(nèi)及以下尺度振蕩強(qiáng)度相當(dāng)，季節(jié)變化振蕩強(qiáng)度較弱。

圖3 臺(tái)山站1957年逐日降水功率譜（a）；Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部（b）和模（c）；帶通濾波（d-h）

為了進(jìn)一步了解臺(tái)山逐日降水在這5種時(shí)間尺度變化情況，用Butterworth濾波器對(duì)臺(tái)山站1957年逐日降水序列進(jìn)行尺度分離，5種時(shí)間尺度的變化大小可以用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)度量。臺(tái)山逐日降水的標(biāo)準(zhǔn)差為14.52 mm，從天氣尺度到季節(jié)變化的標(biāo)準(zhǔn)差分別為9.6、5.0、4.1、4.5和1.7 mm。分析發(fā)現(xiàn)5種時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)差中，天氣尺度最大，季節(jié)變化尺度最小。假設(shè)排除暴雨以上降水日資料，它們的標(biāo)準(zhǔn)差分別為8.9、4.8、3.9、4.3和1.7 mm?？梢?jiàn)天氣尺度的標(biāo)準(zhǔn)差減小最大，證明極端強(qiáng)降水對(duì)天氣尺度變化的標(biāo)準(zhǔn)差影響最為顯著。分析臺(tái)山站1957年逐日降水各種尺度的演變，發(fā)現(xiàn)天氣尺度振蕩的振幅最大，與該尺度降水生、消都非常突然的特點(diǎn)一致；季節(jié)變化振蕩的振幅最小，振蕩從4月開(kāi)始加強(qiáng)，10月開(kāi)始減弱，基本與小波分析圖上的表現(xiàn)相吻合。天氣尺度振蕩到季節(jié)內(nèi)振蕩都有振幅和周期接近的1～2個(gè)振動(dòng)周期性的循環(huán)出現(xiàn)，表明具有周期性循環(huán)特征。

4 汛期逐日降水振蕩特征

對(duì)臺(tái)山站1954—2018年汛期（4—9月）雨量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)汛期降水最大的年雨量為2 543.5 mm，最小的年雨量為829.0 mm，兩者相差1 714.5mm，差異非常大。為了獲得汛期雨量正常年與偏多年和偏少年的周期振蕩差異，對(duì)1964—2018年逐年的汛期降水量序列按升序排列，分別取前、中、后的16%（10個(gè)）作為偏少、正常、偏多年的代表年，然后分別求出它們逐日降水的平均值進(jìn)行功率譜分析研究。從圖4可以看出，偏多年的準(zhǔn)雙周振蕩最強(qiáng)，通過(guò)了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)，其它尺度振蕩在偏多年的表現(xiàn)不顯著或沒(méi)有表現(xiàn)。偏少年的準(zhǔn)單周振蕩和天氣尺度振蕩最強(qiáng)，都通過(guò)了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)，尤其是在天氣尺度上還出現(xiàn)了多個(gè)峰值接近置信度為95%的檢驗(yàn)線，而在準(zhǔn)雙周振蕩上表現(xiàn)出大部分低于標(biāo)準(zhǔn)譜值，說(shuō)明偏少年在準(zhǔn)雙周振蕩上信號(hào)很弱；正常年天氣尺度振蕩通過(guò)了置信度為95%顯著性檢驗(yàn)，但總體來(lái)說(shuō)正常年在各個(gè)尺度上相對(duì)偏多和偏少年都顯得比較一般。因此，臺(tái)山站在汛期雨量偏少年，逐日降水較易呈現(xiàn)出準(zhǔn)單周振蕩和天氣尺度振蕩；而在偏多年，逐日降水較易呈現(xiàn)出準(zhǔn)雙周振蕩。

圖4 汛期雨量正常年（a）、偏多年（b）、偏少年（c）逐日降水的功率譜

5 結(jié)論

1）臺(tái)山站年降水量存在11～13、準(zhǔn)4、準(zhǔn)25年的周期振蕩，前汛期降水量存在準(zhǔn)13、2～5年的周期振蕩，后汛期降水量存在7～8、準(zhǔn)20、3～4、準(zhǔn)11年的周期振蕩。

2）臺(tái)山站逐日降水振蕩可以歸納為天氣尺度振蕩、準(zhǔn)單周振蕩、準(zhǔn)雙周振蕩、季節(jié)內(nèi)振蕩和季節(jié)變化振蕩等5種尺度，季節(jié)內(nèi)及以下尺度振蕩強(qiáng)度相當(dāng)，季節(jié)變化振蕩強(qiáng)度較弱。5種時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)差，天氣尺度最大，季節(jié)變化最小，除季節(jié)變化振蕩外均呈現(xiàn)出周期性循環(huán)特征。

3）臺(tái)山站在汛期雨量偏少年，逐日降水較易呈現(xiàn)出準(zhǔn)單周振蕩和天氣尺度振蕩；而在偏多年，逐日降水較易呈現(xiàn)出準(zhǔn)雙周振蕩。