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1、1176中国科学D辑地球科学2004,34(12):1176~1183*基于小波分析的河北平原降水变化规律研究**许月卿李双成蔡运龙(北京大学环境学院资源与环境地理系,地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京100871)摘要利用1955～2000年月平均降水和年平均降水资料,采用墨西哥帽小波函数,对河北平原近45年来降水的季节变化和年际变化时间序列进行了小波分析,揭示了河北平原降水变化的多时间尺度的复杂结构,分析了不同时间尺度下降水序列变化的周期和突变点,并根据主周期对未来降水变化进行了预测.结果表明,
2、各季节和年降水均存在8～12年左右时间尺度的周期特征;其次,4～6年左右时间尺度的周期特征也较明显.夏季和年降水变化趋势一致,均有1年和12年尺度的主周期,夏季降水完全控制年降水.经降水变化趋势分析,预测2003年前后河北平原降水将偏少,大约在2004～2007年河北平原降水将偏多.关键词小波分析降水变化多时间尺度河北平原区域降水量是重要的气候变量,它不仅对农业变化及不同频率之间的关系,因而优于传统的[2,3]生产乃至整个国民经济发展具有重要影响,而且对Fourier分析.此外,小波分析还具有数学意义上[
3、1]气候变化具有十分重要意义.河北平原地处华北平严格的突变点诊断能力,所以近年来被广泛应用于原北部,是典型的农业区.由于受季风气候的影响,气候的多尺度分析研究.在以往研究中，主要应用小河北平原冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨,降水年内集波分析方法分析年气温及年降水的多时间尺度特征,[4~11]中,且年际变化大,致使旱、涝灾害频繁发生,严重并得到了许多有意义的解释.但用小波分析方法影响着该区的农业生产.因此,深入分析河北平原近分析季节降水变化的研究相对较少,对河北平原降年来降水特征及变化趋势,对该区短期气候预测和
4、水变化进行多时间尺度分析的研究也较少见.河北保障农业持续稳定增长具有重要意义.平原地域广大,是河北省的工农业集中地,所以很有小波分析(waveletanalysis)是一种信号的时间-必要对其全年及各季节的降水特征和变化趋势作一尺度(频率)分析方法,具有多分辨率分析的特点,在全面分析.本文运用小波分析理论,对近45年来河时频两域都具有表征信号局部特征的能力,可以对北平原各降水时间序列变化特征和规律进行诊断分信号进行多尺度细化分析,得到各个频率随时间的析,揭示其在不同层次上的降水结构和异常变化规2004-0
5、6-02收稿,2004-09-24收修改稿*国家自然科学基金资助项目(批准号:40335046,40271106)**E-mail:xuyq@pku.edu.cnSCIENCEINCHINASer.DEarthSciences第12期许月卿等:基于小波分析的河北平原降水变化规律研究1177律,查明降水变化的周期特征和突变点,为短期气候数对河北平原的降水时间序列进行连续小波变换,[15]预测提供技术支撑.其小波函数形式如下:22(−t/2)1资料和方法ϕ()tt=−(1)e.(5)1.1资料来源及计算2降水
6、序列变化的小波分析选取河北平原邢台、石家庄、保定、霸县、饶阳、2.1春季降水变化特征南宫、沧州、黄骅分布均匀的8个站点1955～2000河北平原1955～2000年年代际春季降水距平见年历年逐月平均降水及年平均降水为基础资料(数据表1.由表1可见,20世纪50年代和70年代春季降来自河北省气象局),对于其中个别站点个别月份的水距平为负,说明降水偏少;60年代、80年代和90缺测资料,采用回归订正法进行插补订正.为反映降年代降水距平为正,表明降水偏多.其中80年代降水变化的总趋势,分别对春(3～5月)、夏(
7、6～8月)、水距平仅为0.72mm,距平百分率为1.15%,表明降秋(9～11月)、冬(12～次年2月)及年降水(1～12月)水接近正常值.序列进行直线拟合,拟合直线斜率的10倍为气候倾a)[12]表11955～2000年春季降水年代距平向率,代表每10年降水的变化值.为消除季节变年代5060708090化,分别对各季节降水及年均降水进行距平,对各时距平/mm−6.363.09−12.330.727.37间序列的距平值进行连续小波变换.此外，本文还对距平百分比/%−10.124.91−19.611.151
8、1.72各降水时间序列进行了10年平均距平计算,以便和a)表中年代指20世纪各年代,后同小波分析结果进行比较.年代距平计算公式为由图1(a)可见,春季降水总体上呈增多趋势,降p=x−y,(1)水的倾向率为1.301mm/10a.图1(b)显示了河北平原其中x为数据年代平均值,y为数据序列平均值.近45年来春季降水在不同时间尺度上的周期震荡.信号的强弱通过小波系数的大小来表示.在图中,等1.2小波分析方法值线为正的用实线表示,代
