趙亮，崔權(quán)良，徐浩彬，王成

（1.江門市新會區(qū)氣象局，廣東新會　529100；2.開平市氣象局，廣東開平　529300）

新會單站降水的多尺度振蕩特征

趙亮1，崔權(quán)良1，徐浩彬1，王成2

（1.江門市新會區(qū)氣象局，廣東新會529100；2.開平市氣象局，廣東開平529300）

利用新會國家站1957—2014年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，通過功率譜分析、Morlet小波變換對新會單站年降水、年內(nèi)逐日降水進(jìn)行周期分析，使用Butterworth帶通濾波對年內(nèi)各尺度降水振蕩進(jìn)行濾波分析，并對汛期少雨年景與汛期降水正常年景的降水周期對比分析。分析表明：新會單站降水在多個尺度上表現(xiàn)有明顯周期振蕩特征，其中年降水在整個分析時段內(nèi)并不存在穩(wěn)定周期，以階段性周期遞增演變?yōu)橹?；年?nèi)逐日降水周期基本表現(xiàn)為5 d及以下天氣尺度振蕩、準(zhǔn)單周振蕩、準(zhǔn)雙周振蕩、季節(jié)內(nèi)振蕩和季節(jié)振蕩等5種尺度。在少雨汛期，逐日降水振蕩趨向短周期、高頻率，而正常降水汛期則在低頻振蕩表現(xiàn)更明顯。

單站降水；周期振蕩；逐日降水；汛期；新會

趙亮，崔權(quán)良，徐浩彬，等.新會單站降水的多尺度振蕩特征［J］.廣東氣象，2016，38（4）：17-21.

現(xiàn)代氣象預(yù)報(bào)是基于單點(diǎn)（單站）預(yù)報(bào)而實(shí)施的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。多年來，氣象工作者在推進(jìn)數(shù)值模式預(yù)報(bào)的同時仍然在尋找單站天氣預(yù)報(bào)方法，其中地面氣象三要素曲線指標(biāo)方法應(yīng)用比較普遍。近年來隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，其在1～7 d短期天氣預(yù)報(bào)中起到關(guān)鍵支撐作用，但在延伸期預(yù)報(bào)方面仍然沒有突破性進(jìn)展，延伸期預(yù)報(bào)方法仍然是世界性難題。面對延伸期預(yù)報(bào)難題，近年來不少氣象工作者對區(qū)域性降水的延伸期預(yù)報(bào)做了大量研究。陳官軍等［1］針對我國華南地區(qū)逐日降水的低頻信號，探究了江淮地區(qū)夏季降水的延伸期可預(yù)報(bào)性；楊秋明［2-3］利用850 hPa風(fēng)場資料對2011年7月中旬長江下游地區(qū)降水進(jìn)行了10～30 d延伸期預(yù)報(bào)試驗(yàn)，并利用降水低頻分量和環(huán)流低頻成分構(gòu)造模型，延長預(yù)報(bào)時效；諶志剛等［4］利用廣東省逐日降水資料所表現(xiàn)出的周期特征，建立了一種較為有效的自回歸模型延伸期預(yù)報(bào)方法。此外地區(qū)性及單站降水信號也被廣大氣象學(xué)者重視起來，信飛等［5］利用上海逐日降水資料，分析降水和環(huán)境物理場低頻信息后發(fā)現(xiàn)這種低頻信號有助于提高延伸期強(qiáng)降水預(yù)報(bào)質(zhì)量；谷德軍等［6］利用廣州單站降水提取多尺度降水振蕩，并建立簡諧波模型延伸期降水預(yù)報(bào)方法。越來越多的氣象工作者將降水預(yù)報(bào)與降水資料中分離出的周期振蕩聯(lián)系在一起［7-15］，單站降水資料中所表現(xiàn)出的周期振蕩特征將可能在延伸期預(yù)報(bào)方面得到普遍應(yīng)用。本研究試圖通過對新會單站降水資料的分析，提取出單站降水的周期振蕩特征，為今后延伸期預(yù)報(bào)方法的建立提供參考。

1　資料和方法

本研究使用的降水資料來自1957—2014年新會國家一般站的逐日降水觀測資料，其中微量降水按無降水處理。采用功率譜分析和Morlet小波變換等方法對新會站年降水和年內(nèi)逐日降水的周期振蕩特征進(jìn)行分析，采用Butterworth帶通濾波器對各尺度降水進(jìn)行濾波，并分析其演變特征。

2　年降水振蕩特征

從新會國家站1957—2014年年降水距平分布（圖1）可見，新會年降水強(qiáng)弱變化明顯，其中1972—1976、1981—1983、1992—2001、2008—2013年為明顯多雨期，1966—1971、1986—1991、2002—2005年為明顯少雨期。這種連續(xù)的降水偏多（偏少）表明新會單站的年降水序列可能存在強(qiáng)（弱）振蕩特征。

對1957—2014年新會站年降水序列計(jì)算距平后再進(jìn)行功率譜分析。分析該過程發(fā)現(xiàn)，年降水距平序列的滯后自相關(guān)系數(shù)r（1）<0，表明年降水序列在整個分析時段內(nèi)并不存在較顯著的穩(wěn)定振蕩周期。為獲得降水序列較高分辨率下的振蕩特征，對年降水的距平序列進(jìn)行Morlet小波變換（如圖2），可見新會站年降水的強(qiáng)弱振蕩變化在整個分析時段內(nèi)并不存在穩(wěn)定周期表現(xiàn)，這與功率譜分析結(jié)果相符合，但年降水在不同尺度和時段下又有不同的變化特征。

圖1　1957—2014年新會站年降水量距平變化

圖2　1957—2014年新會站年降水序列小波變換系數(shù)實(shí)數(shù)部（a）和小波方差（b）

從5年以下周期的小波變換來看（圖2a），20世紀(jì)50年代后期至70年代年降水周期振蕩表現(xiàn)不明顯；70年代后期至80年代中后期年降水在3年周期尺度出現(xiàn)3個豐/枯循環(huán)振蕩，而在5年周期尺度上豐/枯循環(huán)振蕩特征持續(xù)至80年代末；90年代開始年降水的5年周期迅速消失，3～4年的周期逐漸加強(qiáng)，并于90年代后期分裂為3和4年2個周期振蕩；2006年起4年周期消失，5年周期加強(qiáng)并維持至2014年，同時2006—2013年也存在較弱的3～4年的周期振蕩。從5～14年周期的小波變換來看，年降水振蕩周期表現(xiàn)出階段遞增的特征：20世紀(jì)60年代表現(xiàn)為6～7年周期振蕩，70年代為8年周期振蕩，80至90年代初為9～10年周期振蕩，90年代初以后為準(zhǔn)11年周期振蕩。這種周期階段性遞增演變在小波方差（圖2b）中表現(xiàn)為一條逐年傾斜向上的方差極大值分布，該分布的傾斜斜率約為1.5/10，即1957—2014年新會站年降水周期以每10年1.5年的速度遞增。從14年以上周期的小波變換來看，1957年至90年代末年降水表現(xiàn)出穩(wěn)定的16年振蕩周期，70年代中期至2010年表現(xiàn)為穩(wěn)定的19年振蕩周期。此外，從小波變換實(shí)數(shù)部分布來看，22年尺度以上也可能存在階段性的周期振蕩現(xiàn)象。

從小波方差分布來看，20世紀(jì)90年代中后期至2006年的4年周期振蕩和2006—2013年的5年周期振蕩表現(xiàn)最強(qiáng)，5～14年的傾斜周期遞增和20世紀(jì)70年代中后期至2010年的19年周期振蕩表現(xiàn)較強(qiáng)。

3　逐日降水振蕩特征

為獲得逐日降水的季節(jié)內(nèi)及以下尺度的周期振蕩特征，使用年降水接近歷年平均的1992年進(jìn)行逐日降水周期分析（圖3），以避免年降水變化對逐日降水振蕩的可能影響。

圖3a為1992年新會站逐日降水的功率譜，取最大滯后長度m為60 d?？梢娭芷赥=24.0、2.6、2.4 d均通過90%置信檢驗(yàn)。此外周期T= 60、13.3、9.2、3.4、3.0、2.8 d雖然未通過90%置信檢驗(yàn)，但也是明顯的峰值。說明新會站1992年逐日降水主要表現(xiàn)為2～4、9、13.3和60 d等4種時間尺度的準(zhǔn)周期振蕩特征。

對1992年逐日降水資料進(jìn)行小波變換，分析其小波變換系數(shù)分布（圖3b）可見，3—9月小波系數(shù)強(qiáng)弱振蕩十分明顯，表明1992年降水主要發(fā)生在3—9月。進(jìn)一步周期分析發(fā)現(xiàn)，4—7月小波系數(shù)在30～40 d尺度左右連續(xù)出現(xiàn)4個完整強(qiáng)弱振蕩，并在小波方差分布（圖略）中對應(yīng)區(qū)域表現(xiàn)為方差極大值的帶狀分布，該方差極大值分布明顯強(qiáng)于其他尺度的相應(yīng)區(qū)域，說明1992年逐日降水各不同振蕩周期中準(zhǔn)30～40 d振蕩表現(xiàn)最顯著，這與功率譜分析的結(jié)論相符合。此外，其他尺度在不同時間段也有所體現(xiàn)：4—6和9月主要表現(xiàn)為準(zhǔn)12～16 d振蕩，5—11月主要表現(xiàn)為準(zhǔn)120 d振蕩，另外5—7和8—9月存在準(zhǔn)7 d振蕩，4—9月存在一定程度的5 d及以下尺度振蕩。

圖3　新會站1992年逐日降水的功率譜（a）；小波變換系數(shù)（b）；帶通濾波（c—g）：c.5 d及以下尺度，d.5～10 d，e.11～20 d，f.21～80 d，g.81～120 d

為更清晰提取逐日降水在各尺度上的周期振蕩，利用Butterworth濾波器對1992年逐日降水進(jìn)行帶通濾波。圖3c-g為新會站1992年1—12月逐日降水在各種尺度上的演變，可見5 d及以下天氣尺度降水振蕩的振幅變化明顯強(qiáng)于其他尺度，而80～120 d季節(jié)振蕩振幅變化最弱。此外，5 d及以下天氣尺度降水的周期振蕩振幅十分強(qiáng)烈，這與該尺度降水突然出現(xiàn)、突然結(jié)束的特征相吻合；從5 d及以下天氣尺度振蕩到準(zhǔn)21～80 d季節(jié)內(nèi)振蕩演變來看，6—7月振幅變化明顯減弱，這與小波變換系數(shù)分布圖中對應(yīng)時段強(qiáng)弱振蕩較弱的表現(xiàn)相一致；降水的準(zhǔn)80～120 d季節(jié)尺度振蕩從5月起逐漸加強(qiáng)并維持至年末，這與小波變換系數(shù)分布圖中的表現(xiàn)一致。

對1957—2010年歷年逐日降水的小波變換分析發(fā)現(xiàn)，雖然各年內(nèi)總降水變化各異，但逐日降水總體表現(xiàn)為以下5種時間尺度：5 d及以下天氣尺度振蕩，6～10 d的準(zhǔn)單周振蕩，11～20 d的準(zhǔn)雙周振蕩，21～80 d的季節(jié)內(nèi)振蕩及80～120 d的季節(jié)變化。

4　汛期逐日降水振蕩特征

統(tǒng)計(jì)新會歷年汛期（4—9月）雨量可見，新會站各年汛期降水強(qiáng)弱差異較大，汛期降水最大年比最小年有1 431.3 mm的雨量差值。對汛期多雨年和少雨年逐日降水分析發(fā)現(xiàn)，多雨年雨量之所以偏多，是由于天氣尺度系統(tǒng)影響下的極端降水所引起，而并非長期多雨所導(dǎo)致。這樣的小尺度極端降水在小波變換分析中反映為一處振蕩極強(qiáng)的局部的強(qiáng)弱變化，雖對小波方差貢獻(xiàn)較大，但對周期分析的意義不大。為分析汛期少雨年的逐日降水周期振蕩特征，下面選取幾個有代表性的年份進(jìn)行具體分析。選取新會站1957—2014年汛期雨量最少的5年作為新會站汛期少雨的代表年，選取5個最接近歷年汛期雨量平均的年份作為新會站汛期正常降水的代表年，除去其中包含極端降水的年份，并對以上年份的汛期逐日降水進(jìn)行周期分析。

如圖4a-e為汛期少雨年逐日降水功率譜圖，圖4f-j為汛期正常年逐日降水功率譜圖。為較清晰區(qū)分降水的季節(jié)內(nèi)振蕩、準(zhǔn)雙周振蕩、準(zhǔn)單周振蕩和5 d及以下天氣尺度振蕩。圖4中用黑色豎線分別將各尺度功率譜值進(jìn)行區(qū)劃。分析圖4可見，汛期少雨年通過95%置信檢驗(yàn)的降水周期依次為：1988年的準(zhǔn)單周振蕩、1990年的準(zhǔn)單周振蕩和5 d及以下天氣尺度振蕩，1963、1967和1977年的5 d及以下天氣尺度振蕩。準(zhǔn)雙周振蕩及更低頻季節(jié)內(nèi)振蕩在汛期少雨年的表現(xiàn)不顯著或沒有表現(xiàn)。對比汛期正常年來看，汛期正常年通過95%置信檢驗(yàn)的降水周期依次為：1995年的季節(jié)內(nèi)振蕩和5 d及以下天氣尺度振蕩、1992年的季節(jié)內(nèi)振蕩、1996年的準(zhǔn)單周振蕩、1982年的季節(jié)內(nèi)振蕩和1984年的準(zhǔn)單周振蕩。此外，5個汛期降水正常年功率譜分析中，2～5 d尺度的功率譜值相對偏小，并多次出現(xiàn)持續(xù)偏小于標(biāo)準(zhǔn)譜值的情況，說明在汛期降水正常年，汛期逐日降水的5 d及以下天氣尺度振蕩并不明顯，且明顯不同于汛期少雨年該尺度的降水振蕩表現(xiàn)。綜上所述，新會站汛期少雨年，汛期的逐日降水更易表現(xiàn)為顯著的高頻周期振蕩；汛期正常年內(nèi)，汛期的逐日降水則更易表現(xiàn)為低頻周期振蕩。

圖4　汛期少雨年（a-e）、正常年（f-j）逐日降水的功率譜分析a.1988；b.1990；c.1963；d.1967；e.1977；f.1995；g.1992；h.1996；i.1982；j.1984

5　結(jié)論

1）1957—2014年新會單站年降水不存在穩(wěn)定周期，以階段性周期遞增演變?yōu)橹鳌Ｆ渲?年及以下尺度在20世紀(jì)90年代后有3～5年的周期遞增；5～14年尺度在1957—2014年存在穩(wěn)定的周期階段性遞增，遞增速度約為每10年遞增1.5年，即1957—2014年新會站年降水周期以每10年1.5年的速度遞增；14年以上尺度也存在階段性周期振蕩現(xiàn)象。

2）新會單站各年內(nèi)逐日降水周期略有不同，但基本表現(xiàn)為5 d及以下天氣尺度振蕩、準(zhǔn)單周振蕩、準(zhǔn)雙周振蕩、季節(jié)內(nèi)振蕩和季節(jié)振蕩等5種周期振蕩特征。

3）新會站汛期少雨年，汛期的逐日降水更易表現(xiàn)為顯著的高頻周期振蕩；汛期正常年內(nèi)，汛期的逐日降水則更易表現(xiàn)為低頻周期振蕩。

目前降水預(yù)報(bào)服務(wù)依然基于單點(diǎn)（單站）預(yù)報(bào)結(jié)論，分析單站歷史降水?dāng)?shù)據(jù)，并找出其中的降水周期特征對今后降水預(yù)報(bào)，尤其是延伸期降水預(yù)報(bào)有一定的積極意義。從新會單站降水的Butterworth帶通濾波結(jié)果來看，除5 d及以下天氣尺度降水外，其他尺度降水基本表現(xiàn)出較為完整的正/負(fù)振蕩特征。由此可見，利用5 d以上尺度的降水周期建立合理的多尺度擬合預(yù)報(bào)模型，可能是延伸期降水預(yù)報(bào)的一種新方法。

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The Multiscale Oscillation Characteristics of Precipitation in Xinhui

ZHAO Liang1，CUI Quan-liang1，XU Hao-bin1，WANG Cheng2
（1.Meteorological Bureau of Xinhui District，Jiangmen City，Xinhui 529100，China；2.Meteorological Bureau of Kaiping City，Kaiping 529300）

The oscillation characteristics of daily and annual precipitation in Xinhui are studied using observed data during 1957-2014 and methods of power spectrum，Morlet wavelet transform，Butterworth band-pass filter，and the oscillation characteristics of daily precipitation in less-precipitation years and normal-precipitation years of flood seasons are analyzed to determine the difference between them.It shows that the precipitation of Xinhui is manifested as multiple periodic oscillations.During the whole period of analysis，there is no stable period of annual precipitation，but the period increases with time.The daily precipitation is manifested as five quasi-periodic oscillations with periods of 5 d or less，quasi one-week and quasi two-week，and intraseasonal and seasonal periods.The daily precipitation of less-rain flood seasons often shows the oscillation characteristics of short periods and high frequencies but that of normal-rain flood seasons tend to have longer periods and higher frequencies.

single station precipitation；periodic oscillation；daily precipitation；flood season；Xinhui

P426

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.004

2015-12-10

趙亮（1989年生），男，助理工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。E-mail：zhao0010@foxmail.com