1970—2019 年滁州市降水特征分析

蒋 琳，贾天山，熊世为，凌遵斌，华俊玮，荀 静

（安徽省滁州市气象局，安徽 滁州 239000）

滁州市位于安徽省的东部，地处长江下游北岸和淮河南岸（江淮之间），是苏皖交汇地区。受北亚热带湿润季风气候影响，四季分明，季风明显，气候湿润，雨热同季［1］。滁州市作为江淮分水岭地区，气候生态类型复杂多样，降水年际变化大且分布不均（南多北少、东多西少），同时旱涝等气候灾害多发［2］。因此，研究该市的降水特征能为当地农业生产和水资源调度等提供科学决策的依据。

目前，对滁州市降水特征的研究主要集中在其线性变化趋势上，如谷家川等［3］利用数理统计、趋势分析等方法对滁州市近61 年降水数据进行研究发现年降水日数总体呈减少趋势，四季平均降水强度和降水日数分别呈总体增加和减少趋势；裴豪杰等［4］对滁州站1952—2009 年降水量数据综合运用相关分析法、MannKendall 检验等方法进行分析，发现冬季降水增加最为显著，且降水没有发生突变；袁明奎等［5］通过对滁州站近55 年汛期降水资料进行分析，发现其汛期降水量呈增加趋势（主要由暴雨雨量引起），而汛期降水日数呈减少趋势（主要受小雨日数减少影响）。大雨、暴雨降水强度呈增加趋势，而中雨降水强度呈减弱趋势。气候系统是复杂的非线性系统，其中众多气候因子的变化都是非线性的，即存在多个时间尺度和周期性振荡。因此，宋佑之等［6］利用EOF 分解方法研究发现，安徽汛期淮河以南区域性暴雨存在3 年和10 年的周期；龚年祖等［7］运用小波分析法探究1961—2013 年滁州市降水量变化特征，发现其年降水量呈明显上升趋势，并在1986 年突变增加，且存在 17 年左右和 7～8 年的周期。徐伟等［1］采用Morlet 小波分析法研究了滁州站近50 年的降水量数据，发现降水序列存在2、5、13 年3 个周期。虽然小波能分析出变量的多尺度波动特征，但需要一些人为的设定，这会对研究结果产生很大的影响。

随着信号处理方法的不断创新发展，Wu 等［8］提出一种适用于处理非线性和非平稳信号的新方法，即整体经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition，简称EEMD），该方法能自动将信号中存在的不同时间尺度波动逐级拆分开来。近年来，EEMD 方法被不断地引入到降水特征研究中［9-11］，孙银凤等［9］采用 EEMD 方法分析了南京气象站近 59 年的降水数据，发现其存在 2 年、6～7 年、14～15 年和20 年的准周期变化，并用小波分析对EEMD提取的周期进行验证，结果基本一致；刘天虎等［10］基于新疆16 个国家站近50 年降水距平序列，利用EEMD 发现新疆降水量整体具有3 年和6 年的年际尺度以及 10 年和 31 年的年代际尺度；陈超等［11］根据EEMD 方法研究盐城市大丰区近55 年降水量序列，发现其存在2.12 年的主周期，27.5 年的年代际周期。基于此，本研究在前人研究基础上利用EEMD方法来分析滁州市7 个国家基本站的降水演变特征（1970—2019 年），以期为分析滁州市的降水特征提供参考。

1 资料选取与研究方法

1.1 资料选取

滁州市地处北纬31°51′—33°13′，东经 117°09′—119°13′，总面积 1.339 8 万 km2，全市设 2 个区、管辖 4 个县、代管 2 个县级市［3］。利用滁州市 7 个国家基本气象站（分别为滁州、来安、全椒、天长、定远、凤阳和明光站，如图1 所示）1970—2019 年的逐日降水实测资料来研究滁州市的多年降水特征。这7 个国家基本气象站的数据准确、稳定，具有较好的连续性。

图1 滁州市7 个国家基本气象站的空间分布情况

1.2 研究方法

EEMD 分解方法是 2009 年 Wu 等［8］引入白噪声辅助分析方法的改进型算法，对信号进行平稳化处理，以此将信号中存在的不同时间尺度波动逐级拆分开来，自动产生一系列具有不同时间尺度的数据序列。每1 个序列被称为1 个本征模函数（Intrinsic Mode Function，简称 IMF 分量）［12，13］。在信号中人为添加白噪声进行处理，通过白噪声尺度在时空均匀分布的特点来均衡信号，这样能使不同尺度的信号分量自动映射到合适的IMF 上，而高斯白噪声具有均值为零的统计特性，再用多组平均的方法使加入噪声互相抵消。该方法很好地克服了EEMD 中普遍出现的模态混叠问题［14，15］，为人们提供了更为精确的时间尺度分解，IMF 分量可以准确体现时间序列的内在波动特征和趋势变化。由于EEMD 的分解对噪声很敏感，所以加入的噪声幅度要小。经过对实际信号的分析比较，Huang 等［14］建议添加噪声幅度时，数据的标准差设定为0.2，平均次数设为几百次。当信号以低频分量为主时，则应当增加噪声的幅度，在处理高频分量为主的信号时，可以减小添加噪声的幅度［8，14］。

2 结果与分析

2.1 年降水量变化特征分析

图2 是滁州站1970—2019 年年降水量的趋势，计算得到滁州市近50 年降水量气候倾向率为1.059 5 mm/年，年降水量总体呈上升趋势，同时其时间序列相关系数为0.057 8，没有通过0.10 检验标准，说明年降水量的增加趋势不显著。多年平均降水量为1 017.6 mm，最大年降水量为1 670.6 mm（1991 年），最少年降水量为585.9 mm（1978 年）。然后对这些降水数据进行EEMD 分解，将不同频段的时间序列分离出来。图3 是滁州站近50 年降水量数据的EEMD 分解。IMF1 至IMF4 表示从原始时间序列中分离出来的频率由大到小的时间序列，即本征模态函数，Residul 表示原始序列减去前4 个IMF 后的残差，也就是长期趋势项。可以看出每个模态的波动振幅都是周期性的，于是对每个模态做频谱分析以得到每个模态的时间尺度。以IMF1 为例（图4），其具有2.3 年的准周期。从表1 可以看出，滁州站近50 年降水量的变化具有相对稳定的周期性，存在2.3 年（IMF1）和8.0 年（IMF2）的年际尺度，以及16年（IMF3）年和32 年（IMF4）的年代际尺度。其他6个国家站的时间尺度基本与滁州站一致。

图2 滁州站1970—2019 年年降水量趋势

图3 滁州站年降水量EEMD 分解后的不同模态

图4 IMF1～IMF4 的频谱分析

每个模态的波动频率和振幅对年降水量数据的特征影响用方差贡献率来表示，如表1 所示，IMF1和IMF2 的方差贡献率占主导位置。结合图3 和表1，具有2.3 年准周期的IMF1 对年降水量贡献率最大，高达60.9%，且IMF1 的波动振幅在20 世纪90 年代相对较大，在80 年初期和21 世纪初期波动较小。具有8.0 年准周期的IMF2 方差贡献率仅次于IMF1，达到15.6%，且其波动振幅20 世纪80 年代到21 世纪初明显高于其他时段。有16 年准周期的IMF3 方差贡献率为11.2%，波动振幅较为平稳。有32 年准周期的IMF4 方差贡献率仅为0.9%，而趋势项的方差贡献率高达11.4%，略高于IMF3，但明显高于IMF4。

表1 EEMD 分解后不同模态的滁州站周期及其方差贡献率

2.2 汛期降水变化特征分析

滁州作为江淮分水岭，多年平均降水量分布不均，如图5 所示。滁州市多年平均降水量在空间上总体呈南多北少，在季节上总体呈夏季多、冬季少、秋冬适中的特征。从图5 可以看出，汛期多年平均降水量的占比均在63%以上，且在空间上总体呈东南多西北少的特征分布，凤阳站最大，占68.8%，全椒站最小，占63.9%。汛期的降水量对年降水量贡献较大，因此着重研究汛期降水特征。

图5 滁州7 个国家站多年平均降水量及汛期降水量占比分析

首先将降水等级划分为4 个等级，24 h 降水量0.1～9.9 mm 为小雨，10～24.9 mm 为中雨，25～49.9 mm为大雨，大于等于50 mm 为暴雨。然后统计汛期各量级雨量的频数进行分析。图6 是滁州7 个国家站汛期各级雨量频数及汛期暴雨降水量占比分析。由图6 可知，汛期多年平均小雨频数最多，暴雨频数最少，但是汛期多年平均暴雨降水量占汛期多年平均降水量的比率均在33% 以上，滁州站最高，为39.1%，定远站最低，为33.8%。

图6 滁州7 个国家站汛期各级雨量频数及汛期暴雨降水量占比分析

最后，对7 个国家站近50 年的汛期暴雨频数和小雨频数进行EEMD 分解，分离出不同的时间变化信号。以滁州站为例，其汛期暴雨频数具有2.3 年和8.0 年的年际变化以及16 年和32 年的年代际变化（表2），其汛期小雨频数具有2.3 年和5.3 年的年际变化以及10.7 年和32 年的年代际变化（表3）。接着求汛期暴雨和小雨频数的气候倾向率和时间序列相关系数，判断其是否通过0.10 检验标准。从表2 可以看出，近50 年汛期暴雨频数除来安站和天长站呈下降趋势外，其余皆呈增加趋势，从表3 得出近50 年汛期小雨频数均呈下降趋势。

表2 滁州7 个国家站汛期暴雨频数的周期及其变化趋势

表3 滁州7 个国家站汛期小雨频数的周期及其变化趋势

3 小结

利用EEMD 方法，从滁州市7 个国家基本站1970—2019 年年降水量数据中自动分解出各个时间尺度的信号变化，以研究不同时间尺度下的波动振幅特征。在此基础上研究汛期降水量特征，对各个国家站汛期各级雨量频数及汛期暴雨降水量也做了相应的数学分析，结论如下。

以滁州站为例，其近50 年的年降水量有增加趋势，但不显著。同时近50 年的降水量变化存在年际尺度和年代际尺度，分别为2.3 年和8.0 年以及16 年和32 年（其他6 个国家站的时间尺度基本与滁州站一致）。在这4 个准周期中，2.3 年准周期的方程贡献率最大，高达60.9%，8.0 年准周期的方差贡献率达15.6%，16 年准周期的方差贡献率为11.2%，32 年准周期方差贡献率仅为0.9%，而趋势项的方差贡献率高达11.4%。由此得出，具有2.3 年和8.0 年时间尺度的年际变化占主导地位。

滁州市的年降水量在空间上总体呈南多北少分布，在季节上基本呈夏季多、冬季少、秋冬适中的特征。同时，汛期的降水量对年降水量贡献较大，汛期多年平均降水量占多年平均降水量的比率均在60%以上，且其在空间上总体呈东南多西北少的特征，凤阳站最大，为68.8%，全椒站最小，为63.9%。

汛期小雨频数最多，暴雨频数最少，汛期多年平均暴雨降水量占汛期多年平均降水量的比率均在33%以上，滁州站最高，为39.1%，定远站最低，为33.8%。以滁州站为例，其汛期暴雨频数具有2.3 年和8.0 年的年际变化以及16 年和32 年的年代际变化，汛期小雨频数具有2.3 年和5.3 年的年际变化以及10.7 年和32 年的年代际变化。7 个国家站近50年汛期暴雨频数除来安站和天长站呈下降趋势外，其余皆呈增加趋势，而汛期小雨频数皆呈下降趋势。