黑龙江西部地区基于小波分析的 生长期降水系列演化外文翻译资料

 2022-12-16 11:58:00

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黑龙江西部地区基于小波分析的

生长期降水系列演化

郑文生1,2，史四嘉1，龚正平1

1东北农业大学，农学院，哈尔滨150030，中国

2黑龙江水利研究所，哈尔滨150080，中国

摘要：全球气候变化越来越影响着黑龙江西部农业生产的干旱和半干旱地区故稳定发展农业生产是这一领域面临的挑战。为了解决上述问题，作者以甘南县为例，利用小波理论分析了甘南县的多尺度变化特征和实际生长期变化特征的变化，并揭示了这个地区生长期降水的主要周期变化和洪涝变化趋势。这项研究不仅在甘南县更是在整个黑龙江省西部地区，提供科学依据来充分利用自然降水和玉米用水潜在的生产力。

关键字：黑龙江西部；生长期降水；小波变化；多尺度分析

黑龙江省是中国重要的商品粮生产基地，属于温带大陆性季风气候，风向显著，四季分明，雨热同期，是中国重要的商品粮生产基地。农业生产模式是雨养农业，因此本研究对农业生产有意义。黑龙江省西部地区作物生长季节从5月到9月，所以本研究对作物生长期降水有效地进行农业生产和科学指导农业发展规划更有意义。对生长期降水的特点的研究基于甘南站点的观测数据，本文研究生长期的时间变化趋势以便为当地农业生产提供参考。

1、资料和方法

本文利用甘南站1956年到2009年的作物生长期降水时间序列数据。甘南县位于黑龙江省西部地区，属于温带大陆性季风气候，春季气温回升快，大风频繁，所以春季干旱严重，是典型的旱作农业地区。全球气候变化的背景下，对分析甘南县作物生长期降水规律，理解黑龙江省西部半干旱地区降水规律有着至关重要的意义。

本文使用的小波分析方法是基于傅里叶变换窗函数，使时间序列分解为时间和频率贡献。用此方法可以有效的获得一个复杂的时间序列调整规律，来诊断气候变化的内部层次结构，区分时间序列的进化特征在不同尺度的演变。通过小波分析,我们可以得到研究对象在不同时间尺度下的周期结构和异常变化规律，所以我们可以为短期气候预测提供科学依据。对于小波分析原理和应用，看参考文献[1-10]。

2、结果和分析

2.1 黑龙江西部地区降水的时空演化特征

在年度总降水异常变化和生长期降水数据的基础上绘制甘南县54年的年降水曲线，见图1和图2。

在图1和图2中可以观察不，异常趋势线在生长期降水的斜率绝对值大于年度总降水的斜率绝对值，表明一个生长期的降水范围比年度总降水量大。生长期的平均降雨量为399.6毫米，生长期降水量148.5毫米和916毫米之间不等，并且从1956年到2009年生长期降水变异系数为31.1%，生长期降水的变异系数大于年度总降水，所以生长季节降水波动比年度总降水的波动变化大。

图1. 1956年到2009年异常变化曲线的年度总降水

图2. 1956年到2009年异常变化曲线生长季节降水

从时间上看，图2中甘南县54年间的生长期降水有减少趋势，尤其是生长期降水在1999年到2009年明显比其它年份的减少。对于那些降水高度集中在生长期的地区，降水不足400 - 450毫米不足以用来农作物的生长，若没有灌溉条件不利于作物生长和发展。从波动的曲线来看。虽然降水趋势在1982年之前减少，但不是太多，维持在420毫米和580毫米之间。降水量1985年到1999年有一个大波动，430毫米和640毫米之间。从1999年到生长期降水明显减少，到2004年为44年最低,它在380毫米和480毫米之间变动。

2.2 分析黑龙江省西部地区多尺度变化特征的生长季节降水时间序列

为了了解详细的结构特点和生长期降水变化趋势的时间序列在不同的时间尺度的变化，本文在小波分析理论的基础上分析了甘南县多尺度变化的实际生长期降水时间序列。计算甘南县小波变换系数Wf(a,b)的生长季节降水异常系列f(kDelta;t)(k = 1,2,hellip;,53;Delta;t = 1)。

2.2.1生长期降水异常系列的时频分析

基于小波转换理论绘制出甘南县小波变换系数Wf(a,b)模平方等值线(见图3)和实部时频分布等值线的生长期(参见图4)降水异常系列，并分析生长期降水异常系列的时间频率转换。

图3 .1956年到2009年小波变换系数的模平方(times;103)等值线的生长季节降水异常系列

图4. 1956年到2009年小波变换系数的实部时频分布等值线的生长季节降水异常系列

根据图3可出分析小波变换系数的时间频率特性，信号能量的强度分布随时间尺度分布不同。信号能量在三至八年的时间尺度变化是最强的，主要集中在1991~2003，振荡中心是在1998年。信号能量的变化是更强是在一个8至14年的时间尺度，主要集中在1980-2009，震荡中心在1959。信号能量变化处于20到35年之间的时间尺度，主要集中在1989-2009，震荡中心在2008年，信号能量变化和其他时间尺度相比较弱。

从图4对时间频率特性的小波变换系数的实部进行了分析，可以看出Morlet小波变换系数的变化是一系列不同的时间尺度中真正的生长期温度异常的一部分，分布和相位组成了信号突变点。还可以从图四中看出3-8、8-14到25-35年时间尺度的变化是最突出的，时间尺度中心大约是6、11、31年。总的来说，每隔15或25年时间尺度会有一个变化，中心大约是19年。

2.2.2分析生长期降水时间序列的主周期

通过研究小波变差函数来分析甘南县生长期降水时间序列的主周期，使用不同时间尺度的小波变换系数，在计算小波方差的计算方法的基础上，绘制出甘南县小波变差函数的生长期降水异常序列，见图5。

图5.生长期降水异常系列的小波方差

从图5中可以看出，小波变化的主要峰值分别出现在6、11、19和31年，第一个峰值出现在第6年，这说明周期振荡是6年间最强，这段时间是第一个主要时期。此外，第二个和第三个主要时期出现在11和31年。

3、总结

研究黑龙江省西部地区多尺度变化特征的变化趋势和生长期降水时间序列，被认为是研究如何充分利用粮食作物用水潜在的生产力的基础。它可以为黑龙江省西部地区的粮食生产提供重要的理论意义。利用了回归分析和小波转换分析来研究甘南县的生长期江水序列，结果如下：

（1）这54年间，生长期降水从1956年到2009年有减少的趋势，不利于农业的稳定发展生产。

（2）通过小波分析可得甘南县生长期降水时间序列有四个主要时间，分别是6、11、19和31年，并发现了甘南县未来总生长期降水量的变化趋势。根据降水量来看，积极采取各种技术措施最大限度地利用自然降水资源，来实现当地气候资源的可持续利用。

感谢：这项工作是由国家科技支撑计划项目(2011BAD25B06), 水利部技术引进项目948(201121, 201222), 黑龙江的部门科研项目(201101)，黑龙江省博士后基金(LBH-Z12038)。

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