榆林市区近60年气温和降水变化特征分析
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【摘要】选取榆林市榆林气象站1951～2009年近60年的气温、降水资料，采用时间序列分析和最大熵谱分析等方法，分析了榆林市区气温和降水量的变化特征。结果表明：榆林市区年内温差较大，受全球变暖的影响，年平均气温有升高的趋势；年降水量在21世纪之前略有减少趋势，21世纪初期降水增加，年降水量存在着周期为2.8年和7.3年的周期性。
【关键词】气温；降水；最大熵谱分析；周期
0引言
近年来，全球频繁出现气候异常现象，气候变化成为全球关注的焦点，许多学者在这方面做了大量的研究工作。于淑秋等[1]用近50年的气温和降水资料研究得出：我国西北地区气候在1986年前后发生了一次明显的突变，此次突变比全国的气候突变迟6～8年，突变前后平均气温上升了0.51℃，年降水量增加了5.2%。左洪超等[2]利用观测资料序列和同期NCEP/NCAR再分析资料研究得出：50年来，西北地区中部是增温最快、范围最广的地区，西北干旱地区降水量明显增加，同时，冬季降水普遍增多；秋季大部分地区降水量趋于减少。借鉴上述研究成果，我们通过对榆林市区1952～2009年气象资料的分析（资料来源于中国气象科学数据共享服务网，气象站具置：北纬38.16°，东经109.47°），来探讨榆林市气候要素的变化特征。
榆林位于西北地区陕西省最北部，毛乌素沙漠和黄土高原接壤地带，北部为风沙草滩区，南部为丘陵沟壑地区，处于干旱半干旱地区。根据榆林所处地理状况的特点，由于降水少，蒸发大，该地区极易发生干旱[3]。研究气温和降水变化特征，可以对榆林地区相关工作的进一步开展提供科学依据。
1气温的变化特征
1.1 趋势及年际变化
通过对气温资料的统计分析[4]得出，榆林地区多年平均气温约8.4℃，年内月均温度最大值与最小值的极差基本均在30℃以上，极差最大时达到39.1℃，极端最高气温39℃，极端最低气温-24℃，表明年内温差较大。年均温度变化及其五年滑动平均变化见图1。从图1 中可以看出气温整体上呈上升趋势，80年代以前温度上升趋势并不显著，80年代后期开始加速上升。
图1 1952～2009年榆林气象站温度年际变化特征
1.2 代际及季节变化
按照常用的方法进行季节划分，即：3～5月为春季；6～8月为夏季；9～11月为秋季；12月～次年2月为冬季，年均温度及季均温度各年代变化见表1。从表1可以看出80年代以前各季节气温变化不大。以20世纪60年代气温均值为基准，到21世纪初，年均温度上升1.61℃，上升速率达0.402℃/10a，其中冬季温度上升最大，为2.93℃，上升速率达0.73℃/10a，夏季温度增幅不太明显；若以80年代为基准，年均温度上升1.37℃，上升速率达0.68℃/10a，其中冬季温度上升幅度最大，为1.57℃，达0.78℃/10a，夏季增温速率较以60年代为标准时有所增大。
2.1 趋势变化及年际变化[5]
榆林站多年平均降水量为397.1mm，极值比为4.35，年降水量变差系数为0.26 ，表明降水量年际变化不大，降水量年际变化及其五年滑动平均变化见图2。图2可以看出，2000年以前年降水量呈现减少的趋势，2000年以后年降水量又有所增加，呈现一定的周期性。
从表2可以看出，年降水在70年代开始减少，80年代、90年代降水较均匀，没有出现突然增大或突然减少的现象，进入21世纪初年降雨量增大，各季节降水都有所增加；各季节中夏季降水最大，占年降水量近60%，其次为秋季、春季，冬季降水最少约占年降水量的2～3%。
2.3 年内变化
据月统计资料及表2，榆林市区降水量年内分配极度不均匀，主要集中在汛期（6～9月），汛期降雨量约占全年降水量的70%以上，在统计年限内最高值约为90%。
根据上述变差系数Cv=0.26，根据榆林市水文手册及相关研究，此处我们选择Cs=2Cv，查皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表，根据xp=Kp ，求得相应频率p下的xp值，见表3。
根据表3，丰水年（P=5%）、平水年（P=50%）和枯水年（P=95%）在80年代以前分别选取1958年、1975年和1980年作为相应频率下的典型代表年， 80年代以后分别选取2001年、1987年和2005年作为相应频率下的典型代表年，各典型年的月降雨量年内变化见图3、图4。图3、4中可以看出汛期集中降雨这一规律在丰水年时表现的尤为明显，且每年降雨在4～5月和8～9月出现峰值，而8～9月的峰值雨量较大，由于这期间降雨强度大，将造成水土流失严重。
图3 80年代前典型年月降雨量年内变化 图4 80年代后典型年月降雨量年内变化
3最大熵谱分析
3.1 最大熵谱分析简介
熵是信息论中信息量大小的测度，可应用于随机过程，衡量过程随机性的强弱，熵值越大，表明其随机性越强。1967年Burg提出了最大熵谱估计方法，其基本思想是[6-10]：将通过测量得到的有限个相关函数作为约束条件，在保持最大不确定的前提下，用迭代法递推出未知的相关函数。该方法具有突出的分辨能力，峰值偏离小，提取的主次周期更符合实际。最大熵谱分析主要用Burg算法，具体思路如下
设变量x的自回归模型为：
（3-1）
假定均值为0，k阶预报误差的方差为σk2（k=1，2，…，n-1），相应的系数为αk，1，αk，1，…，αk，1，可由（3-2）公式求得
（3-2）
其中， ， 。
最大熵谱为
（3-3）
k0为自回归模型的阶数，有最终预测误差（FPE）准则确定，
（3-4）
FPE（k）值最小时的k就是自回归模型的最佳阶数k0。
3.2 最大熵谱分析的应用
首先将年降水序列作标准化处理，取得m=n/2≈30，按照3.1所述的计算方法，计算得出年降水量标准值的最大熵谱值见表3，其中周期T=58/n，最大熵谱图见图5。
由图5中可以看出，两个峰值点，结合表3，得出最高峰对应的周期为2.8年，次峰值点对应的周期为7.3年，因此榆林年降水量主要存在2.8年和7.3年的周期。
5结论
本文采用时间序列分析和最大熵谱分析等方法，对榆林市区近60年的气温和降水量变化特征进行分析，主要得出以下结论：
（1） 在全球变暖的大背景下，通过对榆林站年均温度的分析，得知榆林市气温呈逐年上升趋势，尤其在20世纪80年代后期开始气温加剧上升，其中冬季温度上升幅度较大。同年各月最大气温与月最小气温极差基本在30℃以上，极端最高和极端最低气温分别为39℃和-24℃，表明榆林市温差较大；
（2） 降水量趋势基本不变，70年代降水呈减少趋势，80年代、90年代年降水量保持均匀，进入21世纪以后降水量又有所增加。降水分配不均，多集中在汛期（6～9月），此时降雨强度较大，容易产生水土流失；
（3） 年降水量具有周期性，应用最大熵谱分析方法对年降水进行周期分析，得出榆林年降水量主要存在2.8年和7.3年的周期。
【参考文献】
[1]于淑秋，林学椿，徐祥德.我国西北地区近50年降水和气温的变化[J].气候与环境研究，2003，8（1）：9～16
[2]左洪超，吕世华，胡隐樵.中国近50年气温及降水量的变化趋势分析[J].高原气象，2004，23（2）：238～344
[3]刘子林，刘晓丽.榆林干旱特征分析[J].陕西气象，2003，（5）：15～17
[4]王文，张薇，蔡晓军.近50a来北京市气温和降水的变化[J].干旱气象，2009，27（4）：350～353
[5]胡蓓蓓，王军，许世远等.天津市近50a来降水变化分析[J].干旱区资源与环境，2009，23（8）：71～74
[6]黄忠恕.波谱分析方法及其在水文气象中的应用[M].北京：气象出版社，1983
[7]李平，卢文喜，辛欣等.挠力河流域降水量序列的功力谱分析和最大熵谱分析[J].世界地质，2008，27（1）：63～37
[8]邵骏，袁鹏，李秀峰等.基于最大熵谱估计的水文周期分析[J].中国农村水利水电，2008，1：30～33
[9]鱼京善，王国强，刘昌明.基于GIS系统和最大熵谱原理的降水周期分析方法[J].气象科学，2004，24（3）：277～284
[10]刘毅敏，尹秉坤.基于最大熵谱估计的短时间序列分析与预测方法的研究[J].武汉科技大学学报（自然科学版），2005，28（3）： 55～56
作者简介：盛晓磊（1984―），男，河南许昌人，助理工程师，学士，主要从事土地整治工作。