中國降水的冪律尾分布特征.pdf

1、全球氣候變化已經(jīng)引起世界各國政府和科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。由于中國處于世界上降水變化率最大的地區(qū)——季風(fēng)氣候區(qū)，因此氣候變化在降水上的表現(xiàn)相當(dāng)明顯，研究降水的氣候變率對中國的社會發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)都有著非常重要的意義。降水過程屬于較隨機性的氣候過程，時空上具有多尺度性、多層次性和非平穩(wěn)性等特征。由于傳統(tǒng)研究方法大都基于線性、平穩(wěn)的思想，再加上受到觀測資料短缺、觀測站點分布不均勻等因素的限制，降水的物理機制、物理過程及其預(yù)測一直是一個科學(xué)難題。對

2、一些極端降水事件，目前也只能進行個例分析而無法進一步闡明統(tǒng)一的整體認識。本文中，我們結(jié)合非線性科學(xué)的研究成果，嘗試從全新的角度進一步研究中國降水，文章的主要內(nèi)容介紹如下： (1)針對降水序列的非平穩(wěn)性特征，利用啟發(fā)式分割算法(簡稱BG算法)對中國華南和華北地區(qū)20個站點1956-2000a，逐日降水量距平資料進行處理，將其分割為若干具有不同均值的自平穩(wěn)子序列，按分割得到子序列長度進行統(tǒng)計，并結(jié)合復(fù)雜性科學(xué)的研究成果——冪律尾分布

3、，計算相應(yīng)的冪律尾指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進一步研究冪律尾指數(shù)隨時間的演變特征及其空間分布狀況，討論非平穩(wěn)時間序列突變檢測新的有效方法。研究結(jié)果表明：冪律尾分布特征可能是降水等非平穩(wěn)時間序列的共同特征；降水序列的冪律尾指數(shù)對應(yīng)不同的地區(qū)數(shù)值不同，整體而言華南偏小，華北偏大，可能在一定程度上體現(xiàn)了華南和華北地區(qū)降水動力學(xué)特征的不同；根據(jù)冪律尾指數(shù)隨時間的演變情況，在1970年、1980年和1990年前后，華南和華北地區(qū)的降水均存在突變，這一結(jié)果

4、與當(dāng)前對中國降水變化特征的研究結(jié)果相當(dāng)一致，冪律尾指數(shù)這一非線性時間序列的重要指標(biāo)可能是檢測降水等時間序列突變新的有效途徑。 (2)基于中國氣象局國家氣候中心740站點1960-2000a的日降水觀測資料，對中國七個氣候特征區(qū)0-29mm日降水按降水量分等級進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)均存在冪律尾分布特征；在降水量7mm和15mm附近冪律尾指數(shù)存在兩個明顯的轉(zhuǎn)折點，并且這一情況不隨時空變化而變化，是降水具有的本質(zhì)屬性。就中國總體情況而言冪

5、律尾指數(shù)自東南向西北呈遞增趨勢，與中國降水南多北少，東多西少的空間分布相符合。對應(yīng)0.7mm日降水，中國北方地區(qū)(東北、華北和西北)日降水冪律尾指數(shù)隨時間演變存在突變，突變點Ⅰ(1979年)之前，冪律尾指數(shù)變化較平穩(wěn)，其后冪律尾指數(shù)急劇增大，到突變點Ⅱ(1989年)之后，冪律尾指數(shù)又逐漸變化緩慢，但與突變點Ⅰ之前相比有較大差異，維持在另一個穩(wěn)態(tài)的變化。這一現(xiàn)象可能對應(yīng)著20世紀70年代末開始的中國北方干旱化進程，導(dǎo)致的原因可能是0.7m

6、m日降水狀況的改變。 (3)對中國七個氣候特征區(qū)30mm以上日降水(大．暴雨)研究發(fā)現(xiàn)：統(tǒng)計結(jié)果仍然呈冪律尾分布，但各氣候特征區(qū)冪律尾指數(shù)與0-29mm日降水相比明顯增大(γ>3)，空間分布狀況也有所不同。結(jié)合已有的研究結(jié)果，說明0-29mm日降水(γ<3)是一個平穩(wěn)性過程或包含部分平穩(wěn)性成分，因此在目前的預(yù)測方法基礎(chǔ)上，進一步提取和分離平穩(wěn)性分量應(yīng)成為提高預(yù)測水平的主要努力方向；30mm以上日降水(γ>3)則是一個非平穩(wěn)性過程

7、，使得長期的暴雨預(yù)報面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。借助濾波方法對日降水序列進行單尺度分離，“逆向”研究不同尺度系統(tǒng)對降水的影響，結(jié)果表明：日降水冪律尾分布特征是大氣中各尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，單一尺度分量無法全面反映降水的本質(zhì)規(guī)律，統(tǒng)計結(jié)果失去冪律尾分布特征；30mm以上和以下日降水對應(yīng)的主要影響系統(tǒng)不同可能是造成相應(yīng)冪律尾指數(shù)發(fā)生改變的原因；其中一周尺度系統(tǒng)對30mm以上日降水冪律尾指數(shù)影響最大，是我們需要關(guān)注的時間尺度，單尺度分離后的序列對原序列

8、傳遞熵的計算結(jié)果也證實了這一結(jié)論。 (4)上述工作中，為了研究冪律尾指數(shù)隨時間的演變，我們選取了長度為10a的滑動窗口，并按照慣例將冪律尾指數(shù)γ賦值給窗口中的末尾年份，因此無法對中國北方地區(qū)(東北、華北和西北)0-7mm日降水冪律尾指數(shù)發(fā)生突變的時間進行精確定位(同一窗口中的年份均有可能)，為了克服窗口長度的影響，我們采用“逆向”研究的方法，充分利用長度有限的觀測資料，分析中國七個氣候特征區(qū)日降水冪律尾指數(shù)隨時間的演變特征，結(jié)果

9、發(fā)現(xiàn)中國北方地區(qū)(華北、東北和西北)0-7mm日降水冪律尾指數(shù)隨時間演變在1979年和1980年之間發(fā)生突變，由此我們推測該地區(qū)大尺度氣候背景在上世紀70年代末80年代初經(jīng)歷了一次較大的變化，引起該地區(qū)小雨的雨情隨之改變，這一變化與ENSO綜合指數(shù)(MEI)聯(lián)系較緊密，可能是造成北方干旱化的重要原因之一。0-29mm日降水是一個相對平穩(wěn)的過程，每一年的降水狀況均圍繞某一穩(wěn)定的平均態(tài)“上下波動”，僅有微小偏移；而30mm以上日降水平穩(wěn)性明

10、顯較差，每一年的暴雨狀況都會對冪律尾指數(shù)產(chǎn)生很大影響，這也給長期暴雨預(yù)報帶來了極大的困難。 (5)代用資料的重建與分析是古氣候研究領(lǐng)域的一個重要課題，文中應(yīng)用小波變換和功率譜研究了都蘭樹輪等8種溫度代用資料的主要周期，并以此為基礎(chǔ)進行濾波，結(jié)合動力學(xué)相關(guān)因子指數(shù)和相關(guān)系數(shù)從代用資料的動力學(xué)結(jié)構(gòu)特征和外部特征兩個角度研究其在不同尺度上的相似性。研究結(jié)果表明：準100a尺度是這些代用資料的共同周期，都蘭樹輪等8種溫度代用資料的動力學(xué)結(jié)構(gòu)特征

11、和外部特征在準100a及以上的尺度層次上是相似的，即其外部特征和動力學(xué)結(jié)構(gòu)特征兩個方面均符合可比性條件；隨著尺度的降低，動力學(xué)結(jié)構(gòu)特征和外部特征的可比性均隨之降低；60-70a及以下尺度，各分量之間的動力學(xué)結(jié)構(gòu)特征失去可比性；在小于30a的尺度上，它們的外部特征也不再具有可比性。 本論文在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)“我國南方致洪暴雨監(jiān)測與預(yù)測的理論和方法研究(2004CB418300)”和國家自然科學(xué)基金重大研究計劃