秦建国
江苏省水文水资源勘测局无锡分局
通过研究代表性雨量站的实测资料,探讨100多年来区域气候的旱涝变化情况,摸清太湖地区年际降水序列的变化规律,为本区域长期水文预报的未来发展探索一条新路。
时间序列分析是水文气象预测中信息分析及定性与定量预报的基础,其他预测方法很多是借鉴了它的理念和技术,有的是它的发展延伸。但是因其方法简单、指标单一以及无法识别隐含的震荡周期和转折点等原因,在预测时很难凸显其实用价值。然而近年来气候突变和旱涝周期的研究都取得了进展,恰好可以弥补其主要缺陷,再有其他辅助方法配合使用,就能完成其历史使命。
(1)气候突变分段法
简称为“分段法”,就是以特征转折点作切割,利用分段特征的一致性,最终实现序列分析的方法。其研究的目的是降低模拟难度、提高预测效率。分段法的理论基础是气候突变理论。
一般认为,序列的长度越长、代表性越好,但是实际情况并非如此。2009年笔者在分析无锡站年际降水过程线时发现,1978年前后的特征明显不同,因此对分段研究进行了尝试 。2013年出版的《中国气候》中,国家气候中心(NCC)的最新研究成果表明,1970s我国发生了一次气候转折。据此笔者萌生了“气候成因不同,旱涝特征不同”的猜想,随后采取分段研究的方法,解决了无锡站年际降水序列(1978~2011)、(1950~2014)无规律的难题。因此,需要对无锡站的观测历史进行全面探讨。
(2)非典型周期法
旱涝周期,是一个古老的气候议题。在我国殷商时期的甲骨文中就有关于“旱涝”的记载,大约有3000多年的历史。由于旱涝周期的研究难度很大,人们通常将其称为:“准周期、假周期”。在随机理论、混沌理论的研究中,也被称为:“概率周期”。在时间序列分析和小波分析时,又被称为:“隐含的震荡周期”。目前学术界普遍认为,长期预测是无法实现的,预报的极限仅为2-3周。
此外,地球科学的相关基础理论不成熟,导致水文气象年际序列分析的方法很少,大多仅采用5a或10a滑动来做未来趋势的远景展望。但是在实际工作中若将有限的观测数据再进行压缩处理,用来做预报分析,则易造成先兆信息的大量丢失,根本无法完成预报任务。为此笔者又提出了非典型周期法。
非典型周期法,是在分段法研究的同时,反其道行之,采用“放大镜”或者“显微镜”技术,逐段对时间序列的细部特征进行统计分析,以寻找潜在规律的新方法。其机理是自然界的万物之间都存在千丝万缕的联系,只要从这些细微的变化中找出统计规律,就可以达到解析自然的目的。
所谓非典型周期,就是为了区别传统的周期理论(即符合物理定义的经典周期),将自然界中振幅不同、时长不等的周期性变化现象,统称为“非典型周期”。其理论基础是非典型节律理论。根据笔者的研究,旱涝周期属于非典型周期的范畴,可以部分实现年际旱涝趋势的精确预测。
(1)在太湖地区现代历史中发现年际旱涝特征的转折点3个,通过了严格的验证,并且讨论了其气候属性。
(2)实现了隐含旱涝周期的可视化,完成了本区域超长缺测中断期(1938-1950)旱涝趋势的精确插补,解决了无锡站年际降水序列(1920-2023)周期性分析的难题。
(3)将太湖地区天气和气候可预测的时间极限,从原来的二周至三周提高到现在的一年至数年....。
(1)研究表明,1934、1978、2013年是我国年际旱涝特征的转折点,也是气候突变的临界点,同时这些夏季特大干旱灾害发生的年景还是我国近现代气候历史理想的分割点。
(2)无锡站年际降水的观测历史可分成四个特征不同的时段,平均时长约为39a,而且每个时段节点对应的都是一次气候突变。
(3)本文中的旱涝周期,并不是严格意义上的物理周期,也不属于概率周期的范畴,而是带有某些周期性质的旱涝演化趋势类型,笔者称其为“非典型周期”。