张保龙++于亮亮++黄媛元++张玉荣++何步江

摘 要：采用每日最高（低）气温的历史同期序列的分位数作为该日的极端高（低）温阈值，运用经验模态分解方法（EMD）对内蒙古巴彦淖尔市杭锦后旗1971—2010年冬季极端高（低）温频数进行了初步分析。结果表明，杭锦后旗冬季极端高温、低温频数序列都与平均气温的相关性显著，极端高温频数主要存在准3年周期振荡，极端低温频数主要存在准6年的周期振荡。

关键词：EMD方法 冬季极端气温 分析

中图分类号：P468 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0237-01

近年来，极端天气的变化已经引起了全世界的普遍关注。极端天气事件是指某一地点或地区从统计分布的观点看不常或极少发生的天气事件。

目前，国际上分析研究极端气候事件的变化特征常用的方法是定义与极端事件相关的代用气候指数，在定义与极端气温有关的代用气候指数时，不同研究人员针对不同地区的研究，可能采取不同的定义方式。例如对“极端高温”的阈值，邓自旺等[2]定义阈值为35 ℃；张宁[3]等定义阈值为逐年（季）日最高气温序列的95%分位数值。

本文所讲的发生极端高温（低）事件是指某日最高（低）气温超过了某个阈值。阈值的确定是基于每日最高（低）气温的历史同期序列。

本文主要的研究目的是分析极端高（低）温发生频数的主要周期变化，以期寻求其内在变化规律。1998年Huang等[4]提出一种新的分析非平稳、非线性数据的信号处理方法-经验模态分解（empirical mode decomposition，EMD）方法。它将非平稳信号按不同尺度的波动或趋势分解成若干个本征模态函数（IMF）分量及一个趋势分量的线性和。不同的IMF分量是平稳信号，具有非线性特征，也具有时间上的局域化特征。自EMD方法被提出以来，其在研究和应用领域都获得了广泛的关注。

本文选取内蒙古自治区巴彦淖尔市杭锦后旗气象站近30年气温资料，试图用EMD方法分析该地区在1971—2010年冬季发生的极端气温事件频数的主要变化周期。

1 定义、数据来源和方法

1.1 定义

日高（低）阈值：每日最高（低）气温的历史同期序列的第95（5）个百分位数。

1.2 数据来源

本文选取巴彦淖尔市杭锦后旗站进行研究。该站点位于内蒙古自治区巴彦淖尔市中部，采用1971—2010年共40年冬季每日最高气温、最低气温和平均温度，冬季定义为当年的12月至翌年2月。

1.3 数据处理

先求出每日的日高阈值，日低阈值。再求出每年冬季极端高温事件、极端低温事件发生的频数。最后通过EMD方法进行分解。

2 结果与分析

本节将主要通过EMD方法对杭锦后旗气象站出现的极端气温频数序列进行分解，进而得到一系列的IMF分解元。然后通过对每个IMF分解元进行周期分析。此外，本文还通过t检验，简要分析极端气温频数的线性趋势，以及与年平均气温序列的相关关系。

2.1 极端高温频数

杭锦后旗站的冬季极端高温事件频数和冬季平均气温的相关系数达到0.63，超过0.49，通过0.001显著性水平检验，说明杭锦后旗站冬季的极端高温频数受冬季平均气温的影响较大。此外，杭锦后旗站极端高温频数呈现显著的上升趋势，平均每100年增加9次。这与全球气候变化是一致的。

通过EMD方法对杭锦后旗的极端高温频数序列进行分解，分解结果见图（图略），横坐标代表年际变化，纵坐标代表频次距平变化的数值。一共出现了5个IMF分量。且5个IMF分量C1～C5时间尺度逐渐增大，它们在同一时间段内没有相同的频率。对IMF5个分量进行分析。

C1分量周期约为3～4年。C2一共经历了3个左右的周期性振荡，分别具有3年、5年、2年的周期。C3一共经历了2个左右的周期性振荡，分别具有15年、3年的周期。C4表示的周期约为19年，C5表示的周期约为32年。

从分解结果发现，杭锦后旗每年的极端高温频数序列存在准3年的周期，同时伴有一个较弱上升趋势。

2.2 极端低温频数

杭锦后旗站冬季极端低温事件的频数和冬季平均气温有较好的负相关关系，通过了0.001显著性检验。说明杭锦后旗站冬季极端低温频数受冬季平均气温的影响较大。

C1分量有3个周期振荡，存在着3年、8年、2年尺度的波动。C2分量存在2年的周期。C3分量存在6年左右的周期。C4分量存在准10年的周期。C5分量存在准32年的周期。

从分解结果发现，杭锦后旗每年的极端低温频数序列存在准6年的周期，同时在2000年后，振幅存在加强的趋势。

3 结论与讨论

本文对杭锦后旗1971—2010年冬季极端温度事件频数进行了初步分析，得到极端高（低）温阈值序列，进而得到每年冬季的极端高（低）温频数序列。针对这两个频数序列以EMD方法，分析不同变化周期，得到如下结论。

（1）杭锦后旗冬季平均气温和极端高温频数序列有较好的正相关关系，与极端低温频数序列有较好的负相关关系。

（2）杭锦后旗冬季平均气温每百年增加3.6 ℃，极端高温频数序列每百年增加9.8次，极端低温频数每百年增加0.5次。

（3）杭锦后旗的极端高温频数序列存在准3年周期振荡，极端低温频数序列存在准6年的周期。

本文主要选取的是杭锦后旗站点，以后的工作中还将选取其他站点来分析比较不同地区不同季节的极端气温变化情况。

参考文献

[2] 邓自旺，丁裕国，陈业国.全球气候变暖对长江三角洲极端高温时间概率的影响[J].南京气象学院学报，2000，23（1）：42-47.

[3] 张宁，孙照渤，曾刚.1955-2005年中国极端气温的变化[J].南京气象学院学报，2008，31（1）：123-128.

[4] Huang N E， Shen Z Long S R， et al. The Empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for non-linear and non-stationary time series analysis[J].Proc R Soc Land A，1998（454）： 899-955.endprint