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昆明地区臭氧总量变化与旱涝的关系

发表时间：2021/6/10 来源：《探索科学》2021年4月作者：查舒

[导读] 利用1979~2019年昆明地区年均臭氧总量资料、昆明地区11个站点的逐年年均降水资料，运用Mann-Kendall检验、小波分析、Z指数等方法，分析及计算了该地区的臭氧演变趋势、突变点、周期变化和旱涝等级。研究结果显示：昆明地区臭氧总量变化与北半球臭氧总量变化基本一致，存在低→高→低→高的变化趋势；在2006年左右存在突变点；具有18年、11年和4年的周期振荡；臭氧总量变化的趋势与旱涝之间有明

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摘要：利用1979~2019年昆明地区年均臭氧总量资料、昆明地区11个站点的逐年年均降水资料，运用Mann-Kendall检验、小波分析、Z指数等方法，分析及计算了该地区的臭氧演变趋势、突变点、周期变化和旱涝等级。研究结果显示：昆明地区臭氧总量变化与北半球臭氧总量变化基本一致，存在低→高→低→高的变化趋势；在2006年左右存在突变点；具有18年、11年和4年的周期振荡；臭氧总量变化的趋势与旱涝之间有明显的对应关系。
关键词：臭氧总量；旱涝等级；Mann-Kendall检验；小波分析；
        臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，相当于地球的天然屏障，能阻止太阳光中大量的紫外线到达地球表面，从而避免地球上的人类和生物受到伤害。臭氧含量的改变会使太阳辐射在地球大气中的加热分布结构发生变化，导致温度、气压、风场乃至气候的变化。众所周知，气温与降水是研究气候变化的重要因素。因此，研究臭氧对气候的影响可以从研究臭氧对温度及降水的影响入手。目前对大气臭氧总量变化与温度间关系的研究工作已有所开展，但迄今为止，对臭氧的变化与降水量间的关系尤其是局地变化间关系的研究还比较缺乏。
        降水是旱涝灾害的重要表现形式。而旱与涝是云南常见的气候灾害，对人民生活、工农业生产及国民经济发展产生直接影响。因此，在研究昆明地区臭氧总量变化趋势的基础上，探讨臭氧对昆明地区旱涝灾害等级的影响，对昆明地区今后的经济结构可持续发展，具有重大的理论和现实意义。
本文分析了昆明地区1979~2019年41年的臭氧总量变化、突变趋势及振荡周期，划分了旱涝等级，试图分析昆明地区臭氧总量变化与旱涝的关系。
        1资料和方法
        本文采用的臭氧资料来自欧洲中心数据网站，选取1979年1月~2019年12月臭氧总量月平均值，格点分辨率为0.5*0.5，经处理得到41年逐年平均值，并选取昆明地区（102°E~104°E,24°N~26.5°N）进行区域平均。降水资料为昆明地区41年11个站点的逐年年均降水量，主要站点为昆明、富民、安宁、晋宁、呈贡、宜良、路南、崇明、禄劝、太华山、寻甸共11个站点。
        本文采用的主要方法有Mann-Kendall检验[1-2]和小波分析法[3]。旱涝等级由z指数[4-6]确定。
        2昆明地区臭氧总量的变化特征
        对昆明地区臭氧总量变化进行倾向分析，昆明地区1979~2019年臭氧总量总体呈增长趋势。2000年以前昆明臭氧总量相对较低，除1984、1986~1989年共5年高于平均值外，其它年份均低于平均值或与常年持平。2000年以后，所有年份臭氧总量均高于平均值。
        分析臭氧总量的变化趋势，1979~1988年昆明地区年均臭氧总量有小幅增加的趋势，1988年达到高值；1988~1995年臭氧总量大幅减少，并在1995年降到最低，短期增加后又减少，1999年达低值，然后开始回升，2000年后增长趋势显著，达到高值。
        另外，观察臭氧总量41年的总体变化，存在低→高→低→高的变化趋势，为具体考察其周期振荡，下文中将利用小波分析法进行进一步的研究。
        3昆明地区臭氧总量突变趋势分析
        利用昆明年平均臭氧总量数据做昆明地区Mann-Kendall臭氧总量突变检验。
        （1）1981年开始臭氧总量有弱的增长趋势，1983年开始增长趋势显著，1988、1989年左右达最大值，之后增长趋势减弱，但相较于平均值仍处于高值区，1991年之后不显著。
        （2）臭氧总量自1994年开始有减少的趋势，1999~2000年减少趋势显著，在1999、2000年左右达到最低值后，2001~2003年减少趋势减弱，但相较于平均值仍处于低值区。
        （3）臭氧总量自2004年开始增长，在2009年后增长趋势显著。
        （4）昆明地区年平均臭氧总量自2006年左右有突变的趋势。
        （5）存在低→高→低→高的变化趋势。
        已有研究也发现了2006年左右出现的异常，李永华等[7]研究表示，2006年夏季中高纬度环流及西太平洋副热带高压、西风带环流、南亚高压、低层流场、水汽输送以及垂直运动等都持续异常，2006年夏季大气环流异常与西南地区东部特大干旱有密切的联系。因此，本文所得出的臭氧总量在2006年发生突变的结论是可以接受的。
        4昆明地区臭氧总量的小波分析
        利用小波分析来进行进一步的研究分析周期变化。图1是小波系数实部时频分布图。由图1可以清楚的看到臭氧总量变化过程中存在的多时间尺度特征。总的来说，在臭氧总量变化过程中存在着21~35年，13~20年以及2~7年3类尺度的周期变化规律。其中，21~35年，13~20年两类尺度的周期变化在整个分析时段表现得非常稳定，具有全域性；而2~8年尺度的周期变化，在1995年以后表现的较为稳定。

图1 Morlet小波变换系数实部时频分布
        Fig.1 Real part time-frequently distribution from Morlet wavelet transform coefficients
        图2是小波方差图。小波方差图能反映时间序列的波动能量随尺度a的分布情况，可以用来确定臭氧总量变化过程中存在的主周期。
        图2中存在2个较为明显的峰值，它们依次对应着27年、17年和6年的时间尺度。最大峰值对应着27年的时间尺度，说明27年左右的周期振荡最强，为臭氧总量变化的第一主周期；17年时间尺度对应着第二峰值，为臭氧总量变化的第二主周期；6年时间尺度对应着第三峰值，该峰值很微弱，为臭氧总量变化的第三主周期。

图2 Morlet小波变换方差
        Fig.2 Morlet wavelet transform variance
        根据小波方差检验的结果显示，在27年特征时间尺度上，臭氧总量变化的平均周期为18年左右，在17年特征时间尺度上，臭氧总量变化的平均周期为11年左右，而在6年特征时间尺度上，平均周期为4年左右，而臭氧的准11年周期振荡很有可能与太阳活动有关[8]。
        5昆明地区旱涝等级的确定及与臭氧的联系
        分析昆明地区1979~2019年旱涝等级，可以看出，云南旱涝灾害发生频繁。41年中，共发生旱涝灾害20次，占48.8%，其中出现9次旱，占22.0%；出现11次涝，占26.8%，包括5次特涝，6次偏涝。
结合小波分析结果，将昆明地区41年臭氧总量变化划分为以下四个阶段，作对比分析。
        1979~1983年5年中，臭氧处于低值区，共发生旱1次（1982，偏旱），涝1次（1983，特涝）。
        1984~1992年9年中，臭氧处于高值区，共发生旱5次，包括1次特旱（1992），1次大旱（1987）和3次偏旱（1984、1988和1989），其中1988年是臭氧总量变化的第一个高峰值，相对应的出现了1987~1989年三年连旱；发生涝2次，包括1次特涝（1986）和1次偏涝（1991）。
        1993~2000年8年中，臭氧处于低值区，共发生旱0次，涝4次，包括3次特涝（1994、1997、1999）和1次偏涝（1998），并且1995年为臭氧总量变化的第一个低峰值，1999年为臭氧总量变化的第二个低峰值，相对应的出现了1997~1999年三年连涝。
        2001~2011年11年中，臭氧处于高值区并且在2006年发生突变，共发生旱3次，涝4次（均为偏涝），并且涝均发生在2006年突变以前（2001、2002、2004、2005），旱均发生在2006年突变以后，为2009年（特旱）、2010年（偏旱）、2011年（特旱）三年连旱。
        6结论和讨论
        通过对昆明地区臭氧总量的长期趋势变化、突变、周期及其与旱涝的联系的分析与讨论，可以得出以下几个结论：
        （1）昆明地区年均臭氧总量在1979~2019年41年间整体呈增加趋势。1979~1988年有小幅增加的趋势，1988年达到高值；1988~1995年臭氧总量大幅减少，并在1995年降到最低，然后开始回升，2000年后增长趋势显著，达到高值。这与北半球臭氧变化基本一致。
        （2）通过Mann-Kendall法分析得出的结论与昆明地区实测臭氧总量变化基本一致，均存在低→高→低→高的变化趋势，并且昆明地区臭氧总量变化存在突变，突变从2006年开始。
        （3）昆明地区臭氧总量变化，在27年特征时间尺度上平均周期为18年左右，在17年特征时间尺度上平均周期为11年左右，而在6年特征时间尺度上，平均周期为4年左右。
        （4）臭氧含量偏高，相对出现干旱的次数就多，洪涝的次数少；反之，臭氧含量偏低，出现干旱的次数就少，洪涝的次数多。特别在2006年突变以后，臭氧含量大幅增加，出现三年连旱，且强度很大。
参考文献
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[2]曹洁萍，迟道才，吴立强，刘丽，李帅莹，于淼等.Mann-Kendall检验方法在降水趋势分析中的应用研究[J]，农业科技与装备，2008,179（5）：35-40.
[3]李淼，夏军，陈社明，孟德娟等.北京地区近300年降水变化的小波分析[J]，自然资源学报，2011,26（6）：1001-1011.
[4]段长春，朱勇，尤卫红等.云南汛期旱涝特征及其成因分析[J]，高原气象，2007,26（2）：402-408.
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[8]郭世昌，常有礼，张利娜等.北半球中纬度地区大气臭氧的年际和年代际变化研究[J]，大气科学，2007,31（3）：418-423.