引言

在全球变暖的气候背景下，我国不同区域的降水气候特征出现了明显的变化，局部地区异常，旱涝发生频率呈增加趋势，所以气候变化研究一直都是气象学者研究的重点^[1-5]。胡景高等^[6]的研究表明我国降水量呈减少趋势，特别是东部降水量普遍减少，体现出了夏季风的减弱。谢金南等^[7]分析了西北地区22个代表站的降水量变化趋势，发现西部降水量增长趋势明显，黄玉霞等^[8]也有类似的发现。顾骏强等^[9]研究了浙江省降水量和雨日的变化，发现降水量增加的同时，雨日却表现为减少的趋势。符传博等^[10]的研究也表明云南省降水量和雨日变化不一致。对于我国而言，东部地区降水量年代际变化在20世纪50和90年代比较显著，60年代的变化不够显著。50—60年代中期华北降水量相对较丰沛，60年代中期以后特别是80年代以来华北降水量处于相对偏少阶段。长江流域夏季降水量在80—90年代明显增加。80年代末以来，中国西北地区降水量处于年代际降水量变化的相对偏多期。然而，前人的研究大多侧重于我国东部或夏季降水量的研究，针对南海海域西沙永兴岛降水的气候变化特征的研究相对鲜见，因此本文的研究对了解该海域降水量和雨日的演变趋势有重要意义。

西沙永兴岛(16.83°N，112.33°E)位于南海西北部广阔的海面上, 面积2.10 km²，平均海拔高度5 m。近些年来，随着国家越来越重视南海资源的开发，人为活动在南海也逐渐增多，因此，研究南海海域降水量和雨日变化趋势特征是十分必要的。西沙气象台是南海海域现有常规业务观测站中最主要的海洋岛屿站之一，也是西沙地区唯一具有较长时间序列历史资料的常规气象测站，因此对反映西沙群岛海域的气候特征具有一定的代表性。小波分析方法是一种信号时频局部分析的新方法，其特点是通过时频变化突出信号在某些方面的特征，具有时频多分辨功能^[11-12]。本文根据西沙永兴岛台站观测的1958—2013年逐日降水量和雨日资料，利用Morlet小波分析方法进行分析研究，以期充分认识南海西沙海域降水的气候变化规律，了解该区域对全球气候变化的响应程度。

1 资料及分析方法

西沙永兴岛气象站始建于1957年，本文选用时间年限为1958—2013年共56 a逐日降水量观测资料进行分析，其中日降水量的界定为20时(北京时)，雨日定义为日累积降水量在0.1 mm以上为一个雨日，资料来自三沙市气象局。本文所用的分析方法主要为Morlet小波分析。

小波函数Ψ(t)指具有振荡特性、能够迅速衰减到零的一类函数，定义为：

$ \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\Psi \left( t \right){\rm{d}}t} = 0 $

Ψ(t)通过伸缩和平移构成一簇函数系：

${\Psi _{a, b}}\left( t \right) = {\left| a \right|^{ - 1/2}}\psi \left( {\frac{{t - b}}{a}} \right), b \in R, a \in R, \alpha \ne 0 $，称Ψ_{a, b}(t)为子小波；a为尺度因子或频率因子，反映小波的周期长度；b为时间因子，反映在时间上的平移。

Morlet小波分析具有多分辨率分析的特点它优于传统的Fourier分析，近年来广泛应用于多尺度气候分析研究^[13-14]并取得了较好的效果。Morlet小波(实部)变化系数的大小代表某一尺度波动振幅的大小，反映它所对应时段时间尺度的周期性是否显著，小波系数正负分别表示该时段要素为偏多期和偏少期，小波系数零值线对应要素气候突变(转折)期。此外本文分析中还用到回归分析、11 a二项式平滑、相关分析等统计方法^[15]。

2 结果分析 2.1 降水量和雨日的月际和年际变化特征

图 1分别给出了西沙永兴岛降水量和雨日的月际变化。图中表明，西沙永兴岛的降水量和雨日季节变化较为明显，大值主要出现在夏秋季，冬春季偏低。就月际变化(图 1a)而言，西沙永兴岛降水量呈单峰型的变化趋势，1—4月降水量较少，基本在50 mm以下，4月份以后进入汛期，降水量明显增多，直到10月达到最大，其中9月和10月月平均降水量均在250 mm以上，9月和10月南海西沙海域热带气旋影响频繁，降水强度大。10月后降水量迅速下降。雨日(图 2b)的月季变化与降水量基本一致，4月份之前雨日偏少，而进入汛期之后雨日也随之增长，10月达到最大值，为17.96 d。相比而言，11月以后西沙永兴岛的降水量已有明显下降，但雨日还是维持较高的水平。冬半年南海西沙海域盛行冬季风，永兴岛维持阴雨天气，雨日偏多，但多以小雨为主，降水量偏小。

图 2为西沙永兴岛年降水量和雨日的年际变化。从图中可以看出，近56 a降水量有明显的年际变化(图 2a)，其回归系数为11.9 mm·(10 a)^-1(表 1)，趋势系数只为0.04，上升不显著。从变化曲线上西沙永兴岛年降水量可以分为5个阶段，20世纪50年代末至70年代中期为明显上升时期，70年代中期至80年代中期为缓慢下降时期，80年代中期至90年代中期为缓慢上升时期，2000—2004年的明显下降时期和2005年后的回升时期。各年代的平均值(表 2)表明，上世纪70年代是西沙永兴岛年降水量最多的十年，达到1 732.1 mm，21世纪初的十年则是降水最少的年代(1 337.1 mm)。一般而言，雨日和降水量成一定的正比关系，即雨日多，降水量也多，或者降水量多，雨日也多。但是对比雨日的年际变化(图 2b)可以发现，南海西沙海域年降水量和雨日的变化并不一致，雨日近56 a呈现明显的下降趋势，其回归系数为-3.383 d·(10 a)^-1(表 1)，趋势系数为-0.369，达到99%的信度水平。这种不一致性在我国其它区域也有出现^{[9, 16]}。

2.2 降水量和雨日的周期变化

Morlet小波系数的变化趋势与气候信号的起伏基本是一致的，不同时间尺度下的小波系数可以反映系统在该时间尺度(周期)下变化特征，正负小波系数的转折点对应着突变点，小波系数绝对值越大，表明该时间尺度变化越显著^[17]。图 3为西沙永兴岛降水量和雨日距平序列的Morlet小波变换系数实部在时间-频率域中的变化情况。图 3a中表明，年降水量在22~24 a较长时间尺度上经历了少—多—少—多—少的交替，其周期振荡非常明显，且最大正负值中心出现在此区域，说明年降水量较长时间尺度的波动频率虽然低，但强度大^{[14, 18]}。在10~13 a的时间尺度上，20世纪70年代初以后周期振荡比较明显；5~7 a的短时间尺度上，70年代至2005年非常明显，强度也较强，降水量变化剧烈。相比之下，雨日的周期振荡在15 a时间尺度以上并不明显(图 3b)，10~15 a的时间尺度上，60年代到90年代周期振荡是一个加强的过程，随后强度减弱，最大正负值中心出现在3~6 a的短时间尺度上，特别是在80年代到2000年期间，说明雨日在较短时间尺度的波动频率高，强度大。

2.3 降水量和雨日的季节特征 2.3.1 降水量四季变化特点

图 4给出了西沙永兴岛四季降水量的年际变化。由图可见，各季降水量的年际变化有明显的不同。春季近56 a呈上升趋势，其回归系数为26.2 mm·(10 a)^-1，通过了置信度99.5%的显著检验。从其变化趋势可看出，1995年以前降水量稳定上升，而1995—2013年其变化幅度加大，变化剧烈。夏季降水量与春季明显不同，主要呈下降趋势，回归系数为-21.3 mm·(10 a)^-1，没有通过显著性检验（表 3）。夏季降水量对年降水量的贡献较大，其变化大致可以分为3个阶段，第一阶段从60年代初到70年代中期，降水量呈上升趋势；第二阶段从70年代中期到2005年，降水量稳定减少；第三阶段从2005年至今，降水量呈回升趋势。秋季和冬季降水量趋势不太明显，其趋势系数分别为7.6 mm·(10 a)^-1和-0.3 mm·(10 a)^-1，均没有通过显著性检验，但其存在明显的年际和年代际变化。从图 4c和4d可见，秋季和冬季西沙永兴岛降水量主要有两个降水峰值区，一个在70年代初期到中期，另一个在中期到后期。这和年降水量的变化特征基本一致，而且秋季降水量对年降水量的贡献也较大。

2.3.2 雨日四季变化特点

图 5为西沙永兴岛四季雨日的年际变化。图中表明，南海西沙海域春季雨日趋势特征不明显，但夏季、秋季和冬季雨日呈下降趋势，且都存在明显的年际变化特征。春季雨日表现为弱的上升趋势，这可能与春季降水量上升明显有关(通过99.5%的显著性检验)。但是春季雨日平均值最小，只为16.75 d(表 4)，对年雨日贡献最小，而其它三季雨日下降明显，特别是秋季和冬季，其回归系数为-1.134和-1.387 d·(10 a)^-1，分别通过了信度90%和95%的显著性检验，而且秋季对年雨日的贡献最大，为48.77 d，因此年雨日在近56 a中也表现为明显的下降趋势。对于春季，雨日在20世纪60年代偏高，在70年代至90年代属于偏低阶段，随后又有所回升。夏季雨日在20世纪70年代之前有过的上升趋势，之后表现为稳定的下降趋势。秋季和冬季雨日变化比较一致，在近56 a来为稳定的下降趋势。

2.3.3 四季降水量的周期变化

图 6为西沙永兴岛四季降水量距平序列的Morlet小波变换系数实部的变化。由图 6a可见，春季在20~ 25 a较长时间尺度上的周期变化不明显，这与其它季节不同；14~16 a的时间尺度上，60年代至2000年的周期振荡比较明显；在7~9 a的尺度上，70年代中期以后，周期振荡比较明显；在4~6 a的短时间尺度上，则由更多降水量偏多和偏少期的循环交替，而且在90年代以后强度较强，变化剧烈。夏季(图 6b)在20~ 25 a的长时间尺度上出现较明显的周期振荡；12~14 a时间尺度上的周期振荡也较为明显；另外在3~7 a的短时间尺度上，60年代中期到90年代出现较明显的周期振荡，而且从70年代初至80年代中期等值线较为密集，表明降水量在此段时间周期振荡明显。由图 6c可见，秋季降水量从高频到低频都有明显的周期振荡，但是强度都较为一般，没有特别强烈的周期振荡。冬季(图 6d)降水量与秋季较为类似，各个频率上的周期振荡都较为明显，特别是在12~14 a时间尺度上，从60年代末至90年代末，周期振荡幅度大，降水量变化剧烈。

2.3.4 四季雨日的周期变化

图 7为西沙永兴岛四季雨日距平序列的Morlet小波变换系数实部的变化。相比之下，四季雨日的周期振荡在时间尺度较长(15 a)以上的区域并不明显，而7 a以下的短时间尺度雨日也存在周期振荡，但强度都较为一般，没有特别强烈，这和年雨日的周期振荡基本一致。春季在10~13 a的尺度上雨日有明显的周期振荡，强度在近56 a来有增大的趋势，6~9 a的时间尺度上雨日在90年代之前周期振荡强烈，随后减弱消失；夏季强度最大的周期振荡频率位于8~12 a，特别是80年代以后，周期振荡幅度大，雨日变化剧烈。秋季和冬季雨日周期振荡较为类似，各个频率的周期振荡强度都比春季和夏季要小，秋季较为明显的振荡频率在5 a以下，冬季则位于11~14 a的时间尺度上，但是在90年代之后减弱消失。

3 结论与讨论

采用西沙永兴岛站1958—2013年逐日降水量和雨日资料，利用Morlet小波分析方法对南海西沙海域降水量气候特点进行分析，得到以下结论：

(1) 南海西沙海域降水量和雨日有明显的季节变化，夏秋季偏高，冬春季偏低。11月以后降水量已有明显下降，但雨日还是维持较高的水平。南海西沙海域年降水量和雨日的变化并不一致，降水量有显著的年代际变化，而雨日近56 a呈现明显的下降趋势，趋势系数为-0.369，通过了信度为99%的显著性检验。

(2) 南海西沙海域降水量在不同时间尺度上都存在明显的周期振荡，特别是22~24 a较长时间尺度，波动频率虽然低，但强度大。相反的，雨日在15 a时间尺度以上的周期振荡并不明显，而在3~6 a的短时间尺度上有显著的振荡现象，说明雨日在较短时间尺度的波动频率高，强度大。

(3) 降水量在不同季节年际变化也不同，春季主要呈上升趋势，通过信度99.5%的显著性检验，而夏季降水量呈下降趋势，没有通过检验，而秋季和冬季降水量趋势不太明显。雨日春季的趋势特征不明显，但夏季、秋季和冬季雨日呈下降趋势，特别是秋季和冬季，其回归系数分别为-1.134和-1.387 d·(10 a)^-1，分别通过了信度90%和95%的显著性检验。

(4) 降水量四季在较长时间尺度上有明显的周期振荡，而雨日显著的周期变化主要出现在15 a以下。不同季节在不同时段周期振荡强度也不同，如春季降水量在4~6 a的短时间尺度上，20世纪90年代以后，周期振荡强度较强。夏季雨日强度最大的周期振荡频率位于8~12 a，特别是80年代以后，周期振荡幅度大，雨日变化剧烈。