1、研究背景

摸清水文气象时间序列的变化规律，一直是自然科学领域的难题之一，目前多数学者认同的是假设水文过程中包含有两种成分：一种是确定性成分，如水文现象的趋势变化和周期变化；另一种是随机成分，表现为水文现象的随机波动[1]。

由于地球绕太阳公转和地球的自转，水文气象序列中包含有明显的确定性周期成分，如：潮水位、月降水量、月径流量序列以及气温的变化等，明显存在以日、月和年为基础的周期性成分。此外还存在更长的周期性成分，如年降水量和年径流量在旱涝年景中成组出现的多年变化现象，主要可能是决定于受太阳活动制约的气候因素变化和大气环流的影响。由于太阳活动具有一定的循环周期，因而年降水量、年径流量的多年变化也应该存在一定的循环周期[2,3]。

本文以无锡站年际降水序列为例,在分析旱涝趋势变化时，提出了两种时间序列分析的辅助方法———分段法和细部特征法，在确定独立周期、特征分割点的基础上，实现了周期性分析和具有现实意义的预测模拟，成果通过了方法（模型）验证，并且经过讨论确认了旱涝周期和特征分割点的属性，完成了近现代气候分类研究。

2、研究方法

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、指标单一以及无法预测转折点的出现等原因，在预测时很难凸显其实用价值[4,5]。然而近年来气候突变的研究取得了进展，恰好可弥补其部分缺陷，再有其他辅助方法配合使用，就能完成水文气象分析。

2.1分段法

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。分段法研究的目的是降低模拟难度、提高预测效率。

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。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[6]。据此笔者萌生了“气候成因不同特征不同”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）[7]、（1950～2014）[8]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。

2.2细部特征法

水文气象年际序列研究中大多仅采用5a或10a滑动来做未来趋势的远景展望[9]。由于存在气候突变等原因，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，则易造成信息丢失，实际效果并不理想[10,11,12]。为此笔者提出了细部特征法[8]。

所谓细部特征法，就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，以寻找潜在的规律。其机理是自然界的万物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。

3、旱涝周期和特征分割点的识别与判定

受影响因素复杂多变和目前科技发展水平的限制，水文气象科学还处于探索、发展的阶段[13]。由于历史文献资料对旱涝变化的记载存在着对年际变化比较敏感、而长时段的变化难以直接获取以及降水的区域差异比较大的特点等原因，利用文献和器测降水量资料建立可靠的旱涝变化序列在过去一直难以突破[14,15]。

3.1研究资料

无锡站位于太湖地区的腹地，是流域内代表性最好的雨量站[7]，多年降水量均值略大于1100mm。该站始建于1922年初，但是1932年和1937年10月至1950年6月停测，此外还有3年（1922、1927、1934年）个别月份有中断现象，已参考历史文献和多年均值插补。本文研究的序列为1920～2017年（见图1，红线标识的不是实测资料，是根据历史文献和无锡站的旱涝趋势特征插补值），其中：出现特大干旱的年景有1934、1978、2011、2013年，降水量最少的是1978年（552.9mm）；出现严重洪涝的年景有1921、1931、1949、1954、1957、1987、1991、1993、1999、2015、2016年，降水量最多的是2016年（2019.2mm）。

图1无锡站年际降水过程线（1920～2017）

3.2细部特征法独立周期的识别

由图1可知，若将上升至下降的一个完整过程看做一个年际旱涝周期性变化的基本单元，那么无锡站年际降水过程线是由2a、3a、4a周期组成的。根据每个单元上升期与下降期历时的不同，又可总结出三种时间趋势特性，即以每个单元的顶点为轴线，将上升期长、下降期短的图形称为具有“顺”的特性，反之则称为具有“逆”的特性，两边等长的则称为具有“正”的特性。时间特性和旱涝周期组合在一起，还可形成6种类型的单元（见表1）。

表1无锡站年际旱涝的独立周期

注：括号标识为根据历史文献和无锡站的旱涝趋势特征插补的非实测资料。

3.3分段法对比分析

完成归类合并后，整个序列可分为四个特征独立的时段，每个分割点前后周期性特征差异明显，各段之间也存在较大差异。由于序列的长度必须在30a左右时，总结的特征规律才具有可靠地代表性，所以重点研究的是二、三段。

3.3.1一段

每个单元上升期的历时都是1a、下降期最多是2a；旱涝周期是由两种类型构成，其中逆3a型都是单独出现的，正2a型则可连续出现（见表2）。

3.3.2二段

每个单元连续升降的历时最多是3a；旱涝周期是由顺4a、逆4a、顺3a、逆3a、正2a型构成；仅有顺3a型连续出现过一次，可组成一个顺6a复合周期，其余各单元都是孤立的，但是可两两组合形成新的复合周期。

在探讨复合周期的时间特性时，需要注意：正周期由于两侧历时等长，所以是中性的，在分析过程中可以隐去；顺与逆周期的特征则是显性的，代表了它们的原始属性。此外，相邻的复合周期还可继续合并，构成11a、10a、12a、11a等四个顺逆抵消的大周期，其时间均值是11a，恰好和太阳黑子的活动周期吻合。

3.3.3三段

每个单元连续升降的历时最多是2a，其中连续下降的仅出现一次；旱涝周期是由正4a、顺3a、正2a型构成的；正4a型仅在气候转折期出现过一次，其实质也是特殊的“升～降”型，分析时可并入后者；顺3a、正2a型从不单独出现，而且不能组成新的周期。

3.3.4四段

目前只有一个单元，其上升期和下降期的历时是3a、1a，旱涝周期是顺4a型。

3.4特征分割点

首先是查阅历史文献，表2中所有特征分割点出现的年景，对应的是长江中下游地区都发生了特大干旱灾害[6]。其次是看旱涝特征变化，每个分割点后出现的第一个单元类型与此前时段完全不同。

需要注意的是：虽然我国发生旱灾的年景很多，但出现特大干旱的相对较少，而且不是每个特大干旱暴发的年景都是特征分割点。例如，2011年春季长江中下游及周边地区也出现了特大干旱，但它不是无锡站年际旱涝周期的节点，更不可能是特征分割点。

因此，当一次夏季特大干旱（将2011年剔除）影响到我国长江中下游地区，并且导致无锡站年际降水序列的旱涝周期性特征发生改变，那么这个出现特大干旱的年景就是特征分割点。

表2无锡站年际旱涝独立周期的组合

注：括号标识为根据历史文献和无锡站的旱涝趋势特征插补的非实测资料。

4、方法（模型）验证

本文围绕无锡站超长缺测中断期（1938～1950）和特征分割点展开分析，以完成方法（模型）验证。

4.1旱涝趋势插补（1948～1950）

4.1.1插补分析

过程：（1）根据无锡1950年1～6月无洪涝记录和无锡站7～12月实测降水量（为420.8mm，约为历史同期均值的78.2%）较少的情况，可以推定无锡站1950年的降水量比1951年（年降水量为1224.1mm，约为多年均值的1.1倍）低得多，所以1950～1953年是逆3a型；（2）根据时段特点，可以确定1950～1955年是逆5a周期，并且推定1950年以前存在一个顺的5a（或6a）周期；（3）顺5a周期只有一种情况（升～升～降+升～降型），顺6a周期则存在两种情况（升～升～升～降+升～降型、升～升～降+升～升～降型）；（4）不管那种情况，1948～1950年都为“升～降”（型）。

4.1.2方法（模型）验证

依据：根据《无锡市水利志》[16]的记载，1949年汛期，长江、太湖同发大水，无锡地区江堤溃决、圩堤破口，低洼地区大面积受灾，造成了重大经济损失；1948、1950年则没有洪涝的记录。分析结果与事实完全吻合。

4.2特征分割点（1934）

4.2.1对比分析

过程：（1）1934年的气候状况与1978年类似，当年长江中下游地区都出现了20世纪少见的特大干旱事件，太湖流域是重灾区；（2）太湖流域在1934～1978年之间，再无其它特别干旱年景出现，那么可以推断两次特大干旱事件是相邻的关系；（3）1934年之前，无锡站的上升期都是1a、下降期最多2a，与其后的特征完全不同；（4）1934～1937年无锡站的旱涝趋势是连续3a上升，与1950～1978年期间的特征有类似的地方；（5）因此可以推定1934与1978年都是无锡站的特征分割点，而且两者之间是量级相当并且相邻的关系。

4.2.2方法（模型）验证

过程：（1）假定1934和1978年是量级相当并且相邻的特征分割点；（2）那么无锡站年际降水序列1934～1978年期间的特征具有一致性；（3）将已知序列中1950～1955年作为检验项，其他作为预测分析项[17];（4）由于1934～1937年是连续3a上升，根据特征分析，1938年的旱涝趋势必然下降，所以1934～1938年是顺4a周期；（5）根据时段特点，顺4a周期只能是顺6a周期的一部分，那么1938～1940年是正2a周期；（6）根据分段特征一致性法则，1940～1955年期间只能容下3个5a周期，而且时间特性是逆、顺、逆，所以1950～1955年是逆5a周期。分析结果与事实完全吻合，假设成立。

5、讨论

5.1旱涝周期的气候属性

人们对旱涝周期的认识也是逐渐提高的。20世纪60年代以前，学术界认为：它们并不是严格意义上的周期，而是指带有某些周期性质的旱涝演化趋势类型，俗称“准周期[18]、假周期[3]、似周期[7]”。由于其每次出现的时长不一定相同，往往只能进行独立周期的识别，不符合物理周期的定义。气象学家杨鉴初先生对历史演变规律做了大量的研究，并且在1951年就预言存在“转折点”[19]。1960s信息技术迅猛发展，计算机模拟成为潮流，美国气象学家EdwardLorenz1963年在《Journaloftheatmosphereicsciences（大气科学）》发表了“决定性的非周期流”一文，指出在气候不能精确重演与长期天气预报无法实现之间存在必然联系，也是非周期性与不可预见性之间的联系，并提出了“混沌理论（Chaostheory）”。1970s人们尝试用混沌理论解释所有无法理解的事物，诞生了混沌学。1980s作为一门新的学科，混沌学得到进一步发展。1990s在与其它学科相互渗透的基础上，混沌学发展到了顶峰，曾经和相对论、量子力学相提并论，被誉为“20世纪物理学的第三次革命”[20]。2000s以来，相关研究成果大幅减少，混沌学出现了滑坡的迹象。因此，在这一段时期内，一般认为这种周期具有随机性和不确定性，属于“概率周期”的范畴[21]。

然而根据无锡站的情况，可以部分实现旱涝周期的精确预测，并不符合“概率周期”的定义[6]。因此，笔者认为这是一种特殊类型，将这种在旱涝年景中成组出现的多年变化现象称之为“非典型周期”[8]。非典型周期的时长和振幅都不是固定的。

5.2特征分割点的气候属性

由图1和表1、表2可知，特征分割点的实质就是气候特征的突变[8]。1970s人们就意识到气候具有突变性，但是至今没有明确的概念[22]。目前能接受的定义：气候突变是指气候由一种稳定状态跳跃至另一种稳定状态的急剧变化[23,24,25]。它是存在于气候系统中的一个重要现象，是气候变化不连续性的表现[26,27]。根据气候突变的定义，两个相邻的突变点之间是一种稳定的状态，那么它的旱涝周期性特征也一定是稳定的，恰好印证了笔者的猜想，与分段特征一致性的结论完全吻合。

干旱是一种影响大、范围广、危害深、持续时间长的自然灾害。特大干旱更是气候领域的重大事件，在全球具有广泛的影响力，而且每个世纪出现的次数不多[6]。因此特大干旱事件发生的年景是理想的年际气候分割点，也是旱涝演变的自然选择。

由于历史上1934、1978、2013年的夏季我国都爆发了世纪特大干旱，并且都对长江中下游地区产生了深远的影响，再根据NCC气候转折（1970s）的对比分析，可以推定：上述年景不仅是无锡站年际旱涝周期性特征的分割点，也是太湖地区年际气候的转折点，而且还是我国气候突变的临界点[7]。

6、结论

（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”。

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