基于小波变换的郑州降雨量与太阳黑子活动关系分析

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.080

现代地质 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (01): 184-196.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.080

基于小波变换的郑州降雨量与太阳黑子活动关系分析

祁诗阳¹(), 沈宸¹, 刘小标¹, 张梦娇¹, 马新明²^,³

1.河南农业大学理学院,河南郑州 450002
2.河南农业大学信息与管理科学学院,河南郑州 450046
3.河南农业大学农学院,河南郑州 450046

收稿日期:2022-03-03 修回日期:2022-10-30 出版日期:2023-02-10 发布日期:2023-03-20
作者简介:祁诗阳,女,讲师,1990年出生,空间物理学专业,主要从事空间天气学数值模拟研究。Email: qsyxiaoyi@163.com。
基金资助:
河南省高等学校重点科研项目计划“数值模拟研究太阳活动与河南省农作物生长的关系”(20B170004);河南省自然科学基金青年科学基金项目“基于三维聚焦传输模型的太阳高能粒子释放时序问题的数值模拟研究”(222300420190)

Relationship Between Rainfall and Sunspot Activity Cycle in Zhengzhou Based on Wavelet Analysis

QI Shiyang¹(), SHEN Chen¹, LIU Xiaobiao¹, ZHANG Mengjiao¹, MA Xinming²^,³

1. College of Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002, China
2. College of Information and Management Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450046, China
3. Agricultural College of Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450046, China

Received:2022-03-03 Revised:2022-10-30 Online:2023-02-10 Published:2023-03-20

摘要/Abstract

摘要：

为探究太阳黑子活动与地区降雨量的关联性,采用连续小波变换方法,分析了1980年以来郑州地区(新郑站点)降雨量和太阳黑子数的数据变化,并对不同时段两者的相关性进行研究;进一步对两者进行交叉小波变换和小波相干谱分析,并根据两者关系通过太阳黑子数观测值对降雨量进行预测。结果表明:(1)不同时段降雨量和太阳黑子数的相关性存在正负差异的现象。降雨量的第一主周期尺度是21 a,在此主周期尺度下得到14 a主周期;太阳黑子数的第一主周期尺度是16 a,在此主周期尺度下得到11 a主周期(与经验值相符)。降雨量与太阳黑子数的主周期相差了3 a,因此导致两者的相关性在不同时段存在正负差异。(2)降雨量与太阳黑子数在1992—2008年的8~12 a时间尺度上关联性显著,且降雨量比太阳黑子数存在规律性的时间滞后,两者在2~4 a和7~10 a的时间尺度上关联性较好;降雨量比太阳黑子数分别在1991—2004年和2006—2013年这两个时间段上呈现规律性的滞后,两者在其他时间段的各时间尺度上关联性不明显。(3)根据延迟年数经验公式,由太阳黑子数观测值对降雨量进行预测,最近的降雨量峰年在2022年附近,与2021年郑州“7·20”特大暴雨的发生时间相近,而下一个降雨量极小年在2028年前后,且随着时间的推移极端旱涝情况可能会愈加严重。

关键词: 小波变换, 降雨量, 太阳黑子, 太阳活动周期

Abstract:

In order to study the correlation-ship of sunspot activity and regional rainfall, we used the continuous wavelet transform method to study the precipitation data of Zhengzhou city (Xinzheng station) since 1980 and the variation of the number of sunspots, and studied the correlation between the two in different periods. Further, rainfall and sunspots were proceed by cross wavelet transform and wavelet coherence spectrum analysis. The rainfall was predicted by sunspots observation number according to the relationship between the two. The results show that there are positive and negative differences in the correlation between the two in different periods. The first main rainfall period scale is a 21-year one, with a 14-year period obtained under this main period scale. Similarly, the first main sunspot period scale is a 16-year one, with a 11-year period obtained under this main period scale, consistent with experience value. The three extra year of rainfall (than sunspots) can explain the positive and negative differences in the curve correlation at different periods. The correlation between rainfall and sunspots is significant on an 8 to 12 year timescale (1992 to 2008) with regular time lag. The rainfall vs. sunspot activity correlation is important on the timescale of 2-4 a and 7-10 a, with regular lag during 1991-2004 and 2006-2013, respectively. There is no obvious correlation between the two in other time scales. Correlation analysis showed that according to the empirical formula for the time delay, rainfall can be predicted from sunspot observations. The results show that the latest peak rainfall is near 2022, close to the 2021 “7·20 heavy rain” in Zhengzhou. The next rainfall valley year is likely around 2028, and the precipita-tion fluctuation or decrease may be greater than before.

Key words: wavelet transform, precipitation, sunspot, solar activity cycle

中图分类号:

P631

祁诗阳, 沈宸, 刘小标, 张梦娇, 马新明. 基于小波变换的郑州降雨量与太阳黑子活动关系分析[J]. 现代地质, 2023, 37(01): 184-196.

QI Shiyang, SHEN Chen, LIU Xiaobiao, ZHANG Mengjiao, MA Xinming. Relationship Between Rainfall and Sunspot Activity Cycle in Zhengzhou Based on Wavelet Analysis[J]. Geoscience, 2023, 37(01): 184-196.

图/表 12

图1 太阳黑子数与郑州降雨量对比

Fig.1 Comparison chart for the sunspot number and precipitation in Zhengzhou

图2 郑州降雨量变化的小波系数实部等值线

Fig.2 Contour map for the real-part of wavelet coefficient of the precipitation in Zhengzhou

图3 郑州降雨量变化的小波系数模等值线

Fig.3 Contour map for modular of wavelet coefficient of the precipitation in Zhengzhou

图4 郑州降雨量变化的小波方差

Fig.4 Wavelet variance of the precipitation in Zhengzhou

图5 21 a时间尺度下郑州降雨量主周期趋势

Fig.5 Main period trend chart of the precipitation in Zhengzhou in a 21-year timescale

图6 太阳黑子数的小波实部等值线

Fig.6 Contour map for the real-part of wavelet coefficient of the sunspot number

图7 太阳黑子数的小波系数模等值线

Fig.7 Contour map for the modular of wavelet coefficient of sunspot number

图8 太阳黑子数的小波方差

Fig.8 Wavelet variance of the number of sunspots

图9 16 a时间尺度下太阳黑子数主周期趋势

Fig.9 Main period trend chart of the annual average sunspot number in 16-year timescale

图10 太阳黑子数和郑州降雨量的小波系数实部对比

Fig.10 Comparison for the real-part of wavelet coefficient of the number of sunspots and precipitation in Zhengzhou

图11 太阳黑子数和郑州降雨量变化的交叉小波

Fig.11 Cross-sectional wavelet profile of the number of sunspots and precipitation in Zhengzhou

图12 太阳黑子数和郑州降雨量变化的小波相干谱

Fig.12 Wavelet coherence map of the number of sunspots and precipitation in Zhengzhou

参考文献 23

[1]	王振亚, 姚成, 董俊玲, 等. 郑州“7·20”特大暴雨降水特征及其内涝影响[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2022, 50(3):17-22.
[2]	任宏昌, 张恒德. 郑州720特大致洪暴雨的精细化特征及主要成因分析[J/OL]. 河海大学学报(自然科学版), 2022[2022-03-18]. .
[3]	张入财, 田金华, 陈超辉, 等. 郑州“7·20”特大暴雨极端性成因分析[J]. 气象与环境科学, 2022, 45(2):52-64.
[4]	孙跃, 肖辉, 杨慧玲, 等. 基于遥感数据光流场的2021年郑州“7·20”特大暴雨动力条件和水凝物输送特征分析[J]. 大气科学, 2021, 45(6):1384-1399.
[5]	王红瑞, 叶乐天, 刘昌明, 等. 水文序列小波周期分析中存在的问题及改进方式[J]. 自然科学进展, 2006, 16(8):1002-1008.
[6]	窦睿音, 延军平. 关中平原太阳黑子活动周期与旱涝灾害的相关性分析[J]. 干旱区资源与环境, 2013, 27(8): 76-82.
[7]	周长志, 张珂, 张海平, 等. 基于小波分析的太阳活动周期性研究[J]. 现代测绘, 2017, 40(1):32-35.
[8]	赵新华, 冯学尚. 太阳活动与地球表面温度变化的周期性和相关性[J]. 科学通报, 2014, 59(14):1284-1292.
[9]	龚兰兰, 王长燕, 郁耀闯, 等. 1960-2018年安康市气温变化与太阳黑子活动的相关性[J]. 宝鸡文理学院学报(自然科学版), 2020, 40(4): 61-66.
[10]	郭天驰, 李雅梅, 黄艺谋. 基于小波分析的降雨量与太阳黑子活动规律关系的研究[EB/OL]. 中国科技论文在线, [2014-12-02].
[11]	王涛, 霍彦峰, 罗艳. 近300a来天山中西部降水与太阳活动的小波分析[J]. 干旱区研究, 2016, 33(4):708-717.
[12]	TORRENCE C, WEBSTER J. Interdecadal changes in the ENSO-Monsoon system[J]. Journal of Climate, 1999, 12:2679-2690. DOI URL
[13]	GRINSTED A, MOORE C, JEVREJEVA S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series[J]. Nonlinear Processes in Geophysics, 2004, 11(5/6):561-566. DOI URL
[14]	ADAMOWSKI F. Development of a short-term river flood forecasting method for snowmelt driven floods based on wavelet and cross-wavelet analysis[J]. Journal of Hydrology, 2008, 353(3):247-266. DOI URL
[15]	郑昊昌. 黄河中上游流域气候变化特征分析及对径流的影响研究[D]. 西安: 长安大学, 2021.
[16]	程芳芳, 查菲娜, 李红卫, 等. 郑州气候变化特征及对农业生产的影响分析[J]. 安徽农学通报(上半月刊), 2011, 17(19): 153-154.
[17]	王萍, 郑悦华. 城市化进程对中国大城市降雨特征影响研究[J]. 中国人口·资源与环境, 2000(增):37-39.
[18]	李可军, 冯雯, 梁红飞. 异常的第24太阳活动周——新千年的第一个完整的太阳活动周[J]. 中国科学(物理学力学天文学), 2010, 40(10):1293-1301.
[19]	杨福生. 小波变换的工程分析与应用[M]. 北京: 科学出版社, 1999.
[20]	TORRENCE C, COMPO P. A practical guide to wavelet analysis[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1998, 79(1): 61-78. DOI URL
[21]	张兵, 王中良. 天津地区降水和气温的变化趋势及多尺度交叉小波分析[J]. 天津师范大学学报(自然科学版), 2016, 36(1):32-39.
[22]	FIROUZI S, WANG X. A comparative study of exchange rates and order flow based on wavelet transform coherence and cross wavelet transform[J]. Economic Modelling, 2019, 82:42-56. DOI URL
[23]	THOMPSON J, WALLACE M. The Arctic Oscillation signature in the winter geopotential height and temperature fields[J]. Geophysical Research Letters, 1944, 25(9):1297-1300. DOI URL

基于小波变换的郑州降雨量与太阳黑子活动关系分析

Relationship Between Rainfall and Sunspot Activity Cycle in Zhengzhou Based on Wavelet Analysis

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 12

参考文献 23

相关文章 6

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	常鸣, 窦向阳, 范宣梅, 姚成. 汶川震区暴雨泥石流激发雨型特征[J]. 现代地质, 2018, 32(03): 623-630.
[2]	武粤, 孟小红, 刘国峰. 南海北部缘重力异常的多尺度分析及其构造讨论[J]. 现代地质, 2012, 26(6): 1162-1167.
[3]	杨宁, 王贵文, 赖锦, 李鉴伦, 苍丹, 蒋其君. 应用伽马测井曲线小波变换计算粒度参数[J]. 现代地质, 2012, 26(4): 778-783.
[4]	李灿苹, 刘学伟, 赵桂艳. 利用小波变换分析随机-均匀介质尺度特征[J]. 现代地质, 2010, 24(2): 392-396.
[5]	曹殿华王安建王高尚李瑞萍李以科. 勘查地球化学异常多尺度分析方法——以赣东北德兴矿集区为例[J]. 现代地质, 2008, 22(6): 1028-1033.
[6]	李敏锋，李灿苹，刘学伟，杨丽. 基于连续小波变换的天然气水合物层地震数据多尺度分析——布莱克海台USGS95-1测线应用实例[J]. 现代地质, 2006, 20(1): 109-114.