1、第 37 卷第 1 期2023 年 2 月现代地质GEOSCIENCEVol.37No.1Feb.，2023DOI: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;改回日期:2022-10-30。基金项目: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
2、”(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)。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:。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
3、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 19922008 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 19912004 年和 20062013 年这两个时间
4、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“720”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;太阳活动周期中图分类号:P631文献标志码:A文章编号:1000 8527(2023)01 0184 13elationship Between ainfall and Sunspot Activity Cycle inZhengzhou Based on
5、 Wavelet AnalysisQI Shiyang1，SHEN Chen1，LIU Xiaobiao1，ZHANG Mengjiao1，MA Xinming2，3(1.College of Science，Henan Agricultural University，Zhengzhou，Henan450002，China;2.College of Information and Management Sciences，Henan Agricultural University，Zhengzhou，Henan450046，China;3.Agricultural College of Hena
6、n Agricultural University，Zhengzhou，Henan450046，China)Abstract:In order to study the correlation-ship of sunspot activity and regional rainfall，we used the continuouswavelet transform method to study the precipitation data of Zhengzhou city(Xinzheng station)since 1980 andthe variation of the number
7、of sunspots，and studied the correlation between the two in different periods Fur-ther，rainfall and sunspots were proceed by cross wavelet transform and wavelet coherence spectrum analysisThe rainfall was predicted by sunspots observation number according to the relationship between the two Theresult
8、s show that there are positive and negative differences in the correlation between the two in different peri-ods The first main rainfall period scale is a 21-year one，with a 14-year period obtained under this main periodscale Similarly，the first main sunspot period scale is a 16-year one，with a 11-y
9、ear period obtained under thismain period scale，consistent with experience value The three extra year of rainfall(than sunspots)canexplain the positive and negative differences in the curve correlation at different periods The correlation be-tween rainfall and sunspots is significant on an 8 to 12 y
10、ear timescale(1992 to 2008)with regular time lag Therainfall vs sunspot activity correlation is important on the timescale of 2 4 a and 7 10 a，with regular lagduring 1991 2004 and 2006 2013，respectively There is no obvious correlation between the two in othertime scales Correlation analysis showed t
11、hat according to the empirical formula for the time delay，rainfall canbe predicted from sunspot observations The results show that the latest peak rainfall is near 2022，close to the2021“720 heavy rain”in Zhengzhou The next rainfall valley year is likely around 2028，and the precipita-tion fluctuation
12、 or decrease may be greater than beforeKey words:wavelet transform;precipitation;sunspot;solar activity cycle0引言河南省郑州市地处平原，农业作为其经济支柱，对降雨量的敏感度较高。2021 年 7 月，河南省遭遇极端强降雨天气，称为“720”特大暴雨1;7 月 17 日 8 时至 23 日 8 时，郑州市累计降雨量 400 mm 以上面积达到 5590 km2，600 mm 以上面积达到 2068 km2，降雨过程在郑州市气象观测记录历史上属于强度最强2;7 月 20 日郑州国家气象站出
13、现 624.1 mm 最大日降雨量，与郑州平均年降雨量(640.8 mm)接近，是建站以来最大值(189.4 mm，1978 年 7 月 2 日)的 3.4 倍，特别是7 月20 日16 时至17 时，郑州小时雨强达到 201.9mm，突破我国大陆气象观测记录历史极值(198.5mm，1975 年 8 月 5 日河南林庄)3。在地球视角下这次强降雨的成因，是在西太平洋副热带高压异常偏北、夏季风偏强等气候背景下，同期形成的 2 个台风汇聚输送的海上水汽与河南上空对流系 统 叠 加，遇 伏 牛 山、太 行 山 地 形 抬 升 而 形成的4。然而，探究此事件是偶发性事件还是趋势性事件，并以此预测未来
14、的极端强降雨情况，需要对降雨量进行时间序列分析5。从长期趋势探究降雨量的影响因素，太阳的影响作用不可忽略，太阳作为地球重要的能量来源，对大气温度、河流的径流量、地区的平均降雨量等都有影响6。太阳黑子数是反映太阳活动的重要数据指标，常作为评估太阳活动的代表被人们研究7。在太阳黑子活动周期与地球自然条件(气温、降雨量等)变化周期的相关性研究方面，赵新华等基于太阳黑子等数据运用小波变换和交叉相关分析等方法对太阳活动与地表温度的关系进行研究，发现太阳活动在百年的时间尺度上对地表温度的变化具有不可忽略的影响8。龚兰兰等运用一元线性回归分析、Mann-kendall 非参数检验法以及 Morlet 小波变
15、换及交叉小波变换等方法分析太阳黑子活动与安康市气温变化的关系，认为安康市近 60 年来平均气温变化周期与太阳活动相关9。在降雨量方面，郭天驰等运用互相关谱分析与小波变换法研究沈阳地区降雨量与太阳黑子活动，得出 4 个降水周期近似等于 1 个太阳黑子活动周期的认识10。王涛等基于小波变换方法分析了天山中西部降水与太阳黑子相对数变化序列，发现两者在准 10 a 尺度上关联性显著11。在数据处理方法上，采用连续小波变换(continuous wavelet trans-form，CWT)12 与交叉小波变换(cross wavelet trans-form，XWT)13 方法对数据进行处理，可以形成
16、CWT 谱与 XWT 谱，用于判断相应物理量扰动的高低能量区域的分布，虽然不能精确地分析到具体时间，但是该图谱可以图像化展示数据的规律性分布14。本文在连续小波变换的基础上运用交叉小波变换和小波相干性来综合分析 1980 年以来郑州地区降雨量与太阳黑子数之间的关系，以期获得更加可靠的周期性规律与周期对应的时间分布情况。本文关于太阳黑子活动与郑州地区降雨量对应关系的研究有望对于预防和降低郑州地区因旱涝灾害所形成的巨大农业生产损失起到指导和帮助作用。1研究区概况和数据来源1.1研究区概况和降雨数据来源河南郑州地处华中地区，位于黄河下游，是581第 1 期祁诗阳等:基于小波变换的郑州降雨量与太阳黑子活动关系分析中原核心地带，属于典型的北温带大陆性季风气候。郑州市全年平均气温 15.6，8 月份最热，月平均气温 25.9，1 月份最冷，月平均气温2.15。全年平均降雨量 542.15 mm，夏天的降雨量约占全年的 55%15。郑州市春季较短、沙尘较大且比较干燥，夏季降雨充沛，秋季日照时间较长，冬长寒冷少雨雪16。因为华中地区的年降雨量主要集中在每年的 6 至 8 月份17，所以本文基于河南省郑
