太陽(yáng)活動(dòng)與ENSO事件對(duì)云南省旱澇災(zāi)害的影響

吳夢(mèng)初，延軍平

旱澇是我國(guó)較為常見(jiàn)的災(zāi)害類(lèi)型，長(zhǎng)期困擾著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［1］。2009年12月至翌年2月，我國(guó)的西南地區(qū)尤其是云南省出現(xiàn)了由于降水異常偏少而造成的嚴(yán)重旱情，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失。有研究表明，太陽(yáng)活動(dòng)、ENSO事件等對(duì)氣候變化及某些自然災(zāi)害有重要影響。宋潔［2］等對(duì)云南省嚴(yán)重干旱原因的分析表明，在ENSO為暖位相的冬季，北大西洋濤動(dòng)與該省降水關(guān)系更為緊密。董安祥［3］等研究陜、甘、寧、青太陽(yáng)黑子發(fā)生規(guī)律及影響發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)黑子低谷年更容易出現(xiàn)旱年，而多雨年在太陽(yáng)黑子的各個(gè)位相均可能出現(xiàn)。趙娟［4］等應(yīng)用小波分析，研究了太陽(yáng)黑子活動(dòng)與北京地區(qū)降水的關(guān)系，認(rèn)為太陽(yáng)黑子活動(dòng)與北京地區(qū)年降水量密切相關(guān)。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)云南省旱澇災(zāi)害的特征進(jìn)行了大量的研究［5－9］，但是對(duì)該地區(qū)旱澇變化與太陽(yáng)黑子及ENSO事件的相關(guān)性研究仍然較少。鑒于此，本研究以云南省為對(duì)象，分析該省氣候變化及旱澇災(zāi)害特征，探索太陽(yáng)活動(dòng)與ENSO事件對(duì)旱澇災(zāi)害的影響，以期為該地區(qū)人民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活，以及為當(dāng)?shù)卣皶r(shí)制定科學(xué)有效的救災(zāi)防災(zāi)措施提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

考慮到氣象資料的完整度和均一性，選取云南省29個(gè)氣象站1958—2011年的逐月降水量，分析太陽(yáng)活動(dòng)與ENSO事件對(duì)研究區(qū)旱澇災(zāi)害的影響。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)；太陽(yáng)黑子數(shù)據(jù)取自網(wǎng)站 http：∥sidc.oma.be／index.php3；ENSO事件的確定與劃分方法為：將海溫距平值高于或低于正常值超過(guò)2個(gè)季度（6個(gè)月以上）的年份劃分為厄爾尼諾（El－Nino）年和拉尼娜（La－Nina）年。同時(shí)根據(jù)海溫距平值的高低將ENSO的冷暖事件按強(qiáng)、中、弱標(biāo)準(zhǔn)分別劃分為不同等級(jí)，暖事件劃分強(qiáng)（3）、中等（2）、弱（1）和正常年（0）為厄爾尼諾年，冷事件劃分強(qiáng)（－3）、中（－2）、弱（－1）和正常年（0）為拉尼娜年［10］。按上述方法確定和劃分1958—2011年的ENSO事件等級(jí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 1958－2011年ENSO事件等級(jí)劃分

1.2 研究區(qū)概況

云南省地處低緯度高原，為高原山區(qū)省份。總面積約3.9×105km2，占全國(guó)面積的4.11%；總?cè)丝?.60×107人，占全國(guó)總?cè)丝诘?.35%。該省地理位置特殊，地形地貌復(fù)雜，主要受孟加拉灣西南季風(fēng)的影響形成高原季風(fēng)氣候。大體上，西北部是高山深谷的橫斷山區(qū)，東部和南部是云貴高原；該省大部分地區(qū)年降水量在1 100mm以上，南部部分地區(qū)可達(dá)1 600mm以上，降水在季節(jié)上和地域上的分配極不均勻。

1.3 研究方法

1.3.1 旱澇指標(biāo)的確定 常用的旱澇指標(biāo)有3種：Z指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）和濕潤(rùn)指數(shù)。根據(jù)段旭［5］等的研究認(rèn)為云南省旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以Z指數(shù)劃分為宜。

Z指數(shù)法是對(duì)某站點(diǎn)某時(shí)間段內(nèi)歷年降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得出旱澇等級(jí)。首先對(duì)降水量進(jìn)行正態(tài)化處理，然后將其概率密度函數(shù)通過(guò)轉(zhuǎn)換得到Z指數(shù)：

式中：Cs——偏態(tài)系數(shù)；φ——標(biāo)準(zhǔn)變量，二者均可由降水資料序列計(jì)算求得，計(jì)算公式分別為：

1.3.2 云南省旱澇頻次分布 根據(jù)Z指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，可以得出云南省旱澇災(zāi)害發(fā)生年份（表2）。由表2可以看出，在1958—2011年的54a中，該地區(qū)共發(fā)生5次特澇，6次特旱，分別占54a中的9.26%和11.11%；偏澇發(fā)生16次，所占比例為29.63%，偏旱發(fā)生13次，所占比例為24.07%。近54a中，云南省平均1.35a左右發(fā)生1次旱澇災(zāi)害，旱澇災(zāi)害的發(fā)生頻率較高［11］。

表2 云南省旱澇等級(jí)及頻次統(tǒng)計(jì)

1.3.3 Morlet小波變換分析 時(shí)間序列的周期演變是自然和社會(huì)中的常見(jiàn)現(xiàn)象，年內(nèi)、年際降雨和溫度的變化都表現(xiàn)出明顯的周期性。小波分析方法可以通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)序列進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，研究不同尺度（周期）隨時(shí)間的演變情況［12］。

Morlet連續(xù)復(fù)小波變換形式為：

式中：φ（x）——基本小波或母小波；x——時(shí)間；w0——常數(shù)。小波系數(shù)實(shí)部反映了給定時(shí)間和尺度下，相對(duì)于其它時(shí)間和尺度信號(hào)的強(qiáng)弱和位相兩方面的信息。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南省降水量變化及旱澇災(zāi)害特點(diǎn)

分析云南省1958—2011年降水量變化特征（圖1）可知，近54a研究區(qū)年平均降水量為1 111.91mm，以4.505mm／10a的速率減少，其中R2＝0.005 7，未通過(guò)α＝0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。20世紀(jì)60—70年代和90年代降水以正距平為主，該時(shí)期研究區(qū)降水相對(duì)豐沛。2001年云南省降水進(jìn)入近54a來(lái)的相對(duì)較少時(shí)期，降水減少速率顯著加快，為19.78mm／a（R2＝0.275 8，通過(guò)了α＝0.05的顯著性水平檢驗(yàn)）。其中，2001年降水量出現(xiàn)極大值，為1 291.02mm，極小值出現(xiàn)在2009年，為908.96mm?？傮w來(lái)看，近54a云南省降水經(jīng)歷了從相對(duì)豐沛向相對(duì)較少轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

圖1 云南省1958－2011年降水變化特征

由云南省近54a來(lái)旱澇發(fā)生年份變化（圖2）可知，近54a來(lái)研究區(qū)旱澇災(zāi)害發(fā)生頻率較高，災(zāi)害發(fā)生年份統(tǒng)計(jì)次數(shù)高達(dá)40次，占研究時(shí)段的74.07%。其中，旱災(zāi)發(fā)生19次，澇災(zāi)發(fā)生21次，兩者發(fā)生次數(shù)基本相等。由旱澇等級(jí)的6階多項(xiàng)式擬合可以看出，20世紀(jì)60年代以澇災(zāi)為主，但在1960和1969年發(fā)生了特大干旱；20世紀(jì)70年代旱災(zāi)明顯多于澇災(zāi)；80年代旱災(zāi)與澇災(zāi)呈交替出現(xiàn)，且旱災(zāi)略多于澇災(zāi)；90年代，除了在1992和1993年發(fā)生旱災(zāi)外，其余6次災(zāi)害全為澇災(zāi)；21世紀(jì)初期以澇災(zāi)為主，2003年后旱災(zāi)顯著增多，且在2003，2009和2010年均發(fā)生了特大干旱災(zāi)害。進(jìn)入21世紀(jì)之后旱災(zāi)發(fā)生頻率明顯高于澇災(zāi)發(fā)生頻率。

2.2 太陽(yáng)黑子活動(dòng)對(duì)云南省旱澇災(zāi)害的影響

太陽(yáng)活動(dòng)是地球的空間環(huán)境擾動(dòng)的源，與其它自然災(zāi)害之間可能存在著種種聯(lián)系，它的活動(dòng)勢(shì)必會(huì)引起地球上氣候的變化［13］。太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期一般為11a。太陽(yáng)黑子的谷值年和峰值年，也是太陽(yáng)輻射的一種異常變化［14］。黑子數(shù)量越少，太陽(yáng)輻射量越多，傳遞到地球表面的熱量也就越多，這樣勢(shì)必會(huì)影響到氣溫和降水這兩個(gè)關(guān)鍵氣候因子不同程度的變化。

圖2 云南省1958－2011年旱澇指數(shù)等級(jí)變化

從云南省旱澇災(zāi)害與太陽(yáng)黑子關(guān)系（圖3—4）分析可知：（1）除了1967—1972年以外，20世紀(jì)60—90年代云南省的旱澇指數(shù)與太陽(yáng)黑子數(shù)呈負(fù)相關(guān)，即黑子谷年前后易出現(xiàn)澇災(zāi)，峰年前后易出現(xiàn)旱災(zāi)；90年代后二者呈正相關(guān)，即太陽(yáng)黑子峰年前后易出現(xiàn)澇災(zāi)。旱澇指數(shù)與太陽(yáng)黑子數(shù)呈負(fù)相關(guān)時(shí)，太陽(yáng)活動(dòng)的第20周期峰年1970年和其后一年1971年，研究區(qū)發(fā)生了澇災(zāi)，1976年太陽(yáng)黑子數(shù)達(dá)到谷值，研究區(qū)在其前一年1975年發(fā)生了旱災(zāi)，同樣在太陽(yáng)黑子活動(dòng)第22周期的谷值1986年，其后一年1987年研究區(qū)也發(fā)生了旱災(zāi)。當(dāng)旱澇指數(shù)與太陽(yáng)黑子數(shù)呈正相關(guān)時(shí)，1996年太陽(yáng)黑子數(shù)達(dá)到谷值時(shí)，云南省在其前后一年均發(fā)生了澇災(zāi)。（2）近54a云南省在太陽(yáng)黑子極大值M年附近發(fā)生旱澇災(zāi)害的概率明顯高于極小值m年。具體表現(xiàn)為：在5次m年及其前后1a內(nèi)共發(fā)生了旱澇災(zāi)害10次，其中，干旱、洪澇災(zāi)害發(fā)生次數(shù)各占40%和60%；在4次M年及其前后1a中，旱澇災(zāi)害發(fā)生次數(shù)為12次，其中干旱和洪澇分別占50%。

圖3 云南省旱澇指數(shù)與太陽(yáng)黑子的關(guān)系

總體來(lái)說(shuō)，在太陽(yáng)黑子活動(dòng)峰年和谷年的當(dāng)年或次年研究區(qū)發(fā)生旱澇災(zāi)害的概率為52.5%，超過(guò)了研究區(qū)旱澇災(zāi)害發(fā)生總次數(shù)的1／2。分析云南省旱澇災(zāi)害與太陽(yáng)黑子數(shù)的線性關(guān)系發(fā)現(xiàn)，其線性擬合均呈減小趨勢(shì)，即太陽(yáng)黑子數(shù)的減少趨勢(shì)與云南省干旱化趨勢(shì)呈正相關(guān)關(guān)系。

圖4 太陽(yáng)黑子極值年與云南省旱澇年份的關(guān)系

2.3 ENSO事件對(duì)云南省旱澇災(zāi)害的影響

黃榮輝［15］研究指出華南地區(qū)的降水異常是由副熱帶高壓位置南北變動(dòng)所導(dǎo)致，而誘發(fā)副熱帶高壓變化的是ENSO事件背景下西太平洋的海溫異常。Klein等［16］也曾指出，通過(guò)遙相關(guān)機(jī)制，ENSO事件會(huì)造成在太平洋、印度洋和大西洋上經(jīng)向Hadley環(huán)流出現(xiàn)異常。El－Nino年呈現(xiàn)出的環(huán)流和輻散／輻合異常不利于降水，而La－Nina年的異常則促進(jìn)了降水［17］。

2.3.1 ENSO事件強(qiáng)度和云南省旱澇指數(shù)的相關(guān)性分析 近54a云南省旱澇指數(shù)與ENSO事件的相關(guān)性分析結(jié)果（圖5）表明：（1）在ENSO事件相對(duì)強(qiáng)度較強(qiáng)或較弱的年份前后，云南省發(fā)生旱澇災(zāi)害的概率增加，其中1972，1982，1987和2009年發(fā)生厄爾尼諾年，研究區(qū)在這些年份發(fā)生了旱災(zāi)；1968，1970，1973，1999和2000年發(fā)生拉尼娜年，研究區(qū)在這些年份發(fā)生了澇災(zāi)。（2）由旱澇指數(shù)和ENSO強(qiáng)度的多項(xiàng)式擬合可以看出，整體上旱澇指數(shù)和ENSO強(qiáng)度呈反相關(guān)關(guān)系，也就是厄爾尼諾年發(fā)生強(qiáng)度增大時(shí)對(duì)應(yīng)云南省的旱災(zāi)頻率上升，拉尼娜發(fā)生強(qiáng)度增大時(shí)澇災(zāi)頻率上升。這是因?yàn)镋l－Nino年，Walker環(huán)流受赤道太平洋東部異常暖海水的影響而減弱，抑制孟加拉灣低壓和南海低值擾動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，不利于西南暖濕氣流對(duì)云南的影響；La－Nina年情況與之相反［18－19］。這與段長(zhǎng)春［7］等對(duì)云南省汛期旱澇特征及成因的分析結(jié)果一致。（3）ENSO事件發(fā)生等級(jí)在3和－3事件的當(dāng)年或次年，云南省發(fā)生旱澇災(zāi)害的概率為80.95%。因此在ENSO事件年及其附近一定要注意加強(qiáng)該區(qū)氣象監(jiān)測(cè)。

2.3.2 ENSO事件與云南省旱澇指數(shù)的小波分析通過(guò)對(duì)1958—2011年ENSO事件與云南省旱澇指數(shù)的小波分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的旱澇災(zāi)害與ENSO事件有一定的關(guān)系。

云南省旱澇指數(shù)（圖6）存在3～4a，7a和14～15a左右的準(zhǔn)周期變化。其中在對(duì)應(yīng)于14～15a左右的Z指數(shù)演變，主要存在7個(gè)較大時(shí)間尺度的交替，分別為1965年之前，1972—1980年，1987—1995年，2004年至今的降雨偏少期；1965—1972年，1980—1987年，1995—2004年的降水充沛期。對(duì)應(yīng)于這種較大時(shí)間尺度的Z指數(shù)多少交替，云南省年降雨量存在明顯的突變特征，突變點(diǎn)分別發(fā)生在1965，1972，1980年，1987，1995和2004年。目前，云南省正處于降水偏少期。無(wú)論從14～15a左右的大尺度或是3a左右的小尺度代際來(lái)看，研究區(qū)在近年降水將比較匱乏。

圖5 云南省1958－2011年旱澇指數(shù)與ENSO事件相關(guān)分析

ENSO事件（圖7）存在4～6a和13～14a左右的準(zhǔn)周期變化。其中在對(duì)應(yīng)于13～14a左右的ENSO事件周期演變中，主要分為兩個(gè)時(shí)期，較暖年厄爾尼諾年：1964年之前，1972—1978年，1986—1992年，1998—2004年；較冷年拉尼娜年：1964—1972年，1978—1986年，1992—1998年，2004年至今。

圖6 云南省旱澇指數(shù)與旱澇災(zāi)害小波分析

圖7 ENSO事件與云南省旱澇災(zāi)害小波分析

綜合分析可知，ENSO事件與云南省旱澇災(zāi)害在14a左右存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明ENSO事件強(qiáng)度的變化對(duì)研究區(qū)的旱澇災(zāi)害有一定影響。

3 結(jié)論

（1）近54a云南省降水量整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，減小速率為4.505mm／10a；旱澇災(zāi)害的發(fā)生則呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)之后，旱災(zāi)的發(fā)生頻率要明顯高于澇災(zāi)的發(fā)生頻率。

（2）除了1967—1972年，太陽(yáng)黑子數(shù)與近54a云南省旱澇指數(shù)在20世紀(jì)60—90年代呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即黑子谷年前后易出現(xiàn)澇災(zāi)，峰年前后易出現(xiàn)旱災(zāi)；90年代后二者呈正相關(guān)，即太陽(yáng)黑子峰年前后易出現(xiàn)澇災(zāi)。太陽(yáng)黑子數(shù)與近54a云南省旱澇指數(shù)的線性擬合均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，即太陽(yáng)黑子數(shù)的減少趨勢(shì)與研究區(qū)干旱化趨勢(shì)相同。

（3）在太陽(yáng)黑子活動(dòng)峰年（M）和谷年（m）的當(dāng)年或次年云南省發(fā)生旱澇災(zāi)害的概率為52.5%，且在太陽(yáng)黑子極大值M年附近出現(xiàn)旱澇災(zāi)害的概率明顯高于極小值m年。因此，在太陽(yáng)黑子極大值M年及其附近更應(yīng)該注意防災(zāi)減災(zāi)工作。

（4）ENSO事件與云南省旱澇災(zāi)害在14a左右存在較好的周期對(duì)應(yīng)關(guān)系，且在3和－3等級(jí)范圍內(nèi)的ENSO事件當(dāng)年或次年，研究區(qū)更易發(fā)生旱澇災(zāi)害，其概率高達(dá)80.95%。旱澇指數(shù)和ENSO強(qiáng)度的多項(xiàng)式擬合整體上呈反相關(guān)關(guān)系，這表明厄爾尼諾強(qiáng)度增大時(shí)研究區(qū)的旱災(zāi)增多，拉尼娜發(fā)生強(qiáng)度增大時(shí)澇災(zāi)增多。

（5）云南省地理位置特殊，地形地貌復(fù)雜，旱澇災(zāi)害的誘發(fā)因素眾多。本研究參照已有研究中Z指數(shù)的方法對(duì)該區(qū)進(jìn)行旱澇等級(jí)界定和年份確定，有一定合理性。然而，即使是針對(duì)同一區(qū)域，也存在采用不同方法確定旱澇指數(shù)的爭(zhēng)議。因此，本研究確定旱澇等級(jí)的方法仍略顯單一，并不能完全表示某時(shí)間點(diǎn)的旱澇情況。除此之外，本研究分析太陽(yáng)活動(dòng)與ENSO事件對(duì)云南省旱澇災(zāi)害發(fā)生的影響，均只是相關(guān)性分析，不足以闡述其影響機(jī)制。氣候異常還受到多種局地因素和人類(lèi)活動(dòng)的影響，因此對(duì)云南省旱澇災(zāi)害的影響因素還有待于進(jìn)一步深入研究。

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