1951年以來ENSO事件對中國西北不同氣候區(qū)的影響

李凌霜 ， 趙景波,2

(1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062； 2.中國科學(xué)院 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710075)

1951年以來ENSO事件對中國西北不同氣候區(qū)的影響

李凌霜1， 趙景波1,2

(1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062； 2.中國科學(xué)院 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710075)

通過對中國西北典型半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)、干旱區(qū)和半荒漠區(qū)4個不同氣候區(qū)1951—2015年降水和氣溫資料的搜集、整理和處理，分析研究區(qū)1951年以來降水和氣溫的變化，并對其進(jìn)行M-K突變檢驗，總結(jié)ENSO事件對氣候與旱澇災(zāi)害的影響。研究結(jié)果表明：① 4個氣候區(qū)降水量逐年變化幅度差異明顯，半干旱區(qū)為變化幅度最小區(qū)域，半濕潤區(qū)和干旱區(qū)變化幅度最大但出現(xiàn)降低的趨勢，而半荒漠區(qū)則是降水量增長最明顯的區(qū)域；降水的集中度由東往西變化逐漸增大，東部比西部滯后5 d左右。② 4個氣候區(qū)氣溫上升幅度存在差異，半濕潤區(qū)氣溫上升幅度最大，干旱區(qū)氣溫上升幅度最小。③ El Nio事件使4個氣候區(qū)發(fā)生不同程度的降水減少、氣溫升高，而La Nia事件則使降水增加、氣溫降低。④ El Nio事件會給4個氣候區(qū)當(dāng)年帶來旱災(zāi)，次年帶來澇災(zāi)；La Nia事件則會給當(dāng)年帶來澇災(zāi)，次年帶來旱災(zāi)。

降水；氣溫；旱澇災(zāi)害；ENSO事件；西北地區(qū)

厄爾尼諾循環(huán)(ENSO)是人類迄今為止所知的氣候和海洋耦合的最強(qiáng)信號之一，對全球氣候變化產(chǎn)生巨大影響，已成為許多國家進(jìn)行氣候預(yù)測的首要考慮因素[1]。ENSO事件對不同區(qū)域產(chǎn)生影響的過程和結(jié)果不盡相同[2]，具有明顯的地域差異性。

ENSO對我國造成的自然災(zāi)害很多。在災(zāi)害嚴(yán)重的夏季低溫年，東北糧食產(chǎn)量平均減產(chǎn)15%左右[3]。ENSO通過對氣候的強(qiáng)烈影響干擾農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使得棉花單產(chǎn)量降低[4]。ENSO事件還能控制臺風(fēng)登陸的次數(shù)，而我國是遭受臺風(fēng)侵襲最頻繁的國家[5]。近海船舶的航行極大程度上受到ENSO事件造成的長江口岸沿海大風(fēng)天氣的影響[6]。因此，ENSO事件的研究對認(rèn)識和預(yù)測氣象災(zāi)害和減輕這些災(zāi)害造成的損失具有重大意義。

雖然前人對ENSO事件進(jìn)行了諸多研究，但對于ENSO事件在西北各氣候區(qū)影響的研究較為薄弱。本研究主要分析1951—2015年間ENSO事件對西北典型半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)、干旱區(qū)和半荒漠區(qū)氣候的影響，為研究區(qū)域短期氣象變化的預(yù)測和減輕氣候變化災(zāi)害的損失提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

西北地區(qū)囊括甘肅、陜西、新疆、青海、寧夏5個省份，包含內(nèi)蒙古中西部，寧夏北部，新疆大部以及陜西、遼寧、河北、山西、吉林等地接壤區(qū)域。西北地區(qū)主要為溫帶大陸性非季風(fēng)氣候，夏季溫度較高，冬季干燥嚴(yán)寒，年降水量200～400 mm，年氣溫-5～40.5 ℃。依據(jù)氣候特征選取4個研究區(qū)，分別為半濕潤區(qū)(A區(qū))、半干旱區(qū)(B區(qū))、干旱區(qū)(C區(qū))和半荒漠區(qū)(D區(qū))，A區(qū)包括西安、寶雞兩個站點，B區(qū)包括榆中、臨夏兩個站點，C區(qū)包括蘭州、靖遠(yuǎn)兩個站點，D區(qū)包括張掖、永昌兩個站點，共8個測站點作為重點研究區(qū)域(圖1)。

圖1 西北地區(qū)8個測站點位置

使用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的降水量、氣溫和ENSO事件資料數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。對4個氣候區(qū)8個氣象臺站1951—2015年的統(tǒng)計氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計，并使用算術(shù)平均法算出各區(qū)降水、氣溫的月、年序列數(shù)據(jù)，運用Excel進(jìn)行制圖，并對研究區(qū)域的降水和氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行M-K突變檢驗。

2 ENSO事件與氣候變化

2.1 ENSO事件發(fā)生頻次與特征

ENSO事件作為獨立的氣候現(xiàn)象，其產(chǎn)生并不一定完全符合自然年的發(fā)生規(guī)律，會有跨年發(fā)生的現(xiàn)象，因此，同時具有連續(xù)性和不連續(xù)性。1951—2015年，El Nio事件持續(xù)達(dá)1 a以上的頻次為5次，發(fā)生概率為0.21；La Nia事件持續(xù)達(dá)1 a以上的頻次為6次，發(fā)生概率為0.30。由此可見，La Nia事件持續(xù)時間比El Nio事件略長。連續(xù)發(fā)生El Nio事件的頻次達(dá)16次，概率為0.67，有14次時間跨度超過2 a，概率為0.70，有2次時間跨度超過3 a，概率為0.08。La Nia事件發(fā)生的頻次為14次，即所統(tǒng)計的年份全部為連續(xù)發(fā)生，有10次時間跨度超過2 a，概率為0.50，有1次時間跨度超過3 a，概率為5.00%，有3次時間跨度超過4 a，概率為0.15。由此表明，雖然La Nia事件比El Nio事件所持續(xù)的時間要長，但二者基本上都是連續(xù)發(fā)生的，且時間跨度都以2 a為主。

2.2 ENSO事件強(qiáng)度

依據(jù)ENSO事件的不同強(qiáng)度等級進(jìn)行其年際滑動趨勢線擬合(圖2)表明，ENSO事件強(qiáng)度逐年呈現(xiàn)出起伏波動的變化特點，1980年后波動更為劇烈，其波動變化基本上可分為兩個階段。1950—1970年為第一階段，La Nia事件頻次高于El Nio事件，但強(qiáng)度低于El Nio事件；1980—2000年為第二階段，El Nio事件的頻次高于La Nia事件，且強(qiáng)度也明顯大于La Nia事件。結(jié)果還表明，近些年有以El Nio事件為主的趨勢。

圖2 1951—2015年ENSO強(qiáng)度趨勢變化

2.3 氣候變化

2.3.1 年際變化。1951—2015年4個氣候區(qū)的降水量呈現(xiàn)出起伏波動的特點(圖3)，B區(qū)的線性傾向線幾乎與均值線重合，說明近幾十年來半干旱區(qū)降水量的年際變化較小，這與我國整個西北地區(qū)溫度增加、降水量卻無明顯變化的特點相一致[7]。降水年際變化的M-K突變檢驗結(jié)果(圖4)顯示，4個氣候區(qū)中除半荒漠區(qū)外其余三區(qū)降水的UF曲線從1951年開始呈現(xiàn)小于0的趨勢，表明其降水量從1951年開始一直下降，半荒漠區(qū)的降水則顯著增長，根據(jù)UF和US曲線交點的位置，確定降水量的增加存在突變，突變時間是1971年前后。

圖3 西北地區(qū)1951—2015年降水年際變化

圖4 西北地區(qū)1951—2015年降水量的Mann-Kendall突變檢驗

1951—2015年氣溫年際變化及趨勢(圖5)表明，4個氣候區(qū)的氣溫呈現(xiàn)逐步波動上升的趨勢，在20世紀(jì)80年代后這一趨勢更為明顯。A,B,C,D 4個氣候區(qū)的多年氣溫遞增率分別為0.10，0.12，0.10，0.19 ℃/10 a，表明半干旱區(qū)和半荒漠區(qū)增溫速率較快，半濕潤區(qū)和干旱區(qū)的增溫速率較慢。全國的平均氣溫自20世紀(jì)60年代以來呈持續(xù)上升的趨勢，并且上升的速率不斷加快，近幾十年來我國的年平均增溫速率可達(dá)0.25 ℃/10 a[8]。由M-K檢驗(圖6)可知，4個氣候區(qū)氣溫的UF曲線從1951年開始一直大于0，表明氣溫在1951年后呈上升的特點，且上升趨勢較為明顯。根據(jù)UF和US曲線交點的位置，確定各區(qū)的增溫存在突變，半濕潤區(qū)從1957年左右開始，半干旱區(qū)從1999年左右開始，干旱區(qū)從1990年左右開始，半荒漠區(qū)從1998年左右開始。雖然增溫率都表現(xiàn)出不斷上升的趨勢，但是4個氣候區(qū)的增長幅度也明顯低于全國的平均水平。

圖5 西北地區(qū)1951—2015年氣溫年際變化及趨勢分布

2.3.2 區(qū)域差異。1951—2015年，A,B,C,D 4個氣候區(qū)多年平均降水量分別為613.64，441.26，262.13，162.04 mm，遵循半濕潤區(qū)—半干旱區(qū)—干旱區(qū)—半荒漠區(qū)降水量遞減的規(guī)律。西北地區(qū)位居內(nèi)陸，以賀蘭山為界，東部主要受東亞季風(fēng)的影響，西部主要受西風(fēng)帶的影響。采用降水量年分配向量法[9]，用集中度和集中期來準(zhǔn)確反映氣候的區(qū)域差異。A,B,C,D區(qū)自東向西集中度分別為0.447 6，0.606 0，0.621 9，0.638 0，中值與平均值也較為接近，基本上呈自東向西集中度增大的趨勢。采用線性傾向率方法對降水進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果顯示，A,B,C,D區(qū)降水集中度減小率分別為0.003/10 a，0.003/10 a，0.001/10 a，-0.002/10 a，集中度由東往西呈增加的特點，表明自東向西降水集中程度增強(qiáng)。A區(qū)的降水量在全年各月份中的分配較為平均，D區(qū)的降水量分配較為集中。A,B,C,D區(qū)自東向西降水集中期分別為190.42°，185.20°，187.71°，186.30°，分別為7月28日、7月22日、7月24日和7月23日，中值與平均值非常相近，降水平均集中期由西向東從7月中下旬過渡到7月下旬，東部比西部滯后5 d左右。由此可見，自東向西受東亞季風(fēng)的影響逐漸減弱，集中降水日期有逐漸提前的趨勢。1951—2015年A,B,C,D區(qū)平均氣溫分別為13.39，6.96，9.35，6.37 ℃，根據(jù)多年氣溫變化率比較各區(qū)的氣溫差異，A,B,C,D區(qū)氣溫變化率分別為14.16%，7.42%，5.05%，9.91%，A區(qū)的氣溫變化率最大，氣溫遞增率最大，C區(qū)的氣溫變化率最小，氣溫遞增率最小，B,D區(qū)也遵循這樣的變化特點。由此可得出，1951—2015年4個氣候區(qū)的氣溫都呈現(xiàn)出增高的趨勢，但增高的程度各有不同，半濕潤區(qū)氣溫的升高幅度最大，且多年氣溫波動更為劇烈，干旱區(qū)氣溫的升高幅度最小，且多年氣溫波動最為平穩(wěn)。

圖6 西北地區(qū)1951—2015年氣溫的Mann-Kendall突變檢驗

3 結(jié)果分析

3.1 降水變化與ENSO事件的關(guān)系

統(tǒng)計4個氣候區(qū)1951—2015年降水距平概率(表1)，分析ENSO事件對地區(qū)降水的影響。從年際變化看，4個氣候區(qū)降水正負(fù)距平發(fā)生概率有高有低，存在一定的差異性。而各區(qū)的對比結(jié)果表明，A，B，C區(qū)降水正負(fù)距平概率差異明顯，而D區(qū)的分布則差異較小。El Nio年B區(qū)(半干旱區(qū))和C區(qū)(干旱區(qū))負(fù)距平概率明顯高于正距平概率，A,D區(qū)正距平概率高于負(fù)距平概率。La Nia年4個氣候區(qū)正距平發(fā)生概率均高于負(fù)距平概率，且A區(qū)(半濕潤區(qū))和B區(qū)(半干旱區(qū))兩者差異較為明顯，而正常年份中，除D區(qū)(半荒漠區(qū))負(fù)距平概率高于正距平概率外，其余三區(qū)正距平概率要高于負(fù)距平發(fā)生概率，且B區(qū)(半干旱區(qū))這兩者的差異性更為明顯。由此得出，El Nio年使得西北4個氣候帶地區(qū)降水減少，而La Nia年使得其降水增多。

表1 1951—2015年西北地區(qū)降水距平概率統(tǒng)計特征

比對4個氣候區(qū)ENSO事件當(dāng)年與次年的降水量(表2)可知，El Nio年當(dāng)年降水量基本上均低于年均降水量，次年降水量高于年均降水量的概率都高于0.50；La Nia年當(dāng)年降水量基本上均高于年均降水量，次年降水量基本上都低于年均降水量。綜上所述，在所統(tǒng)計的ENSO事件與降水量對應(yīng)的數(shù)據(jù)中，El Nio年會使得當(dāng)年降水量偏低，而在El Nio年之后的下一年，降水量會有明顯地增高；La Nia年則會使當(dāng)年的降水量增多，而在下一年明顯地減少。

表2 1951—2015年西北地區(qū)ENSO事件當(dāng)年與次年降水量統(tǒng)計

3.2 氣溫變化與ENSO事件的關(guān)系

4個氣候區(qū)1951—2015年降水距平概率(表3)表明，各區(qū)的正負(fù)距平發(fā)生概率依舊存在一定的差異性。除了El Nio年A區(qū)氣溫負(fù)距平概率高于正距平概率外，其余三區(qū)正距平概率均高于負(fù)距平概率，且B區(qū)和D區(qū)的差異更為明顯；La Nia年各區(qū)則均表現(xiàn)出氣溫負(fù)距平概率大于正距平的概率，且差異都較為明顯；而正常年份除C區(qū)(干旱區(qū))氣溫負(fù)距平概率高于正距平外，其余三區(qū)氣溫正距平概率均大于負(fù)距平。由此得出，El Nio年導(dǎo)致氣溫升高，而La Nia年導(dǎo)致氣溫降低。另外，對各區(qū)的氣溫距平變化進(jìn)一步分析可知，在20世紀(jì)80年代以前氣溫以負(fù)距平為主，之后正距平比重增加，2000年后正距平占據(jù)了絕對的優(yōu)勢。

表3 1951—2015年西北區(qū)氣溫距平概率統(tǒng)計特征

通過比對ENSO事件年氣溫與年均氣溫(表4)可知，El Nio年各區(qū)的年氣溫均比年均氣溫高的概率為0.60左右，而在La Nia年各區(qū)的年氣溫比年均氣溫低的概率至少為0.60。綜上所述，在所統(tǒng)計的ENSO事件與氣溫對應(yīng)的數(shù)據(jù)中，El Nio年會使所在地區(qū)呈現(xiàn)出升溫的趨勢，而La Nia年常會帶來氣溫的降低。

表4 1951—2015年西北地區(qū)ENSO事件年氣溫與年均氣溫統(tǒng)計

3.3 旱澇變化與ENSO事件的關(guān)系

采用Z指數(shù)法反映西北地區(qū)旱澇情況，依據(jù)鮑艷等[10]的方法將4個氣候區(qū)旱澇等級劃分為重澇、大澇、偏澇、正常、偏旱、大旱及重旱。各區(qū)均以重旱澇為主，A區(qū)旱、澇頻次分別為18，28次，其中重旱、重澇頻次分別為14，25次；B區(qū)旱、澇頻次分別為30，22次，其中重旱、重澇頻次分別為24，16次；C區(qū)旱、澇頻次分別為32，19次，其中重旱、重澇頻次分別為24，15次；D區(qū)旱、澇頻次分別為22，23次，其中重旱、重澇頻次都為19次。由此可知，只有A區(qū)以澇年為主，D區(qū)旱澇分布相近，其余兩區(qū)都以旱年為主。

1951—2015年ENSO事件年旱澇頻次統(tǒng)計結(jié)果(表5)表明，El Nio年旱災(zāi)的頻次高于澇災(zāi)的頻次，而在La Nia年澇災(zāi)的頻次高于旱災(zāi)的頻次。由此可以得出，El Nio年會給所在地區(qū)帶來旱災(zāi)，而La Nia年會導(dǎo)致澇災(zāi)。分析各區(qū)旱澇強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，ENSO事件更容易導(dǎo)致強(qiáng)的旱澇災(zāi)，其發(fā)生頻次明顯高于其他等級的旱澇發(fā)生頻次。從ENSO事件的強(qiáng)度來看，強(qiáng)的ENSO事件年不一定會導(dǎo)致強(qiáng)的旱澇災(zāi)發(fā)生，甚至不一定會導(dǎo)致旱澇災(zāi)發(fā)生。進(jìn)一步統(tǒng)計來看，El Nio年A，B，C，D區(qū)強(qiáng)旱災(zāi)發(fā)生概率分別為0.90，0.93，0.86，0.92，La Nia年A，B，C，D區(qū)強(qiáng)澇災(zāi)發(fā)生概率分別為0.91，0.64，0.88，0.67。由此可以看出，ENSO事件對半濕潤區(qū)的旱澇災(zāi)影響較為嚴(yán)重，半干旱區(qū)和半荒漠區(qū)在El Nio年容易發(fā)生旱災(zāi)，干旱區(qū)在La Nia年則容易發(fā)生澇災(zāi)。這與El Nio年降水量常減少、La Nia年降水量常增多一致。

表5 1951—2015年ENSO事件年旱澇頻次統(tǒng)計

說明：“/”左右數(shù)字分別代表旱澇災(zāi)害頻次。

4 結(jié)論

(1)1951—2015年西北地區(qū)氣候的逐年變化差異顯著，半干旱區(qū)降水量年際變化小且變化幅度最小，半濕潤區(qū)和干旱區(qū)降水量年際變化最大并且呈減小的趨勢，而降水量增加幅度最大的是半荒漠區(qū)。4個氣候區(qū)氣溫在20世紀(jì)80年代后都表現(xiàn)出上升趨勢，半濕潤區(qū)和半荒漠區(qū)比半干旱區(qū)和干旱區(qū)增溫快。

(2)1951—2015年西北地區(qū)氣候的區(qū)域差異顯著，降水的集中度則自東向西呈現(xiàn)增大的趨勢，降水集中期自西向東從7月中下旬過渡到7月下旬，東部比西部滯后5 d左右。半濕潤區(qū)氣溫升高幅度最大，干旱區(qū)氣溫升降幅度最小，其余兩區(qū)在二者之間。

[1] 陳弈德，張韌，蔣國榮，等.近年來國內(nèi)ENSO研究概述[J].熱帶氣象學(xué)報,2005,21(6):634-641.

[2] Kiladis G N,Diaz H F.Global Climate Anomalies Associated with Extremes in the Southern Oscillation[J].Climate,1989,2(9):791-802.

[3] 姜乃力.厄爾尼諾/南方濤動(ENSO)對我國氣候的影響[J].沈陽大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版，1999，1(2):115-118.

[4] 張立偉，延軍平，冀彩星，等.ENSO對陜西省棉花主產(chǎn)區(qū)氣候及棉花單產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2011，27(4):413-417.

[5] 許武成，馬勁松，王文.關(guān)于ENSO事件及其對中國氣候影響研究的綜述[J].氣象科學(xué)，2005,25(2):212-220.

[6] 翁國玲.厄爾尼諾/南方濤動(ENSO)與氣象災(zāi)害[J].海峽科學(xué)，2004(10):30-31.

[7] Zhang L，Qian Y.Annual Distribution Features of the Yearly Precipitation in China and Their Interannual Variations[J].Acta Meteorologica Sincia，2003，17(2):146-163.

[8] 張存杰，謝金楠，李棟梁，等.東亞季風(fēng)對西北地區(qū)干旱氣候的影響[J].高原氣象，2002，21(2):194-198.

[9] 楚純潔，趙景波，安春華，等.1957—2011年中國中部不同氣候帶氣候變化及其與ENSO的關(guān)系[J].地域研究與開發(fā)，2015，34(5):121-127.

[10] 鮑艷，胡振琪，柏玉，等.主成分聚類分析在土地利用生態(tài)安全評價中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006,22(8):87-90.

Effects of ENSO Events on Climates of Different Climate Zones in Northwest China since 1951

Li Lingshuang1， Zhao Jingbo1,2

(1.CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an710062,China; 2.StateKeyLaboratoryofLoessandQuaternaryGeology,ChineseAcademyofSciences,Xi’an710075,China)

The variation of air temperature, precipitation and drought and flood which were affected by ENSO events in the 4 regions of northwest China was analyzed based on the data of air temperature and precipitation from 1951 to 2015, and the precipitation and temperature change in the study area were tested by M-K mutation. There existed significant differences of inter-annual variation of climate between the 4 regions in the past years. The inter-annual variation of precipitation was in a small range in the semiarid regions, of which in the sub-humid regions and arid regions was in a wide range and decreasing trend, and the widest range was in the semi-desert regions. The temperatures of the 4 regions turned to increase constantly during 1980s. The rate of warming was fastest in the sub-humid regions and semi-desert regions. The concentration ratio of precipitation of 4 regions showed an increasing trend from east to west. And the concentration ratio of precipitation of east lagged behind 5 days the west. There existed differences of amplitude of variation of climate, the rising amplitude in the sub-humid regions was highest, and the arid regions were smallest. El Nio events contributed precipitation decreasing and temperature rising at different degree. La Nia events, otherwise, had inverse influences. El Nio events caused drought in the 4 regions of Northwest China, and caused flood in the following year, La Nia events was on the contrary.

precipitation; temperature; drought and waterlog; ENSO event; Northwest China

2014-08-13；

2016-06-07

國家自然科學(xué)基金項目(41210002)；中國科學(xué)院黃土與第四紀(jì)國家重點實驗室項目(SKLLQG1428)

李凌霜(1991-)，女，山西運城市人，碩士研究生，主要從事環(huán)境評價與治理研究，(E-mail)connieshuang@163.com。

趙景波(1953-)，男，山東滕州市人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事第四紀(jì)與自然地理研究，(E-mail)zhaojb@snnu.edu.cn。

X831

A

1003-2363(2016)04-0166-06