流域降水與大尺度氣候因子關(guān)系識別

羅亞松，黃凱，于翚

（1.貴州省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽550001；2.水利部海河水利委員會(huì)，天津300170）

流域降水與大尺度氣候因子關(guān)系識別

羅亞松1，黃凱1，于翚2

（1.貴州省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽550001；2.水利部海河水利委員會(huì)，天津300170）

根據(jù)灤河流域21個(gè)雨量站的月平均降水資料，采用偏相關(guān)分析法分析了北極濤動(dòng)指數(shù)、東/北太平洋指數(shù)（EP-NP）、北大西洋濤動(dòng)指數(shù)（NAO）、尼諾3.4指數(shù)（NINO 3.4）、太平洋/北美指數(shù)（PNA）和西太平洋指數(shù)（WP）6個(gè)大尺度氣候因子對灤河流域降水的影響。結(jié)果表明，AO是影響灤河潘家口水庫控制流域降水的主要因素之一。另外，NINO 3.4指數(shù)與EP-NP指數(shù)對流域降水的作用相互影響也較顯著。

灤河流域；氣候；降水；偏相關(guān)分析法；氣候因子

灤河流域地處多個(gè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對水資源的需求量不斷增大。但是由于全球氣候發(fā)生變化，流域干旱問題日益突出[1]。流域干旱主要發(fā)生在1961、1963、1972、1980—1984、2002、2007和2009年。嚴(yán)中偉等[2]研究表明，灤河流域降水在1965年發(fā)生了一次氣候變化，1965年以后流域降水尤其是夏季降水明顯減少，總體降水量呈逐漸減少的趨勢。黃剛等[3]對這種趨勢作了進(jìn)一步的分析指出，灤河流域在1965年發(fā)生氣候躍變后干旱趨勢逐漸加劇，一直持續(xù)到20世紀(jì)90年代。其中，1972年干旱作為躍變后的第一次嚴(yán)重干旱，是流域歷史上罕見的春夏兩季連續(xù)干旱。流域降水作為干旱發(fā)生的主要原因，探討對降水有影響的大尺度氣候因子識別是十分必要的。

1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要為1965—2012年灤河潘家口水庫控制流域21個(gè)雨量站的月平均降水資料。大尺度氣候因子指數(shù)有北極濤動(dòng)指數(shù)（AO）、東/北太平洋指數(shù)（EP-NP）、北大西洋濤動(dòng)指數(shù)（NAO）、尼諾3.4指數(shù)（NINO 3.4）、太平洋/北美指數(shù)（PNA）和西太平洋指數(shù)（WP），這6個(gè)指數(shù)均來源于美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的http：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices。

2 偏相關(guān)分析法

大尺度氣候因子變化對流域降水的影響是復(fù)雜且相互影響的過程，為了排除氣候因子間的相互影響，首先用傳統(tǒng)的相關(guān)分析法對流域降水距平百分率Pa和氣候因子x1間的相關(guān)性進(jìn)行分析，然后用偏相關(guān)分析法來排除控制因子x2對相關(guān)性的影響，具體定義為：

式中：r12，3表示變量Pa與因子x1排除因子x2影響的偏相關(guān)系數(shù)；r12為Pa與x1的線性相關(guān)系數(shù)；r13為Pa與x2的線性相關(guān)系數(shù)；r23為x1和x2的線性相關(guān)系數(shù)。最后用T檢驗(yàn)來驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)的置信水平。由于大尺度氣候因子與流域降水存在的是遙相關(guān)關(guān)系，因此當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于0.4時(shí)即認(rèn)為相關(guān)性明顯，當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于0.3時(shí)即認(rèn)為存在一定的相關(guān)性。

3 大尺度氣候因子識別

3.1 北極濤動(dòng)（AO）和北大西洋濤動(dòng)（NAO）

北極濤動(dòng)（AO）是指北半球中緯度地區(qū)45°N左右到北極地區(qū)的氣壓差偶極子變化。而北大西洋濤動(dòng)（NAO）是指北半球一個(gè)由北向南的偶極子異常模型，其中一個(gè)中心位于格陵蘭島、另一個(gè)中心位于北緯30°～40°的大西洋區(qū)域。AO和NAO對北半球的氣溫和降水等氣候特征都有顯著的影響[4-5]。對灤河流域降水量變化的控制，AO/NAO主要是通過烏拉爾山脈—蒙古高原—鄂霍茨克海域位勢高度變化來控制中高緯度西風(fēng)帶的強(qiáng)弱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對流域空氣溫度及濕度的影響來實(shí)現(xiàn)的。從影響機(jī)理上來說，AO和NAO在本質(zhì)上是同一種氣候變化影響因素在不同時(shí)期和特定條件下不同的表現(xiàn)[6]。表1為不同氣候因子作為控制變量條件下AO與流域Pa的偏相關(guān)分析結(jié)果；圖1為排除不同控制因子條件下AO與0個(gè)月滯后降水偏相關(guān)系數(shù)相對互相關(guān)系數(shù)變化情況。

從表1可以看出，同時(shí)期AO與流域降水指數(shù)相關(guān)性最大，互相關(guān)系數(shù)為0.361，置信度水平99%，隨后相關(guān)系數(shù)逐漸減小，在降水相對AO滯后12個(gè)月時(shí)間尺度時(shí)表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，隨后負(fù)相關(guān)性增大，在降水滯后24個(gè)月時(shí)間尺度時(shí)負(fù)相關(guān)性達(dá)到最大，互相關(guān)系數(shù)為-0.226。

結(jié)合表1及圖1可以看出，排除不同控制因子后AO與流域降水的偏相關(guān)系數(shù)最大值均出現(xiàn)在降水相對AO滯后0月的時(shí)間尺度中，即同時(shí)期的AO與流域降水相關(guān)性最顯著。其中，以EP-NP作為控制變量，AO與降水的偏相關(guān)系數(shù)較互相關(guān)系數(shù)增大了0.041，達(dá)到了0.402，且置信水平為99%；以NAO作為控制變量，AO與流域降水的相關(guān)性明顯減弱，偏相關(guān)系數(shù)減少到0.287，減少幅度為20.5%，置信水平低于95%。而將NINO 3.4作為控制因子時(shí)，AO與流域降水的相關(guān)性變化不明顯，偏相關(guān)系數(shù)較互相關(guān)系數(shù)僅減少0.008，因此可認(rèn)為NINO 3.4因子對AO與流域降水的相關(guān)性影響不明顯。

表1 AO與Pa互相關(guān)系數(shù)及排除不同氣候因子影響后偏相關(guān)系數(shù)

圖1 排除不同控制因子下AO與0個(gè)月滯后降水相關(guān)系數(shù)分析

由表2可知，NAO指數(shù)與灤河流域降水指數(shù)相關(guān)性變化趨勢與AO相反，同時(shí)期的NAO指數(shù)與流域降水指數(shù)的相關(guān)系數(shù)較低，無顯著相關(guān)性。從互相關(guān)系數(shù)變化過程分析來看，降水指數(shù)相對NAO滯后0～9個(gè)月時(shí)間尺度內(nèi)相關(guān)系數(shù)均小于0.1，沒有明顯的相關(guān)性?；ハ嚓P(guān)系數(shù)在降雨滯后12個(gè)月時(shí)間尺度時(shí)明顯增大，并且在滯后24個(gè)月時(shí)間尺度上達(dá)到最大，為0.239，且置信水平為90%。但是，NAO與降水指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均未超過0.300，因此NAO與灤河流域降水指數(shù)無顯著相關(guān)性。

結(jié)合表2和圖2，除了以AO作為控制因子外，排除其它控制變量影響后NAO與滯后24個(gè)月時(shí)間尺度的降水指數(shù)相關(guān)性達(dá)到最大，但相關(guān)系數(shù)均未超過0.30，因此沒有顯著的相關(guān)性。其中，排除AO影響后偏相關(guān)系數(shù)相對于互相關(guān)系數(shù)減少明顯，減少幅度達(dá)88.3%。因此，AO對NAO與灤河流域降水的相關(guān)性具有很大的影響。

表2 排除不同氣候因子影響后NAO與降水指數(shù)偏相關(guān)分析結(jié)果

0.3

偏相關(guān)系數(shù)

偏相關(guān)系數(shù)-互相關(guān)系數(shù)

-0.211-0.0290.002-0.0290.009

0.239

0.25

系0.15

數(shù)

關(guān)

相

0.2

0.1

0.05

0

AOEP-NPNINO 3.4PNAWP

控制因子

圖2排除不同控制因子后

NAO與24個(gè)月滯后降水相關(guān)系數(shù)分析3.2西太平洋指數(shù)

西太平洋指數(shù)（WP）是指一個(gè)位于中高緯度西太平洋區(qū)域南北向的偶極子海溫異常。這個(gè)海溫異常模型中的一個(gè)中心位于堪察加半島周邊海域，而另外一個(gè)中心位于東南亞及副熱帶西太平洋區(qū)域。這一區(qū)域海溫的正負(fù)異常通過改變東亞急流入口區(qū)域氣壓來影響西太平洋副熱帶高壓向西影響的強(qiáng)度。正的WP指數(shù)代表了中緯度北太平洋西部區(qū)域海溫值高于同期多年平均值，而在堪察加半島區(qū)域內(nèi)的海溫要低于平均值。

與3.1中的方法相同，得到了WP與Pa的互相關(guān)系數(shù)。WP指數(shù)與灤河流域降水指數(shù)相關(guān)性隨著滯后時(shí)間呈先增后減的趨勢。同時(shí)期西太平洋海溫與流域降水相關(guān)性不明顯，互相關(guān)系數(shù)僅為0.003，隨后相關(guān)系數(shù)逐漸增大，WP指數(shù)與灤河流域相對滯后12個(gè)月時(shí)間尺度的降水指數(shù)相關(guān)性最大，其中互相關(guān)系數(shù)為0.402、置信水平為99%。降水指數(shù)相對WP滯后超過12個(gè)月時(shí)間尺度后相關(guān)系數(shù)變?yōu)樨?fù)值，其中在相對滯后24個(gè)月時(shí)間尺度時(shí)負(fù)相關(guān)系數(shù)最大，為-0.245.

排除各控制因子后降水指數(shù)與WP指數(shù)相關(guān)性變化均不明顯，由此可認(rèn)為WP指數(shù)對灤河流域降水過程影響相對獨(dú)立，不受其它氣候因子的顯著影響。

3.3 NINO 3.4指數(shù)

NINO 3.4指數(shù)表示北緯5°—南緯5°，西經(jīng)170°—120°區(qū)域內(nèi)海表面溫度的異常。正（負(fù)）NINO 3.4指數(shù)表示該區(qū)域內(nèi)海溫呈正（負(fù)）異常周期。

同時(shí)期NINO 3.4指數(shù)與流域降水指數(shù)相關(guān)性較弱，在降水相對滯后0～12個(gè)月時(shí)間尺度增大變化過程中相關(guān)系數(shù)逐漸增大，在12個(gè)月時(shí)間尺度時(shí)相關(guān)性最為顯著，其中互相關(guān)系數(shù)為0.342，且置信水平大于95%。隨后相關(guān)性逐漸減弱，在降水滯后24個(gè)月時(shí)間尺度上負(fù)相關(guān)性最明顯，互相關(guān)系數(shù)為-0.263。

排除PNA指數(shù)影響后偏相關(guān)系數(shù)最大，為0.418，較互相關(guān)系數(shù)上升了22.2%。而排除EP-NP指數(shù)影響后，偏相關(guān)系數(shù)最小，為0.149，較互相關(guān)系數(shù)下降了43.6%。其它控制因子對相關(guān)性無顯著影響。

3.4 東/北太平洋指數(shù)

EP-NP是一個(gè)發(fā)生在東北部太平洋海域的海溫異常模型，共有3個(gè)海溫異常中心。在EP-NP正值周期中北太平洋東部的表面溫度高于平均值，而在北太平洋中部和北美東部的溫度要低于平均值。這一指數(shù)的強(qiáng)弱對太平洋急流由北向南的移動(dòng)有重要影響。

EP-NP指數(shù)與灤河流域降水指數(shù)相關(guān)系數(shù)隨滯后時(shí)間的變化呈先增后減的趨勢。同時(shí)期的EPNP指數(shù)與流域降水指數(shù)相關(guān)性相對較弱，互相關(guān)系數(shù)為0.244，隨后相關(guān)系數(shù)逐漸增大，在降水相對滯后12個(gè)月時(shí)間尺度上互相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大，為0.378，置信水平為99%。隨后相關(guān)系數(shù)逐漸減少，在降水相對滯后24個(gè)月時(shí)間尺度上呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性。

EP-NP與灤河流域降水指數(shù)在排除不同氣候因子影響后偏相關(guān)系數(shù)存在一定的差異。其中，以NAO指數(shù)為控制因子，EP-NP指數(shù)與流域降水指數(shù)相關(guān)性顯著，偏相關(guān)系數(shù)為0.405，置信水平為99%，較互相關(guān)系數(shù)上升了7.5%；以NINO3.4指數(shù)為控制因子，偏相關(guān)系數(shù)相對于互相關(guān)系數(shù)明顯減少，其中降雨滯后12個(gè)月時(shí)間尺度的偏相關(guān)系數(shù)為0.256，為相同條件下各控制因子中最低值，較互相關(guān)系數(shù)下降了32.3%。

3.5 太平洋/北美指數(shù)

太平洋/北美指數(shù)（PNA）是指位于夏威夷群島附近和阿留申群島附近的偶極子氣壓模型。正PNA周期表示在夏威夷群島附近位勢偏高，在阿留申群島附近偏低，而負(fù)周期則相反。

PNA指數(shù)與灤河流域降水指數(shù)相關(guān)系數(shù)均低于0.3，因此可認(rèn)為兩者無顯著相關(guān)性。

4結(jié)論

利用偏相關(guān)分析法，分析了影響灤河流域1965—2012年降水的大尺度氣候因子，主要結(jié)論如下：

（1）不同氣候因子間存在一定的相互影響。其中，影響流域冷空氣強(qiáng)度的AO與NAO間相互影響較為顯著。將NAO作為控制因子，AO與降水指數(shù)的相關(guān)性減少幅度相對較??；而將AO作為控制因子后，流域降水與NAO的相關(guān)性就出現(xiàn)了很大程度的減少，相關(guān)性不明顯。因此，NAO與流域降水的相關(guān)性可能很大程度上依賴于AO，因此AO是影響灤河潘家口水庫控制流域降水的主要因素之一。另外，NINO 3.4指數(shù)與EP-NP指數(shù)對流域降水的作用相互影響較顯著，分別作為控制因子時(shí)偏相關(guān)系數(shù)均有明顯的降低，且二者所反映海域范圍距離較近。

（2）同一氣候因子與不同滯后時(shí)間尺度的灤河流域降水指數(shù)相關(guān)性存在明顯差異，相關(guān)系數(shù)甚至相反。因此，大尺度氣候因子的正負(fù)異常值交替出現(xiàn)可能對流域降水的影響更為明顯。

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TV213

A

1004-7328（2017）04-0038-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.013

2017—03—16

羅亞松（1978—），男，高級工程師，主要從事水利水電工程咨詢和設(shè)計(jì)工作。