厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)巢湖洪水災(zāi)害影響研究

劉 立，陳二洋，藍(lán)祝光

(1.安徽華電工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，合肥 230000； 2.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

1 概 述

厄爾尼諾現(xiàn)象通常會(huì)引發(fā)全球氣候異常變化，從而引發(fā)洪水、干旱等災(zāi)害[1-3]。對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象進(jìn)行研究可闡明該現(xiàn)象與氣候異常變化之間的內(nèi)在關(guān)系，并能協(xié)助預(yù)防氣候異常變化所帶來的不利影響。已有研究表明，厄爾尼諾現(xiàn)象與我國(guó)降水存在一定的關(guān)聯(lián)性。如孟翠玲[4]等分析了厄爾尼諾現(xiàn)象與山東省降雨量之間的關(guān)系，得出厄爾尼諾發(fā)生年份、山東省降雨量減少的結(jié)論；羅劍鋒[5]等基于長(zhǎng)序列降雨資料，分析了中東部型厄爾尼諾事件對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)降雨分別產(chǎn)生不同的影響；馬振寧[6]等從多尺度評(píng)價(jià)厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)陜甘寧蒙接壤區(qū)暴雨災(zāi)害產(chǎn)生的影響；劉立[7]基于干燥度分析了厄爾尼諾現(xiàn)象與安徽省水旱災(zāi)害之間的關(guān)系。已有的研究雖然基于大量實(shí)測(cè)資料分析了厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)我國(guó)不同地區(qū)降雨產(chǎn)生的影響，但大部分研究均采取定性分析手段對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象與降雨情況進(jìn)行對(duì)比分析，缺乏有效的定量分析方法闡述厄爾尼諾現(xiàn)象與降雨之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

針對(duì)以上問題，為更好地揭示厄爾尼諾現(xiàn)象與降雨之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，本文基于巢湖長(zhǎng)序列水位資料，分別采用定性和定量分析方法，分析研究厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)巢湖洪水災(zāi)害產(chǎn)生的影響。不僅從宏觀上揭示厄爾尼諾現(xiàn)象與巢湖洪水災(zāi)害的關(guān)系，更借助相關(guān)系數(shù)法依據(jù)計(jì)算結(jié)果展示厄爾尼諾指數(shù)與巢湖年最高水位之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為后期根據(jù)厄爾尼諾現(xiàn)象預(yù)測(cè)巢湖洪水災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)，也為其他學(xué)者研究厄爾尼諾現(xiàn)象提供參考。

2 厄爾尼諾介紹

厄爾尼諾現(xiàn)象是指在中東太平洋地區(qū)每隔若干年便發(fā)生大規(guī)模海水溫度異常升高的大自然現(xiàn)象。它通常出現(xiàn)在南太平洋東岸，是造成全球氣候異常變化的原因之一。

赤道中東部太平洋地區(qū)大范圍海水表面溫度的異常升溫是厄爾尼諾事件的最主要特征。通常采用海水表面溫度資料表征厄爾尼諾事件指數(shù)。第Y年第m月厄爾尼諾指數(shù)計(jì)算公式如下[7]：

(1)

式中：IEN,Ym為第Y年第m月厄爾尼諾指數(shù)；n為網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)；TYmj為第Y年第m月第j個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的海表溫度；Tm為第m月的所有網(wǎng)格點(diǎn)的平均海表溫度。

通過式(1)計(jì)算出厄爾尼諾指數(shù)，當(dāng)IEN,Ym≥0.5℃，且一次事件的長(zhǎng)度至少為6個(gè)月(允許有1個(gè)月中斷)時(shí)，則認(rèn)定發(fā)生厄爾尼諾事件。

由于不同學(xué)者在計(jì)算厄爾尼諾指數(shù)時(shí)，所采用的海表溫度監(jiān)測(cè)關(guān)鍵區(qū)及事件判定的方式不同，導(dǎo)致厄爾尼諾現(xiàn)象的判定結(jié)果存在不一致性。為此，中國(guó)氣象局于2017年發(fā)布了厄爾尼諾事件判定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]，該標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)際通用的NINO3、4區(qū)來判定厄爾尼諾事件。將NINO3、4區(qū)(170°W-120°W，5°S-5°N)指數(shù)ININO3、43個(gè)月滑動(dòng)平均值≥0.5℃且持續(xù)至少5個(gè)月，判定為一次厄爾尼諾事件。根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)，本文統(tǒng)計(jì)了1960-2010年厄爾尼諾指數(shù)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 厄爾尼諾指數(shù)數(shù)據(jù)Tab.1 El Nino index data

續(xù)表1

續(xù)表1

3 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)資料

巢湖位于安徽省中部，隸屬合肥市，集水面積約769 km2，是安徽省境內(nèi)最大的湖泊。巢湖屬于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，季風(fēng)氣候顯著，冬寒夏熱，四季分明。年降水量在1 000～1 158 mm之間。因巢湖屬于大型淡水湖泊，其水位的高低直接反映該區(qū)域降雨的多寡。本文根據(jù)巢湖某水文站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)巢湖自1969-2009年的歷年最高水位值。具體巢湖歷年最高水位值見圖1。

圖1 巢湖歷年最高水位Fig.1 The highest water level of Chaohu Lake over the years

對(duì)于大型淡水湖泊而言，水位越高，表明該區(qū)域降雨量越多；水位越低，表明該區(qū)域降雨量越少。結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)可知，在自然現(xiàn)象和社會(huì)現(xiàn)象中，大量隨機(jī)變量都服從或近似服從正態(tài)分布[8]。因此，認(rèn)為巢湖歷年最高水位服從正態(tài)分布。當(dāng)巢湖年最高水位大于統(tǒng)計(jì)概率80%的歷年最高水位時(shí)，認(rèn)定該年巢湖區(qū)域發(fā)生洪水災(zāi)害。巢湖區(qū)域是否發(fā)生洪水的判定條件如下：

ymax>μ+0.85σ

(2)

式中：ymax為巢湖年最高水位；μ為巢湖歷年最高水位平均值；σ為巢湖歷年最高水位方差。

結(jié)合圖1數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)可計(jì)算出μ=10.18 m、σ=1.06 m。即當(dāng)ymax>11.08 m時(shí)，該年巢湖區(qū)域發(fā)生洪水災(zāi)害。由此可推斷，巢湖區(qū)域在1969、1980、1983、1989、1991、1996、1999和2003年發(fā)生洪水災(zāi)害，最大洪水災(zāi)害發(fā)生于1991年，最高水位為12.8 m。本文通過年最高水位確定巢湖洪水災(zāi)害的分析結(jié)果與劉立[7]根據(jù)1949-2012年安徽省水旱災(zāi)害受災(zāi)統(tǒng)計(jì)資料所得出的結(jié)果大體一致，體現(xiàn)了該方法的有效性。

4 研究方法

4.1 定性分析

為直觀反映厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)巢湖洪水災(zāi)害的影響，統(tǒng)計(jì)厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生情況與巢湖洪水災(zāi)害情況，見表2。依據(jù)表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象與巢湖洪水災(zāi)害之間的關(guān)系進(jìn)行定性分析。

表2 厄爾尼諾現(xiàn)象及巢湖洪水災(zāi)害情況Tab.2 El Nino phenomenon and flood disaster situation in Chaohu Lake

4.2 定量分析

為了能更好地揭示厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)巢湖洪水災(zāi)害的影響，采用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算厄爾尼諾指數(shù)與巢湖最高水位之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)是由統(tǒng)計(jì)學(xué)家卡爾皮爾遜提出的確定兩組數(shù)據(jù)相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各大科研領(lǐng)域[9-11]。

相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式如下[12]：

(3)

S(x1x2)=∑x1x2-(∑x1∑x2)/q

(4)

(5)

(6)

式中：x1為第一組數(shù)據(jù)；x2為第二組數(shù)據(jù)；q為計(jì)算樣本數(shù)。

相關(guān)系數(shù)|r|的大小，反映了兩組數(shù)據(jù)相關(guān)性的大小。|r|越大，相關(guān)性則越大；反之則越小。當(dāng)r>0時(shí)，表明兩組數(shù)據(jù)正相關(guān)；當(dāng)r<0時(shí)，表明兩組數(shù)據(jù)負(fù)相關(guān)。

本文選取厄爾尼諾指數(shù)年累計(jì)值和厄爾尼諾指數(shù)年最大值這兩組數(shù)據(jù)同巢湖歷年最高水位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算分析。厄爾尼諾指數(shù)數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 厄爾尼諾指數(shù)數(shù)據(jù)Fig.2 El Nino index data

5 結(jié)果分析

5.1 方法實(shí)踐

采用第4節(jié)提出的定性分析和定量分析方法，分別對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象與巢湖洪水災(zāi)害之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究。

5.1.1 定性分析結(jié)果

由表2可知，在1968-2006年期間，共發(fā)生13起厄爾尼諾事件，其中有8次厄爾尼諾事件對(duì)應(yīng)巢湖發(fā)生了水災(zāi)。厄爾尼諾事件起始時(shí)間基本在春末與秋初之間，結(jié)束時(shí)間基本在夏初和冬末之間，最大厄爾尼諾指數(shù)出現(xiàn)時(shí)間基本在秋末和初冬之間。巢湖最高水位基本出現(xiàn)在夏季7、8月份。在巢湖發(fā)生的8次洪水事件中，有5次洪水發(fā)生在最大厄爾尼諾指數(shù)出現(xiàn)后緊接的第一個(gè)夏季(即1969年洪水、1980年洪水、1983年洪水、1991年洪水、2003年洪水)；有3次洪水發(fā)生在最大厄爾尼諾指數(shù)出現(xiàn)后的第兩個(gè)夏季，也是厄爾尼諾事件結(jié)束后的次年夏季(即1989年洪水、1996年洪水、1999年洪水)。由以上統(tǒng)計(jì)可知，厄爾尼諾事件發(fā)生后，有較大概率會(huì)導(dǎo)致巢湖區(qū)域發(fā)生洪水災(zāi)害，巢湖洪水發(fā)生時(shí)間大概率出現(xiàn)在最大厄爾尼諾指數(shù)出現(xiàn)后緊接的第一個(gè)夏季，少部分洪水發(fā)生在厄爾尼諾事件結(jié)束后的次年夏季，即厄爾尼諾事件對(duì)巢湖洪水災(zāi)害的影響存在一定滯后性，這與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果相一致[13-15]。

5.1.2 定量分析結(jié)果

根據(jù)相關(guān)系數(shù)法，即式(3)至式(6)，先以1969-2009年的厄爾尼諾指數(shù)年累計(jì)值和年最大值數(shù)據(jù)與1969-2009年巢湖年最高水位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：厄爾尼諾指數(shù)年累計(jì)值與巢湖年最高水位的相關(guān)系數(shù)為-0.088，厄爾尼諾指數(shù)年最大值與巢湖年最高水位的相關(guān)系數(shù)為-0.092。由此可知，同年份的厄爾尼諾指數(shù)年累計(jì)值、年最大值與巢湖年最高水位不存在相關(guān)性，它們之間不存在明顯的相互影響關(guān)系。

因厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)巢湖洪水災(zāi)害的影響存在一定的滯后性，選取1968-2008年的厄爾尼諾指數(shù)年累計(jì)值和年最大值數(shù)據(jù)與1969-2009年巢湖年最高水位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：厄爾尼諾指數(shù)年累計(jì)值與巢湖年最高水位的相關(guān)系數(shù)為0.274，厄爾尼諾指數(shù)年最大值與巢湖年最高水位的相關(guān)系數(shù)為0.398。由此可知，前一年的厄爾尼諾指數(shù)年累計(jì)值、年最大值與當(dāng)前巢湖年最高水位存在明顯的正相關(guān)性，且前一年的厄爾尼諾指數(shù)年最大值與當(dāng)前巢湖年最高水位的相關(guān)性更為密切。這充分說明厄爾尼諾現(xiàn)象會(huì)對(duì)巢湖洪水災(zāi)害造成顯著影響，且該影響具有明顯的滯后性。

5.2 驗(yàn)證評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證以上分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)近幾年的厄爾尼諾指數(shù)可知，在2014年9月至2016年3月期間發(fā)生了持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)19個(gè)月的厄爾尼諾現(xiàn)象，最大厄爾尼諾指數(shù)為2.6，發(fā)生在2015年10和11月；在2018年8月至2019年5月期間發(fā)生了持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10個(gè)月的厄爾尼諾現(xiàn)象，最大厄爾尼諾指數(shù)為0.9，發(fā)生在2018年10月。根據(jù)前文分析可推斷，這兩次厄爾尼諾現(xiàn)象有極大可能導(dǎo)致巢湖區(qū)域發(fā)生洪水災(zāi)害，且洪水災(zāi)害會(huì)發(fā)生在最大厄爾尼諾指數(shù)出現(xiàn)后緊接的第一個(gè)夏季或者發(fā)生在厄爾尼諾事件結(jié)束后的次年夏季。

根據(jù)巢湖某水文站監(jiān)測(cè)資料可知，巢湖在2016和2020年發(fā)生兩次洪水災(zāi)害。其中，在2016年7月9日出現(xiàn)年最大水位為12.8 m，在2020年7月22日出現(xiàn)年最大水位為13.43 m。2016年的洪水災(zāi)害發(fā)生在2014-2016年期間最大厄爾尼諾指數(shù)出現(xiàn)后緊接的第一個(gè)夏季；2020年的洪水災(zāi)害發(fā)生在2018-2019年期間厄爾尼諾現(xiàn)象結(jié)束后的次年夏季。以上結(jié)果跟前文分析結(jié)論完全一致，證明了前文分析結(jié)果的有效性和合理性，為后期根據(jù)厄爾尼諾現(xiàn)象預(yù)測(cè)巢湖洪水災(zāi)害提供了科學(xué)依據(jù)。

6 結(jié) 論

為研究厄爾尼諾現(xiàn)象與巢湖洪水災(zāi)害之間的關(guān)系，依據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料，分別采用定性分析和定量分析的手段，分析了厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)巢湖洪水災(zāi)害產(chǎn)生的影響。結(jié)論如下：

1) 厄爾尼諾事件發(fā)生后，有較大概率會(huì)導(dǎo)致巢湖區(qū)域發(fā)生洪水災(zāi)害，且厄爾尼諾事件對(duì)巢湖洪水災(zāi)害的影響存在一定滯后性。巢湖洪水發(fā)生時(shí)間大概率出現(xiàn)在最大厄爾尼諾指數(shù)出現(xiàn)后緊接的第一個(gè)夏季，少部分洪水發(fā)生在厄爾尼諾事件結(jié)束后的次年夏季。

2) 同年份的厄爾尼諾指數(shù)年累計(jì)值、年最大值與巢湖年最高水位不存在相關(guān)性。前一年的厄爾尼諾指數(shù)年累計(jì)值、年最大值與當(dāng)前巢湖年最高水位存在明顯的正相關(guān)性，且前一年的厄爾尼諾指數(shù)年最大值與當(dāng)前巢湖年最高水位的相關(guān)性更為密切。

3) 厄爾尼諾現(xiàn)象會(huì)對(duì)巢湖洪水災(zāi)害造成顯著影響，且該影響具有明顯的滯后性。

4) 通過驗(yàn)證分析可知，本文得出厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)巢湖洪水災(zāi)害影響的分析結(jié)論準(zhǔn)確有效，為后期根據(jù)厄爾尼諾現(xiàn)象預(yù)測(cè)巢湖洪水災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。