厄爾尼諾現象對保定市降水的影響

王利軍

摘 要：近年來，厄爾尼諾現象的出現給全球天氣、氣候帶來影響，同時也影響到河北省的氣候變化。以河北邯鄲的永年縣為例，主要研究厄爾尼諾現象和永年縣汛期和全年降水變化之間的關聯性，采用對應同步分析的方法得知，厄爾尼諾年與邯鄲市永年縣汛期和全年降水量呈負相關，且厄爾尼諾現象對永年縣降水的影響主要集中在汛期。同時根據永年縣四十年的降水資料，利用ARIMA模型自回歸移動法，設計模型尋找最優擬合參數，預測永年縣未來兩年各月的降水。希望通過研究能為永年縣降水預測提供參考。

關鍵詞：厄爾尼諾現象；相關性；永年縣；ARIMA模型

中圖分類號：P732 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2015）09-0182-05

引言

厄爾尼諾現象是指赤道太平洋中、東部每隔若干年發生一次大規模、長時間的海水溫度異常增高的現象。它一般出現在圣誕節前后或稍后一兩個月，當地人把它稱作“厄爾尼諾”，即“圣嬰”。拉尼娜現象是與之相反的海水降溫現象，發生周期一般為二至七年，平均周期約三至四年。1980年以來，厄爾尼諾現象發生頻率達到每二年1次，每次持續12—18個月。厄爾尼諾現象的頻繁發生，導致全球大早大澇等災害相應增加。20世紀最強的厄爾尼諾現象發生在1997—1998年，熱帶、亞熱帶地區、南太平洋東部地區和南美洲的中部都受到嚴重影響，全球大部分地區降雨明顯異常，這使得厄爾尼諾現象備受關注。

厄爾尼諾發生時，太平洋赤道地區原來的偏東氣流減弱或消失，堆積在西部的暖海水向東回流，使東太平洋海面比正常年份高二三十厘米，溫度則比正常年份高2℃～5℃，西太平洋海面變低、水溫也相應下降變冷。厄爾尼諾發生時，整個東、中太平洋上空的大氣狀況都被改變，這種大范圍的變化，必然會打亂正常的秩序，影響到熱帶其他地區，并通過大氣環流，影響到高緯地區。

近年來，厄爾尼諾現象的出現給全球天氣、氣候帶來影響，同時也影響到河北省的氣候變化，結合河北省同期旱澇史，張桂香利用相似外推法，統計分析了厄爾尼諾現象與河北省及附近地區旱澇、氣候冷暖的關系，以期為氣候變化趨勢預測提供參考；為確定厄爾尼諾現象與保定市地區汛期降水的相關性，盧麗采用保定市市氣象局1867—1998年期間確認出的厄爾尼諾現象和保定市地區6—8月降水總量作為分析對象進行相關分析。分析結果表明，在一百三十二年中有71%的年份，厄爾尼諾現象發生當年保定市地區降水減少，厄爾尼諾現象與保定市地區汛期降水不是相互獨立的，而是呈負相關關系；張健利用線性回歸、突變分析和小波分析方法，先分析了京津冀地區1960—2006年84個地面臺站降水量的變化，結果表明京津冀地區年降水量和四季降水大致存在3個主要周期的變化；李春強、杜毅光、李保國根據河北省85個常規地面氣象站降水資料，利用小波變換Morlet方法，分析了河北省1965—2005年不同時間尺度下降水序列的主要周期變化過程及其空間變化特征，得到河北省年降水量主要存在3個尺度的變化周期，北部和中東部地區降水相對穩定，西部地區降水變率較大。

中國緊鄰厄爾尼諾發生區，因此全球變暖所導致的厄爾尼諾異常現象必然會對中國產生很大的影響。在厄爾尼諾發生時，首先造成冬季北方極地大陸氣團南下的勢力變弱，經常影響中國的冬季風也就相應變弱，冷鋒過境減少，出現暖冬、少降水的天氣。其次是夏季，由于西太平洋副熱帶高壓勢力減弱，造成夏季風勢力變弱，北上速度變緩，南方江淮等地多雨的可能性增大，可能出現洪澇災害。季風環流是影響中國氣候的最主要、最直接的因素，而厄爾尼諾主要是通過季風對中國施加影響，它的影響是間接的。那么厄爾尼諾現象具體和我國河北省南部保定市的降水存在什么樣的相關性，本文以保定市為代表來具體分析它們之間的關系。

通過查閱前人的成果整理出的自1970年以來發生的全球性的厄爾尼諾現象年份（見下頁表1）。

一、保定市概況和降水變化的分析

河北省保定市地處河北省南部，太行山東麓，屬華北臺地南段，西部丘陵為太行山背斜的一部分。東部平原屬渤海凹陷、寧晉凹陷區的一部分。全縣地勢西高東低，自西向東可分為低山丘陵、山前傾斜平原、平原和洼地等地貌單元。保定市保定市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。年平均氣溫13.0℃。7月份最熱，平均氣溫為26.8℃，極端最高氣溫為42.1℃，1月份最冷，平均氣溫為-2.9℃，極端最低氣溫為-21.6℃，10℃以上積溫4 472.0℃。年平均降雨量為503.6毫米，降水主要集中在7—8月份，雨量為285.1毫米，占全年降雨量的58%，冬季（12月至次年1月）降水量14.1毫米，僅占年降水量的3%。年降水量最多的記錄是1963年，達1 231.0毫米，年降水量最少的是1986年，僅為227.9毫米。年降水量日數（20.1mm）平均為69.5天，最多年份為1976年，降水天數為90天。連續降水（20.1mm）最長時間為1977年8月5—12日，最長連續無降水的時間為1984年11月10日至1985年2月21日，長達104天。1963年8月3日一天降水量達291.3毫米，成為日降水量最高的記錄。

根據保定市氣象局統計的自1972年1月至2012年12月近四十年的每月降水情況制作了圖1，用來顯示保定市年降水量的整體變化趨勢。

（一）厄爾尼諾年及其次年與保定市地區降水的相關性

自1970年以來厄爾尼諾現象發生的年份有1972年、1976年、1982—1983年、1987年、1991年、1993年、1994年、1997年、2002年、2004—2005年、2006年、2009年共十二年。與保定市四十年來各月降水量的數值對比分析。

下頁表2中在厄爾尼諾現象發生當年，保定市汛期各月降水量及總降水量均低于多年平均值。降雨量負距平年數平均高于厄爾尼諾總年數的一半，降水量負距平年的最大頻率出現在7月，為75%。厄爾尼諾年平均雨量負距平最大百分率為8%，6—9月降水量負距平年出現的頻率為58%，平均雨量負距平百分率為1%，全年雨量負矩平年數為4%，平均雨量負距平百分率為3%。說明厄爾尼諾年保定市汛期和全年的降水量比多年均值量偏小，且汛期影響量要大于全年。endprint

厄爾尼諾次年，除了9月降水量持平6月降水量低于均值外，其他各月降水量及6—9月和全年總降水量均高于多年平均值，8月和6—9月降水量正距平年的頻率達70%，8月平均雨量正距平百分率為24%。可見，厄爾尼諾現象發生的當年降水減少，次年降水有所增加，降水量的增減趨勢非常一致，說明厄爾尼諾現象對保定市地區汛期降水量的影響是相當穩定的。即厄爾尼諾現象與保定市地區汛期降水不是相互獨立的，而是呈負相關關系。因此，厄爾尼諾現象使保定市地區汛期降水量減少的可能性大，且對汛期影響要大于全年。

（二）用ARIMA模型對保定市降水分析和預測

ARIMA模型是時間序列分析中最常用的模型之一，提供了一套有效的預測技術，在時間序列預測中具有廣泛的應用。

將保定市自1972年1月至2012年12月四十年每月的降水數據全部錄入SPSS軟件中，創建ARIMA模型進行自回歸移動分析處理。所建立的ARIMA模型的因變量標簽是“降水量”，根據模型結構在季節性變化的自回歸（a）、差分（b）、移動平均數（c）三個條件上不同參數取值的排列組合創建了27組模型，模型名稱為“模型_X”，模型的類型為ARIMA（a，b，c）。

表3 模型描述

根據模型的8個擬合優度指標，包括這些指標的均值、最小值、最大值以及百分位數。由于因變量數據為季節性數據，因此平穩的R方更具代表性，表4分別取不同的ARIMA（a，b，c）參數，建立不同的模型時所對應的平穩的R方。

對比這些模型的平穩的R方，用平穩的R方值來判斷數據的擬合效果，從中取得最佳擬合。平穩的R方越大，擬合度越大，該模型做出的預測約精確。因此通過對比可知當取ARIMA（1，3，3）模型_9時，模型的平穩的R方值最大為0.854，擬合情況最好，此時用ARIMA模型做出的預測最精確。

表5為ARIMA（1，3，3）模型_9的具體模型描述和對應的擬合情況。

表5 模型描述

下頁表6給出了模型的8個擬合優度指標，包括這些指標的均值、最小值、最大值以及百分位數。其中，平穩的R方值為0.854，由于因變量數據位季節性數據，因此平穩的R方更具代表性，通過表4、表6的對比說明，模型ARIMA（1，3，3）參數選擇最好，擬合的效果最能符合要求。

下頁圖2給出了ARIMA（1，3，3）模型的擬合值、觀測值和預測。因變量降水量序列整體上成波動狀態，擬合值和觀測值曲線在整個區間整體上擬合情況良好，明顯可以看出擬合值的波動性非常接近實際觀察值波動性。因此可以說明ARIMA（1，3，3）模型對降水量的擬合情況還是非常不錯，用此模型得出的預測也比較符合實際情況。

表7 預測表

用ARIMA模型做出自2013年6月至2014年12月的每月降水量的具體預測數值。對于每個模型，預測都在請求的預測時間段范圍內的最后一個非缺失值之后開始，在所有預測值的非缺失值都可用的最后一個時間段或請求預測時間段的結束日期（以較早者為準）結束。

二、小結

（一）厄爾尼諾現象與保定市全年與汛期降水負相關

將保定市近四十年的年降水量繪制成曲線變化圖，與厄爾尼諾發生的年份進行同步對比分析得到，厄爾尼諾現象對保定市影響的時間尺度主要集中在厄爾尼諾當年和次年，厄爾尼諾年保定市汛期和全年降水低于多年的平均降水量的偏多，且厄爾尼諾現象對保定市汛期的影響要甚于對于全年的影響，對汛期影響最嚴重的月份為7月。

厄爾尼諾現象發生的次年保定市汛期和全年降水高于多年平均降水量的月份偏多，且主要集中在8月，對汛期的影響要高于對全年的影響。整體上厄爾尼諾現象次年對保定市降水的影響要高于厄爾尼諾當年對保定市降水的影響。

（二）用ARIMA模型對保定市未來降水的預測在短期內呈上升趨勢

利用SPSS軟件ARIMA模型，建立了27種參數模型，對比找出最優擬合比例，把該模型對應的參數利用ARIMA模型分析得知，擬合值和觀測值曲線在整個區間整體上擬合情況良好，明顯可以看出擬合值的波動性非常接近實際觀察值波動性。因此可以說明ARIMA（1，3，3）模型對降水量的擬合情況還是非常不錯，用此模型得出的預測也比較符合實際情況。除預測曲線圖外還具體預測了直到2014年底的每月具體降水量，在短期內保定市未來降水呈上升趨勢。

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[責任編輯 陳鳳雪]endprint