流域降水與大尺度氣候因子關系識別

羅亞松，黃凱，于翚

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

流域降水與大尺度氣候因子關系識別

羅亞松1，黃凱1，于翚2

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

根據灤河流域21個雨量站的月平均降水資料，采用偏相關分析法分析了北極濤動指數、東/北太平洋指數（EP-NP）、北大西洋濤動指數（NAO）、尼諾3.4指數（NINO 3.4）、太平洋/北美指數（PNA）和西太平洋指數（WP）6個大尺度氣候因子對灤河流域降水的影響。結果表明，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指數與EP-NP指數對流域降水的作用相互影響也較顯著。

灤河流域；氣候；降水；偏相關分析法；氣候因子

灤河流域地處多個城市經濟發展區域，隨著經濟的不斷發展，對水資源的需求量不斷增大。但是由于全球氣候發生變化，流域干旱問題日益突出[1]。流域干旱主要發生在1961、1963、1972、1980—1984、2002、2007和2009年。嚴中偉等[2]研究表明，灤河流域降水在1965年發生了一次氣候變化，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]對這種趨勢作了進一步的分析指出，灤河流域在1965年發生氣候躍變后干旱趨勢逐漸加劇，一直持續到20世紀90年代。其中，1972年干旱作為躍變后的第一次嚴重干旱，是流域歷史上罕見的春夏兩季連續干旱。流域降水作為干旱發生的主要原因，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 數據來源

數據主要為1965—2012年灤河潘家口水庫控制流域21個雨量站的月平均降水資料。大尺度氣候因子指數有北極濤動指數（AO）、東/北太平洋指數（EP-NP）、北大西洋濤動指數（NAO）、尼諾3.4指數（NINO 3.4）、太平洋/北美指數（PNA）和西太平洋指數（WP），這6個指數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 偏相關分析法

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

式中：r12，3表示變量Pa與因子x1排除因子x2影響的偏相關系數；r12為Pa與x1的線性相關系數；r13為Pa與x2的線性相關系數；r23為x1和x2的線性相關系數。最后用T檢驗來驗證相關系數的置信水平。由于大尺度氣候因子與流域降水存在的是遙相關關系，因此當相關系數大于0.4時即認為相關性明顯，當相關系數大于0.3時即認為存在一定的相關性。

3 大尺度氣候因子識別

3.1 北極濤動（AO）和北大西洋濤動（NAO）

北極濤動（AO）是指北半球中緯度地區45°N左右到北極地區的氣壓差偶極子變化。而北大西洋濤動（NAO）是指北半球一個由北向南的偶極子異常模型，其中一個中心位于格陵蘭島、另一個中心位于北緯30°～40°的大西洋區域。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帶的強弱，進而實現對流域空氣溫度及濕度的影響來實現的。從影響機理上來說，AO和NAO在本質上是同一種氣候變化影響因素在不同時期和特定條件下不同的表現[6]。表1為不同氣候因子作為控制變量條件下AO與流域Pa的偏相關分析結果；圖1為排除不同控制因子條件下AO與0個月滯后降水偏相關系數相對互相關系數變化情況。

從表1可以看出，同時期AO與流域降水指數相關性最大，互相關系數為0.361，置信度水平99%，隨后相關系數逐漸減小，在降水相對AO滯后12個月時間尺度時表現出負相關性，隨后負相關性增大，在降水滯后24個月時間尺度時負相關性達到最大，互相關系數為-0.226。

結合表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系數最大值均出現在降水相對AO滯后0月的時間尺度中，即同時期的AO與流域降水相關性最顯著。其中，以EP-NP作為控制變量，AO與降水的偏相關系數較互相關系數增大了0.041，達到了0.402，且置信水平為99%；以NAO作為控制變量，AO與流域降水的相關性明顯減弱，偏相關系數減少到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，AO與流域降水的相關性變化不明顯，偏相關系數較互相關系數僅減少0.008，因此可認為NINO 3.4因子對AO與流域降水的相關性影響不明顯。

表1 AO與Pa互相關系數及排除不同氣候因子影響后偏相關系數

圖1 排除不同控制因子下AO與0個月滯后降水相關系數分析

由表2可知，NAO指數與灤河流域降水指數相關性變化趨勢與AO相反，同時期的NAO指數與流域降水指數的相關系數較低，無顯著相關性。從互相關系數變化過程分析來看，降水指數相對NAO滯后0～9個月時間尺度內相關系數均小于0.1，沒有明顯的相關性。互相關系數在降雨滯后12個月時間尺度時明顯增大，并且在滯后24個月時間尺度上達到最大，為0.239，且置信水平為90%。但是，NAO與降水指數的相關系數均未超過0.300，因此NAO與灤河流域降水指數無顯著相關性。

結合表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個月時間尺度的降水指數相關性達到最大，但相關系數均未超過0.30，因此沒有顯著的相關性。其中，排除AO影響后偏相關系數相對于互相關系數減少明顯，減少幅度達88.3%。因此，AO對NAO與灤河流域降水的相關性具有很大的影響。

表2 排除不同氣候因子影響后NAO與降水指數偏相關分析結果

0.3

偏相關系數

偏相關系數-互相關系數

-0.211-0.0290.002-0.0290.009

0.239

0.25

系0.15

數

關

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個月滯后降水相關系數分析3.2西太平洋指數

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

與3.1中的方法相同，得到了WP與Pa的互相關系數。WP指數與灤河流域降水指數相關性隨著滯后時間呈先增后減的趨勢。同時期西太平洋海溫與流域降水相關性不明顯，互相關系數僅為0.003，隨后相關系數逐漸增大，WP指數與灤河流域相對滯后12個月時間尺度的降水指數相關性最大，其中互相關系數為0.402、置信水平為99%。降水指數相對WP滯后超過12個月時間尺度后相關系數變為負值，其中在相對滯后24個月時間尺度時負相關系數最大，為-0.245.

排除各控制因子后降水指數與WP指數相關性變化均不明顯，由此可認為WP指數對灤河流域降水過程影響相對獨立，不受其它氣候因子的顯著影響。

3.3 NINO 3.4指數

NINO 3.4指數表示北緯5°—南緯5°，西經170°—120°區域內海表面溫度的異常。正（負）NINO 3.4指數表示該區域內海溫呈正（負）異常周期。

同時期NINO 3.4指數與流域降水指數相關性較弱，在降水相對滯后0～12個月時間尺度增大變化過程中相關系數逐漸增大，在12個月時間尺度時相關性最為顯著，其中互相關系數為0.342，且置信水平大于95%。隨后相關性逐漸減弱，在降水滯后24個月時間尺度上負相關性最明顯，互相關系數為-0.263。

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

3.4 東/北太平洋指數

EP-NP是一個發生在東北部太平洋海域的海溫異常模型，共有3個海溫異常中心。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。這一指數的強弱對太平洋急流由北向南的移動有重要影響。

EP-NP指數與灤河流域降水指數相關系數隨滯后時間的變化呈先增后減的趨勢。同時期的EPNP指數與流域降水指數相關性相對較弱，互相關系數為0.244，隨后相關系數逐漸增大，在降水相對滯后12個月時間尺度上互相關系數達到最大，為0.378，置信水平為99%。隨后相關系數逐漸減少，在降水相對滯后24個月時間尺度上呈現一定的負相關性。

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

3.5 太平洋/北美指數

太平洋/北美指數（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，而負周期則相反。

PNA指數與灤河流域降水指數相關系數均低于0.3，因此可認為兩者無顯著相關性。

4結論

利用偏相關分析法，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與降水指數的相關性減少幅度相對較小；而將AO作為控制因子后，流域降水與NAO的相關性就出現了很大程度的減少，相關性不明顯。因此，NAO與流域降水的相關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指數與EP-NP指數對流域降水的作用相互影響較顯著，分別作為控制因子時偏相關系數均有明顯的降低，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間尺度的灤河流域降水指數相關性存在明顯差異，相關系數甚至相反。因此，大尺度氣候因子的正負異常值交替出現可能對流域降水的影響更為明顯。

[1]李偉森，袁淑琴，趙國華.潘家口水庫上游灤河流域的水源現狀及其發展趨勢與防治對策的初步研究[J].天津職業大學學報，1998（2）：44-48.

[2]嚴中偉.60年代北半球夏季氣候躍變過程的初步分析[J].大氣科學，1992（1）：111-119.

[3]黃剛.與華北干旱相關聯的全球尺度氣候變化現象[J].氣候與環境研究，2006，11（3）：270-279.

[4]Wang Y B，Shi N.Relation of north atlantic oscillation anomaly to China climate during 1951-1995.[J].Journal of Nanjing Institute of Meteorology，2001，15（3）.75-86.

[5]韓添丁，丁永建，葉柏生，等.北大西洋濤動和北極濤動與新疆河川徑流變化[J].冰川凍土，2007，29（1）：107-113.

[6]Thompson D W J，Wallace J M.The Arctic oscillation signature in the wintertime geopotential height and temperature fields[J].Geophysical Research Letters，1998，25（9）：1297-1300.

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計工作。