环渤海地区旱涝灾害与太阳黑子活动、ENSO关系的统计研究*

王璐璐，延军平，韩晓敏

(陕西师范大学旅游与环境学院，陕西 西安 710119)

环渤海地区旱涝灾害与太阳黑子活动、ENSO关系的统计研究*

王璐璐，延军平，韩晓敏

(陕西师范大学旅游与环境学院，陕西 西安 710119)

深入研究环渤海地区旱涝变化特征，以期为制定防灾减灾政策，提高旱涝灾害应变能力提供参考。依据1961-2013年环渤海地区60个气象台站的逐月降水资料，采用Z指数确定旱涝等级及分布年份；运用频次分析法和Morlet连续复小波分别对旱涝灾害与太阳黑子活动、ENSO的统计关系进行详尽分析。结果表明：① 1961-2013年环渤海地区旱涝频发，且旱灾略多于涝灾。② 黑子相对数与旱涝指数呈显著负相关性，与旱涝等级呈显著正相关性；旱涝灾害频率为黑子极大值年附近高于极小值年，且极大值年附近旱灾明显多于涝灾；黑子活动单周期内易发生旱灾，双周期内旱涝交替发生。③ ENSO强度与旱涝指数呈明显负相关性，与旱涝等级呈显著正相关性；旱涝灾害频率为EL Nino和LA Nina年基本一致，且EL Nino年旱灾明显多于涝灾。④ 太阳黑子活动与旱涝指数小尺度周期对应关系良好，即黑子活动平静期对应降水充沛期，黑子活动活跃期对应降水偏少期，故太阳黑子活动对旱涝交替有较大影响；ENSO事件与旱涝指数小尺度周期对应关系不太一致，存在交错现象，但ENSO事件对旱涝指数各尺度周期的下滑有较大影响。

旱涝灾害；太阳黑子；ENSO事件；环渤海地区

在全球变暖背景下, 中国华北和东北地区干旱趋势严重,而长江中下游流域和东南地区洪涝趋势加重，且西北东部、华北大部和东北南部干旱面积呈增加趋势[1]。旱涝灾害是我国最严重的气候灾害之一，它给我国国民经济生产和人民生命财产造成了极大的损失[2]。关于旱涝灾害的影响因子已有大量研究，唐佑民等[3]比较分析了我国各区域旱涝影响因子的相异性；姚辉等[4]研究了厄尔尼诺事件发生当年和次年中国降水的特点及其差异；有人分析了太阳活动对区域旱涝灾害的影响[5-9]；也有人研究了ENSO事件与区域旱涝灾害的相关关系[10-13]；还有人分析了太阳活动和ENSO对区域旱涝灾害的综合影响[14-16]。

环渤海地区(图1)，又称环渤海经济圈，与长江三角洲和珠江三角洲地区一样成为中国经济的“增长极”，可见其在我国经济发展中有着举足轻重的地位。环渤海地区处于东北亚经济圈的中心地带，具有独特的地缘优势，拥有丰富的自然资源，是中国最大的工业密集区、重要的农业基地、最密集的港口群、和我国北方最重要的城市群。近年来，苏桂武等[17]将环渤海地区500年来的旱涝变化划分为7个阶段, 并讨论了不同阶段间旱涝型的变化及其旱涝区域分异意义；王慧等还有学者[18]对环渤海地区的气候变化特征及其与ENSO的相关性进行详尽的研究；还有学者深入研究了环渤海地区降水的时空变化特征[19-23]。张文柳等[24]构建了环渤海地区水旱灾害经济损失指数。

图1 环渤海地区范围与站点分布图Fig.1 Study area over circum-Bohai-region and distribution of meteorological stations

以上研究分析了环渤海地区的气候变化特征及机理，对旱涝灾害方面涉及较少。而旱涝灾害是严重制约和影响环渤海地区各方面发展的重要因素，因此揭示其旱涝变化特征、研究其相关机理意义重大。基于此，本文拟研究1961-2013年环渤海地区旱涝变化特征，并深入分析旱涝灾害与太阳活动和ENSO事件的相关关系，以期为深入认识该区域旱涝变化特征，制定防灾减灾政策，提高旱涝灾害应变能力提供一定的参考价值。

2 资料来源和研究方法

2.1 资料来源

文中选取的环渤海地区60个气象站点1961-2013年的逐月降水资料，均来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)， 且保证数据的完整性和连续性；太阳黑子活动数据来源于美国航天航空局官(http:∥solarscience.msfc.nasa.gov)； 文中表征ENSO事件的Nino3.4区热带太平洋海表温度距平数据来源于美国海洋大气局气候监测中心(http:∥www.cpc.ncep.noaa.gov)。

2.2 研究方法

文中运用Z指数与区域旱涝等级标准[25-26](表1)分析得到1961-2013年环渤海地区的旱涝等级和旱涝空间分布特征；选用频次分析法和Morlet连续复小波分析1961-2013年间太阳黑子活动、ENSO事件及环渤海地区旱涝指数的时间序列周期变化；采用线性回归分析法分析趋势变化过程；应用t分布统计检验相关系数的显著性等。

区域旱涝指标，既能表征旱涝的空间分布，又能反映旱涝的轻重程度。文中对区域这站点各级权重值进行调整，即，

式中，I和L是指雨涝指标和干旱指标，分别为该区域内Z指数为1～7级的站数；n为区域总站数。区域旱涝指数：HL=(I-L)×100。根据计算出的HL值，划分出区域旱涝指标(表1)。

表1 Z指数与区域旱涝等级标准

3 结果分析

3.1 旱涝等级划分及年份确定

对环渤海地区60个站点1961-2013年间的年降水量进行Z指数处理得出旱涝指数，进而依据区域旱涝指标对其进行等级划分，得到该区域旱涝等级评定结果(图2)。1961-2013年环渤海地区整体偏旱，且干旱略有加重的趋势。分析5a滑动平均值的变化可知，20世纪60-70年代中期，环渤海地区旱涝交替发生，涝灾略多于旱灾；70年代后期多为正常年份；80年代初期以旱灾为主；80年代中期至90年代末，旱涝灾害交替发生；21世纪初期旱灾明显增多；近几年来旱灾频率逐渐减少，而涝灾频率有所增加。

图2 1961-2013年环渤海地区旱涝等级评定结果Fig.2 The assessment results of the drought and flood level over over circum-Bohai-region from 1961 to 2013

进一步统计分析旱涝灾害年份(表2)可知，1961-2013年环渤海地区旱涝灾害频发，其中，旱灾年份有占33.96%，涝灾年份占26.42%，正常年份占39.62%。旱灾年份中，大旱频次最多，占旱涝灾害总频率的18.87%；重旱次之，占9.43%；偏旱频次最少，仅占总频率的5.66%。涝灾年份中，重涝频次最多，占旱涝灾害总频率的13.21%；偏涝次之，占7.55%；大涝频次与偏旱一致，占5.66%。相对而言，环渤海地区旱灾频率大于涝灾，且灾情较重。

表2 1961-2013年环渤海地区旱涝年份分布

3.2 太阳黑子活动与旱涝灾害的相关性

太阳黑子活动单周期约为11 a，期间黑子数先是由少增多，到达峰值年，之后黑子数越来越少，达到谷值年，完成一个活动周期。国际上规定1755年为第一个太阳黑子周期的开始[17]。这样依此排列，1961-2013年间经历了太阳黑子活动第19周的后期、第20-23周的全部、以及第24周的前期。其中出现了4个太阳黑子数的极大值年，分别为1968、1979、1989和2000年；出现了5个太阳黑子数极小值年，分别为1964、1976、1986、1996和2009年。

对太阳黑子活动与1961-2013年环渤海地区旱涝指数的相关性进行分析(图3)，从整体上来看，黑子相对数与相应年份的旱涝指数呈显著负相关关系，且通过了95%的置信水平检验，即黑子相对数越大，旱涝指数越小，干旱发生的可能性就越大，反之，黑子相对数越小，旱涝指数越大，雨涝发生的可能性就越大。从年代变化来看，黑子相对数与旱涝指数也均呈负相关，其中20世纪80年代的负相关性最为显著，通过了99%的置信水平检验，而21世纪初14 a、20世纪60年代、90年代、70年代的显著性依次减小，且均未通过置信水平检验。11 a滑动相关系数也均呈负相关，其中通过显著性检验的年份有1977-1985年、1997-2000年、2003-2005年。黑子相对数到达谷值时，旱涝指数波动曲线往往达到峰值(1964、1985、1995、2010年)，可能存在1 a左右的偏差；而黑子相对数到达峰值时，旱涝指数波动曲线则达到谷值(1968、1981、1989、1999年)，或存在2 a以内的偏差。

图3 太阳黑子活动与环渤海地区旱涝指数的关系Fig.3 The relationship between Sunspots and the drought and flood index over circum-Bohai-region

统计分析太阳黑子极值年及其前后一年的旱涝灾害分布特征(表3)，以便发现太阳黑子活动与环渤海地区旱涝特征的具体关系(根据瓦尔德迈尔对太阳黑子周期的描述，用M和m分别表示各个周期中太阳黑子数极大值年和极小值年的年份)。1961-2013年间环渤海地区旱涝灾害总频次达32次，发生在太阳黑子极值年附近共16次(占50%)。太阳黑子极大值年前后的12 a中，旱涝灾害频次占75%，包括7次旱灾(3次重旱、3次大旱、1次偏旱)，2次涝灾(1次重涝、1次大涝)。太阳黑子极小值年前后的15 a中，旱涝灾害频次占46.67%，包括4次涝灾(4次重涝)，3次旱灾(1次重旱、1次大旱、1次偏旱)。综上所述，环渤海地区在太阳黑子极大值年附近发生旱涝灾害的频率高于极小值年，且极大值年附近旱灾的发生频率明显高于涝灾；而极小值年附近涝灾的发生频率略大于旱灾。因此，在太阳黑子极大值年前后，环渤海地区应加强旱灾的防治工作。

表3 太阳黑子极值年附近的环渤海地区旱涝特征

进一步分析太阳黑子活动周期与环渤海地区旱涝灾害等级分布特征的相关性(图4)，二者呈显著正相关关系，且通过了99%的置信水平检验，即黑子相对数越大，旱涝等级越大，干旱的程度就越大，反之，黑子相对数越小，旱涝等级越小，雨涝的程度就越大。环渤海地区18次旱灾中10次发生在黑子活动下降段，4次发生在上升段，3次发生在峰值年，1次发生在谷值年；14次涝灾中有9次发生在黑子活动下降段，4次发生在上升段，还有1次发生在谷值年。太阳黑子活动的单数周期(21、23周)内发生旱灾11次、涝灾仅3次，即易发生旱灾；而太阳黑子活动的双数周期(20、22周)内则发生旱灾7次、涝灾7次，即旱涝灾害交替发生。而目前正处于太阳黑子活动的第24周，故环渤海地区很可能是旱涝灾害交替发生。

图4 太阳黑子活动与环渤海地区旱涝等级的关系Fig.4 The relationship between Sunspots and the drought and flood level over circum-Bohai-region

3.3 ENSO事件与旱涝灾害的相关性

ENSO事件是EL Nino(暖事件)和LA Nina(冷事件)的统称[27-28]。为了更好地反应出海表温度的变化情况，文中选取Nino3.4区的海表温度距平(SSTA)作为表征ENSO的指标，以此判别冷暖事件。将Nino3.4区海表温度距平值持续6个月以上高于正常值的年份定义为EL Nino年；将Nino3.4区海表温度距平值持续6个月以上低于正常值的年份定义为LA Nina年[18]。据此统计可得，1961-2013年间ENSO暖事件年份有19个；ENSO暖事件年份有18个；正常年份有16个。为了进一步研究ENSO事件发生和变化的特征，文中根据Nino3.4区海表温度距平值的高低将ENSO暖事件按强(3)、中等(2)、弱(1)的标准，将ENSO冷事件按强(-3)、中等(-2)、弱(-1)的标准划分为不同等级[18]。

对ENSO事件与1961-2013年环渤海地区旱涝指数的相关性进行分析(图5)，从整体上来看，ENSO事件与相应年份的旱涝指数呈明显负相关关系，且通过了90%的置信水平检验，即EL Nino事件强度越大，旱涝指数越小，旱灾发生的可能性就越大，反之，LA Nina事件强度越大，旱涝指数越大，涝灾发生的可能性就越大。从年代变化来看，ENSO事件与旱涝指数均呈负相关关系(仅20世纪80年代呈微弱正相关)，其中20世纪70年代的负相关显著性通过了95%的置信水平检验，60年代、21世纪初14 a的负相关显著性均通过了90%的置信水平检验。EL Nino事件强度到达峰值时(1972，1982-1983，1997，2009年)，旱涝指数波动曲线多位于谷值，或存在约1 a的偏差；LA Nina事件强度到达峰值时，旱涝指数波动曲线或位于峰值(1973、2007、2010年)，或位于谷值(1988、1999年)，可能存在约1 a的偏差。

统计分析ENSO事件对应年份的旱涝灾害分布特征(表4)，以便发现ENSO事件与环渤海地区旱涝特征的具体关系。1961-2013年间环渤海地区旱涝灾害总频次达32次，发生在ENSO事件年份的共24次(占75%)，其中EL Nino年和LA Nina年各发生12次。19个EL Nino年中，旱涝灾害频次占63.16%，包括10次旱灾(3次重旱、5次大旱、2次偏旱)，2次涝灾(1次重涝、1次大涝)；18个LA Nina年中，旱涝灾害频次占66.67%，包括8次涝灾(5次重涝、1次大涝、2次偏涝)，3次旱灾(1次重旱、1次大旱、1次偏旱)。综上所述，环渤海地区在EL Nino年和LA Nina年发生旱涝灾害的频率基本一致，且在EL Nino年发生旱灾的概率明显高于涝灾；而在LA Nina年则是发生涝灾的概率大于旱灾。因此，环渤海地区在EL Nino年前后需加强旱灾的防治，反之在LA Nina年应偏重于涝灾的防治。

进一步分析ENSO事件强度与环渤海地区旱涝灾害等级分布特征的相关性(图6)可知，二者呈显著正相关关系，且通过了95%的置信水平检验，即EL Nino事件强度越大，旱涝等级越小，干旱的程度就越大，反之，LA Nina事件强度越大，旱涝等级越大，雨涝的程度就越大。环渤海地区18次旱灾中10次发生在EL Nino年，4次发生在LA Nina年，4次发生在正常年份。其中，5次重旱发生在EL Nino年和LA Nina年的概率分别为60%和40%；10次大旱中，50%发生在EL Nino年，40%发生在正常年份，还有10%发生在LA Nina年；3次偏旱中，发生在EL Nino年和LA Nina年的概率分别为66.7%和 33.3%。此外，环渤海地区14次涝灾中有8次发生在LA Nina年，4次发生在正常年份，还有2次发生在EL Nino年。其中，7次重涝中发生在LA Nina年的概率为71.4%，正常年份和EL Nino年的发生概率均为14.3%；3次大涝在LA Nina年、EL Nino年和正常年份各发生1次；4次偏涝的发生概率为LA Nina年和正常年份各占50%。

图5 ENSO事件与环渤海地区旱涝指数的关系Fig.5 The relationship between ENSO events and the drought and flood index over circum-Bohai-region

表4 EL Nino年和LA Nina年的环渤海地区旱涝特征

图6 ENSO事件与环渤海地区旱涝等级的关系Fig.6 The relationship between ENSO events and the drought and flood level over circum-Bohai-region

3.4 时间序列周期的相关性分析

运用Morlet连续复小波对比分析环渤海地区旱涝指数、太阳黑子活动及ENSO事件的时间序列周期变化(图7)，其中横轴对应时间位移，而纵轴则对应时间尺度。分析太阳黑子活动的时间序列变化(图7a)，发现太阳黑子活动存在8～11 a左右的准周期变化，且1961-2013年间表现为黑子活动平静期和黑子活动活跃期的5次交替发生过程。其中，黑子活动活跃期包括1968-1972年， 1978-1982年，1989-1993年，1999-2003年，2010年至今；黑子活动平静期包括1963-1967年，1973-1977年，1984-1988年，1994-1998年，2005-2009年。

分析ENSO事件的时间序列演变过程(图7b)，可知ENSO事件存在6～12 a左右的周期变化，且在1961-2013年间表现为暖事件时期和冷事件时期的5次交替发生过程。其中，1962-1967年、1978-1984年、1990-1995年、2001-2004年、2008-2010年为暖事件时期；而1970-1976年、1986-1989年、1996-2001年、2005-2007年、2011年至今为冷事件时期。此外，ENSO事件的时间序列变化过程存在明显的周期缩短现象。

分析环渤海地区旱涝指数的时间序列变化(图7c)，得出其旱涝指数存在7～10 a(小尺度)、15～17 a(中尺度)、40 a(大尺度)左右的准周期变化，且对应于旱涝指数的各时间尺度周期，均表现为降水充沛期与降水偏少期的交替发生过程。尤其是对应于7～10 a(小尺度)的旱涝指数演变，存在5次旱涝交替过程，分别是1961-1965年，1972-1976年，1983-1987年，1993-1997年，2001-2005年的降水充沛期和1966-1971年，1978-1983年，1988-1992年，1998-2000年，2006-2010年的降水偏少期。此外，各时间尺度周期整体呈下滑趋势，尤其是小尺度时间周期变化表现出一定的年代特征，其中20世纪60-70年代的较强振幅周期为10 a；20世纪80-90年代的较强振幅周期为8～9 a；21世纪以来的较强振幅周期为6～7 a。

对比分析可得，首先环渤海地区的旱涝指数小尺度时间周期与太阳黑子活动表现为良好的对应关系，即黑子活动平静期对应降水充沛期，黑子活动活跃期对应降水偏少期，表明太阳黑子活动对环渤海地区的旱涝交替有较大影响。未来几年太阳黑子活动将从活跃期向平静期过度，受其影响环渤海地区很可能由降水偏少期转为降水充沛期。其次，环渤海地区的旱涝指数小尺度时间周期与ENSO事件对应关系不太一致，存在交错的现象，但旱涝指数各时间尺度周期的下滑很可能是受到ENSO事件的带动和影响，表明ENSO事件对环渤海地区旱涝周期有较大影响。

图7 太阳黑子活动(a)、ENSO事件(b)和环渤海地区旱涝指数(c)小波分析图Fig.7 The wavelet analysis of Sunspots (a), the ENSO events (b) and the drought and flood index over circum-Bohai-region (c)

4 结 论

本文研究了1961-2013年环渤海地区旱涝变化特征，并深入分析引发旱涝灾害的相关机理，得出以下结论：

1) 近53 a环渤海地区旱涝灾害频发，但旱灾略多于涝灾，故整体偏旱，且干旱略有加重趋势。

2) 黑子相对数与环渤海地区旱涝指数呈显著负相关性，与旱涝等级呈显著正相关性；旱涝灾害在黑子极大值年附近的发生频率高于极小值年，且极大值年附近的旱灾明显多于涝灾；黑子活动的单数周期内易发生旱灾，双数周期内则旱涝灾害交替发生。

3) ENSO事件与旱涝指数呈明显负相关性，与旱涝等级呈显著正相关性；旱涝灾害在EL Nino年和LA Nina年的发生频率基本一致，且EL Nino年旱灾发生概率明显高于涝灾。

4) 太阳黑子活动与旱涝指数小尺度周期对应关系良好，即黑子活动平静期对应降水充沛期，黑子活动活跃期对应降水偏少期，故太阳黑子活动对旱涝交替有较大影响；ENSO事件与旱涝指数小尺度周期对应关系不太一致，存在交错现象，但ENSO事件对旱涝指数各尺度周期的下滑有较大影响。

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Statistical study of the relationship between the drought and flood over circum-Bohai-region and the Sunspot activity and ENSO

WANGLulu,YANJunping,HANXiaomin

(College of Tourism and Environment Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

Based on monthly measured precipitation data of 60 meteorological stations over circum-Bohai-region from 1961 to 2013, the level and distribution years of the drought and flood were determined by usingZindex. In order to explore the relative mechanism of the drought and flood over circum-Bohai-region, correlation analysis between the Sunspot activities and the drought and flood, and between ENSO events and the drought and flood was conducted, respectively, by using frequency analysis and Morlet wavelet method. The results showed that: ① The drought and flood occurred frequently, and the drought was slightly higher than the flood over circum-Bohai-region from 1961 to 2013. ② There was a significant negative correlation between relative Sunspot number and drought and flood index, and a significant positive correlation between relative Sunspot number and drought and flood level. The frequency of occurrence of the drought and flood in the Sunspot maximum years was higher than in the minimum years,and the drought was significantly more than the flood in the Sunspot maximum years. It was prone to the drought in singular cycle of Sunspot activity, while the drought and flood occurred alternately within dual period of Sunspot activity. ③ There was a significant negative correlation between ENSO events and drought and flood index,and a significant positive correlation between ENSO events and drought and flood level. The frequency of the drought and flood was the same in the EL Nino years and LA Nina years, and probability of the drought was significantly higher than the flood in the EL Nino years. ④ There was a good corresponding relationship between the Sunspot activities and small scale period of drought and flood index , namely, the quiet period of Sunspot corresponded to the abundant precipitation period and the active period of Sunspot corresponded to the less rainfall period, indicating that the Sunspot activities had a great influence on the alternating of drought and flood. The corresponding relationship was not consistent between ENSO events and small scale period of drought and flood index with the existence of staggered phenomenon, while ENSO events had great effect on the slipping of each scale period of drought and flood index.

the drought and flood; Sunspot; the ENSO events; circum-Bohai-region

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.01.021

2015-01-20

国家自然科学基金资助项目(41171090)；国家社会科学基金重点资助项目(14AZD094)

王璐璐(1989年生)，女；研究方向：区域开发与城乡发展；通讯作者：延军平;E-mail:yanjp@snnu.edu.cn

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0529-6579(2016)01-0123-08