流域降水与大尺度气候因子关系识别

罗亚松，黄凯，于翚

（1.贵州省水利水电勘察设计研究院，贵州贵阳550001；2.水利部海河水利委员会，天津300170）

流域降水与大尺度气候因子关系识别

罗亚松1，黄凯1，于翚2

（1.贵州省水利水电勘察设计研究院，贵州贵阳550001；2.水利部海河水利委员会，天津300170）

根据滦河流域21个雨量站的月平均降水资料，采用偏相关分析法分析了北极涛动指数、东/北太平洋指数（EP-NP）、北大西洋涛动指数（NAO）、尼诺3.4指数（NINO 3.4）、太平洋/北美指数（PNA）和西太平洋指数（WP）6个大尺度气候因子对滦河流域降水的影响。结果表明，AO是影响滦河潘家口水库控制流域降水的主要因素之一。另外，NINO 3.4指数与EP-NP指数对流域降水的作用相互影响也较显著。

滦河流域；气候；降水；偏相关分析法；气候因子

滦河流域地处多个城市经济发展区域，随着经济的不断发展，对水资源的需求量不断增大。但是由于全球气候发生变化，流域干旱问题日益突出[1]。流域干旱主要发生在1961、1963、1972、1980—1984、2002、2007和2009年。严中伟等[2]研究表明，滦河流域降水在1965年发生了一次气候变化，1965年以后流域降水尤其是夏季降水明显减少，总体降水量呈逐渐减少的趋势。黄刚等[3]对这种趋势作了进一步的分析指出，滦河流域在1965年发生气候跃变后干旱趋势逐渐加剧，一直持续到20世纪90年代。其中，1972年干旱作为跃变后的第一次严重干旱，是流域历史上罕见的春夏两季连续干旱。流域降水作为干旱发生的主要原因，探讨对降水有影响的大尺度气候因子识别是十分必要的。

1 数据来源

数据主要为1965—2012年滦河潘家口水库控制流域21个雨量站的月平均降水资料。大尺度气候因子指数有北极涛动指数（AO）、东/北太平洋指数（EP-NP）、北大西洋涛动指数（NAO）、尼诺3.4指数（NINO 3.4）、太平洋/北美指数（PNA）和西太平洋指数（WP），这6个指数均来源于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的http：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices。

2 偏相关分析法

大尺度气候因子变化对流域降水的影响是复杂且相互影响的过程，为了排除气候因子间的相互影响，首先用传统的相关分析法对流域降水距平百分率Pa和气候因子x1间的相关性进行分析，然后用偏相关分析法来排除控制因子x2对相关性的影响，具体定义为：

式中：r12，3表示变量Pa与因子x1排除因子x2影响的偏相关系数；r12为Pa与x1的线性相关系数；r13为Pa与x2的线性相关系数；r23为x1和x2的线性相关系数。最后用T检验来验证相关系数的置信水平。由于大尺度气候因子与流域降水存在的是遥相关关系，因此当相关系数大于0.4时即认为相关性明显，当相关系数大于0.3时即认为存在一定的相关性。

3 大尺度气候因子识别

3.1 北极涛动（AO）和北大西洋涛动（NAO）

北极涛动（AO）是指北半球中纬度地区45°N左右到北极地区的气压差偶极子变化。而北大西洋涛动（NAO）是指北半球一个由北向南的偶极子异常模型，其中一个中心位于格陵兰岛、另一个中心位于北纬30°～40°的大西洋区域。AO和NAO对北半球的气温和降水等气候特征都有显著的影响[4-5]。对滦河流域降水量变化的控制，AO/NAO主要是通过乌拉尔山脉—蒙古高原—鄂霍茨克海域位势高度变化来控制中高纬度西风带的强弱，进而实现对流域空气温度及湿度的影响来实现的。从影响机理上来说，AO和NAO在本质上是同一种气候变化影响因素在不同时期和特定条件下不同的表现[6]。表1为不同气候因子作为控制变量条件下AO与流域Pa的偏相关分析结果；图1为排除不同控制因子条件下AO与0个月滞后降水偏相关系数相对互相关系数变化情况。

从表1可以看出，同时期AO与流域降水指数相关性最大，互相关系数为0.361，置信度水平99%，随后相关系数逐渐减小，在降水相对AO滞后12个月时间尺度时表现出负相关性，随后负相关性增大，在降水滞后24个月时间尺度时负相关性达到最大，互相关系数为-0.226。

结合表1及图1可以看出，排除不同控制因子后AO与流域降水的偏相关系数最大值均出现在降水相对AO滞后0月的时间尺度中，即同时期的AO与流域降水相关性最显著。其中，以EP-NP作为控制变量，AO与降水的偏相关系数较互相关系数增大了0.041，达到了0.402，且置信水平为99%；以NAO作为控制变量，AO与流域降水的相关性明显减弱，偏相关系数减少到0.287，减少幅度为20.5%，置信水平低于95%。而将NINO 3.4作为控制因子时，AO与流域降水的相关性变化不明显，偏相关系数较互相关系数仅减少0.008，因此可认为NINO 3.4因子对AO与流域降水的相关性影响不明显。

表1 AO与Pa互相关系数及排除不同气候因子影响后偏相关系数

图1 排除不同控制因子下AO与0个月滞后降水相关系数分析

由表2可知，NAO指数与滦河流域降水指数相关性变化趋势与AO相反，同时期的NAO指数与流域降水指数的相关系数较低，无显著相关性。从互相关系数变化过程分析来看，降水指数相对NAO滞后0～9个月时间尺度内相关系数均小于0.1，没有明显的相关性。互相关系数在降雨滞后12个月时间尺度时明显增大，并且在滞后24个月时间尺度上达到最大，为0.239，且置信水平为90%。但是，NAO与降水指数的相关系数均未超过0.300，因此NAO与滦河流域降水指数无显著相关性。

结合表2和图2，除了以AO作为控制因子外，排除其它控制变量影响后NAO与滞后24个月时间尺度的降水指数相关性达到最大，但相关系数均未超过0.30，因此没有显著的相关性。其中，排除AO影响后偏相关系数相对于互相关系数减少明显，减少幅度达88.3%。因此，AO对NAO与滦河流域降水的相关性具有很大的影响。

表2 排除不同气候因子影响后NAO与降水指数偏相关分析结果

0.3

偏相关系数

偏相关系数-互相关系数

-0.211-0.0290.002-0.0290.009

0.239

0.25

系0.15

数

关

相

0.2

0.1

0.05

0

AOEP-NPNINO 3.4PNAWP

控制因子

图2排除不同控制因子后

NAO与24个月滞后降水相关系数分析3.2西太平洋指数

西太平洋指数（WP）是指一个位于中高纬度西太平洋区域南北向的偶极子海温异常。这个海温异常模型中的一个中心位于堪察加半岛周边海域，而另外一个中心位于东南亚及副热带西太平洋区域。这一区域海温的正负异常通过改变东亚急流入口区域气压来影响西太平洋副热带高压向西影响的强度。正的WP指数代表了中纬度北太平洋西部区域海温值高于同期多年平均值，而在堪察加半岛区域内的海温要低于平均值。

与3.1中的方法相同，得到了WP与Pa的互相关系数。WP指数与滦河流域降水指数相关性随着滞后时间呈先增后减的趋势。同时期西太平洋海温与流域降水相关性不明显，互相关系数仅为0.003，随后相关系数逐渐增大，WP指数与滦河流域相对滞后12个月时间尺度的降水指数相关性最大，其中互相关系数为0.402、置信水平为99%。降水指数相对WP滞后超过12个月时间尺度后相关系数变为负值，其中在相对滞后24个月时间尺度时负相关系数最大，为-0.245.

排除各控制因子后降水指数与WP指数相关性变化均不明显，由此可认为WP指数对滦河流域降水过程影响相对独立，不受其它气候因子的显著影响。

3.3 NINO 3.4指数

NINO 3.4指数表示北纬5°—南纬5°，西经170°—120°区域内海表面温度的异常。正（负）NINO 3.4指数表示该区域内海温呈正（负）异常周期。

同时期NINO 3.4指数与流域降水指数相关性较弱，在降水相对滞后0～12个月时间尺度增大变化过程中相关系数逐渐增大，在12个月时间尺度时相关性最为显著，其中互相关系数为0.342，且置信水平大于95%。随后相关性逐渐减弱，在降水滞后24个月时间尺度上负相关性最明显，互相关系数为-0.263。

排除PNA指数影响后偏相关系数最大，为0.418，较互相关系数上升了22.2%。而排除EP-NP指数影响后，偏相关系数最小，为0.149，较互相关系数下降了43.6%。其它控制因子对相关性无显著影响。

3.4 东/北太平洋指数

EP-NP是一个发生在东北部太平洋海域的海温异常模型，共有3个海温异常中心。在EP-NP正值周期中北太平洋东部的表面温度高于平均值，而在北太平洋中部和北美东部的温度要低于平均值。这一指数的强弱对太平洋急流由北向南的移动有重要影响。

EP-NP指数与滦河流域降水指数相关系数随滞后时间的变化呈先增后减的趋势。同时期的EPNP指数与流域降水指数相关性相对较弱，互相关系数为0.244，随后相关系数逐渐增大，在降水相对滞后12个月时间尺度上互相关系数达到最大，为0.378，置信水平为99%。随后相关系数逐渐减少，在降水相对滞后24个月时间尺度上呈现一定的负相关性。

EP-NP与滦河流域降水指数在排除不同气候因子影响后偏相关系数存在一定的差异。其中，以NAO指数为控制因子，EP-NP指数与流域降水指数相关性显著，偏相关系数为0.405，置信水平为99%，较互相关系数上升了7.5%；以NINO3.4指数为控制因子，偏相关系数相对于互相关系数明显减少，其中降雨滞后12个月时间尺度的偏相关系数为0.256，为相同条件下各控制因子中最低值，较互相关系数下降了32.3%。

3.5 太平洋/北美指数

太平洋/北美指数（PNA）是指位于夏威夷群岛附近和阿留申群岛附近的偶极子气压模型。正PNA周期表示在夏威夷群岛附近位势偏高，在阿留申群岛附近偏低，而负周期则相反。

PNA指数与滦河流域降水指数相关系数均低于0.3，因此可认为两者无显著相关性。

4结论

利用偏相关分析法，分析了影响滦河流域1965—2012年降水的大尺度气候因子，主要结论如下：

（1）不同气候因子间存在一定的相互影响。其中，影响流域冷空气强度的AO与NAO间相互影响较为显著。将NAO作为控制因子，AO与降水指数的相关性减少幅度相对较小；而将AO作为控制因子后，流域降水与NAO的相关性就出现了很大程度的减少，相关性不明显。因此，NAO与流域降水的相关性可能很大程度上依赖于AO，因此AO是影响滦河潘家口水库控制流域降水的主要因素之一。另外，NINO 3.4指数与EP-NP指数对流域降水的作用相互影响较显著，分别作为控制因子时偏相关系数均有明显的降低，且二者所反映海域范围距离较近。

（2）同一气候因子与不同滞后时间尺度的滦河流域降水指数相关性存在明显差异，相关系数甚至相反。因此，大尺度气候因子的正负异常值交替出现可能对流域降水的影响更为明显。

[1]李伟森，袁淑琴，赵国华.潘家口水库上游滦河流域的水源现状及其发展趋势与防治对策的初步研究[J].天津职业大学学报，1998（2）：44-48.

[2]严中伟.60年代北半球夏季气候跃变过程的初步分析[J].大气科学，1992（1）：111-119.

[3]黄刚.与华北干旱相关联的全球尺度气候变化现象[J].气候与环境研究，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]韩添丁，丁永建，叶柏生，等.北大西洋涛动和北极涛动与新疆河川径流变化[J].冰川冻土，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

罗亚松（1978—），男，高级工程师，主要从事水利水电工程咨询和设计工作。