遼寧省旱澇災(zāi)害與太陽(yáng)黑子活動(dòng)的相關(guān)性

韓曉敏，延軍平，李敏敏，吳夢(mèng)初

（陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062）

近年來(lái)在全球氣候變暖的大背景下，極端氣候事件頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每年氣象災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)全國(guó)GDP的3%～6%，旱澇為對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最嚴(yán)重的自然災(zāi)害［1］。馬建勇等［2］通過(guò)對(duì)影響遼寧省糧食作物產(chǎn)量因素的研究發(fā)現(xiàn)，旱澇占主導(dǎo)地位。造成旱澇災(zāi)害的原因是多方面的，其中太陽(yáng)活動(dòng)這個(gè)因素越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界的重視，太陽(yáng)黑子活動(dòng)對(duì)地球氣候、水文的變化會(huì)有一定的調(diào)制作用，這種作用有時(shí)間和區(qū)域特性［3］。區(qū)域特性表現(xiàn)為地球上不同區(qū)域的雨量在同一時(shí)期里與太陽(yáng)黑子數(shù)的峰谷變化有不同的關(guān)系。趙娟等［4］應(yīng)用小波分析，研究了太陽(yáng)黑子活動(dòng)與北京地區(qū)降水的關(guān)系，認(rèn)為太陽(yáng)黑子活動(dòng)與北京地區(qū)年降水量密切相關(guān)；董立峰等［5］研究黃河三角洲旱澇災(zāi)害與太陽(yáng)黑子的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)黃河三角洲在太陽(yáng)黑子谷年附近易發(fā)生洪澇災(zāi)害，而在太陽(yáng)黑子峰年附近則易發(fā)生旱災(zāi)；趙小娟等［6］對(duì)秦嶺南北旱澇災(zāi)害誘災(zāi)因子的研究發(fā)現(xiàn)關(guān)中陜南地區(qū)旱澇指數(shù)與太陽(yáng)黑子呈正相關(guān)，大致上呈11a周期左右。

目前，對(duì)遼寧省旱澇特征本身進(jìn)行研究的文章甚多，但是對(duì)該地區(qū)旱澇變化與太陽(yáng)黑子的相關(guān)性研究的文章較少。因此文中采用降水Z指數(shù)，頻率分析，Morlet小波分析等方法對(duì)太陽(yáng)黑子活動(dòng)與遼寧省旱澇災(zāi)害的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為該地區(qū)人民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活以及為當(dāng)?shù)夭块T(mén)及時(shí)制定科學(xué)有效的救災(zāi)防災(zāi)措施提供理論幫助。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于中國(guó)東北地區(qū)的南部，地理坐標(biāo)為118°50′—125°47′E，38°43′—43°29′N(xiāo)。地處東北亞地區(qū)的中心部位，南臨渤海、黃海，西南與河北省交界，西北與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，東北與吉林省接壤，東南隔鴨綠江與朝鮮半島相望。遼寧省地勢(shì)大體為北高南低，從陸地向海洋傾斜；山地丘陵分列于東西兩側(cè)，向中部平原傾斜。地貌劃分為3大區(qū)：東部山地丘陵區(qū)，西部山地丘陵區(qū)，中部平原。氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，日照豐富，春秋季短，四季分明，年降水量714.9mm，無(wú)霜期平均為130d，年平均氣溫在5.4～11℃。

2 資料來(lái)源與方法

2.1 資料來(lái)源

根據(jù)氣象資料的完整度，本文選取了遼寧省22個(gè)站點(diǎn)1956—2011年的逐月平均降水量，資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)、遼寧氣象局。太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)年平均值取自網(wǎng)站http：∥sidc.oma.be／index.php3。

2.2 研究方法

主要應(yīng)用Z 指數(shù)［7－8］，Morlet連續(xù)復(fù)小波變換［9－11］，氣候傾向率及其他數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。

2.2.1 降水Z指數(shù) 由于某一時(shí)段的降水量一般不服從正態(tài)分布，而是服從PersonⅢ型分布，Z指數(shù)能夠消除降水量平均值不同的影響，對(duì)降水量進(jìn)行處理而得到服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的序列，對(duì)旱澇程度具有良好的反應(yīng)能力［12］。現(xiàn)假設(shè)該地區(qū)降水量服從PersonⅢ型分布，對(duì)降水量R進(jìn)行正態(tài)化處理，可將概率密度函數(shù)PersonⅢ型分布轉(zhuǎn)換為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其轉(zhuǎn)換公式為：

式中：Cs——偏態(tài)系數(shù)；φi——標(biāo)準(zhǔn)變量。Cs，φi均可由降水資料序列計(jì)算求得，計(jì)算公式為：

通過(guò)對(duì)遼寧省22個(gè)氣象站點(diǎn)1956－2011年Z指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)表1確定遼寧省各地的旱澇等級(jí)。發(fā)現(xiàn)每級(jí)的理論頻率和實(shí)際頻率均較為接近，表明該Z指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)能夠反映實(shí)際情況，可以用于研究遼寧省的旱澇氣候變化特征。

表1 Z指數(shù)旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)及遼寧省1956－2011年旱澇實(shí)際出現(xiàn)頻率

2.2.2 Morlet連續(xù)復(fù)小波變換 時(shí)間序列的周期演變是自然和社會(huì)中常見(jiàn)的現(xiàn)象，年內(nèi)、年際降雨和溫度的變化都表現(xiàn)出明顯的周期性。在氣候診斷中，廣泛使用的傅里葉變換可以顯示出氣候序列變化不同尺度的相對(duì)貢獻(xiàn)；小波變換不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯現(xiàn)出變化的時(shí)間位置。目前，小波分析已廣泛應(yīng)用于氣象和氣候序列的時(shí)頻結(jié)構(gòu)分析中，研究成果顯著。本文選用 Morlet連續(xù)復(fù)小波變換對(duì)遼寧省1956—2011年的Z指數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行周期性分析，其形式為：

式中：φ（x）——基本小波或母小波；x——時(shí)間；w0——常數(shù)。小波系數(shù)實(shí)部反映了給定時(shí)間和尺度下，相對(duì)于其他時(shí)間和尺度信號(hào)的強(qiáng)弱和位相兩方面的信息。

3 結(jié)果與分析

3.1 旱澇頻次分布

根據(jù)表1中旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將遼寧省1956—2011年的旱澇指數(shù)進(jìn)行分級(jí)（圖1）。由圖1可知，該地區(qū)旱澇情況整體趨勢(shì)為由澇轉(zhuǎn)旱。由年降水量5a滑動(dòng)平均值可以看出，20世紀(jì)50—60年代末期，該地區(qū)以雨澇為主；70—80年代初期正常年份居多；80—90年代后期旱澇交替出現(xiàn)，且旱災(zāi)多于澇災(zāi)；進(jìn)入21世紀(jì)后，旱災(zāi)發(fā)生次數(shù)顯著增多，呈現(xiàn)干旱化現(xiàn)象。

由表2可知，遼寧省在近56a來(lái)共發(fā)生旱災(zāi)18次，澇災(zāi)16次，兩者發(fā)生次數(shù)幾乎相等。統(tǒng)計(jì)其各級(jí)發(fā)生年份，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)發(fā)生重旱、重澇各3次，分別占56a中的5.36%；大旱6次，所占比例為10.71%；大澇5次，占8.93%；偏旱9次，所占比例為16.07%；偏澇8次，占14.29%。

圖1 遼寧省1956－2011年旱澇指數(shù)等級(jí)變化

表2 1956－2011年遼寧省旱澇年份分布

3.2 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)與遼寧省旱澇災(zāi)害的關(guān)系

3.2.1 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)的變化特征 根據(jù)國(guó)際上的規(guī)定，以1755年作為第一個(gè)太陽(yáng)黑子周的開(kāi)始，依次排列。1956—2011年56a間共經(jīng)歷了從1954年開(kāi)始的第19，20，21，22，23個(gè)太陽(yáng)黑子活動(dòng)周并且正在經(jīng)歷第24個(gè)周期［13］。其中共出現(xiàn)5個(gè)M年（根據(jù)瓦爾德邁爾對(duì)太陽(yáng)黑子周期的描述用M和m分別表示各個(gè)周期中太陽(yáng)黑子數(shù)的極大值年和極小值年的年份），分別是1957，1968，1979，1989和2000年；5個(gè)m 年，即1964，1976，1986，1996和2008年（圖2）。太陽(yáng)黑子的谷值年和峰值年，也是太陽(yáng)輻射的一種異常變化，在其數(shù)量上主要有11，22，90，180a的變化周期［14］。

圖2 遼寧省1956－2011年旱澇指數(shù)與太陽(yáng)黑子的相關(guān)關(guān)系

3.2.2 太陽(yáng)黑子活動(dòng)與遼寧省旱澇相關(guān)性分析 從近56a來(lái)太陽(yáng)黑子活動(dòng)與遼寧省Z指數(shù)的相關(guān)性分析可以看出：（1）整體上各年太陽(yáng)黑子數(shù)與該地區(qū)的Z指數(shù)呈反相關(guān)關(guān)系，太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)越大，Z指數(shù)越小，即發(fā)生干旱的可能性越大；反之，太陽(yáng)黑子數(shù)越小，Z指數(shù)越大，發(fā)生洪澇的的可能性越大。（2）20世紀(jì)50年代中期到60年代中期遼寧省旱澇指數(shù)與太陽(yáng)黑子數(shù)呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，60年代后期到70年代中期二者關(guān)系不太明顯，70年代后期到90年代初期又呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，1991—1993年二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，之后又呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。2009年為太陽(yáng)黑子的谷值年，到2011年旱澇指數(shù)達(dá)到最大，出現(xiàn)了2a的滯后現(xiàn)象。

3.2.3 太陽(yáng)黑子極值年附近的旱澇特征 為了便于統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)太陽(yáng)黑子極小值年和極大值年附近的旱澇指數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表3）。遼寧省在太陽(yáng)黑子數(shù)極小值年前后的15a中，共有4a出現(xiàn)澇災(zāi)（2次重澇、2次大澇），3a出現(xiàn)旱災(zāi)（1次偏旱、2次大旱），澇災(zāi)占15a中的26.7%，旱災(zāi)占20%，澇災(zāi)多于旱災(zāi)，旱澇災(zāi)害年份與正常年份基本相當(dāng)；在太陽(yáng)黑子數(shù)極大值年前后的15a中，共有8a出現(xiàn)旱災(zāi)（3次重旱、2次大旱、3次偏旱），2a出現(xiàn)澇災(zāi)（1次偏澇、1次大澇），旱災(zāi)占15a中的53.3%，澇災(zāi)占13.3%，旱災(zāi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于澇災(zāi)?？梢?jiàn)，太陽(yáng)黑子數(shù)極小值年前后出現(xiàn)澇災(zāi)的頻率較大；太陽(yáng)黑子極大值年前后出現(xiàn)旱災(zāi)的頻率較大。

表3 遼寧省太陽(yáng)黑子極值年附近的特征

進(jìn)一步分析太陽(yáng)黑子數(shù)極值與旱澇等級(jí)（旱澇等級(jí)越大，其所在年份越旱）的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)（圖3），太陽(yáng)黑子數(shù)極值與旱澇等級(jí)呈正相關(guān)，太陽(yáng)黑子數(shù)越大，旱澇等級(jí)越高，干旱程度越大；太陽(yáng)黑子數(shù)越小，旱澇等級(jí)越低，雨澇程度越大。在太陽(yáng)黑子5個(gè)峰值年中，1968，1989，2000年當(dāng)年，該地區(qū)旱澇等級(jí)為6，7，即達(dá)到重旱與大旱的程度，1957，1979年太陽(yáng)黑子達(dá)到峰值年時(shí)，旱澇等級(jí)在1958，1980年才達(dá)到波動(dòng)曲線(xiàn)的峰值，即在峰值附近下降段出現(xiàn)，有1a左右的滯后性；在太陽(yáng)黑子5個(gè)谷值年中，除2008年（太陽(yáng)黑子達(dá)到谷值年，旱澇等級(jí)在2010年達(dá)到谷值）以外，其余各年旱澇等級(jí)均在太陽(yáng)黑子谷值年之前1～3a達(dá)到谷值，即在谷值附近下降段出現(xiàn)。

綜上所述，該地區(qū)在太陽(yáng)黑子峰值年或峰值年附近易出現(xiàn)旱年，在太陽(yáng)黑子谷值年或谷值年附近易出現(xiàn)澇年，這與李可軍等［15］的研究結(jié)果一致。在黑子峰值年份，中緯度雨量較少，旱年居多。2009年進(jìn)入太陽(yáng)黑子第24周，目前正處于峰值附近階段，發(fā)生旱年的概率較大。因此，遼寧省應(yīng)該做好抗旱準(zhǔn)備，及時(shí)啟動(dòng)干旱預(yù)警緊急方案，開(kāi)展抗旱工作；必要時(shí)進(jìn)行人工增雨，盡可能減少干旱帶來(lái)的損失。

3.3 遼寧省旱澇指數(shù)的小波分析

遼寧省年降水Z指數(shù)與相應(yīng)年份太陽(yáng)黑子小波系數(shù)的對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 1956－2011年遼寧省Z指數(shù)和太陽(yáng)黑子數(shù)小波分析注：Z指數(shù)小波系數(shù)的實(shí)線(xiàn)表示澇，虛線(xiàn)表示旱；太陽(yáng)黑子小波系數(shù)的實(shí)線(xiàn)表示峰值期，虛線(xiàn)表示低谷期。

由圖4a可以看出，遼寧省旱澇指數(shù)存在7～12a，20a左右的準(zhǔn)周期變化。其中在對(duì)應(yīng)于7～12a左右的Z指數(shù)演變，主要存在5個(gè)時(shí)間尺度的交替，它們分別是1960—1965，1972—1977，1985—1988，1993—1998，2005—2011年的降雨充沛期和1956—1960，1966—1971，1979—1984，1989—1993，1999—2004年的降水偏少期。

由圖4b可以看出，太陽(yáng)黑子存在8～11，17～22a左右準(zhǔn)周期變化。其中太陽(yáng)黑子在8～11a的周期交替過(guò)程中存在兩個(gè)活動(dòng)期：（1）黑子活動(dòng)活躍期：1956—1961，1968—1972，1978—1982，1989—1992，1999—2003年；（2）黑子活動(dòng)低谷期：1962—1967，1973—1976，1984—1988，1994—1998和2005年至今。

綜合分析可得，太陽(yáng)黑子與Z指數(shù)在7～12a有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，太陽(yáng)黑子的活躍期對(duì)應(yīng)降水偏少期，太陽(yáng)黑子的低谷期對(duì)應(yīng)降水充沛期，說(shuō)明太陽(yáng)黑子的變化對(duì)遼寧地區(qū)降水有較大的影響，未來(lái)幾年處于太陽(yáng)黑子的活躍期附近，降水為偏少期。

4 討論

雖然總體上太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)氣候的影響已被學(xué)術(shù)界公認(rèn)并已取得許多研究成果，但由于氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)各地區(qū)氣候的影響構(gòu)成一幅十分復(fù)雜的圖案。遼寧省的旱澇災(zāi)害與太陽(yáng)黑子活動(dòng)也并不完全對(duì)應(yīng)，這說(shuō)明旱澇變化除了受太陽(yáng)黑子活動(dòng)影響外還受其他因素的影響。研究表明，厄爾尼諾，拉尼娜事件是低緯度海氣相互作用的強(qiáng)年季氣候信號(hào)，是造成全球氣候異常的重要因子［16］。另外，氣候異常還受到多種局地因素和人類(lèi)活動(dòng)的影響。因此對(duì)遼寧省旱澇災(zāi)害的影響因素還有待于進(jìn)一步深入研究。本文從年尺度分析了遼寧省旱澇與太陽(yáng)黑子活動(dòng)的相關(guān)性，遼寧省屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其降雨量集中在夏秋兩季，有待于我們從季尺度進(jìn)行深入分析。

5 結(jié)論

（1）遼寧省近56a中旱澇發(fā)生頻率基本相等，旱澇情況整體趨勢(shì)為由澇轉(zhuǎn)旱，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，旱災(zāi)發(fā)生次數(shù)顯著增多，呈現(xiàn)干旱化現(xiàn)象。遼寧省在近56a來(lái)共發(fā)生旱災(zāi)18次，占32.14%；發(fā)生澇災(zāi)16次，占25.28%，兩者發(fā)生次數(shù)幾乎相等。

（2）通過(guò)分析太陽(yáng)黑子數(shù)與Z指數(shù)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，各年太陽(yáng)黑子數(shù)與該地區(qū)的Z指數(shù)整體上呈反相關(guān)關(guān)系；太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)越大，Z指數(shù)越小，即發(fā)生干旱的可能性越大；反之，太陽(yáng)黑子數(shù)越小，Z指數(shù)越大，發(fā)生洪澇的的可能性越大。

（3）在太陽(yáng)黑子數(shù)極大值年前后的15a中，旱災(zāi)占53.3%，澇災(zāi)占13.3%，旱災(zāi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于澇災(zāi)；太陽(yáng)黑子數(shù)極小值年前后，澇災(zāi)占26.7%，旱災(zāi)占20%，澇災(zāi)多于旱災(zāi)。該地區(qū)在太陽(yáng)黑子峰值年或峰值年附近易出現(xiàn)旱年，在太陽(yáng)黑子谷值年或谷值年附近易出現(xiàn)澇年，目前正處于峰值附近階段，發(fā)生旱年的概率較大。

（4）經(jīng)小波分析發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)黑子與Z指數(shù)在7～11a有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，太陽(yáng)黑子的活躍期對(duì)應(yīng)降水偏少期，太陽(yáng)黑子的低谷期對(duì)應(yīng)降水豐沛期，說(shuō)明太陽(yáng)黑子的變化對(duì)遼寧地區(qū)降水有較大的影響，未來(lái)幾年處于太陽(yáng)黑子的活躍期附近，降水為偏少期。

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