王 冰，林修棟，王培濤，張瑜潔

(1.山東省煙臺(tái)市氣象局，山東 煙臺(tái) 264003；2.山東省威海市石島氣象臺(tái)，山東 威海 264309；3.山東省濱州市氣象局，山東 濱州 256600)

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ENSO事件與膠東半島氣象干旱的相關(guān)性研究

王 冰1，林修棟2，王培濤3，張瑜潔1

(1.山東省煙臺(tái)市氣象局，山東 煙臺(tái) 264003；2.山東省威海市石島氣象臺(tái)，山東 威海 264309；3.山東省濱州市氣象局，山東 濱州 256600)

該文利用近42 a膠東半島地區(qū)24個(gè)氣象觀測(cè)站的降水資料和相關(guān)ENSO數(shù)據(jù)資料，基于降水距平百分率建立了氣象干旱指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，使用系統(tǒng)聚類分析的方法，對(duì)膠東半島的氣象干旱進(jìn)行了分區(qū)，得到了氣象干旱的空間分布，然后利用相關(guān)ENSO資料對(duì)其與膠東半島氣象干旱的相關(guān)性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，第1類區(qū)在厄爾尼諾年將明顯減少降水，拉尼娜年增加降水；對(duì)于第2類區(qū)，ENSO事件對(duì)當(dāng)?shù)氐慕邓绊懖幻黠@，對(duì)干旱的影響有限；第3類區(qū)在厄爾尼諾年將減少降水，拉尼娜年降水增加的不明顯；對(duì)第4類區(qū)來說，厄爾尼諾年降水減少的不明顯，拉尼娜年對(duì)當(dāng)?shù)亟邓疅o影響。利用2013—2014年的ENSO實(shí)況數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)論進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)暖事件對(duì)干旱吻合度較好，可以用作干旱預(yù)測(cè)。

ENSO；膠東半島；氣象干旱；降水距平百分率；系統(tǒng)聚類；空間分布；相關(guān)性

1 引言

每隔幾年赤道中、東太平洋的表層海水溫度會(huì)大規(guī)模持續(xù)異常偏暖，該現(xiàn)象被稱為厄爾尼諾，與之相反的海水溫度異常偏冷，則被稱為拉尼娜。在厄爾尼諾(拉尼娜)年份，東南太平洋與印度尼西亞—澳大利亞的氣壓場同時(shí)減弱(增強(qiáng))，兩地海平面氣壓出現(xiàn)反相關(guān)變化的現(xiàn)象叫做南方濤動(dòng)(Southern Oscillation，簡稱SO)。氣候?qū)W上，將熱帶地區(qū)海洋和大氣交互作用形成的厄爾尼諾與南方濤動(dòng)現(xiàn)象，合稱為ENSO。而厄爾尼諾與拉尼娜則分別為ENSO循環(huán)中的暖事件和冷事件[1-6]。由于海洋水溫變化與大氣環(huán)流形勢(shì)密切相關(guān)，區(qū)域氣候變化也受其影響，因此在局地氣候異常的研究中，ENSO通常為重要的考慮因素。

按照地理區(qū)劃指標(biāo)分區(qū)，位于亞歐大陸東部的膠東半島屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，為半干旱區(qū)到半濕潤區(qū)。但實(shí)際上，當(dāng)?shù)馗珊堤貏e是冬春干旱發(fā)生頻率較高，如2014年和2015年冬季到春季，當(dāng)?shù)亟邓謩e較常年同期偏少5成和3成以上，部分地區(qū)偏少7成以上，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活。據(jù)當(dāng)?shù)孛裾块T不完全統(tǒng)計(jì)，建國以來由干旱造成膠東半島農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100億元，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)150億元以上，如1998年10月到2001年6月的干旱僅對(duì)煙臺(tái)市就造成了達(dá)10億多元直接經(jīng)濟(jì)損失[7]。對(duì)于山東干旱的研究，多集中在山東西部半干旱地區(qū)的干旱成因研究，而對(duì)于ENSO與膠東半島的相關(guān)研究不多。奚秀芬等[8]研究發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾次年對(duì)應(yīng)山東半島夏季降水偏少，拉尼娜年對(duì)應(yīng)夏季降水為偏多。王慧[9]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析了環(huán)渤海地區(qū)近56 a來的氣候變化趨勢(shì)，認(rèn)為厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí)，環(huán)渤海地區(qū)當(dāng)年降水量減少次年增加，在拉尼娜事件中，年降水略有降少。應(yīng)該說研究結(jié)論不盡相同。那么在全球暖化的氣候背景下，ENSO與膠東半島干旱之間的相關(guān)性到底如何？能否利用ENSO的強(qiáng)弱情況對(duì)膠東半島的干旱進(jìn)行預(yù)測(cè)？本文利用相關(guān)氣象資料，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、分類等方法，分析了膠東半島地區(qū)近42 a的氣候特征及其與ENSO事件的相關(guān)性和影響程度，指出了ENSO事件中膠東半島不同地區(qū)的干旱變化情況。結(jié)論可以加強(qiáng)對(duì)膠東半島地區(qū)氣候變化特征的認(rèn)知度，為制定更符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的防旱減災(zāi)措施提供理論參考。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

分析數(shù)據(jù)包括近42 a膠東半島地區(qū)24個(gè)氣象觀測(cè)站的資料和中國氣象局國家氣候中心(http：//cmdp.ncc.cma.gov.cn/Monitoring/enso.php)的相關(guān)ENSO數(shù)據(jù)。24個(gè)氣象臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)主要為1971—2012年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。ENSO資料來源及其分類包括：1970—2012年ENSO事件的判定，如厄爾尼諾年、拉尼娜年。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為2013—2015年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)及國家氣候中心公布的ENSO強(qiáng)度數(shù)據(jù)；預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為國家氣候中心發(fā)布的ENSO預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 赤道太平洋海溫監(jiān)測(cè)區(qū)分布圖

目前，國際上對(duì)厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象尚無統(tǒng)一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，一般將NINO3 區(qū)海溫距平指數(shù)連續(xù) 6 個(gè)月達(dá)到0.5℃(或低于-0.5℃)以上定義為一次厄爾尼諾(拉尼娜)事件。此外，各地區(qū)也會(huì)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定不同的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，其中美國將 NINO3-4 區(qū)海溫距平的 3 個(gè)月滑動(dòng)平均值達(dá)到 0.5℃(或低于-0.5℃)以上定義為一次厄爾尼諾(拉尼娜)事件。中國氣象局國家氣候中心在業(yè)務(wù)上主要以NINO 綜合區(qū)(NINO 1 + 2 + 3 + 4 區(qū))的海溫距平指數(shù)作為判定厄爾尼諾事件的依據(jù)(圖1)，具體指標(biāo)為：NINO 綜合區(qū)海溫距平指數(shù)持續(xù) 6 個(gè)月(單月份可未達(dá)標(biāo))以上≥0.5℃(≤-0.5℃)為一次厄爾尼諾(拉尼娜)事件；或該區(qū)指數(shù)持續(xù) 5 個(gè)月≥0.5℃(≤-0.5℃)，且 5 個(gè)月的指數(shù)之和≥4.0℃(≤-4.0℃)，也定義為一次厄爾尼諾(拉尼娜)事件[9-10]。

表1 ENSO事件特征量綜合表(1971—2012年)

根據(jù)中國氣象局國家氣候中心資料，近44 a來發(fā)生暖事件11次，發(fā)生冷事件10次(表1)。

2.2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.2.1 降水距平百分率 在處理資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，膠東半島各地、各年的年平均降水量差異較大，如膠州在1964年年降水達(dá)1 516.9 mm，較平度1981年的降水268 mm多出4倍以上。為便于描述，這里使用最易計(jì)算和獲取的降水距平百分率作為氣象干旱指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)序列。然后依據(jù)距平百分率的定義，計(jì)算降水距平百分率：

表2 膠東半島臺(tái)站代表序號(hào)

將膠東半島的降水距平百分率按表2劃分等級(jí)[11-12]，形成干旱等級(jí)序列。

表3 降水距平百分率年尺度氣象干旱等級(jí)表

2.2.2 聚類分析 聚類分析指將物理或抽象對(duì)象的集合分組為由類似的對(duì)象組成的多個(gè)類的分析過程。其目標(biāo)就是在相似的基礎(chǔ)上收集數(shù)據(jù)來分類。其方法包括多種，如動(dòng)態(tài)聚類、模糊聚類、有序樣品聚類和系統(tǒng)聚類等。本文使用系統(tǒng)聚類進(jìn)行分析。

系統(tǒng)聚類是將個(gè)樣品分成若干類的方法。其基本思想是：先將個(gè)樣品各看成一類，然后規(guī)定類與類之間的距離，選擇距離最小的一對(duì)合并成新的一類，計(jì)算新類與其他類之間的距離，再將距離最近的兩類合并，依此直至所有的樣品合為一類為止[13]，最后根據(jù)各類之間的遠(yuǎn)近關(guān)系，逐漸形成一張完整的分類系統(tǒng)圖，又稱譜系圖。其相似程度由距離或者相似系數(shù)定義，類別合并的準(zhǔn)則是使得類間差異最大，而類內(nèi)差異最小。其計(jì)算方法參考相應(yīng)文獻(xiàn)[14-15]。

3 數(shù)據(jù)處理過程

首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出基本參數(shù)，然后利用卡方檢驗(yàn)對(duì)ENSO與該區(qū)干旱的相關(guān)性程度和置信水平[16]，列為表4。

表4 X與Y相關(guān)性列聯(lián)表

對(duì)于變量X(1，0)和Y(Y+，Y-)，可以利用獨(dú)立性檢驗(yàn)來考察兩個(gè)變量是否有關(guān)系，并且能較精確地給出這種判斷的可靠程度。具體的做法是，由表中的數(shù)據(jù)算出隨機(jī)變量K2的值[17-19]。

K2的值越大，說明“X與Y有關(guān)系”成立的可能性越大；當(dāng)表中數(shù)據(jù)a，b，c，d都不小于5時(shí)，可以查表來確定結(jié)論“X與Y有關(guān)系”的可信程度[20]。

4 結(jié)果分析

4.1 基于降水距平百分率的氣象干旱系統(tǒng)聚類分析結(jié)果

將24個(gè)臺(tái)站的降水距平百分率進(jìn)行處理，得到膠東半島降水距平百分率的原始數(shù)據(jù)矩陣，然后使用統(tǒng)計(jì)工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文中系統(tǒng)聚類的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式使用中心化轉(zhuǎn)換，聚類距離使用歐氏距離，聚類方法使用最短距離法(a)、離差評(píng)方法(b)、重心法(c)和可變類平均法(d)進(jìn)行分析，得到表5。

其樣本次序?qū)?yīng)為：

a=(1，2，3，4，6，7，10，8，9，15，17，19，24，11，18，13，12，14，20，21，23，22，16，5)；b=(1，2，3，4，5，16，19，24，20，21，23，22，6，7，10，8，9，15，17，11，18，13，12，14)；c=(1，2，6，7，10，8，9，15，17，14，24，11，18，13，12，16，3，4，19，20，21，23，22，5)；d=(1，2，3，4，5，16，19，24，20，21，23，22，6，7，10，8 ，9，15，17，11，18，13，12，14)。

看以看出，b和d的樣本次序一致。由分析結(jié)果結(jié)合圖2來看，b和d的效果較好，均將24個(gè)樣本分成了4類，第1個(gè)類包括(1，2，3，4，5)5個(gè)樣本；第2類包括(16，19，24，20，21，23，22)7個(gè)樣本；第3類包括(6，7，10，8，9)5個(gè)樣本；第4類包括(15，17，11，18，13，12，14)7個(gè)樣本。圖2a和圖2c的效果較差，難以分類。

對(duì)聚類分析結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)(過程略)，結(jié)果如圖2所示。

表5 中心化轉(zhuǎn)換后使用歐氏距離的最短距離法(a)、離差評(píng)方法(b)、重心法(c)和可變類平均法(d)的膠東半島氣象干旱分析

圖2 中心化轉(zhuǎn)換后使用歐氏距離的最短距離法(a)、離差評(píng)方法(b)、重心法(c)和可變類平均法(d)的膠東半島氣象干旱分析圖

表6 膠東半島干旱系統(tǒng)聚類分析距平百分率

基于降水距平百分率根據(jù)系統(tǒng)聚類分析結(jié)果，將膠東半島氣象干旱分布分為4類，即青島、嶗山、即墨、膠州和膠南為第1類；海陽、威海、榮成、文登、乳山、成山頭和石島為第2類；平度、萊西、煙臺(tái)、福山和萊陽為第3類；龍口、萊州、蓬萊、招遠(yuǎn)、牟平、棲霞和長島為第4類。由表6，可以看出，1977年、1981—1983年、1986—1989年、1991—1992年、1999年、2002年、2004年和2006年整個(gè)膠東半島出現(xiàn)了干旱。其他干旱區(qū)域較明顯的年份有1980年、1984年、1995年、1997年、2000年、2009年。龍口、萊州、蓬萊、招遠(yuǎn)、牟平、棲霞和長島所在的第4類區(qū)最易出現(xiàn)干旱，第1類和第3類其次，第2類區(qū)相對(duì)來說干旱耐受性最強(qiáng)。

4.2 ENSO事件與氣象干旱聚類分析結(jié)果的相關(guān)性研究

分別求得4個(gè)分類區(qū)的年平均降水距平百分率，列為表7。

表7 膠東半島氣象干旱分區(qū)與ENSO事件的關(guān)系表

使用統(tǒng)計(jì)軟件分別對(duì)4個(gè)分區(qū)與ENSO的關(guān)系進(jìn)行卡方檢驗(yàn)，得到表8分類檢驗(yàn)結(jié)果。

表8 膠東半島氣象干旱分區(qū)與ENSO相關(guān)性檢驗(yàn)

由表中可知，只有E第1類通過了置信度0.01的檢驗(yàn)，E第3類和L第1類通過了置信度0.15的檢驗(yàn)，E第4類和L第3類通過了置信度0.25的檢驗(yàn)，其他相關(guān)性不明顯，L第4類顯著不相關(guān)。即，對(duì)于青島、嶗山、即墨、膠州和膠南等5地來說，厄爾尼諾年將明顯減少降水，拉尼娜年增加降水；對(duì)平度、萊西、煙臺(tái)、福山和萊陽等5地來說，厄爾尼諾年將減少降水，拉尼娜年降水增加的不明顯；對(duì)海陽、成山頭、威海、榮成、文登、乳山和石島7地來說，ENSO事件對(duì)當(dāng)?shù)氐慕邓绊懖幻黠@，對(duì)干旱的作用有限；對(duì)龍口、萊州、蓬萊、招遠(yuǎn)、牟平、棲霞和長島7地來說，厄爾尼諾年降水減少的不明顯，拉尼娜年基本不影響當(dāng)?shù)亟邓?/p>

5 檢驗(yàn)與預(yù)測(cè)

由前文可知，2013年有極弱冷事件發(fā)生，2014年開始的暖事件持續(xù)時(shí)間從當(dāng)年5月一直持續(xù)至2015年的5月，預(yù)計(jì)夏季可能持續(xù)加強(qiáng)，并維持到秋季，并可能達(dá)到強(qiáng)厄爾尼諾事件[21]。將膠東半島2013年全年和2014年5月—2015年5月的降水情況結(jié)合表3干旱標(biāo)準(zhǔn)， 2013年全年干旱地區(qū)包括即墨、膠州、榮成、乳山和石島；同樣的，2014年5月—2015年5月膠東半島多地出現(xiàn)不同程度干旱，主要地區(qū)包括長島、蓬萊、煙臺(tái)、牟平、萊州、即墨、石島和成山頭。綜合以上可知，暖事件對(duì)膠東半島干旱的指示性較好，其準(zhǔn)確程度優(yōu)于冷事件，可以用作當(dāng)?shù)馗珊档念A(yù)測(cè)指數(shù)。

以ENSO事件作為干旱判定指標(biāo)，其結(jié)論與實(shí)況較吻合，可以用作當(dāng)?shù)馗珊档呐袆e。同時(shí)，根據(jù)ENSO事件的預(yù)測(cè)，今年秋季膠東半島出現(xiàn)干旱的可能性較大。

6 結(jié)論

采用降水距平百分率作干旱指標(biāo)，得出各站的降水量距平百分率及其對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)序列。采用聚類分析等方法，對(duì)干旱等級(jí)序列進(jìn)行劃分，發(fā)現(xiàn)：從空間理分布來看，可將膠東半島干旱分布分為4類，即青島、嶗山、即墨、膠州和膠南第1類，海陽、威海、榮成、文登、乳山和石島為第2類，平度、萊西、煙臺(tái)、福山和萊陽為第3類，龍口、萊州、蓬萊、招遠(yuǎn)、牟平、棲霞和長島為第4類。第4類區(qū)最易出現(xiàn)干旱，第2類區(qū)不易出現(xiàn)干旱。

對(duì)于第1類分區(qū)來說，厄爾尼諾年將明顯減少降水，容易出現(xiàn)干旱；拉尼娜年增加降水，不易出現(xiàn)干旱。對(duì)第2類分區(qū)來說，ENSO事件對(duì)當(dāng)?shù)氐慕邓饔貌幻黠@，對(duì)干旱的影響有限；對(duì)第3類分區(qū)來說，厄爾尼諾年將減少降水，容易出現(xiàn)干旱；拉尼娜年降水增加的不明顯，對(duì)干旱影響有限；對(duì)第4類分區(qū)來說，厄爾尼諾年降水減少的不明顯，拉尼娜年基本不影響當(dāng)?shù)亟邓?/p>

以ENSO事件作為干旱判定指標(biāo)，其結(jié)論與實(shí)況較吻合，可以用作當(dāng)?shù)馗珊档呐袆e。同時(shí)，根據(jù)ENSO時(shí)間的預(yù)測(cè)，今年秋季膠東半島出現(xiàn)干旱的可能性較大，特別是青島、嶗山、即墨、膠州、膠南、平度、萊西、煙臺(tái)、福山和萊陽等地的有關(guān)部門，應(yīng)積極做好抗旱準(zhǔn)備工作。

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2015-05-13

王冰(1982—)，男，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象、防災(zāi)減災(zāi)研究等工作。

煙臺(tái)市氣象局2013年科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(YTQX2013005)。

1003-6598(2015)06-0056-07

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