太陽活動與ENSO事件對云南省旱澇災害的影響

吳夢初，延軍平

旱澇是我國較為常見的災害類型，長期困擾著工農業生產［1］。2009年12月至翌年2月，我國的西南地區尤其是云南省出現了由于降水異常偏少而造成的嚴重旱情，給人民生命財產帶來了巨大的損失。有研究表明，太陽活動、ENSO事件等對氣候變化及某些自然災害有重要影響。宋潔［2］等對云南省嚴重干旱原因的分析表明，在ENSO為暖位相的冬季，北大西洋濤動與該省降水關系更為緊密。董安祥［3］等研究陜、甘、寧、青太陽黑子發生規律及影響發現，在太陽黑子低谷年更容易出現旱年，而多雨年在太陽黑子的各個位相均可能出現。趙娟［4］等應用小波分析，研究了太陽黑子活動與北京地區降水的關系，認為太陽黑子活動與北京地區年降水量密切相關。近年來，學者們對云南省旱澇災害的特征進行了大量的研究［5－9］，但是對該地區旱澇變化與太陽黑子及ENSO事件的相關性研究仍然較少。鑒于此，本研究以云南省為對象，分析該省氣候變化及旱澇災害特征，探索太陽活動與ENSO事件對旱澇災害的影響，以期為該地區人民的農業生產生活，以及為當地政府及時制定科學有效的救災防災措施提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 數據來源

考慮到氣象資料的完整度和均一性，選取云南省29個氣象站1958—2011年的逐月降水量，分析太陽活動與ENSO事件對研究區旱澇災害的影響。氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網；太陽黑子數據取自網站 http：∥sidc.oma.be／index.php3；ENSO事件的確定與劃分方法為：將海溫距平值高于或低于正常值超過2個季度（6個月以上）的年份劃分為厄爾尼諾（El－Nino）年和拉尼娜（La－Nina）年。同時根據海溫距平值的高低將ENSO的冷暖事件按強、中、弱標準分別劃分為不同等級，暖事件劃分強（3）、中等（2）、弱（1）和正常年（0）為厄爾尼諾年，冷事件劃分強（－3）、中（－2）、弱（－1）和正常年（0）為拉尼娜年［10］。按上述方法確定和劃分1958—2011年的ENSO事件等級，統計結果詳見表1。

表1 1958－2011年ENSO事件等級劃分

1.2 研究區概況

云南省地處低緯度高原，為高原山區省份。總面積約3.9×105km2，占全國面積的4.11%；總人口4.60×107人，占全國總人口的3.35%。該省地理位置特殊，地形地貌復雜，主要受孟加拉灣西南季風的影響形成高原季風氣候。大體上，西北部是高山深谷的橫斷山區，東部和南部是云貴高原；該省大部分地區年降水量在1 100mm以上，南部部分地區可達1 600mm以上，降水在季節上和地域上的分配極不均勻。

1.3 研究方法

1.3.1 旱澇指標的確定 常用的旱澇指標有3種：Z指數、標準化降水指數（SPI）和濕潤指數。根據段旭［5］等的研究認為云南省旱澇等級標準以Z指數劃分為宜。

Z指數法是對某站點某時間段內歷年降水量進行統計而得出旱澇等級。首先對降水量進行正態化處理，然后將其概率密度函數通過轉換得到Z指數：

式中：Cs——偏態系數；φ——標準變量，二者均可由降水資料序列計算求得，計算公式分別為：

1.3.2 云南省旱澇頻次分布 根據Z指數的計算結果，可以得出云南省旱澇災害發生年份（表2）。由表2可以看出，在1958—2011年的54a中，該地區共發生5次特澇，6次特旱，分別占54a中的9.26%和11.11%；偏澇發生16次，所占比例為29.63%，偏旱發生13次，所占比例為24.07%。近54a中，云南省平均1.35a左右發生1次旱澇災害，旱澇災害的發生頻率較高［11］。

表2 云南省旱澇等級及頻次統計

1.3.3 Morlet小波變換分析 時間序列的周期演變是自然和社會中的常見現象，年內、年際降雨和溫度的變化都表現出明顯的周期性。小波分析方法可以通過伸縮和平移等運算功能對函數或信號序列進行多尺度細化分析，研究不同尺度（周期）隨時間的演變情況［12］。

Morlet連續復小波變換形式為：

式中：φ（x）——基本小波或母小波；x——時間；w0——常數。小波系數實部反映了給定時間和尺度下，相對于其它時間和尺度信號的強弱和位相兩方面的信息。

2 結果與分析

2.1 云南省降水量變化及旱澇災害特點

分析云南省1958—2011年降水量變化特征（圖1）可知，近54a研究區年平均降水量為1 111.91mm，以4.505mm／10a的速率減少，其中R2＝0.005 7，未通過α＝0.05的顯著性水平檢驗。20世紀60—70年代和90年代降水以正距平為主，該時期研究區降水相對豐沛。2001年云南省降水進入近54a來的相對較少時期，降水減少速率顯著加快，為19.78mm／a（R2＝0.275 8，通過了α＝0.05的顯著性水平檢驗）。其中，2001年降水量出現極大值，為1 291.02mm，極小值出現在2009年，為908.96mm。總體來看，近54a云南省降水經歷了從相對豐沛向相對較少轉變的趨勢。

圖1 云南省1958－2011年降水變化特征

由云南省近54a來旱澇發生年份變化（圖2）可知，近54a來研究區旱澇災害發生頻率較高，災害發生年份統計次數高達40次，占研究時段的74.07%。其中，旱災發生19次，澇災發生21次，兩者發生次數基本相等。由旱澇等級的6階多項式擬合可以看出，20世紀60年代以澇災為主，但在1960和1969年發生了特大干旱；20世紀70年代旱災明顯多于澇災；80年代旱災與澇災呈交替出現，且旱災略多于澇災；90年代，除了在1992和1993年發生旱災外，其余6次災害全為澇災；21世紀初期以澇災為主，2003年后旱災顯著增多，且在2003，2009和2010年均發生了特大干旱災害。進入21世紀之后旱災發生頻率明顯高于澇災發生頻率。

2.2 太陽黑子活動對云南省旱澇災害的影響

太陽活動是地球的空間環境擾動的源，與其它自然災害之間可能存在著種種聯系，它的活動勢必會引起地球上氣候的變化［13］。太陽黑子活動周期一般為11a。太陽黑子的谷值年和峰值年，也是太陽輻射的一種異常變化［14］。黑子數量越少，太陽輻射量越多，傳遞到地球表面的熱量也就越多，這樣勢必會影響到氣溫和降水這兩個關鍵氣候因子不同程度的變化。

圖2 云南省1958－2011年旱澇指數等級變化

從云南省旱澇災害與太陽黑子關系（圖3—4）分析可知：（1）除了1967—1972年以外，20世紀60—90年代云南省的旱澇指數與太陽黑子數呈負相關，即黑子谷年前后易出現澇災，峰年前后易出現旱災；90年代后二者呈正相關，即太陽黑子峰年前后易出現澇災。旱澇指數與太陽黑子數呈負相關時，太陽活動的第20周期峰年1970年和其后一年1971年，研究區發生了澇災，1976年太陽黑子數達到谷值，研究區在其前一年1975年發生了旱災，同樣在太陽黑子活動第22周期的谷值1986年，其后一年1987年研究區也發生了旱災。當旱澇指數與太陽黑子數呈正相關時，1996年太陽黑子數達到谷值時，云南省在其前后一年均發生了澇災。（2）近54a云南省在太陽黑子極大值M年附近發生旱澇災害的概率明顯高于極小值m年。具體表現為：在5次m年及其前后1a內共發生了旱澇災害10次，其中，干旱、洪澇災害發生次數各占40%和60%；在4次M年及其前后1a中，旱澇災害發生次數為12次，其中干旱和洪澇分別占50%。

圖3 云南省旱澇指數與太陽黑子的關系

總體來說，在太陽黑子活動峰年和谷年的當年或次年研究區發生旱澇災害的概率為52.5%，超過了研究區旱澇災害發生總次數的1／2。分析云南省旱澇災害與太陽黑子數的線性關系發現，其線性擬合均呈減小趨勢，即太陽黑子數的減少趨勢與云南省干旱化趨勢呈正相關關系。

圖4 太陽黑子極值年與云南省旱澇年份的關系

2.3 ENSO事件對云南省旱澇災害的影響

黃榮輝［15］研究指出華南地區的降水異常是由副熱帶高壓位置南北變動所導致，而誘發副熱帶高壓變化的是ENSO事件背景下西太平洋的海溫異常。Klein等［16］也曾指出，通過遙相關機制，ENSO事件會造成在太平洋、印度洋和大西洋上經向Hadley環流出現異常。El－Nino年呈現出的環流和輻散／輻合異常不利于降水，而La－Nina年的異常則促進了降水［17］。

2.3.1 ENSO事件強度和云南省旱澇指數的相關性分析 近54a云南省旱澇指數與ENSO事件的相關性分析結果（圖5）表明：（1）在ENSO事件相對強度較強或較弱的年份前后，云南省發生旱澇災害的概率增加，其中1972，1982，1987和2009年發生厄爾尼諾年，研究區在這些年份發生了旱災；1968，1970，1973，1999和2000年發生拉尼娜年，研究區在這些年份發生了澇災。（2）由旱澇指數和ENSO強度的多項式擬合可以看出，整體上旱澇指數和ENSO強度呈反相關關系，也就是厄爾尼諾年發生強度增大時對應云南省的旱災頻率上升，拉尼娜發生強度增大時澇災頻率上升。這是因為El－Nino年，Walker環流受赤道太平洋東部異常暖海水的影響而減弱，抑制孟加拉灣低壓和南海低值擾動系統的發展，不利于西南暖濕氣流對云南的影響；La－Nina年情況與之相反［18－19］。這與段長春［7］等對云南省汛期旱澇特征及成因的分析結果一致。（3）ENSO事件發生等級在3和－3事件的當年或次年，云南省發生旱澇災害的概率為80.95%。因此在ENSO事件年及其附近一定要注意加強該區氣象監測。

2.3.2 ENSO事件與云南省旱澇指數的小波分析通過對1958—2011年ENSO事件與云南省旱澇指數的小波分析發現，研究區的旱澇災害與ENSO事件有一定的關系。

云南省旱澇指數（圖6）存在3～4a，7a和14～15a左右的準周期變化。其中在對應于14～15a左右的Z指數演變，主要存在7個較大時間尺度的交替，分別為1965年之前，1972—1980年，1987—1995年，2004年至今的降雨偏少期；1965—1972年，1980—1987年，1995—2004年的降水充沛期。對應于這種較大時間尺度的Z指數多少交替，云南省年降雨量存在明顯的突變特征，突變點分別發生在1965，1972，1980年，1987，1995和2004年。目前，云南省正處于降水偏少期。無論從14～15a左右的大尺度或是3a左右的小尺度代際來看，研究區在近年降水將比較匱乏。

圖5 云南省1958－2011年旱澇指數與ENSO事件相關分析

ENSO事件（圖7）存在4～6a和13～14a左右的準周期變化。其中在對應于13～14a左右的ENSO事件周期演變中，主要分為兩個時期，較暖年厄爾尼諾年：1964年之前，1972—1978年，1986—1992年，1998—2004年；較冷年拉尼娜年：1964—1972年，1978—1986年，1992—1998年，2004年至今。

圖6 云南省旱澇指數與旱澇災害小波分析

圖7 ENSO事件與云南省旱澇災害小波分析

綜合分析可知，ENSO事件與云南省旱澇災害在14a左右存在較好的對應關系，說明ENSO事件強度的變化對研究區的旱澇災害有一定影響。

3 結論

（1）近54a云南省降水量整體呈現減小趨勢，減小速率為4.505mm／10a；旱澇災害的發生則呈現增加趨勢，進入21世紀之后，旱災的發生頻率要明顯高于澇災的發生頻率。

（2）除了1967—1972年，太陽黑子數與近54a云南省旱澇指數在20世紀60—90年代呈明顯的負相關關系，即黑子谷年前后易出現澇災，峰年前后易出現旱災；90年代后二者呈正相關，即太陽黑子峰年前后易出現澇災。太陽黑子數與近54a云南省旱澇指數的線性擬合均呈現減小趨勢，即太陽黑子數的減少趨勢與研究區干旱化趨勢相同。

（3）在太陽黑子活動峰年（M）和谷年（m）的當年或次年云南省發生旱澇災害的概率為52.5%，且在太陽黑子極大值M年附近出現旱澇災害的概率明顯高于極小值m年。因此，在太陽黑子極大值M年及其附近更應該注意防災減災工作。

（4）ENSO事件與云南省旱澇災害在14a左右存在較好的周期對應關系，且在3和－3等級范圍內的ENSO事件當年或次年，研究區更易發生旱澇災害，其概率高達80.95%。旱澇指數和ENSO強度的多項式擬合整體上呈反相關關系，這表明厄爾尼諾強度增大時研究區的旱災增多，拉尼娜發生強度增大時澇災增多。

（5）云南省地理位置特殊，地形地貌復雜，旱澇災害的誘發因素眾多。本研究參照已有研究中Z指數的方法對該區進行旱澇等級界定和年份確定，有一定合理性。然而，即使是針對同一區域，也存在采用不同方法確定旱澇指數的爭議。因此，本研究確定旱澇等級的方法仍略顯單一，并不能完全表示某時間點的旱澇情況。除此之外，本研究分析太陽活動與ENSO事件對云南省旱澇災害發生的影響，均只是相關性分析，不足以闡述其影響機制。氣候異常還受到多種局地因素和人類活動的影響，因此對云南省旱澇災害的影響因素還有待于進一步深入研究。

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