ENSO事件與膠東半島氣象干旱的相關性研究

王 冰，林修棟，王培濤，張瑜潔

(1.山東省煙臺市氣象局，山東 煙臺 264003；2.山東省威海市石島氣象臺，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性研究

王 冰1，林修棟2，王培濤3，張瑜潔1

(1.山東省煙臺市氣象局，山東 煙臺 264003；2.山東省威海市石島氣象臺，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24個氣象觀測站的降水資料和相關ENSO數據資料，基于降水距平百分率建立了氣象干旱指標。在此基礎上，使用系統聚類分析的方法，對膠東半島的氣象干旱進行了分區，得到了氣象干旱的空間分布，然后利用相關ENSO資料對其與膠東半島氣象干旱的相關性進行了研究。結果表明，第1類區在厄爾尼諾年將明顯減少降水，拉尼娜年增加降水；對于第2類區，ENSO事件對當地的降水影響不明顯，對干旱的影響有限；第3類區在厄爾尼諾年將減少降水，拉尼娜年降水增加的不明顯；對第4類區來說，厄爾尼諾年降水減少的不明顯，拉尼娜年對當地降水無影響。利用2013—2014年的ENSO實況數據對結論進行了檢驗，發現暖事件對干旱吻合度較好，可以用作干旱預測。

ENSO；膠東半島；氣象干旱；降水距平百分率；系統聚類；空間分布；相關性

1 引言

每隔幾年赤道中、東太平洋的表層海水溫度會大規模持續異常偏暖，該現象被稱為厄爾尼諾，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減弱(增強)，兩地海平面氣壓出現反相關變化的現象叫做南方濤動(Southern Oscillation，簡稱SO)。氣候學上，將熱帶地區海洋和大氣交互作用形成的厄爾尼諾與南方濤動現象，合稱為ENSO。而厄爾尼諾與拉尼娜則分別為ENSO循環中的暖事件和冷事件[1-6]。由于海洋水溫變化與大氣環流形勢密切相關，區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。

按照地理區劃指標分區，位于亞歐大陸東部的膠東半島屬暖溫帶大陸性季風氣候，為半干旱區到半濕潤區。但實際上，當地干旱特別是冬春干旱發生頻率較高，如2014年和2015年冬季到春季，當地降水分別較常年同期偏少5成和3成以上，部分地區偏少7成以上，嚴重影響了當地工農業生產和社會生活。據當地民政部門不完全統計，建國以來由干旱造成膠東半島農業經濟損失達100億元，直接經濟損失達150億元以上，如1998年10月到2001年6月的干旱僅對煙臺市就造成了達10億多元直接經濟損失[7]。對于山東干旱的研究，多集中在山東西部半干旱地區的干旱成因研究，而對于ENSO與膠東半島的相關研究不多。奚秀芬等[8]研究發現厄爾尼諾次年對應山東半島夏季降水偏少，拉尼娜年對應夏季降水為偏多。王慧[9]運用統計方法分析了環渤海地區近56 a來的氣候變化趨勢，認為厄爾尼諾事件發生時，環渤海地區當年降水量減少次年增加，在拉尼娜事件中，年降水略有降少。應該說研究結論不盡相同。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性到底如何？能否利用ENSO的強弱情況對膠東半島的干旱進行預測？本文利用相關氣象資料，運用統計分析、分類等方法，分析了膠東半島地區近42 a的氣候特征及其與ENSO事件的相關性和影響程度，指出了ENSO事件中膠東半島不同地區的干旱變化情況。結論可以加強對膠東半島地區氣候變化特征的認知度，為制定更符合當地實際的防旱減災措施提供理論參考。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

分析數據包括近42 a膠東半島地區24個氣象觀測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ENSO數據。24個氣象臺站的觀測數據主要為1971—2012年的逐日降水數據。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。檢驗數據為2013—2015年的逐日降水數據及國家氣候中心公布的ENSO強度數據；預測數據為國家氣候中心發布的ENSO預測數據。

圖1 赤道太平洋海溫監測區分布圖

目前，國際上對厄爾尼諾和拉尼娜現象尚無統一評判標準，一般將NINO3 區海溫距平指數連續 6 個月達到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，各地區也會根據實際情況設定不同的評判標準，其中美國將 NINO3-4 區海溫距平的 3 個月滑動平均值達到 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務上主要以NINO 綜合區(NINO 1 + 2 + 3 + 4 區)的海溫距平指數作為判定厄爾尼諾事件的依據(圖1)，具體指標為：NINO 綜合區海溫距平指數持續 6 個月(單月份可未達標)以上≥0.5℃(≤-0.5℃)為一次厄爾尼諾(拉尼娜)事件；或該區指數持續 5 個月≥0.5℃(≤-0.5℃)，且 5 個月的指數之和≥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)

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

2.2 數據處理與研究方法

2.2.1 降水距平百分率 在處理資料時發現，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，這里使用最易計算和獲取的降水距平百分率作為氣象干旱指標，統計對應的干旱等級序列。然后依據距平百分率的定義，計算降水距平百分率：

表2 膠東半島臺站代表序號

將膠東半島的降水距平百分率按表2劃分等級[11-12]，形成干旱等級序列。

表3 降水距平百分率年尺度氣象干旱等級表

2.2.2 聚類分析 聚類分析指將物理或抽象對象的集合分組為由類似的對象組成的多個類的分析過程。其目標就是在相似的基礎上收集數據來分類。其方法包括多種，如動態聚類、模糊聚類、有序樣品聚類和系統聚類等。本文使用系統聚類進行分析。

系統聚類是將個樣品分成若干類的方法。其基本思想是：先將個樣品各看成一類，然后規定類與類之間的距離，選擇距離最小的一對合并成新的一類，計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]，最后根據各類之間的遠近關系，逐漸形成一張完整的分類系統圖，又稱譜系圖。其相似程度由距離或者相似系數定義，類別合并的準則是使得類間差異最大，而類內差異最小。其計算方法參考相應文獻[14-15]。

3 數據處理過程

首先對數據進行處理，求出基本參數，然后利用卡方檢驗對ENSO與該區干旱的相關性程度和置信水平[16]，列為表4。

表4 X與Y相關性列聯表

對于變量X(1，0)和Y(Y+，Y-)，可以利用獨立性檢驗來考察兩個變量是否有關系，并且能較精確地給出這種判斷的可靠程度。具體的做法是，由表中的數據算出隨機變量K2的值[17-19]。

K2的值越大，說明“X與Y有關系”成立的可能性越大；當表中數據a，b，c，d都不小于5時，可以查表來確定結論“X與Y有關系”的可信程度[20]。

4 結果分析

4.1 基于降水距平百分率的氣象干旱系統聚類分析結果

將24個臺站的降水距平百分率進行處理，得到膠東半島降水距平百分率的原始數據矩陣，然后使用統計工具對數據進行處理。本文中系統聚類的數據轉換方式使用中心化轉換，聚類距離使用歐氏距離，聚類方法使用最短距離法(a)、離差評方法(b)、重心法(c)和可變類平均法(d)進行分析，得到表5。

其樣本次序對應為：

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。由分析結果結合圖2來看，b和d的效果較好，均將24個樣本分成了4類，第1個類包括(1，2，3，4，5)5個樣本；第2類包括(16，19，24，20，21，23，22)7個樣本；第3類包括(6，7，10，8，9)5個樣本；第4類包括(15，17，11，18，13，12，14)7個樣本。圖2a和圖2c的效果較差，難以分類。

對聚類分析結果進行檢驗(過程略)，結果如圖2所示。

表5 中心化轉換后使用歐氏距離的最短距離法(a)、離差評方法(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 中心化轉換后使用歐氏距離的最短距離法(a)、離差評方法(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 膠東半島干旱系統聚類分析距平百分率

基于降水距平百分率根據系統聚類分析結果，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、福山和萊陽為第3類；龍口、萊州、蓬萊、招遠、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年整個膠東半島出現了干旱。其他干旱區域較明顯的年份有1980年、1984年、1995年、1997年、2000年、2009年。龍口、萊州、蓬萊、招遠、牟平、棲霞和長島所在的第4類區最易出現干旱，第1類和第3類其次，第2類區相對來說干旱耐受性最強。

4.2 ENSO事件與氣象干旱聚類分析結果的相關性研究

分別求得4個分類區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與ENSO事件的關系表

使用統計軟件分別對4個分區與ENSO的關系進行卡方檢驗，得到表8分類檢驗結果。

表8 膠東半島氣象干旱分區與ENSO相關性檢驗

由表中可知，只有E第1類通過了置信度0.01的檢驗，E第3類和L第1類通過了置信度0.15的檢驗，E第4類和L第3類通過了置信度0.25的檢驗，其他相關性不明顯，L第4類顯著不相關。即，對于青島、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；對平度、萊西、煙臺、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；對海陽、成山頭、威海、榮成、文登、乳山和石島7地來說，ENSO事件對當地的降水影響不明顯，對干旱的作用有限；對龍口、萊州、蓬萊、招遠、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地降水。

5 檢驗與預測

由前文可知，2013年有極弱冷事件發生，2014年開始的暖事件持續時間從當年5月一直持續至2015年的5月，預計夏季可能持續加強，并維持到秋季，并可能達到強厄爾尼諾事件[21]。將膠東半島2013年全年和2014年5月—2015年5月的降水情況結合表3干旱標準， 2013年全年干旱地區包括即墨、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不同程度干旱，主要地區包括長島、蓬萊、煙臺、牟平、萊州、即墨、石島和成山頭。綜合以上可知，暖事件對膠東半島干旱的指示性較好，其準確程度優于冷事件，可以用作當地干旱的預測指數。

以ENSO事件作為干旱判定指標，其結論與實況較吻合，可以用作當地干旱的判別。同時，根據ENSO事件的預測，今年秋季膠東半島出現干旱的可能性較大。

6 結論

采用降水距平百分率作干旱指標，得出各站的降水量距平百分率及其對應的干旱等級序列。采用聚類分析等方法，對干旱等級序列進行劃分，發現：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、福山和萊陽為第3類，龍口、萊州、蓬萊、招遠、牟平、棲霞和長島為第4類。第4類區最易出現干旱，第2類區不易出現干旱。

對于第1類分區來說，厄爾尼諾年將明顯減少降水，容易出現干旱；拉尼娜年增加降水，不易出現干旱。對第2類分區來說，ENSO事件對當地的降水作用不明顯，對干旱的影響有限；對第3類分區來說，厄爾尼諾年將減少降水，容易出現干旱；拉尼娜年降水增加的不明顯，對干旱影響有限；對第4類分區來說，厄爾尼諾年降水減少的不明顯，拉尼娜年基本不影響當地降水。

以ENSO事件作為干旱判定指標，其結論與實況較吻合，可以用作當地干旱的判別。同時，根據ENSO時間的預測，今年秋季膠東半島出現干旱的可能性較大，特別是青島、嶗山、即墨、膠州、膠南、平度、萊西、煙臺、福山和萊陽等地的有關部門，應積極做好抗旱準備工作。

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[21] 國家氣候中心.厄爾尼諾已達中等以上強度.http：//news.wugu.com.cn/article/20150604/561919.html，2015-06-04 10：00：12.

2015-05-13

王冰(1982—)，男，工程師，主要從事農業氣象、防災減災研究等工作。

煙臺市氣象局2013年科學技術研究項目(YTQX2013005)。

1003-6598(2015)06-0056-07

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