厄尔尼诺现象对保定市降水的影响

王利军

摘 要：近年来，厄尔尼诺现象的出现给全球天气、气候带来影响，同时也影响到河北省的气候变化。以河北邯郸的永年县为例，主要研究厄尔尼诺现象和永年县汛期和全年降水变化之间的关联性，采用对应同步分析的方法得知，厄尔尼诺年与邯郸市永年县汛期和全年降水量呈负相关，且厄尔尼诺现象对永年县降水的影响主要集中在汛期。同时根据永年县四十年的降水资料，利用ARIMA模型自回归移动法，设计模型寻找最优拟合参数，预测永年县未来两年各月的降水。希望通过研究能为永年县降水预测提供参考。

关键词：厄尔尼诺现象；相关性；永年县；ARIMA模型

中图分类号：P732 文献标志码：A 文章编号：1673-291X（2015）09-0182-05

引言

厄尔尼诺现象是指赤道太平洋中、东部每隔若干年发生一次大规模、长时间的海水温度异常增高的现象。它一般出现在圣诞节前后或稍后一两个月，当地人把它称作“厄尔尼诺”，即“圣婴”。拉尼娜现象是与之相反的海水降温现象，发生周期一般为二至七年，平均周期约三至四年。1980年以来，厄尔尼诺现象发生频率达到每二年1次，每次持续12—18个月。厄尔尼诺现象的频繁发生，导致全球大早大涝等灾害相应增加。20世纪最强的厄尔尼诺现象发生在1997—1998年，热带、亚热带地区、南太平洋东部地区和南美洲的中部都受到严重影响，全球大部分地区降雨明显异常，这使得厄尔尼诺现象备受关注。

厄尔尼诺发生时，太平洋赤道地区原来的偏东气流减弱或消失，堆积在西部的暖海水向东回流，使东太平洋海面比正常年份高二三十厘米，温度则比正常年份高2℃～5℃，西太平洋海面变低、水温也相应下降变冷。厄尔尼诺发生时，整个东、中太平洋上空的大气状况都被改变，这种大范围的变化，必然会打乱正常的秩序，影响到热带其他地区，并通过大气环流，影响到高纬地区。

近年来，厄尔尼诺现象的出现给全球天气、气候带来影响，同时也影响到河北省的气候变化，结合河北省同期旱涝史，张桂香利用相似外推法，统计分析了厄尔尼诺现象与河北省及附近地区旱涝、气候冷暖的关系，以期为气候变化趋势预测提供参考；为确定厄尔尼诺现象与保定市地区汛期降水的相关性，卢丽采用保定市市气象局1867—1998年期间确认出的厄尔尼诺现象和保定市地区6—8月降水总量作为分析对象进行相关分析。分析结果表明，在一百三十二年中有71%的年份，厄尔尼诺现象发生当年保定市地区降水减少，厄尔尼诺现象与保定市地区汛期降水不是相互独立的，而是呈负相关关系；张健利用线性回归、突变分析和小波分析方法，先分析了京津冀地区1960—2006年84个地面台站降水量的变化，结果表明京津冀地区年降水量和四季降水大致存在3个主要周期的变化；李春强、杜毅光、李保国根据河北省85个常规地面气象站降水资料，利用小波变换Morlet方法，分析了河北省1965—2005年不同时间尺度下降水序列的主要周期变化过程及其空间变化特征，得到河北省年降水量主要存在3个尺度的变化周期，北部和中东部地区降水相对稳定，西部地区降水变率较大。

中国紧邻厄尔尼诺发生区，因此全球变暖所导致的厄尔尼诺异常现象必然会对中国产生很大的影响。在厄尔尼诺发生时，首先造成冬季北方极地大陆气团南下的势力变弱，经常影响中国的冬季风也就相应变弱，冷锋过境减少，出现暖冬、少降水的天气。其次是夏季，由于西太平洋副热带高压势力减弱，造成夏季风势力变弱，北上速度变缓，南方江淮等地多雨的可能性增大，可能出现洪涝灾害。季风环流是影响中国气候的最主要、最直接的因素，而厄尔尼诺主要是通过季风对中国施加影响，它的影响是间接的。那么厄尔尼诺现象具体和我国河北省南部保定市的降水存在什么样的相关性，本文以保定市为代表来具体分析它们之间的关系。

通过查阅前人的成果整理出的自1970年以来发生的全球性的厄尔尼诺现象年份（见下页表1）。

一、保定市概况和降水变化的分析

河北省保定市地处河北省南部，太行山东麓，属华北台地南段，西部丘陵为太行山背斜的一部分。东部平原属渤海凹陷、宁晋凹陷区的一部分。全县地势西高东低，自西向东可分为低山丘陵、山前倾斜平原、平原和洼地等地貌单元。保定市保定市属暖温带半湿润大陆性季风气候。年平均气温13.0℃。7月份最热，平均气温为26.8℃，极端最高气温为42.1℃，1月份最冷，平均气温为-2.9℃，极端最低气温为-21.6℃，10℃以上积温4 472.0℃。年平均降雨量为503.6毫米，降水主要集中在7—8月份，雨量为285.1毫米，占全年降雨量的58%，冬季（12月至次年1月）降水量14.1毫米，仅占年降水量的3%。年降水量最多的记录是1963年，达1 231.0毫米，年降水量最少的是1986年，仅为227.9毫米。年降水量日数（20.1mm）平均为69.5天，最多年份为1976年，降水天数为90天。连续降水（20.1mm）最长时间为1977年8月5—12日，最长连续无降水的时间为1984年11月10日至1985年2月21日，长达104天。1963年8月3日一天降水量达291.3毫米，成为日降水量最高的记录。

根据保定市气象局统计的自1972年1月至2012年12月近四十年的每月降水情况制作了图1，用来显示保定市年降水量的整体变化趋势。

（一）厄尔尼诺年及其次年与保定市地区降水的相关性

自1970年以来厄尔尼诺现象发生的年份有1972年、1976年、1982—1983年、1987年、1991年、1993年、1994年、1997年、2002年、2004—2005年、2006年、2009年共十二年。与保定市四十年来各月降水量的数值对比分析。

下页表2中在厄尔尼诺现象发生当年，保定市汛期各月降水量及总降水量均低于多年平均值。降雨量负距平年数平均高于厄尔尼诺总年数的一半，降水量负距平年的最大频率出现在7月，为75%。厄尔尼诺年平均雨量负距平最大百分率为8%，6—9月降水量负距平年出现的频率为58%，平均雨量负距平百分率为1%，全年雨量负矩平年数为4%，平均雨量负距平百分率为3%。说明厄尔尼诺年保定市汛期和全年的降水量比多年均值量偏小，且汛期影响量要大于全年。endprint

厄尔尼诺次年，除了9月降水量持平6月降水量低于均值外，其他各月降水量及6—9月和全年总降水量均高于多年平均值，8月和6—9月降水量正距平年的频率达70%，8月平均雨量正距平百分率为24%。可见，厄尔尼诺现象发生的当年降水减少，次年降水有所增加，降水量的增减趋势非常一致，说明厄尔尼诺现象对保定市地区汛期降水量的影响是相当稳定的。即厄尔尼诺现象与保定市地区汛期降水不是相互独立的，而是呈负相关关系。因此，厄尔尼诺现象使保定市地区汛期降水量减少的可能性大，且对汛期影响要大于全年。

（二）用ARIMA模型对保定市降水分析和预测

ARIMA模型是时间序列分析中最常用的模型之一，提供了一套有效的预测技术，在时间序列预测中具有广泛的应用。

将保定市自1972年1月至2012年12月四十年每月的降水数据全部录入SPSS软件中，创建ARIMA模型进行自回归移动分析处理。所建立的ARIMA模型的因变量标签是“降水量”，根据模型结构在季节性变化的自回归（a）、差分（b）、移动平均数（c）三个条件上不同参数取值的排列组合创建了27组模型，模型名称为“模型_X”，模型的类型为ARIMA（a，b，c）。

表3 模型描述

根据模型的8个拟合优度指标，包括这些指标的均值、最小值、最大值以及百分位数。由于因变量数据为季节性数据，因此平稳的R方更具代表性，表4分别取不同的ARIMA（a，b，c）参数，建立不同的模型时所对应的平稳的R方。

对比这些模型的平稳的R方，用平稳的R方值来判断数据的拟合效果，从中取得最佳拟合。平稳的R方越大，拟合度越大，该模型做出的预测约精确。因此通过对比可知当取ARIMA（1，3，3）模型_9时，模型的平稳的R方值最大为0.854，拟合情况最好，此时用ARIMA模型做出的预测最精确。

表5为ARIMA（1，3，3）模型_9的具体模型描述和对应的拟合情况。

表5 模型描述

下页表6给出了模型的8个拟合优度指标，包括这些指标的均值、最小值、最大值以及百分位数。其中，平稳的R方值为0.854，由于因变量数据位季节性数据，因此平稳的R方更具代表性，通过表4、表6的对比说明，模型ARIMA（1，3，3）参数选择最好，拟合的效果最能符合要求。

下页图2给出了ARIMA（1，3，3）模型的拟合值、观测值和预测。因变量降水量序列整体上成波动状态，拟合值和观测值曲线在整个区间整体上拟合情况良好，明显可以看出拟合值的波动性非常接近实际观察值波动性。因此可以说明ARIMA（1，3，3）模型对降水量的拟合情况还是非常不错，用此模型得出的预测也比较符合实际情况。

表7 预测表

用ARIMA模型做出自2013年6月至2014年12月的每月降水量的具体预测数值。对于每个模型，预测都在请求的预测时间段范围内的最后一个非缺失值之后开始，在所有预测值的非缺失值都可用的最后一个时间段或请求预测时间段的结束日期（以较早者为准）结束。

二、小结

（一）厄尔尼诺现象与保定市全年与汛期降水负相关

将保定市近四十年的年降水量绘制成曲线变化图，与厄尔尼诺发生的年份进行同步对比分析得到，厄尔尼诺现象对保定市影响的时间尺度主要集中在厄尔尼诺当年和次年，厄尔尼诺年保定市汛期和全年降水低于多年的平均降水量的偏多，且厄尔尼诺现象对保定市汛期的影响要甚于对于全年的影响，对汛期影响最严重的月份为7月。

厄尔尼诺现象发生的次年保定市汛期和全年降水高于多年平均降水量的月份偏多，且主要集中在8月，对汛期的影响要高于对全年的影响。整体上厄尔尼诺现象次年对保定市降水的影响要高于厄尔尼诺当年对保定市降水的影响。

（二）用ARIMA模型对保定市未来降水的预测在短期内呈上升趋势

利用SPSS软件ARIMA模型，建立了27种参数模型，对比找出最优拟合比例，把该模型对应的参数利用ARIMA模型分析得知，拟合值和观测值曲线在整个区间整体上拟合情况良好，明显可以看出拟合值的波动性非常接近实际观察值波动性。因此可以说明ARIMA（1，3，3）模型对降水量的拟合情况还是非常不错，用此模型得出的预测也比较符合实际情况。除预测曲线图外还具体预测了直到2014年底的每月具体降水量，在短期内保定市未来降水呈上升趋势。

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[责任编辑 陈凤雪]endprint