1951年以来ENSO事件对中国西北不同气候区的影响

李凌霜 ， 赵景波,2

(1.陕西师范大学 旅游与环境学院，西安 710062； 2.中国科学院 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710075)

1951年以来ENSO事件对中国西北不同气候区的影响

李凌霜1， 赵景波1,2

(1.陕西师范大学 旅游与环境学院，西安 710062； 2.中国科学院 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710075)

通过对中国西北典型半湿润区、半干旱区、干旱区和半荒漠区4个不同气候区1951—2015年降水和气温资料的搜集、整理和处理，分析研究区1951年以来降水和气温的变化，并对其进行M-K突变检验，总结ENSO事件对气候与旱涝灾害的影响。研究结果表明：① 4个气候区降水量逐年变化幅度差异明显，半干旱区为变化幅度最小区域，半湿润区和干旱区变化幅度最大但出现降低的趋势，而半荒漠区则是降水量增长最明显的区域；降水的集中度由东往西变化逐渐增大，东部比西部滞后5 d左右。② 4个气候区气温上升幅度存在差异，半湿润区气温上升幅度最大，干旱区气温上升幅度最小。③ El Nio事件使4个气候区发生不同程度的降水减少、气温升高，而La Nia事件则使降水增加、气温降低。④ El Nio事件会给4个气候区当年带来旱灾，次年带来涝灾；La Nia事件则会给当年带来涝灾，次年带来旱灾。

降水；气温；旱涝灾害；ENSO事件；西北地区

厄尔尼诺循环(ENSO)是人类迄今为止所知的气候和海洋耦合的最强信号之一，对全球气候变化产生巨大影响，已成为许多国家进行气候预测的首要考虑因素[1]。ENSO事件对不同区域产生影响的过程和结果不尽相同[2]，具有明显的地域差异性。

ENSO对我国造成的自然灾害很多。在灾害严重的夏季低温年，东北粮食产量平均减产15%左右[3]。ENSO通过对气候的强烈影响干扰农业生产，使得棉花单产量降低[4]。ENSO事件还能控制台风登陆的次数，而我国是遭受台风侵袭最频繁的国家[5]。近海船舶的航行极大程度上受到ENSO事件造成的长江口岸沿海大风天气的影响[6]。因此，ENSO事件的研究对认识和预测气象灾害和减轻这些灾害造成的损失具有重大意义。

虽然前人对ENSO事件进行了诸多研究，但对于ENSO事件在西北各气候区影响的研究较为薄弱。本研究主要分析1951—2015年间ENSO事件对西北典型半湿润区、半干旱区、干旱区和半荒漠区气候的影响，为研究区域短期气象变化的预测和减轻气候变化灾害的损失提供科学依据。

1 研究区域与数据

西北地区囊括甘肃、陕西、新疆、青海、宁夏5个省份，包含内蒙古中西部，宁夏北部，新疆大部以及陕西、辽宁、河北、山西、吉林等地接壤区域。西北地区主要为温带大陆性非季风气候，夏季温度较高，冬季干燥严寒，年降水量200～400 mm，年气温-5～40.5 ℃。依据气候特征选取4个研究区，分别为半湿润区(A区)、半干旱区(B区)、干旱区(C区)和半荒漠区(D区)，A区包括西安、宝鸡两个站点，B区包括榆中、临夏两个站点，C区包括兰州、靖远两个站点，D区包括张掖、永昌两个站点，共8个测站点作为重点研究区域(图1)。

图1 西北地区8个测站点位置

使用中国气象科学数据共享服务网提供的降水量、气温和ENSO事件资料数据进行研究。对4个气候区8个气象台站1951—2015年的统计气象资料进行统计，并使用算术平均法算出各区降水、气温的月、年序列数据，运用Excel进行制图，并对研究区域的降水和气温数据进行M-K突变检验。

2 ENSO事件与气候变化

2.1 ENSO事件发生频次与特征

ENSO事件作为独立的气候现象，其产生并不一定完全符合自然年的发生规律，会有跨年发生的现象，因此，同时具有连续性和不连续性。1951—2015年，El Nio事件持续达1 a以上的频次为5次，发生概率为0.21；La Nia事件持续达1 a以上的频次为6次，发生概率为0.30。由此可见，La Nia事件持续时间比El Nio事件略长。连续发生El Nio事件的频次达16次，概率为0.67，有14次时间跨度超过2 a，概率为0.70，有2次时间跨度超过3 a，概率为0.08。La Nia事件发生的频次为14次，即所统计的年份全部为连续发生，有10次时间跨度超过2 a，概率为0.50，有1次时间跨度超过3 a，概率为5.00%，有3次时间跨度超过4 a，概率为0.15。由此表明，虽然La Nia事件比El Nio事件所持续的时间要长，但二者基本上都是连续发生的，且时间跨度都以2 a为主。

2.2 ENSO事件强度

依据ENSO事件的不同强度等级进行其年际滑动趋势线拟合(图2)表明，ENSO事件强度逐年呈现出起伏波动的变化特点，1980年后波动更为剧烈，其波动变化基本上可分为两个阶段。1950—1970年为第一阶段，La Nia事件频次高于El Nio事件，但强度低于El Nio事件；1980—2000年为第二阶段，El Nio事件的频次高于La Nia事件，且强度也明显大于La Nia事件。结果还表明，近些年有以El Nio事件为主的趋势。

图2 1951—2015年ENSO强度趋势变化

2.3 气候变化

2.3.1 年际变化。1951—2015年4个气候区的降水量呈现出起伏波动的特点(图3)，B区的线性倾向线几乎与均值线重合，说明近几十年来半干旱区降水量的年际变化较小，这与我国整个西北地区温度增加、降水量却无明显变化的特点相一致[7]。降水年际变化的M-K突变检验结果(图4)显示，4个气候区中除半荒漠区外其余三区降水的UF曲线从1951年开始呈现小于0的趋势，表明其降水量从1951年开始一直下降，半荒漠区的降水则显著增长，根据UF和US曲线交点的位置，确定降水量的增加存在突变，突变时间是1971年前后。

图3 西北地区1951—2015年降水年际变化

图4 西北地区1951—2015年降水量的Mann-Kendall突变检验

1951—2015年气温年际变化及趋势(图5)表明，4个气候区的气温呈现逐步波动上升的趋势，在20世纪80年代后这一趋势更为明显。A,B,C,D 4个气候区的多年气温递增率分别为0.10，0.12，0.10，0.19 ℃/10 a，表明半干旱区和半荒漠区增温速率较快，半湿润区和干旱区的增温速率较慢。全国的平均气温自20世纪60年代以来呈持续上升的趋势，并且上升的速率不断加快，近几十年来我国的年平均增温速率可达0.25 ℃/10 a[8]。由M-K检验(图6)可知，4个气候区气温的UF曲线从1951年开始一直大于0，表明气温在1951年后呈上升的特点，且上升趋势较为明显。根据UF和US曲线交点的位置，确定各区的增温存在突变，半湿润区从1957年左右开始，半干旱区从1999年左右开始，干旱区从1990年左右开始，半荒漠区从1998年左右开始。虽然增温率都表现出不断上升的趋势，但是4个气候区的增长幅度也明显低于全国的平均水平。

图5 西北地区1951—2015年气温年际变化及趋势分布

2.3.2 区域差异。1951—2015年，A,B,C,D 4个气候区多年平均降水量分别为613.64，441.26，262.13，162.04 mm，遵循半湿润区—半干旱区—干旱区—半荒漠区降水量递减的规律。西北地区位居内陆，以贺兰山为界，东部主要受东亚季风的影响，西部主要受西风带的影响。采用降水量年分配向量法[9]，用集中度和集中期来准确反映气候的区域差异。A,B,C,D区自东向西集中度分别为0.447 6，0.606 0，0.621 9，0.638 0，中值与平均值也较为接近，基本上呈自东向西集中度增大的趋势。采用线性倾向率方法对降水进行趋势分析，结果显示，A,B,C,D区降水集中度减小率分别为0.003/10 a，0.003/10 a，0.001/10 a，-0.002/10 a，集中度由东往西呈增加的特点，表明自东向西降水集中程度增强。A区的降水量在全年各月份中的分配较为平均，D区的降水量分配较为集中。A,B,C,D区自东向西降水集中期分别为190.42°，185.20°，187.71°，186.30°，分别为7月28日、7月22日、7月24日和7月23日，中值与平均值非常相近，降水平均集中期由西向东从7月中下旬过渡到7月下旬，东部比西部滞后5 d左右。由此可见，自东向西受东亚季风的影响逐渐减弱，集中降水日期有逐渐提前的趋势。1951—2015年A,B,C,D区平均气温分别为13.39，6.96，9.35，6.37 ℃，根据多年气温变化率比较各区的气温差异，A,B,C,D区气温变化率分别为14.16%，7.42%，5.05%，9.91%，A区的气温变化率最大，气温递增率最大，C区的气温变化率最小，气温递增率最小，B,D区也遵循这样的变化特点。由此可得出，1951—2015年4个气候区的气温都呈现出增高的趋势，但增高的程度各有不同，半湿润区气温的升高幅度最大，且多年气温波动更为剧烈，干旱区气温的升高幅度最小，且多年气温波动最为平稳。

图6 西北地区1951—2015年气温的Mann-Kendall突变检验

3 结果分析

3.1 降水变化与ENSO事件的关系

统计4个气候区1951—2015年降水距平概率(表1)，分析ENSO事件对地区降水的影响。从年际变化看，4个气候区降水正负距平发生概率有高有低，存在一定的差异性。而各区的对比结果表明，A，B，C区降水正负距平概率差异明显，而D区的分布则差异较小。El Nio年B区(半干旱区)和C区(干旱区)负距平概率明显高于正距平概率，A,D区正距平概率高于负距平概率。La Nia年4个气候区正距平发生概率均高于负距平概率，且A区(半湿润区)和B区(半干旱区)两者差异较为明显，而正常年份中，除D区(半荒漠区)负距平概率高于正距平概率外，其余三区正距平概率要高于负距平发生概率，且B区(半干旱区)这两者的差异性更为明显。由此得出，El Nio年使得西北4个气候带地区降水减少，而La Nia年使得其降水增多。

表1 1951—2015年西北地区降水距平概率统计特征

比对4个气候区ENSO事件当年与次年的降水量(表2)可知，El Nio年当年降水量基本上均低于年均降水量，次年降水量高于年均降水量的概率都高于0.50；La Nia年当年降水量基本上均高于年均降水量，次年降水量基本上都低于年均降水量。综上所述，在所统计的ENSO事件与降水量对应的数据中，El Nio年会使得当年降水量偏低，而在El Nio年之后的下一年，降水量会有明显地增高；La Nia年则会使当年的降水量增多，而在下一年明显地减少。

表2 1951—2015年西北地区ENSO事件当年与次年降水量统计

3.2 气温变化与ENSO事件的关系

4个气候区1951—2015年降水距平概率(表3)表明，各区的正负距平发生概率依旧存在一定的差异性。除了El Nio年A区气温负距平概率高于正距平概率外，其余三区正距平概率均高于负距平概率，且B区和D区的差异更为明显；La Nia年各区则均表现出气温负距平概率大于正距平的概率，且差异都较为明显；而正常年份除C区(干旱区)气温负距平概率高于正距平外，其余三区气温正距平概率均大于负距平。由此得出，El Nio年导致气温升高，而La Nia年导致气温降低。另外，对各区的气温距平变化进一步分析可知，在20世纪80年代以前气温以负距平为主，之后正距平比重增加，2000年后正距平占据了绝对的优势。

表3 1951—2015年西北区气温距平概率统计特征

通过比对ENSO事件年气温与年均气温(表4)可知，El Nio年各区的年气温均比年均气温高的概率为0.60左右，而在La Nia年各区的年气温比年均气温低的概率至少为0.60。综上所述，在所统计的ENSO事件与气温对应的数据中，El Nio年会使所在地区呈现出升温的趋势，而La Nia年常会带来气温的降低。

表4 1951—2015年西北地区ENSO事件年气温与年均气温统计

3.3 旱涝变化与ENSO事件的关系

采用Z指数法反映西北地区旱涝情况，依据鲍艳等[10]的方法将4个气候区旱涝等级划分为重涝、大涝、偏涝、正常、偏旱、大旱及重旱。各区均以重旱涝为主，A区旱、涝频次分别为18，28次，其中重旱、重涝频次分别为14，25次；B区旱、涝频次分别为30，22次，其中重旱、重涝频次分别为24，16次；C区旱、涝频次分别为32，19次，其中重旱、重涝频次分别为24，15次；D区旱、涝频次分别为22，23次，其中重旱、重涝频次都为19次。由此可知，只有A区以涝年为主，D区旱涝分布相近，其余两区都以旱年为主。

1951—2015年ENSO事件年旱涝频次统计结果(表5)表明，El Nio年旱灾的频次高于涝灾的频次，而在La Nia年涝灾的频次高于旱灾的频次。由此可以得出，El Nio年会给所在地区带来旱灾，而La Nia年会导致涝灾。分析各区旱涝强度发现，ENSO事件更容易导致强的旱涝灾，其发生频次明显高于其他等级的旱涝发生频次。从ENSO事件的强度来看，强的ENSO事件年不一定会导致强的旱涝灾发生，甚至不一定会导致旱涝灾发生。进一步统计来看，El Nio年A，B，C，D区强旱灾发生概率分别为0.90，0.93，0.86，0.92，La Nia年A，B，C，D区强涝灾发生概率分别为0.91，0.64，0.88，0.67。由此可以看出，ENSO事件对半湿润区的旱涝灾影响较为严重，半干旱区和半荒漠区在El Nio年容易发生旱灾，干旱区在La Nia年则容易发生涝灾。这与El Nio年降水量常减少、La Nia年降水量常增多一致。

表5 1951—2015年ENSO事件年旱涝频次统计

说明：“/”左右数字分别代表旱涝灾害频次。

4 结论

(1)1951—2015年西北地区气候的逐年变化差异显著，半干旱区降水量年际变化小且变化幅度最小，半湿润区和干旱区降水量年际变化最大并且呈减小的趋势，而降水量增加幅度最大的是半荒漠区。4个气候区气温在20世纪80年代后都表现出上升趋势，半湿润区和半荒漠区比半干旱区和干旱区增温快。

(2)1951—2015年西北地区气候的区域差异显著，降水的集中度则自东向西呈现增大的趋势，降水集中期自西向东从7月中下旬过渡到7月下旬，东部比西部滞后5 d左右。半湿润区气温升高幅度最大，干旱区气温升降幅度最小，其余两区在二者之间。

[1] 陈弈德，张韧，蒋国荣，等.近年来国内ENSO研究概述[J].热带气象学报,2005,21(6):634-641.

[2] Kiladis G N,Diaz H F.Global Climate Anomalies Associated with Extremes in the Southern Oscillation[J].Climate,1989,2(9):791-802.

[3] 姜乃力.厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)对我国气候的影响[J].沈阳大学学报:社会科学版，1999，1(2):115-118.

[4] 张立伟，延军平，冀彩星，等.ENSO对陕西省棉花主产区气候及棉花单产量的影响[J].农业系统科学与综合研究，2011，27(4):413-417.

[5] 许武成，马劲松，王文.关于ENSO事件及其对中国气候影响研究的综述[J].气象科学，2005,25(2):212-220.

[6] 翁国玲.厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)与气象灾害[J].海峡科学，2004(10):30-31.

[7] Zhang L，Qian Y.Annual Distribution Features of the Yearly Precipitation in China and Their Interannual Variations[J].Acta Meteorologica Sincia，2003，17(2):146-163.

[8] 张存杰，谢金楠，李栋梁，等.东亚季风对西北地区干旱气候的影响[J].高原气象，2002，21(2):194-198.

[9] 楚纯洁，赵景波，安春华，等.1957—2011年中国中部不同气候带气候变化及其与ENSO的关系[J].地域研究与开发，2015，34(5):121-127.

[10] 鲍艳，胡振琪，柏玉，等.主成分聚类分析在土地利用生态安全评价中的应用[J].农业工程学报，2006,22(8):87-90.

Effects of ENSO Events on Climates of Different Climate Zones in Northwest China since 1951

Li Lingshuang1， Zhao Jingbo1,2

(1.CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an710062,China; 2.StateKeyLaboratoryofLoessandQuaternaryGeology,ChineseAcademyofSciences,Xi’an710075,China)

The variation of air temperature, precipitation and drought and flood which were affected by ENSO events in the 4 regions of northwest China was analyzed based on the data of air temperature and precipitation from 1951 to 2015, and the precipitation and temperature change in the study area were tested by M-K mutation. There existed significant differences of inter-annual variation of climate between the 4 regions in the past years. The inter-annual variation of precipitation was in a small range in the semiarid regions, of which in the sub-humid regions and arid regions was in a wide range and decreasing trend, and the widest range was in the semi-desert regions. The temperatures of the 4 regions turned to increase constantly during 1980s. The rate of warming was fastest in the sub-humid regions and semi-desert regions. The concentration ratio of precipitation of 4 regions showed an increasing trend from east to west. And the concentration ratio of precipitation of east lagged behind 5 days the west. There existed differences of amplitude of variation of climate, the rising amplitude in the sub-humid regions was highest, and the arid regions were smallest. El Nio events contributed precipitation decreasing and temperature rising at different degree. La Nia events, otherwise, had inverse influences. El Nio events caused drought in the 4 regions of Northwest China, and caused flood in the following year, La Nia events was on the contrary.

precipitation; temperature; drought and waterlog; ENSO event; Northwest China

2014-08-13；

2016-06-07

国家自然科学基金项目(41210002)；中国科学院黄土与第四纪国家重点实验室项目(SKLLQG1428)

李凌霜(1991-)，女，山西运城市人，硕士研究生，主要从事环境评价与治理研究，(E-mail)connieshuang@163.com。

赵景波(1953-)，男，山东滕州市人，教授，博士生导师，博士，主要从事第四纪与自然地理研究，(E-mail)zhaojb@snnu.edu.cn。

X831

A

1003-2363(2016)04-0166-06