石羊河流域干旱气候对ENSO事件的响应及预测分析

罗晓玲，李玲萍

（1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州730020；2.甘肃省武威市气象局，甘肃 武威733000）

气候异常、极端灾害天气频繁的发生与ENSO事件强弱密不可分[1-5]。2017年10月形成的拉尼娜事件引发全球天气气候异常，2017年冬季北极创纪录升温，气温较历年同期明显偏高；而欧洲遭遇极寒，严寒造成至少24人死亡；“炸弹气旋”肆虐北美，美国东北部遭受暴风雪和严寒天气齐袭，致22人死亡；印度超强沙尘暴致使127人死亡；影响中国北方多地一度严重“贫雪”，内蒙古、东北、华北和西北地区西部出现严重干旱，极端天气事件早发频发。近些年来，气象学者对ENSO事件有较多研究，从晓明[6]研究表明，厄尔尼诺事件年，赤道东太平洋水温偏高，东亚夏季风偏弱，造成北方地区纬向环流盛行，拉尼娜事件年，则有利于中纬度大气环流经向度加强。欧延升[7-16]等分析了全国各地气候要素与ENSO事件的关系，杨龙[17]、张冲[18]对ENSO事件与甘肃气候的关系进行了分析研究。石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，其水系发源于祁连山，天祝、古浪位于流域上游，凉州、永昌位于流域中游，民勤位于流域下游，海拔高度为1300～3100 m，年降水量为110～410 mm，年蒸发量为1500～2700 mm。受2017/2018年拉尼娜事件持续影响，2018年4月25日—6月23日石羊河流域中、下游凉州、民勤连续60 d未出现≥5.0 mm有效降水，出现了近5 a最严重的春旱连春末夏初干旱，直接经济损失4.3亿元。但有关ENSO事件与石羊河流域气候变化的关系及干旱趋势预测方法研究的文章较少，因此，本文使用流域内降水、气温和干旱资料，分析了ENSO事件与他们的关系，并应用ENSO事件对其进行预测预报。将会提高干旱预报预测水平，同时对地方政府防御干旱灾害、减轻经济损失提供科学决策依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源与标准

所用气象要素数据来源于1961—2018年石羊河流域内5个气象站（凉州、民勤、永昌、古浪、天祝）；ENSO事件及强度分级标准和气候系统监测指数由中国气象局国家气候中心提供。

将1961—2018年出现的厄尔尼诺（17次）和拉尼娜（13次）峰值年定义为ENSO事件年，依据国家气候中心对其强度标准的规定，分别定义为-3～4，其中强拉尼娜为-3，中等拉尼娜为-2，弱拉尼娜为-1，正常年份为0，弱厄尔尼诺为1，中等厄尔尼诺为2，强厄尔尼诺为3，超强厄尔尼诺为4。同时与之对应，将降水（气温）距平值归一化，也定义为-4～4，特少（低）为-4，偏少（低）为-3，略少（低）为-2，略多（高）为2，偏多（高）为3，特多（高）为4。干旱等级定义为0～4，无旱为0，轻旱为1，中旱为2，重旱为3，特重旱为4。

1.2 统计与分析方法

首先采用概率统计和强度对比分析，得到ENSO事件对该流域降水、气温、干旱的影响，将其作为影响因子参与建模，然后应用1968—2010年凉州、民勤、古浪、天祝、永昌气象站旬、月气象要素资料和国家气候中心下发的物理量（包括大气环流指数88项，海温指数26项，其它指数16项）共165项作为预报因子x，将1970—2012年各站月、季降水和各类干旱级别以及旱段作为预报对象y，将所有参数处理为距平值，通过press算子对因子普查，将相关较好的因子挑入因子库，使用最优子集回归方法建立各站月、季降水和干旱（旱级、旱段）统计预测模型[19-21]，最后结合ENSO事件通过加权平均法[22]构建集成预测概念模型。

通过Excel 2007、SPSS 22.0、vb6.0等软件，对资料进行统计、处理和分析。

2 结果与分析

2.1 石羊河流域气候变化对ENSO事件的响应

2.1.1 降水对ENSO事件的响应

据统计，厄尔尼诺事件结束年，春季降水，全流域显著偏多，偏多概率在70%～90%。降水距平序列图见图1，春季降水1973年偏少26%，1995年偏少63%，2005年偏少5%，其它年份均偏多，偏多值在1%～113%。夏季降水，上游偏多（古浪、天祝偏多概率均为60%）；中游偏少（凉州、永昌偏少概率为60%、80%），下游民勤不明显；秋季降水上游天祝偏多（偏多概率为60%），中游永昌偏多（偏多概率为70%），其它不明显。厄尔尼诺事件结束次年，流域各季降水关系不显著。

图1 厄尔尼诺事件结束年石羊河流域春季降水距平

将降水距平与ENSO强度对比（图2）发现，拉尼娜事件年，流域春季、夏季降水不明显；秋季降水偏多，偏多概率在57.1%～85.7%。拉尼娜次年，春季降水偏少，偏少概率除永昌为85.7%以外，其他站均为100%；夏季降水不明显；秋季降水偏多，偏多概率在57.1%～85.7%。拉尼娜事件结束年，流域春季降水，仅1985年偏多113%，其它年份均偏少，偏少值在1%～51%（图3）。

图2 石羊河流域各季降水与ENSO事件强度的关系

图3 拉尼娜事件结束年石羊河流域春季降水距平

综上所述，厄尔尼诺事件结束年流域春季降水偏多；拉尼娜事件年和次年秋季降水偏多；拉尼娜事件次年和结束年春季降水偏少。降水偏多（偏少）幅度与ENSO事件强度及持续时间关系不显著。

2.1.2 气温对ENSO事件的响应

据统计，厄尔尼诺事件年，全流域春季、秋季、冬季气温均显著偏高，偏高概率分别为60%～70%、60%～70%、60%～80%；夏季气温，凉州偏低，偏低概率为60%，其它站不明显；特别后冬（1—2月）气温偏高显著，各站偏高概率均为80%。将气温距平与ENSO强度对比（图4）发现，厄尔尼诺事件年，全流域暖冬明显，但ENSO强度与温度偏高幅度没有直接线性关系。厄尔尼诺事件次年，流域气温未明显规律。

图4 石羊河流域冬季气温与ENSO事件强度的关系

拉尼娜事件年，流域冬季气温偏低，偏低概率在71.4%～85.7%。特别后冬（1—2月）尤为显著，各站偏低概率均为85.7%。拉尼娜事件结束年，流域冬季（12—2月）气温显著偏低（图5），仅2001年偏高1.5℃，其它年份均偏低，偏低幅度在-0.2～-2.4℃，出现冷冬现象。拉尼娜事件次年和拉尼娜事件结束次年，流域气温未明显规律。

图5 拉尼娜事件结束年石羊河流域冬季气温距平

厄尔尼诺事件年流域春季、秋季、冬季气温偏高，易出现暖冬；拉尼娜事件年冬季气温偏低，易出现冷冬。

2.1.3 干旱对ENSO事件的响应

据罗晓玲等研究表明[20]，厄尔尼诺事件对干旱影响不显著，而拉尼娜事件与干旱关系非常密切，拉尼娜事件结束年全流域都出现较强的春旱、春末夏初旱和伏旱，出现概率为100%（表1）。进一步分析干旱强度发现，在拉尼娜事件年，流域中下游发生中度以上春旱、春末夏初旱、伏旱的概率分别为45.5%～54.5%、63.6%～72.7%、72.7%～81.8%，拉尼娜事件次年，流域中下游发生中度以上春旱、春末夏初旱、伏旱的概率分别为72.7%～90.9%、36.4%～54.5%、63.6%～72.7%。

拉尼娜事件年流域中下游发生中度以上春末夏初旱和伏旱的概率较高，拉尼娜事件次年流域中下游发生中度以上春旱和伏旱的概率较高。拉尼娜事件是造成该流域干旱的主要影响因素之一。

表1 石羊河流域拉尼娜事件结束年旱情统计

2.2 石羊河流域气候要素及干旱趋势预测

通过分析ENSO事件与气候要素的关系，将ENSO事件作为预测预报的一个影响因子，结合各类统计预测模式共同构建集成预测概念模型（ENSO事件年或次年对石羊河流域气候均有影响，由于时间限制，在制作预测预报中只能将次年的影响作为因子引入模式应用）。

2.2.1 降水趋势预测

统计预测模式：应用流域内5个气象站旬、月气象要素和国家气候中心下发的物理量资料，使用最优子集回归方法建立流域各季降水趋势预测模型。

集成预测模型：基于最优子集回归预测模式结论，结合当年ENSO事件信号综合得出预测模型。若确定当年为拉尼娜事件年，则次年春季降水，在统计模式预测的基础上报小一个量级，例如模式预测降水为略偏多，则预报略偏少，以此类推；秋季降水，在统计模式预测的基础上报大一个量级，例如模式预测降水为略偏多，则预报偏多，以此类推。

模式检验：通过历史回报，统计模式拟合率，春、夏、秋季各站均超过85%（表2），冬季较差在65%～87%。集成模式拟合率，春、秋季各站均超过83%，春季比统计模式略有提高，可投入业务应用，但秋季比统计模式普遍偏低，不能业务应用。通过2013—2018年试报，统计模式准确率，除凉州秋季、冬季和永昌冬季外，其它均超过60%；2013—2017年未出现拉尼娜事件，故无法计算集成模式准确率。

表2 各站降水预测模式结果检验 %

2.2.2 干旱趋势预测

统计预测模式：应用流域内5个气象站旬、月气象要素和国家气候中心下发的物理量资料，使用最优子集回归方法分别建立流域各站年度春旱、春末夏初旱、伏旱（旱级、旱段）及相应旱段内降水趋势预测模型（以民勤春末夏初干旱和5—6月降水为例）。

其中Y1为民勤次年春末夏初旱级别，x1为永昌前一年1—2月平均最低气温之和，x2为凉州当年8月蒸发，x3为前一年4月赤道地区30 hPa纬向风准两年振荡指数，x4为民勤当年1月地面0 cm温度，x5为前一年1—7月赤道地区30 hPa纬向风准两年振荡指数之和，x5为民勤当年4月中下旬降水量，x7为永昌前一年1—2月极端最高气温之和，x8为乌鞘岭当年6月下旬—7月上旬气温之和。方程拟合率为83.7%，准确率为66.7%。

其中Y2为民勤次年春末夏初旱旱段天数，x1为永昌前一年1—3月平均最低气温之和，x2为民勤前一年5月地面0 cm温度，x3为民勤当年5月极端最高气温，x4为前一年6—7月赤道地区30 hPa纬向风准两年振荡指数之和，x5为永昌当年1月平均最低气温，x6为永昌当年8月日照，x7为前一年3—6月亲潮区海温指数之和。方程拟合率为93.0%，准确率为60.0%。

其中Y3为民勤次年5—6月降水趋势，x1为凉州前一年5—6月降水量，x2为民勤前一年11月—当年2月极端最低气温之和，x3为当年7—8月西风漂流区海温指数之和，x4为凉州当年4月下旬—5月上旬降水量，x5为前一年11—12月北半球副高脊线位置指数之和，x6为古浪当年7月上旬—中旬降水量，x7为乌鞘岭当年5—7月极端最低气温之和，x8为民勤前一年9—10月日照之和。方程拟合率为89.1%，准确率为62.0%。

集成预测模型：基于公式（1）、（2）、（3）模式结论，结合ENSO事件对干旱的影响，利用加权平均法构建预测模型，做出次年干旱趋势结论，具体预测方法详细介绍见文献[20]。若当年是拉尼娜年，则次年出现中度以上春旱和伏旱的可能性较大。

干旱预测综合结论：若统计和集成模式同时预测有干旱，则预测次年有中度以上干旱；若统计和集成模式有一方预测有干旱，则预测次年有轻度干旱。

模式检验：通过历史回报，统计模式拟合率，春旱、春末夏初旱和伏旱各站均超过81%（表3）。

表3 各站干旱预测模式结果检验 %

集成模式拟合率：春旱，中、下游超过88%，比统计模式略有提高，可以投入业务应用；上游超过74.4%，比统计模式偏低10%～14%，不能投入业务应用。伏旱，中下游（凉州、民勤）超过90%，与统计模式相同，可以业务应用；中游（永昌）、上游超过76.7%，比统计模式偏低3%～7%，不能业务应用。通过2013—2018年试报，统计模式准确率除上游伏旱偏低外，其它均超过66.7%，2013—2017年未出现拉尼娜事件，故无法计算集成模式准确率。2018年是拉尼娜事件年，根据统计模式和集成模式综合预测2019年春季有中度干旱。

3 结论

根据石羊河流域5个气象站1961—2018年的降水、气温、干旱实况资料，利用气候统计学方法分析了ENSO事件对该区气候变化及干旱的影响；应用1968—2010年旬、月气象要素和大气环流特征量，采用最优子集回归方法，建立降水和干旱统计预测模式，结合ENSO事件，通过加权平均法构建集成预测概念模型，得出以下结论：

（1）石羊河流域气候变化对ENSO事件的响应不尽相同，厄尔尼诺事件年，流域春季、秋季、冬季气温偏高，偏高概率分别为60%～70%、60%～70%、60%～80%，特别后冬偏高显著，偏高概率均为80%，极易出现暖冬；对干旱影响不显著。厄尔尼诺事件结束年，春季降水偏多，偏多概率在70%～90%；拉尼娜事件年，秋季降水偏多，偏多概率在57.1%～85.7%；冬季气温偏低，偏低概率在71.4%～85.7%，后冬尤为显著，偏低概率均为85.7%，极易出现冷冬；中下游发生中度以上春末夏初旱和伏旱的概率较高，为63.6%～72.7%和72.7%～81.8%；拉尼娜事件次年，春季降水偏少，偏少概率在85.7%～100%；中下游发生中度以上春旱和伏旱的概率较高，为72.7%～90.9%和63.6%～72.7%。

（2）模式检验结果。降水预测模式：统计模式43 a拟合率各季、各站均超过65%，6 a试报准确率流域大部分地方超过60%；集成模式拟合率春、秋季各站均超过83%，春季比统计模式有提高。干旱预测模式：统计模式拟合率春旱、春末夏初旱、伏旱各站均超过81%，准确率流域大部分地方超过66.7%。集成模式拟合率：春旱，中下游超过88%，比统计模式有提高；上游超过74.4%，比统计模式偏低10%～14%。伏旱，中下游（凉州、民勤）超过90%，与统计模式相同；中游（永昌）、上游超过76.7%，比统计模式偏低3%～7%。所有统计模式和拟合率比统计模式有提高或相同的集成模式，均可投入业务应用。