厄尔尼诺现象对巢湖洪水灾害影响研究

2022-05-19陈二洋蓝祝光

水利科技与经济 2022年5期

刘立，陈二洋，蓝祝光

(1.安徽华电工程咨询设计有限公司，合肥 230000； 2.合肥工业大学，合肥 230009)

1 概述

厄尔尼诺现象通常会引发全球气候异常变化，从而引发洪水、干旱等灾害[1-3]。对厄尔尼诺现象进行研究可阐明该现象与气候异常变化之间的内在关系，并能协助预防气候异常变化所带来的不利影响。已有研究表明，厄尔尼诺现象与我国降水存在一定的关联性。如孟翠玲[4]等分析了厄尔尼诺现象与山东省降雨量之间的关系，得出厄尔尼诺发生年份、山东省降雨量减少的结论；罗剑锋[5]等基于长序列降雨资料，分析了中东部型厄尔尼诺事件对长江中下游地区降雨分别产生不同的影响；马振宁[6]等从多尺度评价厄尔尼诺现象对陕甘宁蒙接壤区暴雨灾害产生的影响；刘立[7]基于干燥度分析了厄尔尼诺现象与安徽省水旱灾害之间的关系。已有的研究虽然基于大量实测资料分析了厄尔尼诺现象对我国不同地区降雨产生的影响，但大部分研究均采取定性分析手段对厄尔尼诺现象与降雨情况进行对比分析，缺乏有效的定量分析方法阐述厄尔尼诺现象与降雨之间的内在关联。

针对以上问题，为更好地揭示厄尔尼诺现象与降雨之间的内在关联，本文基于巢湖长序列水位资料，分别采用定性和定量分析方法，分析研究厄尔尼诺现象对巢湖洪水灾害产生的影响。不仅从宏观上揭示厄尔尼诺现象与巢湖洪水灾害的关系，更借助相关系数法依据计算结果展示厄尔尼诺指数与巢湖年最高水位之间的内在关联，为后期根据厄尔尼诺现象预测巢湖洪水灾害提供科学依据，也为其他学者研究厄尔尼诺现象提供参考。

2 厄尔尼诺介绍

厄尔尼诺现象是指在中东太平洋地区每隔若干年便发生大规模海水温度异常升高的大自然现象。它通常出现在南太平洋东岸，是造成全球气候异常变化的原因之一。

赤道中东部太平洋地区大范围海水表面温度的异常升温是厄尔尼诺事件的最主要特征。通常采用海水表面温度资料表征厄尔尼诺事件指数。第Y年第m月厄尔尼诺指数计算公式如下[7]：

(1)

式中：IEN,Ym为第Y年第m月厄尔尼诺指数；n为网格点数；TYmj为第Y年第m月第j个网格点上的海表温度；Tm为第m月的所有网格点的平均海表温度。

通过式(1)计算出厄尔尼诺指数，当IEN,Ym≥0.5℃，且一次事件的长度至少为6个月(允许有1个月中断)时，则认定发生厄尔尼诺事件。

由于不同学者在计算厄尔尼诺指数时，所采用的海表温度监测关键区及事件判定的方式不同，导致厄尔尼诺现象的判定结果存在不一致性。为此，中国气象局于2017年发布了厄尔尼诺事件判定行业标准[5]，该标准采用国际通用的NINO3、4区来判定厄尔尼诺事件。将NINO3、4区(170°W-120°W，5°S-5°N)指数ININO3、43个月滑动平均值≥0.5℃且持续至少5个月，判定为一次厄尔尼诺事件。根据最新标准，本文统计了1960-2010年厄尔尼诺指数数据，见表1。

表1 厄尔尼诺指数数据Tab.1 El Nino index data

续表1

3 研究区域概况及数据资料

巢湖位于安徽省中部，隶属合肥市，集水面积约769 km2，是安徽省境内最大的湖泊。巢湖属于北亚热带湿润季风气候区，气候温和，季风气候显著，冬寒夏热，四季分明。年降水量在1 000～1 158 mm之间。因巢湖属于大型淡水湖泊，其水位的高低直接反映该区域降雨的多寡。本文根据巢湖某水文站的监测数据，统计巢湖自1969-2009年的历年最高水位值。具体巢湖历年最高水位值见图1。

图1 巢湖历年最高水位Fig.1 The highest water level of Chaohu Lake over the years

对于大型淡水湖泊而言，水位越高，表明该区域降雨量越多；水位越低，表明该区域降雨量越少。结合数理统计知识可知，在自然现象和社会现象中，大量随机变量都服从或近似服从正态分布[8]。因此，认为巢湖历年最高水位服从正态分布。当巢湖年最高水位大于统计概率80%的历年最高水位时，认定该年巢湖区域发生洪水灾害。巢湖区域是否发生洪水的判定条件如下：

ymax>μ+0.85σ

(2)

式中：ymax为巢湖年最高水位；μ为巢湖历年最高水位平均值；σ为巢湖历年最高水位方差。

结合图1数据，根据式(2)可计算出μ=10.18 m、σ=1.06 m。即当ymax>11.08 m时，该年巢湖区域发生洪水灾害。由此可推断，巢湖区域在1969、1980、1983、1989、1991、1996、1999和2003年发生洪水灾害，最大洪水灾害发生于1991年，最高水位为12.8 m。本文通过年最高水位确定巢湖洪水灾害的分析结果与刘立[7]根据1949-2012年安徽省水旱灾害受灾统计资料所得出的结果大体一致，体现了该方法的有效性。

4 研究方法

4.1 定性分析

为直观反映厄尔尼诺现象对巢湖洪水灾害的影响，统计厄尔尼诺现象发生情况与巢湖洪水灾害情况，见表2。依据表2的统计数据，对厄尔尼诺现象与巢湖洪水灾害之间的关系进行定性分析。

表2 厄尔尼诺现象及巢湖洪水灾害情况Tab.2 El Nino phenomenon and flood disaster situation in Chaohu Lake

4.2 定量分析

为了能更好地揭示厄尔尼诺现象对巢湖洪水灾害的影响，采用相关系数法计算厄尔尼诺指数与巢湖最高水位之间的相关性。相关系数是由统计学家卡尔皮尔逊提出的确定两组数据相关性的统计指标，现已广泛应用于各大科研领域[9-11]。

相关系数r的计算公式如下[12]：

(3)

S(x1x2)=∑x1x2-(∑x1∑x2)/q

(4)

(5)

(6)

式中：x1为第一组数据；x2为第二组数据；q为计算样本数。

相关系数|r|的大小，反映了两组数据相关性的大小。|r|越大，相关性则越大；反之则越小。当r>0时，表明两组数据正相关；当r<0时，表明两组数据负相关。

本文选取厄尔尼诺指数年累计值和厄尔尼诺指数年最大值这两组数据同巢湖历年最高水位数据进行相关性计算分析。厄尔尼诺指数数据见图2。

图2 厄尔尼诺指数数据Fig.2 El Nino index data

5 结果分析

5.1 方法实践

采用第4节提出的定性分析和定量分析方法，分别对厄尔尼诺现象与巢湖洪水灾害之间的关系进行分析研究。

5.1.1 定性分析结果

由表2可知，在1968-2006年期间，共发生13起厄尔尼诺事件，其中有8次厄尔尼诺事件对应巢湖发生了水灾。厄尔尼诺事件起始时间基本在春末与秋初之间，结束时间基本在夏初和冬末之间，最大厄尔尼诺指数出现时间基本在秋末和初冬之间。巢湖最高水位基本出现在夏季7、8月份。在巢湖发生的8次洪水事件中，有5次洪水发生在最大厄尔尼诺指数出现后紧接的第一个夏季(即1969年洪水、1980年洪水、1983年洪水、1991年洪水、2003年洪水)；有3次洪水发生在最大厄尔尼诺指数出现后的第两个夏季，也是厄尔尼诺事件结束后的次年夏季(即1989年洪水、1996年洪水、1999年洪水)。由以上统计可知，厄尔尼诺事件发生后，有较大概率会导致巢湖区域发生洪水灾害，巢湖洪水发生时间大概率出现在最大厄尔尼诺指数出现后紧接的第一个夏季，少部分洪水发生在厄尔尼诺事件结束后的次年夏季，即厄尔尼诺事件对巢湖洪水灾害的影响存在一定滞后性，这与大多数学者的研究结果相一致[13-15]。

5.1.2 定量分析结果

根据相关系数法，即式(3)至式(6)，先以1969-2009年的厄尔尼诺指数年累计值和年最大值数据与1969-2009年巢湖年最高水位数据进行相关系数计算。计算结果如下：厄尔尼诺指数年累计值与巢湖年最高水位的相关系数为-0.088，厄尔尼诺指数年最大值与巢湖年最高水位的相关系数为-0.092。由此可知，同年份的厄尔尼诺指数年累计值、年最大值与巢湖年最高水位不存在相关性，它们之间不存在明显的相互影响关系。

因厄尔尼诺现象对巢湖洪水灾害的影响存在一定的滞后性，选取1968-2008年的厄尔尼诺指数年累计值和年最大值数据与1969-2009年巢湖年最高水位数据进行相关系数计算。计算结果如下：厄尔尼诺指数年累计值与巢湖年最高水位的相关系数为0.274，厄尔尼诺指数年最大值与巢湖年最高水位的相关系数为0.398。由此可知，前一年的厄尔尼诺指数年累计值、年最大值与当前巢湖年最高水位存在明显的正相关性，且前一年的厄尔尼诺指数年最大值与当前巢湖年最高水位的相关性更为密切。这充分说明厄尔尼诺现象会对巢湖洪水灾害造成显著影响，且该影响具有明显的滞后性。

5.2 验证评价

为验证以上分析结果，统计近几年的厄尔尼诺指数可知，在2014年9月至2016年3月期间发生了持续时间长达19个月的厄尔尼诺现象，最大厄尔尼诺指数为2.6，发生在2015年10和11月；在2018年8月至2019年5月期间发生了持续时间长达10个月的厄尔尼诺现象，最大厄尔尼诺指数为0.9，发生在2018年10月。根据前文分析可推断，这两次厄尔尼诺现象有极大可能导致巢湖区域发生洪水灾害，且洪水灾害会发生在最大厄尔尼诺指数出现后紧接的第一个夏季或者发生在厄尔尼诺事件结束后的次年夏季。

根据巢湖某水文站监测资料可知，巢湖在2016和2020年发生两次洪水灾害。其中，在2016年7月9日出现年最大水位为12.8 m，在2020年7月22日出现年最大水位为13.43 m。2016年的洪水灾害发生在2014-2016年期间最大厄尔尼诺指数出现后紧接的第一个夏季；2020年的洪水灾害发生在2018-2019年期间厄尔尼诺现象结束后的次年夏季。以上结果跟前文分析结论完全一致，证明了前文分析结果的有效性和合理性，为后期根据厄尔尼诺现象预测巢湖洪水灾害提供了科学依据。