王群英 龚道溢

	王群英（中国科学院地理研究所　北京　100101）
	龚道溢（北京大学地球物理系　北京　100871）

提　要　对华北地区 1951 年以来的降水测站记录进行了趋势分析、相关分析和小波分析。发现 47 年来，华北夏季和秋季降水都有明显的减少趋势。夏季和年总降水在 1964 年前后发生了一次明显的变化，以后降水显著减少。1985 年左右，秋季降水也发生了一次显著减少的变化。夏季华北降水变化的周期主要集中于 2～4 年、8 年左右和 20 年左右。秋季最突出的周期是 2～4 年和 8 年左右。厄尔尼诺对华北降水的变化有重要影响，发生厄尔尼诺时，华北春季降水偏多，夏季和秋季降水显著偏少。冬季关系不显著。发生厄尔尼诺的次年春季，华北降水偏多。

关键词　华北地区　降水　厄尔尼诺

分　类　中图法　P426.61

1 前言

　　华北地区是我国水资源严重缺乏的地区，随着社会经济的发展、人口的增长、城市的扩张，水资源的供需矛盾日益尖锐。当然，原因是多方面的，以往人们着重强调社会经济因素这个主要原因，但是应该看到，水资源作为一种可更新的自然资源，有着其自然性的变化波动，而且往往还受其它一些研究华北地区降水资源的自然变化及其可能的影响因素，对合理开发和利用水资源及制定社会经济发展规划都十分自然因素的影响^[1]。降水资源是地球淡水资源的唯一补给来源，是影响水资源的最直接的因素。重要。

　　本文首先要对最近 47 年来华北地区降水资源的变化特征进行分析。一些研究表明，厄尔尼诺对我国一些地区的季节降水有显著的影响^[2、3]，但厄尔尼诺对华北降水资源的变化究竟有什么影响？本研究选取北京、太原、济南、郑州和延安 5 站来代表广义的华北地区。用 5 个站 1951－01～1998－02 月平均降水量来表示这个区域的降水资源，并对其变化特征进行分析。

2 华北降水资源的变化特征

2.1 趋势分析

　　从多年平均状况看，年降水为 575.4mm，其中春季降水为 87.5mm，夏季为 351.9mm，秋季 118.9mm，冬季 17.1mm。可见，华北地区降水主要集中在夏季，其次是秋季，夏秋两季降水占全年总量的 81.8%。因此，夏、秋两季占有重要地位。图 1 给出了夏季、秋季和年降水距平百分率曲线，根据世界气象组织 (WMO) 的建议，都采用 1961～1990 年 30 年作为标准参考时段。

图 1 华北地区降水距平百分率曲线（取 1961～1990 年为参考时段光滑曲线为高斯 9 点低通滤波值）
Fig. 1 Anomaly percentage of precipitation over North China (reference period is 1961－1990，a:summer，b:autumn，c:annual)

　　如果以降水距平百分率±20% 作为判断降水资源丰、枯的标准，则 47 年中降水资源丰富的夏季有 12 个，偏低的夏季有 11 个，其中降水距平百分率最大的是 1956 年，达 55%，其次分别是 1996、1959、1994 和 1954 年。最少的是 1968 年，仅－47%，其次是 1997、1965、1972 和 1952 年。秋季偏高和偏低的分别有 9 年和 19 年，可见秋季降水偏低的概率要远高于丰水年，其中最大和最小的年份出现在 1964 和 1957 年，分别为 85% 和－64%。从年总降水来看，偏高和偏低分别有 6 年和 7 年，次数大体相当，最高的 5 个年份依次是 1964（距平百分率为 57%）、1963、1956、1969 和 1961 年；最低的 5 个年份分别是 1965（距平百分率为－38%）、1997、1972、1968 和 1986 年。

　　根据上面的分析可以发现，年降水最多的 5 年中有 4 年都集中在 60 年代，夏季最高的 5 年中则有 3 个集中在 50 年代，秋季最高的 5 年中则有 3 个集中在 60 年代、2 个集中在 80 年代，可见降水资源的丰、枯表现出明显的趋势和阶段性。因此，为判断夏、秋和年降水资源的长期变化趋势，作出累积距平百分率曲线进行分析。从图 2 中可以发现，降水资源的长期变化趋势是明显的。夏季从 50 年代到 60 年代中期，是增加的趋势，而从 60 年代中期以后到现在则是以减少趋势为主，其中有小的波动。秋季从 50 年代到 60 年代初期，是减少的趋势，从 60 年代初期到 70 年代初以增加趋势为主，而从 80 年代后期开始又有较强下降趋势。年降水从 50 年代到 60 年代中期，是增加的趋势，而从 60 年代中期到现在则是减少的，与夏季降水的变化大体一致。从整个序列来看，夏季、秋季都是以减少趋势为主，利用线性回归进行拟合，则夏季的变化率是 -9.6mm/10a，秋季 -4.5mm/10a，所以年总降水也是减少的，变化率为 -12.9mm/10a。

图 2 夏季 (a)、秋季 (b) 和年降水 (c) 的累积距平百分率曲线和滑动 t 检验值
Fig. 2　Accumulated anomaly percentage and moving t test values for summer(a)，autumn(b) and annual(c) rainfall. The confidence level of t value at 95% is±2.1

　　同时，为了检测在年代际之间的可能显著变化，还应用了滑动 t 检验，并进行显著性检验。图 2 中同时给出了滑动 t 检验的结果，具体做法是任意给定一年，取其前和后相邻的连续 10 年的降水值计算 t 值，再进行信度检验，即：式中 n1=n2=10; 和 s² 分别为前后 10 年的均值和方差。很显然，相邻 10 年间的指数值随时间有明显的变化，表现出年代间的差别。如果仅仅从相邻的 10 年平均状况来看，夏季达 t 检验 95% 信度的显著年代际变化发生在 1964 年左右，t 值达 2.44，即 1964 年以前的 10 年降水显著高于其后 10 年，1965～1974 年 10 年平均比 1955～1964 年 10 年平均降水距平百分率减少 24.2%。年降水在 1964 年前后也发生了类似的显著变化，t 值达 2.88，之后 10 年比之前 10 年平均降水距平百分率减少 20.2%。秋季则在 1985 年左右发生了一次显著变化，80 年代后期至 90 年代初，降水明显要低于前期，1986～1995 年 10 年平均比 1976～1985 年 10 年平均降水距平百分率减少 19.2%。

　　60 年代中期发生的华北降水的显著变化并不是孤立的。文献 4 指出，60 年代中期，北非、印度及我国等许多地区降水和其它气候要素都发生过一次跃变，是一个大尺度现象。对于华北地区，夏季降水是直接受东亚夏季风影响的，当夏季风强时华北降水偏多，反之则偏少。许多研究发现，东亚夏季风的强度在 60 年代中期是一个明显的转折期，60 年代中期以后，夏季风突然减弱^[5]，所以导致降水相应的由多变少。

2.2 小波分析

　　以前人们研究降水的波动特征时，多采用功率谱方法。利用功率谱分析可以反映出时间序列整体上哪些频率占优及这些频率的相对贡献大小，但不能给出频率的变化情况，也无法反映某一时段某一频率的局部特征。近年来应用越来越广泛的小波分析方法，可以克服功率谱分析的上述缺点，它把时间和频率作为独立变量，将一维信号在时间和频率两个方向上展开，因此可以较好地揭示信号中各种频率的时间结构^[6]。小波有很多种，这里采用 Morlet 小波^[7]即：Ψ(t)= 对华北地区降水进行分析。

　　图 3 是夏季降水小波分析的实际系数，可以看出，夏季降水的波动主要有三种不同的频率，即 2～4 年、8 年左右和 20 年左右的周期。从 50 年代到 60 年代中后期，2～4 年的周期很强，而此后则明显偏弱。8 年左右的周期在 50 年代、80 年代中期以来都很强。秋季华北降水的小波分析结果最突出的周期是 2～4 年和 8 年左右的周期，而 2～4 年周期在 60 年代中后期之前一直都很强，从 70 年代以来则非常弱；8 年左右的周期从 50 年代以来都是稳定的，且强度大。秋季降水小波系数的另外一个显著特点是 1964～1965 年左右有一个很大的从高频伸向低频的舌，表现出这一时期的降水变化有很大的奇异性。这说明不仅夏季的降水在 60 年代中期是一个发生显著变化的时期，对秋季降水来说，也同样是一个特殊的时期。

图 3 夏季降水的小波分析
Fig. 3　Wavelet coefficients of summer precipitation

3 厄尔尼诺对华北降水资源的影响

　　当然，影响华北降水变化的因素有很多，一些研究表明 ENSO 可能也是其中一个重要方面，尤其是对夏季和秋季降水的影响更为突出。

　　以往的研究多用 Nino3 区 (90°W～150°W，5°N～5°S) 的海温做指标来反映 ENSO，最近 Trenberth 指出^[8]，Nino3.4 区 (120°W～170°W，5°N～5°S) 更接近西太平洋暖池，水温更高，而且更能反映赤道中太平洋地区的对流活动，所以比 Nino3 区更有代表性。根据他的建议，将 Nino3.4 区海温距平连续 6 个月超过＋0.4°C 的暖事件称为一次厄尔尼诺。从 1951～1998 年上半年，共有 12 次厄尔尼诺，这些厄尔尼诺包括了 12 个春季，13 个夏季，12 个秋季和 14 个冬季。

　　分别统计发生厄尔尼诺时各季降水距平出现正、负符号的频率 ( 表 1) 可以发现，12 个春季中，有 8 次是降水出现正距平，可见春季发生厄尔尼诺时，同期华北降水是偏多的；夏季发生厄尔尼诺时华北降水偏少；12 个发生厄尔尼诺的秋季中，有 11 次降水都是偏少的，因此对华北地区降水来说，厄尔尼诺的影响在秋季是最显著的。冬季则几乎没有什么关系。

表 1 出现厄尔尼诺时各季降水正负距平符号频率
Table 1 Frequency of seasonal rainfall anomalies with El Ni o

　　发生的这 12 次厄尔尼诺中，海温距平超过＋2.0℃以上的强事件有 3 次，即 1997-04 开始的这次 (ΔSST 最大达＋3.77℃)，1982-04～1983-09(ΔSST 最大达＋3.43℃) 以及 1972-04～1973-03(ΔSST 最大达＋2.48℃) 的这次。这 3 次厄尔尼诺发生过程中包括 4 个夏季，1997 年夏季降水距平百分率为 -45%，1982 年夏季为 -2%，1983 年夏季为 -20%，1972 年夏季为 -35%。4 个夏季平均为 -25.5%，这 4 年的年总降水量的距平百分率平均也只有 -14.0%。其中 1997～1998 年的这次，厄尔尼诺世界气象组织认为是有记录以来最强烈的一次，而 1997 年夏季我国北方地区高温少雨，大面积范围降水都是负距平，华北平原降水距平百分率非常低，仅为 -45% 左右，是建国以来少见的干旱年，接近于最低的 1968 年夏季 ( 降水距平百分率为 -47%)。因此，强烈的厄尔尼诺发生时，对当年夏季华北降水产生的影响比重可能更大。

　　如果计算海温与华北降水的相关，则能看出二者的稳定的定量关系及可信度。表 2 中给出了各季 Nino3.4 区海温与华北降水的同时及落后相关系数。春季二者是显著的正相关，即高海温时有利于华北降水的增加；夏季、秋季和冬季都是负相关，而夏季和秋季的相关达 95% 信度水平，说明赤道中太平洋海温偏高时，华北同期降水偏少。从年平均来看，也是负的相关。而且，当年夏季、秋季和冬季海温偏高时，则下年春季降水显著偏高。

表 2 Ni o3.4 区海温与当年和次年华北降水的相关系数
Table 2 Correlation coefficients of Ni o3.4 SST with seasonal rainfall

注：括号内数据表示达 95% 信度水平。

　　文献 9 曾利用 1880 年以来我国东部地区 35 个站四季降水序列资料，利用 x² 检验和合成分析方法，研究了我国东部地区四季降水与 ENSO 事件的关系，也发现近百年来东部北方地区厄尔尼诺年夏、秋和冬季降水及年降水都偏少。根据对 1880～1997 年的资料统计，42 个厄尔尼诺年北方地区夏季降水距平平均为 -35.5mm，距平百分率平均为 -9.4%，秋季距平及距平百分率分别为 -9.8mm 和 -7.0%，冬季为 -1.6mm 和 -8.0%，年降水量平均距平和距平百分率分别为 -43.8mm 和 -6.8%。这也说明即使从近百多年的资料看，厄尔尼诺对华北降水的影响是显著的，关系也是稳定的。

4 结论

　　根据以上分析，可以得出以下几点结论：

　　(1) 近 47 年来，华北夏季和秋季降水都有明显的减少趋势，其变化率分别为 -9.6mm/10a 和 -4.5mm/10a，年总降水也是减少的，变化率为 -12.9mm/10a。

　　(2) 华北降水的变化有很强的自然波动，表现出年代间阶段性特点，其中夏季和年总降水在 1964 年前后发生了一次明显的变化，60 年代中期以后降水显著减少。秋季降水则在 1985 年左右发生了一次显著减少的变化。

　　(3) 夏季华北降水变化的周期主要集中在 2～4 年、8 年左右和 20 年左右。秋季最突出的周期是 2～4 年和 8 年左右的周期。这些周期随时间的不同，其强度也在变化。

　　(4) 厄尔尼诺对华北降水的变化有重要影响，发生厄尔尼诺时，华北春季降水偏多，夏季和秋季降水显著偏少，冬季关系不显著。发生厄尔尼诺的次年春季，华北降水偏多。

参考文献

1	施雅风主编。气候变化对西北华北水资源的影响。济南：山东科学技术出版社，1995,369
2	廖荃荪，赵振国。我国东部夏季降水分布的季度预报方法。应用气象学报，1992,3( 增刊 )：1～9
3	刘永强，丁一汇。ENSO事件对我国季节降水和温度的影响。大气科学，1995,19(2):200～208
4	严中伟，季劲钧，叶笃正。60年代北半球夏季气候跃变 I：降水和温度变化。中国科学 (B)，1990(1)：97～103
5	郭其蕴。东亚夏季风强度指数及其变化的分析。地理学报，1983,38(3)：207～217
6	Argoul F，Arnedo A，Grasseau G et al. Wavelet analysis of turbulence reveals the multifractal nature of the Richardson cascade. Nature，1989，338(6210)：51～53
7	Weng H Y，Lau J M. Wavelets，period-doubling，and time-frequency localization with application to organization of convection over the tropical western Pacific. J Atmos Sci, 1994,51：2523～2541
8	Trenberth K E. The definition of El Nino. Bull Amer Meteorol Sco, 1997,78：2771～2777
9	龚道溢，王绍武。近百年来 ENSO 与我国季节降水的关系。气候通讯，1998(1)

第一作者简介

王群英，女，1970 年 9 月生，编辑。1995 年于北京师范大学资源与环境科学系获硕士学位，现在《地理学报》编辑部工作。