韓曉敏，延軍平，李敏敏，吳夢初

（陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062）

近年來在全球氣候變暖的大背景下，極端氣候事件頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，平均每年氣象災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失高達全國GDP的3%～6%，旱澇為對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最嚴(yán)重的自然災(zāi)害［1］。馬建勇等［2］通過對影響遼寧省糧食作物產(chǎn)量因素的研究發(fā)現(xiàn)，旱澇占主導(dǎo)地位。造成旱澇災(zāi)害的原因是多方面的，其中太陽活動這個因素越來越受到學(xué)術(shù)界的重視，太陽黑子活動對地球氣候、水文的變化會有一定的調(diào)制作用，這種作用有時間和區(qū)域特性［3］。區(qū)域特性表現(xiàn)為地球上不同區(qū)域的雨量在同一時期里與太陽黑子數(shù)的峰谷變化有不同的關(guān)系。趙娟等［4］應(yīng)用小波分析，研究了太陽黑子活動與北京地區(qū)降水的關(guān)系，認為太陽黑子活動與北京地區(qū)年降水量密切相關(guān)；董立峰等［5］研究黃河三角洲旱澇災(zāi)害與太陽黑子的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)黃河三角洲在太陽黑子谷年附近易發(fā)生洪澇災(zāi)害，而在太陽黑子峰年附近則易發(fā)生旱災(zāi)；趙小娟等［6］對秦嶺南北旱澇災(zāi)害誘災(zāi)因子的研究發(fā)現(xiàn)關(guān)中陜南地區(qū)旱澇指數(shù)與太陽黑子呈正相關(guān)，大致上呈11a周期左右。

目前，對遼寧省旱澇特征本身進行研究的文章甚多，但是對該地區(qū)旱澇變化與太陽黑子的相關(guān)性研究的文章較少。因此文中采用降水Z指數(shù)，頻率分析，Morlet小波分析等方法對太陽黑子活動與遼寧省旱澇災(zāi)害的關(guān)系進行了詳細分析，以期為該地區(qū)人民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活以及為當(dāng)?shù)夭块T及時制定科學(xué)有效的救災(zāi)防災(zāi)措施提供理論幫助。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于中國東北地區(qū)的南部，地理坐標(biāo)為118°50′—125°47′E，38°43′—43°29′N。地處東北亞地區(qū)的中心部位，南臨渤海、黃海，西南與河北省交界，西北與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，東北與吉林省接壤，東南隔鴨綠江與朝鮮半島相望。遼寧省地勢大體為北高南低，從陸地向海洋傾斜；山地丘陵分列于東西兩側(cè)，向中部平原傾斜。地貌劃分為3大區(qū)：東部山地丘陵區(qū)，西部山地丘陵區(qū)，中部平原。氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，日照豐富，春秋季短，四季分明，年降水量714.9mm，無霜期平均為130d，年平均氣溫在5.4～11℃。

2 資料來源與方法

2.1 資料來源

根據(jù)氣象資料的完整度，本文選取了遼寧省22個站點1956—2011年的逐月平均降水量，資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)、遼寧氣象局。太陽黑子相對數(shù)年平均值取自網(wǎng)站http：∥sidc.oma.be／index.php3。

2.2 研究方法

主要應(yīng)用Z 指數(shù)［7－8］，Morlet連續(xù)復(fù)小波變換［9－11］，氣候傾向率及其他數(shù)理統(tǒng)計方法進行分析。

2.2.1 降水Z指數(shù) 由于某一時段的降水量一般不服從正態(tài)分布，而是服從PersonⅢ型分布，Z指數(shù)能夠消除降水量平均值不同的影響，對降水量進行處理而得到服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的序列，對旱澇程度具有良好的反應(yīng)能力［12］?，F(xiàn)假設(shè)該地區(qū)降水量服從PersonⅢ型分布，對降水量R進行正態(tài)化處理，可將概率密度函數(shù)PersonⅢ型分布轉(zhuǎn)換為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其轉(zhuǎn)換公式為：

式中：Cs——偏態(tài)系數(shù)；φi——標(biāo)準(zhǔn)變量。Cs，φi均可由降水資料序列計算求得，計算公式為：

通過對遼寧省22個氣象站點1956－2011年Z指數(shù)進行計算，根據(jù)表1確定遼寧省各地的旱澇等級。發(fā)現(xiàn)每級的理論頻率和實際頻率均較為接近，表明該Z指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)能夠反映實際情況，可以用于研究遼寧省的旱澇氣候變化特征。

表1 Z指數(shù)旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)及遼寧省1956－2011年旱澇實際出現(xiàn)頻率

2.2.2 Morlet連續(xù)復(fù)小波變換 時間序列的周期演變是自然和社會中常見的現(xiàn)象，年內(nèi)、年際降雨和溫度的變化都表現(xiàn)出明顯的周期性。在氣候診斷中，廣泛使用的傅里葉變換可以顯示出氣候序列變化不同尺度的相對貢獻；小波變換不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯現(xiàn)出變化的時間位置。目前，小波分析已廣泛應(yīng)用于氣象和氣候序列的時頻結(jié)構(gòu)分析中，研究成果顯著。本文選用 Morlet連續(xù)復(fù)小波變換對遼寧省1956—2011年的Z指數(shù)時間序列進行周期性分析，其形式為：

式中：φ（x）——基本小波或母小波；x——時間；w0——常數(shù)。小波系數(shù)實部反映了給定時間和尺度下，相對于其他時間和尺度信號的強弱和位相兩方面的信息。

3 結(jié)果與分析

3.1 旱澇頻次分布

根據(jù)表1中旱澇等級標(biāo)準(zhǔn)，將遼寧省1956—2011年的旱澇指數(shù)進行分級（圖1）。由圖1可知，該地區(qū)旱澇情況整體趨勢為由澇轉(zhuǎn)旱。由年降水量5a滑動平均值可以看出，20世紀(jì)50—60年代末期，該地區(qū)以雨澇為主；70—80年代初期正常年份居多；80—90年代后期旱澇交替出現(xiàn)，且旱災(zāi)多于澇災(zāi)；進入21世紀(jì)后，旱災(zāi)發(fā)生次數(shù)顯著增多，呈現(xiàn)干旱化現(xiàn)象。

由表2可知，遼寧省在近56a來共發(fā)生旱災(zāi)18次，澇災(zāi)16次，兩者發(fā)生次數(shù)幾乎相等。統(tǒng)計其各級發(fā)生年份，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)發(fā)生重旱、重澇各3次，分別占56a中的5.36%；大旱6次，所占比例為10.71%；大澇5次，占8.93%；偏旱9次，所占比例為16.07%；偏澇8次，占14.29%。

圖1 遼寧省1956－2011年旱澇指數(shù)等級變化

表2 1956－2011年遼寧省旱澇年份分布

3.2 太陽黑子相對數(shù)與遼寧省旱澇災(zāi)害的關(guān)系

3.2.1 太陽黑子相對數(shù)的變化特征 根據(jù)國際上的規(guī)定，以1755年作為第一個太陽黑子周的開始，依次排列。1956—2011年56a間共經(jīng)歷了從1954年開始的第19，20，21，22，23個太陽黑子活動周并且正在經(jīng)歷第24個周期［13］。其中共出現(xiàn)5個M年（根據(jù)瓦爾德邁爾對太陽黑子周期的描述用M和m分別表示各個周期中太陽黑子數(shù)的極大值年和極小值年的年份），分別是1957，1968，1979，1989和2000年；5個m 年，即1964，1976，1986，1996和2008年（圖2）。太陽黑子的谷值年和峰值年，也是太陽輻射的一種異常變化，在其數(shù)量上主要有11，22，90，180a的變化周期［14］。

圖2 遼寧省1956－2011年旱澇指數(shù)與太陽黑子的相關(guān)關(guān)系

3.2.2 太陽黑子活動與遼寧省旱澇相關(guān)性分析 從近56a來太陽黑子活動與遼寧省Z指數(shù)的相關(guān)性分析可以看出：（1）整體上各年太陽黑子數(shù)與該地區(qū)的Z指數(shù)呈反相關(guān)關(guān)系，太陽黑子相對數(shù)越大，Z指數(shù)越小，即發(fā)生干旱的可能性越大；反之，太陽黑子數(shù)越小，Z指數(shù)越大，發(fā)生洪澇的的可能性越大。（2）20世紀(jì)50年代中期到60年代中期遼寧省旱澇指數(shù)與太陽黑子數(shù)呈明顯的負相關(guān)關(guān)系，60年代后期到70年代中期二者關(guān)系不太明顯，70年代后期到90年代初期又呈現(xiàn)負相關(guān)，1991—1993年二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，之后又呈現(xiàn)負相關(guān)。2009年為太陽黑子的谷值年，到2011年旱澇指數(shù)達到最大，出現(xiàn)了2a的滯后現(xiàn)象。

3.2.3 太陽黑子極值年附近的旱澇特征 為了便于統(tǒng)計分析，對太陽黑子極小值年和極大值年附近的旱澇指數(shù)進行了統(tǒng)計（表3）。遼寧省在太陽黑子數(shù)極小值年前后的15a中，共有4a出現(xiàn)澇災(zāi)（2次重澇、2次大澇），3a出現(xiàn)旱災(zāi)（1次偏旱、2次大旱），澇災(zāi)占15a中的26.7%，旱災(zāi)占20%，澇災(zāi)多于旱災(zāi)，旱澇災(zāi)害年份與正常年份基本相當(dāng)；在太陽黑子數(shù)極大值年前后的15a中，共有8a出現(xiàn)旱災(zāi)（3次重旱、2次大旱、3次偏旱），2a出現(xiàn)澇災(zāi)（1次偏澇、1次大澇），旱災(zāi)占15a中的53.3%，澇災(zāi)占13.3%，旱災(zāi)遠遠多于澇災(zāi)。可見，太陽黑子數(shù)極小值年前后出現(xiàn)澇災(zāi)的頻率較大；太陽黑子極大值年前后出現(xiàn)旱災(zāi)的頻率較大。

表3 遼寧省太陽黑子極值年附近的特征

進一步分析太陽黑子數(shù)極值與旱澇等級（旱澇等級越大，其所在年份越旱）的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)（圖3），太陽黑子數(shù)極值與旱澇等級呈正相關(guān)，太陽黑子數(shù)越大，旱澇等級越高，干旱程度越大；太陽黑子數(shù)越小，旱澇等級越低，雨澇程度越大。在太陽黑子5個峰值年中，1968，1989，2000年當(dāng)年，該地區(qū)旱澇等級為6，7，即達到重旱與大旱的程度，1957，1979年太陽黑子達到峰值年時，旱澇等級在1958，1980年才達到波動曲線的峰值，即在峰值附近下降段出現(xiàn)，有1a左右的滯后性；在太陽黑子5個谷值年中，除2008年（太陽黑子達到谷值年，旱澇等級在2010年達到谷值）以外，其余各年旱澇等級均在太陽黑子谷值年之前1～3a達到谷值，即在谷值附近下降段出現(xiàn)。

綜上所述，該地區(qū)在太陽黑子峰值年或峰值年附近易出現(xiàn)旱年，在太陽黑子谷值年或谷值年附近易出現(xiàn)澇年，這與李可軍等［15］的研究結(jié)果一致。在黑子峰值年份，中緯度雨量較少，旱年居多。2009年進入太陽黑子第24周，目前正處于峰值附近階段，發(fā)生旱年的概率較大。因此，遼寧省應(yīng)該做好抗旱準(zhǔn)備，及時啟動干旱預(yù)警緊急方案，開展抗旱工作；必要時進行人工增雨，盡可能減少干旱帶來的損失。

3.3 遼寧省旱澇指數(shù)的小波分析

遼寧省年降水Z指數(shù)與相應(yīng)年份太陽黑子小波系數(shù)的對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 1956－2011年遼寧省Z指數(shù)和太陽黑子數(shù)小波分析注：Z指數(shù)小波系數(shù)的實線表示澇，虛線表示旱；太陽黑子小波系數(shù)的實線表示峰值期，虛線表示低谷期。

由圖4a可以看出，遼寧省旱澇指數(shù)存在7～12a，20a左右的準(zhǔn)周期變化。其中在對應(yīng)于7～12a左右的Z指數(shù)演變，主要存在5個時間尺度的交替，它們分別是1960—1965，1972—1977，1985—1988，1993—1998，2005—2011年的降雨充沛期和1956—1960，1966—1971，1979—1984，1989—1993，1999—2004年的降水偏少期。

由圖4b可以看出，太陽黑子存在8～11，17～22a左右準(zhǔn)周期變化。其中太陽黑子在8～11a的周期交替過程中存在兩個活動期：（1）黑子活動活躍期：1956—1961，1968—1972，1978—1982，1989—1992，1999—2003年；（2）黑子活動低谷期：1962—1967，1973—1976，1984—1988，1994—1998和2005年至今。

綜合分析可得，太陽黑子與Z指數(shù)在7～12a有較好的對應(yīng)關(guān)系，太陽黑子的活躍期對應(yīng)降水偏少期，太陽黑子的低谷期對應(yīng)降水充沛期，說明太陽黑子的變化對遼寧地區(qū)降水有較大的影響，未來幾年處于太陽黑子的活躍期附近，降水為偏少期。

4 討論

雖然總體上太陽活動對氣候的影響已被學(xué)術(shù)界公認并已取得許多研究成果，但由于氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得太陽活動對各地區(qū)氣候的影響構(gòu)成一幅十分復(fù)雜的圖案。遼寧省的旱澇災(zāi)害與太陽黑子活動也并不完全對應(yīng)，這說明旱澇變化除了受太陽黑子活動影響外還受其他因素的影響。研究表明，厄爾尼諾，拉尼娜事件是低緯度海氣相互作用的強年季氣候信號，是造成全球氣候異常的重要因子［16］。另外，氣候異常還受到多種局地因素和人類活動的影響。因此對遼寧省旱澇災(zāi)害的影響因素還有待于進一步深入研究。本文從年尺度分析了遼寧省旱澇與太陽黑子活動的相關(guān)性，遼寧省屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其降雨量集中在夏秋兩季，有待于我們從季尺度進行深入分析。

5 結(jié)論

（1）遼寧省近56a中旱澇發(fā)生頻率基本相等，旱澇情況整體趨勢為由澇轉(zhuǎn)旱，尤其是進入21世紀(jì)后，旱災(zāi)發(fā)生次數(shù)顯著增多，呈現(xiàn)干旱化現(xiàn)象。遼寧省在近56a來共發(fā)生旱災(zāi)18次，占32.14%；發(fā)生澇災(zāi)16次，占25.28%，兩者發(fā)生次數(shù)幾乎相等。

（2）通過分析太陽黑子數(shù)與Z指數(shù)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，各年太陽黑子數(shù)與該地區(qū)的Z指數(shù)整體上呈反相關(guān)關(guān)系；太陽黑子相對數(shù)越大，Z指數(shù)越小，即發(fā)生干旱的可能性越大；反之，太陽黑子數(shù)越小，Z指數(shù)越大，發(fā)生洪澇的的可能性越大。

（3）在太陽黑子數(shù)極大值年前后的15a中，旱災(zāi)占53.3%，澇災(zāi)占13.3%，旱災(zāi)遠遠多于澇災(zāi)；太陽黑子數(shù)極小值年前后，澇災(zāi)占26.7%，旱災(zāi)占20%，澇災(zāi)多于旱災(zāi)。該地區(qū)在太陽黑子峰值年或峰值年附近易出現(xiàn)旱年，在太陽黑子谷值年或谷值年附近易出現(xiàn)澇年，目前正處于峰值附近階段，發(fā)生旱年的概率較大。

（4）經(jīng)小波分析發(fā)現(xiàn)，太陽黑子與Z指數(shù)在7～11a有較好的對應(yīng)關(guān)系，太陽黑子的活躍期對應(yīng)降水偏少期，太陽黑子的低谷期對應(yīng)降水豐沛期，說明太陽黑子的變化對遼寧地區(qū)降水有較大的影響，未來幾年處于太陽黑子的活躍期附近，降水為偏少期。

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