王利軍

摘 要：近年來(lái)，厄爾尼諾現(xiàn)象的出現(xiàn)給全球天氣、氣候帶來(lái)影響，同時(shí)也影響到河北省的氣候變化。以河北邯鄲的永年縣為例，主要研究厄爾尼諾現(xiàn)象和永年縣汛期和全年降水變化之間的關(guān)聯(lián)性，采用對(duì)應(yīng)同步分析的方法得知，厄爾尼諾年與邯鄲市永年縣汛期和全年降水量呈負(fù)相關(guān)，且厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)永年縣降水的影響主要集中在汛期。同時(shí)根據(jù)永年縣四十年的降水資料，利用ARIMA模型自回歸移動(dòng)法，設(shè)計(jì)模型尋找最優(yōu)擬合參數(shù)，預(yù)測(cè)永年縣未來(lái)兩年各月的降水。希望通過研究能為永年縣降水預(yù)測(cè)提供參考。

關(guān)鍵詞：厄爾尼諾現(xiàn)象；相關(guān)性；永年縣；ARIMA模型

中圖分類號(hào)：P732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-291X（2015）09-0182-05

引言

厄爾尼諾現(xiàn)象是指赤道太平洋中、東部每隔若干年發(fā)生一次大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的海水溫度異常增高的現(xiàn)象。它一般出現(xiàn)在圣誕節(jié)前后或稍后一兩個(gè)月，當(dāng)?shù)厝税阉Q作“厄爾尼諾”，即“圣嬰”。拉尼娜現(xiàn)象是與之相反的海水降溫現(xiàn)象，發(fā)生周期一般為二至七年，平均周期約三至四年。1980年以來(lái)，厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生頻率達(dá)到每二年1次，每次持續(xù)12—18個(gè)月。厄爾尼諾現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，導(dǎo)致全球大早大澇等災(zāi)害相應(yīng)增加。20世紀(jì)最強(qiáng)的厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生在1997—1998年，熱帶、亞熱帶地區(qū)、南太平洋東部地區(qū)和南美洲的中部都受到嚴(yán)重影響，全球大部分地區(qū)降雨明顯異常，這使得厄爾尼諾現(xiàn)象備受關(guān)注。

厄爾尼諾發(fā)生時(shí)，太平洋赤道地區(qū)原來(lái)的偏東氣流減弱或消失，堆積在西部的暖海水向東回流，使東太平洋海面比正常年份高二三十厘米，溫度則比正常年份高2℃～5℃，西太平洋海面變低、水溫也相應(yīng)下降變冷。厄爾尼諾發(fā)生時(shí)，整個(gè)東、中太平洋上空的大氣狀況都被改變，這種大范圍的變化，必然會(huì)打亂正常的秩序，影響到熱帶其他地區(qū)，并通過大氣環(huán)流，影響到高緯地區(qū)。

近年來(lái)，厄爾尼諾現(xiàn)象的出現(xiàn)給全球天氣、氣候帶來(lái)影響，同時(shí)也影響到河北省的氣候變化，結(jié)合河北省同期旱澇史，張桂香利用相似外推法，統(tǒng)計(jì)分析了厄爾尼諾現(xiàn)象與河北省及附近地區(qū)旱澇、氣候冷暖的關(guān)系，以期為氣候變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供參考；為確定厄爾尼諾現(xiàn)象與保定市地區(qū)汛期降水的相關(guān)性，盧麗采用保定市市氣象局1867—1998年期間確認(rèn)出的厄爾尼諾現(xiàn)象和保定市地區(qū)6—8月降水總量作為分析對(duì)象進(jìn)行相關(guān)分析。分析結(jié)果表明，在一百三十二年中有71%的年份，厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生當(dāng)年保定市地區(qū)降水減少，厄爾尼諾現(xiàn)象與保定市地區(qū)汛期降水不是相互獨(dú)立的，而是呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；張健利用線性回歸、突變分析和小波分析方法，先分析了京津冀地區(qū)1960—2006年84個(gè)地面臺(tái)站降水量的變化，結(jié)果表明京津冀地區(qū)年降水量和四季降水大致存在3個(gè)主要周期的變化；李春強(qiáng)、杜毅光、李保國(guó)根據(jù)河北省85個(gè)常規(guī)地面氣象站降水資料，利用小波變換Morlet方法，分析了河北省1965—2005年不同時(shí)間尺度下降水序列的主要周期變化過程及其空間變化特征，得到河北省年降水量主要存在3個(gè)尺度的變化周期，北部和中東部地區(qū)降水相對(duì)穩(wěn)定，西部地區(qū)降水變率較大。

中國(guó)緊鄰厄爾尼諾發(fā)生區(qū)，因此全球變暖所導(dǎo)致的厄爾尼諾異?，F(xiàn)象必然會(huì)對(duì)中國(guó)產(chǎn)生很大的影響。在厄爾尼諾發(fā)生時(shí)，首先造成冬季北方極地大陸氣團(tuán)南下的勢(shì)力變?nèi)?，?jīng)常影響中國(guó)的冬季風(fēng)也就相應(yīng)變?nèi)?，冷鋒過境減少，出現(xiàn)暖冬、少降水的天氣。其次是夏季，由于西太平洋副熱帶高壓勢(shì)力減弱，造成夏季風(fēng)勢(shì)力變?nèi)?，北上速度變緩，南方江淮等地多雨的可能性增大，可能出現(xiàn)洪澇災(zāi)害。季風(fēng)環(huán)流是影響中國(guó)氣候的最主要、最直接的因素，而厄爾尼諾主要是通過季風(fēng)對(duì)中國(guó)施加影響，它的影響是間接的。那么厄爾尼諾現(xiàn)象具體和我國(guó)河北省南部保定市的降水存在什么樣的相關(guān)性，本文以保定市為代表來(lái)具體分析它們之間的關(guān)系。

通過查閱前人的成果整理出的自1970年以來(lái)發(fā)生的全球性的厄爾尼諾現(xiàn)象年份（見下頁(yè)表1）。

一、保定市概況和降水變化的分析

河北省保定市地處河北省南部，太行山東麓，屬華北臺(tái)地南段，西部丘陵為太行山背斜的一部分。東部平原屬渤海凹陷、寧晉凹陷區(qū)的一部分。全縣地勢(shì)西高東低，自西向東可分為低山丘陵、山前傾斜平原、平原和洼地等地貌單元。保定市保定市屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫13.0℃。7月份最熱，平均氣溫為26.8℃，極端最高氣溫為42.1℃，1月份最冷，平均氣溫為-2.9℃，極端最低氣溫為-21.6℃，10℃以上積溫4 472.0℃。年平均降雨量為503.6毫米，降水主要集中在7—8月份，雨量為285.1毫米，占全年降雨量的58%，冬季（12月至次年1月）降水量14.1毫米，僅占年降水量的3%。年降水量最多的記錄是1963年，達(dá)1 231.0毫米，年降水量最少的是1986年，僅為227.9毫米。年降水量日數(shù)（20.1mm）平均為69.5天，最多年份為1976年，降水天數(shù)為90天。連續(xù)降水（20.1mm）最長(zhǎng)時(shí)間為1977年8月5—12日，最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)降水的時(shí)間為1984年11月10日至1985年2月21日，長(zhǎng)達(dá)104天。1963年8月3日一天降水量達(dá)291.3毫米，成為日降水量最高的記錄。

根據(jù)保定市氣象局統(tǒng)計(jì)的自1972年1月至2012年12月近四十年的每月降水情況制作了圖1，用來(lái)顯示保定市年降水量的整體變化趨勢(shì)。

（一）厄爾尼諾年及其次年與保定市地區(qū)降水的相關(guān)性

自1970年以來(lái)厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生的年份有1972年、1976年、1982—1983年、1987年、1991年、1993年、1994年、1997年、2002年、2004—2005年、2006年、2009年共十二年。與保定市四十年來(lái)各月降水量的數(shù)值對(duì)比分析。

下頁(yè)表2中在厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生當(dāng)年，保定市汛期各月降水量及總降水量均低于多年平均值。降雨量負(fù)距平年數(shù)平均高于厄爾尼諾總年數(shù)的一半，降水量負(fù)距平年的最大頻率出現(xiàn)在7月，為75%。厄爾尼諾年平均雨量負(fù)距平最大百分率為8%，6—9月降水量負(fù)距平年出現(xiàn)的頻率為58%，平均雨量負(fù)距平百分率為1%，全年雨量負(fù)矩平年數(shù)為4%，平均雨量負(fù)距平百分率為3%。說明厄爾尼諾年保定市汛期和全年的降水量比多年均值量偏小，且汛期影響量要大于全年。endprint

厄爾尼諾次年，除了9月降水量持平6月降水量低于均值外，其他各月降水量及6—9月和全年總降水量均高于多年平均值，8月和6—9月降水量正距平年的頻率達(dá)70%，8月平均雨量正距平百分率為24%?？梢?，厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生的當(dāng)年降水減少，次年降水有所增加，降水量的增減趨勢(shì)非常一致，說明厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)保定市地區(qū)汛期降水量的影響是相當(dāng)穩(wěn)定的。即厄爾尼諾現(xiàn)象與保定市地區(qū)汛期降水不是相互獨(dú)立的，而是呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，厄爾尼諾現(xiàn)象使保定市地區(qū)汛期降水量減少的可能性大，且對(duì)汛期影響要大于全年。

（二）用ARIMA模型對(duì)保定市降水分析和預(yù)測(cè)

ARIMA模型是時(shí)間序列分析中最常用的模型之一，提供了一套有效的預(yù)測(cè)技術(shù)，在時(shí)間序列預(yù)測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用。

將保定市自1972年1月至2012年12月四十年每月的降水?dāng)?shù)據(jù)全部錄入SPSS軟件中，創(chuàng)建ARIMA模型進(jìn)行自回歸移動(dòng)分析處理。所建立的ARIMA模型的因變量標(biāo)簽是“降水量”，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)在季節(jié)性變化的自回歸（a）、差分（b）、移動(dòng)平均數(shù)（c）三個(gè)條件上不同參數(shù)取值的排列組合創(chuàng)建了27組模型，模型名稱為“模型_X”，模型的類型為ARIMA（a，b，c）。

表3 模型描述

根據(jù)模型的8個(gè)擬合優(yōu)度指標(biāo)，包括這些指標(biāo)的均值、最小值、最大值以及百分位數(shù)。由于因變量數(shù)據(jù)為季節(jié)性數(shù)據(jù)，因此平穩(wěn)的R方更具代表性，表4分別取不同的ARIMA（a，b，c）參數(shù)，建立不同的模型時(shí)所對(duì)應(yīng)的平穩(wěn)的R方。

對(duì)比這些模型的平穩(wěn)的R方，用平穩(wěn)的R方值來(lái)判斷數(shù)據(jù)的擬合效果，從中取得最佳擬合。平穩(wěn)的R方越大，擬合度越大，該模型做出的預(yù)測(cè)約精確。因此通過對(duì)比可知當(dāng)取ARIMA（1，3，3）模型_9時(shí)，模型的平穩(wěn)的R方值最大為0.854，擬合情況最好，此時(shí)用ARIMA模型做出的預(yù)測(cè)最精確。

表5為ARIMA（1，3，3）模型_9的具體模型描述和對(duì)應(yīng)的擬合情況。

表5 模型描述

下頁(yè)表6給出了模型的8個(gè)擬合優(yōu)度指標(biāo)，包括這些指標(biāo)的均值、最小值、最大值以及百分位數(shù)。其中，平穩(wěn)的R方值為0.854，由于因變量數(shù)據(jù)位季節(jié)性數(shù)據(jù)，因此平穩(wěn)的R方更具代表性，通過表4、表6的對(duì)比說明，模型ARIMA（1，3，3）參數(shù)選擇最好，擬合的效果最能符合要求。

下頁(yè)圖2給出了ARIMA（1，3，3）模型的擬合值、觀測(cè)值和預(yù)測(cè)。因變量降水量序列整體上成波動(dòng)狀態(tài)，擬合值和觀測(cè)值曲線在整個(gè)區(qū)間整體上擬合情況良好，明顯可以看出擬合值的波動(dòng)性非常接近實(shí)際觀察值波動(dòng)性。因此可以說明ARIMA（1，3，3）模型對(duì)降水量的擬合情況還是非常不錯(cuò)，用此模型得出的預(yù)測(cè)也比較符合實(shí)際情況。

表7 預(yù)測(cè)表

用ARIMA模型做出自2013年6月至2014年12月的每月降水量的具體預(yù)測(cè)數(shù)值。對(duì)于每個(gè)模型，預(yù)測(cè)都在請(qǐng)求的預(yù)測(cè)時(shí)間段范圍內(nèi)的最后一個(gè)非缺失值之后開始，在所有預(yù)測(cè)值的非缺失值都可用的最后一個(gè)時(shí)間段或請(qǐng)求預(yù)測(cè)時(shí)間段的結(jié)束日期（以較早者為準(zhǔn)）結(jié)束。

二、小結(jié)

（一）厄爾尼諾現(xiàn)象與保定市全年與汛期降水負(fù)相關(guān)

將保定市近四十年的年降水量繪制成曲線變化圖，與厄爾尼諾發(fā)生的年份進(jìn)行同步對(duì)比分析得到，厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)保定市影響的時(shí)間尺度主要集中在厄爾尼諾當(dāng)年和次年，厄爾尼諾年保定市汛期和全年降水低于多年的平均降水量的偏多，且厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)保定市汛期的影響要甚于對(duì)于全年的影響，對(duì)汛期影響最嚴(yán)重的月份為7月。

厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生的次年保定市汛期和全年降水高于多年平均降水量的月份偏多，且主要集中在8月，對(duì)汛期的影響要高于對(duì)全年的影響。整體上厄爾尼諾現(xiàn)象次年對(duì)保定市降水的影響要高于厄爾尼諾當(dāng)年對(duì)保定市降水的影響。

（二）用ARIMA模型對(duì)保定市未來(lái)降水的預(yù)測(cè)在短期內(nèi)呈上升趨勢(shì)

利用SPSS軟件ARIMA模型，建立了27種參數(shù)模型，對(duì)比找出最優(yōu)擬合比例，把該模型對(duì)應(yīng)的參數(shù)利用ARIMA模型分析得知，擬合值和觀測(cè)值曲線在整個(gè)區(qū)間整體上擬合情況良好，明顯可以看出擬合值的波動(dòng)性非常接近實(shí)際觀察值波動(dòng)性。因此可以說明ARIMA（1，3，3）模型對(duì)降水量的擬合情況還是非常不錯(cuò)，用此模型得出的預(yù)測(cè)也比較符合實(shí)際情況。除預(yù)測(cè)曲線圖外還具體預(yù)測(cè)了直到2014年底的每月具體降水量，在短期內(nèi)保定市未來(lái)降水呈上升趨勢(shì)。

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[責(zé)任編輯 陳鳳雪]endprint