馬曉剛，李 凝，張 旭，趙連偉，李冬梅 ，李 輯

阜新夏季異常降水在太陽活動周期的規(guī)律研究*

馬曉剛1，李 凝1，張 旭1，趙連偉2，李冬梅3，李 輯4

(1.遼寧省阜新市氣象局,遼寧 阜新 123000; 2.沈陽區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽 110016;3.山西省運(yùn)城市氣象局，山西 運(yùn)城 044000; 4.遼寧省氣象科學(xué)研究所，遼寧 沈陽 110016)

利用1951-2015年太陽黑子相對數(shù)和阜新夏季降水，分析研究了基于太陽活動周期的阜新夏季異常降水規(guī)律。結(jié)果表明：太陽活動周期內(nèi)阜新夏季異常降水偏多年略多于夏季降水異常偏少年；夏季異常降水距平百分率極大值為99.5%，極小值為-52.7%；太陽黑子谷值年周期內(nèi)阜新夏季降水異常偏多和偏少年發(fā)生幾率均比太陽黑子峰值年周期內(nèi)的大；夏季降水異常偏多年最大幾率為0.6，異常偏少年最大幾率為0.67；太陽黑子峰值年周期內(nèi)的M、M+1年多連續(xù)發(fā)生夏季降水異常偏少；太陽黑子谷值年周期內(nèi)的m-1、m年多連續(xù)發(fā)生夏季降水異常偏多；太陽黑子峰值年周期內(nèi)阜新夏季平均降水量的最小值年在M年；太陽黑子谷值年周期內(nèi)阜新夏季平均降水量的最大值年在m-1年；太陽活動周期內(nèi)阜新夏季降水量存在2 ～ 3年的準(zhǔn)周期變化；阜新夏季降水的準(zhǔn)對稱軸在太陽黑子峰值年(M)、谷值年(m)附近；太陽活動周期內(nèi)的阜新夏季平均降水量與太陽黑子相對數(shù)成反相關(guān)；太陽黑子峰值年后少雨向多雨轉(zhuǎn)折年平均在M+2年；太陽黑子谷值年后多雨向少雨轉(zhuǎn)折年平均在m+3年。

太陽黑子；太陽活動周期；夏季；異常降水；規(guī)律；遼寧阜新

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失也越來越嚴(yán)重，社會對氣候監(jiān)測預(yù)測的需求也就越來越強(qiáng)烈。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各類自然災(zāi)害中，氣象災(zāi)害占70%以上。很多專家、學(xué)者研究證實(shí)，夏季異常降水與太陽活動有著密切的關(guān)系，如潘靜等[1]提出了太陽活動對中國東部夏季降水異常的可能影響等。所以，有效利用當(dāng)?shù)叵募窘邓吞柡谧淤Y料，研究和發(fā)現(xiàn)影響異常降水變化的規(guī)律，建立適合本地應(yīng)用的異常降水診斷預(yù)測方法是提高當(dāng)?shù)叵募井惓＝邓唐跉夂虮O(jiān)測預(yù)測水平及服務(wù)能力的重要途徑之一。

阜新位于遼寧西部，是一個多丘陵地區(qū)，常因夏季降水異常，導(dǎo)致嚴(yán)重旱、澇災(zāi)害，造成農(nóng)業(yè)及人民生命財產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，太陽活動對阜新夏季異常降水的影響是有一定規(guī)律可循的。本文就是通過對阜新夏季降水與太陽活動周期的關(guān)系研究，揭示阜新夏季異常降水的發(fā)生規(guī)律，將研究成果引入短期氣候預(yù)測系統(tǒng)[2]，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、水利及防災(zāi)減災(zāi)部門提供更長時效的氣候預(yù)測產(chǎn)品。

1 資料與方法

太陽黑子相對數(shù)資料(1951-2015年)來自太陽影響數(shù)據(jù)分析中心網(wǎng)站(http://sidc.oma.be /index.php3)；阜新夏季降水等相關(guān)氣候資料(1951-2015年)來自遼寧省氣候中心。

本文夏季異常降水是指某年夏季或夏季當(dāng)中的某月降水距平百分率絕對值在30%以上的降水量。為便于分析，以每一個太陽黑子峰值年(M)(如：1957年、1970年、1981年、1989年、2000年、2014年)及谷值年(m)(如：1954年、1964年、1976年、1986年、1996年，2008)為中心點(diǎn)，向前、向后連續(xù)擴(kuò)展5年，構(gòu)成了11年的太陽黑子峰值年周期(M-5～M+5年)及谷值年周期(m-5～m+5年)；將阜新夏季降水資料與太陽活動周期年份對應(yīng)，組成多個這樣的周期，便構(gòu)成了基于太陽活動周期的阜新夏季異常降水分析資料集成。在此基礎(chǔ)上，在太陽活動周期內(nèi)，從夏季降水距平百分率、夏季降水極值、夏季異常降水幾

表1 1951-2015年阜新夏季降水在太陽黑子峰值年、谷值年周期內(nèi)平均距平百分率分布

率及夏季降水與太陽黑子相關(guān)性等方面，對阜新夏季異常降水發(fā)生規(guī)律進(jìn)行研究。

2 夏季異常降水在太陽活動周期的發(fā)生規(guī)律

2.1 夏季異常降水距平百分率分析

通過對夏季降水距平百分率的分析，可以發(fā)現(xiàn)夏季降水在太陽活動周期內(nèi)特征和規(guī)律[3-6]。

在太陽黑子峰值年周期內(nèi)，從歷年夏季降水平均距平百分率看,太陽黑子峰值年(M)前阜新夏季平均距平百分率為9.5%,高于峰值年(M)后的7.0%，太陽黑子峰值年(M)平均距平百分率最小,為-19.3%,歷史極小值為-46.0%(表1)。說明，太陽黑子峰值年之前阜新夏季降水多于峰值年后，峰值年易發(fā)生干旱少雨。2000年發(fā)生的1949年10月以來我國多省最嚴(yán)重、大范圍的夏季干旱，就出現(xiàn)在太陽黑子峰值年周期的M年；這一年阜新也遭受了有史以來最嚴(yán)重的旱災(zāi)，全市近80%農(nóng)作物絕收。

夏季降水距平百分率低值區(qū)出現(xiàn)在太陽黑子峰值年附近的M-1～M+1年。其中，M、M+1年平均距平百分率明顯偏小，平均小于等于-19.0%，歷年極小值均為-46.0%。說明，M、M+1年阜新夏季降水易出現(xiàn)異常偏少。2014年、2015年分別為M、M+1年，阜新夏季降水異常偏少，出現(xiàn)了歷史大旱。

圖1 1951-2015年阜新夏季降水在太陽黑子峰值年周期內(nèi)平均變化

太陽黑子峰值年周期內(nèi)也存在夏季降水距平百分率明顯偏大年。主要在太陽黑子峰值年前的M-4、M-3及太陽黑子峰值年后的M+2、M+3、M+5年，夏季降水量平均距平百分率均高于10%，歷史極大值為99.5%,出現(xiàn)在M+2年。M+2年為夏季少雨年向多雨年轉(zhuǎn)折年(表1)。1998年我國長江特大洪水就發(fā)生在M+2年；同樣是M+2年的2016年，阜新在農(nóng)作物生長季中前期大旱之后出現(xiàn)了久旱轉(zhuǎn)雨，7月下旬全市平均降水量163mm，比歷年同期多3倍(圖1)。

在太陽黑子谷值年周期內(nèi)，太陽黑子谷值年(m)前阜新夏季降水平均距平百分率為8.2%,明顯高于谷值年(m)后的3.5%；太陽黑子谷值年前m-1年，阜新夏季平均距平百分率最大，為31.6%，歷史極大值為95.1%。說明，太陽黑子谷值年之前阜新夏季降水多于谷值年后，m-1年易發(fā)生夏季降水異常偏多和洪澇。“75.8”中國歷史上河南罕見特大暴雨，就發(fā)生在太陽黑子谷值年周期的m-1年；同樣是m-1年，阜新歷史上多臺風(fēng)影響，1975年7月29-31日，阜新也經(jīng)歷了一次臺風(fēng)大暴雨過程。

夏季降水平均距平百分率高值區(qū)出現(xiàn)在太陽黑子谷值年附近的m-1～m+2年，平均距平百分率多在20%以上，最大平均值為31.6%，是阜新夏季降水異常偏多的多發(fā)時段(圖2)。

圖2 1951-2015年阜新夏季降水在太陽黑子谷值年周期內(nèi)平均變化

太陽黑子谷值年周期內(nèi)也存在夏季降水距平百分率明顯偏小年。主要在太陽黑子谷值年后的m+3、m+4年，平均距平百分率小于-10%,最小平均值為-20.4%,在m+4年,歷史極小值為-46%。其中，m+3年為夏季多雨年向少雨轉(zhuǎn)折年(表2)。

表2 1951-2015年阜新夏季降水極值年在太陽黑子峰值年、谷值年周期內(nèi)的分布

表3 1951-2015年阜新夏季異常降水年在太陽黑子峰值年、谷值年周期各年的幾率特征

從歷年阜新夏季降水距平百分率看，1951-2015年阜新夏季降水異常偏多有14年，占21.5%；異常偏少12年，占18.5%。阜新夏季洪澇、干旱多發(fā)生在夏季降水量出現(xiàn)異常情況下。如：1953年、1954年、1956年、1959年、1960年、1964年、1966年、1969年、1977年、1991年、1994年、1995年、1998年、2013年均為阜新夏季降水異常偏多年，多出現(xiàn)局部洪澇災(zāi)害；1952年、1957年、1958年、1967年、1968年、1988年、1999年、2006年、2009年、2011年、2014年、2015年均為阜新夏季降水異常偏少年，多出現(xiàn)嚴(yán)重旱災(zāi)。

2.2 夏季異常降水的幾率分析

異常降水的幾率代表了異常降水發(fā)生可能性大小?？蔀橄募井惓＝邓A(yù)測提供重要幫助。

在太陽黑子峰值年周期內(nèi),阜新夏季降水異常偏多年出現(xiàn)幾率最大的是M-4年，幾率為0.6，其次是M-2、M+2年，幾率均為0.4；同一周期內(nèi)，阜新夏季降水異常偏少年出現(xiàn)幾率最大的是M-1年，幾率為0.4，其次是M-5、M-3、M-2、M、M+1年，幾率均為0.2(表3)。

在太陽黑子谷值年周期內(nèi),阜新夏季降水異常偏多年出現(xiàn)幾率最大的是m-1、m+2、m+5年，幾率均為0.5，其次是m-5、m年，幾率均為0.33；同一周期內(nèi)，阜新夏季降水異常偏少年出現(xiàn)幾率最大的是m+3年，幾率為0.67，其次是m-2、m+4年，幾率均為0.33(表3)。

通過幾率分析，可以看出，太陽活動周期內(nèi)阜新夏季異常降水偏多年多于偏少年；太陽黑子谷值年周期內(nèi)的阜新夏季降水異常偏多年和偏少年均比太陽黑子峰值年周期內(nèi)的多；夏季降水異常偏多、偏少幾率大小分布與夏季降水距平百分率分布基本一致(表1、表3)。

2.3 夏季降水與太陽黑子的相關(guān)分析

夏季降水與太陽黑子的相關(guān)性，對做好夏季異常降水的監(jiān)測預(yù)測有重要的指導(dǎo)意義。對太陽黑子峰值年周期的M-5～M-1年、M年及M+1～M+5對應(yīng)年份的阜新夏季平均降水量與年平均太陽黑子相對數(shù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)夏季平均降水與太陽黑子相對數(shù)是負(fù)相關(guān)的，達(dá)到-0.992(圖3)，與韓曉敏等[7-12]關(guān)于旱澇與太陽黑子關(guān)系的研究結(jié)論一致；同樣，對太陽黑子谷值年m-5～m-1年、m年及m+1～m+5年對應(yīng)年份阜新夏季平均降水量與年平均太陽黑子相對數(shù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)阜新夏季平均降水量與太陽黑子相對數(shù)也是負(fù)相關(guān)的，且相關(guān)度很高，系數(shù)達(dá)到-0.999(圖4)。說明，從總的趨勢來看，太陽黑子活動強(qiáng)烈期間，不利于阜新夏季降水偏多(圖3)；反之，太陽黑子活動相對較弱期間，有利于阜新夏季降水偏多(圖4)。

圖3 1951-2015年太陽黑子峰值年周期內(nèi)阜新夏季降水與太陽黑子相對數(shù)關(guān)系

2.4 夏季降水在太陽活動周期內(nèi)的其它特征

太陽黑子峰值年、谷值年附近阜新夏季降水的分布存在準(zhǔn)對稱性；太陽黑子峰值年、谷值年前后降水存在明顯的梯度；太陽黑子峰值年、谷值年周期內(nèi)，阜新夏季降水也存在著2～3年的準(zhǔn)周期性[13-15](見表1、圖1、圖2)。

表4 2014-2016年阜新夏季異常降水預(yù)測與實(shí)況

圖4 1951-2015年太陽黑子谷值年周期內(nèi)阜新夏季降水與太陽黑子相對數(shù)關(guān)系

3 夏季異常降水規(guī)律的業(yè)務(wù)應(yīng)用

范垂仁等[16-20]利用太陽活動與旱澇關(guān)系建立了長期定量預(yù)測方法，指出太陽黑子是預(yù)測我國地面旱澇災(zāi)害的最佳因子之一，為特大旱澇預(yù)測提供了重要幫助。將阜新夏季異常降水在太陽活動周期的變化規(guī)律研究成果用于業(yè)務(wù)實(shí)踐，有助于促進(jìn)當(dāng)?shù)叵募竞?、澇氣象?zāi)害預(yù)測服務(wù)水平的提高，減輕氣象災(zāi)害的損失和影響。所以，基于太陽活動周期，建立了在Windows操作系統(tǒng)上運(yùn)行的夏季異常降水預(yù)測技術(shù)平臺。近年來，該平臺在為當(dāng)?shù)卣疀Q策氣象服務(wù)中發(fā)揮了重要作用，成功預(yù)測出了2014年、2015年連續(xù)夏秋連旱及2016年的久旱轉(zhuǎn)雨氣候(表4)，收到了良好的服務(wù)效果。

根據(jù)阜新夏季異常降水在太陽活動周期的規(guī)律(表1、表2、表3、表4、圖5)，2014年、2015年阜新處在太陽黑子峰值年周期的M、M+1年，所以，年初分別預(yù)測當(dāng)年夏季降水將異常偏少，尤其是農(nóng)業(yè)生長季中后期將出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，糧食將嚴(yán)重減產(chǎn)，年景分別為平年和歉年；2016年阜新處在太陽黑子峰年周期的M+2年，年初預(yù)測當(dāng)年阜新夏季降水將出現(xiàn)由少到多的轉(zhuǎn)折，夏季總雨量偏多，但前期受厄尼諾影響，降水時空分布不勻，有旱象，中后期降水量異常偏多(表1、表2、表3、表4、圖5)。

圖5 1951-2015年阜新夏季降水在太陽黑子峰值年(M)、谷值年(m)周期內(nèi)平均變化

實(shí)況是2014年、2015年阜新夏季降水異常偏少，出現(xiàn)嚴(yán)重夏秋連旱，糧食嚴(yán)重減產(chǎn)，年景分別為平年和歉年；2016年阜新夏季前期出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，后期降水異常偏多，因干旱糧食減產(chǎn)，年景為平豐年。這三年夏季降水趨勢預(yù)測及年景預(yù)測均與年初預(yù)測結(jié)論相符(表4)。

其中，2014年阜新夏季降水量比歷年少39.6%，屬異常偏少，7、8月降水量比歷年少65.6%，出現(xiàn)了嚴(yán)重的夏秋連旱，糧食減產(chǎn)33%，實(shí)況與年初的預(yù)測結(jié)論相符合；2015年阜新夏季降水量比歷年少42.1%，屬異常偏少，7、8月降水量比歷年少73.3%，出現(xiàn)了嚴(yán)重的夏秋連旱，糧食減產(chǎn)49%，實(shí)況與年初的預(yù)測結(jié)論相符合(表4)；2016年阜新夏季降水量比歷年多13.6%，出現(xiàn)了階段性異常偏少、偏多現(xiàn)象，如7月上中旬阜新降水降水量1.8mm比歷年少97.8%，異常偏少，出現(xiàn)了嚴(yán)重夏旱，7月下旬降水量達(dá)201mm，比歷年同期多225.8%，7月下旬-8月降水量比歷年多76.0%，均屬異常偏多。7月上旬階段性的嚴(yán)重干旱，對農(nóng)作物正常生長及糧食產(chǎn)量造成了明顯影響，中后期降水偏多，對前期旱情緩解及受旱作物恢復(fù)正常生長起到重要作用，全市糧食減產(chǎn)約20%，實(shí)況與年初預(yù)測結(jié)論一致(表4)。

4 結(jié)語

夏季異常降水是導(dǎo)致夏季旱澇的重要因素。通過研究，找出了阜新夏季異常降水在太陽活動周期的基本規(guī)律，為阜新夏季異常降水預(yù)測及當(dāng)?shù)貧庀蠓罏?zāi)減災(zāi)提供了重要依據(jù)。結(jié)論如下：

(1)太陽活動周期內(nèi)阜新夏季異常降水偏多年略多于夏季降水異常偏少年；夏季異常降水距平百分率極大值為99.5%，極小值為-52.7%。

(2)太陽黑子谷值年周期內(nèi)的阜新夏季降水異常偏多和偏少年發(fā)生幾率均比太陽黑子峰值年周期內(nèi)的大；夏季降水異常偏多年最大幾率為0.6，異常偏少年最大幾率為0.67。

(3)太陽黑子峰值年周期內(nèi)的M、M+1年多連續(xù)發(fā)生夏季降水異常偏少；太陽黑子谷值年周期內(nèi)的m-1、m年多連續(xù)發(fā)生夏季降水異常偏多。

(4)太陽黑子峰值年周期內(nèi)阜新夏季平均降水量的最小值年在M年；太陽黑子谷值年周期內(nèi)阜新夏季平均降水量的最大值年在m-1年。

(5)太陽活動周期內(nèi)阜新夏季降水量存在2～3年的準(zhǔn)周期變化。

(6)阜新夏季降水的準(zhǔn)對稱軸在太陽黑子峰值年(M)、谷值年(m)附近。

(7)太陽活動周期內(nèi)的阜新夏季平均降水量與太陽黑子相對數(shù)成反相關(guān)。

(8)太陽黑子峰值年后少雨向多雨轉(zhuǎn)折年平均在M+2年；太陽黑子谷值年后多雨向少雨轉(zhuǎn)折年平均在m+3年。

在此基礎(chǔ)上，建立了Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行，且通用的基于太陽活動周期的夏季異常降水監(jiān)測、預(yù)測技術(shù)平臺，對夏季異常降水與轉(zhuǎn)折性氣候預(yù)測具有良好的指示意義，是制作夏季異常降水、農(nóng)業(yè)旱澇、年景等預(yù)測決策氣象信息的重要工具，可為當(dāng)?shù)卣畾庀蠓罏?zāi)減災(zāi)服務(wù)提供重要的技術(shù)支撐。

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Research on the Law of Summer Anomalous Precipitationin Fuxin in the Solar Cycle

MA Xiaogang1, LI Ning1, ZHANG Xu1, ZHAO Lianwei2,LI Dongmei3and LI Ji4

(1.FuxinMeteorologicalBureau,Fuxin123000,China;2.ShenyangRegionalClimateCenter,Shenyang110016,China;3.YunchengMeteorologicalBureau,Yuncheng044000,China;4.MeteorologicalScienceResearchInstituteofLiaoningProvince,Shenyang110016,China)

UsingtherelativesunspotnumbersandsummerprecipitationinFuxinfrom1951to2015,thesummerabnormalprecipitationlawsinFuxinareanalyzed.TheresultsshowthatthenumberofsummerabnormalmoreprecipitationyearsisslightlymorethanthatofsummerabnormallessprecipitationyearsinFuxininthesolarcycle.ThemaximumpercentageofanomalyofFuxinsummerabnormalPrecipitationis99.5%,andtheminimumvalueis-52.7%;TheprobabilityofsummerabnormalprecipitationinFuxininthecycleofsunspotValleyismorethanthatinthecycleofsunspotpeak;Themaximumprobabilityofabnormalmoreprecipitationyearsis0.6insummer,Themaximumofprobabilityofabnormallessprecipitationyearsis0.67insummer;TheyearofcontinuoussummerabnormalLessprecipitationoftenoccurredintheyearofMandM+ 1inthecycleofsunspotpeak;Theyearofcontinuoussummerabnormalmoreprecipitationoftenoccurredintheyearofm- 1andminthecycleofsunspotvalley;TheyearofminimumaveragesummerprecipitationinFuxinisintheyearofMofthecycleofsunspotpeak;TheyearofmaximumaverageprecipitationinFuxinisintheyearofm-1ofthecycleofsunspotvalley;ThesummerprecipitationinFuxinhasaquasiperiodicvariationof2to3yearsinthesolarcycle;ThequasisymmetryaxisofsummerprecipitationinFuxinisnearsunspotpeakyear(M)andValleyyear(m);TheaveragesummerprecipitationinFuxinisinverselyrelatedtothesunspotnumberinthesolarcycle;AftertheyearofMofthecycleofsunspotpeak,thetransitionyearoflessraintomorerainisintheyearofM+2;AftertheyearofmofthecycleofsunspotValley,thetransitionyearofmoreraintolessrainisintheyearofm+3.TheimportantresearchresultswereprovideforthemonitoringofFuxinsummerabnormalrainfall,climateprediction,droughtandflooddisasterdecision-makingservice.Theraresummerdroughtanddroughttorainyclimatehavebeenaccuratelypredictedwiththeresultsfrom2014to2016inFuxin.

sunspot;solaractivitycycle;summer;abnormalprecipitation;law;FuxincityofLiaoningProvince

2016-12-26

2017-02-27

財政部公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306021)

馬曉剛( 1961-)，男，遼寧鞍山人，研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣候預(yù)測、防災(zāi)減災(zāi)．E-mail:maxiaogang666@sina.com

李輯( 1963-)，男，遼寧鞍山人，研究員，研究方向?yàn)槎唐跉夂蝾A(yù)測及氣候變化．E-mail: cqliji@sina.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.019.]

X43；P426.61

A

1000-811X(2017)03-0107-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.019

馬曉剛，李凝，張旭，等. 阜新夏季異常降水在太陽活動周期的規(guī)律研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(3)：107-111. [MA Xiaogang,LI Ning,ZHANG Xu,et al. Research on the Law of Summer Anomalous Precipitation in Fuxin in the Solar Cycle[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(3)：107-111.