引言

山西地处华北地区西部，境内沟壑纵横，海拔高度多在1000m以上，生态环境脆弱，干旱灾害发生极为频繁。1980年代以来在全球增暖的重叠效应下，山西的干旱更加趋于严重，不但对农业作物造成极大威胁，甚至出现人畜饮水困难，还对山西经济的可持续发展造成了一定的影响。因此，提供月、季甚至更长时间尺度的预测服务已成为气候业务的重要内容。但是由于影响干旱的因素很多，也很复杂，致使干旱的预测难度很大，特别是干旱业务预测的准确率远远达不到政府和公众的要求。因此, 要提高干旱的短期气候预测水平就要不断探索新的预测方法。

魏凤英在分析华北地区干旱的变化特征时发现，华北地区干旱变化存在显著的年际和年代际变化特征^[1-2]，而影响干旱年代际和年际变化的因素是不同的，年代际变化主要受太阳活动等外强迫影响，而年际变化不仅与气候背景密切相关，且与前期大气、海洋的异常强信号有关^[2-4]。本文在分析山西旱涝气候特征基础上，建立了山西干旱多尺度组合预测模型，并进行干旱预测效果检验。

1 资料

本文选用右玉、天镇、偏关、五寨等山西省内59个县(市)1961—2005年月降水量、月平均气温资料和国家气候中心气候诊断预测室提供的同期北半球500hPa高度、北太平洋10°S~50°N、120°E~80°W范围的海表温度资料。

2 山西干旱的气候变化特征及前兆信号 2.1 干旱指数的确定

以降水量P减蒸发量E作为表征山西干旱程度的物理量，其中地面实际蒸发量E采用高桥浩一郎提出的计算陆面实际蒸发的公式^[5]算出, 假定某时段P-E服从PersonⅢ型分布，则可将其概率密度函数转换得到：

(1)

式中C_s为偏态系数，φ_i为月标准化变量。这里将逐月P-E量记为F，即有：

(2)

(3)

其中F和σ是F的平均值和标准差，这里N为样本量，由式(1)就可以得到山西59个测站月、季的Z指数，以此作为表征山西干旱程度的指数。

2.2 山西干旱的气候变化特征

我们使用三次样条函数算出山西春、夏、秋、冬4季干旱指数的长期变化趋势(图 1中光滑曲线)。由图 1a较光滑曲线可以看出，山西春季近45年来经历了4个主要气候阶段，即1960年代的相对偏涝、1970年代偏旱，1970年代末至1990年代初相对偏涝和1990年代以来偏旱时期。而夏季的干旱趋势(图 1b)与春季有所不同，1960—1970年代初旱，1970年代偏涝，1970年代末以后进入持续偏旱期，在1980年中期干旱有所缓和，1990年代以来夏季干旱加重。秋、冬季干旱变化相对平缓，两季变化趋势基本一致，从图 1c和d可以看出，秋、冬季旱涝大致可分为两个阶段，即1970年代以前相对偏涝时期和之后的持续偏旱期。

由上述分析可见，山西干旱具有明显的年代际变化特征，为了了解山西干旱的年际变化特征，我们对4季干旱指数进行了功率谱分析，超过0.05显著性水平的显著周期列于表 1。从表 1可以看出，山西干旱存在2年左右、3.5年和5.6年的显著周期变化。

2.3 山西干旱前兆信号

山西在发生干旱的前期常常会有较强的信号出现。2000年秋季山西出现了全省大范围的严重干旱，我们以此次干旱为例来分析发生干旱前期的前兆信号。图 2是2000年山西秋季发生异常干旱前期8月的500hPa和北太平洋海温信噪比场。图中信噪比值超过1.5就表明为信号区。由图 2(a)可见，2000年8月500hpa东亚中纬度地区上空为一个较强的信号区，这说明在山西发生异常干旱前期，东亚地区特别是包括山西在内的华北大部地区由强的高压控制。另外在60°N以西的西亚地区也有一信号区。从图 2(b)可以看出，在2000年秋季发生异常干旱前期，北太平洋海温场没有强信号出现。

3 山西干旱多尺度组合预测模型及预测效果检验 3.1 预测模型

由上一节分析我们可知，山西干旱不仅具有明显的年代际变化，而且有显著的年际变化。将山西各站的月或季的干旱强度指数L看作由年代际变化L_L、年际变化L_S和气象噪音e的合成^{[3, 6-7]}，即

(4)

其中年代际尺度的预测模型为：

(5)

年际尺度的预测模型为：

(6)

这里G_iE(t)是第i个强信号区域面积平均序列，a和b为回归系数，由最小二乘法估计。

3.2 2000—2005年季节干旱预测效果检验

分别用1961—1999、1961—2000、1961—2001、1961—2002、1961—2003、1961—2004年冬、春、夏、秋季平均干旱强度指数建立预测模型，分别制作2000—2005年各季独立样本的干旱等级预测。我们规定：预测与观测的干旱等级一致，或预测与观测的干旱等级相邻视为正确。

统计山西59站2000—2005年的历年各月、季干旱等级值的预测准确率。结果发现，预测模型对山西旱涝的预测能力较好。山西中部地区大部、大同市北部、朔州市大部、临汾市和运城市大部、长治市北部山区和东部地区的干旱等级值预测的准确率都在60%以上。其中，忻州市中部、太原市东部、晋中市平川北部、运城市西部等地准确率均在70%以上(图 3)。全省范围内，只有忻州市西部的高寒山区、大同市东南山区局部的干旱预测准确率低于55%。

表 2为山西59站平均的2000—2005年各季度干旱等级预测值与观测值结果对比。从全省平均情况来看，2000—2005年的冬、夏季预测效果最好。6年冬、夏季中，干旱等级值预测正确的均有5年，尤其是2003年夏季，全省平均的干旱等级预测值为5级(偏旱)，实况等级值也是5级(偏旱)。只有2004年冬季、2000年夏季的干旱等级值预测不正确。2000、2001、2002、2003、2005年秋季的干旱等级预测值与观测值一致，春季只有2000、2003、2004年干旱等级值预测正确。

3.3 2000—2005年月干旱预测效果检验

2000—2005年平均干旱等级预测准确率达到了58%以上(图 4)。其中，6年中月预测准确率平均值超过70%的有1月、2月、11月、12月。1月份的干旱等级预测准确率最高，达到了81.4%，其次是11月和2月，预测准确率分别为76.6%和76.3%，12月平均的预测准确率为72.3%。6月、4月预测准确率分别为65.8%、65.0%。7月、9月预测能力最差，准确率不到50%。

年平均情况看，2003年的干旱等级月预测准确率最高，1—12月预测准确率平均值达到了74.6%，2000、2001、2002年12个月预测准确率平均值在64%~65%之间，2005年预测准确率最低，为57.8%。

4 小结

① 山西干旱年代际变化明显，1990年代以来山西处在45年以来较严重的持续偏旱时期。另外，山西干旱具有2年左右、3.5年和5.6年的显著周期变化。

② 利用山西干旱变化特点建立的多尺度组合预测模型对山西大部分地区的干旱等级预测能力较好，大部分地区的干旱等级预测准确率在60%以上。