综述：比泽尔特-伊克库尔流域（突尼斯北部）的年际降雨变化及其与北大西洋涛动的关系

《Journal of African Earth Sciences》：Inter-annual rainfall variability in the Bizerte-Ichkeul Basin (Northern Tunisia) and its relationship with the North Atlantic Oscillation

　　希巴·杰迈（Hiba Jemai）|马内尔·埃卢泽（Manel Ellouze）|哈比布·阿比达（Habib Abida）
杰莫模型实验室（GEOMODELE Laboratory），斯法克斯大学（University of Sfax）理学院，BP1171，3000斯法克斯，突尼斯

**摘要**
小波相干性分析是一种研究降雨与气候指数之间非平稳关系的强大方法。该方法为预测干旱和洪水提供了宝贵信息，从而降低了灾害风险并改善了水资源管理。本研究旨在利用连续小波变换（Continuous Wavelet Transform）来表征突尼斯北部比泽尔特-伊奇克尔流域（Bizerte-Ichkeul Watershed）的降雨变异性，并确定其与北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）之间的关系。研究使用了1970年至2024年间在该流域内均匀分布的十三个降雨站记录的月降雨时间序列。研究结果表明，年降雨的全球谱能量和NAO指数随时间发生了变化，共识别出四个阶段（1970-1976年、1977-2001年、2002-2014年和2015-2024年）。NAO时间序列与降雨变异性之间的相干性在所有站点中都非常一致，范围从65%到78%，表明全球气候波动与研究流域内的降雨时间变异性之间存在强烈相关性。相干性百分比从位于西北部的山区向东北部逐渐增加，这些地区的地形较为平缓，靠近海洋，并且拥有湿地（如伊奇克尔湖和比泽尔特泻湖）。

**引言**
突尼斯是地中海盆地中经历气候变化的国家之一，导致极端水文事件更加频繁和严重。由于温度和降雨模式的变化，这些事件预计将对农业、生态、经济和社会系统产生深远影响（Mathbout等人，2021年）。科学界对这一主题的兴趣日益浓厚，因为它涉及多个领域的利益相关者。目标是尽量减少干旱和洪水的影响。作为气候变化的关键因素，降雨变异性最近受到了许多研究人员的关注，他们希望帮助社会做好准备以应对危险的洪水或干旱（Schewe等人，2014年）。降雨时间变异性受到全球气候波动和局部条件（如地形和海洋距离）的影响（Jemai等人，2018年；Kebaili和Jemai，2022年；Khadraoui等人，2023年）。

文献中提供了多种用于理解全球气候波动及其随时间变化的气候指数，包括北极涛动（Arctic Oscillation，AO）、厄尔尼诺-南方涛动（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）和北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）等（Yang等人，2010年；Ma等人，2004a；2004b）。例如，AO指数表征了20°纬度处的海平面压力（Sea Level Pressure，SLP）变化，它影响北大西洋地区的温度和降水分布（Aixue等人，2007年）。Zamrane等人（2016年）指出：“厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）反映了热带太平洋海表温度的波动”。Berri等人（2002年）报告称：“它影响了从南美洲到非洲、澳大利亚和北美洲的许多地区的降水”。NAO指数被认为是北半球冬季大气变异性的主要指标，因为它代表了北大西洋地区的大气状况（Zamrane等人，2016年；Barnston和Livezey，1987年）。该指数在文献中被广泛描述（Kiehl和Trenberth，1997年；Trenberth，1999年；Hurrell等人，2003年），此前已被用于研究地中海盆地的气候波动（Laignel等人，2010年；Khedimallah等人，2020年）。它通过反映年际到十年尺度的气候变异性主导了北大西洋地区的气候（Mesquita，2009年）。该指数表征了大气、岩石圈和海洋水圈之间的相互作用（Jonathan和Duncan，1996年）。然而，这种关系的解释仍然是许多讨论的焦点（Turki等人，2016年；Labat，2005年；Dehghani等人，2020年；Legates等人，2005年）。

Mathbout等人（2019年）在研究1975年至2015年间地中海地区的日降雨量时，确定了WeMO、MO、NAO和EA是该地区降雨波动的主要驱动因素。研究特别显示，较低的WeMO值与突尼斯较高的日降雨强度相关，这一趋势也在法国南部、西班牙和克罗地亚观察到。Nouaceur等人（2025年）强调了西地中海涛动指数（Western Mediterranean Oscillation Index，WMOI）在调节北非湿润和干旱周期中的重要作用。他们发现，突尼斯北部的沿海地区对WMOI相位非常敏感。这增加了区域遥相关模式的复杂性，除了NAO之外。此外，大规模大气环流的影响在突尼斯各地因地形和距离地中海的距离而异。虽然WeMO和WMOI在西地中海盆地尤为重要，但北大西洋涛动（NAO）是北非长期降雨变异性的关键驱动因素。因此，详细分析比泽尔特-伊奇克尔流域对于更好地理解这些相互作用及其对水资源管理的影响至关重要。Barhoumi等人（2024年）表明，瓦迪埃尔贝流域（Wadi El Bey Basin，突尼斯东北部）的降雨变异性受到多个气候指数在不同时间尺度上的影响。MO和AMO在年尺度上占主导地位，而年际变化（2-8年）主要与SOI、AMO和AO相关。Jemai等人（2017年）研究了多个遥相关模式（包括NAP、AMO、MO、WeMO、So、PDO、AO和PNA）对突尼斯东南部加贝斯流域（Gabès Watershed）降水的影响，他们的研究强调了MO、WeMO、PDO和AO的主要作用。此外，他们还发现太平洋北美涛动（Pacific North American，PNA）指数在单个站点具有特定的年际影响（2-4年），这种联系在北非气候研究中很少被记录。尽管PNA在该地区的研究较少，但AO与地中海降雨模式之间的相关性已被多位作者广泛认可（Krichak等人，2014年；Jemai等人，2017年；Sezen和Partal，2019年；Kotsias等人，2020年）。

在北非，NAO对降雨变异性的贡献是许多研究的重点，但仍然理解不足（Bojariu和Reverdin，2002年；Lopez等人，2011年；Querad等人，2011年；Barhoumi等人，2024年）。这项研究旨在探讨气候变化可能引起的水文变异性（Laignel等人，2010年）。在摩洛哥，Beven等人（1995年）和Mahe等人（2011年）发现了1979年和1980年干旱期间NAO与降水之间的相关性。在苏曼流域（Soumman Watershed，阿尔及利亚东北部），Turki等人（2016年）研究了NAO和南方涛动指数（SOI）所代表的大气环流模式与当地水文变异性之间的关系，指出：“欧洲和北非的大部分气候波动主要由NAO反映”。北非和南欧在NAO为负值时表现出湿润天气，在NAO为正值时表现出干旱天气（Turki等人，2016年）。Labat（2010年）显示圭亚那大陆架的水文状况与太平洋海表温度的变化之间存在强相关性。Massei等人（2007年）使用小波方法研究了法国西北部降水变异性与NAO之间的关系（Ghasemi和Khalil，2008年）。作者观察到NAO的准两年周期（QBO）在降水数据中有所体现。

本研究旨在探讨突尼斯最北部的比泽尔特-伊奇克尔流域内降雨年际变异性与NAO之间的关系。该地区属于亚湿润地中海气候，降雨量大且径流显著，导致该地区的水文、环境和经济不稳定。本研究旨在提供有价值的信息，以预测干旱和湿润期，从而制定有效的水资源管理策略。为此，首先使用多尺度分析框架表征了比泽尔特-伊奇克尔流域内降雨的时间变异性和主导周期。然后，通过小波相干性研究了这些降雨模式与北大西洋涛动（NAO）之间的统计显著性。在比泽尔特-伊奇克尔流域识别干旱和湿润期以及降雨变异性与北大西洋涛动之间的关系，是一个探索该领域的罕见研究案例。以往对该流域的研究主要集中在地下水污染脆弱性、水文地质、侵蚀和地球化学方面。

在该研究流域进行了多项研究，其中包括Mathlouthi和Lebdi（2008年）；Mathlouthi和Lebdi（2010年）以及Jemai等人（2018年）的研究。后者的研究分析了1970年至2011年间比泽尔特-伊奇克尔流域的年际降雨的空间和时间变异性，使用了标准化降雨指数和连续小波分析。Jemai等人（2018年）的研究结果表明：“比泽尔特-伊奇克尔流域的降雨变异性主要受西北部地形的影响，而在东南部地区，纬度、经度、距离海洋的距离和风速方向等因素也会影响降雨变异性”。本研究也在同一流域进行，但不仅限于描述降雨变异性，还明确探讨了其与北大西洋涛动（NAO）之间的关系。这将有助于了解大规模大气环流如何影响区域降水动态。此外，降雨时间序列延长至2024年，以便更准确地评估近期气候变异性。小波相干性分析用于识别两个信号（降雨和NAO）在特定频率和时间尺度上的显著共同振荡。还计算了小波相干性比率，以研究降雨变异性在时间和空间上的原因。降雨数据来自突尼斯水资源总局（DGRE），NAO时间序列来自NOAA网站（https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/nao.data）。使用了1970年至2024年间在该流域内分布的十三个降雨站记录的55年月降雨时间序列，以及同一55年期间的NAO指数。所有降雨序列都包含完整的累积月记录，没有缺失值，确保了分析的可靠性。北大西洋涛动（NAO）指数以其原始形式使用，未经预处理，以保留其自然变异性。所有分析均使用R软件（R Core Team，2023年）进行。小波和小波相干性分析使用了适当的“Wavelet”包。选择Morlet母小波是因为它在时间和频率分辨率之间提供了最佳平衡。这种方法论框架确保了对非平稳水文气候信号的稳健分析，并支持结果的可重复性。

**研究区域**
研究流域覆盖了突尼斯东北部的比泽尔特地区，位于北纬37°34′7″至37°21′14″和东经9°6′58″至10°21′15″之间，面积为3084平方公里（图1）。该地区以面向地中海的宽阔海岸线（250公里长）为特征，属于寒冷多雨的山区，北部濒临地中海，南部以Dorsal山脉为界（Mejri，2011年）。

**降雨和NAO指数变异性**
图3显示了比泽尔特-伊奇克尔流域月降雨的小波功率谱（Wavelet Power Spectrum，WPS），有助于识别降雨变异性的主导周期。这一步骤在检查降雨与北大西洋涛动（NAO）之间的相关性之前至关重要。分析揭示了显著的年度和年际周期（例如2-4年和4-8年），反映了流域水文变异性的时间结构。

**降雨变异性分析与气候遥相关**
如前一节所述，降雨模式发生了明显变化。在本节中，我们讨论了这些变化如何与北大西洋涛动的各个阶段相吻合。多项研究表明，周期为2-4年和4-8年的气候模式通过不同气候指标的波动与气候相关，这些指标包括厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）、太平洋十年涛动（PDO）或北大西洋涛动（NAO）等。

**结论**
本研究的主要目的是解释突尼斯北部年际降雨变化与北大西洋涛动（NAO）之间的关系。研究结果为区域水文气候动态提供了宝贵的见解，并有助于改善水资源管理。通过NAO指数分析，我们识别出四个时期：1970-1976年、1977-2001年、2002-2014年和2015-2024年。在这些时期，年际变化频率较高，且西北部的降雨量明显高于东北部。

**作者贡献声明**
- Habib ABIDA：撰写、审稿与编辑、验证、监督
- Manel ELLOUZE：撰写、审稿与编辑、监督
- Hiba JEMAI：撰写初稿、验证、软件使用、方法论设计、数据分析、概念化

**参考文献**
Barhoumi等人，2025年；Collins，2009年；Coulibaly，2006年；Coulibaly和Burn，2004年；Cutore等人，2009年；Ghasemi和Khalili，2008年；Chaouachi等人，2010年；Jacobeit等人，2007年；Kahya和Dracup，1993年；Kü?ük等人，2009年；Laborde，1993年；López等人，2011年；Ma等人，2004a；Ma等人，2004b；Nouaceur和Murarescu，2020年；Nouaceur和Mur?rescu，2016年；Nouaceur等人，2014年；Nouaceur等人，2013年；Yang和Zurbenko，2010年。

**利益冲突**
作者声明没有利益冲突。

**资金来源**
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。

**致谢**
本研究使用的降雨数据由突尼斯农业和水资源部的水资源总局（DGRE）提供。