河南省連陰雨過(guò)程監(jiān)測(cè)評(píng)估方法研究

劉雅星， 李鳳秀

（河南省氣候中心，鄭州 450003）

連陰雨指連續(xù)3～5 d以上的陰雨天氣現(xiàn)象（中間可以有短暫的日照時(shí)間），其以長(zhǎng)期陰雨以及由其所造成的氣溫偏低、濕度偏大和日照偏少為基本特征，不同強(qiáng)度的連陰雨對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有不同程度的影響［1-2］. 連陰雨是河南省主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，不同地區(qū)對(duì)連陰雨有不同的定義［3-6］. 目前，河南省關(guān)于連陰雨的定義多以云量作為一個(gè)重要指標(biāo)［1，7-8］，但在實(shí)際氣候業(yè)務(wù)中無(wú)法獲取實(shí)時(shí)的云量數(shù)據(jù)，日常工作中所記錄的云量實(shí)質(zhì)為觀測(cè)員所看到的視云量，對(duì)云量的觀測(cè)全靠目力估計(jì)，主觀成分大. 隨著氣候業(yè)務(wù)現(xiàn)代化的推進(jìn)，亟須用更加客觀的方法對(duì)河南省連陰雨定義一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，還需要對(duì)其強(qiáng)度做出定量化評(píng)估，以便定制出一套針對(duì)河南省連陰雨的客觀監(jiān)測(cè)方法.

連陰雨對(duì)河南危害最大的還是農(nóng)業(yè). 在農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)關(guān)鍵時(shí)節(jié)遇上連陰雨，都會(huì)對(duì)其造成不同程度的損害. 長(zhǎng)時(shí)間、大面積的陰雨天氣不僅使農(nóng)作物因水分過(guò)剩受損，同時(shí)也使農(nóng)作物因光照不足而引起爛種、爛秧、赤霉病等［9-13］. 由于連陰雨過(guò)程通常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響面積大，故綜合評(píng)估一次區(qū)域性連陰雨過(guò)程強(qiáng)度比單站評(píng)估更有意義［14-18］，對(duì)區(qū)域連陰雨過(guò)程的各個(gè)影響因子做綜合分析，建立綜合評(píng)估模型，定量評(píng)估其強(qiáng)度，便于更加直觀地評(píng)估一次連陰雨過(guò)程在歷史上的排位，在氣候業(yè)務(wù)服務(wù)中比簡(jiǎn)單的研究各站的單站連陰雨強(qiáng)度更有意義. 區(qū)域氣候事件強(qiáng)度評(píng)估是近年來(lái)極端天氣氣候事件研究領(lǐng)域的一個(gè)新興方向，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)區(qū)域性干旱、強(qiáng)降水、高溫和低溫過(guò)程已有大量研究，但對(duì)區(qū)域性連陰雨過(guò)程的研究則較為少見(jiàn).

本文選取降水量和日照時(shí)間作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，建立了河南省連陰雨過(guò)程監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn). 選取連陰雨過(guò)程的影響范圍、持續(xù)時(shí)間、過(guò)程雨量作為評(píng)估指標(biāo)，建立了區(qū)域性連陰雨過(guò)程綜合強(qiáng)度評(píng)估方法，以期為決策部門做好防災(zāi)減災(zāi)工作提供氣象保障和技術(shù)支撐.

1 資料與方法

所用氣象資料來(lái)自河南省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心提供的全省111個(gè)地面氣象觀測(cè)站1961—2019年的逐日降水量、日照時(shí)數(shù)、總云量數(shù)據(jù)，所用代表站點(diǎn)1980—2010年小麥及玉米單產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自河南省統(tǒng)計(jì)局（http：//www.ha.stats.gov.cn/）. 文中所選站點(diǎn)均為國(guó)家基準(zhǔn)站和基本站，站點(diǎn)分布如圖1. 連陰雨監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)所用歷史個(gè)例資料來(lái)自《中國(guó)氣象災(zāi)害大典（河南卷）》［19］. 連陰雨影響范圍、持續(xù)時(shí)間和過(guò)程雨量按照WMO（世界氣象組織）規(guī)定，以1981—2010年平均值為常年平均值.

圖1 河南省氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations in the Henan Province

采用線性氣候傾向率、氣候趨勢(shì)系數(shù)等方法［20-22］研究連陰雨的變化趨勢(shì)和時(shí)空分布特征. 采用回歸統(tǒng)計(jì)模擬對(duì)作物產(chǎn)量的歷史資料進(jìn)行趨勢(shì)處理，再建立一元線性回歸模型計(jì)算相對(duì)氣象產(chǎn)量.

2 河南省連陰雨監(jiān)測(cè)新標(biāo)準(zhǔn)的制定

2.1 選取日照時(shí)間代替云量作為連陰雨定義指標(biāo)的依據(jù)

《河南省氣象災(zāi)害及防御》中將河南省連陰雨定義為連續(xù)5 d以上有降水且降水量≥50 mm的降水過(guò)程，其中允許1～3 d無(wú)降水，但日云量須有10成出現(xiàn)［1］. 由于目力觀測(cè)的云量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，依據(jù)云量定義連陰雨已不符合氣象現(xiàn)代化的發(fā)展需求，在實(shí)際氣候業(yè)務(wù)中云量數(shù)據(jù)缺測(cè)也較多，故在現(xiàn)行氣候監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中亟須選擇一個(gè)更加客觀精確的指標(biāo)替代云量.

云量的多寡基本決定了日照的長(zhǎng)短［23］，黃桂東等［24］的研究表明，云量和日照時(shí)間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系. 日照時(shí)間作為常規(guī)氣象要素?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量和完整性較好，且作為氣象業(yè)務(wù)中的常規(guī)監(jiān)測(cè)要素，其數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性也能得到較好的保障. 目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于連陰雨的研究中大多選用日照時(shí)間作為連陰雨定義的指標(biāo)，已經(jīng)發(fā)布連陰雨地方標(biāo)準(zhǔn)的湖北、安徽等省均采用了日照時(shí)間作為連陰雨定義的指標(biāo). 故本文選用日照時(shí)間作為連陰雨定義中云量的替代指標(biāo).

選取安陽(yáng)、三門峽、鄭州、商丘、信陽(yáng)分別作為豫北、豫西、豫中、豫東、豫南的代表站點(diǎn)，對(duì)代表站點(diǎn)的總云量和日照時(shí)間做相關(guān)性分析，結(jié)果表明云量和日照時(shí)間存在相關(guān)關(guān)系，所有代表站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)均能通過(guò)99.9%的信度檢驗(yàn).

2.2 確定用日照時(shí)間代替云量作為指標(biāo)的連陰雨定義

表1統(tǒng)計(jì)了代表站點(diǎn)各級(jí)云量所對(duì)應(yīng)的平均日照時(shí)間，從中可以看出，全省總云量為10成時(shí)所對(duì)應(yīng)的平均日照時(shí)間為2.1 h. 以此為依據(jù)，可對(duì)河南省原有連陰雨定義標(biāo)準(zhǔn)作出適當(dāng)修訂，從而得出該省新的連陰雨監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)5 d以上有降水（日降水量≥0.1 mm）且降水量≥50.0 mm的降水過(guò)程，其中允許有1 d無(wú)降水（或有微量降水）但日照時(shí)間須≤2 h，過(guò)程開(kāi)始和結(jié)束日降水量必須≥0.1 mm.

表1 代表站點(diǎn)云量所對(duì)應(yīng)的平均日照時(shí)間Tab.1 Average sunshine hours corresponding to cloud cover of the representative sites

3 單站連陰雨等級(jí)劃分

3.1 連陰雨各等級(jí)閾值的確定

根據(jù)成林等［11-12］研究中對(duì)連陰雨等級(jí)劃分的方法，通過(guò)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)篩選連陰雨指標(biāo)，將連陰雨持續(xù)時(shí)間與平均連陰雨持續(xù)時(shí)間作比對(duì)，大于平均狀況的為災(zāi)害性天氣，大于極端狀況的為重度災(zāi)害性天氣. 利用文獻(xiàn)［1］中的連陰雨指標(biāo)定義，對(duì)河南主要農(nóng)作物生育期的連陰雨過(guò)程分別建立指標(biāo)庫(kù)，并對(duì)庫(kù)中樣本數(shù)做統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算所有樣本日數(shù)的平均值，即為平均狀況閾值；將樣本按照過(guò)程日數(shù)由大到小排序后，選取第10 和第5個(gè)百分位所對(duì)應(yīng)的值作為其極端值，即極端狀況閾值（表2、表3）.

表2 河南省冬小麥各生育期連陰雨過(guò)程樣本數(shù)及各閾值Tab.2 The sample numbers and thresholds of continuous rain process of winter wheat growth stages in Henan Province

表3 河南省夏玉米各生育期連陰雨過(guò)程樣本數(shù)及各閾值Tab.3 The sample numbers and thresholds of continuous rain process of summer corn growth stages in Henan Province

3.2 對(duì)連陰雨各等級(jí)閾值的檢驗(yàn)

查閱文獻(xiàn)［1］，統(tǒng)計(jì)得到1951—2000 年河南省典型連陰雨災(zāi)害過(guò)程及影響，剔除當(dāng)年發(fā)生嚴(yán)重干旱和暴雨洪澇等災(zāi)害的記錄，挑選出這一時(shí)間段不同季節(jié)的5個(gè)典型連陰雨過(guò)程（1956年5月下旬至6 月中旬、1964 年2 月、1964年4月中下旬、1964年8月下旬至10月中旬、1998年1月）（表4），分別分析檢驗(yàn). 結(jié)果表明，除1998年1月連陰雨過(guò)程實(shí)際災(zāi)情記錄與統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí)間一致但落區(qū)差異較大（圖略）外，其余4個(gè)連陰雨過(guò)程的分布與實(shí)際災(zāi)情相符（圖2）. 究其原因認(rèn)為，前者由于冬季不是連陰雨災(zāi)害發(fā)生的主要季節(jié)，冬季降雪的影響遠(yuǎn)超連陰雨（雪）所致. 由于連陰雨天氣對(duì)河南省農(nóng)作物不利影響主要發(fā)生在春、夏、秋季（圖3），因此在制定該省連陰雨標(biāo)準(zhǔn)時(shí)暫不考慮小麥越冬期.

圖2 河南省1956—1964年連陰雨災(zāi)害個(gè)例時(shí)間分布Fig.2 Distribution of continuous rainy days of typical examples in Henan Province

圖3 河南省1981—2010年平均連陰雨過(guò)程站次的月際分布圖Fig.3 Monthly distribution of average continuous rain station-times in Henan Province from 1981 to 2010

表4 河南省5個(gè)典型連陰雨過(guò)程Tab.4 Typical continuous rain process in Henan Province

3.3 連陰雨等級(jí)劃分

將低于平均值的連陰雨過(guò)程劃為輕度；高于平均值低于極端閾值的劃為中度；高于極端閾值的劃為重度. 結(jié)合與實(shí)際災(zāi)情對(duì)比檢驗(yàn)作適當(dāng)調(diào)整，由此得到河南省不同時(shí)段連陰雨過(guò)程強(qiáng)度等級(jí)劃分（表5）.

表5 河南省不同時(shí)期連陰雨過(guò)程強(qiáng)度的等級(jí)劃分Tab.5 Classification of intensity of continuous rain process in different periods in Henan Province

3.4 連陰雨等級(jí)指標(biāo)檢驗(yàn)

農(nóng)作物的產(chǎn)量不僅與氣象條件有關(guān)，還與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)象的品種特性、農(nóng)業(yè)技術(shù)水平、土肥條件、病蟲(chóng)害等因素有關(guān). 由于氣象因素多變且具不確定性，而其他因素變化緩慢且趨勢(shì)走向明顯，因此在大范圍農(nóng)作物產(chǎn)量逐年波動(dòng)中，氣象因子往往起著重要作用［25］. 將1980—2010 年河南省氣象代表站點(diǎn)小麥及玉米的實(shí)際產(chǎn)量分解為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量，并計(jì)算相對(duì)氣象產(chǎn)量，將減產(chǎn)年份挑出，形成代表站點(diǎn)的減產(chǎn)率序列［11］. 從各站點(diǎn)的降水正常年份中剔除嚴(yán)重干旱的年份進(jìn)行驗(yàn)證，與上一年相比，農(nóng)作物減產(chǎn)<10%為輕度災(zāi)害，減產(chǎn)10%～20%為中度災(zāi)害，減產(chǎn)>20%為重度災(zāi)害. 表6為代表站點(diǎn)連陰雨過(guò)程及所對(duì)應(yīng)的夏玉米及冬小麥減產(chǎn)率，結(jié)果顯示，超過(guò)一半以上驗(yàn)證樣本的連陰雨過(guò)程等級(jí)與減產(chǎn)區(qū)間符合，表明大部分樣本與統(tǒng)計(jì)指標(biāo)相符.

表6 河南省氣象代表站點(diǎn)連陰雨過(guò)程及所對(duì)應(yīng)的夏玉米及冬小麥減產(chǎn)率Tab.6 Continuous rain process of representative station and its corresponding yield reduction rate of summer corn and winter wheat

4 區(qū)域性連陰雨過(guò)程評(píng)估

4.1 區(qū)域性連陰雨過(guò)程綜合強(qiáng)度評(píng)估模型

對(duì)于連陰雨過(guò)程的綜合強(qiáng)度評(píng)估首先要選取合適的影響因子. 綜合以往的連陰雨災(zāi)害，河南省連陰雨災(zāi)害的特征主要表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大、過(guò)程雨量大，因此影響因子也應(yīng)從連陰雨的影響范圍、過(guò)程時(shí)長(zhǎng)、降水強(qiáng)度3個(gè)方面選取. 本研究將區(qū)域性連陰雨過(guò)程定義為區(qū)域內(nèi)有≥20%的站點(diǎn)出現(xiàn)連陰雨，選用連陰雨過(guò)程中總共受影響的站點(diǎn)、過(guò)程持續(xù)時(shí)間和過(guò)程平均降水量3個(gè)影響因子，建立區(qū)域性連陰雨過(guò)程的綜合強(qiáng)度評(píng)估模型：

式中：M為區(qū)域性連陰雨過(guò)程綜合強(qiáng)度指數(shù)；G1、G2、G3分別為累積范圍、過(guò)程持續(xù)時(shí)間和過(guò)程平均降水量3個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值；a、b、c分別為權(quán)重系數(shù).

將20世紀(jì)80、90年代到21世紀(jì)10年代（1981—2010年）的區(qū)域性連陰雨過(guò)程綜合強(qiáng)度指數(shù)按照由小到大的順序排序，取第60 和90 個(gè)百分位對(duì)應(yīng)的值為閾值，前60%為一般強(qiáng)度，60%～90%為較強(qiáng)，90%以上為強(qiáng)，由此得到河南省區(qū)域性連陰雨過(guò)程強(qiáng)度等級(jí)（表7）.

表7 區(qū)域性連陰雨過(guò)程強(qiáng)度等級(jí)劃分Tab.7 Classification of intensity of regional continuous rain process

4.2 區(qū)域性連陰雨過(guò)程綜合評(píng)估方法的應(yīng)用

21世紀(jì)以來(lái)，2003年河南省農(nóng)作物產(chǎn)量受持續(xù)陰雨天氣影響最為嚴(yán)重，部分地區(qū)秋作物絕收.

2017年8月28日—10月19日，河南省又出現(xiàn)了嚴(yán)重的持續(xù)陰雨天氣過(guò)程，其時(shí)間之長(zhǎng)、累積雨量之大、影響范圍之廣均較少見(jiàn). 根據(jù)本文建立的連陰雨監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，該省74%的站點(diǎn)出現(xiàn)連陰雨過(guò)程，連陰雨過(guò)程5～35 d，許昌以南大部及豫西局部在20 d以上，豫南部分地區(qū)超過(guò)30 d，其中新野及桐柏達(dá)35 d；全省連陰雨最大過(guò)程雨量為51.0（宜陽(yáng)）～309.7 mm（固始），豫東地區(qū)南部及豫南地區(qū)大部在200.0 mm以上，其中豫南局部超過(guò)250.0 mm. 與2003年相比，2017年的連陰雨過(guò)程從持續(xù)時(shí)間、過(guò)程雨量、影響范圍（表8），不如2003年嚴(yán)重，但連陰雨過(guò)程結(jié)束時(shí)間偏晚，部分地區(qū)持續(xù)至10月19日，這一時(shí)段正處于該省秋收秋種的關(guān)鍵期，秋作物收獲受到了嚴(yán)重影響，大量已收獲的作物出現(xiàn)霉變、發(fā)芽，越冬作物的播種明顯推遲.

表8 2003年和2017年連陰雨過(guò)程對(duì)比Tab.8 Comparison of continuous rain processes in 2003 and 2017

5 問(wèn)題與討論

本研究對(duì)連陰雨監(jiān)測(cè)老標(biāo)準(zhǔn)中不適宜指標(biāo)的替代指標(biāo)進(jìn)行了探索，確定了用日照時(shí)間代替云量的依據(jù)，并由此確立了河南省連陰雨的新標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了連陰雨的客觀化監(jiān)測(cè). 但由于連陰雨不是河南省主要的氣象災(zāi)害，所以在做連陰雨過(guò)程與農(nóng)作物產(chǎn)量相關(guān)分析時(shí)存在部分連陰雨過(guò)程與農(nóng)作物減產(chǎn)率相關(guān)性不高的情況. 此外，典型農(nóng)作物產(chǎn)量的數(shù)據(jù)站點(diǎn)分布不均，還需收集更多災(zāi)情信息和產(chǎn)量數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展進(jìn)一步檢驗(yàn).

結(jié)合河南連陰雨災(zāi)害持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍大、過(guò)程雨量大的特征，選取了合適的影響因子，建立了區(qū)域性連陰雨過(guò)程的綜合強(qiáng)度評(píng)估模型，并對(duì)連陰雨過(guò)程的綜合強(qiáng)度綜合開(kāi)展不同等級(jí)強(qiáng)度的劃分. 選取2017年連陰雨過(guò)程與2003年的連陰雨過(guò)程作對(duì)比分析，開(kāi)展了該方法的在氣象災(zāi)害評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用，取得了良好的服務(wù)效果.