沿淮地區(qū)秋季連陰雨綜合指數(shù)構(gòu)建及其變化特征

朱公群，韓幫軍，段春鋒，歐娜音

(1.淮南市氣象局，安徽 淮南 232001；2.安徽省氣候中心，安徽 合肥 230031；3.哈爾濱市氣象局，哈爾濱 150028)

引 言

淮河流域是中國十大流域之一，位于黃河和長江之間，處于南北氣候過渡帶，降水時(shí)空分布不均，旱澇災(zāi)害頻發(fā)[1-2]。旱澇災(zāi)害除了夏季外，春秋季的連陰雨也是淮河流域較明顯的災(zāi)害天氣。秋季連陰雨不僅造成已成熟的秋收作物發(fā)生霉?fàn)€、品質(zhì)下降，導(dǎo)致減產(chǎn)，而且也影響秋播秋種的適時(shí)開展。目前針對(duì)連陰雨方面有很多研究[3-11]。陳曉藝等[12]分區(qū)域、分時(shí)段統(tǒng)計(jì)了安徽省連陰雨的特征量，分析其時(shí)空變化規(guī)律和對(duì)秋收秋種的影響，主要特征量的高頻次和較大值隨年代有加重的趨勢，尤其是沿淮淮北更為明顯，造成秋收作物大幅減產(chǎn)。項(xiàng)瑛等[13]設(shè)計(jì)了江蘇省連陰雨強(qiáng)度指數(shù)模型，對(duì)強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行了分級(jí)，實(shí)施了對(duì)連陰雨強(qiáng)度的進(jìn)一步把握，更好地為決策部門提供服務(wù)。史瑞琴等[14]分析了華中三省不同程度秋季連陰雨的時(shí)空變化趨勢，根據(jù)代表區(qū)域連陰雨過程災(zāi)損情況，從災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的角度，探討了秋季連陰雨災(zāi)害的高影響年份及高風(fēng)險(xiǎn)分布區(qū)，并針對(duì)較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)回避、風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移等實(shí)施措施。王記芳等[15]對(duì)河南全省連陰雨的時(shí)空分布特征分析結(jié)果表明，連陰雨次數(shù)豫南的最多，中部的次之，北部的最少，且山區(qū)的多于同緯度平原區(qū)的，并對(duì)典型連陰雨過程的主要環(huán)流特征進(jìn)行了探討。由此可見，由于氣候及下墊面差異，劃分連陰雨的氣候監(jiān)測指標(biāo)及連陰雨災(zāi)害評(píng)估模型各有不同。

2016年、2017年沿淮地區(qū)均出現(xiàn)嚴(yán)重的秋季連陰雨災(zāi)害，并造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。本文在前人的研究基礎(chǔ)上[16-24]，分析了安徽省沿淮地區(qū)10個(gè)國家氣象站1960年到2019年多年秋季連陰雨數(shù)據(jù)，建立適用于本區(qū)域的連陰雨監(jiān)測指標(biāo)和連陰雨強(qiáng)度綜合指數(shù)公式，以期為沿淮地區(qū)秋季連陰雨監(jiān)測預(yù)警和評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選用沿淮地區(qū)10個(gè)國家氣象站(如圖1)1960年到2019年秋季(9月1日到11月10日)降水、日照等氣象要素，資料來源于安徽省氣象信息中心，缺測的氣象站數(shù)據(jù)使用附近2個(gè)站數(shù)據(jù)均值；災(zāi)情資料源自《中國氣象災(zāi)害大典》(安徽卷)[25]和《中國氣象災(zāi)害年鑒》[26]。

圖1 安徽省沿淮地區(qū)國家氣象站站點(diǎn)分布

1.2 方 法

1.2.1 評(píng)估監(jiān)測指標(biāo)因子的無量綱處理

由于連陰雨總?cè)諗?shù)和連陰雨總降水量量綱不同，數(shù)據(jù)的可比性差，為消除不同計(jì)量單位的影響，將相關(guān)因子無量綱化，使數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定并可以直接進(jìn)行算術(shù)或加權(quán)平均，進(jìn)行綜合分析。由于有的年份無連陰雨，連陰雨總?cè)諗?shù)最小值(dmin)、連陰雨總降水量最小值(pmin)均為0。計(jì)算方法如下：

(1)

式中，di0為經(jīng)過歸一化處理的連陰雨總?cè)諗?shù)，pi0為經(jīng)過歸一化處理的連陰雨總降水量，n為年份。

1.2.2 TS評(píng)分

采用TS評(píng)分對(duì)沿淮地區(qū)秋季連陰雨分級(jí)進(jìn)行評(píng)估檢驗(yàn)，來判斷分級(jí)的可靠性。

TS評(píng)分：

(2)

空報(bào)率：

(3)

漏報(bào)率：

(4)

式中,NAK為連陰雨預(yù)報(bào)正確年數(shù)，NBK為空報(bào)年數(shù)，NCK為漏報(bào)年數(shù)，K為連陰雨等級(jí)。

1.2.3 加權(quán)綜合指數(shù)法[27]

加權(quán)綜合指數(shù)的計(jì)算公式為

(5)

式中,Vi是評(píng)價(jià)因子的總值，Wj是指標(biāo)j的權(quán)重，Dij是對(duì)于因子i的指標(biāo)j的歸一化值，n是評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.2.4 歷史排位法

采用歷史排位法建立連陰雨監(jiān)測指標(biāo)，采用線性趨勢分析法研究秋季連陰雨綜合指數(shù)的時(shí)間變化，并對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秋季連陰雨監(jiān)測指標(biāo)的建立

基于《中國氣象災(zāi)害大典》(安徽卷)和《中國氣象災(zāi)害年鑒》中沿淮地區(qū)秋季連陰雨的災(zāi)情資料，由災(zāi)情描述嚴(yán)重程度得出10年連陰雨災(zāi)情嚴(yán)重的年份作為典型年，分別是1964年、1970年、1975年、1981年、1983年、1985年、2000年、2014年、2016年和2017年。

收集7種地方連陰雨監(jiān)測指標(biāo)[12-18](表1)，分別簡稱為中國監(jiān)測指標(biāo)、安徽監(jiān)測指標(biāo)、江蘇監(jiān)測指標(biāo)、湖北監(jiān)測指標(biāo)、陜西監(jiān)測指標(biāo)、河南監(jiān)測指標(biāo)和山西監(jiān)測指標(biāo)?；谶@7個(gè)地方監(jiān)測指標(biāo)計(jì)算各站的連陰雨總?cè)諗?shù)、單次最長連陰雨雨日數(shù)、連陰雨雨日數(shù)、連陰雨總降水量、連陰雨總?cè)照諘r(shí)數(shù)這5個(gè)連陰雨相關(guān)因子。利用安徽沿淮地區(qū)1960-2019年氣象資料，統(tǒng)計(jì)與這5個(gè)連陰雨因子指標(biāo)相關(guān)的連陰雨年，在連陰雨年中滿足頻次越多的因子，說明該地方指標(biāo)中的該連陰雨因子對(duì)連陰雨反映越靈敏，則該監(jiān)測指標(biāo)為該站的最優(yōu)監(jiān)測指標(biāo)。

表1 地方連陰雨監(jiān)測指標(biāo)

表2列出了在連陰雨年中滿足頻次前10和前15的連陰雨相關(guān)因子指標(biāo)。從表2可知，同一監(jiān)測指標(biāo)條件下，5個(gè)連陰雨因子中，連陰雨日數(shù)因子在統(tǒng)計(jì)的連陰雨中滿足的頻次較連陰雨總降水量的頻次多。在典型的連陰雨年中，滿足頻次前10位的江蘇監(jiān)測指標(biāo)中的連陰雨總?cè)諗?shù)因子和江蘇及安徽指標(biāo)中的單次最長連陰雨日數(shù)因子，在近70%的連陰雨年中得到滿足。出現(xiàn)頻次排前15位的江蘇指標(biāo)中的連陰雨總?cè)諗?shù)、單次最長連陰雨雨日數(shù)因子指標(biāo)，在近80%的典型連陰雨年中得到滿足。因此，江蘇監(jiān)測指標(biāo)里連陰雨總?cè)諗?shù)、單次最長連陰雨雨日數(shù)因子對(duì)災(zāi)情的反映效果最好。

表2 沿淮地區(qū)國家氣象站各地方監(jiān)測指標(biāo)在連陰雨年中滿足頻次排位前10位/前15位

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，雨日數(shù)為4天、總雨量在10 mm以上的單次連陰雨過程平均發(fā)生次數(shù)占總連陰雨過程次數(shù)的28.1%。因此基于江蘇監(jiān)測指標(biāo)，增加4天雨日數(shù)的，構(gòu)成沿淮地區(qū)秋季連陰雨監(jiān)測指標(biāo)：(1)4天及以上的連陰雨過程為一次連陰雨過程；5天及以上日雨量(20時(shí)-次日20時(shí))達(dá)0.1 mm的日數(shù)與過程總?cè)諗?shù)的比率達(dá)70%或以上，若含無雨日，該日的日照時(shí)數(shù)在5 h以下。(2)連續(xù)3日無0.1 mm或以上降水，作為連陰雨結(jié)束。(3)一次過程的總雨量必須在10.0 mm以上。

2.2 連陰雨綜合指數(shù)模型構(gòu)建

基于沿淮地區(qū)連陰雨監(jiān)測指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)連陰雨典型年中滿足各連陰雨因子指標(biāo)的年數(shù)，結(jié)果表明，滿足連陰雨總?cè)諗?shù)、單次最長連陰雨雨日數(shù)、連陰雨雨日數(shù)、連陰雨總降水量因子指標(biāo)的典型年數(shù)占比分別為69%、68%、62%、41%?？梢姡B陰雨日數(shù)相關(guān)因子對(duì)典型年的反映較好?？紤]到連陰雨總?cè)諗?shù)、單次最長連陰雨雨日數(shù)、連陰雨雨日數(shù)三者交叉影響，所以確定連陰雨總?cè)諗?shù)、連陰雨總降水量這兩個(gè)因子作為連陰雨強(qiáng)度綜合指數(shù)模型的兩個(gè)因子，且前者權(quán)重大于后者的。

利用公式(5)，建立連陰雨綜合指數(shù)公式:

Vi=W1×di0+W2×pi0

(6)

滿足條件為W1>W2，W1+W2=1,0

表3 不同組合通過歷史排序統(tǒng)計(jì)的典型年個(gè)數(shù)

因此，沿淮地區(qū)秋季連陰雨強(qiáng)度綜合指數(shù)公式為

(7)

式中，Vi為第i年連陰雨的綜合指數(shù)，di0為經(jīng)過歸一化處理的連陰雨總?cè)諗?shù)，pi0為經(jīng)過歸一化處理的連陰雨總降水量，n為年份。

2.3 連陰雨等級(jí)劃分

基于連陰雨綜合指數(shù)公式(7)，通過百分位數(shù)法將連陰雨過程綜合指數(shù)序列進(jìn)行分級(jí)，將秋季連陰雨分為3級(jí)(表4)。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是：綜合指數(shù)≥90%百分位數(shù)對(duì)應(yīng)的連陰雨過程為重度連陰雨(1級(jí))，[75%,90%)百分位數(shù)對(duì)應(yīng)的連陰雨過程為中度連陰雨(2級(jí))，[50%,75%)百分位數(shù)對(duì)應(yīng)的連陰雨過程為輕度連陰雨(3級(jí))。

表4 沿淮地區(qū)秋季連陰雨等級(jí)評(píng)估劃分監(jiān)測指標(biāo)

根據(jù)表4連陰雨等級(jí)評(píng)估劃分監(jiān)測指標(biāo)，重度連陰雨6年，平均綜合指數(shù)為0.78。排在前兩位的年份是2017年、2016年，綜合指數(shù)分別達(dá)到0.92、0.89。這兩年連陰雨總?cè)諗?shù)均達(dá)到27天，總降水量在260 mm以上，年內(nèi)均發(fā)生3次及以上單次連陰雨過程，單次最長連陰雨雨日數(shù)達(dá)12天以上(表5)。中度連陰雨為9年，平均綜合指數(shù)為0.53。輕度連陰雨為16年，平均綜合指數(shù)為0.36。

結(jié)合災(zāi)情資料和典型連陰雨統(tǒng)計(jì)(表5)發(fā)現(xiàn)，典型年前6位均對(duì)應(yīng)災(zāi)情資料里秋季連陰雨災(zāi)害嚴(yán)重的年份，其綜合指數(shù)分級(jí)對(duì)應(yīng)級(jí)別均為1級(jí)，因此對(duì)1級(jí)連陰雨TS評(píng)分結(jié)果為100%。據(jù)災(zāi)情描述，“2016年秋季我省先后出現(xiàn)兩段連陰雨天氣過程，分別是9月25日-10月31日及11月中下旬，其中以9月25日-10月31日過程為歷史罕見。連陰雨天氣過程對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響大，不利于在地作物生長、產(chǎn)量形成和已成熟作物的收獲晾曬?；茨虾统莶糠挚h區(qū)低洼地農(nóng)田、蔬菜大棚受淹，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2市14.7萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積為14.9千公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失為1.2億元。2017年秋季我省出現(xiàn)3段連陰雨過程，分別為8月28日-9月11日、9月19日-10月5日、10月10-18日。秋季連陰雨發(fā)生在我省秋收秋種的關(guān)鍵季節(jié)，導(dǎo)致全省大部土壤過濕，沿淮淮北低洼農(nóng)田受淹，秋收作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，秋種進(jìn)程受阻，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，亳州市有31.87萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積為46.22千公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失為1.38億元。受持續(xù)降雨及上游來水共同影響，淮河流域發(fā)生罕見秋汛，王家壩分別于10月7日及14日形成2次洪峰?！?017年和2016年均為災(zāi)情嚴(yán)重的年份，2017年災(zāi)害程度要重于2016年的，這與2017年綜合指數(shù)值高于2016年的相對(duì)應(yīng)。

表5 典型連陰雨統(tǒng)計(jì)

2級(jí)連陰雨與災(zāi)情實(shí)況吻合年份有8年，分別是2014、1983、2003、1964、1996、1981、2005和1979年；空報(bào)1年(1984年)，無漏報(bào)。TS評(píng)分為88.9%，空報(bào)率為11.1%。因此，該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)適用于沿淮地區(qū)。

2.4 連陰雨時(shí)空變化特征

2.4.1 連陰雨時(shí)間變化特征

1960年以來連陰雨強(qiáng)度綜合指數(shù)逐年變化曲線(圖2)共出現(xiàn)4個(gè)極大值，分別是1985年、2000年和2016-2017年。連陰雨出現(xiàn)較頻繁的年段分別是1970-1985年、1996-2005年和2009-2018年。1970-1985年共出現(xiàn)重度連陰雨3年，中度和輕度的均4年，分別占比為19%、25%和25%；1996-2005年共出現(xiàn)重度連陰雨1年，中度的3年，輕度的1年，分別占比為10%、30%和10%；2009-2018年共出現(xiàn)重度連陰雨2年，中度的1年，輕度的4年，分別占比為20%、10%和40%。由此可見，1996-2005年除了中度連陰雨出現(xiàn)頻次最高外，其余等級(jí)的連陰雨次數(shù)均少于其他兩個(gè)年段的；2009-2018年中度連陰雨出現(xiàn)頻次最低，輕度連陰雨、重度連陰雨出現(xiàn)頻次最高。對(duì)綜合指數(shù)逐年變化曲線線性趨勢分析結(jié)果表明，其變化速率不顯著，相關(guān)系數(shù)為0.0001，沒有通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖2 連陰雨綜合指數(shù)逐年變化曲線

從連陰雨年代際變化(表6)可以看出，1970s和2010s重度連陰雨最多，均出現(xiàn)2年；1980s和2000s均出現(xiàn)1年重度連陰雨年；1980s中度連陰雨最多，達(dá)到3年；2000s輕度連陰雨最少，為1年；1970s、1980s和2010s總連陰雨最多，達(dá)到6年。因此，2010s輕度、重度和總連陰雨出現(xiàn)年數(shù)均是所有年代里最多的。

表6 沿淮地區(qū)秋季連陰雨年代際分布 年

2.4.2 連陰雨空間變化

從連陰雨空間分布圖(圖3)(橫坐標(biāo)為沿淮地區(qū)國家氣象站從西往東依次排列)可以看出，沿淮東部(鳳陽和五河)輕度連陰雨最多，淮河中西部(潁上、霍邱和鳳臺(tái))中度連陰雨多于沿淮中東部的，沿淮西部(阜南和潁上)和中東部(淮南、懷遠(yuǎn)和蚌埠)重度連陰雨略偏多；西部(潁上和霍邱)和東部(鳳陽和五河)總連陰雨發(fā)生較多，均為30年以上，中部的偏少。

圖3 沿淮地區(qū)秋季連陰雨各級(jí)空間分布

3 結(jié) 論

基于安徽省沿淮地區(qū)10個(gè)國家氣象站1960年到2019年秋季連陰雨降水、日照等氣象資料和災(zāi)情資料及7種地方連陰雨監(jiān)測指標(biāo)，在評(píng)估7種地方指標(biāo)適用性的基礎(chǔ)上，優(yōu)化建立沿淮地區(qū)秋季連陰雨監(jiān)測指標(biāo)、連陰雨強(qiáng)度綜合指數(shù)公式，并對(duì)該綜合指數(shù)進(jìn)行分級(jí)和時(shí)空特征分析。該指標(biāo)和等級(jí)劃分適用于沿淮地區(qū)秋季連陰雨的災(zāi)害評(píng)估。

(1)江蘇監(jiān)測指標(biāo)在7種地方連陰雨監(jiān)測指標(biāo)中適用性最好?；谠撝笜?biāo)，優(yōu)化過程日數(shù)條件，增加4天雨日數(shù)，并通過評(píng)估檢驗(yàn)，則沿淮地區(qū)秋季連陰雨監(jiān)測指標(biāo)為：4天及以上的連陰雨過程為一次連陰雨過程;5天及以上日雨量(20時(shí)-次日20時(shí))達(dá)0.1 mm的日數(shù)與過程總?cè)諗?shù)的比率達(dá)70%或以上，若含無雨日，該日的日照時(shí)數(shù)在5 h以下。連續(xù)3日無0.1 mm或以上降水，作為連陰雨結(jié)束。一次過程的總雨量必須在10.0 mm以上。

(2)沿淮地區(qū)單站秋季連陰雨強(qiáng)度綜合指數(shù)由連陰雨總?cè)諗?shù)、連陰雨總降水量線性組成，權(quán)重分別為0.8和0.2。沿淮地區(qū)秋季連陰雨強(qiáng)度綜合指數(shù)為沿淮地區(qū)10個(gè)站綜合指數(shù)算術(shù)平均，并按90%、75%和50%百分位數(shù)依次將排序后的綜合指數(shù)分成重度、中度和輕度3個(gè)等級(jí)。該分級(jí)結(jié)果與災(zāi)情實(shí)況較吻合，由此得出1級(jí)連陰雨(重度連陰雨)TS評(píng)分為100%，無空報(bào)和漏報(bào)；2級(jí)連陰雨(中度連陰雨)報(bào)對(duì)8年，空報(bào)1年，無漏報(bào)，TS評(píng)分為88.9%，空報(bào)率為11.1%。

(3)20世紀(jì)70年代到80年代前期及2010年以來，秋季連陰雨發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大，尤其是2016年和2017年的連陰雨均呈現(xiàn)累計(jì)雨量多、持續(xù)時(shí)間長、日照時(shí)數(shù)少、降水強(qiáng)度大的特點(diǎn)，災(zāi)害影響嚴(yán)重，為歷史罕見。沿淮東部、西部秋季連陰雨出現(xiàn)頻次多于中部的；沿淮東部多出現(xiàn)輕度連陰雨，沿淮中西部多出現(xiàn)中度連陰雨，中部偏東和沿淮西部多出現(xiàn)重度連陰雨，重度連陰雨為阜南的最多，五河的最少。