青海省4—9 月連陰雨時空特征分析

康曉燕，李 甫，顏海前，薛麗梅，侯永慧

（1.青海省氣象災害防御技術中心，青海 西寧 810001；2.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001；3.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001）

連陰雨是由降水、日照、氣溫等幾種氣象要素異常共同引起的，連陰雨可推遲作物的發育或生殖生長，在農業區造成作物不能成熟或發芽霉變，影響產量；在牧區會造成牧草發育遲緩、長勢較差和提前枯黃。雖然四季都可能出現，但不同連陰雨對農業造成的影響不同，其中以夏、秋季的連陰雨對農業生產影響較大，因此連陰雨是我國常見的災害之一。學者們對連陰雨天氣開展了成因[1-4]、災害評估[5-6]及其變化特征和時空演變[7-10]等方面的研究。郭莉等[1]通過分析2018—2019 年冬季我國長江以南地區發生的超長連陰雨天氣，發現主要原因是2018—2019 年冬季中部型厄爾尼諾導致的江南地區異常低空水汽輻合和東亞冬季風次季節變化異常活躍。代立芹等[5]通過篩選連陰雨關鍵致災因子，確定了基于連陰雨強度指數的河北棉花災損評估模型，構建了連陰雨風險指數并進行風險區劃。王建兵等[10]對甘南高原秋季連陰雨的氣候特征進行分析，掌握該地區連陰雨發生時間、次數、過程降水量等方面的時空變化規律，并分析不同環流形勢下該地區連陰雨形成的不同特征。

青海省地處青藏高原的東北部，地形復雜，大陸性氣候特征顯著，是中國氣候和生態環境脆弱區之一。該區域平均海拔在3 000 m 以上，自然氣候條件惡劣，發展農牧業面臨很多問題和困難[11]，因此從不同角度深入研究青海省連陰雨災害的發展規律對更好地應對連陰雨和防災減災具有重要的意義。近年來，針對青海省連陰雨災害的分析和研究比較少，對其時空分布特征分析的研究也不夠深入和全面，缺乏更多方法的研究。馬占良[12]和李萬志等[13]分別對青海省秋季連陰雨發生次數、監測指標、強度變化做了相關研究，發現青海省秋季連陰雨次數出現多—少交替特征非常明顯，全省陰雨日主要出現在6、7、9月，均達到8 d 以上，其次為4、8 和10 月。基于此，本文應用青海省48 個臺站的60 a 觀測數據，通過趨勢系數、旋轉經驗正交分解（REOF）、Mann-Kendall檢驗和小波分析等方法對青海省連陰雨異常進行區域劃分并探討各個分區的時間演變特征，從而了解連陰雨的時空分布及變化，以期對人工增雨作業規避風險和防災減災工作提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料

選用青海省48 個臺站4—9 月1961—2020 年逐日降水資料、1961—2013 年逐日總云量資料以及2014—2020 年逐日日照時數資料，臺站位置分布見圖1。

圖1 青海省48 個臺站分布

資料選取依據主要是青海省氣象災害地方標準，即連續陰雨≥5 d 上，期間日平均總云量≥8 成，不能出現2 個無雨日（即日降水量<0.1 mm），過程累計降水量≥10 mm，稱為一次連陰雨過程[14]。2014年青海省地面觀測取消云量觀測，參考相關研究[13]，發現日照時數與總云量之間有很好的負相關性，因此，2014—2020 年總云量資料可用日照時數資料代替。

1.2 方法

1.2.1 趨勢系數

氣象要素的時間序列與自然數數列之間的相關系數，稱為趨勢系數[15]，屬無量綱量，取值為[-1，1]，采用相關系數的t 檢驗。

1.2.2 相似系數

為定量地表示兩幅圖的相似程度，采用相似系數。計算公式見文獻[16]，相似系數等于1.00 為完全相同，相似系數為-1.00 為完全相反，為0.0 時表示完全不相似。正值越大越相似，負值越大越相反。

1.2.3 REOF 分解

REOF 為旋轉經驗正交函數分解，是在EOF 分解基礎上再做旋轉，其原理及具體展開形式見文獻[17]。REOF 空間分布結構能更清晰地表示不同地理區域特征，不僅可以反映不同地域的相關分布，且取樣誤差也比EOF 小得多[18-19]。REOF 旋轉中采用極大方差正交旋轉方法，旋轉經驗正交函數個數由累積方差貢獻率超過85%為標準確定，載荷向量空間模態的顯著性檢驗采用North 檢驗。

1.2.4 小波分析

小波分析法融合泛函分析、Fourier 分析、樣條分析、數值分析于一體，可用于時間尺度變化特征的研究，其目的是得到發生在不同時間尺度下局部和瞬態現象的完整表示，其原理詳見文獻[19-21]。

1.2.5 Mann-Kendall 檢驗

Mann-Kendall 檢驗是一種非參數統計檢驗方法，樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，可以檢驗出時間序列的變化趨勢以及突變時間[17]。

2 結果與分析

2.1 連陰雨空間分布及變化

近60 年，青海省4—9 月連陰雨年平均發生次數為4 次，持續天數為26 d，累計降水量為122.0 mm。其中久治最為嚴重，發生8 次，持續64 d，累計降水量為380.4 mm；班瑪次之，發生7 次，持續62 d，累計降水量為326.3 mm。通過9 a 滑動平均變化曲線可知，連陰雨發生次數、持續天數和累計降水量20世紀60—80 年代比較穩定，90 年代至今則明顯出現一次波動，具體表現為20 世紀90 年代—21 世紀初期先減少后增加。

從空間分布來看，將青海省各站60 年來的4—9 月的連陰雨發生次數、持續天數和累計降水量統計分析并計算相似系數可知，三者間的相似系數趨近于1，基本具有相同的分布結構（圖2）。由圖2a 可知，青海省4—9 月的連陰雨發生次數東部農業區基本為2～4 次，青南地區在4～7 次，特別是黃南州南部、果洛州南部和玉樹州東南部基本都在6 次以上。海西州大部在2 次以下，尤其是柴達木盆地基本沒有出現連陰雨過程，總體上呈現明顯的從東南向西北逐漸減少的態勢。這是因為青海省東南部受西南季風影響明顯，加上高原產生的熱力和動力抬升，導致其成為降水和連陰雨天氣最多地區，而海西州柴達木盆地四周高山環繞，多見下沉氣流，加之遠離海洋、水汽較少[22]，因而成為省內降水和連陰雨最少的地區。圖2b 表示連陰雨持續天數的分布狀況，4—9月東部農業區連陰雨持續天數基本為20～30 d，青南大部地區在30 d 以上，特別是果洛州南部和玉樹州東南部基本都在60 d 以上。海西州大部在20 d以下，尤其是柴達木盆地基本沒有出現連陰雨過程。青海省4—9 月連陰雨累計降水量主要集中在70～200 mm，其中東部農業區基本為50～150 mm，青南大部地區在150 mm 以上，海西州大部在10 mm 以下（圖2c）。

圖2 青海省4—9 月連陰雨發生空間分布（a、b、c 分別為連陰雨發生次數、持續天數、累計降水量分布，R 代表相應的連陰雨發生次數、持續天數、累計降水量；d、e、f 分別為青海省連陰雨發生次數、持續天數、累計降水量年變化趨勢系數分布，R 為相應各參數的變化趨勢系數，紅色為趨勢系數通過0.05 以上顯著性檢驗的正趨勢區域，綠色為趨勢系數通過0.05 以上顯著性檢驗的負趨勢區域）

青海省連陰雨發生次數、持續天數與累計降水量趨勢分布的相似系數分別為0.99、0.96、0.97，三者之間相似度很高，因此連陰雨持續時間、累計降水量與發生次數具有相似的變化趨勢，呈現出西部增加，東部減少的態勢。由圖2d、2e 和2f 可知，連陰雨發

生頻次的趨勢系數有23 個站通過0.05 的顯著性檢驗，18 個站通過0.01 的顯著性檢驗；連陰雨持續天數的趨勢系數有27 個站通過0.05 的顯著性檢驗，19 個站通過0.01 的顯著性檢驗；連陰雨累計降水量的趨勢系數有23 個站通過0.05 的顯著性檢驗，18個站通過0.01 的顯著性檢驗。東部農業區基本處于負趨勢，其中心出現在互助、樂都，發生次數的趨勢系數為-0.59、-0.53，持續天數的趨勢系數為-0.69、-0.59，累計降水量的趨勢系數為-0.53、-0.5；海西大部、玉樹北部以及果洛東部處于正趨勢，最大值分別位于甘德、治多，發生次數的趨勢系數為0.52、0.31，持續天數的趨勢系數為0.50、0.25，累計降水量的趨勢系數為0.50、0.37。

2.2 連陰雨REOF 空間分區

青海省60 年來4—9 月連陰雨發生次數、持續天數和累計降水量具有基本相同的空間分布結構和相似度較高的變化趨勢，因此，只選取累計降水量為例展開REOF 空間分區分析。

首先采用經驗正交函數方法（EOF）對青海省所有站點60 年來連陰雨累計降水量進行分析，并對分解得到的經驗正交函數進行North 檢驗。結果表明，前10 個載荷的方差貢獻率總和達到72.2%（表1），其中第一、三、五模態通過了檢驗。為了更為準確地了解連陰雨的區域分布特征，在EOF 分解的基礎上進行REOF 分解。首先，需確定REOF 的個數，其一般通過EOF 各模態的累計方差貢獻率超過一定程度（通常為85%）為標準來確定。累計方差貢獻率的具體取值可根據具體問題適當增減[23]。本研究中EOF 分解的第10 模態之后的各模態方差貢獻率低于1%，因此，取前10 個模態的特征向量進行旋轉，旋轉過程對各主成分的方差貢獻率進行了重新分配，旋轉的結果能更清晰地識別和突出青海省連陰雨的時空分布特征。具體分析時，前5 個模態方差貢獻率超過50%，且前5 個模態中的一、三、五模態通過了檢驗，因此，選取前5 個模態做詳細分析。

表1 青海省4—9 月連陰雨累計降水量旋轉前后前10 個模態方差貢獻率 %

圖3a 為累計降水量第一載荷向量場（RLV1），其方差貢獻率為18.0%，代表了高原上最主要的連陰雨累計降水量變化特征，該向量場突出了連陰雨的累計降水量東部異常空間分布型，各分量符號基本一致，說明連陰雨的空間分布在該模態下具有整體一致性，高載荷區集中在正區域，位于黃南、海南、海東等地，中心在同仁，RLV值達0.85，該地區主要受季風和孟加拉灣暖濕氣流影響，降水量相對豐富。第二載荷向量場（圖3b）突出了青海省連陰雨的累計降水量中部異常空間分布型，各分量符號基本一致，高載荷區主要集中在玉樹北部和海北大部，中心在五道梁和野牛溝，RLV值分別達-0.80 和-0.75，該地區受地形影響，缺乏水汽來源，使得降雨量相對偏少。圖3c 為第三載荷向量場，該向量場突出了青海省連陰雨的累計降水量南部異常空間分布型，分量符號存在南北反向，高載荷區集中在正區域，中心在雜多和囊謙，RLV值最大達0.84，該模態南北反向型的空間分布主要是西南暖濕氣流和西北部西伯利亞冷高壓共同作用的結果。第四載荷向量場（圖3d）各分量符號大部一致，高載荷區主要集中在海西的北部，中心在大柴旦，RLV值達-0.77，該向量場突出了連陰雨的累計降水量西北部異常空間分布型。第五載荷向量場（圖3e）各分量符號大部一致，高載荷區主要集中在海西的南部，中心在小灶火，RLV值達0.72，該向量場突出了連陰雨的累計降水量西南部異常空間分布型。

圖3 青海省4—9 月連陰雨累計降水量REOF 分析的典型空間模態（a 為第一空間模態，b 為第二空間模態，c 為第三空間模態，d 為第四空間模態，e 為第五空間模態；R 為旋轉載荷向量RLV）

2.3 連陰雨各空間型的時間特征

與旋轉載荷向量（RLV）相對應的旋轉主成分（RPC）序列實際上反映了其代表空間異常型狀況的時間變化特征[19]。本研究重點分析5 個空間異常型連陰雨累計降水量的時間演變特征。從對應的時間系數變化曲線可以看出，5 種分布結構的連陰雨累計降水量具有明顯的年際振蕩和年代際變化特征。第一載荷向量場對應的時間系數呈減少趨勢，減少速率為0.29/10 a，通過0.01 的顯著性檢驗，表明東部地區60 年來連陰雨累計降水量呈極顯著下降趨勢，多項式擬合曲線反映出青海東部地區連陰雨累計降水量從20 世紀70 年代減少，2000 年開始呈現增加趨勢（圖4a）。第二載荷向量對應的時間系數呈微弱減少趨勢，反映中部地區連陰雨累計降水量逐年減少，1981、1989、2012 年為3 個異常年份，多項式擬合曲線可以看出該區域20 世紀60 年代后期增加，90 年代初期減少，到2010 年后逐漸增加，呈波動變化趨勢（圖4b）。第三載荷向量場對應的時間系數呈減少趨勢，減少速率為0.29/10 a，通過0.01 的顯著性檢驗，表明南部地區60 年來連陰雨累計降水量呈顯著的減少趨勢，多項式擬合曲線可看出該區域呈現平緩下降趨勢，變化幅度較小（圖4c）。第四載荷向量場對應時間系數的變化趨勢，體現了西北部連陰雨累計降水量呈現微弱上升趨勢，1967、1971 年為2個異常年份，多項式擬合曲線可看出該區域變化相對較平緩（圖4d）。第五載荷向量場對應的時間系數呈增加趨勢，通過0.01 的顯著性檢驗，表明西南區連陰雨累計降水量呈顯著的增加趨勢，多項式擬合曲線可看出該區域呈現上升趨勢（圖4e）。

圖4 青海省4—9 月連陰雨累計降水量前五種空間模態對應的時間系數變化趨勢及突變檢驗（a～e 分別為第一、二、三、四和五空間模態時間系數變化趨勢，f～j 分別為前五空間模態突變檢驗）

利用Mann-Kendall 突變檢驗對60 年來各分區連陰雨累計降水量進行突變分析（圖4f～4i），結果表明，5 個空間模態均存在較為明顯的突變。由第一空間模態（東部地區）UF 曲線可見，東部地區連陰雨累計降水量有明顯減少趨勢，20 世紀90 年代中期減少趨勢超過0.05 的顯著性臨界線，根據UF 和UB曲線交點的位置，確定東部地區連陰雨累計降水量在1988 年開始發生突變。第二空間模態（中部地區）的UF 曲線表明，20 世紀60—80 年代中部地區連陰雨累計降水量下降明顯，1982 年開始這種下降趨勢超過0.05 的顯著性臨界線，根據UF 和UB 曲線交點的位置，確定中部地區連陰雨累計降水量在1969年發生突變。第三空間模態（南部地區）的UF 和UB曲線在2005 年有一交點，UF 曲線呈現下降趨勢，在2013 年超出了臨界線，確定南部地區連陰雨累計降水量在2005 年發生突變。第四空間模態（西北地區）連陰雨累計降水量20 世紀60—80 年代中期呈現上升趨勢，UF 和UB 曲線在1974 年有一交點，在1984年超出了臨界線，確定西北地區連陰雨累計降水量在1974 年發生突變。第五空間模態（西南地區）的連陰雨累計降水量20 世紀60 年代初期開始有明顯增加趨勢，1992 年以后增加趨勢超過0.05 的顯著性臨界線，根據UF 和UB 曲線交點的位置，確定西南地區連陰雨累計降水量在1975 年發生突變。

2.4 連陰雨各空間型的周期特征

利用Morlet 小波分析青海省60 年來4—9 月連陰雨累計降水量的時間尺度特征（圖5）。圖中信號振蕩的強弱通過顏色的明亮程度來表示，顏色越明亮的區域，對應的時間尺度的周期性越顯著。黑色弧線以上的區域為考慮了小波邊角效應的“影響錐”區域。東部地區連陰雨累計降水量序列存在2～3、5～7 和9～12 a 左右的周期振蕩（圖5a），其中，2～3 a周期明顯存在于20 世紀60 年代初—80 年代末、20世紀90 年代中期—21 世紀00 年中期及21 世紀10年代以后；5～7 a 周期明顯存在于20 世紀70 年代初—21 世紀00 年初；9～12 a 周期主要存在于20 世紀80 年代初—90 年代中期，東部地區連陰雨累計降水量以20 世紀80 年代為界線，經歷從多到少的周期變化。中部地區連陰雨累計降水量存在3～6、12和16 a 的周期振蕩（圖5b），其中，3～6 a 周期明顯存在于1960—2020 年，存在時間最長、振蕩最強烈；12 a 周期明顯存在于20 世紀80 年代；16 a 周期主要存在于20 世紀80 年代中期—90 年代中期，中部地區連陰雨累計降水量以“少—多—少—多”交替變化為主。南部地區連陰雨累計降水量存在2、4～8 和16 a 的周期振蕩（圖5c），其中，2 a 周期明顯存在于20 世紀60 年代中期—70 年代中期、20 世紀80 年代中期—90 年代中期；4～8 a 周期明顯存在于20 世紀80 年代初—90 年代初、21 世紀00 年代初—10年代初；16 a 周期存在于20 世紀70 年代初—21 世紀00 年代中期，南部地區連陰雨累計降水量也以多—少交替變化為主。西北部地區連陰雨累計降水量存在2～5 a 和8 a 的周期振蕩（圖5d），其中，2～5 a周期明顯存在于20 世紀60 年代中期—80 年代中期；8 a 周期明顯存在于20 世紀80 年代初—90 年代中期、21 世紀00 年代中期—10 年代初，西北部地區連陰雨累計降水量在20 世紀70 年代中期以前以多雨為主，20 世紀70 年代中期以后以少雨為主。西南部地區連陰雨累計降水量存在2～5、7～10 和14 a的周期振蕩（圖5e），其中，2～5 a 周期明顯存在于21 世紀以前；7～10 a 周期明顯存在于20 世紀70 年代初、80 年代初、90 年代中期；14 a 周期明顯存在于20 世紀70 年代中期—80 年代初，西南部地區連陰雨累計降水量主要表現為以1990 年為界線，呈現由少到多的周期波動。

圖5 青海省4—9 月連陰雨累計降水量小波功率譜（a 為東部地區，b 為中部地區，c 為南部地區，d 為西北地區，e 為西南地區）

3 結論與討論

（1）青海省4—9 月連陰雨平均發生次數為4次，持續天數為26 d，累計降水量為122.0 mm。久治連陰雨最為嚴重，發生次數為8 次，持續天數為64 d，累計降水量為379.4 mm；班瑪次之，發生次數為7次，持續天數為62 d，累計降水量為326.2 mm；柴達木盆地基本沒有出現連陰雨過程。

（2）青海省連陰雨發生次數、持續天數與累計降水量空間分布的相似系數趨近于1，三者基本具有相同的分布結構，總體上呈現出明顯的從東南向西北逐漸減少的態勢；同時，三者間具有相似度很高的變化趨勢，均呈現出西部增加，東部減少的態勢。東部農業區基本處于負趨勢，最大值出現在互助、樂都，海西大部、玉樹北部以及果洛東部處于正趨勢，最大值分別位于甘德和治多。

（3）以連陰雨持累計降水量為主要研究對象進行了青海省異常區劃分，5 個主要空間分布類型分別為東部區、中部區、南部區、西北區和西南區。東部區、中部區和南部區連陰雨累計降水量呈現減少趨勢，西北區和西南區呈增加趨勢。5 個區域突變時間分別為1988、1969、2005、1974 和1975 年。

（4）青海省5 個區域降水周期特征存在不同周期的嵌套，普遍存在2～3 a 的周期振蕩，各區域連陰雨累計降水量的周期變化，除中部和南部地區以多—少交替變化外，西北地區和東部地區連陰雨累計降水量分別以20 世紀70、80 年代為界線，呈現由多到少的周期變化。西南部地區連陰雨降水量主要以1990 年為界線，呈現由從少到多的周期波動。

由于青海省地形地貌的復雜性和影響該區域環流系統的多樣性，使得該地區連陰雨區域分布異常。文中僅討論了青海省各區域4—9 月的時空分布特征和連陰雨累計降水量的空間分型情況，對于大氣環流系統與青海省連陰雨之間的相關性及影響機制，以及該地區復雜地形條件對連陰雨發生的影響，對農作物的危害等方面還需在以后的研究中進一步深入分析。