1971—2014年康县连阴雨特征分析

苗婷+黄晓梅+苏军锋+魏邦宪

摘要 利用甘肃省康县1971—2014年月报表中日降水数据和日照数据，运用线性倾向估计、累积距平法、Mann-Kendall突变检验法、滑动T检验法和小波分析法，分析了康县连阴雨时间变化特征、突变情况和变化周期。结果表明：康县连阴雨在时间尺度上呈“两降两升”型变化。康县连阴雨从1992年开始突变减少，到2007年左右达到显著性水平。连阴雨在变化过程中存在着3～7年、8～16年、17～26年以及27年以上4类尺度的周期变化规律，21年为第一主周期。

关键词 连阴雨；累积距平法；突变检验；小波分析；甘肃康县；1971—2014年

中图分类号 P426.61 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）06-0238-03

康县地处甘肃省东南部，属亚热带向暖温带过渡地区，气候温和，四季分明，雨水充沛，日照较少，灾害性天气频繁发生[1]。主要灾害性天气有暴雨、干旱、雷暴、寒潮、大风、倒春寒及连阴雨等。根据季节的不同连阴雨会给农业生产造成不同的影响。1987年夏季连阴雨对康县冬小麦的成熟和收割打碾造成严重影响，使冬小麦出现不同程度的发芽、霉变、黑穗等现象，导致冬小麦产量和品质下降；1989年春季低温连阴雨造成冬小麦生长发育期比往年推迟10 d左右，后期气温回升慢，诱发小麦病虫害；2009年秋季连阴雨天气影响康县经济作物秋收，导致核桃等经济林果不能按时采收，品质下降，减产明显。此外，雨量大、持续时间长的连阴雨也会造成洪涝灾害、山体滑坡，对交通运输业及人们生命财产安全产生极大影响。

国内外气象工作者对连阴雨的研究主要包括2个方向：一是基于预报的连阴雨产生的环流背景及影响因素，二是基于测报的连阴雨时空分布特征及其对农作物和交通运输等的影响[2-25]。方建刚等[26]利用NCEP/NCAR再分析资料，分析了陕西省2011年秋季强连阴雨期间欧亚大气环流的异常特征；王建兵等[27]分析了甘南高原秋季连阴雨的气候特征及主要环流形势，得出副高偏强有利西南气流把孟加拉湾水汽输送到甘南，对连阴雨天气的形成有重要作用；潘 旸等[28]分析了2009年2—3月我国南方一次连阴雨过程的环流背景，得出冷空气和南方暖湿气流形成的稳定准静止锋，是影响这次连阴雨过程的主要天气系统；张 智等[29]运用多种方法分析了宁夏连阴雨气候变化特征，得出连阴雨发生次数的气候变化特征及突变、周期变化；王 栋等[30]分析了1960年以来山西秋季连阴雨的变化趋势和时空结构特征，并建立了秋季连阴雨强度指数模型；魏 锋等[31]分析甘肃省近35年连阴雨天气气候特征，得出甘肃省连阴雨的分布特点是自西北向东南呈阶梯状增加。

本文以甘肃省康县为例，利用近44年康县气象月报表中的日降水数据和日照数据，运用多种方法分析了年际、季节、月际尺度上连阴雨的时间分布特征、突变和周期变化。利用线性倾向估计和累积距平法得到了多种尺度上连阴雨的时间分布特征，利用Mann-Kendall突变检验和滑动T检验法得到连阴雨的突变时间，避免了一种方法导致的虚假突变，利用Morlet小波分析法得到了康县年际连阴雨的周期变化。通过以上方法，希望在精细化的大趋势下为康县长期预报灾害性天气和防灾减灾提供依据，减少连阴雨造成的农业、交通业和人民生产生活的损失。

1 数据与方法

1.1 数据来源

利用甘肃省康县1971—2014年气象月报表中的日降水数据和日照数据，统计出近44年逐月连阴雨次数，并得到年代际逐月连阴雨总次数（表1）。根据本地天气气候特点及对农业生产影响的情況，各地对连阴雨天气的规定略有差异。本文所用标准为甘肃省气象局所定，即连阴雨需同时满足以下条件：连续阴雨日数在5 d或者5 d以上，总降水过程雨量≥15 mm，期间单天日照≤10 h，过程的开始、结束日雨量≥0.1 mm（允许过程中有1 d微量或无降水），即称为一次连阴雨天气过程。将连阴雨按季节划分，12月至次年2月为冬季连阴雨，3—5月为春季连阴雨，6—8月为夏季连阴雨，9—11月为秋季连阴雨。

1.2 研究方法

1.2.1 线性倾向估计法。线性倾向估计是一种特殊的线性回归形式，用一条合理的直线yi=a+bti（i=1，2，…，n）表示连阴雨次数y与其时间t之间的关系。其中，回归系数b为倾向值，倾向值正（负）表明连阴雨随时间呈上升（下降）趋势[32]。

1.2.2 累积距平法。累积距平是气象上一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法。累积距平曲线呈上升趋势，表示距平值增加；呈下降趋势，则表示距平值减小。从曲线明显上下起伏可以判断，其长期显著的变化趋势及持续性变化，从曲线小的波动变化考察其短期的距平值变化[32]。

1.2.3 Mann-Kendall突变检验法。Mann-Kendall突变检验法是一种非参数统计检验方法，也称无分布检验，其优点是不需要序列遵循一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于顺序变量的分析，计算也较简单，而且可以明确突变开始的时间，并指出突变区域，是一种常见的突变检验方法[32]。

1.2.4 滑动T检验。滑动T检验是一种均值突变，通过考察2组样本平均值的差异是否显著来检验突变，这种方法子序列的选择具有一定的人为性，需要反复变动子序列的长度以提高计算结果的可靠性[32]。

1.2.5 Morlet小波变换。Morlet小波变换是连续复小波变换，可以同时给出时间序列变化的位相和振幅两方面的信息，并消除用实小波变换系数作为判据而产生的虚假振荡，揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期，充分反映时间序列在不同时间尺度中的变化趋势，并能对时间序列未来发展趋势进行定性估计[33-34]。

2 结果与分析

2.1 时间变化特征

利用康县1971—2014年年际连阴雨数据进行线性倾向估计，并求得近44年康县年际连阴雨距平值（图1）。可以看出，康县年际连阴雨发生次数呈减少趋势，但未通过T检验，说明这种减少趋势不明显。连阴雨累积距平曲线呈“两降两升”型变化，存在明显的偏多年和偏少年。其中，20世纪70年代到80年代初期连阴雨呈增加趋势，1977年以前呈上升趋势，趋势明显，1978—1984年呈波动上升，趋势较为缓慢，总体上康县进入连阴雨多发阶段；80年代中期有一个明显的短暂下降趋势，康县进入连阴雨少发阶段；80年代末期到90年代末期，康县连阴雨次数呈直线上升趋势，进入多发阶段；90年代末至今呈波动减少趋势，其中90年代末呈直线下降趋势，21世纪初开始呈波动减少趋势，康县连阴雨进入少发阶段。

2.2 突变检验分析

本文采用Mann-Kendall法和滑动T检验共同分析康县连阴雨的突变情况。用Mann-Kendall法检验1971—2014年康县年际、季节、月际连阴雨序列的突变，给定显著性水平α=0.01（即μ0.01=±2.57）。由图2可知，近44年康县连阴雨呈波动下降趋势，在20世纪70年代存在突变点，但交点过多，不能确定突变点的正确年份；1992年接近突变点，但未突变。经反复变化步长得出，取步长为5的滑动T检验法验证突变点的位置最为理想。从图3可以看出，通过0.01显著性水平的突变点为1992年和1996年2处，可以证明Mann-Kendall法检验出的20世纪70年代的几个突变点为虚假突变。滑动T检验出的1996年在Mann-Kendall法中没有体现出来，故真正的突变点为1992年。从这一年开始，康县连阴雨突变减少，到2007年左右达到显著性水平。

2.3 小波周期分析

本文利用Morlet小波系数实部等值线图反映连阴雨不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，进而判断在不同时间尺度上连阴雨的周期和未来变化趋势。去除边界效应，由图4可看出，连阴雨年际变化过程中存在着3～7年、8～16年、17～26年以及27年以上4类时间尺度的周期变化规律。其中，在17～26年尺度上出现了多发—少发交替的准3次振荡，并在整个分析时段表现稳定，具有全域性；8～16年尺度上2000年以前振荡比较稳定，2001年开始波动较大；3～7年和37年以上尺度上规律不明显。

小波方差图能反映连阴雨时间序列的波动能量随时间尺度的分布情况，可用来确定连阴雨变化过程中存在的主周期。从图5可以看出，康县年际连阴雨存在3个较为明显的峰值，它们依次对应21年、10年和7年的时间尺度。其中，最大峰值对应21年的时间尺度，说明21年左右的周期振荡最强，为年际连阴雨变化的第一主周期；10年时间尺度对应着第二峰值，为年际连阴雨变化的第二主周期；连阴雨的第三主周期对应着7年的时间尺度。这说明上述3个周期的波动控制着年际连阴雨在整个时间域内的变化特征。图中在28年以后有上升趋势，但未出现拐点。由于本文数据仅为近44年，能否得出其他更大尺度的周期，有待后续研究。

3 结论

研究结果表明：康县年际连阴雨总体呈现减少趋势，累积距平曲线呈“两降两升”型变化，存在明显的偏多年和偏少年；通过Mann-Kendall法和滑动T检验共同检验康县连阴雨序列的突变可知，康县年际连阴雨从1992年开始突变减少，到2007年左右达到显著性水平。通过Molet小波分析，康县年际连阴雨变化过程中存在3～7年、8～16年、17～26年以及27年以上4类时间尺度的周期变化规律，并存在3个较为明显的峰值，连阴雨在28年以后有上升趋势，但由于本文数据仅为近44年，能否得出其他更大尺度的周期，有待后续研究。

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