沿淮地区秋季连阴雨综合指数构建及其变化特征

朱公群，韩帮军，段春锋，欧娜音

(1.淮南市气象局，安徽 淮南 232001；2.安徽省气候中心，安徽 合肥 230031；3.哈尔滨市气象局，哈尔滨 150028)

引 言

淮河流域是中国十大流域之一，位于黄河和长江之间，处于南北气候过渡带，降水时空分布不均，旱涝灾害频发[1-2]。旱涝灾害除了夏季外，春秋季的连阴雨也是淮河流域较明显的灾害天气。秋季连阴雨不仅造成已成熟的秋收作物发生霉烂、品质下降，导致减产，而且也影响秋播秋种的适时开展。目前针对连阴雨方面有很多研究[3-11]。陈晓艺等[12]分区域、分时段统计了安徽省连阴雨的特征量，分析其时空变化规律和对秋收秋种的影响，主要特征量的高频次和较大值随年代有加重的趋势，尤其是沿淮淮北更为明显，造成秋收作物大幅减产。项瑛等[13]设计了江苏省连阴雨强度指数模型，对强度指数进行了分级，实施了对连阴雨强度的进一步把握，更好地为决策部门提供服务。史瑞琴等[14]分析了华中三省不同程度秋季连阴雨的时空变化趋势，根据代表区域连阴雨过程灾损情况，从灾害风险的角度，探讨了秋季连阴雨灾害的高影响年份及高风险分布区，并针对较高风险区提出了相应的风险回避、风险转移等实施措施。王记芳等[15]对河南全省连阴雨的时空分布特征分析结果表明，连阴雨次数豫南的最多，中部的次之，北部的最少，且山区的多于同纬度平原区的，并对典型连阴雨过程的主要环流特征进行了探讨。由此可见，由于气候及下垫面差异，划分连阴雨的气候监测指标及连阴雨灾害评估模型各有不同。

2016年、2017年沿淮地区均出现严重的秋季连阴雨灾害，并造成很大的经济损失。本文在前人的研究基础上[16-24]，分析了安徽省沿淮地区10个国家气象站1960年到2019年多年秋季连阴雨数据，建立适用于本区域的连阴雨监测指标和连阴雨强度综合指数公式，以期为沿淮地区秋季连阴雨监测预警和评估提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选用沿淮地区10个国家气象站(如图1)1960年到2019年秋季(9月1日到11月10日)降水、日照等气象要素，资料来源于安徽省气象信息中心，缺测的气象站数据使用附近2个站数据均值；灾情资料源自《中国气象灾害大典》(安徽卷)[25]和《中国气象灾害年鉴》[26]。

图1 安徽省沿淮地区国家气象站站点分布

1.2 方 法

1.2.1 评估监测指标因子的无量纲处理

由于连阴雨总日数和连阴雨总降水量量纲不同，数据的可比性差，为消除不同计量单位的影响，将相关因子无量纲化，使数据趋于稳定并可以直接进行算术或加权平均，进行综合分析。由于有的年份无连阴雨，连阴雨总日数最小值(dmin)、连阴雨总降水量最小值(pmin)均为0。计算方法如下：

(1)

式中，di0为经过归一化处理的连阴雨总日数，pi0为经过归一化处理的连阴雨总降水量，n为年份。

1.2.2 TS评分

采用TS评分对沿淮地区秋季连阴雨分级进行评估检验，来判断分级的可靠性。

TS评分：

(2)

空报率：

(3)

漏报率：

(4)

式中,NAK为连阴雨预报正确年数，NBK为空报年数，NCK为漏报年数，K为连阴雨等级。

1.2.3 加权综合指数法[27]

加权综合指数的计算公式为

(5)

式中,Vi是评价因子的总值，Wj是指标j的权重，Dij是对于因子i的指标j的归一化值，n是评价指标个数。

1.2.4 历史排位法

采用历史排位法建立连阴雨监测指标，采用线性趋势分析法研究秋季连阴雨综合指数的时间变化，并对相关系数进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 秋季连阴雨监测指标的建立

基于《中国气象灾害大典》(安徽卷)和《中国气象灾害年鉴》中沿淮地区秋季连阴雨的灾情资料，由灾情描述严重程度得出10年连阴雨灾情严重的年份作为典型年，分别是1964年、1970年、1975年、1981年、1983年、1985年、2000年、2014年、2016年和2017年。

收集7种地方连阴雨监测指标[12-18](表1)，分别简称为中国监测指标、安徽监测指标、江苏监测指标、湖北监测指标、陕西监测指标、河南监测指标和山西监测指标。基于这7个地方监测指标计算各站的连阴雨总日数、单次最长连阴雨雨日数、连阴雨雨日数、连阴雨总降水量、连阴雨总日照时数这5个连阴雨相关因子。利用安徽沿淮地区1960-2019年气象资料，统计与这5个连阴雨因子指标相关的连阴雨年，在连阴雨年中满足频次越多的因子，说明该地方指标中的该连阴雨因子对连阴雨反映越灵敏，则该监测指标为该站的最优监测指标。

表1 地方连阴雨监测指标

表2列出了在连阴雨年中满足频次前10和前15的连阴雨相关因子指标。从表2可知，同一监测指标条件下，5个连阴雨因子中，连阴雨日数因子在统计的连阴雨中满足的频次较连阴雨总降水量的频次多。在典型的连阴雨年中，满足频次前10位的江苏监测指标中的连阴雨总日数因子和江苏及安徽指标中的单次最长连阴雨日数因子，在近70%的连阴雨年中得到满足。出现频次排前15位的江苏指标中的连阴雨总日数、单次最长连阴雨雨日数因子指标，在近80%的典型连阴雨年中得到满足。因此，江苏监测指标里连阴雨总日数、单次最长连阴雨雨日数因子对灾情的反映效果最好。

表2 沿淮地区国家气象站各地方监测指标在连阴雨年中满足频次排位前10位/前15位

经统计，雨日数为4天、总雨量在10 mm以上的单次连阴雨过程平均发生次数占总连阴雨过程次数的28.1%。因此基于江苏监测指标，增加4天雨日数的，构成沿淮地区秋季连阴雨监测指标：(1)4天及以上的连阴雨过程为一次连阴雨过程；5天及以上日雨量(20时-次日20时)达0.1 mm的日数与过程总日数的比率达70%或以上，若含无雨日，该日的日照时数在5 h以下。(2)连续3日无0.1 mm或以上降水，作为连阴雨结束。(3)一次过程的总雨量必须在10.0 mm以上。

2.2 连阴雨综合指数模型构建

基于沿淮地区连阴雨监测指标，统计连阴雨典型年中满足各连阴雨因子指标的年数，结果表明，满足连阴雨总日数、单次最长连阴雨雨日数、连阴雨雨日数、连阴雨总降水量因子指标的典型年数占比分别为69%、68%、62%、41%。可见，连阴雨日数相关因子对典型年的反映较好。考虑到连阴雨总日数、单次最长连阴雨雨日数、连阴雨雨日数三者交叉影响，所以确定连阴雨总日数、连阴雨总降水量这两个因子作为连阴雨强度综合指数模型的两个因子，且前者权重大于后者的。

利用公式(5)，建立连阴雨综合指数公式:

Vi=W1×di0+W2×pi0

(6)

满足条件为W1>W2，W1+W2=1,0

表3 不同组合通过历史排序统计的典型年个数

因此，沿淮地区秋季连阴雨强度综合指数公式为

(7)

式中，Vi为第i年连阴雨的综合指数，di0为经过归一化处理的连阴雨总日数，pi0为经过归一化处理的连阴雨总降水量，n为年份。

2.3 连阴雨等级划分

基于连阴雨综合指数公式(7)，通过百分位数法将连阴雨过程综合指数序列进行分级，将秋季连阴雨分为3级(表4)。分级标准是：综合指数≥90%百分位数对应的连阴雨过程为重度连阴雨(1级)，[75%,90%)百分位数对应的连阴雨过程为中度连阴雨(2级)，[50%,75%)百分位数对应的连阴雨过程为轻度连阴雨(3级)。

表4 沿淮地区秋季连阴雨等级评估划分监测指标

根据表4连阴雨等级评估划分监测指标，重度连阴雨6年，平均综合指数为0.78。排在前两位的年份是2017年、2016年，综合指数分别达到0.92、0.89。这两年连阴雨总日数均达到27天，总降水量在260 mm以上，年内均发生3次及以上单次连阴雨过程，单次最长连阴雨雨日数达12天以上(表5)。中度连阴雨为9年，平均综合指数为0.53。轻度连阴雨为16年，平均综合指数为0.36。

结合灾情资料和典型连阴雨统计(表5)发现，典型年前6位均对应灾情资料里秋季连阴雨灾害严重的年份，其综合指数分级对应级别均为1级，因此对1级连阴雨TS评分结果为100%。据灾情描述，“2016年秋季我省先后出现两段连阴雨天气过程，分别是9月25日-10月31日及11月中下旬，其中以9月25日-10月31日过程为历史罕见。连阴雨天气过程对农业生产影响大，不利于在地作物生长、产量形成和已成熟作物的收获晾晒。淮南和滁州部分县区低洼地农田、蔬菜大棚受淹，据统计，2市14.7万人受灾，农作物受灾面积为14.9千公顷，直接经济损失为1.2亿元。2017年秋季我省出现3段连阴雨过程，分别为8月28日-9月11日、9月19日-10月5日、10月10-18日。秋季连阴雨发生在我省秋收秋种的关键季节，导致全省大部土壤过湿，沿淮淮北低洼农田受淹，秋收作物产量和品质下降，秋种进程受阻，对农业生产造成较大影响。据统计，亳州市有31.87万人受灾，农作物受灾面积为46.22千公顷，直接经济损失为1.38亿元。受持续降雨及上游来水共同影响，淮河流域发生罕见秋汛，王家坝分别于10月7日及14日形成2次洪峰。”2017年和2016年均为灾情严重的年份，2017年灾害程度要重于2016年的，这与2017年综合指数值高于2016年的相对应。

表5 典型连阴雨统计

2级连阴雨与灾情实况吻合年份有8年，分别是2014、1983、2003、1964、1996、1981、2005和1979年；空报1年(1984年)，无漏报。TS评分为88.9%，空报率为11.1%。因此，该分级标准适用于沿淮地区。

2.4 连阴雨时空变化特征

2.4.1 连阴雨时间变化特征

1960年以来连阴雨强度综合指数逐年变化曲线(图2)共出现4个极大值，分别是1985年、2000年和2016-2017年。连阴雨出现较频繁的年段分别是1970-1985年、1996-2005年和2009-2018年。1970-1985年共出现重度连阴雨3年，中度和轻度的均4年，分别占比为19%、25%和25%；1996-2005年共出现重度连阴雨1年，中度的3年，轻度的1年，分别占比为10%、30%和10%；2009-2018年共出现重度连阴雨2年，中度的1年，轻度的4年，分别占比为20%、10%和40%。由此可见，1996-2005年除了中度连阴雨出现频次最高外，其余等级的连阴雨次数均少于其他两个年段的；2009-2018年中度连阴雨出现频次最低，轻度连阴雨、重度连阴雨出现频次最高。对综合指数逐年变化曲线线性趋势分析结果表明，其变化速率不显著，相关系数为0.0001，没有通过α=0.05的显著性检验。

图2 连阴雨综合指数逐年变化曲线

从连阴雨年代际变化(表6)可以看出，1970s和2010s重度连阴雨最多，均出现2年；1980s和2000s均出现1年重度连阴雨年；1980s中度连阴雨最多，达到3年；2000s轻度连阴雨最少，为1年；1970s、1980s和2010s总连阴雨最多，达到6年。因此，2010s轻度、重度和总连阴雨出现年数均是所有年代里最多的。

表6 沿淮地区秋季连阴雨年代际分布 年

2.4.2 连阴雨空间变化

从连阴雨空间分布图(图3)(横坐标为沿淮地区国家气象站从西往东依次排列)可以看出，沿淮东部(凤阳和五河)轻度连阴雨最多，淮河中西部(颍上、霍邱和凤台)中度连阴雨多于沿淮中东部的，沿淮西部(阜南和颍上)和中东部(淮南、怀远和蚌埠)重度连阴雨略偏多；西部(颍上和霍邱)和东部(凤阳和五河)总连阴雨发生较多，均为30年以上，中部的偏少。

图3 沿淮地区秋季连阴雨各级空间分布

3 结 论

基于安徽省沿淮地区10个国家气象站1960年到2019年秋季连阴雨降水、日照等气象资料和灾情资料及7种地方连阴雨监测指标，在评估7种地方指标适用性的基础上，优化建立沿淮地区秋季连阴雨监测指标、连阴雨强度综合指数公式，并对该综合指数进行分级和时空特征分析。该指标和等级划分适用于沿淮地区秋季连阴雨的灾害评估。

(1)江苏监测指标在7种地方连阴雨监测指标中适用性最好。基于该指标，优化过程日数条件，增加4天雨日数，并通过评估检验，则沿淮地区秋季连阴雨监测指标为：4天及以上的连阴雨过程为一次连阴雨过程;5天及以上日雨量(20时-次日20时)达0.1 mm的日数与过程总日数的比率达70%或以上，若含无雨日，该日的日照时数在5 h以下。连续3日无0.1 mm或以上降水，作为连阴雨结束。一次过程的总雨量必须在10.0 mm以上。

(2)沿淮地区单站秋季连阴雨强度综合指数由连阴雨总日数、连阴雨总降水量线性组成，权重分别为0.8和0.2。沿淮地区秋季连阴雨强度综合指数为沿淮地区10个站综合指数算术平均，并按90%、75%和50%百分位数依次将排序后的综合指数分成重度、中度和轻度3个等级。该分级结果与灾情实况较吻合，由此得出1级连阴雨(重度连阴雨)TS评分为100%，无空报和漏报；2级连阴雨(中度连阴雨)报对8年，空报1年，无漏报，TS评分为88.9%，空报率为11.1%。

(3)20世纪70年代到80年代前期及2010年以来，秋季连阴雨发生频率高、强度大，尤其是2016年和2017年的连阴雨均呈现累计雨量多、持续时间长、日照时数少、降水强度大的特点，灾害影响严重，为历史罕见。沿淮东部、西部秋季连阴雨出现频次多于中部的；沿淮东部多出现轻度连阴雨，沿淮中西部多出现中度连阴雨，中部偏东和沿淮西部多出现重度连阴雨，重度连阴雨为阜南的最多，五河的最少。