宁夏地区雨季特征时空变化规律及其归因分析

孙 志 凌，曹 青，张 汉 辰，郝 文 龙

(1.宁夏回族自治区灌溉排水服务中心，宁夏 银川 750002； 2.南京信息工程大学 水文与水资源工程学院，江苏 南京 210044； 3.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098； 4.宁夏大学 地理科学与规划学院，宁夏 银川 750021； 5.河北工程大学 能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038)

0 引 言

在全球气候变暖的大背景下，干旱、洪涝等极端气候频繁发生，对中国社会经济的发展造成了极大影响[1]。降雨是研究气候变化、分析旱涝灾害的重要因素，也是水文循环过程的重要环节[2]。宁夏位于中国西北内陆地区，气候条件复杂，处于3种气候带(半湿润区、半干旱区和干旱区)的过渡地带。宁夏地区南部的水土流失问题、东部和中部的土地沙漠化问题以及北部的土壤盐渍化等问题均与降雨密切相关[3]。因此，在全球气候变化的大背景下，研究宁夏地区的降雨变化特征，对于西北气候转型期的研究具有重要意义[4]。

目前针对宁夏地区的降雨特征，已有多位研究者做了相关分析。例如，李俊峰等[5]利用1976～2015年宁夏地区多站点多年降水数据，对其进行多尺度分析，揭示了该地区降雨的空间和时间变化特征。邵建等[6]利用宁夏地区暴雨观测资料，对其暴雨气候特征进行分析，发现宁夏地区的暴雨总体呈现南多北少的分布规律。但学者们对于宁夏地区雨季特征量的分析仍存在以下不足：① 忽略了雨季开始时间和结束时间等雨季特征指标的时空变化规律的分析研究，对雨季特征量的时间和空间变化规律缺乏系统全面的认识。② 海表温度和大气环流等外强迫如何影响宁夏地区雨季特征量的作用机理尚缺乏清晰认识。例如，大气环流如何影响宁夏地区雨季的开始和结束，哪块海域对雨季特征量的作用最明显，是否一定是判断ENSO所在的区域等。

基于此，本文利用1960～2020年宁夏地区9个气象站点的降水资料，拟开展宁夏地区6个雨季特征量(雨季开始时间、结束时间、持续时间、降雨量、降雨强度、降雨日数)的时空分布规律分析，结合大气环流风场变化分析以及海表温度和雨季特征量的相关分析，探究影响雨季特征量变化的物理归因。研究成果对把握宁夏地区雨季特征与海表温度的遥相关性具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况与资料来源

宁夏回族自治区(N35°14′～N39°23′，E104°17′～E107°39′)位于中国西北地区(见图1)，是中国五大自治区之一，面积6.64万km2。地势北低南高，属于典型的大陆性半湿润半干旱气候，具有春日风沙多、夏日酷暑短、秋凉早、寒冬长的气候特点。宁夏地区不仅干旱少雨，且降雨量的时空分布非常不均。首先体现在季节上的不均衡，降雨主要集中在夏季(6～9月)，并且年际变化大。其次，宁夏地区的降水空间差异明显，主要呈现南多北少的分布趋势。

本文使用的宁夏地区的日降水数据来源于中国气象数据网中的中国地面气候资料日值数据集V3.0，文中所用数据为1960年1月1日至2020年12月31日。本文严格控制数据质量，充分考虑到资料的完整性，最终符合要求的站点如图1所示。此外，本文还需用到美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)再分析资料(https：∥www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)进行物理归因分析[7]，分辨率为2.5°×2.5°。考虑到宁夏地区的海拔，本文采用850 hPa的经向和纬向风速(m/s)资料进行大气环流分析。另外，全球范围内的海表温度数据也由NOAA提供(https：∥www.ncdc.noaa.gov/data-access/marineocean-data/extended-reconstructed-sea-surface-temperature-ersst-v4)，用于计算海表温度与雨季特征的相关关系[8-10]，分辨率为2.0°×2.0°。

1.2 雨季特征划分方法

本文利用多尺度滑动t检验法来确定雨季的开始时间和结束时间。以下展示了多尺度滑动t检验法确定雨季起讫时间的具体过程，该检验法是通过检测某突变点前后两段样本的变化程度来确定雨季区间。其中，选取前后两段样本增大最明显时对应的突变点为雨季开始时间，减少最明显时对应的突变点为雨季结束时间。多尺度滑动t检验的具体原理如下[11]：

(1)

(2)

(3)

tr(n，i)=t(n，i)/t0.01(n)

(4)

式中：t0.01(n)为t检验的0.01的显著性水平值，t0.01(n)=1.96，与Mann-Kendall在0.05显著性水平的对应结果相一致。

当tr(n，i)>1.0时，代表着降雨的增加趋势通过显著性检验；相反，当tr(n，i)<-1.0时，代表着降雨的减小趋势通过显著性检验。雨季的开始时间对应着最大的tr(n，i)产生时对应的日序，表示降雨从少变多发生最明显的点；同样地，雨季的结束时间对应着最小的tr(n，i)产生时对应的日序，表示降雨从多变少发生最明显的点。雨季持续时间为雨季开始时间到结束时间的天数。

1.3 Pettitt突变点检验

因为气候变化的影响，雨季特征的时间分布规律中可能会出现明显的突变点。在水文领域中用于突变点检测的方法有很多，比如Mann-Kendall检验、Pettitt检验等。

Pettitt检验可以用来检测雨季开始时间/结束时间/雨季降雨量时间序列中突变最大的点，从而判断气候变化对雨季特征的影响。如果使用Mann-Kendall检验来检测突变点，可能会有超过一个突变点被检验出。由于本次研究着重于寻找突变最显著的点，因此Pettitt检验更适用。

Pettitt检验最早由Pettitt在1979年提出，具体原理如下[12]：

KT=max|Ut，T|

(5)

(6)

式中：Xi为某一具体分区内(比如区域1)所有站点第i年的某一雨季特征(如雨季开始时间等)的平均值，其中，i=1，2，…，56；t为对应的突变年份，t=2，…，55；T为时间序列中的所有年份，T=56；sgn为一种逻辑函数，代表判断逻辑表达式所算出结果的正负。KT可以被视为检测突变点的变量值，并且当KT<0.5时表示该突变点具有统计学意义。在此，引入参数P来判断突变点的显著性水平，P可被定义为

(7)

当P小于0.1时，表示该突变点在0.1显著性水平上显著；当P小于0.05时，表示该突变点在0.05显著性水平上显著；当P小于0.01时，表示该突变点在0.01显著性水平上显著。

2 雨季特征的时空分析

本文结合多尺度滑动t检验的雨季划分方法，计算得到雨季的开始时间和结束时间，进一步求得雨季的持续时间、雨季降雨量和雨季降雨强度等指标，并分析宁夏雨季特征的时空变化规律。

2.1 雨季特征的空间分布规律

图2和图3展示了宁夏地区6个雨季特征(雨季开始时间、结束时间、持续时间、降雨量、降雨强度和降雨日数)1960～2020年平均值在空间上的变化规律。如图2所示，宁夏地区雨季最早开始于南部地区(5月上旬)，然后呈带状向东北方向移动，宁夏地区的东北部雨季开始最晚(约5月中下旬)。与雨季开始时间不同，宁夏地区的东北部地区雨季结束最早(约8月下旬)，雨带逐渐向西部和南部地区移动。从多年平均结果来看，宁夏西部地区雨季结束最晚(9月中旬)。鉴于宁夏东北地区雨季开始最晚，结束最早，所以从图2(c)可看出，东北部的雨季持续时间最短(约130 d)；到西部和南部地区，雨季持续时间逐渐延长(最长约155 d)，整体呈带状分布特征。

图3展示了宁夏地区雨季降雨量、降雨强度和降雨天数的空间分布规律。由图3可知，宁夏地区北部降雨最少(约150 mm)，并呈带状逐步向南部地区增加；宁夏地区南部雨季降雨量最多，约450 mm。与雨季降雨量相似，雨季降雨强度和降雨天数也是从北向南逐步递增，并呈带状空间分布。具体来说，雨季降雨强度最小值出现在宁夏地区北部和西部地区(约0.5 mm/d)，最大值出现在东南部地区(约4.0 mm/d)。同时，北部地区的多年平均雨季降雨天数也最少(约30 d)，东南地区平均雨季降雨天数最多(约60 d)。

陈豫英等[13]分析了宁夏地区多年降水资料，并表示宁夏地区南部相比于北部地区的降水资源更加丰富。李菲等[14]以宁夏地区1962～2011年9个气象台站逐日降水资料为基础，分析了宁夏地区不同等级下降水量、降水强度和降水日数的变化特征。研究指出，受不同因素影响，宁夏地区的年降水量、降水强度和降水日数均表现出从南至北减小的趋势，并且降水量和降水日数的空间分布规律具有一致性。以上研究证明了雨季时期年降水量、降水强度和降水日数的空间分布特征与不同时间尺度下的空间分布规律具有一致性，佐证了本文结论的合理性。

2.2 雨季特征的时间分布规律

图2和图3分析了宁夏地区多年平均的雨季特征空间变化规律，图4则展示了6个雨季特征在时间上的分布规律，并检测到突变点。如图4所示，宁夏地区雨季开始时间在1994年前后突变，1960～1994的雨季开始时间平均值为第129.37天，1994～2020年的雨季开始时间平均值为第136.79天。从多年时间尺度来看，在突变点前后，宁夏地区雨季开始时间有延迟的趋势。从图4(b)来看，宁夏地区雨季结束时间的波动性较强，并在2007年存在突变。突变前后，多年平均的雨季结束时间分别为第272.56天和第280.34天。因此，总体来看，宁夏地区的雨季结束时间有向后推迟的趋势。从图4(c)可看出，宁夏地区雨季持续时间主要在100～180 d内波动，突变前后(突变点为1986年)，雨季持续时间平均值分别为146.06 d和138.44 d，总体上有缩短的趋势。从图4(d)可看出，宁夏地区雨季降雨量在时间尺度上波动较大，最小值发生于1982年(平均雨季降雨量为121 mm)，最大值发生于1964年(平均雨季降雨量为395 mm)。突变年份为2012年，值得注意的是，2012～2020年，宁夏地区的雨季降雨量增加较为明显。从多年时间尺度来看，宁夏地区的雨季降雨量在突变发生后，平均值有增大的趋势。图4(e)反映了宁夏地区雨季降雨强度的多年变化规律，如图可见，宁夏地区雨季降雨强度在1.0～3.0 mm/d的范围内变化，并在1994年产生突变。具体来说，1960～1994年，雨强平均值为1.67 mm/d，1995～2020年，雨强平均值为1.79 mm/d，有轻微的增大趋势。从图4(f)可看出，宁夏地区雨季降雨天数在23～56天范围内波动，并在1986年产生突变。突变前的平均降雨天数为40 d，突变后的平均降雨天数约为36 d，有轻微的缩短趋势。

2.3 突变点前后雨季特征的空间分布规律

为进一步分析突变点对宁夏地区雨季特征的影响，图5和图6展示了突变前后6个雨季特征的空间分布规律的变化情况。其中，图5对比了雨季开始时间、雨季结束时间和雨季持续时间突变前后的空间变化规律。具体来说，突变前后雨季开始时间的空间分布规律十分相似，均是东北部地区最早开始雨季，西南部地区最晚开始，并且总体上呈带状分布。区别在于，突变以后宁夏各个地区的雨季开始时间比突变发生前略晚。图5(b)展示了突变前后雨季结束时间的空间分布规律变化情况，突变发生前，宁夏地区雨季在东北部结束最早，西南部最晚，且总体呈带状分布。突变发生以后，雨季结束时间的空间分布较为均匀一致，没有突变发生前的变化明显，且雨季结束时间总体有推迟的趋势。图5(c)展示了突变前后雨季持续时间的空间分布规律变化情况，突变前后，雨季持续时间的空间分布规律发生较大变化。具体来说，突变之前，雨季持续时间总体上呈现辐射状分布，并在宁夏地区西北部持续时间最短，西部持续时间最长；而突变以后，总体上呈现明显的带状分布规律，持续时间也从东北部向西南部递增。

图6对比了雨季降雨量、降雨强度和降雨日数突变前后的空间变化规律。具体来说，图6(a)展示了突变前后雨季降雨量的空间分布规律变化情况，突变发生前后，雨季降雨量的空间分布规律基本一致，均是从西北向东南方向递增，且总体上呈现出明显的带状分布特征。从时间尺度上来看，突变后的降雨均值比突变前有所增加。进一步分析突变前后的空间分布特征可知，突变后雨季降雨量的增大主要体现在西北部地区，而东南部地区的雨季降雨量反而呈现出减少的趋势。突变前后的雨季降雨强度的空间变化规律与雨季降雨量基本保持一致，在此不做赘述。图6(c)展示了突变前后雨季降雨日数的空间分布规律变化情况，突变发生前后，雨季降雨日数的空间分布规律基本一致，均是从西北向东南方向递增，且总体上呈现出明显的带状分布特征。在多年时间尺度上，突变后的雨季降雨日数均值比突变前有所降低。进一步分析突变前后的空间分布特征可知，突变后雨季降雨日数的减少主要体现在东南部地区，而西北部地区的雨季降雨日数反而呈现出减少的趋势。

3 雨季特征变化规律的归因分析

3.1 大气环流和季风对雨季起讫时间的影响

从气象学角度解释，中国雨季的开始和结束与大气环流以及季风等大尺度气候要素密切相关，下面主要结合850 hPa矢量风速场对中国雨季的开始和结束进行物理归因分析。

中国降雨的变化形态取决于850 hPa矢量风速场和从热带太平洋西部传送到亚热带地区的水汽。Marengo等[15]研究了亚马逊流域雨季的变化特点，指出该流域雨季开始时间和结束时间的发生与大气环流有关，并通过展示雨季开始时间/结束时间发生前后20 d的风场图的差异来研究大气环流与雨季特征的关系。因此，850 hPa矢量风速场变化图也被用于本文来探索中国雨季特征变化规律的大气物理归因。

图7反映了宁夏地区雨季开始前后20 d的平均风速场以及雨季开始后20 d和雨季开始前20 d风速的差值。从图7中可以看出：宁夏地区雨季的发生与西北太平洋反气旋密切相关。从图7(c)可看出，雨季开始后20 d西北太平洋反气旋相比于雨季开始前20 d有所增强，增强的反气旋能够给中国地区带来充足的水汽，进一步导致降水的增多。

图8反映了宁夏地区雨季结束前后20 d的平均风速场以及雨季结束后20 d和雨季开始前20 d风速的差值。与雨季开始时间物理归因相似，宁夏地区雨季的结束也与西北太平洋反气旋密切相关。不同的是，从图8(c)可看出，雨季结束后20 d西北太平洋反气旋相比于雨季结束前20 d有所减弱，进而导致宁夏地区水汽的减少。

陈豫英等[16]归纳出中国西北地区夏季主要的水汽源地是西太平洋和南海，并且大气环流是造成中国西北地区东部降水异常的直接原因，与本文所得出的影响宁夏地区雨季开始和结束的主要因素是大气环流相吻合。

3.2 雨季特征对海表温度的响应

大气环流和季风的变化会影响雨季的开始和结束，而海表温度的变化则是大气环流和季风强度发生改变的根本原因。因此，本研究探索各雨季特征和海表温度的相关性。鉴于海表温度对区域雨季特征的影响具有一定的滞后性(1～12个月不等)，本研究分析了各个雨季特征发生前1～12个月的海表温度和雨季特征的相关关系，并展示其中相关关系最为明显的图，如图9所示。图中彩色区域的相关系数均在0.1显著性水平上显著。

如图9(a)所示，宁夏地区的雨季开始时间和海表温度呈现负相关关系，说明海表温度的升高会造成宁夏地区雨季的提前。在雨季开始前1～12个月的海表温度中，雨季开始10个月前的海表温度对其影响最大。主要产生影响的区域已用红框圈出，集中在太平洋东部地区(15°N～15°S，80°W～150°W)。而该区域与常用来判断是否发生厄尔尼诺的Nio 3区(5°S～5°N，90°W～150°W)高度一致，说明了宁夏地区雨季的开始与厄尔尼诺现象的发生密切相关。

如图9(b)所示，与雨季开始时间类似，宁夏地区的雨季结束时间和海表温度依然呈现负相关关系，说明海表温度的升高会造成宁夏地区雨季结束时间的提前。产生影响的区域依然集中在太平洋中部和东部地区(15°N～15°S，100°W～180°W)。而该区域与常用来判断是否发生厄尔尼诺的Nio 3区(5°S～5°N，90°W～150°W)以及Nio 4区(5°S～5°N，120°W～170°W)重合度较高，说明了宁夏地区雨季的结束也与厄尔尼诺现象的发生密切相关。

如图9(c)所示，宁夏地区的雨季降雨量/降雨强度与海表温度呈现负相关关系，说明海表温度的升高会造成宁夏地区雨季降雨量和降雨强度的减小。产生影响的区域集中在太平洋东南部地区(0°S～50°S，80°W～120°W)。而该区域涵盖了常用来判断是否发生厄尔尼诺的Nio 1+2区(0°S～10°S，80°W～90°W)，说明了宁夏地区雨季的降雨量和降雨强度也与厄尔尼诺现象的发生密切相关。图9(d)展示了宁夏地区的雨季降雨日数和海表温度的相关关系。图中所展示的相关关系与图9(c)非常接近，在此不作赘述。

李耀辉等[17]分析了包括宁夏在内的西北地区多年的夏季降水资料，并探索了ENSO循环在不同相位的时候西北地区夏季降水的异常特征，研究结果表明，宁夏地区夏季降水对ENSO影响的反映十分强烈，佐证了本文研究结论的合理性。信忠保等[3]表示宁夏地区的降水与ENSO的最大相关不是同步的，降水应滞后一段时间才与ENSO事情达到最大正相关；本研究中雨季特征与海表温度的最大相关性往往也有几个月时间的滞后，进一步佐证了本文的结论。

综上，宁夏地区的雨季特征(雨季开始时间、雨季结束时间、雨季降雨量、雨季降雨强度和雨季降雨日数)均与厄尔尼诺的发生表现出较为明显的负相关性。厄尔尼诺区海表温度的升高会导致宁夏地区雨季起讫时间的提前，并且导致雨季降雨量、降雨强度和降雨日数等指标的减小。因此，密切关注厄尔尼诺等遥相关现象对宁夏地区雨季特征的影响，对于宁夏地区水资源优化和管理等具有重要意义。

4 结 论

本文研究宁夏地区多个雨季特征(包括雨季开始时间、结束时间、持续时间、降雨量、降雨强度、降雨日数)的时空分布规律，并通过分析大气环流、季风以及海表温度对宁夏地区雨季特征进行归因分析，主要结论如下。

(1) 从空间分布规律上来看，宁夏东北地区雨季开始最晚，结束最早，西南地区则相反；总体上，雨季起讫时间的空间分布均从南向北呈带状分布规律。宁夏地区雨季降雨量、降雨强度以及雨季降雨日数的多年平均空间分布规律具有高度一致性，均从南向北呈带状逐步递减。

(2) 从时间分布规律上来看，宁夏地区雨季开始时间在1994年前后突变，突变后宁夏地区雨季开始时间有延迟的趋势；从空间分布上，突变以后宁夏各个地区的雨季开始时间比突变发生前略晚。雨季结束时间突变点发生在2007年，突变发生前，宁夏地区雨季在东北部结束最早，西南部最晚，且总体呈带状分布。突变发生以后，雨季结束时间的空间分布较为均匀一致，没有突变发生前的变化明显，且雨季结束时间总体有推迟的趋势。雨季持续时间突变点发生在1986年，突变前后雨季持续时间的空间分布规律发生较大变化，突变前(后)雨季持续时间总体上呈现辐射状(带状)分布。雨季降雨量、降雨强度和降雨日数在突变前后的空间分布规律表现出一致性，从时间尺度上来看，突变后的降雨均值以及降雨强度比突变前有所增加。

(3) 从气象学角度解释，中国雨季的开始和结束与大气环流以及季风等大尺度气候要素密切相关，本研究结合850 hPa矢量风速场对中国雨季的开始和结束进行物理归因。研究得出，西北太平洋增强(减弱)的反气旋是宁夏地区雨季开始(结束)的重要信号。多个雨季特征表现出与ENSO区域明显的负相关性，即升高的海表温度会导致宁夏地区雨季起讫时间的提前以及降雨量和降雨强度以及雨季降雨日数的减小。研究成果对把握宁夏地区雨季特征与海表温度的遥相关性具有重要意义。