寧夏地區雨季特征時空變化規律及其歸因分析

孫 志 凌，曹 青，張 漢 辰，郝 文 龍

(1.寧夏回族自治區灌溉排水服務中心，寧夏 銀川 750002； 2.南京信息工程大學 水文與水資源工程學院，江蘇 南京 210044； 3.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098； 4.寧夏大學 地理科學與規劃學院，寧夏 銀川 750021； 5.河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引 言

在全球氣候變暖的大背景下，干旱、洪澇等極端氣候頻繁發生，對中國社會經濟的發展造成了極大影響[1]。降雨是研究氣候變化、分析旱澇災害的重要因素，也是水文循環過程的重要環節[2]。寧夏位于中國西北內陸地區，氣候條件復雜，處于3種氣候帶(半濕潤區、半干旱區和干旱區)的過渡地帶。寧夏地區南部的水土流失問題、東部和中部的土地沙漠化問題以及北部的土壤鹽漬化等問題均與降雨密切相關[3]。因此，在全球氣候變化的大背景下，研究寧夏地區的降雨變化特征，對于西北氣候轉型期的研究具有重要意義[4]。

目前針對寧夏地區的降雨特征，已有多位研究者做了相關分析。例如，李俊峰等[5]利用1976～2015年寧夏地區多站點多年降水數據，對其進行多尺度分析，揭示了該地區降雨的空間和時間變化特征。邵建等[6]利用寧夏地區暴雨觀測資料，對其暴雨氣候特征進行分析，發現寧夏地區的暴雨總體呈現南多北少的分布規律。但學者們對于寧夏地區雨季特征量的分析仍存在以下不足：① 忽略了雨季開始時間和結束時間等雨季特征指標的時空變化規律的分析研究，對雨季特征量的時間和空間變化規律缺乏系統全面的認識。② 海表溫度和大氣環流等外強迫如何影響寧夏地區雨季特征量的作用機理尚缺乏清晰認識。例如，大氣環流如何影響寧夏地區雨季的開始和結束，哪塊海域對雨季特征量的作用最明顯，是否一定是判斷ENSO所在的區域等。

基于此，本文利用1960～2020年寧夏地區9個氣象站點的降水資料，擬開展寧夏地區6個雨季特征量(雨季開始時間、結束時間、持續時間、降雨量、降雨強度、降雨日數)的時空分布規律分析，結合大氣環流風場變化分析以及海表溫度和雨季特征量的相關分析，探究影響雨季特征量變化的物理歸因。研究成果對把握寧夏地區雨季特征與海表溫度的遙相關性具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況與資料來源

寧夏回族自治區(N35°14′～N39°23′，E104°17′～E107°39′)位于中國西北地區(見圖1)，是中國五大自治區之一，面積6.64萬km2。地勢北低南高，屬于典型的大陸性半濕潤半干旱氣候，具有春日風沙多、夏日酷暑短、秋涼早、寒冬長的氣候特點。寧夏地區不僅干旱少雨，且降雨量的時空分布非常不均。首先體現在季節上的不均衡，降雨主要集中在夏季(6～9月)，并且年際變化大。其次，寧夏地區的降水空間差異明顯，主要呈現南多北少的分布趨勢。

本文使用的寧夏地區的日降水數據來源于中國氣象數據網中的中國地面氣候資料日值數據集V3.0，文中所用數據為1960年1月1日至2020年12月31日。本文嚴格控制數據質量，充分考慮到資料的完整性，最終符合要求的站點如圖1所示。此外，本文還需用到美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)再分析資料(https：∥www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)進行物理歸因分析[7]，分辨率為2.5°×2.5°。考慮到寧夏地區的海拔，本文采用850 hPa的經向和緯向風速(m/s)資料進行大氣環流分析。另外，全球范圍內的海表溫度數據也由NOAA提供(https：∥www.ncdc.noaa.gov/data-access/marineocean-data/extended-reconstructed-sea-surface-temperature-ersst-v4)，用于計算海表溫度與雨季特征的相關關系[8-10]，分辨率為2.0°×2.0°。

1.2 雨季特征劃分方法

本文利用多尺度滑動t檢驗法來確定雨季的開始時間和結束時間。以下展示了多尺度滑動t檢驗法確定雨季起訖時間的具體過程，該檢驗法是通過檢測某突變點前后兩段樣本的變化程度來確定雨季區間。其中，選取前后兩段樣本增大最明顯時對應的突變點為雨季開始時間，減少最明顯時對應的突變點為雨季結束時間。多尺度滑動t檢驗的具體原理如下[11]：

(1)

(2)

(3)

tr(n，i)=t(n，i)/t0.01(n)

(4)

式中：t0.01(n)為t檢驗的0.01的顯著性水平值，t0.01(n)=1.96，與Mann-Kendall在0.05顯著性水平的對應結果相一致。

當tr(n，i)>1.0時，代表著降雨的增加趨勢通過顯著性檢驗；相反，當tr(n，i)<-1.0時，代表著降雨的減小趨勢通過顯著性檢驗。雨季的開始時間對應著最大的tr(n，i)產生時對應的日序，表示降雨從少變多發生最明顯的點；同樣地，雨季的結束時間對應著最小的tr(n，i)產生時對應的日序，表示降雨從多變少發生最明顯的點。雨季持續時間為雨季開始時間到結束時間的天數。

1.3 Pettitt突變點檢驗

因為氣候變化的影響，雨季特征的時間分布規律中可能會出現明顯的突變點。在水文領域中用于突變點檢測的方法有很多，比如Mann-Kendall檢驗、Pettitt檢驗等。

Pettitt檢驗可以用來檢測雨季開始時間/結束時間/雨季降雨量時間序列中突變最大的點，從而判斷氣候變化對雨季特征的影響。如果使用Mann-Kendall檢驗來檢測突變點，可能會有超過一個突變點被檢驗出。由于本次研究著重于尋找突變最顯著的點，因此Pettitt檢驗更適用。

Pettitt檢驗最早由Pettitt在1979年提出，具體原理如下[12]：

KT=max|Ut，T|

(5)

(6)

式中：Xi為某一具體分區內(比如區域1)所有站點第i年的某一雨季特征(如雨季開始時間等)的平均值，其中，i=1，2，…，56；t為對應的突變年份，t=2，…，55；T為時間序列中的所有年份，T=56；sgn為一種邏輯函數，代表判斷邏輯表達式所算出結果的正負。KT可以被視為檢測突變點的變量值，并且當KT<0.5時表示該突變點具有統計學意義。在此，引入參數P來判斷突變點的顯著性水平，P可被定義為

(7)

當P小于0.1時，表示該突變點在0.1顯著性水平上顯著；當P小于0.05時，表示該突變點在0.05顯著性水平上顯著；當P小于0.01時，表示該突變點在0.01顯著性水平上顯著。

2 雨季特征的時空分析

本文結合多尺度滑動t檢驗的雨季劃分方法，計算得到雨季的開始時間和結束時間，進一步求得雨季的持續時間、雨季降雨量和雨季降雨強度等指標，并分析寧夏雨季特征的時空變化規律。

2.1 雨季特征的空間分布規律

圖2和圖3展示了寧夏地區6個雨季特征(雨季開始時間、結束時間、持續時間、降雨量、降雨強度和降雨日數)1960～2020年平均值在空間上的變化規律。如圖2所示，寧夏地區雨季最早開始于南部地區(5月上旬)，然后呈帶狀向東北方向移動，寧夏地區的東北部雨季開始最晚(約5月中下旬)。與雨季開始時間不同，寧夏地區的東北部地區雨季結束最早(約8月下旬)，雨帶逐漸向西部和南部地區移動。從多年平均結果來看，寧夏西部地區雨季結束最晚(9月中旬)。鑒于寧夏東北地區雨季開始最晚，結束最早，所以從圖2(c)可看出，東北部的雨季持續時間最短(約130 d)；到西部和南部地區，雨季持續時間逐漸延長(最長約155 d)，整體呈帶狀分布特征。

圖3展示了寧夏地區雨季降雨量、降雨強度和降雨天數的空間分布規律。由圖3可知，寧夏地區北部降雨最少(約150 mm)，并呈帶狀逐步向南部地區增加；寧夏地區南部雨季降雨量最多，約450 mm。與雨季降雨量相似，雨季降雨強度和降雨天數也是從北向南逐步遞增，并呈帶狀空間分布。具體來說，雨季降雨強度最小值出現在寧夏地區北部和西部地區(約0.5 mm/d)，最大值出現在東南部地區(約4.0 mm/d)。同時，北部地區的多年平均雨季降雨天數也最少(約30 d)，東南地區平均雨季降雨天數最多(約60 d)。

陳豫英等[13]分析了寧夏地區多年降水資料，并表示寧夏地區南部相比于北部地區的降水資源更加豐富。李菲等[14]以寧夏地區1962～2011年9個氣象臺站逐日降水資料為基礎，分析了寧夏地區不同等級下降水量、降水強度和降水日數的變化特征。研究指出，受不同因素影響，寧夏地區的年降水量、降水強度和降水日數均表現出從南至北減小的趨勢，并且降水量和降水日數的空間分布規律具有一致性。以上研究證明了雨季時期年降水量、降水強度和降水日數的空間分布特征與不同時間尺度下的空間分布規律具有一致性，佐證了本文結論的合理性。

2.2 雨季特征的時間分布規律

圖2和圖3分析了寧夏地區多年平均的雨季特征空間變化規律，圖4則展示了6個雨季特征在時間上的分布規律，并檢測到突變點。如圖4所示，寧夏地區雨季開始時間在1994年前后突變，1960～1994的雨季開始時間平均值為第129.37天，1994～2020年的雨季開始時間平均值為第136.79天。從多年時間尺度來看，在突變點前后，寧夏地區雨季開始時間有延遲的趨勢。從圖4(b)來看，寧夏地區雨季結束時間的波動性較強，并在2007年存在突變。突變前后，多年平均的雨季結束時間分別為第272.56天和第280.34天。因此，總體來看，寧夏地區的雨季結束時間有向后推遲的趨勢。從圖4(c)可看出，寧夏地區雨季持續時間主要在100～180 d內波動，突變前后(突變點為1986年)，雨季持續時間平均值分別為146.06 d和138.44 d，總體上有縮短的趨勢。從圖4(d)可看出，寧夏地區雨季降雨量在時間尺度上波動較大，最小值發生于1982年(平均雨季降雨量為121 mm)，最大值發生于1964年(平均雨季降雨量為395 mm)。突變年份為2012年，值得注意的是，2012～2020年，寧夏地區的雨季降雨量增加較為明顯。從多年時間尺度來看，寧夏地區的雨季降雨量在突變發生后，平均值有增大的趨勢。圖4(e)反映了寧夏地區雨季降雨強度的多年變化規律，如圖可見，寧夏地區雨季降雨強度在1.0～3.0 mm/d的范圍內變化，并在1994年產生突變。具體來說，1960～1994年，雨強平均值為1.67 mm/d，1995～2020年，雨強平均值為1.79 mm/d，有輕微的增大趨勢。從圖4(f)可看出，寧夏地區雨季降雨天數在23～56天范圍內波動，并在1986年產生突變。突變前的平均降雨天數為40 d，突變后的平均降雨天數約為36 d，有輕微的縮短趨勢。

2.3 突變點前后雨季特征的空間分布規律

為進一步分析突變點對寧夏地區雨季特征的影響，圖5和圖6展示了突變前后6個雨季特征的空間分布規律的變化情況。其中，圖5對比了雨季開始時間、雨季結束時間和雨季持續時間突變前后的空間變化規律。具體來說，突變前后雨季開始時間的空間分布規律十分相似，均是東北部地區最早開始雨季，西南部地區最晚開始，并且總體上呈帶狀分布。區別在于，突變以后寧夏各個地區的雨季開始時間比突變發生前略晚。圖5(b)展示了突變前后雨季結束時間的空間分布規律變化情況，突變發生前，寧夏地區雨季在東北部結束最早，西南部最晚，且總體呈帶狀分布。突變發生以后，雨季結束時間的空間分布較為均勻一致，沒有突變發生前的變化明顯，且雨季結束時間總體有推遲的趨勢。圖5(c)展示了突變前后雨季持續時間的空間分布規律變化情況，突變前后，雨季持續時間的空間分布規律發生較大變化。具體來說，突變之前，雨季持續時間總體上呈現輻射狀分布，并在寧夏地區西北部持續時間最短，西部持續時間最長；而突變以后，總體上呈現明顯的帶狀分布規律，持續時間也從東北部向西南部遞增。

圖6對比了雨季降雨量、降雨強度和降雨日數突變前后的空間變化規律。具體來說，圖6(a)展示了突變前后雨季降雨量的空間分布規律變化情況，突變發生前后，雨季降雨量的空間分布規律基本一致，均是從西北向東南方向遞增，且總體上呈現出明顯的帶狀分布特征。從時間尺度上來看，突變后的降雨均值比突變前有所增加。進一步分析突變前后的空間分布特征可知，突變后雨季降雨量的增大主要體現在西北部地區，而東南部地區的雨季降雨量反而呈現出減少的趨勢。突變前后的雨季降雨強度的空間變化規律與雨季降雨量基本保持一致，在此不做贅述。圖6(c)展示了突變前后雨季降雨日數的空間分布規律變化情況，突變發生前后，雨季降雨日數的空間分布規律基本一致，均是從西北向東南方向遞增，且總體上呈現出明顯的帶狀分布特征。在多年時間尺度上，突變后的雨季降雨日數均值比突變前有所降低。進一步分析突變前后的空間分布特征可知，突變后雨季降雨日數的減少主要體現在東南部地區，而西北部地區的雨季降雨日數反而呈現出減少的趨勢。

3 雨季特征變化規律的歸因分析

3.1 大氣環流和季風對雨季起訖時間的影響

從氣象學角度解釋，中國雨季的開始和結束與大氣環流以及季風等大尺度氣候要素密切相關，下面主要結合850 hPa矢量風速場對中國雨季的開始和結束進行物理歸因分析。

中國降雨的變化形態取決于850 hPa矢量風速場和從熱帶太平洋西部傳送到亞熱帶地區的水汽。Marengo等[15]研究了亞馬遜流域雨季的變化特點，指出該流域雨季開始時間和結束時間的發生與大氣環流有關，并通過展示雨季開始時間/結束時間發生前后20 d的風場圖的差異來研究大氣環流與雨季特征的關系。因此，850 hPa矢量風速場變化圖也被用于本文來探索中國雨季特征變化規律的大氣物理歸因。

圖7反映了寧夏地區雨季開始前后20 d的平均風速場以及雨季開始后20 d和雨季開始前20 d風速的差值。從圖7中可以看出：寧夏地區雨季的發生與西北太平洋反氣旋密切相關。從圖7(c)可看出，雨季開始后20 d西北太平洋反氣旋相比于雨季開始前20 d有所增強，增強的反氣旋能夠給中國地區帶來充足的水汽，進一步導致降水的增多。

圖8反映了寧夏地區雨季結束前后20 d的平均風速場以及雨季結束后20 d和雨季開始前20 d風速的差值。與雨季開始時間物理歸因相似，寧夏地區雨季的結束也與西北太平洋反氣旋密切相關。不同的是，從圖8(c)可看出，雨季結束后20 d西北太平洋反氣旋相比于雨季結束前20 d有所減弱，進而導致寧夏地區水汽的減少。

陳豫英等[16]歸納出中國西北地區夏季主要的水汽源地是西太平洋和南海，并且大氣環流是造成中國西北地區東部降水異常的直接原因，與本文所得出的影響寧夏地區雨季開始和結束的主要因素是大氣環流相吻合。

3.2 雨季特征對海表溫度的響應

大氣環流和季風的變化會影響雨季的開始和結束，而海表溫度的變化則是大氣環流和季風強度發生改變的根本原因。因此，本研究探索各雨季特征和海表溫度的相關性。鑒于海表溫度對區域雨季特征的影響具有一定的滯后性(1～12個月不等)，本研究分析了各個雨季特征發生前1～12個月的海表溫度和雨季特征的相關關系，并展示其中相關關系最為明顯的圖，如圖9所示。圖中彩色區域的相關系數均在0.1顯著性水平上顯著。

如圖9(a)所示，寧夏地區的雨季開始時間和海表溫度呈現負相關關系，說明海表溫度的升高會造成寧夏地區雨季的提前。在雨季開始前1～12個月的海表溫度中，雨季開始10個月前的海表溫度對其影響最大。主要產生影響的區域已用紅框圈出，集中在太平洋東部地區(15°N～15°S，80°W～150°W)。而該區域與常用來判斷是否發生厄爾尼諾的Nio 3區(5°S～5°N，90°W～150°W)高度一致，說明了寧夏地區雨季的開始與厄爾尼諾現象的發生密切相關。

如圖9(b)所示，與雨季開始時間類似，寧夏地區的雨季結束時間和海表溫度依然呈現負相關關系，說明海表溫度的升高會造成寧夏地區雨季結束時間的提前。產生影響的區域依然集中在太平洋中部和東部地區(15°N～15°S，100°W～180°W)。而該區域與常用來判斷是否發生厄爾尼諾的Nio 3區(5°S～5°N，90°W～150°W)以及Nio 4區(5°S～5°N，120°W～170°W)重合度較高，說明了寧夏地區雨季的結束也與厄爾尼諾現象的發生密切相關。

如圖9(c)所示，寧夏地區的雨季降雨量/降雨強度與海表溫度呈現負相關關系，說明海表溫度的升高會造成寧夏地區雨季降雨量和降雨強度的減小。產生影響的區域集中在太平洋東南部地區(0°S～50°S，80°W～120°W)。而該區域涵蓋了常用來判斷是否發生厄爾尼諾的Nio 1+2區(0°S～10°S，80°W～90°W)，說明了寧夏地區雨季的降雨量和降雨強度也與厄爾尼諾現象的發生密切相關。圖9(d)展示了寧夏地區的雨季降雨日數和海表溫度的相關關系。圖中所展示的相關關系與圖9(c)非常接近，在此不作贅述。

李耀輝等[17]分析了包括寧夏在內的西北地區多年的夏季降水資料，并探索了ENSO循環在不同相位的時候西北地區夏季降水的異常特征，研究結果表明，寧夏地區夏季降水對ENSO影響的反映十分強烈，佐證了本文研究結論的合理性。信忠保等[3]表示寧夏地區的降水與ENSO的最大相關不是同步的，降水應滯后一段時間才與ENSO事情達到最大正相關；本研究中雨季特征與海表溫度的最大相關性往往也有幾個月時間的滯后，進一步佐證了本文的結論。

綜上，寧夏地區的雨季特征(雨季開始時間、雨季結束時間、雨季降雨量、雨季降雨強度和雨季降雨日數)均與厄爾尼諾的發生表現出較為明顯的負相關性。厄爾尼諾區海表溫度的升高會導致寧夏地區雨季起訖時間的提前，并且導致雨季降雨量、降雨強度和降雨日數等指標的減小。因此，密切關注厄爾尼諾等遙相關現象對寧夏地區雨季特征的影響，對于寧夏地區水資源優化和管理等具有重要意義。

4 結 論

本文研究寧夏地區多個雨季特征(包括雨季開始時間、結束時間、持續時間、降雨量、降雨強度、降雨日數)的時空分布規律，并通過分析大氣環流、季風以及海表溫度對寧夏地區雨季特征進行歸因分析，主要結論如下。

(1) 從空間分布規律上來看，寧夏東北地區雨季開始最晚，結束最早，西南地區則相反；總體上，雨季起訖時間的空間分布均從南向北呈帶狀分布規律。寧夏地區雨季降雨量、降雨強度以及雨季降雨日數的多年平均空間分布規律具有高度一致性，均從南向北呈帶狀逐步遞減。

(2) 從時間分布規律上來看，寧夏地區雨季開始時間在1994年前后突變，突變后寧夏地區雨季開始時間有延遲的趨勢；從空間分布上，突變以后寧夏各個地區的雨季開始時間比突變發生前略晚。雨季結束時間突變點發生在2007年，突變發生前，寧夏地區雨季在東北部結束最早，西南部最晚，且總體呈帶狀分布。突變發生以后，雨季結束時間的空間分布較為均勻一致，沒有突變發生前的變化明顯，且雨季結束時間總體有推遲的趨勢。雨季持續時間突變點發生在1986年，突變前后雨季持續時間的空間分布規律發生較大變化，突變前(后)雨季持續時間總體上呈現輻射狀(帶狀)分布。雨季降雨量、降雨強度和降雨日數在突變前后的空間分布規律表現出一致性，從時間尺度上來看，突變后的降雨均值以及降雨強度比突變前有所增加。

(3) 從氣象學角度解釋，中國雨季的開始和結束與大氣環流以及季風等大尺度氣候要素密切相關，本研究結合850 hPa矢量風速場對中國雨季的開始和結束進行物理歸因。研究得出，西北太平洋增強(減弱)的反氣旋是寧夏地區雨季開始(結束)的重要信號。多個雨季特征表現出與ENSO區域明顯的負相關性，即升高的海表溫度會導致寧夏地區雨季起訖時間的提前以及降雨量和降雨強度以及雨季降雨日數的減小。研究成果對把握寧夏地區雨季特征與海表溫度的遙相關性具有重要意義。