云南雨日特征及其影響因子分析

鄧麗仙　郭財秀　李飛龍　和艷　胡成龍　李琳靜

摘要：為研究云南雨日特征，基于1960～2019年氣象站點觀測的逐日降水資料、NCEP/NCAR再分析資料和NOAA的重構(gòu)海溫資料，分析了云南降水日數(shù)的時空變化特征及其與海溫的聯(lián)系。結(jié)果表明，云南降水主要集中在5～10月，以6～8月最多，并以5 d及以上的長持續(xù)降水為主。但是，近年來，云南雨日數(shù)有明顯下降趨勢，EOF分析第一模態(tài)表明，云南5～10月雨日變化主要為全區(qū)一致型。通過線性相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，同期北印度洋海溫與云南雨日有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，將10°～25°N，55°～65°E區(qū)域平均海溫定義為北印度洋海溫指數(shù)，通過海溫指數(shù)與同期大氣環(huán)流的回歸分析，結(jié)果表明：當(dāng)印度洋海溫偏高時，200 hPa西風(fēng)急流增強(qiáng)，云南地區(qū)附近高空有風(fēng)場輻合，500 hPa低緯度地區(qū)位勢高度增加，700 hPa低空存在較明顯的水汽通量輻散和下沉運(yùn)動，由印度洋和南海向云南輸送的水汽減少，不利于降水發(fā)生。通過對比海溫低值和高值年的雨日數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，印度洋海溫高值年，云南5～10月雨日數(shù)均為負(fù)距平，反之亦然。研究成果可為金沙江中下游水資源調(diào)度和水庫群聯(lián)合調(diào)度提供參考。

關(guān)鍵詞：雨日特征； 印度洋海溫； 環(huán)流異常； EOF分析； 云南

中圖法分類號：P339 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.003

文章編號：1006-0081（2024）04-0020-07

0 引 言

云南地處青藏高原東南部，屬低緯高原地區(qū)，地形復(fù)雜，同時受兩個鄰近熱帶海洋孟加拉灣和南海的影響，降水具有明顯的區(qū)域性特征。5～10月是云南的雨季，降水量占全年的85%，易發(fā)生持續(xù)性強(qiáng)降水，從而引發(fā)洪澇災(zāi)害以及泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［1-3］，同時，云南作為農(nóng)業(yè)大省，持續(xù)性降水也對作物的生長和運(yùn)輸不利，因此，分析云南雨日和持續(xù)性降水變化是必要的。

隨著全球氣候變暖，云南的降水也在發(fā)生變化［4-6］，已有學(xué)者對云南降水的時空變化規(guī)律進(jìn)行了深入分析，程建剛等［7］發(fā)現(xiàn)云南降水日數(shù)逐漸減少，但暴雨、大暴雨頻率增加；符傳博等［8］發(fā)現(xiàn)雨日除春季外均為減少趨勢；彭貴芬等［9］研究發(fā)現(xiàn)云南大雨和暴雨日數(shù)增多；Li等［10］對云南極端降水的研究表明云南降水趨于集中。這些都說明了云南雖然雨日在減少，但極端降水卻在增多，這也與全球極端降水增多一致［11-12］。影響云南降水異常的因素較為復(fù)雜，晏紅明等［13］研究發(fā)現(xiàn)孟加拉灣季風(fēng)與云南初夏降水有關(guān)，季風(fēng)爆發(fā)晚則云南5月降水偏少；李聰?shù)龋?4］發(fā)現(xiàn)孟加拉灣季風(fēng)結(jié)束偏早可能造成云南秋冬春季降水偏少；劉瑜等［15］研究發(fā)現(xiàn)南亞高壓季節(jié)性北跳偏晚，副高偏南、偏西會導(dǎo)致云南干旱發(fā)生。此外，熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩［16-17］、昆明準(zhǔn)靜止鋒［18］、北極濤動［19］都對云南的干旱有影響；陳艷等［20］研究發(fā)現(xiàn)云南5月降水與緯向水汽通量為負(fù)相關(guān)，而與經(jīng)向水汽通量為正相關(guān)；陶云等［21］研究云南冬季降水發(fā)現(xiàn)降水偏多時，貝加爾湖附近高度場偏高，有利于引導(dǎo)北方冷空氣南下，同時，中低緯度在孟加拉灣北部高度場偏低，南支槽偏強(qiáng)，有利于南方暖濕空氣向北輸送。

云南大部分地區(qū)處于長江上游的金沙江中下游地區(qū)，研究其降水特點有利于對金沙江中下游水資

源調(diào)度和水庫群聯(lián)合調(diào)度提供技術(shù)支持。以往研究大多集中在云南降水量和不同等級降水的變化［22-23］，但對云南雨日的持續(xù)性變化研究較少，本文將以云南不同持續(xù)時間的降水為對象，研究其時空變化，探究云南不同持續(xù)時間雨日的變化及其影響因子，以降低災(zāi)害風(fēng)險。

1 資料與方法

1.1 研究資料

觀測降水?dāng)?shù)據(jù)來自國家氣象數(shù)據(jù)共享平臺（http：∥data.cma.cn/），選取1960～2019年共60 a的逐日降水資料，研究區(qū)域為云南，除去缺測漏測，共21個站點。

大氣環(huán)流資料為1960～2019年美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）和國家大氣研究中心（NCAR）合作開發(fā)的再分析資料逐月資料，空間分辨率為2.5°×2.5°。

海溫資料為1960～2019年NOAA 新版的重構(gòu)海溫逐月資料（ERSST），空間分辨率為2°×2°。

1.2 持續(xù)性降水定義

（1） 站點持續(xù)性降水定義。當(dāng)站點日降水量≥0.1 mm時，定義為站點雨日；當(dāng)?shù)谝粋€雨日到最后一個雨日連續(xù)M日都為雨日，定義為一次持續(xù)M日的持續(xù)性降水。按不同持續(xù)雨日數(shù)劃分降水，連續(xù)2～4 d為短持續(xù)降水，連續(xù)5 d以上為長持續(xù)降水。

（2） 區(qū)域持續(xù)性降水定義。當(dāng)區(qū)域50%以上站點為雨日，則認(rèn)為云南區(qū)域發(fā)生降水，后續(xù)與站點持續(xù)性降水的定義方法相同，劃分為短持續(xù)降水和長持續(xù)降水。

2 云南雨日特征分析

為了解云南雨日時間分布特征，對云南逐年雨日進(jìn)行統(tǒng)計，圖1為云南1960～2019年雨日的逐年分布，可以看到云南降水主要發(fā)生時段為每年的 5～10月，與前人研究相一致，尤其是連續(xù)性雨日，基本集中在這幾個月份，因此，本文后續(xù)研究將以云南5～10月降水為主體進(jìn)行進(jìn)一步分析。

對云南地區(qū)單日、短持續(xù)和長持續(xù)降水的累計日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，圖2可以看出長持續(xù)降水和短持續(xù)降水的空間分布基本相反，長持續(xù)降水為由東北向西南逐漸增加，累積雨日最多可到達(dá)90 d以上，低值中心位于云南東北部，累積日數(shù)在50 d以下。短持續(xù)雨日高值中心基本與長持續(xù)降水低值中心重合，累積日數(shù)在39 d以上，并由東向西逐漸減少，最少在27 d以下。同樣可以看出5～10月云南地區(qū)長持續(xù)降水遠(yuǎn)多于短持續(xù)降水，結(jié)合圖1可以說明長持續(xù)降水占云南5～10月降水的主要部分，總雨日數(shù)與長持續(xù)降水類似。絕大部分站點短持續(xù)降水的雨日變化趨勢為增加趨勢，但增加幅度較小，趨勢不顯著；長持續(xù)降水均為減少趨勢，且南部大部分站點減少幅度大且顯著，總雨日變化趨勢與長持續(xù)降水一致。圖2雨日數(shù)趨勢同樣可以看出長持續(xù)降水的顯著下降趨勢，減少幅度達(dá)到3.8 d/（10 a），而短持續(xù)降水為輕微增加趨勢，總雨日數(shù)減少幅度達(dá)到2.8 d/（10 a），下降趨勢顯著。

對5～10月云南雨日進(jìn)行EOF分析進(jìn)一步了解其時空變化特征，選取前兩個模態(tài)進(jìn)行分析（通過North檢驗），見圖3?？梢钥吹降谝荒B(tài)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到58.39%，全區(qū)均為正值，表明5～10月云南雨日主要為全區(qū)一致的變化，整體偏多或偏少，大值區(qū)主要在云南西南部，時間系數(shù)方面可以看出明顯的年代際變化，在2000年左右由多雨期轉(zhuǎn)變?yōu)樯儆昶冢坏诙B(tài)方差貢獻(xiàn)率為8.72%，西部主要為負(fù)值，東部為正值，為東西反相型。

對5～10月云南長持續(xù)降水發(fā)生月份和持續(xù)日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。由圖4（a）可以看出長持續(xù)降水在6～8月發(fā)生較多，降水日數(shù)最多的月份是7月，達(dá)到總雨日數(shù)的25.6%；由圖4（b）可以看出長持續(xù)降水持續(xù)日數(shù)以5～6 d為主，其中持續(xù)5 d的長持續(xù)降水最多，可以達(dá)到15.4%。

為了進(jìn)一步了解云南5～10月降水的年代際變化，統(tǒng)計了10 a來云南不同持續(xù)時間降水的年平均累計日數(shù)變化，表1可以看出，20世紀(jì)90年代之前，不論是長持續(xù)降水、短持續(xù)降水還是總雨日數(shù)變化幅度都不大，而在20世紀(jì)90年代之后，長持續(xù)降水和總雨日數(shù)都有較大的減少，且下降的幅度越來越大。5～10月長持續(xù)降水可以占到總雨日數(shù)的70%以上，且長持續(xù)降水累積日數(shù)與總雨日數(shù)相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.9，表明長持續(xù)降水是云南5～10月降水的最重要組成部分，雨日數(shù)的變化會影響長持續(xù)降水的變化。

3 印度洋海溫對云南雨日影響

以往研究表明，影響云南降水的主要因子包括孟加拉灣季風(fēng)、南亞高壓、準(zhǔn)靜止鋒、北方冷空氣等因子［18，20，23］，特別是印度洋偶極子對中國南海夏季西南季風(fēng)的水汽輸送有重要影響［24］，然而這些研究通常針對的是雨強(qiáng)或總體雨量，對雨日的影響尚不清晰。海溫是氣候變化的重要外強(qiáng)迫因子，本文仍以海溫為分析對象，研究其對云南雨日的影響。

前文已經(jīng)對5～10月云南雨日進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)云南雨日數(shù)有顯著的減少，尤其是持續(xù)時間5 d及以上的長持續(xù)降水。根據(jù)5～10月云南雨日數(shù)，挑選多雨年和少雨年進(jìn)行合成分析。由圖5（a）可以看到印度洋上西南風(fēng)異常，云南地區(qū)來自印度洋和南海的水汽增多，且在云南上空700 hPa存在水汽輻合現(xiàn)象，有利于云南地區(qū)降水的產(chǎn)生。海溫是氣候變化的重要外強(qiáng)迫因子。為了進(jìn)一步探究海溫對5～10月云南雨日的影響，使用5～10月云南雨日數(shù)與同期全球海溫進(jìn)行相關(guān)分析?？紤]到5～10月云南雨日同樣具有明顯的變化趨勢，為了避免趨勢變化的影響，對海溫和總雨日數(shù)均去趨勢后進(jìn)行相關(guān)分析。由圖5（b）可以看出高相關(guān)區(qū)主要集中在印度洋北部和赤道太平洋東部，均與5～10月云南雨日數(shù)呈負(fù)相關(guān)。考慮到云南降水與印度洋水汽輸送關(guān)系密切且前人研究也表明印度洋偶極子正位相期間夏季對中國南海西南水汽輸送較強(qiáng)［24］，選取10°～25°N，55°～65°E的印度洋海溫作為影響云南5～10月雨日的海溫關(guān)鍵區(qū)，定義關(guān)鍵區(qū)的區(qū)域內(nèi)格點海溫均值為印度洋海溫指數(shù)STI，計算公式如下：

式中：X和Y分別代表關(guān)鍵區(qū)海溫格點資料的行數(shù)和列數(shù)，STij表示第i行第j列的海溫。

為了揭示印度洋海溫異常如何通過大氣環(huán)流影響云南地區(qū)降水日數(shù)，分別從位勢高度場、風(fēng)場和水汽通量等角度進(jìn)行分析。為排除環(huán)流趨勢變化的影響，對海溫指數(shù)和環(huán)流數(shù)據(jù)同樣進(jìn)行去趨勢。根據(jù)印度洋海溫指數(shù)、500 hPa位勢高度與風(fēng)場的回歸系數(shù)（圖6（a））可以看出，海溫異常偏高時，低緯度地區(qū)500 hPa位勢高度整體呈現(xiàn)正異常，云南西南部300 hPa存在顯著下沉運(yùn)動；在200 hPa時云南北部上空的西風(fēng)急流有明顯增強(qiáng)趨勢，在云南西部存在風(fēng)場輻合（圖6（b））；整層水汽通量與風(fēng)場一致，云南東向水汽通量異常，與多雨年少雨年環(huán)流差值相反，而在云南西部700 hPa位勢高度，水汽通量散度和風(fēng)散度都為輻散區(qū)域（圖6（c））；綜合環(huán)流高低層來看，當(dāng)海溫異常偏高時，云南西部地區(qū)高層風(fēng)場輻合，低層水汽發(fā)生輻散，垂直風(fēng)場為下沉運(yùn)動，都不利于云南降水的發(fā)生。

利用合成分析驗證回歸分析的結(jié)果，將海溫系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化取大于1的年份為海溫高值年（1983，1987，1997，1998，2003，2007，2009，2010，2014，2015，2017，2019年），取小于-1的年份為海溫低值年（1960，1964，1971，1974，1975，1978，1984，1985，1996年），對比海溫低值與高值環(huán)流差異（圖7）可以看到，與多雨年和少雨年環(huán)流差異類似，700 hPa風(fēng)場時西南季風(fēng)增強(qiáng)，由印度洋和南海來的水汽增多，云南南部地區(qū)存在水汽輻合區(qū)域，有利于降水。比較海溫高值年和低值年的雨日距平圖（圖8）可以看到，海溫高值年云南雨日均為負(fù)距平，且大部分區(qū)域距平均在5 d以上，負(fù)值中心主要位于云南中部，中心距平可以達(dá)到 11 d 以上；海溫低值年云南雨日均為正距平，大部分區(qū)域距平均在5 d以上，大值中心可以達(dá)到6 d以上，這同樣印證了印度洋海溫與云南5～10月雨日數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即印度洋海溫偏高時，云南5～10月雨日數(shù)較少，反之亦然。

4 結(jié) 論

本文圍繞云南地區(qū)降水日數(shù)，揭示了其1960～2019年的時空變化特征，并分析了云南雨日與印度洋北部海溫異常的聯(lián)系，結(jié)果如下。

（1） 云南降水主要集中在每年的5～10月，尤其是持續(xù)時間5 d及以上的長持續(xù)降水，云南長持續(xù)降水日數(shù)在6～8月最多，持續(xù)時間以5～6 d為主，累積雨日數(shù)由東北向西南逐漸增多。云南長持續(xù)降水累積日數(shù)與總雨日數(shù)關(guān)系密切且均有顯著下降趨勢，云南南部地區(qū)下降趨勢更為顯著。EOF分析第一模態(tài)表明，云南5～10月降水變化主要為全區(qū)一致變化。

（2） 云南5～10月雨日數(shù)與北印度洋海溫有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵區(qū)（10°～25°N，55°～65°E）的海溫異常偏高時，200 hPa西風(fēng)急流增強(qiáng)，云南西部存在風(fēng)場輻合，500 hPa低緯度地區(qū)位勢高度增高，700 hPa存在水汽通量輻散、風(fēng)場輻散以及下沉運(yùn)動，由印度洋及南海輸送的水汽減少，不利于降水發(fā)生。對比海溫低值和高值年雨日數(shù)同樣可以發(fā)現(xiàn)，在海溫高值年，云南5～10月雨日數(shù)均為負(fù)距平，反之亦然。

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（編輯：張 爽）

Analysis of precipitation day characteristics and influencing factors in Yunnan region

DENG Lixian1，2，GUO Caixiu1，2，LI Feilong1，2，HE Yan1，2，HU Chenglong1，2，LI Linjing1，2（1.Kunming Branch of Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau，Kunming 650106，China； 2.Dianchi Lake Ecosystem Observation and Research Station of Yunnan Province，Kunming 650228，China）

Abstract： To study the characteristics of precipitation days in Yunnan，based on daily precipitation data from meteorological stations，NCEP/NCAR reanalysis data and reconstructed SST data from NOAA from 1960 to 2019，the spatio-temporal variation of precipitation days in Yunnan and its relationship with SST were analyzed.The results showed that the precipitation in Yunnan was mainly concentrated in May to October，with the most precipitation from June to August，and the main precipitation persistent in? five days or more.However，in recent years，the number of precipitation days in Yunnan had a significant downward trend，and the first mode of EOF analysis showed that the change of precipitation days in Yunnan from May to October was mainly consistent in the whole region.Through linear correlation analysis，a significant negative correlation between SST over the same period in the North Indian Ocean and precipitation days in Yunnan was found.The average SST in the 10°～25°N and 55°～65°E regions was defined as the SST index in the North Indian Ocean.The regression analysis between SST index and atmospheric circulation in the same period showed that when the Indian Ocean SST was high，the 200 hPa westerly jet was enhanced.There was a convergence of wind fields in the upper air near Yunnan，the height increased in the low latitude area of 500 hPa，and the water vapor flux divergence and subsidence movement were obvious in the low altitude of 700 hPa，and the water vapor transported from the Indian Ocean and the South China Sea to Yunnan decreased，which was not conducive to the occurrence of precipitation.By comparing the number of rainfall days of low SST and high SST years，it can be found that the number of precipitation days in Yunnan from May to October in high SST years in the Indian Ocean was negative anomaly，and vice versa.The research results can provide a reference for water resources regulation and joint dispatching of reservoir group in the middle and lower basins of Jinsha River.

Key words： precipitation day characteristic； Indian Ocean SST； circulation anomaly； EOF Analysis； Yunnan Province

收稿日期：2023-12-04

基金項目：野外科學(xué)觀測研究站建設(shè)專項（202305AM340008）

作者簡介：鄧麗仙，女，高級工程師，主要從事水文情報預(yù)報及水資源評價方面的工作。E-mail：denglixian123@126.com

通信作者：郭財秀，女，碩士，主要從事水資源評價工作。E-mail：1181281697@qq.com