基于相对湿润度指数的西南春季干旱10年际演变特征

2014-07-16姚玉璧王劲松尚军林韩兰英石界

生态环境学报 2014年4期

姚玉璧，王劲松，尚军林，韩兰英，石界

1. 中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃兰州 730020；

2. 甘肃省定西市气象局，甘肃定西 743000；

3. 西北区域气候中心，甘肃兰州 730020

中国西南地区是国家重要的农业和经济作物生产区（朱钟麟等，2006）。西南地区分别受南亚季风、东亚季风和高原季风的影响，降水量地域差异大，分布不均，变率大，极易形成季节性干旱和不同季节连旱（徐栋夫等2014；苏秀程等, 2014；张顺谦等，2014）。近年来在我国北方干旱形势依然严峻的情况下，南方干旱灾害呈明显的增多和加重趋势（马柱国和任小波，2007；姚玉璧等，2011；姚玉璧等，2013）。2005年春季云南出现异常干旱，2006年夏季川渝发生特大干旱（李永华等，2006）；2009—2010年西南地区秋冬春持续干旱（王晓敏等，2012）；尤为严重的是2009—2012年的西南干旱事件持续时间长、影响范围广、灾害程度重，是该地区有气象记录以来最严重的干旱事件。2013年夏季重庆、四川、贵州又发生干旱（姚玉璧等，2013）。频繁发生的严重干旱灾害，给西南区域农业生产和社会经济发展造成严重的损失，研究西南地区干旱事件及其变化特征已成为相关研究的热点领域。

贺晋云等（2011）利用 1960—2009年西南地区108站气象资料研究表明，四川盆地西南部、横断山区南端、广西南部沿海和贵州北部近 50年来极端干旱发生频率明显增加；西南地区年尺度干旱频率呈西部高，东部低的带状分布；近十年每年的干旱强度增大明显。我国西南地区当前正处于一个干旱化过程，但不同地区干湿变化特征及干旱化的持续时间和位相却有差别（王明田等，2012）；在气候变暖背景下，我国南方干旱整体上呈现对农业生产不利影响加重的趋势（黄晚华等，2010）。西南干旱的主要归因是降水量减少，气温升高。黄荣辉等（2012）认为西南地区最近几年无论夏季和秋季或是冬季和春季降水都处于偏少时期，即处于干旱时期。近46 a来云南年均降水量趋于减少，夏季降水量减少较为明显；滇西地区气温也为增暖的变化趋势(刘瑜等, 2010；段旭等，2000；陶云等，2009)。然而，对季节干旱研究大多为年内分布特征分析，对季节干旱进行年代际分析不够深入。干旱是个多时间尺度和多空间尺度问题。开展年时间尺度的干旱监测研究,对宏观了解区域性干旱活动有一定帮助,但在许多情况下年时间尺度显然太长（张强等，2011）。为此，本文深入研究气候变暖背景下对西南农业生产影响较大的春季干旱，分析其年代际时空分布特征、趋势变化，为区域干旱监测预警和抗旱减灾提供科学参考。

1 材料与分析方法

1.1 研究区域

研究区域包括我国西南的四川省、贵州省、云南省和重庆市，地理坐标为东经97.4°～110.2°、北纬 21.2°～34.4°；土地面积 115万 km2，耕地面积1900万hm2，海拔高度在150～5000 m。研究区域地形地貌复杂多样，境内有高原、山地、丘陵、平原、河谷和盆地，包括青藏高原东部、云贵高原和四川盆地等，独特的地理位置和复杂的地形地貌形成了多种多样的气候类型。

1.2 数据

气象数据从西南地区4省（市）中选取空间代表性好、连续年限长的89个国家基本气象站1958—2012年历年逐日实测基本气象要素资料，包括平均气温、最高气温、最低气温、降水量、风速、相对湿度和日照时数等。

1.3 干旱指数

相对湿润度指数是指某时段降水量与可能蒸散量的差占同时段可能蒸散量的比，该指数是以土壤水分收支平衡为基础的干旱监测指数，反映了作物生长季节的水分平衡特征，适用于作物生长季节旬以上尺度的干旱监测和评估。基于相对湿润度指数的干旱等级见表1。

相对湿润度指数M（张强等，2006）的计算公式为：

表1 基于相对湿润度指数的干旱等级Table 1 The grade of drought Based on relative moisture index

式中，M为相对湿润度；R为某时段降水量，单位为mm；ET0为某时段的可能蒸散量，单位为mm。

ET0采用FAO推荐的Penman-Monteith（P-M）模型（Allen等，1998; Walter等, 2000），其计算公式如下：

式中，Rn为地表净辐射，单位为MJ·m-2·d-1；Gi为土壤热通量，单位为MJ·m-2·d-1)；γ为干湿表常数，单位为kPa·℃-1；Δ为饱和水汽压曲线斜率，单位为kPa·℃-1；T为平均气温，单位为℃；U2为2 m高度处的平均风速，单位为ms-1，由10 m高度处的平均风速计算得到；es为饱和水汽压，单位为kPa；ea为实际水汽压，单位为kPa。

1.4 分析方法

气候要素的趋势系数变化采用一次线性方程表示，其斜率的 10年变化称为气候倾向率，可以从气候趋势系数求出气候倾向率(魏凤英, 2007)。

Mann-Kendall突变检测法(魏凤英, 2007)是在原假设H0：气候序列没有变化的情况下，设此气候序列为表示第i个样本xi大于xj(1≤j≤i)的累计数，定义一统计量，给定一显著性水平α0，当α1>α0时，接受原假设H0，当α1<α0时，则拒绝原假设，它表示此序列将存在一个强的增长或减少趋势，组成一条顺序统计曲线UF, 通过信度检验可知其是否有变化趋势。把此方法引用到反序列中，将组成一条逆序统计曲线UB；当曲线UF超过信度线，既表示存在明显的变化趋势时，如果曲线UF和UB的交叉点位于信度线之间，这点便是突变的开始点。

小波分析中采用有边界 Morlet小波能量谱分析(吴洪宝和吴蕾，2005)：Ψ(t)=e-2πitexp[-(2π/kψ)2|t|2];小波变换系数为：ξ(t,a)=a-1/2∫f(t)Ψ*(t/a- t’/a)dt。ξ(t,a)是小波系数，f(t)是资料序列，Ψ*是Ψ的共轭函数。

2 结果分析

2.1 春旱频率分布

1958—2012年，中国西南春季轻旱发生频率从东北向西南逐渐增加（图 1a）。春季轻旱发生频率80%以上区域分布于云南高原、川西高原和川西南山地区域；其中，川西高原和川西南山地的部分区域几乎每年春季均会出现轻度以上干旱。轻旱发生频率30%以下区域分布于东部的川东盆地、贵州高原区域；其中，重庆和贵州东部干旱发生频率最低。

图1 中国西南春季干旱发生频率空间分布Fig.1 Spatial distribution of the frequency of spring droughts on southwest in China from 1958 to 2012

西南春季中旱发生频率也由东北向西南递增（图1b）。春季中旱发生频率80%以上区域分布于云南高原北部、川西高原南部和川西南山地区域；其中，川西南山地春季中旱发生频率最高，达90%以上。中旱发生频率30%以下区域主要分布于东部的川东盆地、贵州高原和云南高原西南边缘区域；其中，重庆、贵州东部和成都平原中旱发生频率最低。

春季重旱主要发生在川西高原南部、川西南山地和云南高原北部区域（图1c），重旱发生频率在 30%以上，其中，川西高原南部和川西南山地的部分区域发生频率在 60%以上。其余区域发生频率较低。

春季特旱主要发生在川西南山地和云南高原北部区域（图 1d），发生频率在 10%～25%。其余区域发生频率较低。

综上所述，西南春季干旱发生频率呈东北向西南递增分布特征，春季干旱发生频率较高的区域为云南高原、川西高原和川西南山地区域。西南春季轻旱发生频率最大，研究区1/3以上区域春季轻旱以上干旱发生频率在80%以上，1/2以上区域春季轻旱以上发生频率在60%以上，2/3以上区域春季轻旱以上发生频率在30%以上；其中，1/2以上区域中旱发生频率在 30%以上；重旱和特旱主要分布于川西高原南部、川西南山地和云南高原北部区域。

2.2 干旱指数10年际时空分布

图2 中国西南春季干旱指数10年际时空分布特征Fig.2 Spatial and temporal distribution of index of spring droughts for every decadal on southwest in China

表2 中国西南10年际干旱面积占总面积的百分比（%）Table 2 The percentage of the total area of every decadal spring droughts area on southwest in China

图2为西南1961—2010年春季干旱指数10年际时空分布特征，由干旱指数定义可知，相对湿润度指数愈小，干旱强度愈大。西南干旱指数呈东北向西南逐渐减小的特征，说明干旱强度从东北向西南逐渐增强。

1961—1970年春季轻旱以上干旱分布于云南高原、川西高原和川西南山地区域（图 2a），发生面积占研究区域的44.9%（表2）；中旱以上干旱分布在云南高原北部、川西高原南部和川西南山地区域，发生面积占研究区域的28.1%。重旱以上干旱主要分布于云南高原北部和川西南山地区域，发生面积占研究区域的7.9%。

1971—1980年轻旱以上春季干旱东北边界向西南略收缩（图 2b），面积略减少，占研究区域面积的 42.70%；中旱以上干旱区域围绕云南高原北部、川西高原南部和川西南山地中心区域收缩，面积减少，占研究区域面积的19.1%。重旱面积也减少，占研究区域面积的5.6%。

1981—1990年轻旱以上春季干旱范围和强度与20世纪70年代基本相当（图2c）。中旱以上干旱和重旱面积略减少，分别占研究区域面积的18.0%、4.5%。

1991—2000年轻旱以上干旱范围较20世纪80年代略增加（图2d），发生面积占研究区域面积的44.9%。中旱以上干旱和重旱面积与20世纪80年代一致。

2001—2010年轻旱以上干旱范围又略减少到与20世纪七八十年代一致（图2e）。中旱以上干旱和重旱面积均减少，分别占研究区域面积的16.9%和1.0%。

1961—2010年春季轻旱以上干旱平均值分布于云南高原、川西高原和川西南山地区域（图2f），发生面积占研究区域的42.7%；中旱以上干旱分布于云南高原北部、川西高原南部和川西南山地区域，发生面积占研究区域的16.9%。重旱以上干旱主要分布于云南高原北部和川西南山地区域，发生面积占研究区域的4.5%。

可见，西南春季轻旱以上干旱主要分布于云南高原、川西高原和川西南山地区域，发生面积占研究区域面积的42%～45%；中旱以上干旱主要分布于云南高原北部、川西高原南部和川西南山地区域，发生面积占研究区域面积的16%～29%；重旱以上干旱主要分布于云南高原北部和川西南山地区域，发生面积占研究区域面积的1%～8%；其中，春季轻旱发生面积呈波动变化，中旱和重旱发生面积呈减少趋势。

2.3 干旱指数变异系数分布

图3给出了中国西南1958—2012年春季干旱指数变异系数时空分布，变异系数愈小，干旱指数振荡强度愈小，干旱强度振荡幅度愈弱，反之亦然。中国西南干旱强度振荡幅度同干旱强度呈反相位分布特征，西南春季干旱指数变异系数呈西南向东北逐渐增加的趋势，表明干旱强度振荡幅度从西南向东北逐渐增大。云南高原、川西高原和川西南山地春季干旱强度大，但干旱强度振荡幅度小，年际波动小；干旱指数变异系数大部分区域在 20%～50%。川东盆地、贵州高原春季干旱强度虽然相对较小，但干旱强度振荡幅度大，年际波动大；干旱指数变异系数大部分区域在50%～100%。

图3 中国西南春季干旱指数变异系数分布特征Fig.3 Spatial distribution of the coefficient of spring droughts variation on southwest in China from 1958 to 2012

2.4 干旱指数趋势变化特征

2.4.1 趋势分析

1958—2012年中国西南平均干旱指数呈波动略增趋势变化（图4a），即干旱强度呈略减弱趋势。干旱指数变化曲线线性拟合倾向率为0.003/10a（r=0.04,P>0.10），未通过显著性检验。

图4 中国西南春季干旱趋势变化特征Fig.4 Trends characteristic of the spring droughts on southwest in China from 1958 to 2012

各站点春季干旱指数曲线线性拟合倾向率分布特征表明（图4b），研究区域西部的云南高原、川西高原和川西南山地区域春季干旱指数线性拟合倾向率为正值，说明干旱强度呈减弱趋势，大部分区域倾向率在0.001～0.03/(10a)，个别站点0.03～0.07/(10a)，部分通过P<0.05显著性检验。研究区域东部的川东盆地、贵州高原春季干旱指数线性拟合倾向率为负值，说明干旱强度呈增强趋势，川东盆地大部分区域倾向率在-0.03～-0.001/(10a)，贵州高原大部分区域倾向率在-0.09～-0.03/(10a)，部分站点通过P<0.05显著性检验。

可知，中国西南西部的云南高原、川西高原和川西南山地区域干旱强度呈减弱趋势，研究区域东部的川东盆地、贵州高原春季干旱强度呈增强趋势，且贵州高原春季干旱强度增幅最大。

2.4.2 突变检测

由西南春季平均干旱指数累积距平变化曲线可知（图5a），西南春季干旱变化经历了5个明显的阶段变化，即20世纪60年代，干旱强度较强，干旱指数累积距平呈负增长趋势，表明干旱强度逐渐增强；70年代，干旱指数累积距平呈正增加趋势，干旱强度逐渐减弱；80年代到90年代初，干旱指数累积距平又呈负增长，干旱强度又一次加强；在90年代中期到2004年，干旱指数累积距平再次呈增加趋势，干旱强度再次减弱。但2005年后干旱指数累积距平呈负增长趋势，预计未来10年干旱强度可能将增强。

采用M-K突变检测法对1958—2012年西南春季干旱指数时间序列进行突变检测（图5b）。其中UF（实线）为西南春季干旱指数时间序列的顺序统计曲线，UB（虚线）为西南春季干旱指数时间序列逆序统计曲线，确定显著性检验信度水平为α=0.05，则显著水平检验临界线Uα=1.96。20世纪60—70年代末，春季干旱指数时间序列顺序统计曲线UF略有上升，但自20世纪80年代初开始呈下降趋势，干旱强度增强，但均未通过显著性检验，未检测出突变特征，预计未来数年西南干旱强度仍处在增强过程中。

2.4.3 周期分析

应用有边界Morlet小波能量谱分析方法，对西南春季干旱指数时间序列进行小波分析，以揭示西南春季干旱指数时间序列的周期振荡和干湿转折等特征。图6给出了西南春季干旱指数有边界Morlet小波能量谱等值线分析图，可以发现, 1958—2012年西南春季干旱指数存在显著的2～3 a高频振荡周期，2～3 a周期振荡在1958—1963年振荡最强，在1983—1987年振荡次之，其余时段较弱。西南春季干旱指数还存在显著的7～8 a周期振荡，其周期振荡在1975—1985年附近年振荡强度最强。

图5 中国西南春季干旱突变检验Fig. 5 The sudden check curve of the spring droughts on southwest in China from 1958 to 2012

图6 中国西南春季干旱指数Morlet小波能量谱等值线Fig. 6 Isoline chart of Morlet wavelet energy spectrum for the spring droughts on southwest in China from 1958 to 2012

3 结论

利用中国西南 4省（市）89个气象台站1958—2012年的历年逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、风速、相对湿度和日照时数等基本气象观测要素资料，采用基于相对湿润度的干旱指数分析了近55年中国西南春季干旱10年际时空分布和趋势变化，得到一些初步结论：

（1）西南春季干旱发生频率呈东北向西南递增分布特征，春季干旱发生频率80%以上区域分布于云南高原、川西高原和川西南山地区域；其中，川西高原和川西南山地的部分区域几乎每年春季均会出现轻度以上干旱。研究区一半以上区域的中旱以上干旱发生频率在30%以上；重旱和特旱主要分布于川西高原南部、川西南山地和云南高原北部区域。干旱发生频率30%以下区域分布于东部的川东盆地、贵州高原区域。

（2）西南春季轻旱、中旱和重旱以上干旱平均发生区域占研究区域总面积分别为 42%～45%、16%～29%和 1%～8%，春季轻旱发生面积呈波动变化，中旱和重旱发生面积呈略减少趋势。云南高原、川西高原和川西南山地春季干旱强度大，但干旱强度振荡幅度小，年际波动小；川东盆地、贵州高原春季干旱强度虽然相对较小，但干旱强度振荡幅度大，年际波动大。

（3）西南春季干旱变化经历了5个明显的变化阶段，即20世纪60年代，干旱强度逐渐增强，干旱发生面积达44.9%；70年代，干旱强度逐渐减弱，干旱发生面积达42.7%；80年代到90年代初，干旱强度又一次加强；90年代干旱发生面积又达44.9%；在90年代中期到2004年，干旱强度再次减弱。但 2005年后干旱指数累积距平呈负增长趋势，干旱等级升高，干旱强度逐渐增强，预计未来10年干旱强度可能将增强。

（4）西南春季干旱指数存在显著的2～3 a高频振荡周期，2～3 a周期振荡在1958—1963年振荡最强，在1983—1987年振荡次之，其余时段较弱。西南春季干旱指数还存在显著的7～8 a周期振荡，其周期振荡在1975—1985年的时段附近年振荡强度最强。

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