宁夏地区气候暖干化与旱涝灾害趋势的关系

2014-09-27丁彩霞延军平方兴义李敏敏吴梦初

水土保持通报 2014年2期

丁彩霞，延军平，方兴义，李敏敏，吴梦初

（1.陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710062；2.宁夏师范学院政法学院，宁夏固原756000）

IPCC第4次评估报告指出1906—2005年全球地表温度上升了0.74±0.18℃，变暖幅度自1900年以来明显加速［1］。我国气候变化趋势与全球气候变化基本一致，近50a平均地表气温升高0.5～0.8℃，增温速率0.1～0.2 ℃／10a［2－3］，增温幅度略高于全球。气候变化存在明显的地区差异，西北、华北、东北地区变暖趋势较为明显，西北变暖的强度高于全国平均值，长江以南地区变暖不显著［3］。施雅风［4－5］等提出我国西北气候可能从20世纪的暖干型向暖湿型转变。李栋梁等［3］的研究结果显示，我国西北地区的气候呈现出西湿东干的分布型态。随着时间的推移，西北地区的气候变化有可能进一步加剧，其引起的极端天气和气象灾害的频率和强度也将持续增大。

宁夏地区处于季风边缘带，是中国典型的农牧交错区、生态脆弱区，独特的地理位置和地貌格局使该区对气候变化的敏感性更高，水资源供需矛盾更加突出。气候变化导致的极端天气和气象灾害势必会对社会经济发展产生极大影响［6］。目前对于宁夏地区气候变化与旱涝灾害方面的探讨还相对较少，且多集中在旱涝历史演变规律的分析，对未来旱涝灾害趋势的分析较少，关注宁夏地区气候变化及旱涝灾害演变特征具有十分重要的现实意义。本研究以宁夏地区为研究对象，选取了1961—2012年的气温和降水资料。综合运用趋势线法、Mann—Kendall突变检验法、Z指数法、马尔科夫模型从不同时间尺度和层面上对宁夏气候变化特征和旱涝趋势进行了分析与研究，以期为该地区的社会经济发展及生态建设提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选取了宁夏地区11个气象站1961—2012年的逐月气温和降水数据，资料均来源于宁夏气象局，采用的气象数据具有较好的代表性和连续性。本研究季节划分按3—5月份为春季，6—8月份为夏季，9—11月份为秋季，12月至翌年2月为冬季。

1.2 研究方法

运用气候倾向率法和Mann—Kendall突变检验法［7］对宁夏地区近52a气侯变化特征进行分析，运用Z指数分析了宁夏地区旱涝变化情况，并运用马尔可夫模型对该地未来5a旱涝灾害进行趋势判断。

1.2.1 Z指数法 Z指数指标法是用来表示旱涝的空间分布和旱涝程度的一种数学方法，它消除了降水量平均值不同的影响，是通过对降水量进行处理而得到的服从标准正态分布的序列，对旱涝程度具有一定的反映能力［8］。对宁夏地区11个气象站点1961—2012年的Z指数进行分析后，发现每级实际频率和理论频率基本接近（表1），表明Z指数等级划分标准能够反映实际情况，可以用于研究宁夏地区的旱涝变化特征。

表1 Z指数旱涝等级标准与宁夏旱涝实际频率对比

1.2.2 马尔可夫模型在事件的发展过程中，如果每次状态的转移都只仅与前一时段的状态有关，而与过去的状态无关，或者说状态转移过程是无后效性的，则这样的状态转移过程就称为马尔可夫过程。许多地理事件发展过程的状态转移是具有无后效性的，对于这样一些事件发展过程，就可以用马尔可夫过程来描述。

在事件的发展过程中，从某一种状态出发，下一时刻转移到其它状态的可能性，称为状态转移概率。根据条件概率的定义，由状态Ei转为状态Ej的状态转移概率P（Ei→Ej）就是条件概率P（Ej／Ei），即

假定某一事件的发展过程有n个可能的状态，即E1，E2，…，En。记Pij为状态Ei转变为状态Ej的状态转移概率，则状态转移概率矩阵为：

状态概率πj（k）表示事件在初始（k＝0）状态为已知的条件下，经过k次状态转移后，在第k个时刻处于状态Ej的概率。根据概率的性质，显然有：

从初始状态开始，经过k次状态转移后到达状态Ej这一状态转移过程，可以看作是首先经过（k－1）次状态转移后到达状态Ei（i＝1，2，…，n），然后再由Ei经过一次状态转移到达状态Ej。根据马尔可夫过程的无后效性及Bayes条件概率公式，有：

若记行向量π（k）＝〔π1（k），π2（k），…，πn（k）〕，则由公式（4）可以得到逐次计算机状态概率的递推公式：

式中：π（0）＝〔π1（0），π2（0），…，πn（0）〕为初始状态概率向量［9］。

2 结果与分析

2.1 研究区气温变化特征

2.1.1 研究区气温的年际变化 1961—2012年宁夏地区气温在波动中呈显著上升趋势（图1），多年平均气温为8.32℃，上升速率为0.36℃／10a，远高于西部平均变暖率（0.2℃／10a）［4－5］。通过对宁夏地区1961—2012年气温进行Mann—Kendall突变检验分析发现（图2），1961—1979年正向时间序列统计值UF多在0值以下，说明此时段气温呈波动下降趋势，1979年后UF＞0，气温回升，1986年以后气温上升速率加快，1994年UF超出显著性水平0.05信度线，说明气温显著增加［10］。UF和UB在±1.96临界线内相交于1991年，表明宁夏地区年均温在1991年前后发生了由冷到暖的突变。

图1 宁夏地区1961－2012年平均气温变化特征

1997—2012年与1961—1986年相比，宁夏地区年平均气温升高了1.39℃，20世纪60年代初期到80年代中期处于一个较长的冷期，80年代中期至今进入了一个气温较高的暖期［11］，气温变化大致可以划分为3个阶段。第一阶段：1961—1986为冷湿期，年气温距平以负值为主，温度上升速度较缓，多年平均气温为7.78℃，多年平均降水量为269.98mm；第二阶段：1987—1996为暖湿期，年气温距平正负交替出现，气温波动上升，多年平均气温为8.4℃，多年平均降水量为269.81mm；第三阶段：1997—2012为暖干期，年气温距平均为正距平，增温趋势明显加快，多年平均气温为9.2℃，多年平均降水量为244mm。

图2 宁夏地区1961－2012年平均气温Mann－Kendall检验

2.1.2 气温的季节变化 1961—2012年宁夏地区四季气温均呈上升趋势（表2），冬季气温上升最快，增温速率为0.49℃／10a，其次是春季，增温速率为0.35℃／10a，秋季增温速率为0.31℃／10a，夏季气温上升较缓，增温速率为0.24℃／10a。夏季均温最低值出现在1976年为19.31℃，最高值出现在2006年为22.71℃，相差3.4℃；冬季均温最低值出现在1967年为－10.13℃，最高值出现在2000年为－3.32℃，相差6.81℃。近52a间冬季气温的增加对宁夏地区多年平均气温增加的贡献最大。

表2 宁夏地区1961－2012年四季气温变化特征

2.2 降水量的变化

2.2.1 降水的年际变化 1961—2012年宁夏地区降水量总体呈下降趋势，下降速率为9.94mm／10a。52a平均降水量为261.23mm。年降水量最大值出现在1964年，为447.15mm，年降水量最小值出现在1982年，为150.58mm，相差296.57mm。由6阶拟合曲线看出，20世纪60—70年代降水波动下降，20世纪70—90年代末降水趋于稳定，2000年以后降水负距平增加，降水波动下降趋势加大（图3）。

图3 宁夏地区1961－2012年降水变化特征

2.2.2 降水的季节变化 1961—2012年宁夏地区春、夏、秋三季降水呈下降趋势，冬季降水小幅增加（表3）。春季降水下降速率为0.64mm／10a，20世纪60—70年代降水减少，70—90年代降水增加，90年代至今降水持续下降，近52a间春季降水变化不稳定，波动特征明显。夏季降水下降速率为0.64 mm／10a，20世纪60—80年代降水持续减少，80—90年代有所增加，90年代至今降水显著减少。秋季降水变化幅度较大，20世纪60—90年代急剧下降，90年代至今呈平缓上升趋势，52a间秋季降水幅度大，整体呈减少趋势。冬季降水变化不明显，20世纪60—90年代缓慢上升，90年代至今缓慢下降，总体略有增加。四季中秋季降水减少最为明显，下降速率为0.94mm／10a，冬季降水略有增加，上升速率为0.1 mm／10a，说明近52a来秋季降水减少对宁夏地区多年平均降水量的减少贡献率最大。

表3 宁夏地区1961－2012年四季降水变化特征

2.3 宁夏地区旱涝变化特征

由图4可以看出，近52a间宁夏地区旱涝灾害频发，总体呈增加趋势。20世纪60年代以涝灾为主，进入70年代以后旱涝灾害交替发生，80年代旱灾发生频率较高，90年代降水较丰，出现4次涝年，2000—2012年旱灾事件频发，2005年旱情严重［12－15］，52a来旱灾与涝灾发生总频次相等。从6阶拟合曲线看出，20世纪60—80年代中期气温变化不明显，旱涝趋势稳定，80年代中期到2006年气温大幅上升，旱涝灾害同步增加，2006—2012年增温趋势有所减缓，旱涝灾害相应减少，旱涝灾害发生频次与气温变化具有一定的同步性。

图4 1961－2012年宁夏地区旱涝等级与平均气温变化对比

统计1986年（气温发生显著变化）前后旱涝等级出现年份数及所占比例详见表4。分析可知，旱所占比例由30.6%减少到22.1%，减少了8.5%，涝的比例由34.4%减少到22.9%，旱涝灾害呈现减少趋势，减少了11.5%，降水处于“正常”的年份增加，所占比例由35%增加到54%。大涝比例由之前的7.7%减少为0，重涝比例由19%减少为3.9%，偏涝比例有所增加，正常年份比例增加幅度最大，大旱与偏旱比例均减少。虽然对比1986年前后旱涝灾害有所减少，但是近52a年宁夏地区旱涝灾害整体仍呈增加趋势。

表4 1986年前后宁夏地区旱涝等级出现年数及所占比例

2.4 旱涝趋势判断

根据宁夏地区1961—2011年降水量数据，确定了该地旱涝变化包括七个状态，即“重涝”、“大涝”、“偏涝”、“正常”、“偏旱”、“大旱”、“重旱”。记 E1为“重涝”状态，E2为“大涝”状态，E3为“偏涝”状态，E4为“正常”状态，E5为“偏旱”状态，E6为“大旱”状态，E7为“重旱”状态。根据公式1可以计算出宁夏旱涝状态转移概率矩阵为：

根据上述矩陈就可以求得2012—2017年可能出现的各种状态概率（表5）。分析表5可以得出，2012—2017年降水量状态处于“正常”的概率较大。而2012年的实测降水量为270.1mm，处于正常状态，所以预测值准确，从2013—2017年7种状态的变化可知，宁夏地区未来5a降水基本处于正常状态。

表5 宁夏地区2012－2017年降水量状态概率预测值

3 结论

（1）近52a来宁夏地区气候暖干化趋势明显，气温上升速率为0.36℃／10a，远高于西部平均变暖率。20世纪60—80年代中期处于一个较长的冷期，1986年以后气温上升速度加快，20世纪80年代中期至今处于一个气温较高的暖期，进入21世纪气温正距平值显著增多，平均气温在1991年发生突变。

（2）近52a来宁夏地区降水呈波动下降趋势，下降速率为9.94mm／10a，52a平均降水量为261.23 mm。20世纪60—70年代降水波动下降，70—90年代末降水趋于稳定，2000年以后降水负距平增加，降水波动下降趋势加大。降水的季节变化特征表现为春、夏、秋三季降水呈下降趋势，秋季降水减少最为明显，冬季降水略有增加。

（3）气候暖干化的大背景下，近52a来宁夏出现重旱3次，大旱2次，重涝2次，大涝6次，旱灾、涝灾发生频率基本相同。旱涝灾害发生频次与气温变化具有一定的同步性，20世纪60—80年代中期气温变化不明显，旱涝趋势稳定，80年代中期到2006年气温大幅上升，旱涝灾害同步增加，2006—2012年增温趋势有所减缓，旱涝灾害相应减少。在宁夏地区气候呈明显暖干化趋势影响下，其受干旱灾害威胁的概率和程度都进一步的加大，希望相关部门采取适当的措施来减少气候变化带来的负面影响，从而实现社会经济的可持续发展。

（4）根据Z指数旱涝等级划分标准，对近52a宁夏地区的降水量进行等级划分，运用马尔科夫模型对未来5a的旱涝状态进行的预测表明，2013—2017年该地区降水处于“正常”的概率较大。

（5）由于区域水热关系复杂，且存在所选空间站点较少、时间序列相对较短的问题，今后仍需要做进一步完善。同时，本研究只揭示了气候变化与旱涝灾害的时间变化特征，对其空间变化特征并未进行分析说明，区域气候变化特征受自然和人文因素的共同影响，本研究对这种变化的内在机制和动因提及甚少。未来随着温室气体排放量的增加，宁夏地区水资源供需矛盾的进一步加剧，该地区的旱涝灾害将持续引起社会的关注，因此必须加强区域预防旱涝灾害体系建设，尽可能减少旱涝灾害对区域社会、经济的负面影响。

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