华南地区气候变化与旱涝灾害响应关系

王文静， 延军平， 刘永林， 曹永旺

（陕西师范大学旅游与环境学院，西安　710062）

华南地区气候变化与旱涝灾害响应关系

王文静， 延军平， 刘永林， 曹永旺

（陕西师范大学旅游与环境学院，西安710062）

根据华南地区80个气象站点1960—2013年的气象数据，利用标准化降水指数（SPI）、小波分析等方法对华南地区的气候变化特征进行分析，以探求全球变暖背景下该地区气候和旱涝灾害的变化趋势，以期为华南地区的旱涝灾害的预警提供依据.结果显示：（1）近54年华南地区年平均气温为19.95°C，以0.17°C/10a的速率上升；气温在1993年发生突变.（2）降水量呈上升趋势，倾向率为8.775 mm/10a.气温突变后，年平均气温和夏季气温上升的速率增加，降水量下降的速率减少；春季由冷湿化转为暖湿化；秋季由暖干化转为暖湿化；而冬季则由暖湿化转为暖干化.（3）该地区年均降水量空间分布大致分为两大区域：云南省区域的年均降水量大致沿纬度方向由北向南依次增加，呈现纬度地带性；广东省、广西省和海南省区域的年均降水量大致沿经度方向由东向西依次增加，呈现出经度地带性.（4）气温突变后雨涝增多，干旱减少.因此，近54年华南地区的气候呈现出暖湿化的趋势.

气候变化； 旱涝灾害； SPI； 小波分析； 华南地区

0　引　言

联合国政府间气候变化专门委员会第五次评估报告指出：1880—2012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.85°C，2003—2012年平均气温比1850—1900年平均气温上升了0.78°C［1］.全球气温的增加，随之带来了一系列的影响，这些影响是多尺度、全方位、多层次的，如干旱、洪涝、高温天气和沙尘暴等，这些灾害给人们的生活带来巨大的伤害和损失.其中旱涝灾害对中国造成的损失极大.20世纪90年代的气象灾害每年造成的损失可占到国民经济总值的3%～6%，其中约80%是旱涝气候灾害所引起的［2］.目前，针对华南地区气候变化与旱涝灾害的研究明显增多.黄嘉宏［3］等对近45年广西省降水和气温进行分析发现广西省年气温有极明显的增温趋势；廖义善［4］等对广东省降雨的时空变化进行了分析发现降雨强度有增大的趋势.杜华明［5］等对川滇地区气候特征与旱涝变化趋势进行分析发现川滇地区存在长期增温的趋势，气候暖干化明显.纪智荣［6］等对云南干湿气候变化进行分析发现云南各区域气候有暖干化趋势.韩奇［7］等对海南气候变化特点进行分析发现气温呈波动略微升高的趋势，降水年际变化大，总体呈略微减少趋势.上述研究推动了人们对我国华南地区气候变化特征的认识，为探讨旱涝的变化特征提供了一定的方法.但是多数研究主要集中在各个省份气候变化方面，对华南整个区域的气候和旱涝灾害变化方面的研究相对较少.并且在气候变化的背景下，华南地区旱涝灾害是如何响应的均未进行探讨.基于此，本文应用Mann-Kendall突变检验计算出气温突变的年份，进而分析了气温突变前后降水、旱涝等时空变化特征，以期对今后的旱涝灾害防治提供依据.

1　研究区概况

本文的研究区域为华南地区，包括云南省、广西省、广东省和海南省.北回归线在该区穿过，北回归线是太阳光直射在地球上最北的界线，是北温带与热带的交界线.该区大体位于18°N—30°N，96°E—118°E.总的地势是由北向南、东南或西南倾斜，境内丘陵、谷地、平原、河川纵横交叉，地形复杂.该地区的年平均气温大部分在18～24°C之间，多数地区年降水量为1 400～2 000 mm，气候较为一致.

2　资料来源和研究方法

2.1资料来源

本文的气象数据来自于中国气象科学数据共享服务网.在保证数据完整、气象站点均匀的前提下，选取了华南地区的80个气象站点（见图1）1960—2013年的逐月气温和逐月降水数据，个别缺测气温数据利用插值法进行填补，经整理后的数据具有较好的连续性和代表性.

图1　华南地区80个气象站点的空间分布Fig.1　Spatial distribution of 80 meteorological stations in South China

2.2研究方法

基于1960—2013年80个气象站点的气温、降水数据，本文采用Mann-Kendall非参数检验、标准化降水指数［8-10］和小波分析［11］等方法，对华南地区气候变化特征及旱涝的响应进行了分析.

3　结果分析

3.1气温变化特征

分析该地区的年平均气温（见图2），可知：（1）1960—2013年华南地区的气温呈上升的趋势，上升的速率为0.17°C/10a（P＜0.05），与全国增温的速率（0.1～0.2°C/10a）［12-13］相一致.（2）该地区54年的平均气温为19.95°C，年均气温最低值出现在1976年，值为19.25°C；年均气温最高值出现在1998年，值为20.84°C.（3）由5年滑动平均气温曲线可知，相对于54年平均气温值，气温变化明显分为三段，1990年以前的时间段全部低于多年平均气温值，该时段气温偏冷；1990年到1997年该时段基本在多年平均气温值上下波动中变化；1997年至今，气温上升幅度增大，气温属于偏暖.

对华南地区1960年以来的年平均气温进行Mann-Kendall突变检验，以寻找气候的显著突变点（见图3）.从图中可以看出UF和UB曲线在±1.96临界线间交于1993年，说明气温在1993年前后发生突变，且通过（α=0.05）Uα=1.96的置信水平检测，同时1960—1992年和1993—2013年的气温平均值通过了α=0.05的t检验.这与刘永林等［14］研究相一致. 1960—1987年UF＜0，表明该地区在该时段内气温呈下降趋势；1987年后UF＞0，表明气温持续增长的趋势明显且在1998年UF超越1.96的可信度临界线，说明气温显著上升.

图2　1960—2013年华南地区年平均气温变化Fig.2　Annual temperature change of South China from 1960 to 2013

图3　1960—2013年华南地区年均温的Mann-Kendall突变检验Fig.3　The Mann-Kendall test for annual temperature of South China

3.2降水的时间尺度变化

3.2.1降水量的变化特征

分析华南地区1960—2013年的年平均降水量变化（见图4），可知：（1）该地区年平均降水量为1 541.89 mm，总体呈上升的趋势，上升的速率为8.775 mm/10a（P＞0.1）；同时气温突变前后降水量的平均值不存在显著性差异.（2）降水量最大值出现在1973年，降水量为1 880.58 mm，比年平均高出338.69 mm；降水量最小值出现在2004年，降水量为1 223.23 mm，比年平均降水低318.66 mm；最高与最低降水的差值高达657.35 mm.（3）1960—1992年，趋势线呈下降趋势，气温突变点（1993年）降水量上升迅速达到1 650 mm左右，1994年至今，始终呈下降趋势.

应用气候倾向率对华南地区气温突变前后各个季节的气候条件进行分析（见表1）. 1960—2013年，华南地区年气温及年降水量均呈上升的趋势，即暖湿化；在季节变化中，春季、夏季和冬季气温和降水也呈上升的趋势，秋季气温呈上升趋势，而降水量呈下降趋势，即暖干化.1960—1993年即气温突变之前，年气温呈上升的趋势，年降水量呈下降趋势，即暖干化；春季气温呈下降趋势，而降水量呈上升趋势，即冷湿化；春季和秋季与年气温和降水量的变化相一致，呈暖干化；冬季气温和降水量均呈上升趋势，即暖湿化.1994—2013年即气温突变后，年、夏季和冬季气温和降水量变化趋势相一致，即暖干化；而春季和秋季呈暖湿化.由此可以得出，气温突变后，年和夏季气温上升的速率变大，降水量下降的速率减少；春季由冷湿化转为暖湿化；秋季由暖干化转为暖湿化；而冬季则由暖湿化转为暖干化.

图4　1960—2013年华南地区年平均降水量变化Fig.4　Annual precipitation change of South China from 1960 to 2013

表1　华南地区气候倾向率变化Tab.1　Climate tendency rate changes in South China

对年及四季的降水量进行显著性检验，夏季气温突变前后的降水量通过了α=0.05的显著性检验，但是夏季年降水量及其余年、四季降水量均未通过显著性检验.

3.2.2降水周期

小波系数实部等值线图能反应降水序列不同时间尺度的周期变化及其在时间地域中的分布，可以判断在不同时间尺度上的年降水量未来变化趋势［15］.对华南地区1960—2013年的年均降水量进行小波分析，可知该地区旱涝存在明显的4～6年，8～15年和24～30年的变化周期（见图5）.其中，4～6年时间尺度在1968—1980年和1985—2010年变现较为明显，其时间中心尺度为4年，正负相位交替变化；8～15年时间尺度在1962—1978年表现明显，其时间中心尺度为13年，正负相位交替变化；在24～30年时间尺度在整个时间段上表现较为稳定，经历了涝—旱—涝—旱—涝的循环变化，并且年际变化明显，其时间中心尺度为28年.

由该地区的小波方差图可知，该地区年降水量存在3个较为明显的峰值，它们依次对应着28年、13年、4年的时间尺度.其中，最大峰值对应着28年的时间尺度，说明28年左右的周期震荡最强，为年降水量变化的第一主周期；13年时间尺度对应着第二峰值，为年降水量变化的第二主周期；4年时间尺度对应着第三峰值，为年降水量变化的第三主周期.

图5　华南地区年均降水量的小波分析Fig.5　Wavelet analysis of annual precipitation in South China

3.3降水的空间尺度变化

根据华南地区80个气象站点近54年年平均降水量进行克里金空间插值（见图6a）.华南地区的年均降水量的变化范围为709～2 338 mm.从整个区域的年均降水量的空间分布来看，研究区大致分为两个区域：云南省为一个区域，广东省、广西省和海南省为一个区域.首先云南省区域的年均降水量大致沿纬度方向由北向南依次增加，且该区域的降水量与另一区域相比明显偏少，降水量的最小值位于该区域的香格里拉.广东省、广西省和海南省区域的年均降水量大致沿经度方向由东向西依次增加，降水量的最大值位于广西省的东兴.图6b为年均降水量倾向率的空间变化图，降水倾向率最大值分布在海南省和广东省，说明两省的降水呈增加的趋势；云南省和广西省的降水倾向率多以负值为主，以两省交界的区域为中心依次向外增加.

图6　华南地区多年降水量空间分布及变化特征Fig.6　The spatial characteristics of precipitation distribution and diversification in South China

4　旱涝变化特征

4.1旱涝时间变化特征

SPI具有多时间尺度变化特征，而SPI12属于长时间尺度.SPI受短期降水的影响不断减小，旱涝特征相对稳定，周期更加明显，可清晰地反应旱涝趋势的长期变化特征，更能反映出旱涝发生的具体年份［16］.本文依据华南地区近54年逐月的降水数据，计算了该区的SPI12，以12月的SPI12作为当年旱涝指数，对其年尺度旱涝变化进行分析.

1960—2013年华南地区有16年发生雨涝，其中发生重、特涝的年份有1973年、1994年、1997年、2001年；发生干旱的年份有15年，其中发生重、特旱的年份是1963年、1989年、2003年、2004年、2011年（见图7）.在年代际变化方面，1960—1969年期间发生4次干旱，2次雨涝；1970—1979年期间发生5次雨涝，1次干旱；1980—1989年期间发生4次干旱，2次雨涝；1990—1999年期间发生3次雨涝，1次干旱；2000年以来发生5次干旱，4次雨涝.由此可以看出华南地区呈现出“干旱—雨涝”交替变化的规律.华南地区多年平均SPI12为-0.025.通过分析突变前后的趋势线可知，1960—1992年，趋势线呈下降的趋势；气温突变点发生在1993年，趋势点上升迅速达到0.64左右；1994年至今，趋势线始终呈下降的趋势，且在2005年于坐标轴相交，呈负值一直下降.

图7　1960-2013年华南地区SPI变化特征Fig.7　The characteristics of drought-flood in South China from 1960 to 2013

1960—1993年华南地区有122个月发生雨涝，135个月份处于干旱，干旱发生次数大于雨涝的；而1994—2013年有77个月份发生雨涝，68个月份发生干旱，雨涝的次数高于干旱的.说明气温突变对旱涝的发生产生了一定的影响.1960—1993年（突变前）雨涝的发生频率为29.9%，而1994—2013年（突变后）雨涝的发生频率为32.1%.说明华南地区雨涝的发生频率明显提高，上升了2.2%.1960—1993年干旱的发生频率为33.1%，而1994—2013年干旱的发生频率为28.3%，在气温突变后干旱的频率下降了4.8%，即突变后干旱的发生次数明显下降.综上，华南地区的干旱呈下降趋势，雨涝呈上升趋势，即雨涝增多，干旱减少.对比我国的北方地区，马柱国［17-19］等对我国北方干湿变化趋势和干旱化的事实进行了分析，发现我国北方主要以干旱为主，区域增暖加强了干旱化的强度.刘扬［20］等对我国北方地区的降水变化进行研究，发现北方中东地区降水量呈下降趋势.由此可以看出华南地区的降水情况与我国北方地区相反.

4.2旱涝空间变化特征

由于SPI假定了所有地点发生旱涝概率相同，无法标识旱涝频发地区［21］，因此无法直接使用SPI进行空间分析.本文计算了华南地区气温突变前后的旱涝发生的频率差，并对其进行分析来探寻气温突变背景下旱涝频率差的空间变化特征.

从整个区域来看，气温突变后华南大部分地区干旱发生的频率比气温突变前大幅度减少（见图8a）.云南省的腾冲、昭通昭阳和沾益，广西省的南宁和那坡，广东省的高要和佛冈等地区突变后的干旱频率增加迅速，说明这些地区在气温突变后干旱不断加强.云南省的楚雄、蒙自、江城和勐腊，广西省的百色、都安和融安，广东省的广州和韶关，海南省的大部分区域突变后干旱频率明显减少.

表2　1960—2013年华南地区旱涝发生频率变化Tab.2　Drought and flood disaster frequency variation in South Chinafrom 1960 to 2013

从整个区域来看，华南大部分地区气温突变后的雨涝发生频率比突变前增加，这与上述气温突变后干旱发生的频率大幅度减少相一致（见图8b）.云南省的德钦、香格里拉和会泽，广西省的蒙山，广东的湛江，海南的儋州和海口雨涝频率明显增加.

图8　华南地区年尺度干旱（a）和雨涝（b）频率差空间分布Fig.8　Spatial distribution of the anneal drought（a）and flood（b）frequency in South China

5　结论与讨论

本文结合华南地区1960—2013年的逐月气温和降水数据，运用标准化降水指数、小波分析等方法，探讨华南地区在气温突变背景下气候和旱涝的变化特征，得出以下结论.

（1）近54年华南地区气温上升.该地区的年平均气温为19.95°C，以0.17°C/10a的速率上升.气温在1993年发生突变，通过（α=0.05）Uα=1.96的置信水平检测.

（2）近54年华南地区的降水量增加.该地区的年平均降水量为1 541.89 mm，总体呈上升的趋势，上升速率为8.775 mm/10a.气温突变后，年和夏季气温上升的速率增加，降水量下降的速率减少；春季由冷湿化转为暖湿化；秋季由暖干化转为暖湿化；而冬季则由暖湿化转为暖干化.在时间尺度上降水量存在28年、13年、4年的震荡周期.

（3）近54年华南地区年均降水量大致分为两大区域：云南省区域的年均降水量大致沿纬度方向由北向南依次增加，呈现纬度地带性；广东省、广西省和云南省区域的年均降水量大致沿经度方向由东向西依次增加，呈现出经度地带性.

（4）近54年华南地区在1993年（气温突变）后雨涝增多，干旱减少.气温突变后的雨涝发生频率比突变前增加了2.2%，而干旱发生频率下降了4.8%.且该区域大部分地区在气温突变后的年份雨涝频率增加，干旱的频率减少.

（5）近54年华南地区气候呈暖湿化的趋势，与之相反，我国北方地区呈现出暖干化的趋势.

在全球气候变暖的背景下，极端气候事件不断发生，危及到区域的可持续发展，给国家、社会、人民的生活造成巨大的损失.随着全球变化研究的不断深入，不仅要注重气候变化的特征，还要关注气候变化所引起的一系列灾害.本文利用了华南地区80个气象站点54年的逐月气温、降水数据，主要运用SPI对气候变化特征进行了分析，揭示了该地区的气温增加、降水增多，呈暖湿化的趋势特征.本文的研究对象为华南地区，但是各个省份之间气温和降水具有差异性.同时本文对旱涝变化特征的分析仅考虑了降水因素，且只运用了标准化降水指数进行分析.因此，今后应综合考虑整个研究区域的概况，结合各个省份的具体特点，运用多种旱涝指标和研究方法，进一步提高研究的准确性.

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（责任编辑：李万会）

Climate change and drought-flood disasters responses in South China

WANG Wen-jing， YAN Jun-ping， LIU Yong-lin， CAO Yong-wang
（College of Tourism and Environmental，Shaanxi Normal University，Xi'an710062，China）

According to the meteorological data of 80 stations in South China，influences of different disaster inducing factors on climate change were analyzed，using Mann-Kendall test method，standardized precipitation index，the wavelet analysis，to explore the trend of drought and flood under global warming background.The results showed that：（1）In the last 54 years，the annual average temperature was 19.95°C in South China，with a linear tendency being 0.17°C/10a.The abrupt change of average annual temperature occurred in 1993.（2）The precipitation in South China was increasing with the speed of 8.775 mm/10a.After the abrupt change of temperature，the temperature increased fast，while the precipitation decreased rapidly.The colding and wetting in spring changed to warming and wetting；the warming and drying in autumn changed to warming and wetting；the warming and wetting in winter changed to warming and drying.（3）According to the amount of annual precipitation，South China area was divided into two regions：the average annual precipitation in Yunnan province was increasing along the latitude direction from north to south；the average annual precipitation in the other provinces were increasing along the longitude direction from east to west.（4）The flood increased and drought reduced after the abrupt change of temperature.The frequency of flood increased in some areas，while the frequency of drought reduced in space.Therefore，the overall climate change presented a warming and wetting trend.

climate change；drought and flood disaster；standardized precipitation index；wavelet analysis；South China

P467

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2016.02.011

1000-5641（2016）02-0081-09

2015-01

国家自然科学基金（41171090）；国家社会科学基金重点项目（14AZD094）

王文静，女，硕士研究生，主要从事区域开发与城乡发展研究.E-mail：wwjing121@163.com.

延军平，男，博士，教授，主要从事全球变化与灾害学研究.E-mail：yanjp@snnu.edu.cn.