元谋县干热气候评价及特征分析*

鲁永新，田侯明，李宏波，张中平

(1.楚雄州气象局，云南楚雄 675000； 2.云南省楚雄州农业技术研究推广所，楚雄 675000)

0 引言

元谋县位于云南省中北部，介于101°35′E～102°06′E， 25°23′N～26°06′N之间的金沙江一级支流，龙川江下游河谷地带，国土面积2 021.69km2，属高原盆地。因受季风、焚风和山地微环境效应的影响，盆地及海拔≤1 350m河谷地带形成了典型的南亚热带干热河谷气候[1]。年平均气温21.5℃，最热月(5月或6月)平均气温26.4℃，最冷月(12月)平均气温13.8℃，≥10℃年平均积温7 812.8℃； 年平均降水量656.8mm，雨季(5—10月)降水占全年的91%，连续无降雨日数可达6个月(179d)，降水变率大[2]，按国际标准大蒸发盆计算，年均蒸发量为降雨量的3倍； L.Penman公式计算年干燥度4.4，年平均相对湿度57%，最小相对湿度在干季有接近0的极值记录[3-4]。其干湿分明，长夏无冬，干燥、炎热、少雨，光日照充足的气候特征，在云南低纬高原干热河谷气候地带极具代表性。基于元谋干热气候资源的特殊性和热区气候资源开发利用，何永彬等[5-6]分析了金沙江流域云南省降雨、气温随海拔的分布及季风、地形与干热河谷气候形成的影响，张建平[7]分析了元谋蒸发量减少与其气象要素变化间的关联分析，郑科等[8]以2002—2004年间元谋干热河谷单点多要素气象观测研究了元谋的干热气候特征，张斌等[9]研究了元谋降水变化尺度特征，彭贵芬等[10]计算干旱指数Z分析了云南河谷区干旱特征，起树华等[11]分析了元谋最冷月气温、蒸发量、相对湿度等要素变化与全球气候变化的相关性。众多研究多以单一方法对单一气象因子的影响及其变化特征展开，然而，尚未发现有同时用几种方法对元谋的光照、热量、干湿状况做客观定量分析评价，也未发现有分时段对降水、气温，特别是对冷时段气温变化特征及其影响的深度分析。为客观评价元谋干热气候与云南省内相似地区的差异性及干热变化特征，文章选取云南省125个县市的气温、降水、日照、晴天日数和相对湿度用主成分分析法进行因子的热量、光日照和干湿成分分析，选取元谋县近54年来几个特殊影响时段的气温和降水进行气候倾向分析、Mann-Kendall检验分析和小波周期分析，旨在为挖掘和利用元谋干热气候资源，推动元谋高原特色现代农业发展，提供科学的参考依据。

1 数据来源

1.1 数据来源

资料来源于云南省气候中心提供的125个县市气象站海拔高度、近30年(取值1980—2010年是专业规定)各月平均降水量、月平均气温、年相对湿度、年有霜日数、年日照时数、年蒸发量、年晴天日数； 元谋县(为完整系列1961—2014年)各月平均降水量、月平均气温、旬平均气温、极端最低气温、日照时数和日照百分率以及时段统计值。

1.2 分析时段和因子的选取

为突出云南干热气候区长夏无冬、干湿分明及光照、热量特征的分析主题，选取云南全省125个县年平均降水量、雨季5—10月平均降水量，干季11—4月平均降水量， 3—10月(长夏季)时段平均气温、11—2月(冷时段)平均气温、年平均蒸发量、年平均相对湿度、年晴天日数、年有霜日数(表1)； 元谋县1961—2014年年平均降水量、11—2月(冷时段)平均最低气温、3—10月(长夏季)时段平均气温、12月下旬至1月上旬时段平均最低气温、1月第1候平均气温， 12月第5候、第6候平均气温。

2 分析方法

2.1 主成分分析法的计算[12-15]

主成分分析原理是以降维的思想，把众多变量转化为少数几个综合指标，这几个综合指标均为原始变量的线性组合； 综合指标保留了原始变量的主要信息，彼此之间又不相关，从而使复杂的问题简单化，使原始变量的信息集中到几个主要指标因子上进行分析。

2.2 小波分析基本原理[16-20]

小波分析的基本思想是用一簇小波函数系来表示或逼近某一信号或函数。因此，小波函数是小波分析的关键，它是指具有震荡性、能够迅速衰减到零的一类函数，即小波函数

(1)

式(1)中，ψ(t)为基小波函数，可通过尺度的伸缩和时间轴上的平移构成一簇函数系：

(2)

式(2)中，ψa，b(t)为子小波；a为尺度因子，反映小波的周期长度；b为平移因子，反应时间上的平移。若ψa，b(t)是由式(2)给出的子小波，对于给定的能量有限信号f(t)∈L2(R)，其连续小波变换(Continue Wavelet Transform，简写为CWT)为：

(3)

(4)

由式(3)或式(4)可知小波分析的基本原理，即通过增加或减小伸缩尺度a来得到信号的低频或高频信息，然后分析信号的概貌或细节，实现对信号不同时间尺度和空间局部特征的分析。将小波系数的平方值在b域上积分，就可得到小波方差，即

(5)

小波方差随尺度a的变化过程，称为小波方差图。由式(5)可知，它能反映信号波动的能量随尺度a的分布。因此，小波方差图可用来确定信号中不同种尺度扰动的相对强度和存在的主要时间尺度，即主周期。

2.3 K-M检验法(Mann-Kendall)[21， 22]

(6)

(7)

式中，E(Sk)=k(k+1)/4；Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

UFk为标准正态分布，给定显著水平α(α=0.05，u0.05=1.96)，若UF1≥Uα/2，则表明系存在明显的趋势变化。将时间系列按逆系排列，再按照上式计算，同时使

(8)

通过分析统计量UFk和UBk可进一步分析系列X的趋势变化，并明确突变时间，指出突变的区域。若UFk值大于0则表示系列呈上升趋势，小于0则表示呈下降趋势； 当它们超过临界值时，表示上升或下降趋势显著。若UFk和UBk这两条曲线出现交点，且交点在临界值线之间，则交点对应的时刻就是突变开始时刻。

气候趋势(倾向)分析方法[23-24]是分析气象要素随时间变化趋势倾向和变化幅度特征，xi为样本量为n的气象要素变量，ti为xi所对应的时间，用一元一次回归方程描述

xi=a+bti(i=1， 2， 3， 4，…，n)

(9)

式(9)中，a为回归常数；b为回归系数，a和b可用最小二乖法进行估计，趋势系数用相关系数进行显著性检验。

表2 Xpn相关矩阵特征值及方差贡献率

3 结果与分析

3.1 元谋干热气候资源的客观分析

为客观评价云南干热气候特征，用主成分分析法分析了云南省125个县的热量、光照、干湿气候因子(表1)的主分量和干热气候资源综合评价指数； 确定主成分指标因子个数的因子荷载率(表2)； 针对每个主成分指标因子与标准变量线性组合关系的表达式，以权重较大的多个标准变量(对应表1中的影响因子)来综合解释主成分指标因子的物理意义[19-20](表3)。因子荷载率绝对值大小反映因子与主成分的相关程度，一般当因子ㄧ荷载率ㄧ≥0.6时主为该气象因子与主成分相关程度足够大，表2中列出的主成分Y11×125的前3个特征向量的累积方差已达87.479%，即用前3个主成分因子就可以解释125站11个气候因子变量的总方差，故只需计算3个主成分因子的得分值Z1，Z2，Z3和综合评价指数得分值Z即可进行云南干热气候特征的客观评价。Z值计算表达式如下式：

Z=0.44065Z1+0.30069Z2+0.13345Z3

Z1=0.445X1+0.443X2+0.433X3+…+0.088X10+0.037X11

Z2=0.028X1+0.005X2+0.065X3+…-0.092X10-0.209X11

Z3=0.099X1+0.050X2+0.180X3+…+0.767X10+0.512X11

表3中第1主成分表达式中荷载率较大的气候因子变量依次是X1、X2、X3、X4共4个影响因子，反映了云南热量资源的空间分布，即热量因子，集中反映了云南地域间的热量差异，能清晰地表明不同时间段云南各地的热量资源分布特征； 因子荷载率为正说明各时段间气温高低的空间分布与地区热量分布成正比，地区间霜日数的多少与热量分布呈反比。第2主成分中荷载率较大的影响因子依次是X5、X6、X7、X8共4个影响因子，主要反映云南省地区间光日照条件的空间分布，因子的荷载率为正的X5、X6、X7说明云南热区，特别是金沙江河谷地区与日照时间长，晴天日数多、蒸发量大有很好的对应，X8的因子荷载率为负，说明在云南干热河谷地带光日照强、晴天多、蒸发旺盛，空气相对湿度小。第3个主成分中荷载率较大的影响因子依次是X9、X10、X11这3个因子，即干湿因子，分别反映了云南降水的空间和时间段分布，表明了在云南年降水主要集中于夏半年，地区间年降水量的多少主要由雨季降水量决定，干季降水量对地区间气候干湿状况的影响和贡献较小。

表3 样本相关矩阵的特征向量(Vmp矩阵)

各主成分因子的得分值Z1、Z2、Z3和综合评价指数得分值Z值在arcgis平台上对Z值做IDW(Inverse distance weighted)插值，输出分析结果见图1(图1中对元谋县界作了显示标注)。从图1a热量因子分析图可看出，元谋是云南滇中以北河谷地带典型的富热量代表区域，热量资源影响因子Z1得分在云南排第8位，与实测统计基本一致； 图1b光日照因子影响分析图中，元谋为云南光日照最丰富区，光日照因子Z2得分排云南第1位，说明了元谋是云南日照时数长、晴天日数多、蒸发量大、相对湿度小的典型代表区，与单因子统计结果基本一致； 图1c云南年降水量和干湿季降水因子的组合，分析图中元谋为云南少雨(干区)的典型代表区，干湿因子Z3得分排云南第2位，验证了元谋是云南知名的干热河谷地带及滇中干旱区； 图1d云南热、光、湿综合评价指数分布图中，元谋属次优势区，综合指数排云南第9位，与光热资源综合指数最优的滇西南和滇南及滇中以北的华坪带相比，光热量和水分的综合利用稍差，说明元谋因降水少，气候干燥，影响了热量和光资源的有效利用。

图1 a：第1主成分热量因子； b：第2主成分光日照因子； c：第3主成分湿润因子； d：综合评价指数

3.2 元谋县降水和几个特殊影响时段的气温变化特征

自20世纪80年代以来，元谋盆地大量引入芒果、龙眼等热带、亚热带及适合干热气候条件下种植的新疆蜜枣等木质水果种植，使得绿地面积较前30年快速增长，生态改善较快，年蒸发量较前两个30年减小，近3个30年(20世纪60—80年代、70—90年代、20世纪80年代至2010年)平均值分别为3 516mm/年、3 090mm/年和2 889mm/年，年平均相对湿度较前两个30年有所增加，年平均值分别为54%、56%和58%。1991—2010年的20年间，日最高气温高于38℃的日数由20世纪60—80年代的45d/10年减少为15d/10年，日平均气温在25～30℃之间的日数由108d/年减少为105d/年，日最低气温低于4℃的日数由70d/10年增加至74d/10年，日最低气温低于0℃的日数由1.6d/10年增加至4.5d/10年，除受2009年以来云南滇中异常的持续干旱气候影响外， 3—10月(长夏季)时段平均气温和最冷时段(12月下旬至次年1月上旬)平均最低气温有明显的下降趋势变化； 年降水量和对年降水贡献大的雨季降水量呈微减少趋势变化。

3.2.1 元谋县降水和几个特殊影响时段气温的气候倾向分析

元谋县降水和气温年际变化趋势倾向显示(图2)，近54年来元谋县年降水量和雨季降水量呈微减少趋势变化，变化倾向分别为-0.64mm/年和-0.62mm/年，趋势系数0.089和0.092，下降趋势不显著(未通过0.1信度检验)，如图2a-b所示； 11—2月(冷时段)时段平均最低气温下降趋势较明显，变化倾向为-0.011℃/年，趋势系数0.215(未通过0.1信度检验)如图2c所示； 最冷时段12月第5候平均气温下降趋势明显，变化倾向为-0.036℃/年，趋势系数0.3032(通过了0.05的信度检验)，如图2d所示； 3—10月(长夏季)时段平均气温下降趋势较明显，为-0.009℃/年，趋势系数0.255(通过了0.01的信度检验，但未通过0.05信度检验)，如图2e所示； 11—2月(冷时段)时段平均气温呈微下降趋势变化，变化趋势为-0.005℃/年，趋势系数0.1095(未通过0.1信度检验)，如图2f所示。

图2 1961—2013年元谋县降水和气温年际变化趋势：(a)年降水量； (b)雨季降雨量； (c)11—2月平均最低气温； (d)最冷时段平均气温； (e)3—10月平均气温； (f)11—2月平均气温

3.2.2 元谋县降水和几个特殊时段影响气温的突变分析

元谋县近54年(1961—2014年)几个统计时段的降水和气温用Mann-Kendall方法进行突变检验分析(图3)。图3a 中1962—1966年UF曲线呈波动上升， 1967—1989年UF曲线呈波动下降， 1990—2001年UF曲线呈波动上升， 2002—2014年UF曲线呈波动下降，UF曲线在置信区间与UB曲线有5个突变交点(均未通过0.05的信度检验)分别发生在1963、1975、1977、2010和2013年，年降水量总体变化不显著； 图3b中UF呈波动式下降， 1962—1964年UF曲线上升， 1964—2008年呈波动下降，UF曲线在置信区间与UB曲线有3个突变交点，分别是1962、1963和1964年， 1992年UF曲线呈显著下降变化，通过了0.05信度检验，长夏季时段平均气温下降趋势变化显著； 图3c中UF曲线呈波动下降， 1961—1966年UF曲线波动上升， 1967—1971呈波动显著下降， 1972—1974年UF曲线波动上升， 1975—2014年UF曲线波动下降，UF曲线在置信区间与UB曲线有3个突变交点，分别为1962、1963和1964年，其中1971年和1991年两次通过0.05信度检验，干季时段平均气温下降趋势变化显著； 图3d中UF1961—1967年UF曲线波动上升， 1968—2001年UF曲线波动下降， 2002—2012年UF曲线波动上升， 2013—2014年UF曲线波动下降，UF曲线在置信区间与UB曲线有2个突变交点，分别为1963和1971年， 1996年显著下降，通过0.05信度检验，最冷时段平均最低气温下降趋势变化显著。

图3 1961—2013年元谋县降水和气温变M-K检验结果(a)年降水量； (b)3—10月平均气温； (c)11—2月平均气温； (d)最冷时段平均最低气温

3.2.3 元谋县降水和几个特殊影响时段气温的周期分析

元谋县降水和气温在不同时间尺度上振荡周期分析见图4。图4a表明，年降水量存在2—4年、6—8年、16年和26年的周期振荡，以26年左右的周期振荡最强，为第一主周期，其次分别为16年、2—4年、6—8年， 16年左右周期在20世纪80—90年代与26年左右周期叠加， 4年周期振荡在2002年以前最明显， 6年、8年周期振荡分别出现在20世纪60年代和2003年以后时段； 图4b表明， 3—10月(长夏季)时段平均气温存在2—4年、6年、17年和25年左右的周期振荡，以25年左右的周期振荡最强，为第一主周期，其次分别为6年、17年、2—4年， 6年左右的周期振荡在2007年以前最明显， 17年左右的周期振荡在20世纪80—90年代最明显， 2年和4年周期振荡在20世纪60、70及90年代以后最明显； 图4c表明， 11—2月(冷时段)时段平均最低气温存在2年、8年和11年左右的周期振荡，以11年左右的周期振荡最强，为第一主周期，其次分别为8年、2年， 11年左右周期振荡在1966—2009年间最明显， 8年左右周期振荡在20世纪60—70年代和2005年以后最明显， 20世纪80年代中期至00年代中期与11年左右周期相叠加， 2年左右周期振荡在2008年以前最明显， 2010年以后与8年左右周期叠加； 图4d表明， 11—2月(冷时段)时段平均气温存在3年、8年左右周期振荡，以8年左右周期振荡最强，为第一主周期， 3年左右周期在2000年以后与8年左右周期叠加； 图4e表明，最冷时段(12月下旬至1月上旬)平均最低气温存在3—4年、6—9年和19年左右周期振荡，以19年左右周期振荡最强，为第一主周期，其次分别为3—4年、6—9年， 19年左右周期在20世纪60年代中期至2002年时段最明显， 3—4年左右周期在2007年以前最明显，部分年代与6年左右周期相叠加， 6年左右周期在20世纪60—70年代及2007年以后最明显。

4 讨论与结论

(1)金沙江一级支流，龙川江下游纵贯元谋盆地，丰富的外来过境水资源使元谋丰富的光热量资源得到了最大限度利用。该文以云南省125个县市的气温、降水、日照、晴天日数和相对湿度等气象因子做的主成分分析，首次定量分析和客观评价了元谋盆地的热量、光日照和干湿成分特征及其干热气候在云南干热河谷气候区中的独特性； 首次同时用气候倾向变化、Mann-Kendall突变和小波周期振荡方法深度分析了1961—2014年元谋县年降水量、雨季降水量、3—10月(长夏季)时段平均气温、11—2月(冷时段)时段平均气温、平均最低气温和最冷时段平均气温的变化特征及日最低气温低于0℃、4℃的日数，日最高气温高于38℃的日数，日平均气温在25～30℃之间的日数的年际间变化。

(2)用主成分分析法对元谋盆地的热量、光日照和干湿成分及其在云南相似气候区中的客观定位评价结论，与元谋长夏无冬、太阳辐射强、年日照时数多、空气湿度小、年降水量少干热气候特征存在一致性[25-26]； 气候倾向变化分析、突变检验分析和周期振荡分析对年降水量和几个特殊影响时段气温分析结论中，几个特殊影响时段平均气温呈下降趋势变化及日最低气温低于0℃、4℃的日数，日最高气温高于38℃的日数，日平均气温在25～30℃之间的日数的年际，与全球气候变暖呈反相关，与起树华等的研究结论一致[11， 18]； 年降水量存在的26年、16年和2～4年周期振荡，与尤卫红等研究结论相近[19]； 最冷时段平均气温和11—2月(冷时段)平均气温呈下降变化倾向，并存在3—4年、8—11年和19年的周期变化特征。其中，几个特殊时段气温变化倾向可能与近几十年元谋大量引种木质水果，复种指数提高，绿地面积增大和生态改善有关； 2009年后年降水量和气温的转折变化，对应云南持续干旱的极端气候； 各特定时段平均气温、极端气温、特别是冷时段气温变化，预见了干热气候区可能遭遇的低温冷害风险[27]。分析结论对推进元谋冬春蔬菜种植、热带水果引种、粮食和冬季繁制种等的科学规划、风险评估等具有重要的参考和提示作用，同时也为元谋特色农业核心区发展规划和建设提供了理论支撑。

几种数学统计分析方法对云南省不同统计时段降水、平均气温，光日照、湿度、结冰日数、晴天日数和元谋县近54年不同统计时段降水、气温的分析，研究评价了元谋县干热气候资源及不同统计时段降水、平均气温的倾向变化、突变性和周期性特征，结论如下。

(1)主成分分析结论。元谋县为云南省高热量、最强光日照和高度干燥气候区。热量因子主成分得分排云南省第8位，北纬25°以北的盆地中排云南省第1位； 光日照因子主成分得分排云南省第1位； 干湿因子主成分得分排云南倒数第2位； 干湿气候综合评价指数得分排云南省第9位。

(2)气候倾向分析结论。元谋县年降水量和雨季降水量呈微减少趋势变化， 2001年以来，减少趋势较明显，未通过0.1信度检验； 各统计时段的平均气温整体呈下降趋势变化，最冷时段(12月第5候)平均气温下降趋势变化最明显，通过0.05信度检验，长夏(3—10月)时段平均气温下降明显，通过0.1信度检验， 11—2月(冷时段)的时段平均最低气温和平均气温下降均未通过0.1信度检验。

(3)M-K突变检验分析结论。元谋县年降水量和几个统计时段气温突变主要发生在20世纪70年代中期之前，只有年降水量在2010年发生了1次突变。年降水量2001年之前无明显化， 2001年之后微波动下降，变化均未难过0.05信度检验； 3—10月(长夏季)平均气温下降明显， 1992年后UF曲线呈显著下降变化，通过0.05信度检验； 最冷时段平均气温在1971年发生突变后呈明显的波动下降， 1996年呈显著下降，通过0.05信度检验； 11—2月(冷时段)时段平均气温下降趋势变化显著， 1971和1991年两次突变通过0.05信度检验。因受全球气候变化和云南持续干旱影响，几个统计时段气温分别于气温2001和2009年后波动上升。

(4)小波周期分析结论。元谋县年降水量存在2—4年、6—8年、16年和26年的周期振荡， 26年周期振荡最强，为主周期，其次分别为16年、2—4年、6—8年； 3—10月(长夏季)平均气温存在2—4年、6年、17年和25年周期振荡， 25年周期振荡最强，为主周期，其次分别为6年、2—4年、17年； 11—2月(冷时段)平均最低气温存在2年、8年、11年的周期振荡， 11年左右的周期振荡最强，为第一主周期，其次为8年、2年； 11—2月(冷时段)时段平均气温存在3年、8年左右周期振荡， 8年左右周期振荡最强，为第一主周期，其次为3年； 最冷时段(12月下旬至1月上旬)平均最低气温存在3—4年、6—9年、19年左右周期振荡， 19年左右周期振荡最强，为第一主周期，其次分别为3—4年、6—9年。