川西北高原甘孜州地区降水变化特征及旱涝研究

2019-10-19李永飞

水土保持研究 2019年6期

甄英, 李永飞, 何静

(1.内江师范学院地理与资源科学学院, 四川内江 641199; 2.吉首大学旅游与管理工程学院生态旅游湖南省重点实验室, 湖南张家界 427000; 3.成都信息工程大学大气科学学院, 成都 610225)

IPCC评估报告中称近百年全球地表气温升高约0.89℃[1]，全球环流模式与格局正处在调整时期，极端气候事件常常发生[2-3]，我国降水模式也发生深刻变化，部分地区干旱和洪涝等气象灾害频发[4-5]。不少专家学者对此做了大量研究，如昌都市旱涝灾害变化特征具有明显阶段性[6]，川滇地区气候暖干化与旱涝灾害的趋势表明两者的发生频率具有一致性[7]，中国的干旱发生是多种因素作用的结果[8]。因此，通过分析某一地区气候时空变化特征与旱涝之间的关系，对干旱洪涝等气象灾害及其引起的地质灾害的监测预警及防灾减灾具有重要意义。

甘孜州全称甘孜藏族自治州，位于四川省西部，介于北纬27°58′—34°20′，东经97°22′—102°29′，处于青藏高原东南缘向四川盆地过渡地带，在地形上属高原区，自然灾害多发，特别是近年来强降雨引起的山洪、泥石流、滑坡等灾害，以及干旱、冰雹等极端气象事件多发，导致了重大经济损失和人员伤亡[9]。已有较多学者对青藏高原[10-12]、四川盆地[13-15]及川西高原[16-17]的降水特征进行了初步研究，但是针对甘孜州地区降水特征及旱涝的研究较少。通过对甘孜州降水变化情况及时空分布规律的研究，为预测该区旱涝灾害的发生、保障农业正常生产、交通安全以及社会经济健康发展具有重要意义。

1 数据与方法

1.1 资料来源

气象资料来源于中国国家气象服务中心，11个气象站时间连续、均匀地分布在研究区(图1)。数字高程数据(DEM)由地理空间数据云网站提供，分辨率为90 m。

图1 气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall非参数检验 Mann-Kendall非参数检验(简称M-K检验法)是一种揭示时间序列趋势变化及突变特征的非参数统计检验方法，广泛应用于气温、降水、径流等现象的研究中。假设时间序列是随机变量，对于具有n个样本的时间序列x，构造一个秩序列[18]：

U0.05=±1.96

(1)

在时间序列独立的假定下，定义统计量:

(2)

再按时间序列X的逆序重复上述过程，并且令UBk=UFk(k=n,n-1,…，2,1)，UB1=0。

一般取显著性水平α=0.05，那么临界值U0.05=±1.96。将UFk和UBk两序列曲线和±1.96两条直线均绘在一张图上。若UFk和UBk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

1.2.2 小波分析对于给定的小波函数Ψ(t)，离散水文时间序列为取样时间间隔的小波变换为[19]:

(3)

1.2.3Z指数关于旱涝指数目前有很多，如SPI(标准化降水指数)、SPEI(标准化降水蒸散指数)及Z指数等，对旱涝指数的评定目前没有唯一且普遍适用于任何地区的评定标准[23]。然而Z指数在四川和西南地区有很好的适用性[24-25]，因此选用Z指数对甘孜州地区旱涝进行具体研究。

在气象学上Z指数法是一种用来表征旱涝的空间分布以及旱涝程度的数学方法。对于某站的降水数据，假定其月降水量服从皮尔逊—Ⅲ型分布并进行正态化处理，将概率密度函数转换为以Z为变量的标准正态分布。然后根据Z变量的正态分布曲线，划分为7个等级并确定其相应的Z界限值，作为各级旱涝指标[26]，其划分标准见表1。

表1 Z指数旱涝等级划分标准

区域旱涝指标能反映一个区域旱涝的空间分布和旱涝程度[27]，首先利用各单站历年Z指数判断其旱涝程度，然后分别利用不同权重计算区域的洪涝指标I和干旱指标L，即：

(4)

(5)

式中：ni为该区域内旱涝等级分别为1—7的站数(i=1,…,7)；n为区域内站数总和，那么区域旱涝指数HL即为：

HL=(I-L)×100%

(6)

然后根据表2来确定其旱涝类型。

2 降水时空变化特征

2.1 年际变化

通过甘孜州57年来年降水变化分析可知(图2A)，其降水年际变化呈波动上升趋势。为减小极端降水的影响，对降水序列做5 a滑动平均处理，结果显示降水增幅约为21.47 mm/10 a。5 a滑动平均曲线中1986年以前为偏干时期，滑动平均值仅有2 a高于多年均值，说明1986年以前甘孜州的降水量偏少，这与川西高原降水变化规律相似[17]。1986年以后降水偏丰，滑动平均值仅有9 a是低于多年均值。

表2 区域旱涝指数HL等级划分标准

利用ArcGIS软件分析各站57 a的降水分布，采用反距离加权插值法绘制空间分布图(图2B)。降水分布特征为西北干、东南湿，高值位于九龙、康定，低值位于巴塘、石渠。甘孜州区域范围内降水量的空间分布除了受环流、季风的影响，地形也是重要的影响因素。甘孜州地处川西高原，属青藏高原东南部，地势由西北向东南倾斜，由西部雀儿山、沙鲁里山经中部雅砻江至东南大渡河，海拔相差较大，降水逐渐增多[28]。北部石渠、色达一带平均海拔在4 000～4 500 m，属川西北丘状高原区；甘孜—道孚以南、新龙—理塘以东、九龙以北为河谷山原区，雅砻江及其支流鲜水河贯穿全区，河谷从高原面强烈下切，大部分地区海拔在3 900～4 500 m；雀儿山以南、沙鲁里山以西、金沙江以东的巴塘为高山区，不少山岭海拔在5 000 m以上，该区域的降水最少。

图2 降水年际变化和空间分布

2.2 季节变化

将12月—次年2月划分为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。降水量季节变化如图3所示，可见降水主要集中在夏季，而冬季降水量显著低于其他3个季节。春季、夏季、秋季和冬季气候倾向率分别为1.473，0.401，1.637，0.155 mm/10 a，增幅为秋季>春季>夏季>冬季，且秋季和春季的增幅显著大于其他两个季节，说明甘孜州地区降水增加主要是由于秋季和春季的降水量增加造成，这与甘孜州所在的高原位置及其毗邻地区大气环流有关[29]。夏季降水量大且持续增加，因此局部降水造成洪涝和地质灾害的概率也随之增加，应当引起足够的重视。

图3 甘孜州降水季节变化特征

甘孜州降水的季节分布特征如图4所示，冬季和春季变化特征相似，形成东北部色达和东南部康定两个降水中心，以及西南部巴塘和南部稻城是两个相对少雨区，但是春季降水量要远大于冬季降水量，如色达冬季和春季降水量分别为9.17，75.1 mm，巴塘冬季和春季分别只有0.55，18.0 mm。这反映了冬季和春季都主要受西风环流的南支西风急流控制有关，西风急流中常有从亚洲西部移来的高空槽脊越过，来自北方的寒潮有时也可侵入此区，因此寒冷少雨[30]。夏季北部少雨，中心石渠降水仅108.29 mm。除巴塘外，南部夏季多雨，中心九龙降水达174.63 mm。这与夏季西风南支急流北跃，印度低压来临，并常有源自印度洋的暖湿气流—西南季风活动有关。秋季东北部少雨，其中心色达降水16.12 mm；东南部多雨，其中心九龙降水74.71 mm。秋季是环流转变的过渡季节，印度低压减弱而高压逐渐形成[30]，但西南季风尚未完全退出，因山地阻隔，南撤较慢，故秋季南部降雨仍然较多。

图4 甘孜州降水四季空间分布特征

2.3 突变与周期变化

气候突变是气候系统中重要现象之一，主要指气候从一种稳定态跳跃式转变到另一种稳定态的现象[31]。基于M-K非参数检验方法，可见57年内降水序列UF曲线先降后升(图5A)。在整个研究时段内UF与UB曲线在置信度内有3个突变点，即1979年、1982年和1986年。利用Matlab分解出小波系数的实部，绘出等值线图(图5B)，实线是正相位表示降水偏多，虚线是负相位表示降水偏少。图中主要存在两个主周期震荡周期，即以38 a的长周期为主(小波方差图略)，震荡强烈，经历了涝(20世纪60—70年代)—旱(80—90年代)—涝(21世纪以来)3个阶段；中长周期存在着22 a左右的震荡也较为明显，存在涝(60年代)—旱(70年代)—涝(80—90年代中期)—旱(90年代中后期—2007年左右)—涝(2008年左右—今)5个阶段。2010—2017年甘孜州降水正好处于22 a的降水偏多周期中。

图5 降水M-K检验和小波分析

3 旱涝时空变化特征

3.1 年际变化

基于Z指数法计算甘孜州单站旱涝等级状况及区域旱涝等级指标，得出57年来甘孜州旱涝统计直方图(图6)。该地区发生洪涝的概率为38.60%，重涝7 a(1965年、1974年、1998年、2012年、2015年、2016年、2017年)，大涝9 a(1980年、1987年、1991年、1993年、1999年、2000年、2003年、2008年、2013年)，6 a偏涝；旱情概率为36.84%，发生重旱8 a(1961年、1967年、1971—1973年、1983年、1994年、2006年)，大旱8 a(1969年、1977年、1981年、1984年、1986年、1992年、1997年、2002年)，偏旱5 a。由此可见，甘孜州57 a洪涝较干旱频繁，但洪涝更为严重,这与聂光荣等[29]统计的1961—2004年的甘孜州旱涝趋势基本一致。结合前文分析出的降水突变时间可知，前半期60—80年代中期发生干旱频率(62.96%)大于洪涝频率(14.8%)，且干旱强度(重旱22.22%)大于洪涝强度(重涝7.41%)；后半期80年代后期—2017年，发生洪涝频率(60.00%)大于干旱频率(16.67%)，但洪涝强度(大涝16.67%)大于干旱强度(大旱6.67%)。由此可见，降水突变后，干旱强度减弱，洪涝强度增加。

图7为甘孜州的洪涝和干旱频率分布图，57年中甘孜州洪涝频率从西向东逐渐减小，其中中部洪涝灾害最为严重，高值中心为新龙和九龙33.33%，低值中心是东部道孚地区22.81%。干旱频率从西北往西南往、东南往东北减少，高值中心是石渠—德格和稻城地区33.33%；低值中心是道孚地区22.81%。

图6 甘孜州旱涝等级

3.2 四季变化

甘孜州11个气象站点57年间四季旱涝等级次数见表3，春季Z指数等级正常值有254个，占40.51%；洪涝187个，占29.82%，由于近57年各站点的春季降水普遍较少，Z指数对涝情的反应过重，在这里不予考虑[32]；春季干旱186个，占29.67%，且偏旱>大旱>重旱。夏季正常值是252个，占40.19%；洪涝189个，占30.14%；干旱186个，占29.67%。夏季降水虽多，但洪涝和干旱的次数和比例较相似。秋季正常值最多，为279个，占42.90%；洪涝175个，占27.91%；干旱173个，占27.59%。冬季正常值最少243个，占38.76%；洪涝188个，占29.98%；干旱196个，占31.26%。综合来看，甘孜州地区夏季洪涝次数与频率最大，冬季干旱的次数与频率最大，由于冬季降水最少，这反映冬季旱情最为严重。