云南省干旱災(zāi)害時空變化特征

祁俊青 于文金 謝濤 任滿亮

摘要：利用云南省1956-2010年55年實測氣象資料，對云南省的氣溫和降水量進行了小波周期分析，再計算16個代表站點歷年逐日的綜合氣象干旱指數(shù)（ Ci），統(tǒng)計近60年各站點出現(xiàn)的干旱過程，分析云南省各地區(qū)干旱發(fā)生的頻率、不同等級干旱發(fā)生的多年平均天數(shù)，揭示云南省干旱發(fā)生的時空分布特征。結(jié)果表明：（1）云南省氣溫呈現(xiàn)冷暖年交替變化規(guī)律，存在明顯的4年左右變化主周期，在1980年之后氣溫呈逐步上升的趨勢;降水量變化呈現(xiàn)波動狀態(tài)，相對穩(wěn)定，存在2年左右的變化主周期。（2）空間變化上，全省大范圍地區(qū)都有干旱發(fā)生，干旱分布整體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增強的特點;干旱天數(shù)最多區(qū)域出現(xiàn)在東南部地區(qū)，而西南地區(qū)干旱天數(shù)較少。（3）季節(jié)變化上，春旱較易發(fā)生，干旱頻率的多年平均值達到60%以上，夏季和秋季干旱頻率相對小些，而冬旱發(fā)生的頻率最高，但對人類的影響較小。

關(guān)鍵詞：云南;干旱;綜合氣象干旱指數(shù)（C/）;時空分布

中圖分類號：S565.101

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（ 2019） 03-0631-08

新世紀以來，全球氣候變化加劇，極端天氣事件頻發(fā)[1]，氣象災(zāi)害造成的損失日益嚴重，防災(zāi)減災(zāi)、風險評估和分析成為研究的熱點[2]。旱災(zāi)是眾多災(zāi)害中對人類的影響較為嚴重的災(zāi)害之一[3-4]。干旱災(zāi)害是指由于干旱缺水造成的災(zāi)害，是一種復(fù)雜的自然災(zāi)害，其形成原因、發(fā)生程度和造成的影響除去自然環(huán)境因素外[5]，人類活動干擾作用也日益顯著。干旱災(zāi)害對自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和許多的經(jīng)濟和社會部門都有深遠而廣泛的影響[6]。中國西南地區(qū)本是一個濕潤地區(qū)，但近年來卻旱災(zāi)頻發(fā)[3-11]，受到人們的普遍關(guān)注，因此對西南地區(qū)的干旱形成、發(fā)展、特征及演變研究就顯得尤為必要。本研究以云南省為例，對云南省旱災(zāi)的分布特點、波動情況和形成機制進行分析，對提高云南省干旱災(zāi)害的預(yù)測水平、防御和減輕干旱災(zāi)害所帶來的經(jīng)濟損失提供理論基礎(chǔ)。

1 資料與方法

云南省位于北緯20°8′32″～ 29°15′8″和東經(jīng)97°31′39″-106°11′47″，地處中國西南邊陲[3]的高原地區(qū)，總面積4. 94x10 km。云南北依亞洲大陸，南臨印度洋和太平洋，受全球最強盛的印度季風和東亞季風的交叉影響，以及青藏高原的影響，加上復(fù)雜多樣的自然地理環(huán)境形成了四季不分明、干濕季節(jié)分明的氣候特點，降水變率較大[11-19]。

1.1 資料

本研究所用氣象資料由國家氣候中心提供，剔除由于站點變動以及缺測量較大等原因造成的數(shù)據(jù)資料不全的站點。為選擇足夠數(shù)量的典型站，使采用的降水資料能夠代表研究區(qū)降水情況并滿足后續(xù)分析計算的基本要求，根據(jù)多步迭代估計方法對站點最優(yōu)數(shù)量進行估計，從而得出最佳樣本數(shù)量，選取置信水平為95%的Student t檢驗得到置信區(qū)間，共選取了云南省16個站點及其周邊15站（參考站），其分布情況見圖1。數(shù)據(jù)經(jīng)嚴格訂正，并采用克里克插值法對缺失站點進行數(shù)據(jù)補缺，研究時段為1956-2018年。災(zāi)情資料取自《新中國農(nóng)業(yè)60年統(tǒng)計資料》[20]，《中國氣象災(zāi)害大典一云南卷》[21]包括云南省1956-2018年各年的成災(zāi)面積和受旱面積情況。

1.2 方法

1.2.1 綜合氣象干旱指數(shù)計算所用干旱指標是由國家氣候中心張強等研發(fā)的集標準化降水指數(shù)、濕潤度指數(shù)及近期降水量為一體的綜合干旱指數(shù)（Ci）[22]。Ci作為中國國家氣象干旱等級標準，已被業(yè)務(wù)部門廣泛使用。該指標適用于實時氣象干旱監(jiān)測和歷史同期氣象干旱評估。綜合氣象干旱指數(shù)（ Ci）的計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 云南省近60年來氣候變化特征

研究發(fā)現(xiàn)，近60年來云南省的氣溫變化存在著波動，冷暖年交替，但整體增溫趨勢較明顯，增溫趨勢斜率為0.021 5。整體上分為2個階段：1980年以前基本保持相對穩(wěn)定的水平，1980年之后，呈現(xiàn)明顯上升趨勢（圖2），這與全球變暖的整體趨勢相一致。

云南省1956-2011年平均氣溫的Morlet小波分析結(jié)果顯示，平均氣溫變化有2個明顯的時間周期，分別是3-5年和7- 10年的周期。在1965 -1972年、1982-1986年、1992-2010年這3個時間段內(nèi)以3-5年的周期為主，在1992- 2010年這段時間內(nèi)，振蕩穩(wěn)定，周期在2001年之前有減小的趨勢，之后有增大的趨勢;在2010年等值線沒有完全閉合，說明在未來的幾年內(nèi)云南省是處于偏暖期的。在1968-1994年間，主要以7-10年的周期為主，研究時域內(nèi)振蕩穩(wěn)定。1994年之后，以中尺度周期12年為主，7 -10年的周期振蕩消失，從12年的尺度周期看，在2010年等值線還未閉合，即表明在這個尺度上預(yù)測未來的幾年里，云南省處于偏暖期。在小尺度周期上，相應(yīng)存在突變點和冷暖交替。由圖3

通過對云南省近60年中降水量波動規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，云南省近60年來降水量雖在一定范圍內(nèi)有所波動，但總體上維持在一個相對穩(wěn)定的水平，只是近年來有波動振幅變大的趨勢（圖4）。說明近年來，該區(qū)域極端氣候現(xiàn)象頻率增加，例如，2008年降水尤其多，2009年則降水很少。

通過降水量Morlet小波分析可以看到，近60年的年降水量存在多個尺度的周期，比較復(fù)雜。存在4個明顯的特征時間尺度，分別為2年、6-7年、8-10年和15 -17年。其中，2年的周期振蕩基本貫穿整個研究時域，表現(xiàn)穩(wěn)定，在2000年后，周期振蕩逐漸消失;6-7年的周期存在于1979年之前，期間周期穩(wěn)定，之后周期振蕩消失，以5年的周期為主，且周期有隨著時間的延長而增長的趨勢;周期8 - 10年幾乎貫穿整個研究時域，從1962年開始，周期振蕩比較穩(wěn)定，但是周期有減小的趨勢;15 - 17年的周期振蕩貫穿整個研究時域，在這個尺度上近55年來云南省的降水大致經(jīng)歷了少一多一少的過程，而在2010年等值線還未完全閉合，說明2010以后的幾年里在該周期上降水量正處于偏少期，幾個震蕩周期均說明在2010年后降水量偏少（圖5）。這些周期決定了降水量在整個時域內(nèi)的變化特性。其中2年的擾動能量很大，其次是6-7年、8-10年，最后是15 -17年的周期?？梢?，2年的周期是主周期。

2.2 云南省近60年來干旱特征

2.2.1 云南省干旱頻率對云南省近60年來由Ci計算分級得到的干旱發(fā)生特征進行分析得到四季干旱分布頻率圖（圖6）;云南地區(qū)的降水量四季分布極不均勻，這就造成了四季干旱分布的差異。全省春旱發(fā)生的頻率都較高，最低的西北部也達到60%以上，向南逐漸增大，到楚雄、景東、昆明等中部地區(qū)達到84%，東南部地區(qū)也達到81%。春季各地區(qū)降水量僅占年降水量的5%-20%，再加之雨季出現(xiàn)的早晚不定，而春季作物需水量又很大，因此，春季很容易發(fā)生干旱。在全省大部分地區(qū)，有80%的降水集中在夏季和秋季，因此夏季和秋季干旱頻率相對較小。夏旱頻率最大值發(fā)生在東南部地區(qū)，小于60%，全省平均干旱頻率在40%左右，以西南地區(qū)頻率最小;而秋旱的分布情況基本與夏季相似。全省大部分地區(qū)的夏旱多出現(xiàn)在夏初，當夏初旱前是春旱時，就將有很大可能發(fā)生春夏連旱，夏旱的特點是持續(xù)時間短，地區(qū)分布多為局部性，影響不大;而秋旱則以晚秋旱影響較大，容易造成作物出苗不齊或作物出苗后由于缺水出現(xiàn)長勢不好而減產(chǎn)。全省范圍內(nèi)冬旱頻率都達到80%以上，這與冬季降水量僅占年降水量的5%左右是密切相關(guān)的，但由于冬季氣溫低蒸發(fā)少，農(nóng)作物需水少，因此冬季干旱很少造成旱災(zāi)，對人類生活、生產(chǎn)活動影響不明顯。

2.2.2 云南省干旱時空分布特征研究結(jié)果顯示，云南全省大部分地區(qū)都有不同程度的干旱發(fā)生，輕旱發(fā)生的天數(shù)最多，其次是中旱，重特旱發(fā)生的天數(shù)較少，一年中全省平均重特旱天數(shù)為24 d左右，中旱44 d左右，輕旱60 d左右，這與前人的研究結(jié)果趨于一致[24]。

云南省歷年和各季節(jié)不同等級干旱空間分布圖（圖7）顯示，全省全年大部分地區(qū)都有不同程度的干旱發(fā)生，各強度干旱發(fā)生的天數(shù)均較多，輕旱發(fā)生的天數(shù)最多，其次是中旱，重特旱發(fā)生的天數(shù)較少。干旱空間分布整體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增多的特點。最大干旱天數(shù)均出現(xiàn)在云南省東南部地區(qū)，重特旱天數(shù)的多年平均最大值在28 d以上，中旱天數(shù)的多年平均最大值在50 d以上，輕旱天數(shù)的多年平均最大值在64 d以上。而云南省西北部地區(qū)干旱天數(shù)則較少。一年中全省平均重特旱天數(shù)在24 d左右，中旱天數(shù)在44 d左右，輕旱天數(shù)在60 d左右。

春季重特旱的分布情況為由西北向東南逐漸增多，大部分地區(qū)重旱天數(shù)在7d以上，重特旱的最高值出現(xiàn)在東南大部地區(qū)以及東北角;楚雄一景東一臨滄這一線較易發(fā)生中旱，多年平均值在16 d以上，這一帶的四周干旱天數(shù)逐漸減少;輕旱分布情況也是由西北向東南逐漸增多，符合云南省干旱分布的整體特征，全省大部分地區(qū)都較易發(fā)生輕旱，西北部多年平均值在16 d以下，其他地區(qū)均在17 d以上。綜上所述，云南省春旱的空間分布為：全省大部分地區(qū)較易發(fā)生春旱，以中部和東南部地區(qū)較為嚴重，西北部地區(qū)較弱，全省范圍多年平均干旱天數(shù)達到40 d左右。

夏季重特旱分布以西北一東南向較強，多年平均在5d左右，東北部和西南部地區(qū)平均天數(shù)為2-3d;中旱的分布與重特旱相似，以東南部地區(qū)較強，全省多年平均天數(shù)在4d左右;輕旱以西南部地區(qū)較弱，其他地區(qū)多年平均值在10 d以上。云南省夏旱的空間分布為：整體干旱程度較弱，以東南部和西北部地區(qū)稍微偏強，全省范圍多年平均干旱天數(shù)在16 d左右。

秋季全省范圍內(nèi)重特旱和中旱很少發(fā)生，僅在東南部地區(qū)出現(xiàn)，程度較輕;而輕旱以東南部和西北部地區(qū)較多發(fā)生，多年平均天數(shù)在16 d左右。云南省秋旱的空間分布為：全省范圍秋旱很少發(fā)生，以東南部地區(qū)相對較強，全省范圍多年平均干旱天數(shù)為24 d左右。

冬季重特旱分布呈現(xiàn)東部地區(qū)強、西部地區(qū)弱的形式;中旱呈緯向分布，干旱天數(shù)由南向北逐漸減少;輕旱以中部地區(qū)最為嚴重，四周逐漸減弱。云南省冬旱的空間分布為：以中南部地區(qū)干旱較易發(fā)生，全省范圍多年平均干旱天數(shù)在40 d左右。2.2.3基于REOF的近60年云南春季降水時空特征春季是該省干旱的主要季節(jié)，所以對春季的降水規(guī)律進行分析。通過旋轉(zhuǎn)主成分（ REOF） [25]分析，分析該省的降水變化。使用1961年到2018年3月到5月云南省春季降水資料進行REOF分解。由表2可知，前5個模態(tài)的方差貢獻率之和約為70%。其中第1模態(tài)的方差貢獻率為38%，是主要的區(qū)域分布形式。第1模態(tài)和第2模態(tài)見圖8。在第1模態(tài)中，特征向量場都為正值，說明降水趨勢一致，數(shù)值的高值位于南部地區(qū)。特征值的時間系數(shù)轉(zhuǎn)折點在上世紀80年代左右，之后正值居多。說明該時間段內(nèi)降水的空間趨勢一致性是增強的。第2模態(tài)顯示，南北兩部分地區(qū)為相反的形式，即北部地區(qū)降水少、南部地區(qū)降水多的分布形式。區(qū)域分布的臨界區(qū)為270N- 300N。特征向量值代表的時間系數(shù)表明在上世紀80年代后這種形式呈現(xiàn)相反的趨勢，即北部地區(qū)降水逐漸增多，南部地區(qū)降水減少。第2模態(tài)方差貢獻率只有10%，不作為主要參考。

2.2.4 云南省干旱成災(zāi)驗證 通過查閱中國災(zāi)害統(tǒng)計年鑒、云南省災(zāi)害年鑒等文獻和數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，1956-2018年62年來云南省各種災(zāi)害中旱災(zāi)持續(xù)時間最長，多為季節(jié)性干旱、連季干旱或連年干旱。因此，旱災(zāi)是對云南省影響范圍最廣的災(zāi)害之一。分析近60年云南省旱災(zāi)資料（圖9）發(fā)現(xiàn)，云南省在20世紀80年代以前旱災(zāi)較輕，但之后呈現(xiàn)明顯加重趨勢，且旱災(zāi)發(fā)生頻率增加，平均3年左右就有一大旱年，這也驗證了本研究結(jié)果。2000年以來，云南省旱災(zāi)有加劇的趨勢，而且發(fā)生頻率增加，這反映了全球變暖對區(qū)域氣候的影響。

3 結(jié)論

（1）云南省升溫變化趨勢較明顯，而降水波動基本保持穩(wěn)定。1980年以前溫度基本保持在相對穩(wěn)定的水平，1980年之后，呈現(xiàn)明顯上升趨勢;冷暖年交替，存在明顯的4年左右變化主周期。降水量變化呈波動狀態(tài)的周期分布，相對穩(wěn)定，存在2年左右的變化主周期。（2）季節(jié)變化上，春旱較易發(fā)生，平均干旱頻率達到70%，影響也最嚴重;夏旱和秋旱頻率較小，夏旱主要發(fā)生在夏初，秋旱主要發(fā)生在秋末;而冬旱發(fā)生的頻率最高，但對人類的影響較小。（3）空間變化上，全省大范圍地區(qū)都有干旱發(fā)生，干旱分布整體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增強的特點;干旱天數(shù)最多區(qū)域出現(xiàn)在東南部，而西南區(qū)域干旱天數(shù)較少。除西北部地區(qū)之外，其他區(qū)域春旱均較嚴重。（4）對春季云南降水資料進行REOF分解后發(fā)現(xiàn)，前5個模態(tài)的累計方差貢獻率為69.779%。在第1模態(tài)中，特征向量場都為正值，這說明降水趨勢一致，高值位于南部地區(qū)。特征值的時間系數(shù)的轉(zhuǎn)折點在上世紀80年代左右，80年代后正值居多。這說明，該時間段內(nèi)降水的空間趨勢一致性是增強的。

對比同緯度鄰近省份廣西和廣東的干旱災(zāi)害情況[25-28]，結(jié)果顯示云南省春季和夏初干旱無論從頻率還是災(zāi)情嚴重程度、成災(zāi)面積均高于鄰近省份，呈現(xiàn)不同的災(zāi)害特色。下一步研究方向為探討云南災(zāi)害的成因機制和災(zāi)情預(yù)測。

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（責任編輯：張震林）