南方農(nóng)牧交錯帶1960-2017年降水特征及旱澇時空分布特征

張雪茂,杜華明,2,董廷旭,2,邱 豪,廖傳露

(1.綿陽師范學(xué)院 資源環(huán)境工程學(xué)院,四川 綿陽 621000;2.生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室，四川 綿陽 621000)

近年來，由于氣候的異常，導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成了重大的經(jīng)濟損失，嚴(yán)重阻礙了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，對旱澇災(zāi)害的研究引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，國外近年來的研究狀況如下，Urban M C等[1]研究了氣候變化造成的物種滅絕風(fēng)險；Dan Penny等[2]將吳哥窟的考古數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)值模型以此來量化氣候變化對關(guān)鍵城市基礎(chǔ)設(shè)施的影響；Magadza CHD等[3]用極端天氣事件、糧食安全、病媒疾病帶來的健康風(fēng)險等方面的問題來說明了非洲的氣候變化對人類居住地適應(yīng)前景的影響；Zhang H等[4]基于層次貝葉斯模型(BHM)東南亞地區(qū)的氣候變化特征進行了一個較長時間尺度的研究。國內(nèi)眾多學(xué)者對此類研究，如襲祝香等[5]利用距平累積、Mann-Kendall、變差系數(shù)等方法對松遼流域1961—2017年極端降水變化特征進行了研究，得出了目前松遼流域處于極端降水偏強階段，使得該區(qū)域?qū)O端降水災(zāi)害的防范和應(yīng)對能力有極大的增強；杜華明等[6]將數(shù)理統(tǒng)計方法與ArcGIS空間分析技術(shù)相結(jié)合對岷江流域的降水特征及旱澇災(zāi)害的發(fā)展趨勢進行了分析，得出該區(qū)域由澇轉(zhuǎn)旱的趨勢明顯，有利于該區(qū)域的政府在未來一段時間內(nèi)做好防旱抗旱的決策工作；羅那那等[7]基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)運用趨勢分析法、EOF法、REOF法等對北疆地區(qū)近52 a旱澇變化特征進行了相關(guān)分析；李爍陽等[8]采用M-K趨勢檢驗、Morlet小波、Z值法及EOF等分析計算方法對湖北省降水及旱澇時空分布特征進行了相關(guān)的研究，對湖北省依據(jù)旱澇時空分布開展防洪抗旱工作提供了一定的理論依據(jù)。以上國內(nèi)外專家、學(xué)者通利用距平累積、Mann-Kendall、變差系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、趨勢分析等數(shù)理統(tǒng)計方法與ArcGIS空間分析相結(jié)合對非洲、松遼流域、岷江流域等地的降水和旱澇災(zāi)害特征的研究都取得了顯著的成效。但是在對四川貧困連片區(qū)的降水空間特征及旱澇災(zāi)害的研究暫時還涉及不足，因此本文借鑒前人專家、學(xué)者的相關(guān)經(jīng)驗以及方法結(jié)合實際情況，選取南方農(nóng)牧交錯帶作為研究區(qū)域進行研究。

南方農(nóng)牧交錯帶[9]位于25.55°—34.31°N，98.14°—104.42°E，地處于我國第一級階梯和第二級階梯交界處，是青藏高原與四川盆地農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的過渡地帶[10]。交錯帶內(nèi)地形地貌以山地和高原為主，均海拔大于3 000 m。區(qū)內(nèi)河流水系分布較多，主要江河有怒江、瀾滄江、金沙江、雅礱江、大渡河、岷江等[10]，行政區(qū)劃上包括四川省的阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和云南省迪慶藏族自治州[10]。交錯帶內(nèi)的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，在氣候、生物、土壤等自然要素和人類活動的影響中具有過渡性和波動性的特點，即在人類活動和地表過程影響下表現(xiàn)出敏感性和不穩(wěn)定性，因而導(dǎo)致該區(qū)域在受到外界因素的影響時生態(tài)環(huán)境經(jīng)常受到?jīng)_擊和破壞[11]。其中，氣候作為該區(qū)域的大尺度的背景要素，是影響脆弱環(huán)境形成的主導(dǎo)因素之一，該區(qū)域的主要氣候類型為高原山地溫帶、寒溫帶季風(fēng)性氣候，夏季受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響，降水豐沛；冬季受西北季風(fēng)影響，氣候寒冷，降水較少，降水極其不穩(wěn)定。交錯帶內(nèi)地廣人稀，少數(shù)民族較多。由于自然、社會等客觀因素的限制影響，致使該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展相對緩慢，屬于典型的貧困連片區(qū)。

本文選取研究區(qū)域23個氣象站點的逐日降水資料，使用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[12]刻畫旱澇特征，采用小波分析法[13]，克里金空間插值法[14]等方法分析近58 a來南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)的降水時空變化特征及旱澇災(zāi)害發(fā)生的時間特征和空間格局，從而掌握該區(qū)域旱澇災(zāi)害形成和演化的基本規(guī)律，為南方農(nóng)牧交錯帶旱澇災(zāi)害評估、預(yù)測及災(zāi)害的積極應(yīng)對等提供較好的科學(xué)依據(jù)，以最大限度減輕旱澇災(zāi)害對該區(qū)域造成的經(jīng)濟損失。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究的數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，選取分布于該區(qū)域范圍內(nèi)的23個氣象站點(圖1)，但是由于貢山、麗江和六庫3個站點的降水?dāng)?shù)據(jù)由于觀測年份不完整，缺測數(shù)據(jù)較多，因此對該區(qū)域內(nèi)的氣象站點進行了篩選，剔除了數(shù)據(jù)不完整的3個站點，最終選取了該區(qū)域20個站點的降水?dāng)?shù)據(jù)進行了預(yù)處理，經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)通過Kappa數(shù)據(jù)一致性檢驗。用處理之后的數(shù)據(jù)來構(gòu)建以月、季節(jié)、年為時間尺度的時間序列，SPI1表示月平均降水量的時間序列；SPI3表示季平均降水量的時間序列[6]，其中3月、4月、5月為春季，6月、7月、8月為夏季，9月、10月、11月為冬季，12月—笠年1月、2月為春季；SPI6和SPI12則屬于年平均降水量的時間序列[6]，以此來開展南方農(nóng)牧交錯帶旱澇災(zāi)害時空分布特征的研究。

圖1 農(nóng)牧交錯氣象站點分布

1.2研究方法

1.2.1 克里金插值法(Kriging) 利用克里金空間插值法進行插值，其是假定采樣點之間不存在潛在的全局趨勢，只用局部的要素就可以估測非采樣點的值，其基本原理是根據(jù)相鄰變量的值，利用變異函數(shù)揭示的區(qū)域化變量的內(nèi)在聯(lián)系來估計空間變量數(shù)值[14]。其表達式如下:

(1)

式中:Z(x0)為x0處的預(yù)測值；Z(xi)為xi處的測量值；λi為克里金權(quán)重系數(shù)；n為測量雨量站個數(shù)。變異函數(shù)的形式是克里金內(nèi)插質(zhì)量的關(guān)鍵，目前常用的變異函數(shù)模型有:球面、指數(shù)、高斯、冪和線性模型等[14]。本文通過對原始數(shù)據(jù)進行分析，選擇球面模型作為普通克里金法的變異函數(shù)理論模型，同樣采用離中心點最近的20個站點數(shù)據(jù)來進行插值。

1.2.2 小波分析(Waveletanalysis) 小波分析(Waveletanalysis)[13-15]是時間—頻率分析領(lǐng)域近年來迅速發(fā)展的一種新技術(shù)，具有多時間尺度、多層次和多分辨的特性。其基本思想是用一小簇小波函數(shù)來表示或者逼近某一函數(shù)或信號，因此小波函數(shù)是小波分析的關(guān)鍵，其是指能夠快速的衰減到零且具有震蕩性的一類函數(shù)[16]。其公式為:

Ψ(t)∈L2(R)

(2)

且滿足：

(3)

式中：Ψ(t)為基小波函數(shù)，它可通過尺度周期的伸縮和時間軸上的平移從而形成一簇函數(shù)系：

(4)

式中：Ψa,b(t)為子小波；a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為平移因子，反映的是時間上的平移[13]。

本文即應(yīng)用小波分析原理對南方農(nóng)牧交錯帶近58年來的年和各季W(wǎng)指數(shù)進行各季節(jié)震蕩周期分析。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI) 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)是McKee等[15]提出的衡量某個區(qū)域月以上尺度旱澇程度的指數(shù)，能較好地表征干旱強度和持續(xù)時間。SPI指數(shù)首先利用Γ分布概率來描述降水量的變化，再將此頻率進行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化后的降水累積頻率分布來劃分干旱等級[16]。干旱劃分等級參照《氣象干旱等級GB/T20481—2017》國家標(biāo)準(zhǔn)，其計算步驟見參考文獻[16]。干旱等級劃分見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)(SPI)與旱澇等級

2 降水量時空變化特征分析

2.1 年降水量時間變化特征分析

圖2是南方農(nóng)牧交錯帶年均降水量時間分布圖，由圖2可知，該區(qū)域近58 a來的年平均降水量為709.3 mm；1998年的年平均降水量最高可達到862.35 mm/a，比平均值高出了21.5%，而降水量最少的年份是1967年，降水量為612.58 mm，兩者之間相差了249.77 mm，降水量的年際變化較大。從圖2的還可以看出，研究區(qū)的降水量在58 a以來呈遞增的趨勢發(fā)展，增長率為3.98 mm/10 a。從變化階段看，1983—1998年降水量呈明顯的上升趨勢，20世紀(jì)60年代前期、90年代的降水量明顯高于多年降水量的平均值，降水較為豐沛，相比較而言在該時間段內(nèi)為該區(qū)域的多雨期；而在20世紀(jì)60年代后期到80年代前期的大部分年份、2006年、2011年的降水量明顯低于平均水平，可以看出其降水量值為58 a中的最低值，說明在該時間段內(nèi)，該區(qū)域的降水量較少，為較明顯的枯水期。

圖2 南方農(nóng)牧交錯帶年平均降水量變化趨勢

2.2 年均降水量變化周期分析

為了進一步揭示南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)降水量在時間尺度上變化的多樣性以及更深一步的了解其降水的周期性變化特征，利用Matlab軟件的小波分析法對南方農(nóng)牧交錯帶的多年平均降水量數(shù)據(jù)進行周期序列分析，分析南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)在58 a降水過程中旱澇發(fā)生情況的時間尺度變化、突變點分布及位相結(jié)構(gòu)特征(見圖3—4)。

圖3 小波周期

圖3為1960—2017年南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)年均降水量小波周期圖，正值表示降水較豐狀態(tài)，負(fù)值表示降水較枯狀態(tài)，小波系數(shù)為0時，對應(yīng)著突變點。整個區(qū)域的降水量呈現(xiàn)多種尺度的周期變化特征，在整個58 a期間，南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)年均降水量出現(xiàn)了3次較為明顯的枯豐交替，在降水過程中27～39 a有較為明顯的周期特征，其中心時間尺度為31 a左右，正負(fù)相位在圖中可以很明顯的看出交替出現(xiàn)，即表明出現(xiàn)了明顯的豐—枯—豐交替的準(zhǔn)3次振蕩，其中1965—1974年為正相位，說明在此周期內(nèi)該區(qū)域降水較為豐富，為降水豐沛期；1984—1996年為負(fù)相位，說明在此周期內(nèi)該區(qū)域降水量較少，為降水的干枯期；2005—2013年為正相位，說明在此周期內(nèi)降水也將為豐富，同樣也為降水的豐沛期，因此可以說明在整個58 a的時間尺度上，31 a為中心時間尺度，10 a為一個時間周期，正負(fù)相位共出現(xiàn)了豐—枯—豐3次明顯的交替。

根據(jù)圖4的小波周期圖可以明顯的看出在整個時間尺度的降水過程中存在很明顯的周期變化，再利用由Matlab軟件繪制的小波方差圖(圖4)，小波方差圖能夠反映降水量時間序列的波動能量隨時間尺度的分布狀況，可以用來確定降水過程中出現(xiàn)的主要周期。從圖中可以看出，該區(qū)域在尺度內(nèi)的降水存在著3個較為明顯的峰值，其依次對應(yīng)著9 a，28 a，52 a的時間尺度，其中最大峰值對應(yīng)著28 a的時間尺度，說明在28 a左右的周期震蕩最強，為此區(qū)域年降水量變化的第一主周期；9 a和52 a時間尺度分別對應(yīng)著第二、第三峰值，說明9 a和52 a左右的的周期震蕩較28 a左右的周期震蕩較弱，分別為降水變化的第二、第三主周期。因此可以表明存在3個周期的波動，這3個周期的變動控制著整個南方農(nóng)牧交錯帶的降水在整個時間尺度內(nèi)的變化特征。

圖4 小波方差

2.3 年平均降水量空間變化特征分析

圖5是南方農(nóng)牧交錯帶年均降水量空間分布圖，年均降水量在484.59～947.93 mm范圍內(nèi)變動，降水量最大值與最小值之間相差450 mm左右，降水的空間分異顯著，且呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的趨勢。大致以維西—理塘—若爾蓋一線為該區(qū)域年均降水量的分界線，該界線以西地區(qū)的降水量大致為484～755 mm；界線以東地區(qū)的降水量在755～948 mm范圍內(nèi)波動，降水較為豐富。從圖5中還能夠看出該區(qū)域在年均降水量上存在兩個高值中心和一個低值中心，兩個高值中心分別為“木里—九龍”、“維西”，其中“木里—九龍”的降水量高達915.06 mm，“維西”的降水量高達947.93 mm；降水量低值中心出現(xiàn)在“巴塘”，其多年平均降水量低至484.59 mm。

圖5 年平均降水量分布

南方農(nóng)牧交錯帶的降水量主要集中在夏季，降水主要受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的影響，“九龍—木里”位于青藏高原東南緣與川東盆地向青藏高原的過渡地帶，主要受東南季風(fēng)的影響，降水量相對豐富；巴塘、德格等地遠離海洋，由于青藏的屏障作用，使得西南季風(fēng)在到達該區(qū)域西北部的時候，影響被大大的削弱，從而導(dǎo)致該區(qū)域西北部的降水較少，因此就形成了在該地區(qū)東南地區(qū)降水較為豐富，西北地區(qū)降水較少的局面。其次，海拔高度也是影響降水量多少的一個關(guān)鍵性因素，通過對該區(qū)域20個站點的多年平均降水量及其站點相對應(yīng)的海拔高度進行相關(guān)分析得出的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海拔越低，降水量越豐富，從圖1DEM圖中可以看出，南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)整個東南地區(qū)的海拔要低于西北地區(qū)的海拔，因此也能夠說明東南地區(qū)的降水量>西北地區(qū)的降水量；除此之外，地形地貌、植被覆蓋率、人類的經(jīng)濟社會活動的強度等因素也會對降水量的區(qū)域分配不均勻產(chǎn)生一定的影響。

3 南方農(nóng)牧交錯帶旱澇災(zāi)害多時間尺度分析

本文以南方農(nóng)牧交錯帶1960—2017年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別計算了1個月、3個月、6個月、12個月4個時間尺度的SPI值(分別用SPI1，SPI3，SPI6，SPI12表示)，其主要原因是本文主要從短時間尺度和長時間尺度兩方面來表征該區(qū)域的旱澇發(fā)生的時間特征與旱澇災(zāi)害的嚴(yán)重程度，其中SPI1，SPI3是以月和季節(jié)為尺度下旱澇災(zāi)害發(fā)生的特征，而SPI6，SPI12能夠表征較長時間尺度下其發(fā)生的頻率。

注：X軸上方為旱澇，下方為洪澇。

SPI1與SPI3是較短時間周期內(nèi)旱澇尺度分析，受短時間內(nèi)的降水影響較大，數(shù)值波動較為頻繁，能夠較好的反映短時間內(nèi)的旱澇變化情況。在SPI1序列圖中，1961年5月、1978年11月、1979年12月、1987年9月、1989年10月、1993年8月、1994年3月、1998年7月、2005年2月、2008年1月、2014年6月、2016年4月SPI1值達到2.12，達到了極度洪澇的程度，而在1961年9月、1967年4月、1968年10月、1969年2月、1971年3月、1972年8月、1977年6月、1982年5月、1994年7月、1996年12月、2006年1月、2015年11月SPI1值降到了-2.12，旱情達到了極端干旱的程度，由此可以反映出，SPI1能夠較好地反映在短時間尺度下(月尺度)旱澇發(fā)生的嚴(yán)重程度及其短時間尺度下特征。

從SPI3序列圖中可以看出，在1961年的夏季、1968年的冬季、1969年春季、1972年的夏季、1983年的夏季、1986年的夏季、2006年的夏季和秋季、2013年的冬季、2015年的秋季SPI值為-2.11，表明在此幾個年份的該季節(jié)旱澇程度達到了極端干旱的程度，旱情嚴(yán)重；而在1961年夏季、1989年秋季與冬季、1993年秋季、1994年春季、1998年夏季與秋季、2005年冬季、2008年冬季、2016年春季的SPI值為2.11，表明在這些年份的季節(jié)中澇情嚴(yán)重，達到了重澇的程度，降水量極為豐富從而導(dǎo)致極端濕潤。因此從關(guān)于SPI3的旱澇情況分析中可以看出，SPI3能夠很好地反映旱澇發(fā)生的季節(jié)變化特征。

SPI6和SPI12是較長時間尺度下的旱澇變化情況，在此種較長時間尺度下旱澇的周期變化特征較為明顯，根據(jù)上述的SPI6序列圖可得，南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)在1961年為極度洪澇年份，1999年、2017年為重澇年份，1974年、1995年、2000年、2004年、2010年、2016年為中度洪澇年份，1978年、1981年、1985年、1990年、2001年、2002年、2003年、2012年為輕度洪澇年份。1986年為極度干旱年份，1983年、1987年為重度干旱年份，1963年、1967年、1969年、1977年、1979年、1980年為中度干旱年份，1993年、1982年、1971年、1972年、2009年、2007年、1988年、1966年、1970年為輕度干旱年份。

由SPI12序列圖可以得知，南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)20世紀(jì)80，90年代偏澇，在該時間段內(nèi)澇災(zāi)發(fā)生的頻率較高；20世紀(jì)70年代偏旱，在該時間段內(nèi)旱災(zāi)發(fā)生的頻率較高；20世紀(jì)60年代、90年代旱澇災(zāi)害交替出現(xiàn)，但是60年代發(fā)生的旱災(zāi)頻率要高于澇災(zāi)頻率，90年代發(fā)生澇災(zāi)的頻率要高于旱災(zāi)的頻率，所以60年代整體偏旱，干旱化趨勢明顯，90年代整體偏澇；進入21世紀(jì)之后旱澇發(fā)生的頻率有所減少，2006年、2007年、2009年、2011年處于偏澇年份、2000年、2003年、2010年、2017年處于偏旱年份，其于年份發(fā)生旱澇災(zāi)害的程度從SPI12的指示狀態(tài)來看都屬于正常的年份，表明進入21世紀(jì)，南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)的旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻率有所減少，降水量趨于正常，這種現(xiàn)象的發(fā)生是由于多種因素影響而形成的。通過對SPI12序列圖的分析發(fā)現(xiàn)，SPI12對長時間尺度內(nèi)的旱澇災(zāi)害程度的變化具有良好的判斷作用，其不僅能夠較為準(zhǔn)確的判斷出旱澇變化情況的年際變化特征，還能夠很好的反映研究區(qū)域內(nèi)旱澇災(zāi)害的發(fā)展趨勢，對于預(yù)防旱澇災(zāi)害有一定的指導(dǎo)作用。從SPI12序列值可以看出，南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)總體在21世紀(jì)之前偏澇，在2000年之后的前幾年澇災(zāi)減少，發(fā)生旱災(zāi)的頻率增加，但是在2010年之后的SPI12指數(shù)值趨于正常，且保持平穩(wěn)，旱澇災(zāi)害減少，指數(shù)趨于平穩(wěn)。

4 結(jié) 論

(1) 南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)在58 a來降水量時間變化上整體呈現(xiàn)出增加的趨勢，平均遞增率為3.98 mm/10 a，年平均降水量在時間變化上存在較為明顯的“豐—枯—豐”振蕩周期。

(2) 南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)的年平均降水量在空間上的分布其大致以維西—理塘—若爾蓋為分界線，呈現(xiàn)出一種由東南向西北遞減的趨勢；研究區(qū)域的年平均降水量存在高、低值中心，其中降水量高值中心存在兩個，即“九龍—木里”、“維西”降水量高值中心，年平均降水量的低值中心出現(xiàn)在川西高原的“巴塘”。季風(fēng)、地形、海拔高差等因素是影響該區(qū)域降水量空間分布不均的主要因素。

(3) 對南方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)旱澇災(zāi)害進行多時間尺度分析發(fā)現(xiàn)其具有一定的時間階段特征，20世紀(jì)80，90年代偏澇，澇災(zāi)發(fā)生的頻率較高；在20世紀(jì)70年代偏旱，旱災(zāi)發(fā)生的頻率較高；20世紀(jì)60，90年代旱澇災(zāi)害交替出現(xiàn)，但是60年代以旱災(zāi)為主，進入21世紀(jì)之后，研究區(qū)旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻率有所減少。