西南地區(qū)1971—2012年干旱變化特征分析

王秋云，蔡藝友，方文維，柯婉茹

(1.南靖縣氣象局，福建南靖 363600；2.平和縣氣象局，福建平和 363700；3.云霄縣氣象局，福建云霄 363300 )

中國(guó)是一個(gè)干旱災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，在中國(guó)科學(xué)技術(shù)藍(lán)皮書中，干旱為我國(guó)氣候?yàn)?zāi)害之首[1]。過去普遍認(rèn)為干旱主要發(fā)生在中國(guó)北方地區(qū)，不少氣象工作者對(duì)北方干旱情況進(jìn)行研究[2-4]。近年來，隨著全球氣候變暖，極端天氣、氣候事件頻繁出現(xiàn)，干旱區(qū)域不斷增大，同時(shí)，發(fā)生頻率和強(qiáng)度也明顯增加，干旱現(xiàn)已成為我國(guó)西南地區(qū)第一自然災(zāi)害。近十幾年來西南地區(qū)屢屢發(fā)生嚴(yán)重的干旱災(zāi)害：2003年西南地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重伏秋連旱；2005年春季云南發(fā)生近50年來少見的嚴(yán)重干旱；2006年川渝地區(qū)發(fā)生百年難遇的伏旱；2009—2012年西南地區(qū)發(fā)生的具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、災(zāi)害程度重等特點(diǎn)的干旱事件，是該地區(qū)有氣象記錄以來最嚴(yán)重的氣象干旱事件。眾多學(xué)者已使用不同的方法對(duì)西南地區(qū)近幾年的干旱趨勢(shì)進(jìn)行了大量研究。王明田等[5]基于相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的年際變化分析研究，表明西南地區(qū)近十年干旱強(qiáng)度明顯增大，且年尺度干旱頻率呈西高東低的帶狀分布；韓靜艷[6]指出進(jìn)入21 世紀(jì)以后西南地區(qū)干旱發(fā)生頻率高，其中夏季干旱發(fā)生最頻繁，冬季次之，且多季連旱的現(xiàn)象更加普遍；賀晉云等[7]以地表濕潤(rùn)指數(shù)為指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)了西南地區(qū)1960—2009年極端干旱發(fā)生的頻率，結(jié)果顯示廣西南部、貴州北部、橫斷山脈和四川盆地西南部近50年極端干旱發(fā)生頻率明顯增加。干旱事件給西南地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了極大的損失，嚴(yán)重威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)的安全，因此，對(duì)西南地區(qū)干旱變化特征進(jìn)行研究，不僅是一項(xiàng)具有科學(xué)價(jià)值的理論課題，而且具有緊迫的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過計(jì)算1971—2012年標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，提取西南地區(qū)干旱特征量(強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和范圍)，對(duì)西南地區(qū)干旱變化特征進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

西南地區(qū)在行政區(qū)劃上包括四川、云南、貴州、重慶以及廣西壯族自治區(qū)等五省市(圖1)，其地理坐標(biāo)為北緯20°54′～34°19′、東經(jīng)91°21′～112°04′之間[8]。該地區(qū)北有黃土高原，西臨青藏高原，南面受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的影響，且本身地形復(fù)雜多樣，境內(nèi)多盆地、高原、山區(qū)等，復(fù)雜的地形地貌和獨(dú)特的地理位置使該地區(qū)成為一個(gè)典型的氣候多變區(qū)。亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)樵摰貐^(qū)的主要?dú)夂蝾愋停昶骄邓?00～2 300 mm，空間分布呈東南向西北減少[9]。降水季節(jié)分布極不均勻，夏季炎熱多雨，冬季溫和降水少；受地形影響，區(qū)域降水差異性較大。近年來由于全球氣候變暖，西南地區(qū)頻頻發(fā)生干旱事件。

1.2 數(shù)據(jù)資料

所用1971—2012年逐日降水及氣溫資料由國(guó)家氣候中心提供，數(shù)據(jù)的一致性和可靠性經(jīng)過了較嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)。選用包括周邊地區(qū)的378個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，以提高插值精度，討論區(qū)域僅以內(nèi)部306個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)為主。研究區(qū)域的海拔高度及站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及站點(diǎn)分布

1.3 計(jì)算方法

干旱的形成和發(fā)展是地表水分虧缺緩慢積累的過程，標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是一種新發(fā)展的干旱指標(biāo)[10]，其正是通過水分虧缺量和持續(xù)時(shí)間兩個(gè)要素來描述干旱。SPEI基于降水和溫度數(shù)據(jù)，以降水量與月潛在蒸發(fā)量之差代替了標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)計(jì)算中的月降水量，結(jié)合了SPI的多時(shí)空屬性和帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)對(duì)蒸發(fā)需求變化的敏感性(由于溫度變化導(dǎo)致的結(jié)果)，是一種新的適用于全球氣候變暖背景下干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估的干旱指數(shù)，具體的計(jì)算步驟可參見文獻(xiàn)[10]。表1為根據(jù)SPEI指數(shù)劃分的干旱等級(jí)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)干旱等級(jí)劃分

首先，將西南地區(qū)及其周邊共378個(gè)站1971—2012年的逐月降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)為輸入資料，取時(shí)間尺度為12個(gè)月，計(jì)算各站點(diǎn)SPEI值。其次，采用線性傾向估計(jì)，建立時(shí)間與SPEI的一元線性回歸Yi=bXi+a(i=1,2,…,n)關(guān)系，回歸系數(shù)b>0時(shí)，說明隨時(shí)間的增加SPEI呈上升趨勢(shì)；b<0時(shí)，說明隨時(shí)間的增加SPEI呈下降趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)一年中SPEI<-1.0的月份之和，用以表示每年的干旱持續(xù)時(shí)間，通過干旱持續(xù)時(shí)間，分析西南地區(qū)干旱持續(xù)變化情況。

空間上，根據(jù)各氣象站點(diǎn)每年的年平均干旱指數(shù)及其趨勢(shì)，采用反距離權(quán)重法(IDW，inverse distance weighted interpolation)對(duì)其進(jìn)行空間插值。設(shè)定空間分辨率為0.05°×0.05°，生成該地區(qū)每年的空間柵格數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)所有網(wǎng)格點(diǎn)中SPEI<-1.0的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量，求該網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量與網(wǎng)格點(diǎn)總數(shù)的比值，用此來表示年干旱面積比率，進(jìn)而對(duì)年干旱面積的變化情況進(jìn)行分析。

2 干旱強(qiáng)度

2.1 干旱強(qiáng)度氣候態(tài)

以各站點(diǎn)每年各月的SPEI(<-1.0)的平均值作為該站點(diǎn)該年的干旱強(qiáng)度，負(fù)值絕對(duì)值越大，干旱強(qiáng)度越大。圖2為1971—2012年西南地區(qū)多年平均干旱強(qiáng)度空間分布狀況，可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)西南地區(qū)干旱強(qiáng)度基本呈南北方向的帶狀分布，干旱強(qiáng)度最大中心位于西南地區(qū)的中部，西部次之，東部最弱。從行政區(qū)劃范圍來看，四川和云南兩省干旱強(qiáng)度均處在較高水平上，是干旱化最嚴(yán)重的省份。西南地區(qū)強(qiáng)干旱有三個(gè)區(qū)域：一個(gè)區(qū)域?yàn)樵颇鲜≈形鞑?，多年平均干旱?qiáng)度小于-1.50，達(dá)到中度干旱程度；另外兩個(gè)分別出現(xiàn)在四川省中部和東南部，多年平均干旱強(qiáng)度小于-1.65。位于西南地區(qū)東部的重慶市、貴州省和廣西省，干旱強(qiáng)度較弱。重慶市、貴州省干旱強(qiáng)度呈西部高東部低分布態(tài)勢(shì)，僅在西南小部分地區(qū)多年平均干旱強(qiáng)度小于-1.50。廣西省整體的干旱強(qiáng)度均處于較低水平，大部分地區(qū)干旱強(qiáng)度大于-1.43。

圖2 1971—2012年西南地區(qū)多年平均干旱強(qiáng)度空間分布

2.2 干旱強(qiáng)度時(shí)空變化

由圖3可看出1971—2012年西南地區(qū)區(qū)域平均干旱強(qiáng)度年際變化呈逐漸增強(qiáng)趨勢(shì)，其線性趨勢(shì)率為-0.065/10 a，且通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。干旱強(qiáng)度存在明顯的年代際變化：20世紀(jì)70年代干旱強(qiáng)度多在-1.24上下波動(dòng)，平均值為-1.22；80年代干旱強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與70年代相似，平均值為-1.25，較前10年略微增強(qiáng)，1988—1989干旱強(qiáng)度明顯增大，1989年干旱強(qiáng)度-1.37；90年代干旱強(qiáng)度總體呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，平均值為-1.28；進(jìn)入21世紀(jì)以來各年的干旱強(qiáng)度均小于-1.30，且干旱強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，2006、2007、2010、2011和2012年達(dá)到-1.50，整個(gè)時(shí)期的干旱強(qiáng)度平均值為-1.42。1971—2012年西南地區(qū)干旱強(qiáng)度呈波動(dòng)增強(qiáng)的趨勢(shì)，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，干旱強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，區(qū)域干旱加劇。

1971—2012年四川、重慶、貴州、云南和廣西干旱強(qiáng)度均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)， 其線性傾向率分別為-0.056、-0.101、-0.077、-0.046和-0.046/10 a。1971—1980年四川省干旱強(qiáng)度平均值為-1.31，是該時(shí)段內(nèi)西南地區(qū)干旱強(qiáng)度最強(qiáng)的省份；1981—1990年，該省干旱強(qiáng)度有所緩解，均值為-1.27；1991—2000年和2000—2012年兩個(gè)階段，干旱強(qiáng)度均相對(duì)增強(qiáng)，2000—2012年平均為-1.46，為西南地區(qū)干旱強(qiáng)度最強(qiáng)省份。盡管重慶市干旱強(qiáng)度增長(zhǎng)最快，但在1983年，其全年無(wú)旱，且1971—2012年，重慶市干旱強(qiáng)度平均值為整個(gè)西南地區(qū)最小，即干旱強(qiáng)度較弱。貴州省除1977年干旱強(qiáng)度為零外，其余年份干旱強(qiáng)度較穩(wěn)定，沒有明顯的波動(dòng)；干旱強(qiáng)度年代際變化表現(xiàn)出增強(qiáng)、減弱和增強(qiáng)的特征，且以2001—2012年干旱強(qiáng)度最強(qiáng)，均值為-1.42。云南省干旱強(qiáng)度在1971—2000年間基本維持-1.2左右，而在2000年后，干旱強(qiáng)度明顯增強(qiáng)(2001—2012年平均值為-1.44)，且在2010年達(dá)到極大值-1.73，即該年云南省干旱最強(qiáng)。廣西干旱強(qiáng)度表現(xiàn)出持續(xù)增強(qiáng)的特征，且在2001—2012年間達(dá)到最強(qiáng)，為-1.36。以上分析表明，1971—2012年西南地區(qū)及各省的干旱強(qiáng)度均呈現(xiàn)顯著加強(qiáng)趨勢(shì)，且存在明顯的年代際變化特征，其中四川省干旱強(qiáng)度最大，重慶市干旱強(qiáng)度增強(qiáng)趨勢(shì)最明顯；進(jìn)入21世紀(jì)整個(gè)西南地區(qū)干旱強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)。

為進(jìn)一步探究1971—2012年西南地區(qū)干旱強(qiáng)度變化的特征，采用線性趨勢(shì)分析方法，分別對(duì)西南地區(qū)各站點(diǎn)年干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。西南地區(qū)306個(gè)站點(diǎn)中，絕大多數(shù)站點(diǎn)(95.75%)線性傾向率為負(fù)值，且156站點(diǎn)(50.98%)通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，這說明西南地區(qū)干旱強(qiáng)度在1971—2012年間逐漸增強(qiáng)(圖4)，且中部干旱強(qiáng)度增強(qiáng)最明顯，東部次之，西部最弱。重慶境內(nèi)18個(gè)站點(diǎn)干旱強(qiáng)度均呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，有13個(gè)站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)，占該市站點(diǎn)總數(shù)的72.22%，為西南地區(qū)各省通過顯著性檢驗(yàn)站點(diǎn)比例最高的省份。廣西境內(nèi)的42個(gè)站點(diǎn)的線性傾向率均為負(fù)值，干旱強(qiáng)度增強(qiáng)，其中有57.14%的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)；其空間分布特征主要表現(xiàn)為西部地區(qū)干旱強(qiáng)度的增強(qiáng)明顯大于東部地區(qū)的特征。貴州省有56.36%的站點(diǎn)干旱強(qiáng)度呈顯著增強(qiáng)的趨勢(shì)，主要分布在該省的中部偏南地區(qū)；北部地區(qū)干旱強(qiáng)度也呈增強(qiáng)趨勢(shì)，但不顯著。云南省的大部分區(qū)域干旱強(qiáng)度表現(xiàn)為增強(qiáng)；且東部以及西南部站點(diǎn)干旱強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。四川省93個(gè)站點(diǎn)干旱強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì)，其中有47個(gè)站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)；其東部一帶的站點(diǎn)干旱強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著增強(qiáng)趨勢(shì)?？傊麄€(gè)西南地區(qū)干旱強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

圖4 1971—2012年西南地區(qū)干旱強(qiáng)度線性傾向率(單位：(10 a)-1)空間分布(實(shí)心為通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn))

3 干旱面積

干旱面積比率是指由研究區(qū)域及周邊共378個(gè)站點(diǎn)SPEI干旱指數(shù)采用反距離權(quán)重法插值后，得到整個(gè)地區(qū)SPEI空間柵格數(shù)據(jù)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)區(qū)域范圍內(nèi)SPEI<-1.0的格點(diǎn)數(shù)與總格點(diǎn)數(shù)的比值。由圖5可看出，西南地區(qū)干旱發(fā)生面積呈上升趨勢(shì)，干旱面積比率線性趨勢(shì)率為(4.7%)/10 a，通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。20世紀(jì)70年代末至80年代初，西南地區(qū)開始出現(xiàn)大面積的干旱；80年代末至90年代初干旱面積較大，且在1989年達(dá)到極大值16.36%；進(jìn)入21世紀(jì)以來，西南地區(qū)干旱發(fā)生面積達(dá)到40多年來最大值。自2003年以來，多數(shù)年份干旱面積比率均在10%以上，其中，2006、2007、2010、2011和2012年干旱區(qū)面積所占比例均大于25%。

圖5 1971—2012年西南地區(qū)干旱面積變化

4 干旱持續(xù)時(shí)間

干旱持續(xù)時(shí)間定義為各個(gè)站點(diǎn)某年出現(xiàn)干旱(即SPEI<-1.0)的月份總數(shù)。1971—2012年西南地區(qū)干旱持續(xù)時(shí)間線性傾向率為(0.54月)/10 a(圖6)。干旱持續(xù)時(shí)間的年代際變化呈增加趨勢(shì)：20世紀(jì)70年代干旱持續(xù)時(shí)間為3.4月，其中1978—1979兩年增長(zhǎng)明顯，達(dá)4.0月；80年代干旱持續(xù)時(shí)間為3.6月，較前十年略有增加；進(jìn)入90年代后，干旱持續(xù)時(shí)間3.6月，沒有明顯的波動(dòng)過程；21世紀(jì)(2001—2012年)以來，干旱持續(xù)時(shí)間呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，在3.7～7.2月之間，2006、2010兩年達(dá)6.0月?？傊?，1971—2012年干旱持續(xù)時(shí)間呈增加趨勢(shì)，存在明顯的年代際變化。

西南五省干旱持續(xù)時(shí)間均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖6)，云南省線性傾向率最大，為0.66月/10 a，四川省最小，僅為0.41月/10 a，各省變化情況各不相同。四川省干旱持續(xù)時(shí)間上升趨勢(shì)雖然最小，但1971—2012平均為4.8月，為五省最長(zhǎng)。該省1971—1980年平均干旱持續(xù)時(shí)間為4.2月，也長(zhǎng)于其他四省；1981—1990年有所下降，為3.5月；1991—2000年明顯上升，均值達(dá)4.5月；2001—2012年平均上升至5.2月。重慶干旱持續(xù)時(shí)間線性傾向率為0.56月/10 a，高于西南地區(qū)平均水平。該市1983年無(wú)干旱，2006年干旱持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為6.9月，其年代際變化情況與四川相似，呈先下降后增長(zhǎng)的特點(diǎn)。貴州省干旱持續(xù)時(shí)間線性傾向率為0.64月/10 a，僅次于云南省，2006年干旱持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)8.0月。1971—1980年均值為2.6月，1981—1990年增加到4.2月，1991—2000年下降至2.5月，2001—2012年又上升到5.1月，總體來說，其干旱持續(xù)時(shí)間呈波動(dòng)上升狀態(tài)。云南省是西南五省中干旱持續(xù)時(shí)間增加趨勢(shì)最大的省份，線性傾向率達(dá)0.66月/10 a。在2000年以前，其干旱持續(xù)時(shí)間變化趨勢(shì)不明顯，1971—1980、1981—1990、1991—2000年干旱持續(xù)時(shí)間平均值分別為3.9、3.8、3.4月；2001—2012年出現(xiàn)劇增，平均值達(dá)到5.8月，是該時(shí)段里受干旱影響時(shí)間最長(zhǎng)的省份。廣西省線性傾向率為0.44月/10 a，干旱持續(xù)時(shí)間呈波動(dòng)狀態(tài)，振幅較小。1971—1980年均值為3.2月，1981—1990年增至3.7月，1991—2000年降至3.5月，2001—2012年上升至4.6月，總體呈增加趨勢(shì)。

圖6 1971—2012年西南地區(qū)年干旱持續(xù)時(shí)間變化

整個(gè)西南地區(qū)大部分區(qū)域干旱持續(xù)時(shí)間呈增加趨勢(shì)(圖7)，線性傾向率最大為3.9月/10 a，有52.61%的站點(diǎn)通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)?？臻g呈中間高兩邊低、東南高于西北的分布態(tài)勢(shì)。整個(gè)地區(qū)出現(xiàn)三個(gè)極值區(qū)域，分別位于四川省中部、云南省東南部和西南部。云南省干旱持續(xù)時(shí)間線性傾向率呈中間低兩邊高分布，其東南部和西南部均達(dá)3.0月/10 a，呈顯著增加趨勢(shì)(通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn))。四川省中部至東南部大片區(qū)域線性傾向率達(dá)2.0月/10 a，是該省內(nèi)干旱持續(xù)時(shí)間明顯增加的地帶。

圖7 1971—2012年西南地區(qū)干旱持續(xù)時(shí)間趨勢(shì)(單位：月/10 a)空間分布(實(shí)心為通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn))

5 結(jié)論

基于SPEI干旱指數(shù)，分析了1971—2012年西南地區(qū)的干旱氣候及氣候變化特征，得到以下主要結(jié)論。

(1)干旱強(qiáng)度空間呈緯向帶狀分布，中部最高，西部次之，東部最低，四川、云南兩省干旱化趨勢(shì)最為顯著。區(qū)域平均干旱強(qiáng)度隨時(shí)間呈波動(dòng)增強(qiáng)，干旱強(qiáng)度線性趨勢(shì)率呈東部高、西部低分布，四川中部、云南東南部上升趨勢(shì)明顯。

(2)干旱面積比率呈明顯增加趨勢(shì)，線性趨勢(shì)率為(4.7%)/10 a。21世紀(jì)后干旱面積比率明顯上升，2010年西南地區(qū)干旱面積最大。

(3)干旱持續(xù)時(shí)間中部地區(qū)增加最明顯，東部次之，云南省干旱持續(xù)時(shí)間增加最顯著。