云南典型非巖溶區(qū)和巖溶石漠化區(qū)降水特征

丁文榮,何文靜,曾學(xué)梅

(云南師范大學(xué)地理學(xué)部，650500，昆明)

氣候變異及其聯(lián)動效應(yīng)是現(xiàn)今全人類面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題，在聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會最新的評估報(bào)告中提出，自1901年以來的100多年間，全球地表平均溫度提升0.85 ℃，變暖幅度自20世紀(jì)80年代以來呈顯著的加速態(tài)勢[1]。北方的沙漠化、南方的石漠化以及黃土高原的水土流失，構(gòu)成了我國的3大生態(tài)災(zāi)害。其中，中國南方巖溶區(qū)是全球最典型的出露、半出露型巖溶區(qū)，也是石漠化危害程度最為嚴(yán)峻的生態(tài)區(qū)域[2]。氣候因素是造成或加劇石漠化的重要外在因素，而石漠化過程則反過來惡化局地氣候，從而形成惡性循環(huán)[3-4]。由此，針對氣候變化與石漠化關(guān)系的研究已成為巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境研究的重要內(nèi)容[5]。

目前，許多學(xué)者認(rèn)為巖溶石漠化過程及等級的空間分布與下墊面的物質(zhì)組成和氣候(尤其是降雨量)的空間變化存在著密切的聯(lián)系[6]，自然氣候要素特別是暴雨為巖溶石漠化的發(fā)生發(fā)展提供直接的水動力條件，驅(qū)動作用隨著降雨強(qiáng)度的增加而加強(qiáng)[7]，然而巖溶石漠化對強(qiáng)降雨過程的響應(yīng)存在一定的滯后性[8]；反之，巖溶石漠化過程改變局地氣候，如巖溶石漠化區(qū)裸地的光照強(qiáng)度、大氣溫度和土壤溫度均明顯高于非石漠化、潛在石漠化土地，而相對濕度則相反，且?guī)r溶石漠化區(qū)各指標(biāo)日變化更為劇烈，氣候趨于干熱化[9-11]。此外，隨著石漠化綜合治理時(shí)間持續(xù)，植被結(jié)構(gòu)得到改善，小氣候效應(yīng)逐漸凸顯，表明植被恢復(fù)對遏止、逆轉(zhuǎn)石漠化過程是有效的[12-13]。然而，在區(qū)域尺度上，氣候變化與巖溶石漠化是否對降水量、降水時(shí)間、降水級別等特征造成影響仍然不明確。鑒此，筆者基于我國西南甄選非巖溶區(qū)及巖溶石漠化區(qū)典型站點(diǎn)的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用數(shù)理分析法及類比法，揭示氣候變化與巖溶石漠化影響下的降水特征變化規(guī)律，從而為中國巖溶石漠化區(qū)生態(tài)環(huán)境保育修復(fù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

云南省巖溶分布廣泛，全省碳酸鹽巖的出露面積高達(dá)11萬2 100 km2，分布于滇中、滇東南、滇東北、滇西和滇西北5個(gè)片區(qū)，其中滇東南巖溶區(qū)是省內(nèi)巖溶分布最廣及石漠化程度最為嚴(yán)重的區(qū)域。而西雙版納州和普洱市作為典型的非巖溶區(qū)，無石漠化分布。鑒此，筆者以穩(wěn)定性、資料連續(xù)性為原則，在剔除遷移較大及缺測較多的站點(diǎn)后，分別獲得上述非巖溶區(qū)和巖溶區(qū)各3個(gè)站點(diǎn)(圖1)1959—2017年的逐日降水量數(shù)據(jù)作為研究資料。

圖1 非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)氣象站點(diǎn)的分布[地圖審圖號(GS(2008)1373號)]Fig.1 Distribution of meteorological stations in non-karst area and karst rocky desertification area [Map review No. (GS (2008) No. 1373)]

研究的核心數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心(http://data.cma.cn)和云南省呈貢區(qū)氣象局。在數(shù)據(jù)分析前，提取站點(diǎn)周邊3 km內(nèi)植被狀況作對比(表1)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的質(zhì)量控制，包括氣候?qū)W界限值檢驗(yàn)、氣候極值檢驗(yàn)和內(nèi)部一致性分析。結(jié)果表明：所使用站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)均在氣候?qū)W界限值之內(nèi)，沒有超過氣候極值，6個(gè)站點(diǎn)的內(nèi)部一致性檢驗(yàn)的綜合信度CR系數(shù)為0.85，超過0.7的可接受水平。

表1 氣象站地理位置及周邊環(huán)境Tab.1 Geographical locations and surrounding environment of meteorological stations

2 研究方法

參考符嬌蘭等[14]的劃分方法，在分析降雨時(shí)間、最長持續(xù)干旱時(shí)間、最長持續(xù)降水時(shí)間變化時(shí)，以日降水量≥1 mm為閾值標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行各量級降雨的分析時(shí)，以氣象部門雨量級別劃分標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，小雨：24 h降雨量<10 mm；中雨：10 mm≤24 h降雨量<25 mm；大雨：25 mm≤24 h降雨量<50 mm；暴雨：50 mm≤24 h降雨量<100 mm)。

降水特征的變異通過降水時(shí)間序列的變化來揭示，其中趨勢分析采用氣象學(xué)領(lǐng)域常用的線性傾向估計(jì)法[15]，計(jì)算公式為：

Yi=a1xi+b(i=1,2,…,n)。

(1)

式中：Yi為待分析的降水?dāng)?shù)據(jù)；xi為時(shí)間序列；a1為線性趨勢項(xiàng)；b為待定常數(shù)。如計(jì)算結(jié)果a1為正值，表示降水?dāng)?shù)列呈增加趨勢，反過來為減少的趨勢，并指定a1×10為降水?dāng)?shù)列每10 a的變化幅度。

然后，采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對降水序列的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢測，該檢驗(yàn)法不要求待分析降水?dāng)?shù)據(jù)遵從特定的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)的分析[16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 年降水量變化

受印度洋、太平洋季風(fēng)環(huán)流的共同控制，云南省降水具有季風(fēng)區(qū)降水的顯著特點(diǎn)。圖2分別為云南非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)1959年以來年降水量的變化情況，可見，研究時(shí)段內(nèi)各站點(diǎn)降水量年際波動明顯，這反映出季風(fēng)區(qū)降水的典型特征。其中非巖溶區(qū)瀾滄、勐臘和江城年降水量變化速率分別為-1.493 1、0.139 0和-2.047 6 mm/a，巖溶區(qū)石漠化區(qū)瀘西、屏邊和廣南的年降水量變化速率則分別為-2.844 3、-1.870 4和-0.679 4 mm/a?？梢?，所選站點(diǎn)中除了非巖溶區(qū)勐臘降水量有微弱增加趨勢外，其余站點(diǎn)均呈現(xiàn)出減少趨勢。

圖2 非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)年降水量的變化趨勢Fig.2 Change trend of annual precipitation in non-karst and karst area

從非石漠化、巖溶石漠化2種下墊面各站點(diǎn)年降水量的變化速率對比來看，可以發(fā)現(xiàn)巖溶石漠化區(qū)降水過程的平均變化速率為-17.98%，較非巖溶區(qū)的-11.34%更明顯，減少趨勢也更加突出。然而，對上述所有站點(diǎn)進(jìn)行趨勢顯著性檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在所有站點(diǎn)中只有瀘西站的降水量變化趨勢達(dá)到0.05的置信水平。

3.2 降雨時(shí)間變化

研究以日降水量≥1 mm為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算研究區(qū)各站降水時(shí)間的變化趨勢(圖3)，可見，研究時(shí)段內(nèi)非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)所有6個(gè)站點(diǎn)的降雨時(shí)間均呈現(xiàn)出減少的趨勢，非巖溶區(qū)瀾滄、勐臘、江城的降水時(shí)間變化速率分別為-0.135 3、-0.051 5和-0.167 3 d/a，而巖溶石漠化區(qū)瀘西、屏邊和廣南則為分別為-0.285 3、-0.212 3和-0.182 1 d/a。巖溶石漠化區(qū)降雨時(shí)間的平均減少幅度為-0.225 d/a，較非巖溶區(qū)(-0.118 d/a)更大；但是，對6個(gè)站點(diǎn)的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)后可以發(fā)現(xiàn)，在所有站點(diǎn)中同樣僅有石漠化區(qū)瀘西站的減少速率達(dá)到0.05的置信水平。

圖3 非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)年降水時(shí)間變化趨勢Fig.3 Changing trends of annual rainy days in the non-karst area and karst rocky desertification area

3.3 各量級降雨的比例

前期研究案例表明，氣候變化不僅會引起降水量在時(shí)程分配上的變化，也會誘發(fā)降水級別的改變[17]。本研究在劃分雨量級別的基礎(chǔ)上，分別對研究區(qū)6個(gè)站點(diǎn)不同雨量級占年降水總量的比例及在研究時(shí)段內(nèi)的演變趨勢進(jìn)行了計(jì)算(表2)，可見，對于小雨、中雨、大雨和暴雨4種降雨級別，盡管不同站點(diǎn)各量級降雨的變化規(guī)律不明顯，但總體來看，中雨所占比例最高(均值34.04%)而暴雨最低(均值15.08%)。

對于不同的降雨級別而言，小雨級別除巖溶石漠化區(qū)瀘西站以外均為減少趨勢，中雨級別除非巖溶區(qū)江城站外均為減少的趨勢，但是大雨和暴雨降水級別則向增加趨勢發(fā)展，這是全球氣候變化背景下區(qū)域響應(yīng)的結(jié)果[18-19]。此外，由表2可知，盡管強(qiáng)降水尤其是暴雨主要表現(xiàn)為增加趨勢，但巖溶石漠化區(qū)增加速率更為顯著。

表2 非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)不同雨級降水量變化趨勢Tab.2 Change trends of different rainfall grades in non-karst and karst rocky desertification areas

3.4 最長持續(xù)干旱時(shí)間

筆者以日降水<1 mm為標(biāo)準(zhǔn)分別統(tǒng)計(jì)非巖溶區(qū)和巖溶石漠化區(qū)站點(diǎn)1959—2017年最長持續(xù)干旱時(shí)間(consecutive dry days, CDD)的變化趨勢，結(jié)果如圖4，可見，非巖溶區(qū)瀾滄、勐臘、江城站最長持續(xù)干旱時(shí)間的變化速率分別為0.000 5、0.029 7和0.029 2 d/a，而巖溶石漠化區(qū)瀘西、屏邊、廣南則分別為0.106 4、0.098 1和0.087 5 d/a。

圖4 云南非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)最長持續(xù)干旱時(shí)間變化趨勢Fig.4 Trends of consecutive dry days (CDD) in non-karst area and karst rocky desertification area

進(jìn)行比較后可以看出，非巖溶區(qū)和巖溶石漠化區(qū)最長持續(xù)干旱時(shí)間都有增加的趨勢，但巖溶石漠化區(qū)的平均增加幅度為0.097 d/a，較非巖溶區(qū)的0.030 d/a更大。采用Mann-Kendall檢驗(yàn)分別對6個(gè)站點(diǎn)的變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在所有站點(diǎn)中僅有石漠化區(qū)屏邊站的增加幅度達(dá)到0.05的置信水平。

3.5 最長持續(xù)降水時(shí)間

以日降水>1 mm為閾值，依次統(tǒng)計(jì)6個(gè)站點(diǎn)最長持續(xù)降水時(shí)間(consecutive wet days, CWD)的演變趨勢，結(jié)果見圖5。從圖5中可以看出，非巖溶區(qū)瀾滄、勐臘和江城站最長持續(xù)降水時(shí)間的變化速率分別為-0.008 8、0.004 9和-0.083 0 d/a，而巖溶石漠化區(qū)瀘西、屏邊和廣南則分別為-0.033 6、-0.044 7和-0.012 8 d/a。

圖5 云南非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)最長持續(xù)降水時(shí)間變化趨勢Fig.5 Trends of consecutive wet days (CWD) in non-karst area and karst rocky desertification area

可見，在全球氣候變化背景下，除非巖溶區(qū)的勐臘站最長持續(xù)降水時(shí)間有微弱增加趨勢外，其余站點(diǎn)均為減少趨勢。然而，對6個(gè)站點(diǎn)的變化趨勢進(jìn)行顯著檢驗(yàn)后得知，雖然其變化都沒有達(dá)到0.05的顯著水平，但巖溶石漠化區(qū)的減少時(shí)間更大，均值為-0.031 d/a。

4 討論

4.1 全球氣候變化與降水變化

降水與蒸發(fā)是控制陸地淡水資源的重要因子，1901—2005年全球總降水量沒有顯著的變化趨勢，但區(qū)域降水量存在一定的變化趨勢[1]。劉瑜等[20]采用云南124站點(diǎn)1961—2007年的數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，云南省降水量呈現(xiàn)減少趨勢，速率為0.45 mm/a。對云南非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)典型站點(diǎn)的對比分析中發(fā)現(xiàn)，非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)降水都發(fā)生了變化，且?guī)r溶石漠化區(qū)降水過程的平均變化速率-17.98%較非巖溶區(qū)的-11.34%更為凸顯，表明這是全球氣候變化的區(qū)域響應(yīng)，但疊加石漠化因素后，降水變率更大。

4.2 巖溶石漠化與降水極值化

全球氣候變暖背景下降水變化的典型特征是極端化[1]，云南省1959年以來極端強(qiáng)降水時(shí)間呈增多的趨勢[18,21-22]。本研究區(qū)受氣候變化與巖溶石漠化的協(xié)同影響，強(qiáng)降水尤其是暴雨的平均傾向率達(dá)0.048%/a，最長持續(xù)干旱時(shí)間0.097 d/a，最長持續(xù)降水-0.031 d/a，極端化趨勢較非巖溶區(qū)更為明顯。結(jié)果符合預(yù)期，也為解釋氣候變化影響下我國西南巖溶山區(qū)災(zāi)害更為頻繁提供直接證據(jù)[23]。

5 結(jié)論

1)除去非巖溶區(qū)勐臘站降水量有微弱增加趨勢外，其余站點(diǎn)均呈現(xiàn)出減少趨勢，巖溶石漠化區(qū)降水量的平均變化速率-17.98%較非巖溶區(qū)的-11.34%更大，減少趨勢更為明顯，其中瀘西站降水量的變化趨勢-2.844 3 mm/a達(dá)到顯著水平。

2)1959—2017年非巖溶區(qū)和巖溶石漠化區(qū)所有 6個(gè)站點(diǎn)的降雨時(shí)間均呈現(xiàn)為減少趨勢，巖溶石漠化區(qū)降雨時(shí)間的平均減少幅度-0.225 d/a較非巖溶區(qū)的-0.118 d/a更大，其中瀘西的減少率-0.28 d/a達(dá)到0.05的置信水平。

3)各降雨雨級中，中雨雨級所占比例在非巖溶區(qū)、巖溶石漠化區(qū)最高(均值34.04%)而暴雨(均值15.08%)最低，研究時(shí)段內(nèi)強(qiáng)降水尤其是暴雨主要表現(xiàn)為增加趨勢，巖溶石漠化區(qū)增加更為顯著。

4)巖溶石漠化區(qū)、非巖溶區(qū)2類區(qū)域的最長持續(xù)干旱時(shí)間都呈現(xiàn)出增加的趨勢，但是巖溶石漠化區(qū)的增加幅度0.097 d/a較非巖溶區(qū)的0.030 d/a更大，其中石漠化區(qū)屏邊站的增加速率0.098 d/a達(dá)到0.05的置信水平。

5)剔除非巖溶區(qū)的勐臘站最長持續(xù)降水時(shí)間有微弱增加趨勢(0.005 d/a)外，其余站點(diǎn)均為減少趨勢，總體來看巖溶石漠化區(qū)減少的幅度更大(均值-0.031 d/a)，但均未達(dá)到0.05的置信水平。