1961—2016年西昌氣候干濕演變趨勢研究

肖晰文，張蕓露，劉春紅,2*，王躍峰,2

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 401331；2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331)

氣候是人類賴以生存的自然環(huán)境，也是經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，受自然和人類活動的共同影響，中國氣候呈現(xiàn)出與全球一致的升溫趨勢，氣候變暖日益凸顯[1-2]。在全球氣候變化背景下，氣溫與降水趨勢的變化分析成為學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。隨著氣候增暖，全球濕潤區(qū)在因總降水增多而變得更為濕潤的同時(shí)，降水在時(shí)間上的分配也更為不均勻，干濕時(shí)期間的波動更加明顯。由此引發(fā)的高溫、干旱、洪澇、火災(zāi)等極端氣候事件頻發(fā)，突發(fā)性強(qiáng)，危害性極大，對社會與自然造成的損失不可估量[3]。如美國北方大部地區(qū)強(qiáng)降水加劇和頻繁，西部、南部和中西部部分地區(qū)旱期延長，西部干旱事件更加頻繁[4]。林婧婧等[5]研究表明全球變暖導(dǎo)致中國降水呈減少趨勢。相對全球尺度而言，區(qū)域氣候變化受更多因子的影響，而對區(qū)域氣候相關(guān)觀測資料變化的信息處理是目前在區(qū)域尺度上判斷氣候變化信號的重要方式[6]。研究區(qū)域氣候變化趨勢，對制定防災(zāi)減災(zāi)、適應(yīng)氣候變化對策具有重要的參考價(jià)值[7]。

在區(qū)域氣候變化趨勢分析研究中，常用的方法有Mann-Kendall法、線性傾向估計(jì)法、ITA法與ITA-CB法等。如：甄英等[8]采用M-K檢驗(yàn)法對宜賓市降水量進(jìn)行了研究，得到50 a間宜賓市降水量的整體趨勢。徐宗學(xué)等[9]基于黃河流域平均氣溫與時(shí)間序列的明顯線性關(guān)系，運(yùn)用線性傾向估計(jì)法分析了黃河流域平均氣溫的變化趨勢。吳國棟等[10]則運(yùn)用ITA法與ITA-CB法對錫林河流域56 a的降水及平均氣溫變化特征及趨勢進(jìn)行了研究，表明流域內(nèi)不同季節(jié)氣溫降水變化的局部趨勢與56 a整體趨勢。M-K檢驗(yàn)法對時(shí)間序列的長度、相關(guān)性等要求較為嚴(yán)格，而ITA法與ITA-CB法不受時(shí)間序列相關(guān)性等方面的要求，且能從宏觀和微觀多角度分析研究，更能詳盡地探究分析趨勢的變化。線性傾向估計(jì)法則對氣象數(shù)據(jù)的線性關(guān)系要求較為嚴(yán)格。而在很多情況下氣象數(shù)據(jù)無法建立一元線性回歸方程。ITA法與ITA-CB法不僅可以分析整體變化趨勢、局部變化趨勢進(jìn)行探究。此外，ITA-CB法中通過變化率來對趨勢變化進(jìn)行數(shù)值可視化，更加直觀。

近年來，許多學(xué)者研究表明橫斷山區(qū)氣溫總體呈上升趨勢。如李宗省等[11]研究表明橫斷山區(qū)年均氣溫、季節(jié)氣溫、季風(fēng)期與非季風(fēng)期氣溫均呈上升趨勢，90年代后更加明顯。卞耀勁等[12]研究表明橫斷山區(qū)90%的站點(diǎn)極端氣溫暖指數(shù)顯著上升，冷指數(shù)顯著下降。徐飛等[13]則研究發(fā)現(xiàn)橫斷山區(qū)氣候呈現(xiàn)暖干趨勢。丁文榮[14]通過對橫斷山區(qū)干旱河谷氣候研究表明，河谷區(qū)也存在暖干化趨勢(氣溫上升、降水和相對濕度減少)。但橫斷山區(qū)的區(qū)域差異和地形對氣候影響較大。橫斷山北、中、南潛在蒸散量在1960—2009年內(nèi)呈遞減趨勢，區(qū)域趨勢亦呈西南向東北遞減趨勢[15]。而極端降水也呈由西南向東北遞減的分布格局[12,16]。此外，橫斷山區(qū)的年、季和月均降水量與海拔/緯度的標(biāo)準(zhǔn)差之間存在顯著的負(fù)相關(guān)[17]。西昌市作為橫斷山區(qū)安寧河谷的重要區(qū)域，目前有關(guān)其氣候變化的研究主要集中在降水、氣溫和日照時(shí)數(shù)等單個(gè)氣象要素方面[18-20]，未能較全面反映區(qū)域氣候的整體變化?；诖耍疚牟捎美鄯e距平法和時(shí)間序列的非參數(shù)趨勢分析法(ITA法和ITA-CB法)對西昌市1961—2016年的降水、氣溫和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)變化特征與變化趨勢進(jìn)行分析，全面把握該區(qū)域氣候變化趨勢和對全球氣候變化的響應(yīng)程度，也為該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

西昌市地處四川省西南部安寧河谷地區(qū)，是川滇結(jié)合處的重要城市，是四川打造的攀西城市群中的核心力量及攀西地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是涼山州農(nóng)業(yè)產(chǎn)出地帶，擁有十分重要的戰(zhàn)略地位[21]。面積為2 655 km2，地域范圍為東經(jīng)101°46′～102°30′、北緯27°32′～28°10′(圖1)。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，全年降水較為集中。由于位于高溫、低濕河谷地區(qū)，也屬干熱河谷氣候，日照時(shí)間較長、陽光充足、光熱資源豐富，氣候炎熱少雨。西昌平均氣溫為17.1℃，降水量為1 003.9 mm。近年來，該區(qū)域森林火災(zāi)頻發(fā)，且集中于2—5月。

基于資料連續(xù)性、最長時(shí)段性和區(qū)域鄰近性等原則，采用西昌及其附近區(qū)域3個(gè)站點(diǎn)的1961—2016年逐日氣溫、降水資料及SPEI數(shù)據(jù)資料，利用Excel、Origin等軟件對其從月、年與年代等尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其中，氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)源自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)，SPEI數(shù)據(jù)來自SPEI全球干旱監(jiān)測網(wǎng)(https://spei.csic.es/index.html)的0.5°×0.5°網(wǎng)格化CRU TS 4.03數(shù)據(jù)集，可反映地區(qū)的氣候干濕狀況。

2 研究方法

2.1 累積距平法

累積距平法是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法[22]，對于序列，其某一時(shí)刻的累積距平表示為：

(1)

(2)

式中將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪制出累積距平曲線進(jìn)行趨勢分析。

2.2 SPEI

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)是通過計(jì)算某段時(shí)間降水量與地面蒸發(fā)量之差偏離平均狀態(tài)的程度，從而對氣候干濕等級進(jìn)行量化，以表征某地區(qū)的干旱狀況[23-24]。當(dāng)SPEI數(shù)值為負(fù)時(shí)，即表示發(fā)生干旱，且數(shù)值越小，干旱程度越大[26]。

2.3 創(chuàng)新趨勢分析法

ITA-CB法是將在ITA散點(diǎn)圖上對時(shí)間序列的變化進(jìn)行數(shù)值可視化[27]。其方法是依次計(jì)算(yi-xi)/xi×100%，i=1、2、…、n，這樣重復(fù)操作n/2次后，統(tǒng)計(jì)出每一組的最小、平均和最大變化率。然后繪制在統(tǒng)計(jì)學(xué)中箱圖中(圖3)。如果均值線接近最小(最大值)線，則趨勢斜率存在負(fù)(正)趨勢。因此，如果均值線和最大值線之間的差很小(很大)，趨勢斜率就會增大(減小)。

運(yùn)用上述2種方法對西昌市1961—2016年年降水量進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，依次輸出散點(diǎn)圖、箱圖。將西昌市內(nèi)年降水量數(shù)據(jù)基于時(shí)間序列分為前、后兩部分，并依據(jù)前半部分的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差確定低值、中值和高值區(qū)。計(jì)算統(tǒng)計(jì)3個(gè)組別及整體數(shù)據(jù)的最小、平均和最大變化率，繪成箱圖。以上過程重復(fù)應(yīng)用于年均溫和年際尺度的SPEI數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 西昌市內(nèi)降水、平均氣溫和SPEI特征

3.1.1降水和平均氣溫的年內(nèi)特征

由圖4可知，1961—2016年西昌市年內(nèi)降水主要集中在6—9月，其中7月為降水量的最大值月，降水量為241.6 mm，2月為降水量的最小值月，降水量為7.7 mm；西昌市的月均溫在1、12月低于10 ℃，其余月份均高于10 ℃，其中最高均溫出現(xiàn)在7月，為22.6 ℃；最低均溫出現(xiàn)在1月，為9.7 ℃。

3.1.2降水、平均氣溫和SPEI的年際特征

采用累積距平法對西昌市近56 a(1961—2016年)的年均降水量進(jìn)行分析。西昌市多年平均降水量為1 094.0 mm，其年降水量極大值出現(xiàn)在1998年，為1 414.4 mm，高出多年平均降水量320.4 mm；極小值出現(xiàn)在2011年，為764.8 mm，比多年平均降水量少329.2 mm。西昌市年際降水量變化趨勢較復(fù)雜，1961—1974年出現(xiàn)小幅度波動，降水量以上升趨勢為主；1975—1990年呈明顯下降趨勢；1991—1995年又出現(xiàn)小幅度波動，呈波動上升趨勢；1996—1997年兩年間呈顯著下降趨勢；1998—2001年降水量呈顯著上升趨勢，此后至2012年呈波動下降趨勢；2013年后降水量則以增加趨勢為主。以1974、1990、2001年為節(jié)點(diǎn)，降水量依次出現(xiàn)顯著下降趨勢、波動上升趨勢和波動下降趨勢(圖5a)。

與年降水量相比，西昌市近56 a(1961—2016年)均溫的年際變化趨勢較為簡單，呈先波動式下降后又波動式上升的總體趨勢(圖5b)。西昌市56 a的年均氣溫為17.1 ℃，極大值出現(xiàn)于2015年，為18.0 ℃；極小值出現(xiàn)于1992年，為16.4 ℃，極差達(dá)1.6 ℃。1997年為累積距平的最低點(diǎn)，可作為趨勢變化的分界點(diǎn)。1997年前，西昌市內(nèi)的年均溫呈小幅波動式下降趨勢；而1997年后，年均溫則呈顯著大幅上升趨勢，其中2004—2016年年均溫升高較快，近乎呈直線上升。

西昌市1961—2016年年際SPEI變化特征表現(xiàn)為56 a間西昌市SPEI值波動較大(圖6)。56 a中有25 a為濕潤及偏濕潤(基本正常中正值)年份，31 a為干旱及偏干旱(基本正常中負(fù)值)年份。2002年前，西昌市干旱與濕潤交替出現(xiàn)，無明顯變干趨勢。其中濕潤占比為14.6%，偏濕潤占比為39%，且在1968年出現(xiàn)了極濕潤情況；干旱占比12.2%，偏干旱占比34.2%，偏濕潤年份多于偏干旱年份，干旱發(fā)生頻率較低，持續(xù)時(shí)間短，且略低于濕潤年份。但2002年后，SPEI趨于偏干旱發(fā)展，偏干旱占比上升至58.3%，干旱占比大幅上升，上升至41.7%，且在2011年出現(xiàn)了極干旱情況。

SPEI受降水和地面蒸發(fā)的共同影響，且溫度對于地面蒸發(fā)又有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[28]，分析降水、氣溫與SPEI的相關(guān)關(guān)系，可進(jìn)一步認(rèn)識區(qū)域干濕變化的原因。通過相關(guān)性分析得到，SPEI與降水量成極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.800，p<0.01)，與年均溫成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.299，p<0.05)。SPEI與降水量回歸方程擬合度較高(R2=0.640)(圖7a)。隨著降水量的增大，SPEI也隨之增大，地區(qū)趨濕潤狀態(tài)發(fā)展。氣溫升高，SPEI降低(圖7b)，地區(qū)趨向干旱化。

3.1.3降水、平均氣溫和SPEI的年代際特征

年代際氣候變化特征可作為短期氣候預(yù)測的直接背景，也可作為長期氣候變化的一個(gè)時(shí)段，可為更長期的氣候變化預(yù)測提供依據(jù)[29]。西昌市近56 a的年代內(nèi)年平均降水量表現(xiàn)為波動式上升趨勢(圖8a)。1960s—1970s呈現(xiàn)明顯下降趨勢，1970s后總體上呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，在1990s降水發(fā)生突變，降水量突增至1 150.0 mm，主要受90年代ENSO事件與青藏高原冬春季積雪多等因素的影響，致大氣環(huán)流異常，西南地區(qū)濕季總降水量在20世紀(jì)90年代較60—80年代出現(xiàn)了短暫增加[30-31]；年代均溫1960s至1970s與降水年代變化規(guī)律相反，呈緩慢上升趨勢，1970s—2010s呈明顯上升趨勢，且上升趨勢在逐漸加強(qiáng)，但在1980s—1990s上升趨勢短暫減緩，推測與1990s降水突變有一定聯(lián)系，1990s—2010s氣溫幾乎呈直線上升的趨勢(圖8a)。若平均氣溫以此趨勢上升，西昌市年代均溫預(yù)計(jì)在50、60年后將會超過20℃。

在年代尺度上，隨時(shí)間的推移，干旱年份數(shù)在增加且干旱程度愈加嚴(yán)重(圖8b)。1960s西昌市SPEI為正常范圍的占70.4%，1970s至2010s，SPEI正常范圍占比降至54.8%；且此期間輕度干旱、中等干旱與極干旱占比從7.5%增至28.6%，相應(yīng)不同程度濕潤等級占比減少，從17.6%下降到16.7%；1990s極濕潤等級占比較1960s—1980s高，推測與1990s年代平均降水量突增相關(guān)，進(jìn)入2000s后，極濕潤等級消失，輕度濕潤與中度濕潤占比僅為16.7%，極干旱等級出現(xiàn)，輕度干旱至極干旱等級占比上升至28.6%，降水量雖出現(xiàn)小幅上升，但溫度出現(xiàn)近乎直線上升狀態(tài)，說明2000s之后，干濕變化對于氣溫更為敏感。而2000s前干旱等級變化不大，主要因升溫幅度較小，SPEI主要受降水量控制。

3.2 西昌市內(nèi)降水、平均氣溫和SPEI的變化趨勢分析

56 a的年均降水量在低值區(qū)(年降水量小于943.6 mm)呈上升趨勢，在中值區(qū)(943.6 mm<年降水量<1 237.0 mm)趨勢并不明顯，而在高值區(qū)(年降水量大于1 237.0 mm)呈下降趨勢(圖9a、9b)，說明西昌市年均降水量減少趨勢明顯。其中低值區(qū)和高值區(qū)平均變化趨勢率分別為-14.3%和-3.9%，但代表低值區(qū)平均變化趨勢率的直線更接近于最小值線，因此可得出56 a間的年降水量在低值區(qū)呈上升趨勢的變化趨勢減弱的可能性更大；在高值區(qū)呈下降趨勢但這種趨勢在減緩。綜上，56 a的年均降水量平均趨勢率在低值區(qū)、中值區(qū)與高值區(qū)均表現(xiàn)為負(fù)，即變化趨勢在減弱；而總體區(qū)域降水量的變化趨勢雖表現(xiàn)中庸，而其平均變化趨勢率為-4.8%，說明總體的變化趨勢在減緩。

1961—2016年西昌市年均溫在低值區(qū)(年均溫小于16.6℃)與高值區(qū)(年均溫大于17.3℃)呈現(xiàn)上升趨勢，平均變化趨勢率分別為-0.17%、1.13%，在中值區(qū)(16.6℃<年均溫<17.3℃)以上升為主，其平均變化趨勢率為0.12%，其中低值區(qū)與高值區(qū)均呈上升趨勢，但其增加趨勢無明顯加強(qiáng)或減緩(圖9c、9d)。根據(jù)ITA-CB法可以得出56 a該區(qū)域年均溫平均趨勢率在中值區(qū)表現(xiàn)為負(fù)且變化率均值靠近最大值線，即上升趨勢在增強(qiáng)，年均溫整體呈顯著上升趨勢，平均變化率為1.72%，且整體變化率均值靠近最大值線，表明上升幅度有增大的趨勢。

1961—2016年研究區(qū)域內(nèi)SPEI在低值區(qū)(SPEI<-0.78)呈現(xiàn)明顯上升趨勢，平均變化趨勢率為12.9%，高值區(qū)(SPEI>0.89)的平均變化趨勢率為-23.6%，表現(xiàn)為下降趨勢，中值區(qū)(-0.78

4 結(jié)論

a)西昌市內(nèi)降水量年內(nèi)分布不均勻，年內(nèi)降水集中于夏秋季(6—9月)，占全年降水量的74.2%；降水量年際分布復(fù)雜且波動明顯，年代際特征表現(xiàn)為先下降后緩慢上升。西昌市年均溫呈先下降后上升趨勢，年代際均溫則表現(xiàn)為1990s前呈波動上升趨勢，1990s后呈線性上升趨勢。

b)西昌市56 a的SPEI表現(xiàn)出隨時(shí)間的推移，干旱程度愈加嚴(yán)重，1970s后西昌市的干旱程度逐漸加深，2000s后干旱至極干旱等級占比上升至28.6%，干濕變化對氣溫更加敏感。SPEI與年均溫呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與降水量成極顯著正相關(guān)關(guān)系。

c)西昌市56 a的降水量在低值區(qū)呈上升趨勢，中值區(qū)趨勢變化不明顯，在高值區(qū)呈下降趨勢，但年均降水量表現(xiàn)為上升趨勢；而年均溫呈明顯上升趨勢，且整體平均趨勢率為1.72%。SPEI在低值區(qū)呈上升趨勢，而在中值區(qū)、高值區(qū)均呈下降趨勢，表明西昌市干旱等極端天氣發(fā)生概率在變大。

西昌市氣候變化較為復(fù)雜，總體偏干旱發(fā)展。本研究可為西昌市預(yù)測未來氣候變化趨勢提供參考，為應(yīng)對區(qū)域糧食與水資源安全、極端災(zāi)害、社會建設(shè)等提供科學(xué)基礎(chǔ)，對實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要。