馬爾康市1954—2019年降水與旱澇災(zāi)害變化

侯雨樂(lè)，趙景波

(1.阿壩師范學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，四川 汶川 623002；2.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061)

1 研究背景

受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響，全球淡水的可獲得性在迅速下降，更熱、更旱、更澇的未來(lái)已悄然而至[1]。氣候變化引發(fā)的氣候突變、極端天氣已是本世紀(jì)旱澇災(zāi)害發(fā)生的最主要的致災(zāi)因子[2]。2020年度的“國(guó)際減災(zāi)日”報(bào)告中也指出，極端天氣事件主導(dǎo)著21世紀(jì)的災(zāi)害格局[3]。受全球氣候變暖影響，流域、區(qū)域間的降水特征發(fā)生了較大變化[4-5]，氣候變化全面影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，研究區(qū)域氣候特征是應(yīng)對(duì)氣候變化、水資源管理、社會(huì)建設(shè)的科學(xué)基礎(chǔ)。為真正體現(xiàn)人類(lèi)生態(tài)命運(yùn)共同體、應(yīng)對(duì)全球氣候變化的大國(guó)擔(dān)當(dāng)角色及實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)，研究碳中和式綠色發(fā)展及全球氣候治理范式將是特別必要的[6]。陳睿山等[7]指出，為解決日益凸顯的氣候變化等問(wèn)題，需要促進(jìn)減緩氣候變化和土地退化的協(xié)同行動(dòng)。

王雨茜等[8]研究表明，近幾十年來(lái)長(zhǎng)江上游氣溫呈上升態(tài)勢(shì)，降水季節(jié)變化差異較大。肖揚(yáng)等[9]分析了1961—2010年間的大渡河流域降水時(shí)空分布特征，結(jié)果表明小金等地降水呈現(xiàn)增多趨勢(shì)。黃喜峰等[10]分析了渭河流域歷史時(shí)期的旱澇演變規(guī)律，利用Granger因果檢驗(yàn)分析法證實(shí)了ENSO事件與旱澇災(zāi)害存在著統(tǒng)計(jì)因果關(guān)系。馬偉東等[11]分析了1961—2017年青藏高原極端降水指數(shù)及其時(shí)空分布特征，為制定區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策提供了數(shù)據(jù)支撐。趙東升等[12]提出近59 a來(lái)我國(guó)是一個(gè)以暖濕化為主的氣候變化過(guò)程。近百年全球氣候變化下頻發(fā)的旱澇等氣象災(zāi)害對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)帶來(lái)了新的威脅挑戰(zhàn)。

馬爾康市地處川西北高原的高山峽谷地帶，是強(qiáng)降雨影響區(qū)，極端降水事件多發(fā)，屬于氣候變化影響下的生態(tài)敏感區(qū)[13]。馬爾康地區(qū)是岷江上游的重要生態(tài)屏障，也是青藏高原東緣的生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)。研究縣域降水特征及對(duì)全球變暖的響應(yīng)，可對(duì)地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)、預(yù)估未來(lái)氣候變化風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)建設(shè)管理提供進(jìn)一步詳實(shí)的實(shí)證支持。

2 研究區(qū)概況

馬爾康市以原嘉絨藏族中的4個(gè)土司屬地為雛形建立起來(lái)，介于101°17′E—102°41′E，30°35′N(xiāo)—32°24′N(xiāo)之間，系阿壩州首府，距成都市365 km。地處川西北高原南緣，邛崍山脈北端。該區(qū)位于大渡河上游，地勢(shì)由東北向西南逐漸降低，海拔在2 180～5 301 m之間，河流切割強(qiáng)烈，地表起伏大，以高山峽谷為主。受局地環(huán)流與西南季風(fēng)的疊加影響，具有高原型大陸季風(fēng)濕潤(rùn)氣候特征，冬寒夏涼，日照充足，干雨季分明，雨熱同期，夏季降水集中，夏季極端天氣較多，氣溫變化劇烈，年平均氣溫8.86 ℃。災(zāi)害性天氣尤以干旱、秋綿雨為主[14]。

3 研究數(shù)據(jù)及方法

本文數(shù)據(jù)主要來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中“中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集”提供的1954—2019年間馬爾康市氣象臺(tái)站觀測(cè)值，主要包括月值最低氣溫值、最高氣溫值、平均氣溫值、降水量等系列數(shù)據(jù)。以氣象劃分四季法來(lái)作為處理氣象數(shù)值的依據(jù)，即以3—5月份為春季，6—8月份為夏季，9—11月份為秋季，12月份—次年2月份為冬季。

計(jì)算馬爾康市降水量的季節(jié)、年際變化趨勢(shì)，并利用SPSS、MATLAB、Eviews等軟件平臺(tái)中的最小二乘法、一般線性模型、Mann-Kendall法、小波分析、ADF平穩(wěn)性檢驗(yàn)等方法進(jìn)行線性傾向、突變檢驗(yàn)、信噪比檢驗(yàn)、周期變化、Granger因果檢驗(yàn)等，其具體原理和過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10，15-19]。

4 結(jié)果與分析

4.1 馬爾康市氣溫和降水年際變化特征

1954—2019年間馬爾康市年均氣溫、年降水量均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)(圖1)，經(jīng)SPSS軟件的顯著性分析，其結(jié)果都通過(guò)了95%水平下的顯著性檢驗(yàn)。馬爾康市氣溫的年際變化率為0.12 ℃/(10 a)，是全國(guó)年均氣溫升高速率的一半，升溫速率明顯低于同期全國(guó)平均水平。馬爾康市年均極高氣溫是2014年的9.56 ℃，年均極低氣溫是1992年的7.73 ℃。馬爾康市多年平均降水量為788.72 mm，以16.29 mm/(10 a)的平均速率增加。其中年極大值出現(xiàn)在2019年的1 069.60 mm，極小值出現(xiàn)在2002年的557.80 mm。即近66 a來(lái)馬爾康氣候整體上趨于暖濕，這一結(jié)論與前人研究成果一致，川西北高原有變暖增濕的趨勢(shì)特征[20-22]。

圖1 1954—2019年馬爾康市氣候變化

累積距平[10]是判斷氣候變化規(guī)律的一種有效方法，通過(guò)計(jì)算連續(xù)多年降水量的累積距平值來(lái)繪出該地多年降水量的累積距平曲線，以分析多年降水量的特征趨勢(shì)及階段性的持續(xù)性變化規(guī)律，也可用來(lái)確定降水量、氣溫變化的突變年份。當(dāng)累積距平曲線呈上升趨勢(shì)時(shí)，表示對(duì)應(yīng)時(shí)期處于多雨期，反之則表示處于少雨期。應(yīng)用累積距平值對(duì)馬爾康市近66 a來(lái)的年均降水量進(jìn)行分析(圖2)。由圖2可知，年降水距平值也呈增加趨勢(shì)。從20世紀(jì)50年代中期到80年代末，年降水處在減少階段，多處于平水年、枯水年時(shí)期，本階段在馬爾康地方志中記載的旱災(zāi)較多。20世紀(jì)90年代初期降水量有明顯回升的趨勢(shì)，是豐水年時(shí)段。1994—2008年間降水量又波動(dòng)減少，降水年際變化較大，2008年累計(jì)降水距平值最小，為-1 020.23 mm，旱澇災(zāi)害交替頻發(fā)。2008年之后曲線開(kāi)始劇烈上升，2009—2019年降水量的距平值高達(dá)55.66 mm，表明近年來(lái)本地處在多雨期，降水增多。

圖2 馬爾康市年降水量累積距平變化

4.2 馬爾康市年降水的突變檢驗(yàn)

為深入討論馬爾康市降水量變化特征，對(duì)年降水進(jìn)行Mann-Kendall突變分析(圖3)。可知，曲線統(tǒng)計(jì)值Zstatistic=2.30>1.96，降水量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。UF曲線在1990年之后一直>0，且呈增加趨勢(shì)。UF、UB曲線在其置信區(qū)間內(nèi)的2013年、2015年相交。結(jié)合圖2中降水累積距平值變化特征，可推斷2013年為降水突變年份。2013年后的年均降水量是降水突變前降水量的1.19倍，是多年降水的1.17倍，降水明顯增多。

圖3 馬爾康市年降水量突變分析

4.3 馬爾康市季節(jié)降水變化分析

從馬爾康市的季節(jié)降水變化特征看(表1)，四季降水量均呈增多趨勢(shì)，這與多年降水量趨勢(shì)一致。其中以夏季、秋季增幅明顯，春季增幅最小。

表1 馬爾康市季節(jié)及多年平均降水量線性傾向變化

馬爾康市春季多年降水的平均值約12.02 mm，整體上以0.56 mm/(10 a)的速率增加。夏季多年平均降水約182.62 mm，多年來(lái)以8.57 mm/(10 a)的速率增加，1999年夏季出現(xiàn)最高值為279 mm，最低值為1986年的78 mm。秋季多年平均降水約388.67 mm，以4.70 mm/(10 a)的速率增加，1983年秋季出現(xiàn)最高值585.4 mm，最低值為1958年的257.5 mm。冬季多年平均降水約205.37 mm，以2.48 mm/(10 a)的速率增加。夏季降水量增幅最為明顯，春季降水增幅較小。夏秋季降水對(duì)年均降水量增多的貢獻(xiàn)率更大。對(duì)夏季降水進(jìn)行滑動(dòng)T檢驗(yàn)，|T|=3.49>T(0.01/2)=1.64，也顯示降水在2013年前后發(fā)生顯著跳躍。

5 討 論

5.1 氣溫突變對(duì)降水量及旱澇災(zāi)害的影響

信噪比可以衡量天氣過(guò)程的氣溫或降水量隨不同時(shí)段統(tǒng)計(jì)量差異性，是通過(guò)轉(zhuǎn)折年份前后兩階段的降水量或者氣溫的平均值差得出絕對(duì)值與其標(biāo)準(zhǔn)差之和的比值。其可以用來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證氣候突變的真實(shí)性，若信噪比比值>1，則可認(rèn)為在這個(gè)年份存在氣候突變，反之認(rèn)為突變不顯著。信噪比S/N的計(jì)算公式為[23]

(1)

式中：x1、x2及s1、s2分別表示轉(zhuǎn)折年份前后兩個(gè)階段降水量或氣溫?cái)?shù)值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

據(jù)馬爾康市年均氣溫累積距平值變化可知，2001年后累積距平曲線波動(dòng)上升，氣溫升高，且上升速率較快。對(duì)馬爾康市年均氣溫進(jìn)行信噪比檢測(cè)，2001年為節(jié)點(diǎn)的信噪比比值為1.01>0，表示氣候存在突變。以此可確定2001年為氣候突變點(diǎn)。氣溫突變前(1954—2001年)的降水變化率是11.57 mm/(10 a)，氣溫突變后(2002—2019年)的降水變化率猛增到155.73 mm/(10 a)，是氣溫突變前的13.46倍。

為更明顯反映氣溫突變對(duì)降水變化的影響，利用SPI指數(shù)劃分旱澇災(zāi)害等級(jí)[24]，并統(tǒng)計(jì)氣溫突變前后的旱澇變化情況，做出馬爾康市氣溫突變前后旱澇災(zāi)害頻率變化圖(圖4)。從圖4可知，1955—2001年間降水量平均為772.69 mm。在這47 a間里，重旱出現(xiàn)1次，中旱2次，輕旱14次，正常年份19次，輕澇6次，中澇5次。旱澇頻率為59.57%，旱災(zāi)頻率是36.17%，澇災(zāi)頻率是23.40%。氣溫突變后的2002—2019年間，年降水量平均值為823.75 mm，年均降水明顯增多。在這18 a間，中旱出現(xiàn)了2次，輕旱2次，正常年份5次，輕澇7次，重澇1次，特澇1次。旱澇頻率為72.22%，旱澇災(zāi)害呈增多態(tài)勢(shì)。由于年降水量的增加，旱澇頻率也在增加，為50%，且發(fā)生了更多的極端洪澇事件。

圖4 氣溫突變前后旱澇災(zāi)害頻率變化

由于季節(jié)降水集中程度變化和年降水多寡等氣候極端情況多發(fā)，導(dǎo)致百年來(lái)旱澇災(zāi)害多發(fā)[25]。2015—2019年連續(xù)五年出現(xiàn)洪災(zāi)，且有特澇、重澇；2018年6月底至7月初，受連續(xù)暴雨等強(qiáng)降水影響，馬爾康市4鎮(zhèn)10鄉(xiāng)均遭受不同程度的洪澇、滑坡、泥石流災(zāi)害，基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重受損，受災(zāi)人口達(dá)2 532人。2019年降水量是最多的一年，受8月底強(qiáng)降雨影響，多地發(fā)生不同程度山體滑坡、泥石流災(zāi)害，造成房屋受浸、群眾受災(zāi)，多處干道受損。2020年6月馬爾康出現(xiàn)超歷史洪水。此次災(zāi)情持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，波及鄉(xiāng)鎮(zhèn)廣，災(zāi)情嚴(yán)重，結(jié)合近年來(lái)處于豐水期特征，可以判斷2015—2019年是一次重大洪澇事件。

5.2 馬爾康市旱澇災(zāi)害周期分析

功率譜分析可很好地確定區(qū)域旱澇災(zāi)害周期變化的主要頻率[25]。功率譜分析表明，馬爾康市1954—2019年間旱澇災(zāi)害存在約6.6 a的震蕩周期(圖5)。研究表明[26-27]，ENSO事件與區(qū)域旱澇災(zāi)害存在相關(guān)性，是引發(fā)氣溫、降水變化的主要驅(qū)動(dòng)、制約因子之一，且存在一定的滯后性，滯后期為1～2 a時(shí)對(duì)區(qū)域氣候變化的影響依然較大。在ENSO暖狀態(tài)干擾下，中國(guó)大部分地區(qū)都偏干，在ENSO冷狀態(tài)則情況相反。ENSO事件有2～7 a的主周期[28]，表征ENSO事件與馬爾康旱澇災(zāi)害存在較同步的共振周期。

圖5 馬爾康市1954—2019年旱澇災(zāi)害的功率譜周期分析

為更好地表征ENSO事件與旱澇災(zāi)害關(guān)系，需要統(tǒng)計(jì)和確定1963—2019年間ENSO事件與旱澇災(zāi)害發(fā)生年的對(duì)比關(guān)系。在這56 a間共發(fā)生了31次ENSO事件，其中有18次厄爾尼諾暖事件，13次拉尼娜冷事件，期間共發(fā)生了18次旱澇災(zāi)害。在暖事件發(fā)生當(dāng)年，發(fā)生了11次旱澇災(zāi)害(5次澇災(zāi)，6次旱災(zāi))，旱澇災(zāi)害在厄爾尼諾年出現(xiàn)的幾率是61.11%。在冷事件發(fā)生當(dāng)年，發(fā)生了7次旱澇災(zāi)害(3次澇災(zāi)，4次旱災(zāi))，旱澇災(zāi)害在拉尼娜年出現(xiàn)的幾率是53.85%。在厄爾尼諾事件發(fā)生兩年后，出現(xiàn)旱澇災(zāi)害10次(3次澇災(zāi)，7次旱災(zāi))，幾率為55.56%。在拉尼娜事件發(fā)生兩年后，出現(xiàn)旱澇災(zāi)害8次(旱澇各4次)，幾率為61.54%。在ENSO事件發(fā)生年或之后的兩年內(nèi)，馬爾康市旱澇災(zāi)害出現(xiàn)的幾率都>50%。ENSO事件發(fā)生年或之后年易發(fā)生旱澇災(zāi)害，要加強(qiáng)防汛抗旱預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)工作。

5.3 馬爾康市年降水量的平穩(wěn)性檢驗(yàn)及Granger 因果檢驗(yàn)

ADF檢驗(yàn)(單位根檢驗(yàn))是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)序列平穩(wěn)性檢驗(yàn)，是經(jīng)典的時(shí)間序列分析的前提。ADF檢驗(yàn)判斷降水序列是否存在單位根，如果序列平穩(wěn)，就不存在單位根。否則序列有單位根，非平緩。存在單位根是繼續(xù)進(jìn)行Granger 因果關(guān)系檢驗(yàn)的前置條件。Granger因果關(guān)系檢驗(yàn)可以從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度探尋兩個(gè)時(shí)間序列之間存在的因果關(guān)系[18]。

為解決數(shù)據(jù)的共線性和異方差問(wèn)題[29]，基于EViews 10軟件對(duì)年降水量、太陽(yáng)黑子數(shù)、ENSO事件數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行ADF檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。ADF值遠(yuǎn)小于各等級(jí)的檢驗(yàn)臨界值，表示年降水量數(shù)據(jù)通過(guò)了平穩(wěn)性檢驗(yàn)，可以繼續(xù)進(jìn)行因果檢驗(yàn)。

表2 1954—2019年降水量與太陽(yáng)黑子數(shù)、ENSO事件數(shù)的ADF檢驗(yàn)結(jié)果

利用Eviews軟件對(duì)馬爾康市1954—2019年降水量與太陽(yáng)黑子數(shù)進(jìn)行Granger因果分析，滯后期分別選擇5 a和6 a，由表3可知，當(dāng)滯后期為6 a時(shí)，太陽(yáng)黑子不是降水量變化的Granger原因在10%顯著水平下拒絕原假設(shè)，即太陽(yáng)黑子活動(dòng)對(duì)降水量變化存在明顯的Granger因果關(guān)系，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上看，二者存在邏輯上的因果聯(lián)系。太陽(yáng)黑子活動(dòng)有約11 a周期，峰值約在5～7 a時(shí)出現(xiàn)。太陽(yáng)黑子數(shù)達(dá)到峰值當(dāng)年或者前后一年時(shí)的降水變化率較大，旱澇發(fā)生概率大[25]，這與本文中當(dāng)滯后期約6 a時(shí)顯著影響降水變化的結(jié)論類(lèi)似。也與黃喜峰等[10]得出的太陽(yáng)黑子數(shù)和旱澇等級(jí)在6～14 a周期上有顯著相關(guān)性這一重要結(jié)論相接近。

表3 年降水量與太陽(yáng)黑子數(shù)、ENSO事件的Granger因果檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)馬爾康市1954—2019年降水量與ENSO事件進(jìn)行Granger因果分析。滯后期分別選擇1、2 a，當(dāng)滯后期為2 a時(shí)，ENSO不是降水量變化的Granger原因在1%顯著水平下拒絕原假設(shè)，即ENSO事件對(duì)降水量變化存在明顯的Granger因果關(guān)系，二者存在邏輯上的顯著因果聯(lián)系，且可能在滯后期為2 a下的ENSO事件是旱澇變化的主要誘因之一。ENSO事件對(duì)降水量的影響變化有一定滯后性[30]。統(tǒng)計(jì)可知，在ENSO事件發(fā)生之后的2 a時(shí)，馬爾康市旱澇災(zāi)害出現(xiàn)機(jī)率>50%，可進(jìn)一步證實(shí)二者因果關(guān)系的可靠性。長(zhǎng)序列ENSO事件的年尺度是區(qū)域旱澇預(yù)警的理論依據(jù)。

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)馬爾康市氣溫、降水特征、旱澇災(zāi)害變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行的分析探討，得出以下結(jié)論：

(1)1954—2019年間馬爾康市年均氣溫、年降水量均呈顯著上升趨勢(shì)，有暖濕化傾向。馬爾康市年均氣溫升溫速率明顯低于同期全國(guó)平均水平，多年平均降水量以16.29 mm/(10 a)的速率增加，以夏季、秋季增多明顯，春季增幅最小。20世紀(jì)50年代中期至80年代末，馬爾康市年降水處在減少階段，多處于平水年、枯水年時(shí)期；2008年后本地降水逐漸增多，處在多雨期，推斷2013年為降水突變年份。2013年后的年均降水量是降水突變前的1.19倍，是多年降水的1.17倍。

(2)2001年為氣溫突變點(diǎn)。氣溫突變后(2002—2019年)降水變化率為155.73 mm/(10 a)，是氣溫突變前的13.46倍。氣溫突變后，旱澇災(zāi)害呈增多態(tài)勢(shì)，極端洪澇事件更為頻繁。2015—2019年是一次重大洪澇事件。

(3)ENSO事件與馬爾康地區(qū)的旱澇災(zāi)害在6.6 a上有較同步的共振周期。ENSO事件是降水量變化的Granger原因，二者存在顯著因果聯(lián)系，且可能在滯后期為2 a下的ENSO事件是旱澇變化的主要誘因之一。ENSO事件的年尺度是區(qū)域旱澇預(yù)警的重要理論支撐。