昆明地區(qū)降水量時(shí)空分布特征

鄒靈宇，李曉鵬，楊 柯

(昆明市氣象臺(tái)，云南 昆明 650034)

0 引言

昆明地處東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)交匯影響的區(qū)域，降雨年內(nèi)分布、年際分布極不均勻，干濕季節(jié)分明，常常存在不同時(shí)段的氣象干旱。隨著昆明城市化進(jìn)程的發(fā)展、下墊面的改變和大量人為熱及溫室氣體排放，形成了城市區(qū)域性氣候[1]，就更加突出了干旱的不利影響和更加容易引起局地強(qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)和城市內(nèi)澇的發(fā)生。2009年以來昆明出現(xiàn)罕見的4年連旱，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等遭受巨大損失，庫塘蓄水頻頻告急。而“7·19”昆明暴雨等強(qiáng)降雨天氣過程也使人們的生產(chǎn)生活遭受極大損失。降水不僅是一個(gè)重要的氣候要素，它還對(duì)區(qū)域水資源時(shí)空分布、生態(tài)環(huán)境形成與演變以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著決定性的影響。它的時(shí)空分布與人類的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，而與降水平均變化規(guī)律相比，降水異常的時(shí)空變化對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境影響更為顯著[2]。

近年來，氣象工作者對(duì)云南氣候變化中降水的演變特征作了不少分析，如王宇、解明恩[3，4]等用1951～1994年的資料分析了云南18個(gè)代表站降水的40a變化，發(fā)現(xiàn)云南氣溫大部地區(qū)變化趨勢基本一致，20世紀(jì)50年代和80年代高，60年代和70年代低，降水有明顯的區(qū)域變化特征。陶云等[5]應(yīng)用回歸方法客觀、定量地分析云南降水的時(shí)空變化特征，分析得出了近50a來云南降水量夏、減少，春、冬季增加，年降水減少，并有著明顯年代際變化趨勢；云南年降水量、季降水、春夏季降水及秋季降水都存在一個(gè)或多個(gè)顯著性突變點(diǎn)，而冬季降水沒有檢測出突變點(diǎn)；近50a來云南降水量變化也存在明顯的區(qū)域分布特征。

由于云南特殊的地理環(huán)境和氣候背景，各個(gè)地州的氣象條件存在明顯的地區(qū)差異。研究昆明地區(qū)降水的時(shí)空變化特征，對(duì)提高旱澇氣候預(yù)測的水平，積極防御降水異常所造成的重大經(jīng)濟(jì)損失，無疑都是當(dāng)前防災(zāi)減災(zāi)工作的迫切要求，還可為城市防洪、雨水排放標(biāo)準(zhǔn)和城市環(huán)境保護(hù)提供有力支持。

1 資料與方法

本文選用昆明地區(qū)昆明(編號(hào)56778)、祿勸(編號(hào)56775)、富民(編號(hào)56772)、嵩明(編號(hào)56785)、宜良(編號(hào)56880)、石林(編號(hào)56881)、呈貢(編號(hào)56882)、晉寧(編號(hào)56871)、安寧(編號(hào)56863)、太華山(編號(hào)56872)、東川(編號(hào)56688)、尋甸(編號(hào)56781)，共12個(gè)國家氣象站43a(1970～2012年)的逐月降水量(1970年以前降水資料缺測站數(shù)較多)。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了昆明地區(qū)降水量的月、季節(jié)及年際變化。用線性傾向估計(jì)法，對(duì)年降水量以及春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11月)和冬季(12、次年1和2月)的變化趨勢及空間分布特征進(jìn)行了分析。借助非參數(shù)M-K(Mann-Kendall)檢驗(yàn)法(顯著性水平0.05)對(duì)12站年、季的降水變化趨勢進(jìn)行了分析。所選各站觀測數(shù)據(jù)缺失率小，并對(duì)個(gè)別無記錄的資料序列，采用無降水情況代替，保證了數(shù)據(jù)序列的完整性和連續(xù)性。

圖1 1970～2012年昆明年降水量(a)和平均月降水量(b)Fig.1 The annual(a) and monthly mean precipitation(b) of Kunming from 1970 to 2012

2 結(jié)果與分析

2.1 昆明地區(qū)降水量特征分析

昆明地區(qū)12個(gè)站點(diǎn)1970～2012年的年平均降水量約為903.1mm，年平均降水量的最大值出現(xiàn)在1999年，為1 155.5mm，最小值出現(xiàn)在2011年，為583.1mm，最大值與最小值之比為1.98(圖1a)。從昆明地區(qū)平均降水距平演變趨勢圖(圖2)可看出，1970～2012年昆明年降水量、四季降水量有著較為明顯的年代際變化特征。從年降水量來看(圖2e)，其總體趨勢呈減少的趨勢，平均每年減少約1.94mm，比全省減少的幅度偏大近5倍(全省每年減少約0.45[5])。從年代際變化特征來看，20世紀(jì)70年代至80年代降水量偏多與偏少的年份交替出現(xiàn)，到80年代中末期至90年代中期出現(xiàn)偏少的趨勢，90年代中期后年降水量回升明顯，2005年后年降水量減少的趨勢較為顯著。

昆明由于受季風(fēng)氣候和地形等因素的影響，昆明地區(qū)的年內(nèi)降水分配極不均勻，季節(jié)變化十分鮮明。從近43a平均各季平均降雨量來看春季132.9mm、夏季522.4mm、秋季218.6mm、冬季41.6mm(圖1b)，降水主要集中在夏、秋兩季，汛期的5～10月占全年降水量的86.5%左右。其中夏季的6～8月是降水量最集中的主汛期，平均月降水量約174.1mm，占全年降水總量的56%。冬、春季降水只占全年的19%，由于降水量少不利于蓄水，因此在常年冬春季便存在季節(jié)性干旱。通常云南干旱的主要特點(diǎn)是秋末出現(xiàn)的干旱持續(xù)到夏初，進(jìn)入雨季后干旱得到緩解。但因2009年以來的夏秋兩季降水偏少，干旱天氣連續(xù)，使得冬春干旱難以緩解，庫塘蓄水得不到有效補(bǔ)充，致使干旱導(dǎo)致的不利影響累計(jì)增長。

昆明的四季有著不同的變化特征：春季降水總體呈明顯減少趨勢(圖2a)，平均每年減少0.43mm。春季降水最多的年份出現(xiàn)在1990年，為249.2mm，比常年偏多116.3mm；最少的年份是1987年，為57.1mm，較常年偏少75.8mm。春季降水也存在明顯的年代際變化：20世紀(jì)70年代后期前，春季降水處于一個(gè)偏多的時(shí)段；80年代到2000年附近春季降水基本處于偏少的趨勢，但1985年和1990年異常偏高出現(xiàn)了春季的最大降水和次大降水；2000年至2005年降水有一定增加屬略偏多；2005年以后出現(xiàn)了明顯的震蕩下降趨勢。

昆明夏季降水總體明顯下降(圖2b)，平均每年減少約0.64mm。夏季降水最多的年份出現(xiàn)在1998年，為750.9mm，比常年偏多228.5mm；最少的年份是1992年，為267.5mm，較常年偏少254.9mm。從圖中可看出，夏季降水量的年代際變化與年降水量非常相似，這也反映了昆明地區(qū)典型季風(fēng)氣候的特征，全年57%～65%的降水量集中在夏季[4]，夏季降水的變化趨勢直接影響著年降水量的變化。夏季降水量在20世紀(jì)70年代中葉以前偏多，70年代后期到90年代中期震蕩減少，90年代中葉后夏季降水量又有所回升，2003年后夏季降水又有減少的趨勢，自2009年以來連續(xù)4年夏季降水距平值為負(fù)值。近10a以每年15.52mm的速率減少，減少趨勢在四季中最為顯著。

圖2 1970～2012年昆明平均春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)、年(e)降水距平演變Fig.2 The Spring(a)，Summer(b)，Autumn(c)，Winter(d)and Year(e)averaged precipitation anomaly evolvement of Kunming from 1970 to 2012

昆明秋季降水總體變化趨勢也為下降(圖2c)，其減少幅度最大，平均每年減少約1.07mm。秋季降水最多的年份出現(xiàn)在1991年，為355.9mm，比常年偏多137.3mm；最少的年份是2009年，為68.2mm，較常年偏少150.4mm。秋季降水的年代際變化與夏季略有不同：20世紀(jì)80年代中葉前，云南秋季降水量以偏少為主要特征，之后秋季降水有所增加，處于一段豐水期，90年代中葉后秋季降水明顯減少，進(jìn)入一個(gè)枯水時(shí)期，特別是2002年后，僅有2006年和2010年秋季降水為弱的正距平，其余均10年均為負(fù)距平，并出現(xiàn)了最少降水年。

昆明冬季降水整體看變化幅度較小，降水量略微增加(圖2d)，平均每年增加0.03mm。冬季降水最多的年份出現(xiàn)在1983年，為117.3mm，比常年偏多75.7mm；最少的年份是1974年，為2.6mm，較常年偏少39.0mm。冬季降水以年際變化特征為主，年代際變化特征較弱。

另外，昆明年及四季平均降水量的10a變化也反映了上述年代際變化特征，年降水與夏季降水有著相同的變化趨勢，20世紀(jì)70，80年代偏少，90年代降水有所回升，但2000年以后降水又開始明顯減少；春季降水70年代降水偏少，從80年代開始增加但幅度不大，2000年以后略有減少；秋季降水一直處于偏少的趨勢，偏少幅度最大的是90年代，2000年以后略有減少；冬季降水的變化幅度一直不大，80，90年代及2000年以后平均降水量略偏多，70年代略偏少。

綜合分析圖2a到圖2e表明，近40a來昆明春、夏、秋降水量減少，特別是夏、秋季降水明顯減少，導(dǎo)致年降水量減少，該特征在近10a表現(xiàn)的尤為明顯，四季均存在減少趨勢。春季降水遞減率達(dá)到了6.9mm/a，夏季降水也以每年15.52mm/a的速率減少，夏季的減少趨勢在四季中最為顯著，秋季降水在近10年基本都為負(fù)距平，冬季降水也有減少。據(jù)研究顯示2009年至2012年冬春4年連旱主要是受西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)異常影響，高層中東副熱帶西風(fēng)急流減弱，使得長波槽脊減弱，冷空氣較弱不易到達(dá)西南地區(qū)，并且使得孟加拉灣南支槽難以建立，而青藏高原上高壓脊強(qiáng)烈發(fā)展阻擋了西風(fēng)帶上游的低壓擾動(dòng)向高原以東傳播，使云南省處于異常西北氣流控制，西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度大，西伸明顯，低層水汽輸送路徑偏南偏東，進(jìn)入云南的水汽明顯減少[6]。

2.2 昆明地區(qū)降水量突變分析

氣候突變，就是氣候從一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢)的現(xiàn)象，它表現(xiàn)為氣候在時(shí)空上從一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性到另一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性的急劇變化[2]。利用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法檢測了昆明年降水量、四季降水量的突變點(diǎn)[7]，昆明地區(qū)平均年降水量及四季降水都存在一個(gè)或多個(gè)顯著性突變點(diǎn)。而冬季降水在20世紀(jì)80年代以后未出現(xiàn)突變點(diǎn)，這說明80年代以后冬季降水以年際振蕩為主要特征，年代際變化不明顯。年降水量存在10個(gè)突變點(diǎn)，春季和秋季降水量分別存在5個(gè)突變點(diǎn)，夏季降水量存在12個(gè)突變點(diǎn)，冬季降水僅存在1975年一個(gè)突變點(diǎn)。20世紀(jì)70年代到80年代夏季和年降水量均出現(xiàn)多個(gè)鄰近的突變點(diǎn)，春季有2個(gè)突變點(diǎn)，冬季也有一個(gè)突變點(diǎn)，干濕變化交替出現(xiàn)且振幅較大，90年代春季和夏季各出現(xiàn)一個(gè)突變點(diǎn)，季節(jié)降水量從偏干變?yōu)槠珴?，并且夏?993年的突變點(diǎn)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，2006年至2011年，春季、夏季、秋季和年降水量都先后發(fā)生突變，降水均從偏濕變偏干。

表1 2000～2012年昆明地區(qū)12個(gè)大監(jiān)站年降水量突變情況

對(duì)昆明地區(qū)12個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行逐一的M-K檢驗(yàn)后可以發(fā)現(xiàn)，大部分地區(qū)在20世紀(jì)70至80年代有多個(gè)突變點(diǎn)，但顯著性不高，降水距平正負(fù)交替變化。1990年前后共有8個(gè)站出現(xiàn)了降水由偏干向偏濕的突變，并且昆明、石林、太華山、宜良4個(gè)站點(diǎn)的突變點(diǎn)通過0.05以上的顯著性檢驗(yàn)，90年代中期以后各站降水出現(xiàn)增多趨勢。從2000年以后的突變情況來看(表1)，2009年前后所有臺(tái)站均出現(xiàn)突變點(diǎn)，降水由略少至偏多向顯著偏少轉(zhuǎn)變。以上降水突變特征與昆明降水的年代際變化特征非常一致。

2.3 昆明地區(qū)降水量變化的空間分布

昆明1970～2012年12個(gè)臺(tái)站43a的年平均降水量為903.1mm，由年降雨量的分布情況可以看出(圖3f)，昆明大部地區(qū)年降雨量在900mm左右，但由于地形、海拔、測站位置等因素各個(gè)站的年降水量也存在著明顯差異。昆明東北部的東川區(qū)、昆明東南部的石林縣及昆明南部的呈貢區(qū)降水<800mm，而昆明東部的尋甸縣和昆明市西山區(qū)的太華山站降雨量則>1 000mm。同在昆明市區(qū)范圍的昆明站和太華山站年降雨量相差157.4mm，基本相當(dāng)于昆明地區(qū)的冬春季雨量之和。

昆明年降水量空間分布大體上呈現(xiàn)出東北及東南少、東部及西南部多，主要特征是降雨隨海拔增高呈遞增之勢，降水量受地形影響明顯，暖濕氣流的迎風(fēng)坡雨量多，背風(fēng)坡雨量少，山地雨量多，壩區(qū)雨量少，河谷地區(qū)雨量最少，海撥每升高100m，年降水量增多30～80mm。平均年降雨日數(shù)129d，除東川區(qū)外的其余東部縣區(qū)及太華山站雨日較多，其余較少。平均大雨日數(shù)為8.4d/a，昆明站、祿勸縣、太華山站、尋甸縣年平均大雨日數(shù)大于9d，最少的是東川區(qū)5.2d/a。年暴雨日數(shù)的分布情況同大雨日數(shù)接近，暴雨日數(shù)最多的是昆明市區(qū)的昆明站和太華山站。這可能與昆明大城市特殊的下墊面改變和城市中人類活動(dòng)的影響有關(guān)。城市的發(fā)展改變了原有的自然條件，如大部分原有的農(nóng)地、自然植被為建筑物、瀝青或水泥馬路所代替，人們的生產(chǎn)和生活增加了額外的熱量，城市工業(yè)排放大量煙塵、氣溶膠等，這些對(duì)城市的氣溫和降水等氣候要素都會(huì)產(chǎn)生一定的影響[2]。

圖3 昆明春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)、年(e)降水量變化趨勢空間分布(單位：mm/a)及年降水量分布(f)(單位：mm)Fig.3 The Spring(a)，Summer(b)，Autumn(c)，Winter(d)，Year(e)precipitation linear tendencies spatial distribution and annual precipitation distribution of Kunming

利用逐月降水資料，采用一元回歸方法擬合昆明12個(gè)縣市的時(shí)間序列和降水量之間的關(guān)系，分析了昆明降水空間變化特征(圖3)。昆明地處低緯高原地區(qū)，季風(fēng)氣候明顯，加之云貴高原橫斷山脈的大地形，使得昆明地區(qū)氣候復(fù)雜多變有較大差異。1970～2012年近43a昆明年降水量變化的空間分布特征(圖3e)表現(xiàn)出明顯的區(qū)域變化：昆明地區(qū)年降水量整體呈減少趨勢，市區(qū)及以東以南縣區(qū)降水減少趨勢較為明顯，其中減少趨勢最大和次大的是東南部的宜良縣和市區(qū)的太華山站，每年減少幅度大于5mm，另外市區(qū)的昆明站、南部的晉寧和東部的石林減少幅度也超過3mm/a。其余縣市減少幅度小于2mm/a，減少幅度最小的是東北部的東川區(qū)。

昆明春季降水量變化區(qū)域分異較小，北部祿勸、東川、富民略偏多，偏多最多的是祿勸，偏多幅度為0.6mm/a。其余縣市降水呈現(xiàn)出減少的趨勢，減少幅度也不大，在0.2～1.1mm/a，東南部的宜良減少幅度最大，平均每年減少約1.1mm/a，其余縣市降水減少幅度小于1mm/a。

昆明夏季降水的變化趨勢與年降水較類似，共有8個(gè)縣區(qū)為降水減少的趨勢，減少的幅度最大的是昆明市區(qū)及南部的晉寧、東南部的宜良，減少幅度最大的是市區(qū)的太華山站，平均每年減少約2.5mm/a，其余減少幅度小于2mm/a。而東北部的東川、尋甸、嵩明夏季降水略有增加，增加幅度最大的是西南部的安寧，增加幅度為0.9mm/a。

昆明秋季降水變化的區(qū)域分布較為明顯，所有地區(qū)均為降水偏少的趨勢，南部的減少幅度大于北部、東部大于西部。東南部的宜良減少幅度最大，平均每年減少約2.1mm，南部地區(qū)除安寧外減少幅度在1～2mm/a，其余縣市區(qū)減少幅度小于1mm/a。

昆明冬季降水變化幅度不大，所有縣市的變化幅度都小于0.2mm/a，這與云南典型季風(fēng)氣候有密切聯(lián)系，昆明干季(11月～次年4月)降水稀少，僅占全年降水的14%，所以變率相對(duì)其余時(shí)段就小。呈現(xiàn)出減少趨勢的只有昆明市區(qū)的昆明站、太華山站及西南部的安寧、晉寧，減少幅度最大的是市區(qū)的太華山站，減少幅度為0.096mm/a。其余昆明大部地區(qū)冬季降水基本持平或略有增加，其中東南部的石林增加最明顯，平均每年增加約0.3mm。

3 結(jié)論

利用昆明12個(gè)測站 1970～2012年逐月降水量觀測資料，分析了昆明降水的時(shí)空變化特征。根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析，得出以下初步結(jié)論：

(1)近43a來昆明春、夏、秋降水量減少，夏、秋季降水明顯減少，冬季降水量略有增加。降水的減少趨勢在近10年表現(xiàn)的尤為明顯，四季均為減少。

(2)昆明年降水與夏季降水有著相同的年代際變化趨勢，降水量在20世紀(jì)70年代中葉以前偏多，70年代后期到90年代中期震蕩減少，90年代中葉后夏季降水量又有所回升。2003年前后夏季降水又有減少的趨勢，自2009年以來連續(xù)4年夏季降水與年降水量距平值均為負(fù)值。

(3)昆明地區(qū)平均年降水量及四季降水存在一個(gè)或多個(gè)顯著突變點(diǎn)。2006年至2011年，春季、夏季、秋季和年降水量均從偏濕變?yōu)槠伞?009年前后所有臺(tái)站均出現(xiàn)突變點(diǎn)，降水由略少至偏多向顯著偏少轉(zhuǎn)變。

(4)昆明年降水量及夏季降水量的區(qū)域分布為市區(qū)及以東以南地區(qū)偏少顯著，其余地區(qū)略偏少或持平，春季降水為西北部地區(qū)偏多其余偏少，秋季降水為一致減少型，冬季降水西南部減少其余大部持平或略增加。

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