基于相對濕潤度指數(shù)的西南春季干旱10年際演變特征

姚玉璧，王勁松，尚軍林，韓蘭英，石界

1. 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點開放實驗室，甘肅 蘭州 730020；

2. 甘肅省定西市氣象局，甘肅 定西 743000；

3. 西北區(qū)域氣候中心，甘肅 蘭州 730020

中國西南地區(qū)是國家重要的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)區(qū)（朱鐘麟等，2006）。西南地區(qū)分別受南亞季風(fēng)、東亞季風(fēng)和高原季風(fēng)的影響，降水量地域差異大，分布不均，變率大，極易形成季節(jié)性干旱和不同季節(jié)連旱（徐棟夫等2014；蘇秀程等, 2014； 張順謙等，2014）。近年來在我國北方干旱形勢依然嚴(yán)峻的情況下，南方干旱災(zāi)害呈明顯的增多和加重趨勢（馬柱國和任小波，2007；姚玉璧等，2011；姚玉璧等，2013）。2005年春季云南出現(xiàn)異常干旱，2006年夏季川渝發(fā)生特大干旱（李永華等，2006）；2009—2010年西南地區(qū)秋冬春持續(xù)干旱（王曉敏等，2012）；尤為嚴(yán)重的是2009—2012年的西南干旱事件持續(xù)時間長、影響范圍廣、災(zāi)害程度重，是該地區(qū)有氣象記錄以來最嚴(yán)重的干旱事件。2013年夏季重慶、四川、貴州又發(fā)生干旱（姚玉璧等，2013）。頻繁發(fā)生的嚴(yán)重干旱災(zāi)害，給西南區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重的損失，研究西南地區(qū)干旱事件及其變化特征已成為相關(guān)研究的熱點領(lǐng)域。

賀晉云等（2011）利用 1960—2009年西南地區(qū)108站氣象資料研究表明，四川盆地西南部、橫斷山區(qū)南端、廣西南部沿海和貴州北部近 50年來極端干旱發(fā)生頻率明顯增加；西南地區(qū)年尺度干旱頻率呈西部高，東部低的帶狀分布；近十年每年的干旱強(qiáng)度增大明顯。我國西南地區(qū)當(dāng)前正處于一個干旱化過程， 但不同地區(qū)干濕變化特征及干旱化的持續(xù)時間和位相卻有差別（王明田等，2012）；在氣候變暖背景下，我國南方干旱整體上呈現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利影響加重的趨勢（黃晚華等，2010）。西南干旱的主要歸因是降水量減少，氣溫升高。黃榮輝等（2012）認(rèn)為西南地區(qū)最近幾年無論夏季和秋季或是冬季和春季降水都處于偏少時期，即處于干旱時期。近46 a來云南年均降水量趨于減少，夏季降水量減少較為明顯；滇西地區(qū)氣溫也為增暖的變化趨勢(劉瑜等, 2010；段旭等，2000；陶云等，2009)。然而，對季節(jié)干旱研究大多為年內(nèi)分布特征分析，對季節(jié)干旱進(jìn)行年代際分析不夠深入。干旱是個多時間尺度和多空間尺度問題。開展年時間尺度的干旱監(jiān)測研究,對宏觀了解區(qū)域性干旱活動有一定幫助,但在許多情況下年時間尺度顯然太長（張強(qiáng)等，2011）。為此，本文深入研究氣候變暖背景下對西南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大的春季干旱，分析其年代際時空分布特征、趨勢變化，為區(qū)域干旱監(jiān)測預(yù)警和抗旱減災(zāi)提供科學(xué)參考。

1 材料與分析方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域包括我國西南的四川省、貴州省、云南省和重慶市，地理坐標(biāo)為東經(jīng)97.4°～110.2°、北緯 21.2°～34.4°；土地面積 115萬 km2，耕地面積1900萬hm2，海拔高度在150～5000 m。研究區(qū)域地形地貌復(fù)雜多樣，境內(nèi)有高原、山地、丘陵、平原、河谷和盆地，包括青藏高原東部、云貴高原和四川盆地等，獨特的地理位置和復(fù)雜的地形地貌形成了多種多樣的氣候類型。

1.2 數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)從西南地區(qū)4?。ㄊ校┲羞x取空間代表性好、連續(xù)年限長的89個國家基本氣象站1958—2012年歷年逐日實測基本氣象要素資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、風(fēng)速、相對濕度和日照時數(shù)等。

1.3 干旱指數(shù)

相對濕潤度指數(shù)是指某時段降水量與可能蒸散量的差占同時段可能蒸散量的比，該指數(shù)是以土壤水分收支平衡為基礎(chǔ)的干旱監(jiān)測指數(shù)，反映了作物生長季節(jié)的水分平衡特征，適用于作物生長季節(jié)旬以上尺度的干旱監(jiān)測和評估?；谙鄬駶櫠戎笖?shù)的干旱等級見表1。

相對濕潤度指數(shù)M（張強(qiáng)等，2006）的計算公式為：

表1 基于相對濕潤度指數(shù)的干旱等級Table 1 The grade of drought Based on relative moisture index

式中，M為相對濕潤度；R為某時段降水量，單位為mm；ET0為某時段的可能蒸散量，單位為mm。

ET0采用FAO推薦的Penman-Monteith（P-M）模型（Allen等，1998; Walter等, 2000），其計算公式如下：

式中，Rn為地表凈輻射，單位為MJ·m-2·d-1；Gi為土壤熱通量，單位為MJ·m-2·d-1)；γ為干濕表常數(shù)，單位為kPa·℃-1；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，單位為kPa·℃-1；T為平均氣溫，單位為℃；U2為2 m高度處的平均風(fēng)速，單位為ms-1，由10 m高度處的平均風(fēng)速計算得到；es為飽和水汽壓，單位為kPa；ea為實際水汽壓，單位為kPa。

1.4 分析方法

氣候要素的趨勢系數(shù)變化采用一次線性方程表示，其斜率的 10年變化稱為氣候傾向率，可以從氣候趨勢系數(shù)求出氣候傾向率(魏鳳英, 2007)。

Mann-Kendall突變檢測法(魏鳳英, 2007)是在原假設(shè)H0：氣候序列沒有變化的情況下，設(shè)此氣候序列為表示第i個樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計數(shù)，定義一統(tǒng)計量，給定一顯著性水平α0，當(dāng)α1>α0時，接受原假設(shè)H0，當(dāng)α1<α0時，則拒絕原假設(shè)，它表示此序列將存在一個強(qiáng)的增長或減少趨勢，組成一條順序統(tǒng)計曲線UF, 通過信度檢驗可知其是否有變化趨勢。把此方法引用到反序列中，將組成一條逆序統(tǒng)計曲線UB；當(dāng)曲線UF超過信度線，既表示存在明顯的變化趨勢時，如果曲線UF和UB的交叉點位于信度線之間，這點便是突變的開始點。

小波分析中采用有邊界 Morlet小波能量譜分析(吳洪寶和吳蕾，2005)：Ψ(t)=e-2πitexp[-(2π/kψ)2|t|2];小波變換系數(shù)為：ξ(t,a)=a-1/2∫f(t)Ψ*(t/a- t’/a)dt。ξ(t,a)是小波系數(shù)，f(t)是資料序列，Ψ*是Ψ的共軛函數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 春旱頻率分布

1958—2012年，中國西南春季輕旱發(fā)生頻率從東北向西南逐漸增加（圖 1a）。春季輕旱發(fā)生頻率80%以上區(qū)域分布于云南高原、川西高原和川西南山地區(qū)域；其中，川西高原和川西南山地的部分區(qū)域幾乎每年春季均會出現(xiàn)輕度以上干旱。輕旱發(fā)生頻率30%以下區(qū)域分布于東部的川東盆地、貴州高原區(qū)域；其中，重慶和貴州東部干旱發(fā)生頻率最低。

圖1 中國西南春季干旱發(fā)生頻率空間分布Fig.1 Spatial distribution of the frequency of spring droughts on southwest in China from 1958 to 2012

西南春季中旱發(fā)生頻率也由東北向西南遞增（圖1b）。春季中旱發(fā)生頻率80%以上區(qū)域分布于云南高原北部、川西高原南部和川西南山地區(qū)域；其中，川西南山地春季中旱發(fā)生頻率最高，達(dá)90%以上。中旱發(fā)生頻率30%以下區(qū)域主要分布于東部的川東盆地、貴州高原和云南高原西南邊緣區(qū)域；其中，重慶、貴州東部和成都平原中旱發(fā)生頻率最低。

春季重旱主要發(fā)生在川西高原南部、川西南山地和云南高原北部區(qū)域（圖1c），重旱發(fā)生頻率在 30%以上，其中，川西高原南部和川西南山地的部分區(qū)域發(fā)生頻率在 60%以上。其余區(qū)域發(fā)生頻率較低。

春季特旱主要發(fā)生在川西南山地和云南高原北部區(qū)域（圖 1d），發(fā)生頻率在 10%～25%。其余區(qū)域發(fā)生頻率較低。

綜上所述，西南春季干旱發(fā)生頻率呈東北向西南遞增分布特征，春季干旱發(fā)生頻率較高的區(qū)域為云南高原、川西高原和川西南山地區(qū)域。西南春季輕旱發(fā)生頻率最大，研究區(qū)1/3以上區(qū)域春季輕旱以上干旱發(fā)生頻率在80%以上，1/2以上區(qū)域春季輕旱以上發(fā)生頻率在60%以上，2/3以上區(qū)域春季輕旱以上發(fā)生頻率在30%以上；其中，1/2以上區(qū)域中旱發(fā)生頻率在 30%以上；重旱和特旱主要分布于川西高原南部、川西南山地和云南高原北部區(qū)域。

2.2 干旱指數(shù)10年際時空分布

圖2 中國西南春季干旱指數(shù)10年際時空分布特征Fig.2 Spatial and temporal distribution of index of spring droughts for every decadal on southwest in China

表2 中國西南10年際干旱面積占總面積的百分比（%）Table 2 The percentage of the total area of every decadal spring droughts area on southwest in China

圖2為西南1961—2010年春季干旱指數(shù)10年際時空分布特征，由干旱指數(shù)定義可知，相對濕潤度指數(shù)愈小，干旱強(qiáng)度愈大。西南干旱指數(shù)呈東北向西南逐漸減小的特征，說明干旱強(qiáng)度從東北向西南逐漸增強(qiáng)。

1961—1970年春季輕旱以上干旱分布于云南高原、川西高原和川西南山地區(qū)域（圖 2a），發(fā)生面積占研究區(qū)域的44.9%（表2）；中旱以上干旱分布在云南高原北部、川西高原南部和川西南山地區(qū)域，發(fā)生面積占研究區(qū)域的28.1%。重旱以上干旱主要分布于云南高原北部和川西南山地區(qū)域，發(fā)生面積占研究區(qū)域的7.9%。

1971—1980年輕旱以上春季干旱東北邊界向西南略收縮（圖 2b），面積略減少，占研究區(qū)域面積的 42.70%；中旱以上干旱區(qū)域圍繞云南高原北部、川西高原南部和川西南山地中心區(qū)域收縮，面積減少，占研究區(qū)域面積的19.1%。重旱面積也減少，占研究區(qū)域面積的5.6%。

1981—1990年輕旱以上春季干旱范圍和強(qiáng)度與20世紀(jì)70年代基本相當(dāng)（圖2c）。中旱以上干旱和重旱面積略減少，分別占研究區(qū)域面積的18.0%、4.5%。

1991—2000年輕旱以上干旱范圍較20世紀(jì)80年代略增加（圖2d），發(fā)生面積占研究區(qū)域面積的44.9%。中旱以上干旱和重旱面積與20世紀(jì)80年代一致。

2001—2010年輕旱以上干旱范圍又略減少到與20世紀(jì)七八十年代一致（圖2e）。中旱以上干旱和重旱面積均減少，分別占研究區(qū)域面積的16.9%和1.0%。

1961—2010年春季輕旱以上干旱平均值分布于云南高原、川西高原和川西南山地區(qū)域（圖2f），發(fā)生面積占研究區(qū)域的42.7%；中旱以上干旱分布于云南高原北部、川西高原南部和川西南山地區(qū)域，發(fā)生面積占研究區(qū)域的16.9%。重旱以上干旱主要分布于云南高原北部和川西南山地區(qū)域，發(fā)生面積占研究區(qū)域的4.5%。

可見，西南春季輕旱以上干旱主要分布于云南高原、川西高原和川西南山地區(qū)域，發(fā)生面積占研究區(qū)域面積的42%～45%；中旱以上干旱主要分布于云南高原北部、川西高原南部和川西南山地區(qū)域，發(fā)生面積占研究區(qū)域面積的16%～29%；重旱以上干旱主要分布于云南高原北部和川西南山地區(qū)域，發(fā)生面積占研究區(qū)域面積的1%～8%；其中，春季輕旱發(fā)生面積呈波動變化，中旱和重旱發(fā)生面積呈減少趨勢。

2.3 干旱指數(shù)變異系數(shù)分布

圖3給出了中國西南1958—2012年春季干旱指數(shù)變異系數(shù)時空分布，變異系數(shù)愈小，干旱指數(shù)振蕩強(qiáng)度愈小，干旱強(qiáng)度振蕩幅度愈弱，反之亦然。中國西南干旱強(qiáng)度振蕩幅度同干旱強(qiáng)度呈反相位分布特征，西南春季干旱指數(shù)變異系數(shù)呈西南向東北逐漸增加的趨勢，表明干旱強(qiáng)度振蕩幅度從西南向東北逐漸增大。云南高原、川西高原和川西南山地春季干旱強(qiáng)度大，但干旱強(qiáng)度振蕩幅度小，年際波動??；干旱指數(shù)變異系數(shù)大部分區(qū)域在 20%～50%。川東盆地、貴州高原春季干旱強(qiáng)度雖然相對較小，但干旱強(qiáng)度振蕩幅度大，年際波動大；干旱指數(shù)變異系數(shù)大部分區(qū)域在50%～100%。

圖3 中國西南春季干旱指數(shù)變異系數(shù)分布特征Fig.3 Spatial distribution of the coefficient of spring droughts variation on southwest in China from 1958 to 2012

2.4 干旱指數(shù)趨勢變化特征

2.4.1 趨勢分析

1958—2012年中國西南平均干旱指數(shù)呈波動略增趨勢變化（圖4a），即干旱強(qiáng)度呈略減弱趨勢。干旱指數(shù)變化曲線線性擬合傾向率為0.003/10a（r=0.04,P>0.10），未通過顯著性檢驗。

圖4 中國西南春季干旱趨勢變化特征Fig.4 Trends characteristic of the spring droughts on southwest in China from 1958 to 2012

各站點春季干旱指數(shù)曲線線性擬合傾向率分布特征表明（圖4b），研究區(qū)域西部的云南高原、川西高原和川西南山地區(qū)域春季干旱指數(shù)線性擬合傾向率為正值，說明干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢，大部分區(qū)域傾向率在0.001～0.03/(10a)，個別站點0.03～0.07/(10a)，部分通過P<0.05顯著性檢驗。研究區(qū)域東部的川東盆地、貴州高原春季干旱指數(shù)線性擬合傾向率為負(fù)值，說明干旱強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢，川東盆地大部分區(qū)域傾向率在-0.03～-0.001/(10a)，貴州高原大部分區(qū)域傾向率在-0.09～-0.03/(10a)，部分站點通過P<0.05顯著性檢驗。

可知，中國西南西部的云南高原、川西高原和川西南山地區(qū)域干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢，研究區(qū)域東部的川東盆地、貴州高原春季干旱強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢，且貴州高原春季干旱強(qiáng)度增幅最大。

2.4.2 突變檢測

由西南春季平均干旱指數(shù)累積距平變化曲線可知（圖5a），西南春季干旱變化經(jīng)歷了5個明顯的階段變化，即20世紀(jì)60年代，干旱強(qiáng)度較強(qiáng)，干旱指數(shù)累積距平呈負(fù)增長趨勢，表明干旱強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；70年代，干旱指數(shù)累積距平呈正增加趨勢，干旱強(qiáng)度逐漸減弱；80年代到90年代初，干旱指數(shù)累積距平又呈負(fù)增長，干旱強(qiáng)度又一次加強(qiáng)；在90年代中期到2004年，干旱指數(shù)累積距平再次呈增加趨勢，干旱強(qiáng)度再次減弱。但2005年后干旱指數(shù)累積距平呈負(fù)增長趨勢，預(yù)計未來10年干旱強(qiáng)度可能將增強(qiáng)。

采用M-K突變檢測法對1958—2012年西南春季干旱指數(shù)時間序列進(jìn)行突變檢測（圖5b）。其中UF（實線）為西南春季干旱指數(shù)時間序列的順序統(tǒng)計曲線，UB（虛線）為西南春季干旱指數(shù)時間序列逆序統(tǒng)計曲線，確定顯著性檢驗信度水平為α=0.05，則顯著水平檢驗臨界線Uα=1.96。20世紀(jì)60—70年代末，春季干旱指數(shù)時間序列順序統(tǒng)計曲線UF略有上升，但自20世紀(jì)80年代初開始呈下降趨勢，干旱強(qiáng)度增強(qiáng)，但均未通過顯著性檢驗，未檢測出突變特征，預(yù)計未來數(shù)年西南干旱強(qiáng)度仍處在增強(qiáng)過程中。

2.4.3 周期分析

應(yīng)用有邊界Morlet小波能量譜分析方法，對西南春季干旱指數(shù)時間序列進(jìn)行小波分析，以揭示西南春季干旱指數(shù)時間序列的周期振蕩和干濕轉(zhuǎn)折等特征。圖6給出了西南春季干旱指數(shù)有邊界Morlet小波能量譜等值線分析圖，可以發(fā)現(xiàn), 1958—2012年西南春季干旱指數(shù)存在顯著的2～3 a高頻振蕩周期，2～3 a周期振蕩在1958—1963年振蕩最強(qiáng)，在1983—1987年振蕩次之，其余時段較弱。西南春季干旱指數(shù)還存在顯著的7～8 a周期振蕩，其周期振蕩在1975—1985年附近年振蕩強(qiáng)度最強(qiáng)。

圖5 中國西南春季干旱突變檢驗Fig. 5 The sudden check curve of the spring droughts on southwest in China from 1958 to 2012

圖6 中國西南春季干旱指數(shù)Morlet小波能量譜等值線Fig. 6 Isoline chart of Morlet wavelet energy spectrum for the spring droughts on southwest in China from 1958 to 2012

3 結(jié)論

利用中國西南 4?。ㄊ校?9個氣象臺站1958—2012年的歷年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、風(fēng)速、相對濕度和日照時數(shù)等基本氣象觀測要素資料，采用基于相對濕潤度的干旱指數(shù)分析了近55年中國西南春季干旱10年際時空分布和趨勢變化，得到一些初步結(jié)論：

（1）西南春季干旱發(fā)生頻率呈東北向西南遞增分布特征，春季干旱發(fā)生頻率80%以上區(qū)域分布于云南高原、川西高原和川西南山地區(qū)域；其中，川西高原和川西南山地的部分區(qū)域幾乎每年春季均會出現(xiàn)輕度以上干旱。研究區(qū)一半以上區(qū)域的中旱以上干旱發(fā)生頻率在30%以上；重旱和特旱主要分布于川西高原南部、川西南山地和云南高原北部區(qū)域。干旱發(fā)生頻率30%以下區(qū)域分布于東部的川東盆地、貴州高原區(qū)域。

（2）西南春季輕旱、中旱和重旱以上干旱平均發(fā)生區(qū)域占研究區(qū)域總面積分別為 42%～45%、16%～29%和 1%～8%，春季輕旱發(fā)生面積呈波動變化，中旱和重旱發(fā)生面積呈略減少趨勢。云南高原、川西高原和川西南山地春季干旱強(qiáng)度大，但干旱強(qiáng)度振蕩幅度小，年際波動??；川東盆地、貴州高原春季干旱強(qiáng)度雖然相對較小，但干旱強(qiáng)度振蕩幅度大，年際波動大。

（3）西南春季干旱變化經(jīng)歷了5個明顯的變化階段，即20世紀(jì)60年代，干旱強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，干旱發(fā)生面積達(dá)44.9%；70年代，干旱強(qiáng)度逐漸減弱，干旱發(fā)生面積達(dá)42.7%；80年代到90年代初，干旱強(qiáng)度又一次加強(qiáng)；90年代干旱發(fā)生面積又達(dá)44.9%；在90年代中期到2004年，干旱強(qiáng)度再次減弱。但 2005年后干旱指數(shù)累積距平呈負(fù)增長趨勢，干旱等級升高，干旱強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，預(yù)計未來10年干旱強(qiáng)度可能將增強(qiáng)。

（4）西南春季干旱指數(shù)存在顯著的2～3 a高頻振蕩周期，2～3 a周期振蕩在1958—1963年振蕩最強(qiáng)，在1983—1987年振蕩次之，其余時段較弱。西南春季干旱指數(shù)還存在顯著的7～8 a周期振蕩，其周期振蕩在1975—1985年的時段附近年振蕩強(qiáng)度最強(qiáng)。

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