基于干燥指數(shù)的近45年云南滇中地區(qū)干濕狀況的變化特征

曹 言, 王 杰, 黃 英, 張 雷, 戚 娜

(云南省水利水電科學研究院, 昆明 650228)

氣候變化導(dǎo)致地表干濕狀況發(fā)生變化，從而對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響。隨著全球氣候變暖，干旱及洪澇等極端氣候發(fā)生頻率越來越高[1]。旱災(zāi)是云南省主要的自然災(zāi)害，2009年以來云南省連續(xù)5 a遭遇嚴重旱災(zāi)，給工農(nóng)業(yè)帶來嚴重的損失。因此正確認識區(qū)域氣候干濕變化特征具有重要的現(xiàn)實意義。目前國內(nèi)外對干濕程度進行量化分析的方法主要包括：單因子的干旱指標[2]、多因子的干旱指標[3-7]和綜合干旱指數(shù)[8-11]。其中干燥指數(shù)是最為常見的干濕指標，其不僅考慮到氣溫、風速、水汽和太陽輻射等熱量因素，同時還考慮到水分因素，而該方法的核心是潛在蒸散量的計算，P-M公式因考慮的氣象因子較多，比較適合中國氣候復(fù)雜、氣候因子多變的特點，因此相較于其他方法P-M公式更符合中國的實際情況[12]。

滇中地區(qū)由于其獨特的自然地理和氣候條件，成為云南省糧食產(chǎn)量水平最高的區(qū)域[13]，但其屬于資源性和水質(zhì)性缺水并存的嚴重缺水地區(qū)，加之近年來連續(xù)干旱，水資源供需矛盾越發(fā)突出。基于多因子干旱指標的滇中地區(qū)干濕變化特征的研究還相對很少，已有的研究也主要集中在單因子的干旱指標(如降水、氣溫等)或基于Thorn-thwaite經(jīng)驗公式計算的SPEI指數(shù)方面[14-17]，如牛凱杰等[14]利用西南5省40個氣象站1960—2010年逐月降水資料，基于SPI分析得到了云南省春、夏季呈變濕趨勢，秋、冬季呈變干趨勢；劉楊梅等[15]根據(jù)滇中地區(qū)43氣象站1960—2010年降水資料，基于SPI得到滇中自2000年以后干旱呈加劇趨勢，且滇中中部的昆明、呈貢等地發(fā)生嚴重干旱頻次較高；高瑞等[16]根據(jù)滇中地區(qū)及周邊54個氣象站1971—2011年的氣象資料，基于SPEI分析得到滇中呈旱化趨勢，且存在6 a，11 a的周期變化特征；徐曉芝等[17]通過滇中1960—2011年13個氣象站逐年的降水數(shù)據(jù)，分析得到滇中地區(qū)降水呈減少趨勢。本文在前人的基礎(chǔ)上，通過計算滇中地區(qū)9個氣象站1970—2014年的干燥指數(shù)，采用M-K法和5 a滑動平均法等，分析滇中地區(qū)不同時間尺度上干濕狀況的時空變化規(guī)律，從而為本區(qū)域水資源優(yōu)化配置、確定地區(qū)干濕等級標準以及農(nóng)業(yè)旱澇預(yù)警監(jiān)測提供重要參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的1970—2014年云南省滇中地區(qū)9個氣象站點逐日的最高氣溫和最低氣溫、降水量、相對濕度、日照時數(shù)和風速，此外還包括有各站點的經(jīng)緯度和海拔數(shù)據(jù)，其氣象站點具體分布如圖1所示。在數(shù)據(jù)選擇過程中選用的站點需要盡量沒有數(shù)據(jù)缺少，并對各站點數(shù)據(jù)進行一致性檢驗和質(zhì)量控制。

圖1 滇中地區(qū)氣象站點分布

1.2 研究方法

1.2.1 潛在蒸散量(ET0) 根據(jù)世界糧農(nóng)組織(FAO)1998年修正的Penman-Monteith[18]公式計算潛在蒸散量ET0。

(1)

式中：ET0是參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)；Δ是飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa/℃)；Rn是作物冠層表面的凈輻射[MJ/(m2·d)]；G是土壤熱通量[MJ/(m2·d)]，在逐日估算時取G=0；；T是日平均氣溫(℃)，按最高氣溫(Tmax)和最低氣溫(Tmin)的算術(shù)平均值計算；u2是2 m高度處的風速(m/s)；ea是飽和水汽壓(kPa)；ed是實際水汽壓(kPa)；γ是干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

1.2.2 干燥指數(shù) 干燥指數(shù)較為普遍的計算方法為潛在蒸散量與降水量之比[7,19]。

H=ET0/P

(2)

式中：H表示干燥指數(shù)；ET0表示潛在蒸散量(mm)；P表示降水量(mm)。干燥指數(shù)值越大說明氣候越干旱，反之則越濕潤。其中干燥指數(shù)年均值H<1.0的地區(qū)為濕潤地區(qū)，H介于1.0～1.5為半濕潤區(qū)，H介于1.5～4.0為半干旱區(qū)，而H>4.0時為干旱區(qū)[19]。本文通過計算云南各站點干燥指數(shù)，采用Mann-Kendal檢驗法[20]，并結(jié)合線性趨勢和5 a滑動平均法對干燥指數(shù)長期的序列進行趨勢分析和突變分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 潛在蒸散量和實際蒸發(fā)量的比較分析

通過P-M公式計算得到1970—2014年各站的逐年潛在蒸散量(ET0)，將其與實測蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量數(shù)據(jù)(E601蒸發(fā)量)進行對比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表1)，滇中地區(qū)除昆明和大理站ET0與實際蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)較低，且未通過99%的顯著檢驗外，而其余7個站點相關(guān)性較高，且均通過99%的顯著檢驗，其中蒙自站相關(guān)系數(shù)最高，達到0.820。通過滇中地區(qū)9個站點405個樣本的情況可以看出，潛在蒸散量與E601蒸發(fā)皿的水面蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)達到0.812，且通過99%的顯著檢驗，不僅高于全國其他地區(qū)彭曼公式計算的精度[21]，也與云南省彭曼公式計算的精度基本一致[22]，說明彭曼公式計算的潛在蒸散量適合滇中地區(qū)，能夠代表該地區(qū)作物的蒸發(fā)潛力。

2.2 ET0降水對干燥指數(shù)的影響分析

統(tǒng)計昆明、楚雄、玉溪、元謀等9個站點的逐月ET0，降水和干燥指數(shù)，分析ET0，降水對干燥指數(shù)影響(圖2)。結(jié)果表明，ET0最小值主要出現(xiàn)在雨季后的兩個月，即12月，最大值主要出現(xiàn)在雨季(5—10月)前一個月，即4月；降水最小值主要出現(xiàn)在2月或12月，最大值主要出現(xiàn)在7月；干燥指數(shù)最小值主要出現(xiàn)在7月，最大值主要出現(xiàn)在2月或3月。由此可以看出，降水對干燥指數(shù)影響最為顯著，滇中中西部的元謀、楚雄、大理和華坪站降水與干燥指數(shù)呈相反的變化趨勢，即降水越多，干燥指數(shù)越小，地區(qū)越濕潤，反之則越干旱，滇中東部的瀘西、沾益蒙自等站雨季干燥指數(shù)受降水影響顯著，而在旱(11月—次年4月)干燥指數(shù)受ET0影響顯著，兩者呈相同的變化趨勢，即ET0越大，干燥指數(shù)越大，地區(qū)則越干旱。說明干燥指數(shù)能夠很好地反映降水與潛在蒸散發(fā)的變化情況，能夠較好反映地區(qū)干濕變化情況。

表1 滇中實際蒸發(fā)量與潛在蒸散量的相關(guān)系數(shù)

注：*表示通過置信度為99%的顯著檢驗，n=405。

2.3 干燥指數(shù)的時間變化特征

通過計算滇中各站點干燥指數(shù)值，采用M-K法、5 a滑動平均法和線性趨勢分析干燥指數(shù)在不同時間尺度上的變化特征。從圖3可見，1970—2014年滇中地區(qū)干燥指數(shù)呈上升趨勢(Z=1.3857)，上升幅度約為0.063/10 a，其多年平均值為1.55，整體屬于半干旱區(qū)，最小值出現(xiàn)在2001年，僅為1.13，最大值出現(xiàn)在2011年，達到2.23。從5 a滑動平均曲線可見，1995—2004年干燥指數(shù)相對較小，平均值僅為1.31，屬于半濕潤區(qū)，2007—2014年干燥指數(shù)相對較大，平均值達到1.84，屬于半干旱區(qū)。而在季節(jié)變化趨勢上，春季干燥指數(shù)呈減小趨勢(Z=-0.1719)，減小幅度約為0.025/10 a，夏季、秋季和冬季均干燥指數(shù)均呈上升趨勢(Z=0.6979，Z=2.2353和Z=0.3140)，其中秋季呈顯著上升趨勢，上升幅度依次為0.024/10 a，0.111/10 a，0.476/10 a 。從5 a滑動平均曲線可見，四季節(jié)干燥指數(shù)相對較小的時段分別出現(xiàn)在1993—2008年、1995—2005年、1986—1995年和1988—2006年，其平均值分別為2.93，0.57，1.09，8.12，干燥指數(shù)相對較大的時段分別出現(xiàn)在1977—1982年、2007—2013年、2007—2012年和2007—2013年，其平均值分別為5.25，0.82，1.83，19.53。由此可以看出，滇中地區(qū)整體呈變干的趨勢，春季呈變濕趨勢，夏季、秋季和冬季呈變干趨勢，這與滇中地區(qū)降水的變化趨勢基本一致[23]，較濕潤的時段主要集中在1993—2006年，較干旱的時段主要集中在2007—2013年，不僅與其他干旱指標的研究成果基本一致[15-16,24-26]，也與云南省自2009年以來連續(xù)五年大旱的的現(xiàn)狀相一致[27]。

為準確分析滇中不同時間段干燥指數(shù)的變化特征，對年和季干燥指數(shù)進行突變分析(圖4)，結(jié)果表明，干燥指數(shù)年平均值的UB和UF兩條曲線在臨界值y=+1.96(顯著水平0.05)之間存在多個交點，結(jié)合5 a滑動平均曲線，干燥指數(shù)年平均值突變的年份可能發(fā)生在1972年、1977年、1979年、2009年，其中1970—1997年呈上升趨勢，1998—2008年呈減少趨勢，2009年以后則呈快速上升趨勢。春季、夏季和冬季干燥指數(shù)在UB和UF兩條曲線在臨界值y=+1.96(顯著水平0.05)之間存在多個交點，結(jié)合5 a滑動平均曲線，干燥指數(shù)突變年份可能發(fā)生在1973年、1977年和1986年，1972年、1975年、1981年和2009年，1972年和2009年，而秋季干燥指數(shù)在UB和UF兩條曲線在臨界值y=+1.96(顯著水平0.05)之間存在1個交點，可能發(fā)生突變的年份為2008年。從突變時間上看，滇中干燥指數(shù)突變發(fā)生的時間主要集中在20世紀70年代中前期和2009年左右，也與云南省降水量在年尺度上存在準6 a和準18 a的變化周期相一致[28]。

圖2 降水、ET0與干燥指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系

2.4 干燥指數(shù)的空間變化特征

2.4.1 干燥指數(shù)空間分布特征 從滇中地區(qū)干燥指數(shù)的空間分布(圖5)可知，年平均干燥指數(shù)整體呈現(xiàn)出中間高，東西低的分布特征。其中大理、昆明、沾益、瀘西和玉溪站干燥指數(shù)年平均值均小于1.5，均屬于半濕潤地區(qū)，大理站干燥指數(shù)最低，僅為1.31，而華坪、楚雄、蒙自和元謀站干燥指數(shù)年平均值均大于1.5，均屬于半干旱地區(qū)，元謀站干燥指數(shù)最大，達到2.83。

在季節(jié)尺度上，春季干燥指數(shù)整體呈現(xiàn)出由東南向西北遞增的分布特征，其中東南部沾益、瀘西和蒙自站干燥指數(shù)相對較小，僅為3.00，3.03，3.23，而西北部的華坪站最大，達到17.44。夏季、秋季和冬季干燥指數(shù)均呈現(xiàn)出中間高，東西低的分布特征，其中夏季干燥指數(shù)最小值出現(xiàn)在華坪站，僅為0.58，最大值出現(xiàn)在元謀站，達到1.15；秋季干燥指數(shù)最小值出現(xiàn)在大理站，僅為1.2，最大值出現(xiàn)在元謀站，達到1.15；冬季瀘西和大理站干燥指數(shù)相對較低，僅為8.93，9.06，元謀和華坪站干燥指數(shù)相對較大，達到600.90，208.13。綜上可知，在不同時間尺度上，滇中干燥指數(shù)基本上表現(xiàn)出中間高，東西低的分布特征，其主要由于滇中中部偏西干熱河谷地區(qū)降水少，且ET0大，而東西部山區(qū)和平壩地區(qū)，降水相對較多，且ET0小[23,29]。

圖3 滇中干燥指數(shù)的年際變化

圖4 滇中干燥指數(shù)的M-K突變檢驗

圖5 滇中地區(qū)干燥指數(shù)的空間分布

2.4.2 干燥指數(shù)空間變化趨勢 根據(jù)M-K法計算各站點干燥指數(shù)的變化傾斜度β，分析干燥指數(shù)在空間上的變化趨勢(圖6)，結(jié)果表明滇中地區(qū)干燥指數(shù)上升趨勢由中西部向東部越來越明顯，其中有8個站點呈上升趨勢，沾益、瀘西、昆明和玉溪4個站點呈顯著上升趨勢，其上升幅度分別為0.097/10 a，0.093/10 a，0.083/10 a，0.063/10 a，僅元謀站呈減少趨勢，減少幅度為0.092/10 a。

在季節(jié)尺度上，春季干燥指數(shù)減少趨勢由東部向中西部越來越明顯，其中元謀、華坪、大理、蒙自、楚雄和玉溪6個站點干燥指數(shù)呈減少趨勢，元謀站呈較顯著減少趨勢，其減少幅度達到1.489/10 a，瀘西、昆明和沾益呈上升趨勢，沾益站上升幅度最大，達到0.133/10 a。夏季干燥指數(shù)上升趨勢由中部向東西部越來越明顯，其中昆明、沾益和蒙自等8個站點呈上升趨勢，沾益站上升幅度最大，達到0.042/10 a，僅楚雄站呈減少趨勢，其減少幅度為0.002/10 a。秋季干燥指數(shù)上升趨勢由西北向東南越來越明顯，其中瀘西站呈顯著上升趨勢，蒙自、大理和昆明站呈較顯著上升趨勢，蒙自站上升幅度最大，達到0.172/10 a，華坪站上升幅度最小，僅為0.022/10 a。冬季干燥指數(shù)減小區(qū)主要分布在中部、東北部和東南部，上升區(qū)主要分布在西北部，其中元謀、蒙自、沾益和大理站呈減少趨勢，元謀站減少幅度最大，達到0.437/10 a，玉溪、昆明、瀘西、楚雄和華坪站呈上升趨勢，華坪站上升幅度最大，達到0.979/10 a。

圖6 滇中地區(qū)干燥指數(shù)的空間變化趨勢

3結(jié) 論

(1) 滇中地區(qū)實際蒸散量與潛在蒸散量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.812，且通過99%的顯著檢驗，說明彭曼公式計算的潛在蒸散量適合滇中地區(qū)，能夠代表該地區(qū)作物的蒸發(fā)潛力。

(2) 滇中中西部干燥指數(shù)全年受降水影響最為顯著，而滇中東部干燥指數(shù)雨季受降水影響顯著，旱季則受ET0影響顯著，說明干燥指數(shù)能夠很好地反映出滇中地區(qū)降水與潛在蒸散發(fā)的變化情況。

(3) 在時間上，1970—2014年滇中地區(qū)年平均干燥指數(shù)為1.13～2.23，整體呈上升趨勢，其上升幅度約為0.063/10 a，整體上屬于半干旱區(qū)；春季干燥指數(shù)呈減小趨勢，減小幅度約為0.025/10 a，夏季、秋季和冬季均干燥指數(shù)均呈上升趨勢，其中秋季呈現(xiàn)顯著上升趨勢，上升幅度依次為0.024/10 a，0.111/10 a，0.476/10 a，較濕潤的時段主要集中在1993—2006年，較干旱的時段主要集中在2007—2013年。而M-K突變檢驗結(jié)果表明干燥指數(shù)突變發(fā)生的時間主要集中在20世紀70年代中前期和2009年左右。

(4) 在空間上，滇中地區(qū)呈中部干旱，東西部濕潤的分布特征。年尺度上變干趨勢由中西部向東部越來越明顯；春季變濕趨勢由東部向中西部越來越明顯；夏季變干趨勢由中間向兩側(cè)越來越明顯，秋季變干趨勢由西北向東南越來越明顯，冬季變濕區(qū)主要分布在中部、東北部和東南部，變干區(qū)主要分布在西北部。

本研究采用的干燥指數(shù)能夠較為準確的反映出降水和潛在蒸散量的變化情況，分析得到了滇中地區(qū)不同時間尺度下的干濕變化特征，不僅能夠補充滇中地區(qū)干濕狀況的理論研究，也為地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉的科學管理、干旱監(jiān)測和評估提供一定的科學依據(jù)。但Penman-Monteith公式在一些區(qū)域還存在一定的誤差，如昆明和大理站ET0與實際蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)較低，且未通過顯著檢驗，可能會造成部分地區(qū)干燥指數(shù)與實際的干濕狀況存在一定的偏差，因此需進一步探討干燥指數(shù)變化的原因，同時不斷優(yōu)化Penman-Monteith公式，從而更加客觀準確的反映出滇中干濕狀況演變的特征。

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