1967-2016年云南高原中部城市群降水時(shí)空變化特征分析

趙琳, 何萍

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.云南楚雄師范學(xué)院 地理科學(xué)與旅游管理學(xué)院，云南 楚雄 675000)

全球氣候持續(xù)變暖的同時(shí)也改變了降水量的時(shí)空分布格局[1].從全球尺度上看，Alexander等認(rèn)為氣候變暖導(dǎo)致了連續(xù)降水日數(shù)和連續(xù)無雨日數(shù)增多[2].近年來有研究表明[3-4]，加拿大、美國、英國等國家降水強(qiáng)度有增加的趨勢(shì).國內(nèi)董旭光等[5]研究發(fā)現(xiàn)山東省降水強(qiáng)度由東南向西北呈帶狀逐漸減弱；劉維成等[6]認(rèn)為1961-2015年西北地區(qū)中西部的年降水量有增加趨勢(shì)，而東部則呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；陳素景等[7]發(fā)現(xiàn)1960-2014年瀾滄江流域降水量呈現(xiàn)由南部向北部減少的空間分布特征.學(xué)者們也對(duì)云南地區(qū)年、季節(jié)以及極端降水時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究[8-9]，例如：戚娜等[10]研究發(fā)現(xiàn)1961-2010年云南省年降水量在空間分布上表現(xiàn)為西北部呈上升趨勢(shì)，東南部呈下降趨勢(shì)；鄒靈宇等[11]研究表明1970-2012年昆明地區(qū)春、夏、秋的降水量呈減少趨勢(shì)，但冬季降水量稍有增加；何萍等[12]研究表明1961-2009年楚雄州年降水量呈上升趨勢(shì)，降水集中在5-10月，干濕季分明.

雖然已有學(xué)者對(duì)云南地區(qū)降水時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，但對(duì)云南高原中部城市群降水時(shí)空變化的研究較少.云南高原中部城市群地跨東經(jīng)100°44′-104°51′，北緯23°05′-27°03′，是云南省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，由昆明市、曲靖市、玉溪市和楚雄彝族自治州及紅河哈尼族彝族自治州北部的蒙自市、個(gè)舊市、建水縣、開遠(yuǎn)市、彌勒市、瀘西縣、石屏縣七個(gè)縣市組成.云南高原中部城市群作為帶動(dòng)云南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的龍頭和參與國內(nèi)外區(qū)域協(xié)作、競爭的主體，在云南社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中起著十分關(guān)鍵的作用，因此深入研究云南高原中部城市群降水時(shí)空變化特征，可以為今后采取科學(xué)的手段應(yīng)對(duì)降水變化帶來的不利影響提供科學(xué)依據(jù)，而且對(duì)合理開發(fā)水資源與保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境意義重大.

1 資料與方法簡介

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文氣象數(shù)據(jù)來源于云南省氣象信息中心，主要包括昆明、楚雄、曲靖及玉溪等42個(gè)氣象站點(diǎn)(如圖1)1967-2016年逐日降水?dāng)?shù)據(jù).對(duì)于一些無記錄的降水?dāng)?shù)據(jù)，如果該站與相鄰站某個(gè)時(shí)間段(如：季、月)降水量數(shù)值較相近，說明成雨的條件相似，降水量在面上分布較為均勻.因此，采用MATLAB軟件的線性擬合插值法對(duì)空缺的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，保證降水?dāng)?shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性.云南高原中部城市群年、季節(jié)降水量為42個(gè)站點(diǎn)降水量的算術(shù)平均值，四季根據(jù)氣象部門的常用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，即3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月-來年2月為冬季.

圖1 云南高原中部城市群行政邊界及氣象站點(diǎn)分布圖

1.2 主要研究方法

線性回歸法是應(yīng)用線性回歸方程中最小二乘函數(shù)對(duì)自變量(時(shí)間序列)和因變量(降水量)之間的關(guān)系建立一元線性回歸方程的方法，斜率表示氣候傾向率，用于定量分析降水量線性變化的趨勢(shì)[13].利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)尋找降水時(shí)間序列的突變年份，M-K突變檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，在非正態(tài)分布的降水?dāng)?shù)據(jù)中檢驗(yàn)更合適，能夠很好地揭示降水時(shí)間序列的突變點(diǎn)，其詳細(xì)內(nèi)容見參考文獻(xiàn)[14].采用復(fù)Morlet小波變換對(duì)降水量進(jìn)行多時(shí)間尺度的周期分析，不僅可以給出降水序列的變化周期，還可以預(yù)測(cè)云南高原中部城市群未來幾年降水變化的趨勢(shì)，其詳細(xì)內(nèi)容見參考文獻(xiàn)[15].克里金方法(Kriging)插值站點(diǎn)的疏密程度對(duì)插值結(jié)果的影響較小，能夠精確地對(duì)研究區(qū)域的空間分布進(jìn)行模擬，并且能客觀真實(shí)地反映云南高原中部城市群降水量的空間分布格局[16].在ArcGIS10.2的環(huán)境下，通過克里金插值法繪制云南高原中部城市群年和四季降水量的空間分布圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 降水的年際及季節(jié)變化

由表1和圖2可知，降水量年際和季節(jié)變化的特征.1967-2016年云南高原中部城市群平均年降水量為914.7 mm，1968年的年降水量最大，為1 159.7 mm，2011年的年降水量最小，為608.2 mm，極差值為551.5 mm，年降水量的氣候傾向率為15.8 mm/10 a呈顯著下降趨勢(shì)，并通過α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn).春季降水量占年降水量的15.2%，其平均值為139.4 mm，氣候傾向率為0.6 mm/10 a呈微弱的下降趨勢(shì)，但沒有通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；夏季降水量占年降水量的55.9%，平均值為509.2 mm，降水量呈明顯下降趨勢(shì)，氣候傾向率為11.6 mm/10 a，通過α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；秋季降水量占年降水量的24.2%，平均值為221.6 mm，氣候傾向率為6.1 mm/10 a呈下降趨勢(shì)，但沒有通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；冬季降水量僅占年降水量的4.9%，平均值為44.4 mm，氣候傾向率為2.6 mm/10 a且呈上升趨勢(shì)，但沒有通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn).全球與北半球的平均氣溫升高有利于云南冬季降水量增加，而不利于春、夏及秋季降水量增加，上述實(shí)際降水量的變化趨勢(shì)與前人研究結(jié)果基本一致[ 17].

表1 云南高原中部城市群季節(jié)降水量變化

圖2 1967～2016年降水量年際和季節(jié)變化特征

2.2 降水量突變分析

對(duì)云南高原中部城市群1967-2016年的年降水和季節(jié)降水序列進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，并采用t檢驗(yàn)法對(duì)降水序列突變點(diǎn)進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)，見圖3和表2.由年降水量M-K突變檢驗(yàn)圖可知，UF(正序列)與UB(逆序列)曲線在顯著性水平為0.05的置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，但只有2003年的交點(diǎn)通過α=0.05的顯著水平檢驗(yàn)，年降水量發(fā)生由偏濕到偏干的突變，突變前降水量距平為82.6 mm，突變后降水量距平為-97.1 mm.研究區(qū)域的年降水量突變年份與王理萍等[18]研究結(jié)果有差異，主要原因是對(duì)云南研究區(qū)域、氣象站點(diǎn)的選擇不同以及降水序列的起止時(shí)間不同.

從表2可以看出，云南高原中部城市群四季降水量都存在一個(gè)或者多個(gè)顯著的突變點(diǎn).春季降水量在2008年發(fā)生由偏濕到偏干的突變，且通過α=0.05的顯著水平檢驗(yàn).夏季降水量有3個(gè)突變點(diǎn)，只有2002年的突變點(diǎn)通過α=0.05的顯著水平檢驗(yàn)，1986年和2002年夏季降水量發(fā)生由偏濕到偏干的突變，1993年夏季降水量發(fā)生由偏干到偏濕的突變，從表中可知，夏季降水量突變前后降水距平有明顯差異.秋季降水量存在1個(gè)突變點(diǎn)，通過α=0.1的顯著水平檢驗(yàn)，1997年秋季降水量發(fā)生由偏濕到偏干的突變.冬季降水量有1個(gè)突變點(diǎn)為1991年，通過顯著性水平為0.1的檢驗(yàn)，降水量發(fā)生由偏干到偏濕的突變.

表2 四季降水量突變檢驗(yàn)結(jié)果

圖表數(shù)據(jù)來源于四季降水量M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 降水量小波周期分析

2.3.1 年降水量小波周期分析

圖4 年降水量小波變換實(shí)部及小波方差圖

圖4(a)為降水量小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖，紅黃色漸變部分即系數(shù)的正值表示降水量處于較多階段，藍(lán)色漸變部分即系數(shù)的負(fù)值表示降水量處于較少階段.圖4(b)為年降水量的小波方差變化圖，可以確定降水過程中存在的主周期.從圖4(a)可以看出，年降水量在小波變化域中存在多個(gè)能量聚集中心，在30-40 a 時(shí)間尺度上能量變化強(qiáng)度最大、波動(dòng)劇烈，分布著3個(gè)明顯的能量聚集中心，分別是(34，1973)，(34，1990)和(35，2009).年降水量在此時(shí)間尺度上存在明顯的正負(fù)相位交替變化的周期，降水量進(jìn)行著豐枯交替，在20世紀(jì)70年代至80年代初期為正相位，表示年降水量較多，80年代中期至90年代末為負(fù)相位，表示年降水量較少，2000-2016年為正相位且等值線未閉合，預(yù)測(cè)未來幾年云南高原中部城市群年降水量將會(huì)增加.進(jìn)一步計(jì)算小波方差，從圖4(b)可以看出，年降水量存在2個(gè)較為明顯的峰值，分別為準(zhǔn)15 a和準(zhǔn)34 a.其中，準(zhǔn)34 a的小波方差值最大，為主周期；準(zhǔn)15 a的小波方差值次之，為次周期.與前人研究相比，鄭亦佳等[19]對(duì)1963-2013年滇中地區(qū)年降水量進(jìn)行周期分析，發(fā)現(xiàn)滇中地區(qū)的主周期為準(zhǔn)32 a，本文得出的主周期為準(zhǔn)34 a與之相差2 a，說明所得周期分析結(jié)果是可信的.

2.3.2 四季降水量周期分析

由圖5(a)可知，春季降水量在25-35 a時(shí)間尺度上分布著3個(gè)顯著的能量聚集中心，且在此時(shí)間尺度上，降水量經(jīng)歷了“多—少—多”的周期循環(huán)交替，結(jié)合小波方差(圖略，下同)，春季降水量存在2個(gè)峰值，分別為準(zhǔn)5 a和準(zhǔn)34 a的周期，

圖5 四季降水量小波變換實(shí)部

其中準(zhǔn)34 a的小波方差值最大為主周期.夏季降水量在30-40 a時(shí)間尺度上也分布著3個(gè)能量聚集中心，降水量也經(jīng)歷了“多—少—多”的周期循環(huán)交替，且在2016年等值線未閉合，說明未來幾年降水量將處于較多階段，夏季降水量的小波方差存在2個(gè)峰值，分別為準(zhǔn)15 a和準(zhǔn)34 a，其中準(zhǔn)34 a的小波方差值最大為主周期(圖5(b)).秋季降水量在15-25a時(shí)間尺度上能量變化強(qiáng)度最大，分布著5個(gè)明顯的能量聚集中心，降水量經(jīng)歷了“多—少—多—少—多”的周期循環(huán)交替，秋季降水量的小波方差存在3個(gè)峰值，分別為準(zhǔn)5 a、準(zhǔn)20 a和準(zhǔn)34 a，其中準(zhǔn)34 a的小波方差值最大為主周期(圖5(c)).冬季降水量在5-15 a時(shí)間尺度的周期振蕩非常明顯，降水量經(jīng)歷了“多—少—多—少—多—少—多—少—多”9個(gè)周期循環(huán)交替，冬季降水量的小波方差存在3個(gè)峰值，分別為準(zhǔn)6 a、準(zhǔn)12 a和準(zhǔn)35 a，其中準(zhǔn)12 a的小波方差值最大為主周期(圖5(d)).

2.4 降水空間分布特征

2.4.1 年降水量空間分布特征

用ArcGIS10.2對(duì)各個(gè)站點(diǎn)年降水量進(jìn)行空間插值，得到云南高原中部城市群多年平均降水量的等值線空間分布.由圖6可知：云南高原中部城市群年降水量在地域上分配不均勻，西部、中部與北部等值線稀疏年降水量較少，東部和南部等值線密集年降水量較多；具體為會(huì)澤站、元謀站和大姚站等所在的北部降水量最少，均低于880 mm；其次是昆明站、玉溪站和楚雄站所在的中部與西部降水量較少；羅平站、師宗站與個(gè)舊站所在的東部和南部降水量最多，均達(dá)到了1 200 mm以上.云南高原中部城市群年降水量東南部比西北部多，主要是云南高原中部城市群地勢(shì)從南向北逐漸升高，且東南部距離海洋較近，受到含暖濕氣流的季風(fēng)影響更為強(qiáng)烈，來自南海的暖濕氣流從東南向西北移動(dòng)過程中不斷成云降雨，水汽沿途不斷消耗，到達(dá)云南高原中部城市群西北部時(shí)水汽含量減少了，降水也隨之減少.

2.4.2 季節(jié)降水量空間分布特征

圖7為云南高原中部城市群四季降水量等值線空間分布圖.春季東南部降水等值線密集則降水量較多，西北部降水等值線稀疏則降水量較少，降水量表現(xiàn)出由東南向西北呈帶狀遞減的空間分布格局；春季降水量最大值是東部的羅平站，達(dá)到了240 mm，降水量最小值是西北部的永仁站，低于80 mm，春季降水量最大值是最小值的3倍(圖7(a)).夏季降水量與年降水量的空間分布特征相似，呈現(xiàn)出西部和北部降水量偏少，東部和南部降水量偏多的空間分布特征；夏季降水量最大值為羅平站，降水量最小值為西北部的元謀站(低于400 mm)，夏季降水量最大值是最小值的2.5倍(圖7(b)).

秋季東部降水等值線分布較為密集則降水量較多，其余地區(qū)降水等值線較為稀疏則降水量較少，降水量空間分布特征表現(xiàn)為自東向西和北部減少的空間分布格局；北部的會(huì)澤站(低于180 mm)成為秋季降水量最少的站點(diǎn)，降水量最多的站點(diǎn)為東部的羅平站(330 mm以上)，秋季降水量最大值為最小值的1.8倍(圖7(c)).冬季降水量與春季降水量空間分布特征相似，降水量均呈現(xiàn)出由東南向西北呈帶狀遞減的空間分布特征，冬季降水量最小值為永仁站所在的西北部，低于18 mm，降水量最大值是羅平站所在的東部，達(dá)到了78 mm，冬季降水量最大值是最小值的4.3倍(圖7(d)).相較于其他三季的情況，冬季降水量區(qū)域差異最大，體現(xiàn)出冬季降水量空間分布極為不均勻和地域性極強(qiáng)的特征.

圖7 四季降水量等值線空間分布圖

3 結(jié) 論

(1)近50年云南高原中部城市群年平均降水量為914.7 mm，年降水量整體呈顯著的下降趨勢(shì)，氣候傾向率為15.8 mm/10 a.春、夏、秋季降水量均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，傾向率分別為-0.6 mm/10 a、-11.6 mm/10 a、-6.1 mm/10 a，但冬季降水量呈微弱的上升趨勢(shì)，傾向率為2.6 mm/10 a.

(2)近50年，云南高原中部城市群年降水量存在一個(gè)突變點(diǎn)，突變年份為2003年，并通過了α=0.05的顯著水平檢驗(yàn).夏季降水量有3個(gè)突變點(diǎn)，分別為1986年、1993年、2002年，春季、秋季和冬季降水量均存在1個(gè)突變點(diǎn)，分別為2008年、1997年和1991年.

(3)近50年云南高原中部城市群春、夏、秋季降水量的主周期均為34 a，冬季降水量的主周期則為12 a.年降水量的主周期為34 a，從小波系數(shù)實(shí)部等值線未閉合可看出，未來幾年云南高原中部城市群將處于年降水量較多時(shí)段.

(4)云南高原中部城市群年降水量在地域上分配不均勻，西部和北部等值線稀疏年降水量少，東部和南部等值線密集年降水量多.冬、春季降水量均呈現(xiàn)出由東南向西北呈帶狀遞減的空間分布特征，但冬季降水量則表現(xiàn)出空間分布極為不均勻和地域性極強(qiáng)的特征；秋季降水量表現(xiàn)為自東向西和北部減少的空間分布格局.夏季與年降水量的空間分布特征相似，說明夏季降水量空間變化是年降水量空間分布的主要影響因素.