貴陽汛期旱澇演變特征及未來趨勢預估

嚴小冬，吳戰平，徐丹丹，古書鴻，徐智慧

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002;3.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

貴陽汛期旱澇演變特征及未來趨勢預估

嚴小冬1，吳戰平1，徐丹丹1，古書鴻2，徐智慧3

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002;3.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

首先對貴陽近500 a(1470—2008年)旱澇等級資料進行增補，利用該資料進行等級序列展開頻次和多尺度分析。結果表明：近58 a，貴陽出現極端旱、偏旱的頻次明顯高于過去近500 a的平均狀況;汛期出現偏旱和旱的次數明顯增多，旱重于澇的趨勢非常明顯。從年代際和百年際尺度看，210 a周期是貴陽旱澇振蕩的主周期，而50 a周期是次周期，且20世紀80年代的干旱程度高于歷史上任何一個年代;從年際和年代際尺度上，24 a周期是貴陽旱澇振蕩的主周期，而7 a周期是次周期;汛期降水偏少，一般與旱災對應一致，但若降水偏多，對應汛期各月降水分布均勻，則不一定對應澇災。最后，結合診斷結果，借助IPCC AR4最新的模式預估數據集，預估貴陽汛期降水在未來10 a左右將處于旱澇交替頻發期，之后至21世紀40年代中期將處于少雨階段，可能會出現較長時期的干旱。

汛期旱澇;演變特征;趨勢預估;多尺度分析;IPCC AR4

1 引言

近半個世紀以來，隨著人類活動加劇，氣候變化問題及其研究更加突出。氣候變化的影響是多尺度、多層次、全方位的，正面和負面影響并存，其對國民經濟的影響主要以負面作用為主，因此氣候變化問題得到了各國科學界、政府以及公眾的極大關注［1］。

貴陽地處苗嶺山脈中段，地勢南北高、中部低，總面積8 049 km2，屬亞熱帶濕潤季風氣候。關于貴州氣候，之前已有不少研究［2-7］，但對汛期旱澇氣候方面的研究卻不多，而專門針對貴陽汛期長年代旱澇變化的研究就更少之又少［8］，很難滿足公眾的需求。以診斷為基礎，結合最新的模式預估結果，給出未來趨勢展望的研究幾乎還是空白。

本文在前人工作基礎上，利用較長歷史資料，從年際尺度、年代際尺度和百年際尺度對貴陽汛期旱澇變化進行深入細致的分析研究，并在此基礎上對未來近40 a貴陽汛期旱澇趨勢進行了展望，其成果一方面有助于讓公眾更好地了解貴陽干濕氣候特點，另一方面為政府決策部門按照未來氣候可能演變趨勢，更好地制定工、農業長期發展規劃和防災減災提供有意義的參考。

2 資料及方法

2.1 資料來源

文采用《中國近五百年旱澇分布圖集》［9-11］(1470—2000年)中貴陽站歷年旱澇等級，再根據該圖集所述計算方法，用貴陽站2001—2008年5-9月份降水量算出2001—2008年逐年旱澇等級，加上圖集資料，合并得539 a旱澇等級數。

預估數據基于SRES(Special Report on Emissions Scenarios)A1B情景下，選取IPCC AR4中17個不同分辨率全球模式集合部分預估數據：20C3M-SRESA1B-Pre_1981-1999.txt和SRESA1BPre_2001-2020/2021-2040/2041-2060.txt。利用空間線性內插降尺度法，獲得貴陽站未來幾十年汛期各月降水量預估值。

2.2 主要方法

運用合成、分類、小波［12-14］及方差等方法對貴陽汛期旱澇進行年際尺度、年代際尺度和百年際尺度分析。在多尺度分析基礎上，結合IPCC AR4最新模式預估數據集，運用線性內插法計算得貴陽汛期降水量。

圖1 貴陽站旱澇等級頻次圖 (a)539 a(1470—2008年)、(b)58 a(1951—2008年)

3 結果分析

3.1 旱澇頻次分析

分別對貴陽1470—2008年和1951—2008年兩時段旱澇等級資料進行頻次統計(見圖1)。統計表明：在過去539 a里，旱澇等級依次分別為澇(20次)、偏澇(73次)、正常(340次)、偏旱(61次)和旱(45次)，對應頻次所占百分比見圖1a所示;在近58 a里，旱澇等級依次分別為澇(4次)、偏澇(8次)、正常(22次)、偏旱(13次)和旱(11次)，對應頻次所占百分比見圖1b所示。通過圖1a和圖1b各等級在不同時段所占百分比可以分析得出：最近58 a，貴陽出現極端旱、偏旱的頻次明顯高于過去539 a的平均狀況;最近58 a，貴陽汛期出現旱的次數明顯增多，旱重于澇的趨勢明顯，正常年份減少。

3.2 旱澇年代際/百年際尺度分析

圖2 1470—2008年貴陽各年代旱(a)、澇(b)頻數及擬合曲線(直線為頻數平均值，折線為頻數，曲線為三次多項式擬合曲線)

將5級旱澇中的1級和2級都視為洪澇年份，4級和5級都視為干旱年份。對旱澇等級序列按照年代(如1470—1479年記為1470S，稱為15世紀70年代)統計貴陽干旱和洪澇各年代出現的頻數(見圖2折線所示)，并對各序列進行三階多項式擬合(見圖2曲線所示)。

從圖2中可以看出，貴陽干旱和洪澇呈現明顯的階段性分布。干旱少發時段主要集中出現在18世紀40年代前，之后，出現干旱的頻數明顯上升，尤其是從20世紀20年代開始，出現干旱的頻數都大于平均值，是典型的干旱多發時期(見圖2a)。在19世紀末以前，出現多洪澇年代從間隔一個世紀到半個世紀呈有規律的變化，從20世紀初至今，出現洪澇頻數呈波動變化，且除20世紀60年代少于平均值外，其余年代均高于平均值(見圖2b)。綜合圖2a、2b，從19世紀中期開始，多旱和多澇的頻數大多高于平均值，表明這期間旱澇年份增多，極端氣候事件頻發，而正常年份偏少。

從擬合曲線變化趨勢看，近百年來，貴陽出現干旱的頻數明顯高于平均值，而出現洪澇的頻數呈“偏高—偏低—偏高—偏低”波動下降，因此目前正處于干旱年份明顯上升而洪澇年份波動下降，即多旱少澇的氣候階段。20世紀80年代的干旱程度高于歷史上任何一個年代的干旱程度。

圖3 貴陽站539 a旱澇等級小波系數實部

將貴陽旱澇等級序列(1470—2008年)按年代求其均值，運用Morlet小波進行展開，得其實部(圖3)，進行貴陽汛期旱澇年代際/百年際尺度分析。圖中正值反映了序列的變旱趨勢，負值反映了變澇趨勢，零線對應旱澇的突變點。圖3清楚地反映出貴陽旱澇具有明顯的多時間尺度特征，其中40～60 a和180～240 a的時間尺度上正負閉合中心最明顯。

圖4 貴陽站539 a旱澇等級小波系數方差

圖6 貴陽站1951—2008旱澇等級小波系數方差

進一步對小波進行方差分析(圖4)可以得出：在1470—2008年整個時間域內，貴陽汛期旱澇變化以50 a、210 a和320 a周期振蕩最強。說明，貴陽汛期旱澇變化的年代際和百年際特征比較明顯。同時，通過對小波能量(圖略)分析發現，210 a周期是貴陽旱澇振蕩的主周期，而50 a周期是次周期。表明，貴陽汛期旱澇百年際振蕩特征非常明顯，且目前貴陽汛期正處于相對旱期。

圖5 貴陽站1951—2008旱澇等級小波系數

3.3 旱澇年際/年代際尺度分析

前面針對貴陽旱澇在1470—2008年時間域內展開分析，初步得出貴陽汛期旱澇存在的年代際和百年際演變特征。同時，分析還指出，近百年，貴陽汛期旱澇事件頻發。基于上述診斷事實，很有必要繼續展開更小尺度的分析，于是，截取臨近的、有完整氣象記錄的1951—2008年貴陽汛期旱澇作為研究時段，并運用同樣的方法進行分析。圖5形成各種尺度正負相間的振蕩中心，顯示貴陽汛期旱澇包含了多個尺度的周期變化。觀察其中閉合曲線的密集區，發現貴陽汛期旱澇在4～5 a、6～8 a和21～27 a的時間尺度上正負閉合中心最明顯。

進一步對小波進行方差分析(圖6)可以得出：在1951—2008年整個時間域內，貴陽汛期旱澇變化以準5 a、7 a和24 a周期振蕩最強。說明，貴陽汛期旱澇變化的年際和年代際特征比較明顯。同時，通過對小波能量(圖略)分析發現，24 a周期是貴陽旱澇振蕩的主周期，而7 a周期是次周期。從主周期看，貴陽汛期目前正處于相對旱期，而從次周期看，貴陽汛期目前正處于相對澇期。表明，近期貴陽汛期旱澇變化波動較為復雜，各種尺度波動趨勢并存，給趨勢預估帶來一定困難。

圖7 貴陽站1951—2008年汛期降水量

3.4 貴陽近百年降水變化及預估

圖7表征1951—2008年貴陽汛期降水變化，其中，虛折線表示汛期降水，直線表示平均值，兩條虛直線從上至下分別表示降水量大于或小于一個標準差。圖中降水量高于一個標準差的年份主要有1954、1957、1967、1977、1979、1991、1996、2000 年和2008年，結合前面貴陽汛期旱澇等級值發現，只有1954、1991、2000 年和2008 年屬于澇年，其它5 a，因為汛期時段(5—9月)各月降水相對均勻，極端強降水過程少，故雖然降水偏多，但沒有形成嚴重的澇災。同時，圖中降水量低于一個標準差的年份主要有 1961、1962、1966、1975、1981、1987、1990、1997、2001、2003年和2006年，結合貴陽汛期旱澇等級數發現，上述10 a少雨年均為旱年，表明，少雨年往往就是旱災年。

圖8 貴陽站近百年降水變化及預估(虛線代表觀測值，實線代表預估值)

在對貴陽汛期旱澇多時間尺度分析基礎上，結合SRESA1B排放情景，從參與IPCC AR4的20多個不同分辨率模式中選取17個模式結果，經過插值降尺度計算和集合平均，最終得出貴陽汛期降水預估數據。在給出最終預估數據之前，我們對2001—2008年貴陽汛期降水進行了預估試驗。8 a的預估結果有6 a正確，準確率達75%，表明在考慮貴陽汛期旱澇多尺度特征基礎上，運用目前最新的模式結果對貴陽汛期降水進行定量預估是比較可靠的。于是，通過大量計算和客觀訂正，最終給出貴陽21世紀50年代前各年汛期降水量預估值(如圖8實折線所示)。從圖中曲線分析可知，貴陽汛期降水目前盡管正處于旱澇交替頻發期，但是從21世紀20年代初至40年代中期將處于少雨階段，可能會出現較長時期的干旱期。

4 小結

本文借助1470—2008年貴陽汛期旱澇等級值，采用統計診斷方法，結合最新的模式預估數據，開展了貴陽汛期旱澇演變特征及未來趨勢預估分析研究，初步得出以下結論：

①近58 a，貴陽出現極端旱、偏旱的頻次明顯高于過去539 a的平均狀況，旱重于澇的趨勢明顯。

②在1470—2008年整個時間域內，年代際和百年際尺度上演變特征為：從19世紀中期開始，多旱和多澇的頻數大多高于平均值，這期間旱澇年份增多，極端氣候事件頻發，而正常年份偏少。近百年，貴陽出現干旱的頻數明顯高于平均值，而出現洪澇的頻數呈“偏高—偏低—偏高—偏低”波動下降。20世紀80年代的干旱程度高于歷史上任何一個年代的干旱程度。從21年代周期看，貴陽汛期目前處于旱期，而從5年代周期看，貴陽汛期目前處于澇期。

③在1951—2008年整個時間域內，年際和年代際尺度上演變特征為，貴陽汛期旱澇變化以準5 a、7 a和24 a周期振蕩最強。從24 a周期看，貴陽汛期目前處于旱期，而從7 a周期看，貴陽汛期目前處于澇期。

④預估貴陽汛期降水在未來10 a左右處于旱澇交替頻發期，之后至21世紀40年代中期，將處于少雨階段，可能會出現較長時期的干旱期。預估是在對過去演變特征診斷基礎上，結合最新模式預估數據綜合而來，為了進一步提高預估結果的準確性，下一步將引入天氣發生器的最新成果，對預估結果進行跟蹤訂正。

致謝：本研究所使用的全球氣候模式氣候變化預估數據，由國家氣候中心研究人員對數據進行的整理、分析和惠許使用。原始數據由各模式組提供，由WGCM(JSC/CLIVAR Working Group on Coupled Modelling)組織 PCMDI(Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison)搜集歸類。多模式數據集的維護由美國能源部科學辦公室提供資助。同時，還要感謝國家氣候中心提供的區域氣候變化模擬結果。

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The Evolution Characteristic and Future Tendency Estimate of Guiyang Dryness and Wetness in Flood Season

YAN Xiao-dong1，WU Zhan-ping1，XU Dan-dan1，GU Shu-hong2，XU Zhi-hui3
(1.Guizhou Climate Center，Guiyang 550002;2.Guizhou Institute of Mountainous Environment and Climate，Guiyang 550002;3.Guiyang Meteorological Bureau，Guiyang Guizhou 550002)

Use the supplementation the data of the drought and flood grades for five hundred years in GuiYang，to make grades sequences frequency and multiple dimensioned analysis.The results showed that the frequencies of Guiyang appeared extreme drought and more drought in recent 58 years more than the mean value of recent 500 years.In flood season the frequencies of drought increased obviously and the drought more severe than flood.For the decadal and hundred decadal scales，210-year cycle is the main period of drought and flood oscillation and the 50-year cycle is the secondary.The 20 century and 80 years had the most server drought.For the inter-annual and decadal，24 years cycle is the main period of drought and flood oscillation and the 7 years cycle is the secondary.If the precipitation is less in the flood season，the drought may happen.But if the rainfall is more，the flood may not happen and the distribution of rainfall not even in each month.In the end combined the results of the model of IPCC AR4，in the future 10 years flood seasons，drought and flood will happen high frequency，and in the 40 years of the 21st century there are less precipitations and the drought will last long period.

drought and flood in flood season，develop characteristics，tendency analysis，IPCC AR4

P467

A

1003-6598(2011)04-0001-05

2011-05-26

，嚴小冬(1979-)，男(苗族)，高工，主要從事氣候診斷分析及氣候預測工作。

*資助項目：貴州省科學技術基金項目(黔科合J字［2008］2082號);貴陽市社會發展與民生科技計劃項目“貴陽市氣候變化事實檢測和未來趨勢預估研究與應用。