基于WRF模式的云南省干旱發(fā)生風(fēng)險的預(yù)測分析

摘要 云南省作為西部大開發(fā)的典型省份之一，有著獨特的自然環(huán)境和資源稟賦，但同時全省地形復(fù)雜多變且處于氣候帶的脆弱區(qū)，氣候變率相當(dāng)大。本研究在分析云南省近30年的土地利用/土地覆被變化的前提下，采用中尺度天氣研究與預(yù)報Weather Research and Forecasting （WRF）模式系統(tǒng)，對云南省未來40年干旱發(fā)生風(fēng)險進(jìn)行了預(yù)測分析。研究首先對WRF模式系統(tǒng)適用性進(jìn)行了驗證，重點分析了氣溫和降水兩個主要干旱影響因子的未來時空變異特征。然后根據(jù)WRF模式系統(tǒng)的輸出結(jié)果，選取了系列氣象干旱指標(biāo)因子，并采用綜合氣象干旱指數(shù)計算方法在空間和時間上對干旱發(fā)生風(fēng)險進(jìn)行了預(yù)測。從研究結(jié)果來看，加強對現(xiàn)用森林資源的保護(hù)，執(zhí)行長期有效的生態(tài)工程建設(shè)，可以很大程度上減緩未來干旱發(fā)生頻率。同時云南省當(dāng)前“城市上山”等政策實施中也應(yīng)考慮到建設(shè)用地擴張的不可逆轉(zhuǎn)性，避免城市盲目上山。研究指出，未來區(qū)域發(fā)展規(guī)劃應(yīng)該對人為土地利用進(jìn)行長期且合理有效部署，減少政策的不確定性，合理的區(qū)域發(fā)展規(guī)劃是應(yīng)對干旱風(fēng)險的有效舉措。

關(guān)鍵詞干旱；干旱風(fēng)險；干旱指數(shù)；WRF；云南省

中圖分類號P951文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1002-2104（2013）10-0095-07

在全球氣候以變暖為主要特征的氣候背景下，地理位置特殊的云南省在干旱、洪澇和低溫冷害等極端氣候事件方面面臨著更加嚴(yán)峻的考驗。云南省由于受西南季風(fēng)控制，加之地理位置和地形的作用，大部分地區(qū)呈現(xiàn)四季不分明、干濕季明顯的氣候特征。云南天氣災(zāi)害頻發(fā)，天氣預(yù)報難度較大，給當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展帶來嚴(yán)重的影響。特殊的海陸分布、奇異的地形和獨特下墊面狀況鑄就了云南特殊的立體氣候背景，近年來云南省干旱災(zāi)害有明顯增加的趨勢。據(jù)相關(guān)記載，1901年以前百年干旱出現(xiàn)的頻數(shù)都在100次以下，而20世紀(jì)干旱出現(xiàn)頻數(shù)卻超過了150次，尤其是20世紀(jì)80年代的旱災(zāi)增多比較明顯[1]。作為當(dāng)前全球造成經(jīng)濟損失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害[2-3]，云南省的極端干旱已經(jīng)嚴(yán)重威脅這些地區(qū)的生存環(huán)境，引起了水資源嚴(yán)重匱乏、生態(tài)環(huán)境退化和荒漠化等一系列環(huán)境問題[4-5]。干旱作為水文循環(huán)及水分分布的極端情形，它的危害早已被人們所認(rèn)識。干旱災(zāi)害的致災(zāi)因子是氣象因子[6-7]，主要取決于一個地區(qū)的降水、氣溫、蒸發(fā)等。因此干旱風(fēng)險分析主要通過對干旱氣象因子分析來完成。國內(nèi)外許多科學(xué)研究針對氣象干旱問題進(jìn)行了大量的區(qū)域觀測試驗和數(shù)值模擬研究，得到許多有意義的研究成果[8-9]。傳統(tǒng)的統(tǒng)計診斷存在關(guān)系不確定以及歷史資料缺乏等缺陷[8]，同時云南省地理位置特殊，影響氣候異常的因子復(fù)雜，因而傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法很難為氣候干旱預(yù)測提供較為客觀的科學(xué)支持。針對云南省氣候及干旱風(fēng)險分析問題，中尺度天氣研究與預(yù)報Weather Research and Forecasting （WRF）模式系統(tǒng)等一系列區(qū)域氣候模式能夠很好的描述下墊面狀況和中小尺度物理過程，能夠提供更詳細(xì)的氣候特征，是一種氣候災(zāi)害因素分析和預(yù)測的新方法。

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化建設(shè)，云南省的土地覆被發(fā)生著劇烈改變。城鎮(zhèn)化推進(jìn)過程中因大量農(nóng)用優(yōu)等土地被占用導(dǎo)致耕地面積銳減，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)扭曲，壩區(qū)耕地資源持續(xù)減少。在推進(jìn)城鎮(zhèn)建設(shè)時，存在過多占用壩區(qū)耕地、“攤大餅”式發(fā)展的現(xiàn)象。隨后發(fā)起的生態(tài)工程建設(shè)雖然使得省內(nèi)生態(tài)惡化趨勢得到一定遏制，然而這種大規(guī)模的造林工程進(jìn)一步改變了原有的土地覆被狀況。大量科學(xué)研究證明[10-12]，土地利用/覆蓋變化改變下墊面的性質(zhì)，即地表反射率、粗糙度、植被葉面積以及植被覆蓋比例的變化，引起了區(qū)域溫度、濕度、風(fēng)速、降水變化，由此引起局地與區(qū)域氣候變化，進(jìn)而影響災(zāi)害發(fā)生頻次。本研究在分析云南省近20年的土地覆被變化的前提下，采用中尺度天氣研究與預(yù)報WRF模式系統(tǒng)對云南省干旱發(fā)生風(fēng)險進(jìn)行了預(yù)測分析，以期能對當(dāng)前合理部署土地利用，減緩異常氣候事件提供指導(dǎo)，并為云南省的災(zāi)害預(yù)測提供有益的幫助和參考。

鄧祥征等：基于WRF模式的云南省干旱發(fā)生風(fēng)險的預(yù)測分析中國人口·資源與環(huán)境2013年第10期1數(shù)據(jù)與方法

1.1云南省過去20年土地利用變化趨勢分析

云南省地處青藏高原東南側(cè)（100°E-110°E， 23°N-28°N），位于珠江、瀾滄江和怒江等六大江河水系的源頭和上游，是典型的低緯高原。低緯高原有著低緯地區(qū)的氣候特點：氣溫年較差小；季風(fēng)活動最顯著，降水充沛且旱季與雨季分明。又有著高原氣候的特點：太陽輻射強而輻射差額小；高原地區(qū)比同緯度的平原地區(qū)氣溫要低6-10℃左右；溫度晝夜日較差可比同緯度的平原地區(qū)高出1-2倍；降水明顯受地形影響，一般迎濕潤氣流的高原邊緣是多雨帶，而背濕潤氣流一側(cè)和高原內(nèi)部，雨量較少。低緯高原既有低緯特征又有高原特點，相應(yīng)的氣候特征也反映出兩者的結(jié)合。

同時，由于地形錯綜復(fù)雜，各地山脈高聳、河谷深切、高差懸殊，冬夏大氣環(huán)流交替早遲不同，東西兩側(cè)海洋季風(fēng)影響各異，導(dǎo)致干旱、洪澇災(zāi)害出現(xiàn)的頻率高，而且干旱一般歷時長、成災(zāi)面積大，是云南省主要自然災(zāi)害之一。鑒于云南省特殊的地理位置和地形，開展云南省的氣候研究與預(yù)測很有必要。本研究首先以20世紀(jì)80年代末和20世紀(jì)90年代末Landsat TM/ETM遙感影像為基本信息源，通過人機交互式目視解譯的方式獲取1985年、1993、1998、2003、2008年土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)，并對主要用地類型和進(jìn)行了面積統(tǒng)計和空間化表示。西北部林地為主要用地類型，面積所占比例超過58%，東部地區(qū)建設(shè)用地分布較廣。

為了分析主要的土地利用/覆被變化，本研究進(jìn)一步對各類土地利用類型近20年的變化格局進(jìn)行了空間統(tǒng)計和定量化識別（見圖1）。從1985-2008年主要土地利用類型面積變化和土地利用類型轉(zhuǎn)移率來看，林地作為云南省主要用地類型，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積為各種用地類型中最高；草地面積變化次之，轉(zhuǎn)入率高達(dá)3.09%，因而總體面積呈遞增趨勢；第三大用地類型-耕地雖然在一些地區(qū)有所增加，但大部分地區(qū)出現(xiàn)了耕地的大幅遞減，總面積減少量高于100萬 hm2，耕地向其他用地的轉(zhuǎn)出幅度最高，轉(zhuǎn)出率為375%，減幅為2%。高的轉(zhuǎn)出率還伴隨著較高的轉(zhuǎn)入率，說明耕地變化動蕩顯著；水域也呈現(xiàn)出增長趨勢，增幅約為1%；建設(shè)用地不同于其他用地類型，轉(zhuǎn)入率為593%，而轉(zhuǎn)出率僅為0.01%。建設(shè)用地雖然所占比例低于3%，但面積變化率最大，增幅達(dá)6%。而以5年為時間段進(jìn)一步分析主要土地利用轉(zhuǎn)移情況可發(fā)現(xiàn)云南省土地覆被在過去24年變化顯著。主要用地類型每隔5年的轉(zhuǎn)移趨勢和轉(zhuǎn)移面積、轉(zhuǎn)移率與上述24年的分析相當(dāng)。說明云南省土地覆被整體發(fā)生變化的背后隱藏著更加劇烈的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的動蕩。