寧夏地區氣候暖干化與旱澇災害趨勢的關系

丁彩霞，延軍平，方興義，李敏敏，吳夢初

（1.陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安710062；2.寧夏師范學院 政法學院，寧夏 固原756000）

IPCC第4次評估報告指出1906—2005年全球地表溫度上升了0.74±0.18℃，變暖幅度自1900年以來明顯加速［1］。我國氣候變化趨勢與全球氣候變化基本一致，近50a平均地表氣溫升高0.5～0.8℃，增溫速率0.1～0.2 ℃／10a［2－3］，增溫幅度略高于全球。氣候變化存在明顯的地區差異，西北、華北、東北地區變暖趨勢較為明顯，西北變暖的強度高于全國平均值，長江以南地 區變暖不顯著［3］。施雅風［4－5］等提出我國西北氣候可能從20世紀的暖干型向暖濕型轉變。李棟梁等［3］的研究結果顯示，我國西北地區的氣候呈現出西濕東干的分布型態。隨著時間的推移，西北地區的氣候變化有可能進一步加劇，其引起的極端天氣和氣象災害的頻率和強度也將持續增大。

寧夏地區處于季風邊緣帶，是中國典型的農牧交錯區、生態脆弱區，獨特的地理位置和地貌格局使該區對氣候變化的敏感性更高，水資源供需矛盾更加突出。氣候變化導致的極端天氣和氣象災害勢必會對社會經濟發展產生極大影響［6］。目前對于寧夏地區氣候變化與旱澇災害方面的探討還相對較少，且多集中在旱澇歷史演變規律的分析，對未來旱澇災害趨勢的分析較少，關注寧夏地區氣候變化及旱澇災害演變特征具有十分重要的現實意義。本研究以寧夏地區為研究對象，選取了1961—2012年的氣溫和降水資料。綜合運用趨勢線法、Mann—Kendall突變檢驗法、Z指數法、馬爾科夫模型從不同時間尺度和層面上對寧夏氣候變化特征和旱澇趨勢進行了分析與研究，以期為該地區的社會經濟發展及生態建設提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取了寧夏地區11個氣象站1961—2012年的逐月氣溫和降水數據，資料均來源于寧夏氣象局，采用的氣象數據具有較好的代表性和連續性。本研究季節劃分按3—5月份為春季，6—8月份為夏季，9—11月份為秋季，12月至翌年2月為冬季。

1.2 研究方法

運用氣候傾向率法和Mann—Kendall突變檢驗法［7］對寧夏地區近52a氣侯變化特征進行分析，運用Z指數分析了寧夏地區旱澇變化情況，并運用馬爾可夫模型對該地未來5a旱澇災害進行趨勢判斷。

1.2.1 Z指數法 Z指數指標法是用來表示旱澇的空間分布和旱澇程度的一種數學方法，它消除了降水量平均值不同的影響，是通過對降水量進行處理而得到的服從標準正態分布的序列，對旱澇程度具有一定的反映能力［8］。對寧夏地區11個氣象站點1961—2012年的Z指數進行分析后，發現每級實際頻率和理論頻率基本接近（表1），表明Z指數等級劃分標準能夠反映實際情況，可以用于研究寧夏地區的旱澇變化特征。

表1 Z指數旱澇等級標準與寧夏旱澇實際頻率對比

1.2.2 馬爾可夫模型 在事件的發展過程中，如果每次狀態的轉移都只僅與前一時段的狀態有關，而與過去的狀態無關，或者說狀態轉移過程是無后效性的，則這樣的狀態轉移過程就稱為馬爾可夫過程。許多地理事件發展過程的狀態轉移是具有無后效性的，對于這樣一些事件發展過程，就可以用馬爾可夫過程來描述。

在事件的發展過程中，從某一種狀態出發，下一時刻轉移到其它狀態的可能性，稱為狀態轉移概率。根據條件概率的定義，由狀態Ei轉為狀態Ej的狀態轉移概率P（Ei→Ej）就是條件概率P（Ej／Ei），即

假定某一事件的發展過程有n個可能的狀態，即E1，E2，…，En。記Pij為狀態Ei轉變為狀態Ej的狀態轉移概率，則狀態轉移概率矩陣為：

狀態概率πj（k）表示事件在初始（k＝0）狀態為已知的條件下，經過k次狀態轉移后，在第k個時刻處于狀態Ej的概率。根據概率的性質，顯然有：

從初始狀態開始，經過k次狀態轉移后到達狀態Ej這一狀態轉移過程，可以看作是首先經過（k－1）次狀態轉移后到達狀態Ei（i＝1，2，…，n），然后再由Ei經過一次狀態轉移到達狀態Ej。根據馬爾可夫過程的無后效性及Bayes條件概率公式，有：

若記行向量π（k）＝〔π1（k），π2（k），…，πn（k）〕，則由公式（4）可以得到逐次計算機狀態概率的遞推公式：

式中：π（0）＝〔π1（0），π2（0），…，πn（0）〕為初始狀態概率向量［9］。

2 結果與分析

2.1 研究區氣溫變化特征

2.1.1 研究區氣溫的年際變化 1961—2012年寧夏地區氣溫在波動中呈顯著上升趨勢（圖1），多年平均氣溫為8.32℃，上升速率為0.36℃／10a，遠高于西部平均變暖率（0.2℃／10a）［4－5］。通過對寧夏地區1961—2012年氣溫進行Mann—Kendall突變檢驗分析發現（圖2），1961—1979年正向時間序列統計值UF多在0值以下，說明此時段氣溫呈波動下降趨勢，1979年后UF＞0，氣溫回升，1986年以后氣溫上升速率加快，1994年UF超出顯著性水平0.05信度線，說明氣溫顯著增加［10］。UF和UB在±1.96臨界線內相交于1991年，表明寧夏地區年均溫在1991年前后發生了由冷到暖的突變。

圖1 寧夏地區1961－2012年平均氣溫變化特征

1997—2012年與1961—1986年相比，寧夏地區年平均氣溫升高了1.39℃，20世紀60年代初期到80年代中期處于一個較長的冷期，80年代中期至今進入了一個氣溫較高的暖期［11］，氣溫變化大致可以劃分為3個階段。第一階段：1961—1986為冷濕期，年氣溫距平以負值為主，溫度上升速度較緩，多年平均氣溫為7.78℃，多年平均降水量為269.98mm；第二階段：1987—1996為暖濕期，年氣溫距平正負交替出現，氣溫波動上升，多年平均氣溫為8.4℃，多年平均降水量為269.81mm；第三階段：1997—2012為暖干期，年氣溫距平均為正距平，增溫趨勢明顯加快，多年平均氣溫為9.2℃，多年平均降水量為244mm。

圖2 寧夏地區1961－2012年平均氣溫Mann－Kendall檢驗

2.1.2 氣溫的季節變化 1961—2012年寧夏地區四季氣溫均呈上升趨勢（表2），冬季氣溫上升最快，增溫速率為0.49℃／10a，其次是春季，增溫速率為0.35℃／10a，秋季增溫速率為0.31℃／10a，夏季氣溫上升較緩，增溫速率為0.24℃／10a。夏季均溫最低值出現在1976年為19.31℃，最高值出現在2006年為22.71℃，相差3.4℃；冬季均溫最低值出現在1967年為－10.13℃，最高值出現在2000年為－3.32℃，相差6.81℃。近52a間冬季氣溫的增加對寧夏地區多年平均氣溫增加的貢獻最大。

表2 寧夏地區1961－2012年四季氣溫變化特征

2.2 降水量的變化

2.2.1 降水的年際變化 1961—2012年寧夏地區降水量總體呈下降趨勢，下降速率為9.94mm／10a。52a平均降水量為261.23mm。年降水量最大值出現在1964年，為447.15mm，年降水量最小值出現在1982年，為150.58mm，相差296.57mm。由6階擬合曲線看出，20世紀60—70年代降水波動下降，20世紀70—90年代末降水趨于穩定，2000年以后降水負距平增加，降水波動下降趨勢加大（圖3）。

圖3 寧夏地區1961－2012年降水變化特征

2.2.2 降水的季節變化 1961—2012年寧夏地區春、夏、秋三季降水呈下降趨勢，冬季降水小幅增加（表3）。春季降水下降速率為0.64mm／10a，20世紀60—70年代降水減少，70—90年代降水增加，90年代至今降水持續下降，近52a間春季降水變化不穩定，波動特征明顯。夏季降水下降速率為0.64 mm／10a，20世紀60—80年代降水持續減少，80—90年代有所增加，90年代至今降水顯著減少。秋季降水變化幅度較大，20世紀60—90年代急劇下降，90年代至今呈平緩上升趨勢，52a間秋季降水幅度大，整體呈減少趨勢。冬季降水變化不明顯，20世紀60—90年代緩慢上升，90年代至今緩慢下降，總體略有增加。四季中秋季降水減少最為明顯，下降速率為0.94mm／10a，冬季降水略有增加，上升速率為0.1 mm／10a，說明近52a來秋季降水減少對寧夏地區多年平均降水量的減少貢獻率最大。

表3 寧夏地區1961－2012年四季降水變化特征

2.3 寧夏地區旱澇變化特征

由圖4可以看出，近52a間寧夏地區旱澇災害頻發，總體呈增加趨勢。20世紀60年代以澇災為主，進入70年代以后旱澇災害交替發生，80年代旱災發生頻率較高，90年代降水較豐，出現4次澇年，2000—2012年旱災事件頻發，2005年旱情嚴重［12－15］，52a來旱災與澇災發生總頻次相等。從6階擬合曲線看出，20世紀60—80年代中期氣溫變化不明顯，旱澇趨勢穩定，80年代中期到2006年氣溫大幅上升，旱澇災害同步增加，2006—2012年增溫趨勢有所減緩，旱澇災害相應減少，旱澇災害發生頻次與氣溫變化具有一定的同步性。

圖4 1961－2012年寧夏地區旱澇等級與平均氣溫變化對比

統計1986年（氣溫發生顯著變化）前后旱澇等級出現年份數及所占比例詳見表4。分析可知，旱所占比例由30.6%減少到22.1%，減少了8.5%，澇的比例由34.4%減少到22.9%，旱澇災害呈現減少趨勢，減少了11.5%，降水處于“正常”的年份增加，所占比例由35%增加到54%。大澇比例由之前的7.7%減少為0，重澇比例由19%減少為3.9%，偏澇比例有所增加，正常年份比例增加幅度最大，大旱與偏旱比例均減少。雖然對比1986年前后旱澇災害有所減少，但是近52a年寧夏地區旱澇災害整體仍呈增加趨勢。

表4 1986年前后寧夏地區旱澇等級出現年數及所占比例

2.4 旱澇趨勢判斷

根據寧夏地區1961—2011年降水量數據，確定了該地旱澇變化包括七個狀態，即“重澇”、“大澇”、“偏澇”、“正常”、“偏旱”、“大旱”、“重旱”。記 E1為“重澇”狀態，E2為“大澇”狀態，E3為“偏澇”狀態，E4為“正常”狀態，E5為“偏旱”狀態，E6為“大旱”狀態，E7為“重旱”狀態。根據公式1可以計算出寧夏旱澇狀態轉移概率矩陣為：

根據上述矩陳就可以求得2012—2017年可能出現的各種狀態概率（表5）。分析表5可以得出，2012—2017年降水量狀態處于“正常”的概率較大。而2012年的實測降水量為270.1mm，處于正常狀態，所以預測值準確，從2013—2017年7種狀態的變化可知，寧夏地區未來5a降水基本處于正常狀態。

表5 寧夏地區2012－2017年降水量狀態概率預測值

3 結論

（1）近52a來寧夏地區氣候暖干化趨勢明顯，氣溫上升速率為0.36℃／10a，遠高于西部平均變暖率。20世紀60—80年代中期處于一個較長的冷期，1986年以后氣溫上升速度加快，20世紀80年代中期至今處于一個氣溫較高的暖期，進入21世紀氣溫正距平值顯著增多，平均氣溫在1991年發生突變。

（2）近52a來寧夏地區降水呈波動下降趨勢，下降速率為9.94mm／10a，52a平均降水量為261.23 mm。20世紀60—70年代降水波動下降，70—90年代末降水趨于穩定，2000年以后降水負距平增加，降水波動下降趨勢加大。降水的季節變化特征表現為春、夏、秋三季降水呈下降趨勢，秋季降水減少最為明顯，冬季降水略有增加。

（3）氣候暖干化的大背景下，近52a來寧夏出現重旱3次，大旱2次，重澇2次，大澇6次，旱災、澇災發生頻率基本相同。旱澇災害發生頻次與氣溫變化具有一定的同步性，20世紀60—80年代中期氣溫變化不明顯，旱澇趨勢穩定，80年代中期到2006年氣溫大幅上升，旱澇災害同步增加，2006—2012年增溫趨勢有所減緩，旱澇災害相應減少。在寧夏地區氣候呈明顯暖干化趨勢影響下，其受干旱災害威脅的概率和程度都進一步的加大，希望相關部門采取適當的措施來減少氣候變化帶來的負面影響，從而實現社會經濟的可持續發展。

（4）根據Z指數旱澇等級劃分標準，對近52a寧夏地區的降水量進行等級劃分，運用馬爾科夫模型對未來5a的旱澇狀態進行的預測表明，2013—2017年該地區降水處于“正常”的概率較大。

（5）由于區域水熱關系復雜，且存在所選空間站點較少、時間序列相對較短的問題，今后仍需要做進一步完善。同時，本研究只揭示了氣候變化與旱澇災害的時間變化特征，對其空間變化特征并未進行分析說明，區域氣候變化特征受自然和人文因素的共同影響，本研究對這種變化的內在機制和動因提及甚少。未來隨著溫室氣體排放量的增加，寧夏地區水資源供需矛盾的進一步加劇，該地區的旱澇災害將持續引起社會的關注，因此必須加強區域預防旱澇災害體系建設，盡可能減少旱澇災害對區域社會、經濟的負面影響。

［1］IPCC.Climate Change 2007：Impacts Adaptation and Vulnerability.Contribution of Working GroupⅡto the Fourth Assessment Report of the Intergovermmental Panel on Climate Chagne［M］.Cambridge：UK and New York，USA：Cambridge University Press，2007.

［2］尹云鶴，吳紹洪，陳剛.2006年我國氣候變化趨勢與突變的區域差異［J］.自然資源學報，2009，24（12）：2147－2156.

［3］李棟梁，魏麗，蔡英，等.中國西北現代氣候變化事實與未來趨勢展望［J］.冰川凍土，2003，25（2）：135－142.

［4］施雅風，沈永平，李棟梁.中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的特征和趨勢探討［J］.第四紀研究，2003，23（2）：152－164.

［5］施雅風，沈永平，胡汝驥.西北氣候由暖干向暖濕轉型的信號、影響和前景初步探討［J］.冰川凍土，2002，24（3）：219－226.

［6］王新華，延軍平，柴莎莎.近48年大同市旱澇災害對氣候變化的響應［J］.干旱區農業研究，2010，28（5）：273－279.

［7］朱龍騰，陳遠生，燕然然，等.1951年至2010年北京市降水和氣溫的變化特征［J］.資源科學，2012，34（7）：1287－1296.

［8］張存杰，王寶靈.西北地區旱澇指標的研究［J］.高原氣象，1998，17（4）：381－389.

［9］徐建華.現代地理學中的數學方法［M］.北京：高等教育出版社，2002：98－103.

［10］李雙雙，延軍平，楊蓉.氣候變暖背景下1961—2010年寧夏旱澇災害空間分布特征和變化規律［J］.中國沙漠，2013，33（5）：1552－1559.

［11］李艷春，李艷芳.寧夏近百年來的氣候變化及突變分析［J］.高原氣象，2001，20（12）：100－104.

［12］馮建民，梁旭，鄭廣芬，等.540年來寧夏旱澇分區及演變趨勢的診斷分析［J］.干旱區資源與環境，2011，25（7）：69－75.

［13］馮建民，梁旭，張智.寧夏旱澇災害動態監測指標及其應用［J］.干旱區資源與環境，2003，17（6）：71－78.

［14］溫克剛，夏普明.中國氣象災害大典：寧夏卷［M］.北京：氣象出版社，2007.

［15］楊淑萍，趙光平，孫銀川，等.2004—2005年寧夏特大干旱事件的診斷分析［J］.中國沙漠，2006，26（6）：948－951.