云貴地區氣象旱澇的氣候響應特征

蘆佳玉，延軍平，王文靜，唐寶琪，劉永林

(陜西師范大學 旅游與環境學院， 陜西 西安 710062)

云貴地區氣象旱澇的氣候響應特征

蘆佳玉，延軍平*，王文靜，唐寶琪，劉永林

(陜西師范大學 旅游與環境學院， 陜西 西安 710062)

根據1960～2014年云貴地區49個站點的逐月降水量和氣溫資料，利用標準化降水指數、Mann-Kendall突變檢驗及小波分析等方法研究了季尺度和年尺度的氣溫和降水量的變化特征及旱澇演變趨勢.結果表明：(1)1960～2014年云貴地區氣溫呈明顯上升趨勢，且上升速率冬季>秋季>春季>夏季，1997年出現了氣溫突變現象.(2)降水量呈下降趨勢，其中，秋季降水量下降最快，冬季最慢，且降水呈現14 a和28 a的周期變化.(3)1960～2014年云貴地區呈現偏旱的趨勢，且夏秋兩季干旱趨勢較為明顯.(4)從空間尺度分析，云貴地區整體上趨于干旱(SPI傾向率小于0)，在云南與貴州交界處，偏旱現象較為嚴重，僅在云南省北部出現偏濕現象.因此近55 a云貴地區氣候呈暖干化趨勢.

氣候變化；氣候旱澇；標準化降水指數；云貴地區

Drought-flood response characteristics to the climate in Yun-Gui area. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2017,44(1):097-105

IPCC第5次評估報告指出，全球氣候變暖是毋庸置疑的.全球地表溫度持續升高，1880～2012年全球平均溫度已經升高0.85 ℃；1985～2015年，每10 a地表溫度的增暖幅度高于1850年以來的任何時期[1].全球極端氣候事件在氣候變暖的大背景下也呈現加劇態勢，1998年中國長江流域洪澇[2]，2009年以來云南省遭遇4年連旱[3]，其中2010年云南發生了百年不遇的全省性大旱，造成了極其嚴重的損失.云貴地區位于中國的西南邊陲，經濟增長與金融發展在全國處于落后水平[4]，所以在遭受自然災害時其自身的恢復力并不強，損失較大.隨著全球氣候變化研究的不斷深入，不僅須注重氣候變化的特征，還要關注氣候變化所引發的一系列災害，同時人類活動對淡水資源的破壞，使得人類面對突發旱澇災害的適應性較差[5]，對國家和人民的財產造成極大損失.近年，對云貴地區旱澇災害的研究開始受到重視.方蘭[6]運用自然災害對稱性對云貴地區近52 a的氣候數據進行分析，結果表明，云貴地區氣候總體呈現暖干化趨勢.苗春生等[7]對云南省東部地區的春季旱澇特征進行分析發現，此地區氣候呈旱-澇-旱的規律.劉琳等[8]用Z指數和標準化降水指數對西南地區降水進行分析，發現西南地區的澇災呈明顯減弱趨勢.杜華明等[9]運用Z指數對川滇51 a的氣候及旱澇變化進行分析，發現川滇地區呈現暖干化趨勢且干旱程度有所增加.上述研究主要集中在各個省份及小區域或是對某個季節旱澇變化的研究，對整個云貴地區的氣候變化及氣候旱澇變化研究較少，且研究方法以Z指數法、災害時空對稱性法、EOF分析法、帕默爾干旱指數等為主.基于此，本文運用Mann-Kendall突變檢驗法計算云貴地區的氣溫突變年份，同時對氣溫突變前后的降水進行分析.并用標準化降水指數(SPI)對云貴地區的氣候旱澇時空變化特征進行分析，以期為科學防治氣象旱澇災害對云貴地區帶來的危害提供理論依據.

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

云貴地區指云南和貴州兩省，處于我國西南邊陲，受南亞季風影響，降水豐沛，干濕季分明.云貴地區氣候一致性較高，年均降水量分別為749～1 068 mm和682～1 134 mm，年平均氣溫分別為15～17 ℃和14～16 ℃.同時云貴地區地形多樣，地勢高差大，下墊面復雜，且山地面積占全區面積比例高.由于受西南季風控制,加之地理位置和地形的作用,云貴大部分地區呈現四季不分明、干濕季明顯的氣候特征[10].旱澇災害頻發，極易發生春旱及秋旱，對農作物生長影響巨大.

1.2 資料來源

本文的氣候數據來源于中國氣象科學數據共享服務網.選取1950～2014年中國地面氣候資料月值數據集，為保證數據的完整性和連續性，選取云貴地區資料序列較長且空間分布較為均勻的49個臺站的氣象數據.數據基本完整，對個別臺站的缺失數據采用SPSS 21.0最大期望算法(EM估計)進行補充，經處理后數據具有良好的連續性及代表性(見圖1).

圖1 云貴地區49個氣象站點空間分布Fig.1 Spatial distribution of 49 meteorological stationsin Yun-Gui area

1.3 研究方法

采用標準化降水指數(SPI)[11-14]和Mann-Kendall 突變檢驗法[16-16]，其優點是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也較為方便，現已廣泛應用于降水、徑流、氣溫等水溫氣象參數趨勢分析以及小波分析. 對云貴地區1960～2014年的49個站點的降水量、氣溫進行分析，得出云貴地區的旱澇時空變化特征及影響.

標準化降水指數(SPI)：在計算某時段內降水量的分布概率后進行正態標準化處理，最后用標準化降水累計頻率分布來劃分干旱等級.具體計算方法如下：

假設某時段降水量為隨機變量x，則其Γ分布的概率密度函數：

(1)

式中，β>0，γ>0分別為尺度和形狀參數，β和γ可用極大似然估計方法求得，其中，

(2)

確定概率密度函數中的參數后，對于某一年的降水量x0，可求出隨機變量x小于x0事件的概率為

(3)

將式(1)代入式(3)，得到事件概率近似估計值.

降水量為0時的事件概率：

F(x=0)=m/n，

(4)

式中，m為降水量為0時的樣本數，n為總樣本數.

對Γ分布概率進行正態標準化處理，即將式(3)、(4)求得的概率值代入標準化正態分布函數：

(5)

對式(5)近似求解可得

(6)

根據干旱等級標準將SPI分為以下7個等級：

表1 SPI等級分類表

2 結果分析

2.1 氣溫變化特征

1960～2014年云貴地區氣溫呈明顯上升趨勢

(p<0.01)，且以0.02 ℃·a-1的速率上升，高于全球平均速率(0.014 ℃·a-1)[17](見圖2).1960年后的55 a，該地區平均氣溫為15.76 ℃，年均氣溫最高值為16.68 ℃，出現在2009年，年均氣溫最低值為15.01 ℃，出現在1976年.云貴地區年均氣溫變化大致分為3段：1986年前該地區的氣溫大多低于多年平均氣溫，說明該時段溫度偏低；1986～1997年，年均氣溫在多年平均氣溫附近上下浮動，處于增溫過渡期；1997年后的年均氣溫均高于多年平均氣溫，該時段溫度偏高.

圖2 1960～2014年云貴地區年均氣溫Fig.2 Annual temperature change of Yun-Gui areafrom 1960 to 2014

圖3為近55 a云貴地區四季年均溫，由圖3可知，四季的氣溫均呈上升趨勢，春季平均氣溫上升速率為0.018 ℃·a-1(p<0.01)，夏季為0.017 ℃·a-1(p<0.01)，秋季為0.020 ℃·a-1(p<0.01)，冬季為0.027 ℃·a-1(p<0.01)，上升速率冬季>秋季>春季>夏季，由此可知冬季氣溫上升是導致全年氣溫上升的主要原因.

圖3 1960～2014年云貴地區四季均溫Fig.3 Seasonal average temperature in Yun-Gui area from 1960 to 2014

本文對云貴地區1960年以來的年均氣溫進行了Mann-Kendall突變檢驗，以尋求氣候顯著突變點.由圖4可知，云貴地區氣溫突變發生在1997年前后(α=0.05)，且1960～1986年UF曲線位于0刻

度以下，說明該地區氣溫呈下降趨勢，1986～1999年UF曲線位于0刻度以上，說明該地區氣溫呈上升趨勢，1999年后UF曲線超過1.96的可信度區間，說明氣溫呈明顯上升趨勢.

圖4 1960～2014年云貴地區年均溫Mann-Kendall突變檢驗Fig.4 The Mann-Kendall test for annual temperature ofYun-Gui area from 1960 to 2014

2.2 降水時間變化特征

分析1960～2014年云貴地區的年均降水量數據可得(見圖5)，近55 a云貴地區年均降水量為1 123.95 mm，總體呈下降趨勢，且以1.590 mm·a-1(p<0.01)的速率下降.其中，降水最大值為1 247.51 mm，出現在1961年；最小值為861.39 mm，出現在2011年. 氣溫突變(1997年)前的多年降水量平均值高于突變后的平均值，突變前降水量無明顯變化，突變后降水量呈明顯的下降趨勢(p<0.01).

從四季的角度看，云貴地區春季年平均降水量為

圖5 1960～2014年云貴地區年均降水量及變化Fig.5 Annual precipitation change of Yun-Gui areafrom 1960 to 2014

244.24 mm，且降水量以0.141 mm·a-1的速率下降；夏季年平均降水量為571.75 mm且降水量以0.635 mm· a-1的速率下降；秋季年平均降水量為247.02 mm且降水量以0.773 9 mm·a-1(p<0.05)的速率下降；冬季年平均降水量為61.79 mm,且降水量以0.025 mm·a-1的速率下降(見圖6).由此可見，夏季降水量占全年降水量的比重最大，其降，水量下降趨勢并不明顯(p=0.2)；其次，春季和秋季的降水量幾乎相同，但春季降水量沒有出現明顯的下降趨勢(p=0.6)；冬季降水量最少，其下降趨勢最不明顯(p=0.8).綜合分析得出全年降水量下降主要由秋季降水量下降所致.

圖6 1960～2014年云貴地區四季年均降水量及變化Fig.6 Seasonal precipitation change of Yun-Gui area from 1960 to 2014

2.3 降水空間變化特征

對云貴地區49個站點55 a平均降水量進行克里金插值分析(見圖7)，發現云貴地區降水量呈現自南向北依次減少的特點，呈緯度地帶性.云貴地區多年平均降水量集中在628.82～2 233.59 mm，降水量最多的地區位于云南省江城市.云南省的多年平均降水量略低于貴州省.由于云貴地區跨2個溫度帶，景洪、瀾滄以南為熱帶季風氣候，降水量較多.其他大部分區域均為亞熱帶季風氣候，降水量比熱帶季風氣候帶要少，所以在空間分布上呈現明顯的南多北少的降水形式.

圖8(a)為氣溫突變前年均降水量傾向率的空間分布圖，降水量傾向率為-0.56～1.03 mm·a-1.云貴地區64%的站點降水量傾向率小于0，下降趨勢最為明顯的地區位于云南省西南部景洪-瀾滄一帶，云南省貢山-騰沖一帶降水量呈上升趨勢.從整體空間分布看，降水量呈下降趨勢的地區形成2個低值中心，且傾向率圍繞著低值中心向四周逐漸增大.

圖7 云貴地區多年降水量空間分布Fig.7 The spatial characteristics of precipitationdistribution in Yun-Gui area

圖8(b)為氣溫突變后年均降水量傾向率的空間分布圖，降水量傾向率為-3.12～0.656 mm·a-1，云貴地區89%的站點降水量傾向率小于0，下降趨勢最為明顯的地區位于云南省華坪、大理、楚雄，降水量呈上升趨勢的僅有5個站點.從空間分布看，云貴地區降水量整體呈下降趨勢.

綜上所述，氣溫突變后云貴地區降水量呈下降趨勢的站點明顯增多且下降趨勢更為明顯.氣溫突變后云貴地區干旱化趨勢比氣溫突變前更強.

圖8 云貴地區多年降水量傾向率的空間分布Fig.8 Spatial distribution of precipitation tendency ratefor years in Yun-Gui area

圖9 云貴地區小波分析Fig.9 Wavelet analysis of annual precipitationin Yun-Gui area

始于20世紀70年代的小波分析具有時頻多分辨的功能，可以聚焦任何細節，亦能反映時間序列的局部變化特征，從而對信號進行局部化分析，在氣候變化多尺度分析方面取得了較好的效果[18].對云貴地區1960～2014年年均降水量進行小波分析，可知該地區存在明顯的11～15 a和25～30 a正負相位變化周期(見圖9).其中，11～15 a時間尺度在1975～1978年和1992～1994年變化較為明顯，其時間中心尺度為13 a，正負相位交替變化；25～30 a時間尺度在1985～1990年表現明顯，其時間中心尺度為27 a，正負相位交替變化.

由小波方差圖可知，該地區降水量存在2個明顯的峰值，分別為14和28 a的時間尺度.其中，最大峰值對應的時間尺度為28 a，說明28 a的振蕩最為明顯，為年降水量的主周期.14 a對應著第2個峰值，為降水量的第2主周期.

3 旱澇變化特征

3.1 旱澇時間變化特征

主要采取SPI方法分析云貴地區的旱澇時空變化特征.SPI由MCKEE等于1993年提出，通過研究降水量的統計分布規律揭示干旱的強度和持續時間，其時空適應性較強，且具有多時間尺度的特性，包括SPI1、SPI3、SPI6、SPI12等多種尺度[19].SPI不僅有計算簡便及多時間尺度的優勢，同時還能對不同空間的旱澇情況進行比較，穩定性較好，在一些極端旱澇情況下，優于國內廣泛使用的Z指數[20].故本文采用3個月尺度和12個月尺度的SPI值，能很好地反映地區季節和年尺度的旱澇變化特征.

圖10 1960～2014年云貴地區平均3(SPI3)、12(SPI12)個月時間尺度SPI變化情況Fig.10 SPI change process of 3 and 12 months time scalesin Yun-Gui area from 1960 to 2014

由SPI3可知，云貴地區四季氣象旱澇變化特征如下.

春季旱澇呈階段性變化特征，1986～1991年春旱較為頻繁，且1986～1988連續3 a出現春旱.1997年氣溫突變后該地區春旱頻率明顯下降，且春季澇災頻率也逐步下降，春季氣候趨于穩定.春季SPI傾向率僅為-0.003 a-1,長期來看，云貴地區春季旱澇基本無變化.

夏季主要經歷了以下幾個交替變化階段：1960～1971年無夏旱，只出現了2次夏澇，年氣候較為穩定；1972～1997年旱澇交替較為頻繁，且以夏旱為主；1997年氣溫突變后夏季澇災頻率明顯減少而旱災頻率加大.夏季SPI傾向率為-0.009 a-1，長期來看，云貴地區夏旱呈增加趨勢，但趨勢并不明顯.

1976～1997年冬季旱澇變化較為頻繁，2009年后以冬旱為主，未出現冬澇.冬季SPI傾向率僅為-0.001 a-1，長期來看，云貴地區冬季旱澇基本無變化.

綜上所述，云貴地區在20世紀60年代春秋旱較頻繁，而70年代則變為夏冬旱較頻繁，80年代至90年代冬季雨澇偏多而春夏兩季干旱頻率加大，21世紀以來極端旱澇事件明顯增多，且以旱災為主，2010～2011年發生了冬春夏三季連旱的現象(見圖10).

云貴地區歷年SPI12逐月變化可以很好地反映旱澇發生的具體時段，由圖10可見，1960和1989年發生干旱，而2003年后干旱頻繁，2003～2014年9 a中共發生了6次干旱事件，且2003和2013年為重旱，2009和2011年為極旱.云貴地區雨澇階段多集中在1961～1973年，12 a共發生了6次雨澇，平均每2 a發生1次雨澇事件，但多以中澇為主，沒有出現大澇和特澇.1983年后雨澇事件明顯減少，34 a中共出現5次雨澇事件，且沒有出現重澇和特澇.全區SPI傾向率為負值，用斯皮爾曼相關分析法對云貴地區年均溫與SPI12做了相關性分析，結果表明，溫度與SPI指數呈負相關(p<0.01)，相關系數為-0.347.長期來看，云貴地區呈現暖干化的趨勢.

3.2 旱澇空間變化特征

為更好地探尋近55 a云貴地區旱澇的空間變化特征，首先分析云貴地區四季SPI3的傾向率.云貴地區春季多年SPI3傾向率小于0的地區多集中在貴州省，且最小值位于貴州的遵義與安順一帶，為-0.023 a-1，而傾向率大于0的地區多在云南省境內且集中分布在云南省的北部中甸一帶，其傾向率為0.019 a-1(見圖11(a)).說明貴州省春季存在偏干趨勢，而云南省春季存在偏濕趨勢，這與苗春生等[7]的研究有所不同.由于2005和2010年云南發生了極端春旱，所以導致近幾年云南降水量雖偏少但SPI3傾向率仍趨于偏濕狀態.

夏季多年SPI3傾向率小于0的地區多集中在云南和貴州省的西南地區，傾向率最小值為-0.025 a-1，位于云南省的沾益、瀘西一帶及瀘水周邊地區(見圖11(b)).從這個區域看，云貴地區夏季呈偏干的趨勢，與方蘭等[6]的研究結果一致.

秋季多年SPI3傾向率在空間上呈現由中心向兩邊逐漸增大的趨勢.小于0的區域位于貴州與云南的交界處，且傾向率最小值為-0.023 a-1,位于瀘西、盤縣一帶；最大值為0.005 a-1，位于中甸維西一帶(見圖11(c)).從整個區域看，秋季存在偏旱的趨勢.

云貴地區冬季多年SPI3傾向率均在0左右，無明顯的變化，傾向率最小值為-0.022 a-1，位于云南的瀘水一帶，傾向率最大值為0.02 a-1，位于貴州省貴陽地區(見圖11(d)).從全區來看，冬季較為穩定，不存在偏旱及偏澇的趨勢.

通過此次抽樣調查分析顯示，藥學部門的合理干預對我院普外科Ⅰ類（清潔）切口手術預防性抗生藥物的使用影響顯著，不論從預防用藥指征的選擇、預防用藥品種的選擇、預防用藥的持續時間都有了較為顯著的改善。此外，醫院領導高度重視抗菌藥物的合理使用[15]，根據我院實際情況制定抗菌藥物管理辦法，將抗菌藥物專項整治的處方點評、醫囑點評及其他抗菌藥物使用情況作為科室績效考評工作的重要考評指標，納入科室和醫師的考核評價管理體系，從而提高清潔手術切口預防性使用抗菌藥物的合理性。

圖11 1960～2014年云貴地區四季SPI3傾向率的空間分布Fig.11 Spatial distribution of tendency rate of the SPI3 in seasons during 1960 to 2014

對云貴地區49個臺站55 a SPI12的傾向率進行空間插值處理，可知云貴大部分地區的傾向率都小于0，且最小值位于云貴交界處，即威寧、沾益、瀘西一帶，傾向率為-0.017 a-1，而云貴地區只有3個臺站的傾向率大于0，且都位于云南省西北部(見圖12).表明云貴地區的干旱化趨勢較為嚴重.

圖12 1960～2014年云貴地區SPI12傾向率的空間分布Fig.12 Spatial distribution of tendency rate of the SPI12in Yun-Gui area during 1960 to 2014

4 結論與討論

運用標準化降水指數(SPI)結合對氣溫的突變檢驗及小波分析等方法，對云貴地區49個站點的逐月降水和氣溫進行季尺度和年尺度分析，并在氣候變化背景下探討云貴地區旱澇的時空變化特征，得到如下結論：

4.1 近55 a云貴地區氣候呈暖干化趨勢.其中氣溫以0.02 ℃·a-1的速率上升，均溫在15.7 ℃，1997年發生氣溫突變.降水量的多年平均值為1 123.95 mm，且以1.590 mm·a-1的速率下降.在時間尺度上降水量存在14 a，28 a的振蕩周期.在空間上呈現由南向北逐漸減少的趨勢，呈緯度地帶性分布.

4.2 從季節尺度看，四季溫度呈明顯上升趨勢，且上升速率冬季>秋季>春季>夏季.55 a來云貴地區四季平均降水量呈下降趨勢，且秋季降水量下降速率最快，冬季最慢.

4.3 近55 a云貴地區呈現偏旱的趨勢，且夏秋兩季呈現較為明顯的干旱趨勢，而在春季，云南省卻呈現偏澇的趨勢，與全區域的變化趨勢有所不同.

4.4 從空間尺度分析，云南與貴州交界處偏旱現象較為嚴重，僅在云南省北部出現偏濕現象.

根據云貴地區49個站點的氣象數據，主要運用SPI對氣候變化特征進行了分析，表明云貴地區氣溫升高、降水減少，呈暖干化趨勢.因SPI能夠準確反映旱澇發生的年際和年代際變化趨勢，對于區域長期的防洪抗旱有一定的指導作用[22-23]，同時還考慮了氣溫突變對降水及旱澇的影響.云貴地區常被認為四季如春，但本文的研究表明，秋季由于降水量下降趨勢明顯且溫度上升趨勢強，與春季的降水量和溫度相差較多，所以云貴地區有變為三季如春或兩季如春的趨勢.造成這種現象的主要原因是人類進入工業時代后溫室氣體的排放量不斷增加，使全球氣溫不斷升高，最終導致全球氣候變暖，云貴地區也因此呈暖干化趨勢，干旱頻發.

本文借助氣溫突變前后的傾向率、四季的SPI指數及SPI傾向率，反映了云貴地區的旱澇趨勢，但無法直接表達區域干旱的差異性，因此，在今后的研究中要注重通過多個旱澇指標、多角度論證旱澇現象，以提高研究結論的準確性.

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LU Jiayu, YAN Junping, WANG Wenjing, TANG Baoqi, LIU Yonglin

(CollegeofTourismandEnvironmental，ShaanxiNormalUniversity，Xi’an710062，China)

According to the monthly precipitation and temperature data of 49 sites in Yun-Gui area from 1960 to 2014, this paper uses standardized precipitation index, Mann-Kendall mutation test and wavelet analysis method to study the changes in seasonal scale and the year scale of temperature and precipitation characteristics, as well as the drought evolution trend. The results show that: (1)The temperature gradually increased from 1960 to 2014. The temperature rise rate of winter was the largest. The abrupt change of average annual temperature occurred in 1997. (2) The precipitation was decreasing; The fastest decline in autumn, and the slowest in winter; The precipitation presents 14 a and 28 a cycle.(3) Yun-Gui area presented a droughty trend from 1960 to 2014. The summer and autumn drought appeared as an obvious trend. (4)The climate of Yun-Gui area was becoming drought (SPI trend rate was less than 0), and is more seriously at the junction of Yunnan and Guizhou province, while, only the Northern Yunnan rigion becomes wetting. So the climate of Yun-Gui area was becoming warmer and drier in recent 55 years.

climate change; drought and flood; standardized precipitation index(SPI); Yun-Gui area

2016-01-05.

國家社會科學基金重點項目(14AZD094);教育部人文社會科學重點研究基地重大項目(15JJD7900220).

蘆佳玉(1992-)，ORCID：http://orcid.org/0000-0002-3909-1830,女，碩士研究生，主要從事區域開發與城鄉發展等研究，E-mail：enjiayu123@163.com.

*通信作者，ORCID:http://orcid.org/0000-0003-3983-198X,E-mail：yanjp@snnu.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2017.01.014

P 467

A

1008-9497(2017)01-097-09