氣候變化背景下貴州夏旱變化特征分析

廖留峰，楊富燕，張東海，左 晉

(1.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；3.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

貴州地處云貴高原東側(cè)，受季風之惠，降水豐沛，大部地區(qū)年降雨量在1 100 mm以上。但季風活動不穩(wěn)定，造成月、季降雨量時空分布不均且存在較大的年際波動，同時貴州為典型的喀斯特地貌，土層淺薄，土壤總量少，基巖裸露面積大，貯水保水能力差，加上巖石裂隙滲漏性強等特殊的喀斯特地表結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，導(dǎo)致貴州很多區(qū)域每年均會發(fā)生不同程度的干旱，這種濕潤氣候背景下的臨時性干旱具有典型的地域特點[1-5]。近年來，貴州境內(nèi)干旱事件頻繁發(fā)生，2009—2010年的秋冬春連旱[6]、2011年的夏秋連旱和2013的夏旱[7][8]，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟造成了嚴重影響，損失巨大。

貴州降水多集中于夏季，且不同等級區(qū)域性強降水事件與喀斯特地貌結(jié)合[9]，導(dǎo)致夏季貴州境內(nèi)這種濕潤背景條件下的干旱尤為明顯，常出現(xiàn)幾日無雨便成旱的現(xiàn)象。由于省內(nèi)地形復(fù)雜，各地區(qū)的海拔差異也較大，加上氣候、經(jīng)濟發(fā)展等因素的影響，省內(nèi)各地區(qū)之間的干旱分布存在很大的差異。因此，分析近55 a來氣候變化背景下貴州夏旱的時空變化，對深入了解夏旱特征、變化規(guī)律具有重要的意義。

2 資料與方法

2.1 資料

利用貴州84個氣象觀測站1961—2015年的年平均氣溫和年總降水量，分析貴州氣候變化特征；利用貴州84個氣象觀測站1961—2015年逐日降水資料，分析夏旱強度指數(shù)的時空特征。

2.2 夏旱強度指數(shù)

根據(jù)徐永靈等[10]修訂的地方標準《貴州省干旱標準》(DB52 _T_1030-2015)，選取區(qū)域性夏旱強度指數(shù)作為指標，對氣候變化背景下的夏季干旱進行分析。區(qū)域性夏旱強度指數(shù)的計算公式：

I=G+100×(1-R)+100×(H/63)

(1)

(2)

式中，G表示一年中所有夏旱過程中，持續(xù)時間最長的一次夏旱時段所占指數(shù)值；R表示6月21日—8月31日期間，任意滑動30 d的累計雨量與同期多年平均雨量的最小比值；H表示6—8月期間所有夏旱過程的總?cè)諗?shù)。D表示一年中最長一次夏旱過程所持續(xù)的天數(shù)。

公式(1)中，所有夏旱過程的入旱和出旱條件按照《貴州省干旱標準》進行統(tǒng)計計算，無旱(I<88),輕旱(88≤I<118),中旱(118≤I<171),重旱(171≤I≤214),特旱(I>214)；I值越大，表示夏旱等級越高，夏旱強度越強；反之，夏旱等級越低，夏旱強度越弱。

3 貴州氣候變化背景分析

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2007年的報告指出：1995—2006年這12 a里，有11 a位列自1850年以來最暖的12 a中(IPCC， 2007)。1951—2009年，中國年平均溫度上升了1.38 ℃，變暖速率達到0.23 ℃/10 a，與全球變暖趨勢一致[6]；

1961—2015年貴州氣溫的多年平均值為15.47 ℃，年平均氣溫在波動中呈明顯上升趨勢(P>0.01)(圖1)，2015年與1961年相比，年平均溫度上升了0.81 ℃，變暖速率達到0.09 ℃/10 a，特別是2000—2015年的年平均氣溫比1961—1995年的年平均氣溫增加了0.4 ℃。年平均氣溫最低值為1984年的14.57 ℃，年平均氣溫最高值為2013年的16.35 ℃；且1998年以前以負距平為主，1998年之后以正距平為主，這與全國20世紀90年代之前是偏冷時期，之后為偏暖時期基本一致。

圖1 貴州1961—2015年逐年平均氣溫變化Fig.1 The annual average temperature change in Guizhou from 1961 to 2015

從貴州1961—2015年年總降水量變化特征可以看出(圖2)，貴州境內(nèi)降水量充沛，年總降水量的多年平均值為1 198.77 mm，但年際間波動比較大，變化趨勢不明顯(P>0.05)。年總降水量的最低值為2011年的848.27 mm，最高值為1977年的1 422 mm。從年平均降水距平值可以得出，貴州年總降水量在1983—1992年、2002—2013年期間相對偏少，1961—1983年、1992—2002年期間相對偏多。

圖2 貴州1961—2015年逐年總降水量變化Fig.2 Annual change of total precipitation in Guizhou from 1961 to 2015

總之，年平均氣溫呈升高趨勢，年總降水量在平均值附近波動，年際變化較大，減少趨勢不明顯，在這種氣候背景下更易發(fā)生干旱。夏季總降水量(圖略)的多年平均值為555.8 mm，1961—1990年間夏季總雨量的年際變化較大；1991—2001年期間夏季總降雨量偏多，2002—2013年夏季總降雨量偏少。貴州夏季降雨的波動性使得夏旱也具有其獨特的特征。

4 夏旱變化特征

4.1 夏旱時間變化特征

4.1.1 夏旱年際變化 圖3為1961—2015年貴州夏旱強度指數(shù)的時間變化圖，從圖中可以看出，夏旱強度指數(shù)隨時間在平均值附近波動。多年平均值為132.35，達到中旱級別；近55 a中，夏旱強度指數(shù)最低值均大于88，即貴州每年均出現(xiàn)不同程度的夏旱，其中1972年、2013年出現(xiàn)了明顯的峰值，分別為224.2、228.1，達到特旱級別；1966年、1990年、2011年的年平均夏旱強度指數(shù)也較高。除上述年份外，各年夏旱強度指數(shù)變化幅度較小，近10 a來震蕩幅度有明顯的增大。

圖3 1961—2015年貴州省夏旱強度指數(shù)的時間變化圖Fig.3 Time variation of summer drought intensity index in Guizhou from 1961 to 2015

4.1.2 夏旱突變及周期特征 利用曼-肯德爾法(Mann-Kendall，M-K)對近55 a來的夏旱強度指數(shù)做突變檢驗(圖4)，從圖中可以看出， UF曲線在1961—1988年為負值，即夏旱強度指數(shù)在90年代前呈現(xiàn)出下降趨勢；1989—1999年，UF>0，1999—2004年，UF<0，自2005年以來，UF>0，夏旱強度指數(shù)上升趨勢顯著。總體上，近55 a夏旱強度指數(shù)的變化趨勢具有下降—上升—下降—上升的變化特征。UF曲線與UB曲線在2005年附近交叉，交點位置位于兩根置信線之間，表明夏旱強度指數(shù)在2005年附近存在突變現(xiàn)象。突變發(fā)生前夏旱強度指數(shù)的多年平均值(1961—2005年)為129.1，突變點后夏旱強度指數(shù)的多年平均值(2005—2015年)為145.1，比突變發(fā)生前升高16。

圖4 1961—2015年貴州省夏旱強度指數(shù)M-K突變檢驗結(jié)果Fig.4 M-K mutation test results of summer drought intensity index in Guizhou province from 1961 to 2015

利用Morlet小波分析法對貴州55 a的夏旱強度指數(shù)(I)進行周期分析。從圖5a中可以看出，1961—2015年間夏旱強度指數(shù)存在兩個主要的振蕩周期：9 a和20～21 a。兩個主要振蕩周期在2005年附近都存在系數(shù)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，由此可見，夏旱強度指數(shù)(I)的振蕩周期均在此期間發(fā)生了突變現(xiàn)象，這與M-K突變檢驗結(jié)果是一致的。小波方差值反映了能量波動隨尺度的分布情況，一般用來定量地分析變量時間序列上的主要周期。從圖5b的小波方差結(jié)果可以看出，夏旱強度指數(shù)存在3個能量波動高值，分別為3 a、9 a和20～21 a。由于氣象要素的短時期變化屬于自然波動，前3 a的小波方差忽略不計，以20～21 a為中心的方差貢獻最大，其次為9 a。得出在1961—2015年中，20～21 a為主要周期，其振蕩最強，其次的年代際尺度周期是9 a。

圖5 1961—2015年夏旱強度指數(shù)時間小波變換實部(a)及小波方差結(jié)果(b)Fig.5 Real part (a) and wavelet squared difference result (b) of time wavelet transform of summer drought intensity index from 1961 to 2015

4.2 夏旱空間變化特征

4.2.1 東部重西部輕 圖6為1961—2015年間夏旱強度指數(shù)多年平均值的空間分布圖。從圖中可以看出，夏旱強度指數(shù)的多年平均值介于102.7～161.6之間，其分布特征為：畢節(jié)東部、遵義、銅仁、貴陽中東部、黔南州北部、黔東南州中東部的夏旱強度指數(shù)總體偏高，指數(shù)值均大于145，最大值位于余慶縣，夏旱強度指數(shù)高達161.6。夏旱強度指數(shù)的低值區(qū)位于貴州西部的黔西南州中西部、畢節(jié)西部、安順西部以及六盤水市，其值介于102.7～115之間。由此可見，夏旱強度指數(shù)由貴州西部到東部逐漸變強，具有東部重、西部輕的特征。

圖6 1961—2015年平均貴州夏旱強度指數(shù)分布圖Fig.6 Distribution of average summer drought intensity index in Guizhou from 1961 to 2015

選取1966年、1972年、1990年和2013年共4個夏旱災(zāi)害影響較重的年份作為個例年。4 a中，以西部地區(qū)的畢節(jié)—六盤水—黔西南的夏旱強度較輕，特旱主要出現(xiàn)在東部和北部的黔東南—銅仁—遵義，但各年特旱影響區(qū)域有所不同。1966年夏季重旱以上主要分布在中東部地區(qū)(圖7a)；1972年特旱主要分布在中部以東南地區(qū)、重旱主要分布在北部地區(qū)(圖7b)；1990年重旱及以上主要控制遵義及其周邊地區(qū)，特旱集中在遵義中部呈南北向分布，且安順市、紫云縣和黎平縣亦受重旱影響(圖7c)；2013年特旱影響范圍最廣，主要分布在貴陽市以東、以北和紫云縣，重旱主要分布在畢節(jié)局部、貴陽西部邊緣、安順東南部、黔南北部與黔東南北部交界處和黔西南州冊亨縣(圖7d)。

圖7 1966年(a)、1972年(b)、1990年(c)和2013年(d)基于夏旱強度指數(shù)的貴州夏旱等級分布Fig.7 Grade distribution of summer drought in Guizhou based on the intensity index of summer drought in 1966 (a), 1972 (b), 1990 (c) and 2013 (d)

綜上所述，較重的夏季干旱主要分布在貴州中部以東部地區(qū)，西部地區(qū)夏季干旱相對較輕。

4.2.2 突變前后夏旱分布 從夏旱強度指數(shù)的M-K檢驗結(jié)果得出2005年為突變年，因此將突變前1961—2004年的年平均夏旱強度指數(shù)空間分布和突變點后2005—2015年的年平均夏旱強度指數(shù)空間分布進行對比分析(圖略)。突變前后，夏旱的總體分布均為西部輕、東部重；突變發(fā)生前(1961—2004年)，夏旱強度指數(shù)介于102.7～160之間；突變發(fā)生之后(2005—2015年)，夏旱強度指數(shù)明顯增強，指數(shù)>145的區(qū)域明顯增大，夏旱強度指數(shù)介于101～115之間的區(qū)域明顯減少。特別是遵義中部、銅仁南部以及黔南州北部和東部邊緣一帶，突變前后的夏旱強度指數(shù)變化顯著，由突變前的130～145之間增大到160以上。

5 小結(jié)

綜合以上的分析，得出以下結(jié)論:

①近55 a來，在貴州氣溫升高、年總降水量在平均值附近波動的背景下，年夏旱強度指數(shù)隨時間在平均值附近波動，多年平均值為132.35，達到中旱級別；55 a的年夏旱強度指數(shù)值均大于88，表明貴州每年均出現(xiàn)不同程度的夏季干旱。

②夏旱強度指數(shù)在2005年附近存在突變現(xiàn)象。突變發(fā)生前，夏旱強度指數(shù)的多年(1961—2005年)平均值為129.1；突變年之后，多年(2005—2015年)平均值增加為145.1，比突變發(fā)生前升高16。近55 a夏旱強度指數(shù)的主要周期為20～21 a，其次的年代際尺度周期是9 a。

③貴州夏旱強度指數(shù)的空間分布特征為從西部到東部逐漸變強，東部重、西部輕。畢節(jié)東部、遵義、銅仁、貴陽中東部、黔南州北部、黔東南州中東部的夏旱強度指數(shù)總體偏高，其指數(shù)值均大于145。低值區(qū)位于貴州西部的黔西南州中西部、畢節(jié)西部、安順西部以及六盤水，其指數(shù)值介于102.7～115之間。夏旱災(zāi)害影響較重的1966年、1972年、1990年和2013年，較重的夏季干旱主要分布在貴州中部以東部地區(qū)，西部地區(qū)夏季干旱相對較輕。

④突變發(fā)生之后，夏旱強度指數(shù)明顯增強，強度指數(shù)>145的區(qū)域明顯增大，強度指數(shù)介于101～115的區(qū)域明顯減少。