云南省干旱災害時空變化特征

祁俊青 于文金 謝濤 任滿亮

摘要：利用云南省1956-2010年55年實測氣象資料，對云南省的氣溫和降水量進行了小波周期分析，再計算16個代表站點歷年逐日的綜合氣象干旱指數（ Ci），統計近60年各站點出現的干旱過程，分析云南省各地區干旱發生的頻率、不同等級干旱發生的多年平均天數，揭示云南省干旱發生的時空分布特征。結果表明：（1）云南省氣溫呈現冷暖年交替變化規律，存在明顯的4年左右變化主周期，在1980年之后氣溫呈逐步上升的趨勢;降水量變化呈現波動狀態，相對穩定，存在2年左右的變化主周期。（2）空間變化上，全省大范圍地區都有干旱發生，干旱分布整體呈現由西北向東南逐漸增強的特點;干旱天數最多區域出現在東南部地區，而西南地區干旱天數較少。（3）季節變化上，春旱較易發生，干旱頻率的多年平均值達到60%以上，夏季和秋季干旱頻率相對小些，而冬旱發生的頻率最高，但對人類的影響較小。

關鍵詞：云南;干旱;綜合氣象干旱指數（C/）;時空分布

中圖分類號：S565.101

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（ 2019） 03-0631-08

新世紀以來，全球氣候變化加劇，極端天氣事件頻發[1]，氣象災害造成的損失日益嚴重，防災減災、風險評估和分析成為研究的熱點[2]。旱災是眾多災害中對人類的影響較為嚴重的災害之一[3-4]。干旱災害是指由于干旱缺水造成的災害，是一種復雜的自然災害，其形成原因、發生程度和造成的影響除去自然環境因素外[5]，人類活動干擾作用也日益顯著。干旱災害對自然環境、生態系統和許多的經濟和社會部門都有深遠而廣泛的影響[6]。中國西南地區本是一個濕潤地區，但近年來卻旱災頻發[3-11]，受到人們的普遍關注，因此對西南地區的干旱形成、發展、特征及演變研究就顯得尤為必要。本研究以云南省為例，對云南省旱災的分布特點、波動情況和形成機制進行分析，對提高云南省干旱災害的預測水平、防御和減輕干旱災害所帶來的經濟損失提供理論基礎。

1 資料與方法

云南省位于北緯20°8′32″～ 29°15′8″和東經97°31′39″-106°11′47″，地處中國西南邊陲[3]的高原地區，總面積4. 94x10 km。云南北依亞洲大陸，南臨印度洋和太平洋，受全球最強盛的印度季風和東亞季風的交叉影響，以及青藏高原的影響，加上復雜多樣的自然地理環境形成了四季不分明、干濕季節分明的氣候特點，降水變率較大[11-19]。

1.1 資料

本研究所用氣象資料由國家氣候中心提供，剔除由于站點變動以及缺測量較大等原因造成的數據資料不全的站點。為選擇足夠數量的典型站，使采用的降水資料能夠代表研究區降水情況并滿足后續分析計算的基本要求，根據多步迭代估計方法對站點最優數量進行估計，從而得出最佳樣本數量，選取置信水平為95%的Student t檢驗得到置信區間，共選取了云南省16個站點及其周邊15站（參考站），其分布情況見圖1。數據經嚴格訂正，并采用克里克插值法對缺失站點進行數據補缺，研究時段為1956-2018年。災情資料取自《新中國農業60年統計資料》[20]，《中國氣象災害大典一云南卷》[21]包括云南省1956-2018年各年的成災面積和受旱面積情況。

1.2 方法

1.2.1 綜合氣象干旱指數計算所用干旱指標是由國家氣候中心張強等研發的集標準化降水指數、濕潤度指數及近期降水量為一體的綜合干旱指數（Ci）[22]。Ci作為中國國家氣象干旱等級標準，已被業務部門廣泛使用。該指標適用于實時氣象干旱監測和歷史同期氣象干旱評估。綜合氣象干旱指數（ Ci）的計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 云南省近60年來氣候變化特征

研究發現，近60年來云南省的氣溫變化存在著波動，冷暖年交替，但整體增溫趨勢較明顯，增溫趨勢斜率為0.021 5。整體上分為2個階段：1980年以前基本保持相對穩定的水平，1980年之后，呈現明顯上升趨勢（圖2），這與全球變暖的整體趨勢相一致。

云南省1956-2011年平均氣溫的Morlet小波分析結果顯示，平均氣溫變化有2個明顯的時間周期，分別是3-5年和7- 10年的周期。在1965 -1972年、1982-1986年、1992-2010年這3個時間段內以3-5年的周期為主，在1992- 2010年這段時間內，振蕩穩定，周期在2001年之前有減小的趨勢，之后有增大的趨勢;在2010年等值線沒有完全閉合，說明在未來的幾年內云南省是處于偏暖期的。在1968-1994年間，主要以7-10年的周期為主，研究時域內振蕩穩定。1994年之后，以中尺度周期12年為主，7 -10年的周期振蕩消失，從12年的尺度周期看，在2010年等值線還未閉合，即表明在這個尺度上預測未來的幾年里，云南省處于偏暖期。在小尺度周期上，相應存在突變點和冷暖交替。由圖3

通過對云南省近60年中降水量波動規律研究發現，云南省近60年來降水量雖在一定范圍內有所波動，但總體上維持在一個相對穩定的水平，只是近年來有波動振幅變大的趨勢（圖4）。說明近年來，該區域極端氣候現象頻率增加，例如，2008年降水尤其多，2009年則降水很少。

通過降水量Morlet小波分析可以看到，近60年的年降水量存在多個尺度的周期，比較復雜。存在4個明顯的特征時間尺度，分別為2年、6-7年、8-10年和15 -17年。其中，2年的周期振蕩基本貫穿整個研究時域，表現穩定，在2000年后，周期振蕩逐漸消失;6-7年的周期存在于1979年之前，期間周期穩定，之后周期振蕩消失，以5年的周期為主，且周期有隨著時間的延長而增長的趨勢;周期8 - 10年幾乎貫穿整個研究時域，從1962年開始，周期振蕩比較穩定，但是周期有減小的趨勢;15 - 17年的周期振蕩貫穿整個研究時域，在這個尺度上近55年來云南省的降水大致經歷了少一多一少的過程，而在2010年等值線還未完全閉合，說明2010以后的幾年里在該周期上降水量正處于偏少期，幾個震蕩周期均說明在2010年后降水量偏少（圖5）。這些周期決定了降水量在整個時域內的變化特性。其中2年的擾動能量很大，其次是6-7年、8-10年，最后是15 -17年的周期。可見，2年的周期是主周期。

2.2 云南省近60年來干旱特征

2.2.1 云南省干旱頻率對云南省近60年來由Ci計算分級得到的干旱發生特征進行分析得到四季干旱分布頻率圖（圖6）;云南地區的降水量四季分布極不均勻，這就造成了四季干旱分布的差異。全省春旱發生的頻率都較高，最低的西北部也達到60%以上，向南逐漸增大，到楚雄、景東、昆明等中部地區達到84%，東南部地區也達到81%。春季各地區降水量僅占年降水量的5%-20%，再加之雨季出現的早晚不定，而春季作物需水量又很大，因此，春季很容易發生干旱。在全省大部分地區，有80%的降水集中在夏季和秋季，因此夏季和秋季干旱頻率相對較小。夏旱頻率最大值發生在東南部地區，小于60%，全省平均干旱頻率在40%左右，以西南地區頻率最小;而秋旱的分布情況基本與夏季相似。全省大部分地區的夏旱多出現在夏初，當夏初旱前是春旱時，就將有很大可能發生春夏連旱，夏旱的特點是持續時間短，地區分布多為局部性，影響不大;而秋旱則以晚秋旱影響較大，容易造成作物出苗不齊或作物出苗后由于缺水出現長勢不好而減產。全省范圍內冬旱頻率都達到80%以上，這與冬季降水量僅占年降水量的5%左右是密切相關的，但由于冬季氣溫低蒸發少，農作物需水少，因此冬季干旱很少造成旱災，對人類生活、生產活動影響不明顯。

2.2.2 云南省干旱時空分布特征研究結果顯示，云南全省大部分地區都有不同程度的干旱發生，輕旱發生的天數最多，其次是中旱，重特旱發生的天數較少，一年中全省平均重特旱天數為24 d左右，中旱44 d左右，輕旱60 d左右，這與前人的研究結果趨于一致[24]。

云南省歷年和各季節不同等級干旱空間分布圖（圖7）顯示，全省全年大部分地區都有不同程度的干旱發生，各強度干旱發生的天數均較多，輕旱發生的天數最多，其次是中旱，重特旱發生的天數較少。干旱空間分布整體呈現由西北向東南逐漸增多的特點。最大干旱天數均出現在云南省東南部地區，重特旱天數的多年平均最大值在28 d以上，中旱天數的多年平均最大值在50 d以上，輕旱天數的多年平均最大值在64 d以上。而云南省西北部地區干旱天數則較少。一年中全省平均重特旱天數在24 d左右，中旱天數在44 d左右，輕旱天數在60 d左右。

春季重特旱的分布情況為由西北向東南逐漸增多，大部分地區重旱天數在7d以上，重特旱的最高值出現在東南大部地區以及東北角;楚雄一景東一臨滄這一線較易發生中旱，多年平均值在16 d以上，這一帶的四周干旱天數逐漸減少;輕旱分布情況也是由西北向東南逐漸增多，符合云南省干旱分布的整體特征，全省大部分地區都較易發生輕旱，西北部多年平均值在16 d以下，其他地區均在17 d以上。綜上所述，云南省春旱的空間分布為：全省大部分地區較易發生春旱，以中部和東南部地區較為嚴重，西北部地區較弱，全省范圍多年平均干旱天數達到40 d左右。

夏季重特旱分布以西北一東南向較強，多年平均在5d左右，東北部和西南部地區平均天數為2-3d;中旱的分布與重特旱相似，以東南部地區較強，全省多年平均天數在4d左右;輕旱以西南部地區較弱，其他地區多年平均值在10 d以上。云南省夏旱的空間分布為：整體干旱程度較弱，以東南部和西北部地區稍微偏強，全省范圍多年平均干旱天數在16 d左右。

秋季全省范圍內重特旱和中旱很少發生，僅在東南部地區出現，程度較輕;而輕旱以東南部和西北部地區較多發生，多年平均天數在16 d左右。云南省秋旱的空間分布為：全省范圍秋旱很少發生，以東南部地區相對較強，全省范圍多年平均干旱天數為24 d左右。

冬季重特旱分布呈現東部地區強、西部地區弱的形式;中旱呈緯向分布，干旱天數由南向北逐漸減少;輕旱以中部地區最為嚴重，四周逐漸減弱。云南省冬旱的空間分布為：以中南部地區干旱較易發生，全省范圍多年平均干旱天數在40 d左右。2.2.3基于REOF的近60年云南春季降水時空特征春季是該省干旱的主要季節，所以對春季的降水規律進行分析。通過旋轉主成分（ REOF） [25]分析，分析該省的降水變化。使用1961年到2018年3月到5月云南省春季降水資料進行REOF分解。由表2可知，前5個模態的方差貢獻率之和約為70%。其中第1模態的方差貢獻率為38%，是主要的區域分布形式。第1模態和第2模態見圖8。在第1模態中，特征向量場都為正值，說明降水趨勢一致，數值的高值位于南部地區。特征值的時間系數轉折點在上世紀80年代左右，之后正值居多。說明該時間段內降水的空間趨勢一致性是增強的。第2模態顯示，南北兩部分地區為相反的形式，即北部地區降水少、南部地區降水多的分布形式。區域分布的臨界區為270N- 300N。特征向量值代表的時間系數表明在上世紀80年代后這種形式呈現相反的趨勢，即北部地區降水逐漸增多，南部地區降水減少。第2模態方差貢獻率只有10%，不作為主要參考。

2.2.4 云南省干旱成災驗證 通過查閱中國災害統計年鑒、云南省災害年鑒等文獻和數據統計發現，1956-2018年62年來云南省各種災害中旱災持續時間最長，多為季節性干旱、連季干旱或連年干旱。因此，旱災是對云南省影響范圍最廣的災害之一。分析近60年云南省旱災資料（圖9）發現，云南省在20世紀80年代以前旱災較輕，但之后呈現明顯加重趨勢，且旱災發生頻率增加，平均3年左右就有一大旱年，這也驗證了本研究結果。2000年以來，云南省旱災有加劇的趨勢，而且發生頻率增加，這反映了全球變暖對區域氣候的影響。

3 結論

（1）云南省升溫變化趨勢較明顯，而降水波動基本保持穩定。1980年以前溫度基本保持在相對穩定的水平，1980年之后，呈現明顯上升趨勢;冷暖年交替，存在明顯的4年左右變化主周期。降水量變化呈波動狀態的周期分布，相對穩定，存在2年左右的變化主周期。（2）季節變化上，春旱較易發生，平均干旱頻率達到70%，影響也最嚴重;夏旱和秋旱頻率較小，夏旱主要發生在夏初，秋旱主要發生在秋末;而冬旱發生的頻率最高，但對人類的影響較小。（3）空間變化上，全省大范圍地區都有干旱發生，干旱分布整體呈現由西北向東南逐漸增強的特點;干旱天數最多區域出現在東南部，而西南區域干旱天數較少。除西北部地區之外，其他區域春旱均較嚴重。（4）對春季云南降水資料進行REOF分解后發現，前5個模態的累計方差貢獻率為69.779%。在第1模態中，特征向量場都為正值，這說明降水趨勢一致，高值位于南部地區。特征值的時間系數的轉折點在上世紀80年代左右，80年代后正值居多。這說明，該時間段內降水的空間趨勢一致性是增強的。

對比同緯度鄰近省份廣西和廣東的干旱災害情況[25-28]，結果顯示云南省春季和夏初干旱無論從頻率還是災情嚴重程度、成災面積均高于鄰近省份，呈現不同的災害特色。下一步研究方向為探討云南災害的成因機制和災情預測。

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（責任編輯：張震林）