南方農牧交錯帶1960-2017年降水特征及旱澇時空分布特征

張雪茂,杜華明,2,董廷旭,2,邱 豪,廖傳露

(1.綿陽師范學院 資源環(huán)境工程學院,四川 綿陽 621000;2.生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室，四川 綿陽 621000)

近年來，由于氣候的異常，導致全球范圍內的旱澇災害頻繁發(fā)生，造成了重大的經濟損失，嚴重阻礙了社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，對旱澇災害的研究引起國內外學者的廣泛關注，國外近年來的研究狀況如下，Urban M C等[1]研究了氣候變化造成的物種滅絕風險；Dan Penny等[2]將吳哥窟的考古數據轉化為數值模型以此來量化氣候變化對關鍵城市基礎設施的影響；Magadza CHD等[3]用極端天氣事件、糧食安全、病媒疾病帶來的健康風險等方面的問題來說明了非洲的氣候變化對人類居住地適應前景的影響；Zhang H等[4]基于層次貝葉斯模型(BHM)東南亞地區(qū)的氣候變化特征進行了一個較長時間尺度的研究。國內眾多學者對此類研究，如襲祝香等[5]利用距平累積、Mann-Kendall、變差系數等方法對松遼流域1961—2017年極端降水變化特征進行了研究，得出了目前松遼流域處于極端降水偏強階段，使得該區(qū)域對極端降水災害的防范和應對能力有極大的增強；杜華明等[6]將數理統計方法與ArcGIS空間分析技術相結合對岷江流域的降水特征及旱澇災害的發(fā)展趨勢進行了分析，得出該區(qū)域由澇轉旱的趨勢明顯，有利于該區(qū)域的政府在未來一段時間內做好防旱抗旱的決策工作；羅那那等[7]基于標準化降水指數運用趨勢分析法、EOF法、REOF法等對北疆地區(qū)近52 a旱澇變化特征進行了相關分析；李爍陽等[8]采用M-K趨勢檢驗、Morlet小波、Z值法及EOF等分析計算方法對湖北省降水及旱澇時空分布特征進行了相關的研究，對湖北省依據旱澇時空分布開展防洪抗旱工作提供了一定的理論依據。以上國內外專家、學者通利用距平累積、Mann-Kendall、變差系數標準化、趨勢分析等數理統計方法與ArcGIS空間分析相結合對非洲、松遼流域、岷江流域等地的降水和旱澇災害特征的研究都取得了顯著的成效。但是在對四川貧困連片區(qū)的降水空間特征及旱澇災害的研究暫時還涉及不足，因此本文借鑒前人專家、學者的相關經驗以及方法結合實際情況，選取南方農牧交錯帶作為研究區(qū)域進行研究。

南方農牧交錯帶[9]位于25.55°—34.31°N，98.14°—104.42°E，地處于我國第一級階梯和第二級階梯交界處，是青藏高原與四川盆地農業(yè)和畜牧業(yè)的過渡地帶[10]。交錯帶內地形地貌以山地和高原為主，均海拔大于3 000 m。區(qū)內河流水系分布較多，主要江河有怒江、瀾滄江、金沙江、雅礱江、大渡河、岷江等[10]，行政區(qū)劃上包括四川省的阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和云南省迪慶藏族自治州[10]。交錯帶內的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，在氣候、生物、土壤等自然要素和人類活動的影響中具有過渡性和波動性的特點，即在人類活動和地表過程影響下表現出敏感性和不穩(wěn)定性，因而導致該區(qū)域在受到外界因素的影響時生態(tài)環(huán)境經常受到沖擊和破壞[11]。其中，氣候作為該區(qū)域的大尺度的背景要素，是影響脆弱環(huán)境形成的主導因素之一，該區(qū)域的主要氣候類型為高原山地溫帶、寒溫帶季風性氣候，夏季受東南季風和西南季風影響，降水豐沛；冬季受西北季風影響，氣候寒冷，降水較少，降水極其不穩(wěn)定。交錯帶內地廣人稀，少數民族較多。由于自然、社會等客觀因素的限制影響，致使該區(qū)域經濟發(fā)展相對緩慢，屬于典型的貧困連片區(qū)。

本文選取研究區(qū)域23個氣象站點的逐日降水資料，使用標準化降水指數(SPI)[12]刻畫旱澇特征，采用小波分析法[13]，克里金空間插值法[14]等方法分析近58 a來南方農牧交錯帶地區(qū)的降水時空變化特征及旱澇災害發(fā)生的時間特征和空間格局，從而掌握該區(qū)域旱澇災害形成和演化的基本規(guī)律，為南方農牧交錯帶旱澇災害評估、預測及災害的積極應對等提供較好的科學依據，以最大限度減輕旱澇災害對該區(qū)域造成的經濟損失。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

本文研究的數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn/)，選取分布于該區(qū)域范圍內的23個氣象站點(圖1)，但是由于貢山、麗江和六庫3個站點的降水數據由于觀測年份不完整，缺測數據較多，因此對該區(qū)域內的氣象站點進行了篩選，剔除了數據不完整的3個站點，最終選取了該區(qū)域20個站點的降水數據進行了預處理，經過處理之后的數據通過Kappa數據一致性檢驗。用處理之后的數據來構建以月、季節(jié)、年為時間尺度的時間序列，SPI1表示月平均降水量的時間序列；SPI3表示季平均降水量的時間序列[6]，其中3月、4月、5月為春季，6月、7月、8月為夏季，9月、10月、11月為冬季，12月—笠年1月、2月為春季；SPI6和SPI12則屬于年平均降水量的時間序列[6]，以此來開展南方農牧交錯帶旱澇災害時空分布特征的研究。

圖1 農牧交錯氣象站點分布

1.2研究方法

1.2.1 克里金插值法(Kriging) 利用克里金空間插值法進行插值，其是假定采樣點之間不存在潛在的全局趨勢，只用局部的要素就可以估測非采樣點的值，其基本原理是根據相鄰變量的值，利用變異函數揭示的區(qū)域化變量的內在聯系來估計空間變量數值[14]。其表達式如下:

(1)

式中:Z(x0)為x0處的預測值；Z(xi)為xi處的測量值；λi為克里金權重系數；n為測量雨量站個數。變異函數的形式是克里金內插質量的關鍵，目前常用的變異函數模型有:球面、指數、高斯、冪和線性模型等[14]。本文通過對原始數據進行分析，選擇球面模型作為普通克里金法的變異函數理論模型，同樣采用離中心點最近的20個站點數據來進行插值。

1.2.2 小波分析(Waveletanalysis) 小波分析(Waveletanalysis)[13-15]是時間—頻率分析領域近年來迅速發(fā)展的一種新技術，具有多時間尺度、多層次和多分辨的特性。其基本思想是用一小簇小波函數來表示或者逼近某一函數或信號，因此小波函數是小波分析的關鍵，其是指能夠快速的衰減到零且具有震蕩性的一類函數[16]。其公式為:

Ψ(t)∈L2(R)

(2)

且滿足：

(3)

式中：Ψ(t)為基小波函數，它可通過尺度周期的伸縮和時間軸上的平移從而形成一簇函數系：

(4)

式中：Ψa,b(t)為子小波；a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為平移因子，反映的是時間上的平移[13]。

本文即應用小波分析原理對南方農牧交錯帶近58年來的年和各季W指數進行各季節(jié)震蕩周期分析。

1.2.3 標準化降水指數(SPI) 標準化降水指數(SPI)是McKee等[15]提出的衡量某個區(qū)域月以上尺度旱澇程度的指數，能較好地表征干旱強度和持續(xù)時間。SPI指數首先利用Γ分布概率來描述降水量的變化，再將此頻率進行正態(tài)標準化處理，最終用標準化后的降水累積頻率分布來劃分干旱等級[16]。干旱劃分等級參照《氣象干旱等級GB/T20481—2017》國家標準，其計算步驟見參考文獻[16]。干旱等級劃分見表1。

表1 標準降水指數(SPI)與旱澇等級

2 降水量時空變化特征分析

2.1 年降水量時間變化特征分析

圖2是南方農牧交錯帶年均降水量時間分布圖，由圖2可知，該區(qū)域近58 a來的年平均降水量為709.3 mm；1998年的年平均降水量最高可達到862.35 mm/a，比平均值高出了21.5%，而降水量最少的年份是1967年，降水量為612.58 mm，兩者之間相差了249.77 mm，降水量的年際變化較大。從圖2的還可以看出，研究區(qū)的降水量在58 a以來呈遞增的趨勢發(fā)展，增長率為3.98 mm/10 a。從變化階段看，1983—1998年降水量呈明顯的上升趨勢，20世紀60年代前期、90年代的降水量明顯高于多年降水量的平均值，降水較為豐沛，相比較而言在該時間段內為該區(qū)域的多雨期；而在20世紀60年代后期到80年代前期的大部分年份、2006年、2011年的降水量明顯低于平均水平，可以看出其降水量值為58 a中的最低值，說明在該時間段內，該區(qū)域的降水量較少，為較明顯的枯水期。

圖2 南方農牧交錯帶年平均降水量變化趨勢

2.2 年均降水量變化周期分析

為了進一步揭示南方農牧交錯帶地區(qū)降水量在時間尺度上變化的多樣性以及更深一步的了解其降水的周期性變化特征，利用Matlab軟件的小波分析法對南方農牧交錯帶的多年平均降水量數據進行周期序列分析，分析南方農牧交錯帶地區(qū)在58 a降水過程中旱澇發(fā)生情況的時間尺度變化、突變點分布及位相結構特征(見圖3—4)。

圖3 小波周期

圖3為1960—2017年南方農牧交錯帶地區(qū)年均降水量小波周期圖，正值表示降水較豐狀態(tài)，負值表示降水較枯狀態(tài)，小波系數為0時，對應著突變點。整個區(qū)域的降水量呈現多種尺度的周期變化特征，在整個58 a期間，南方農牧交錯帶地區(qū)年均降水量出現了3次較為明顯的枯豐交替，在降水過程中27～39 a有較為明顯的周期特征，其中心時間尺度為31 a左右，正負相位在圖中可以很明顯的看出交替出現，即表明出現了明顯的豐—枯—豐交替的準3次振蕩，其中1965—1974年為正相位，說明在此周期內該區(qū)域降水較為豐富，為降水豐沛期；1984—1996年為負相位，說明在此周期內該區(qū)域降水量較少，為降水的干枯期；2005—2013年為正相位，說明在此周期內降水也將為豐富，同樣也為降水的豐沛期，因此可以說明在整個58 a的時間尺度上，31 a為中心時間尺度，10 a為一個時間周期，正負相位共出現了豐—枯—豐3次明顯的交替。

根據圖4的小波周期圖可以明顯的看出在整個時間尺度的降水過程中存在很明顯的周期變化，再利用由Matlab軟件繪制的小波方差圖(圖4)，小波方差圖能夠反映降水量時間序列的波動能量隨時間尺度的分布狀況，可以用來確定降水過程中出現的主要周期。從圖中可以看出，該區(qū)域在尺度內的降水存在著3個較為明顯的峰值，其依次對應著9 a，28 a，52 a的時間尺度，其中最大峰值對應著28 a的時間尺度，說明在28 a左右的周期震蕩最強，為此區(qū)域年降水量變化的第一主周期；9 a和52 a時間尺度分別對應著第二、第三峰值，說明9 a和52 a左右的的周期震蕩較28 a左右的周期震蕩較弱，分別為降水變化的第二、第三主周期。因此可以表明存在3個周期的波動，這3個周期的變動控制著整個南方農牧交錯帶的降水在整個時間尺度內的變化特征。

圖4 小波方差

2.3 年平均降水量空間變化特征分析

圖5是南方農牧交錯帶年均降水量空間分布圖，年均降水量在484.59～947.93 mm范圍內變動，降水量最大值與最小值之間相差450 mm左右，降水的空間分異顯著，且呈現出由東南向西北遞減的趨勢。大致以維西—理塘—若爾蓋一線為該區(qū)域年均降水量的分界線，該界線以西地區(qū)的降水量大致為484～755 mm；界線以東地區(qū)的降水量在755～948 mm范圍內波動，降水較為豐富。從圖5中還能夠看出該區(qū)域在年均降水量上存在兩個高值中心和一個低值中心，兩個高值中心分別為“木里—九龍”、“維西”，其中“木里—九龍”的降水量高達915.06 mm，“維西”的降水量高達947.93 mm；降水量低值中心出現在“巴塘”，其多年平均降水量低至484.59 mm。

圖5 年平均降水量分布

南方農牧交錯帶的降水量主要集中在夏季，降水主要受東南季風和西南季風的影響，“九龍—木里”位于青藏高原東南緣與川東盆地向青藏高原的過渡地帶，主要受東南季風的影響，降水量相對豐富；巴塘、德格等地遠離海洋，由于青藏的屏障作用，使得西南季風在到達該區(qū)域西北部的時候，影響被大大的削弱，從而導致該區(qū)域西北部的降水較少，因此就形成了在該地區(qū)東南地區(qū)降水較為豐富，西北地區(qū)降水較少的局面。其次，海拔高度也是影響降水量多少的一個關鍵性因素，通過對該區(qū)域20個站點的多年平均降水量及其站點相對應的海拔高度進行相關分析得出的結果發(fā)現，海拔越低，降水量越豐富，從圖1DEM圖中可以看出，南方農牧交錯帶地區(qū)整個東南地區(qū)的海拔要低于西北地區(qū)的海拔，因此也能夠說明東南地區(qū)的降水量>西北地區(qū)的降水量；除此之外，地形地貌、植被覆蓋率、人類的經濟社會活動的強度等因素也會對降水量的區(qū)域分配不均勻產生一定的影響。

3 南方農牧交錯帶旱澇災害多時間尺度分析

本文以南方農牧交錯帶1960—2017年逐月降水數據為基礎，分別計算了1個月、3個月、6個月、12個月4個時間尺度的SPI值(分別用SPI1，SPI3，SPI6，SPI12表示)，其主要原因是本文主要從短時間尺度和長時間尺度兩方面來表征該區(qū)域的旱澇發(fā)生的時間特征與旱澇災害的嚴重程度，其中SPI1，SPI3是以月和季節(jié)為尺度下旱澇災害發(fā)生的特征，而SPI6，SPI12能夠表征較長時間尺度下其發(fā)生的頻率。

注：X軸上方為旱澇，下方為洪澇。

SPI1與SPI3是較短時間周期內旱澇尺度分析，受短時間內的降水影響較大，數值波動較為頻繁，能夠較好的反映短時間內的旱澇變化情況。在SPI1序列圖中，1961年5月、1978年11月、1979年12月、1987年9月、1989年10月、1993年8月、1994年3月、1998年7月、2005年2月、2008年1月、2014年6月、2016年4月SPI1值達到2.12，達到了極度洪澇的程度，而在1961年9月、1967年4月、1968年10月、1969年2月、1971年3月、1972年8月、1977年6月、1982年5月、1994年7月、1996年12月、2006年1月、2015年11月SPI1值降到了-2.12，旱情達到了極端干旱的程度，由此可以反映出，SPI1能夠較好地反映在短時間尺度下(月尺度)旱澇發(fā)生的嚴重程度及其短時間尺度下特征。

從SPI3序列圖中可以看出，在1961年的夏季、1968年的冬季、1969年春季、1972年的夏季、1983年的夏季、1986年的夏季、2006年的夏季和秋季、2013年的冬季、2015年的秋季SPI值為-2.11，表明在此幾個年份的該季節(jié)旱澇程度達到了極端干旱的程度，旱情嚴重；而在1961年夏季、1989年秋季與冬季、1993年秋季、1994年春季、1998年夏季與秋季、2005年冬季、2008年冬季、2016年春季的SPI值為2.11，表明在這些年份的季節(jié)中澇情嚴重，達到了重澇的程度，降水量極為豐富從而導致極端濕潤。因此從關于SPI3的旱澇情況分析中可以看出，SPI3能夠很好地反映旱澇發(fā)生的季節(jié)變化特征。

SPI6和SPI12是較長時間尺度下的旱澇變化情況，在此種較長時間尺度下旱澇的周期變化特征較為明顯，根據上述的SPI6序列圖可得，南方農牧交錯帶地區(qū)在1961年為極度洪澇年份，1999年、2017年為重澇年份，1974年、1995年、2000年、2004年、2010年、2016年為中度洪澇年份，1978年、1981年、1985年、1990年、2001年、2002年、2003年、2012年為輕度洪澇年份。1986年為極度干旱年份，1983年、1987年為重度干旱年份，1963年、1967年、1969年、1977年、1979年、1980年為中度干旱年份，1993年、1982年、1971年、1972年、2009年、2007年、1988年、1966年、1970年為輕度干旱年份。

由SPI12序列圖可以得知，南方農牧交錯帶地區(qū)20世紀80，90年代偏澇，在該時間段內澇災發(fā)生的頻率較高；20世紀70年代偏旱，在該時間段內旱災發(fā)生的頻率較高；20世紀60年代、90年代旱澇災害交替出現，但是60年代發(fā)生的旱災頻率要高于澇災頻率，90年代發(fā)生澇災的頻率要高于旱災的頻率，所以60年代整體偏旱，干旱化趨勢明顯，90年代整體偏澇；進入21世紀之后旱澇發(fā)生的頻率有所減少，2006年、2007年、2009年、2011年處于偏澇年份、2000年、2003年、2010年、2017年處于偏旱年份，其于年份發(fā)生旱澇災害的程度從SPI12的指示狀態(tài)來看都屬于正常的年份，表明進入21世紀，南方農牧交錯帶地區(qū)的旱澇災害發(fā)生的頻率有所減少，降水量趨于正常，這種現象的發(fā)生是由于多種因素影響而形成的。通過對SPI12序列圖的分析發(fā)現，SPI12對長時間尺度內的旱澇災害程度的變化具有良好的判斷作用，其不僅能夠較為準確的判斷出旱澇變化情況的年際變化特征，還能夠很好的反映研究區(qū)域內旱澇災害的發(fā)展趨勢，對于預防旱澇災害有一定的指導作用。從SPI12序列值可以看出，南方農牧交錯帶地區(qū)總體在21世紀之前偏澇，在2000年之后的前幾年澇災減少，發(fā)生旱災的頻率增加，但是在2010年之后的SPI12指數值趨于正常，且保持平穩(wěn)，旱澇災害減少，指數趨于平穩(wěn)。

4 結 論

(1) 南方農牧交錯帶地區(qū)在58 a來降水量時間變化上整體呈現出增加的趨勢，平均遞增率為3.98 mm/10 a，年平均降水量在時間變化上存在較為明顯的“豐—枯—豐”振蕩周期。

(2) 南方農牧交錯帶地區(qū)的年平均降水量在空間上的分布其大致以維西—理塘—若爾蓋為分界線，呈現出一種由東南向西北遞減的趨勢；研究區(qū)域的年平均降水量存在高、低值中心，其中降水量高值中心存在兩個，即“九龍—木里”、“維西”降水量高值中心，年平均降水量的低值中心出現在川西高原的“巴塘”。季風、地形、海拔高差等因素是影響該區(qū)域降水量空間分布不均的主要因素。

(3) 對南方農牧交錯帶地區(qū)旱澇災害進行多時間尺度分析發(fā)現其具有一定的時間階段特征，20世紀80，90年代偏澇，澇災發(fā)生的頻率較高；在20世紀70年代偏旱，旱災發(fā)生的頻率較高；20世紀60，90年代旱澇災害交替出現，但是60年代以旱災為主，進入21世紀之后，研究區(qū)旱澇災害發(fā)生的頻率有所減少。