基于相對濕潤指數的云南省季節性干旱變化特征

張青雯，崔寧博，趙祿山，徐 洋，李 謙，劉飛鵬

(1. 國家林業和草原局昆明勘察設計院，云南 昆明 650216；2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室/四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

干旱是指在一定區域某時段內水分收支不平衡造成的水分短缺現象，是世界上最具破壞性和緊迫性的自然災害，具有發生頻率高、分布范圍廣、持續時間長、災害損失嚴重等特點[1]。一般把干旱分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱等，其中氣象干旱是各種干旱的根本成因，只有探明氣象干旱發生的機理才能進一步監測分析其他干旱的變化[2]。在全球氣候變暖與人類活動增強的雙重驅動因素下，我國地表干濕狀況變化異常頻繁，干旱呈多發重發趨勢[3-4]。云南省地處云貴高原，雖然多年平均年降水量達到1 100 mm，但季節性干旱頻發。據資料記載，云南省在1300—1990年的691 a間，共計發生211次干旱，平均每9 a發生1次大旱，每5 a發生1次小旱[1]。近年來，云南省干旱發生愈發頻繁，2000—2012年的連旱尤為典型，災害損失增大，因此對云南省季節性干旱變化規律與關鍵驅動因素的深入了解對于農業生產旱情預報、防災減災尤為重要[5]。

干旱指數是進行干旱分析的基礎和核心，能定量表達旱情[5]。目前已有的干旱指數較多，如標準化降水指數(SPI)、降水距平百分率、標準化降水蒸散指數(SPEI)、帕爾默干旱指數(PDSI)、Z指數等[6-7]。許多學者利用常用的干旱指數對不同地區的干旱進行了分析。張婧等[8]采用CI指數研究了河北省近50年干旱變化特征。田世英[6]基于濕潤指數分析了和田地區近50年地表干濕變化特征。高瑞等[9]采用SPEI指數對云南省滇中地區的季節性干旱時空特征進行了研究。王明田等[10]采用相對濕潤指數研究了四川省季節性干旱的時空分布特征。Tirivarombo等[11]選取了SPI和SPEI兩種指數對贊比亞卡夫盆地的干旱特征進行了研究。由于地表干濕情況受降水、溫度、相對濕度、風速等多種自然因素影響，利用單因子表征的干旱指標具有局限性，而考慮多種因子綜合作用的干旱指標被科學界所認可并得到了廣泛應用[12]。其中，相對濕潤指數(MI)綜合考慮了降水與需水信息，是比較理想的區域干旱監測指標，但目前僅在部分地區得到應用[3]。本文以相對濕潤指數(MI)作為干旱指標，分析了云南省年和四季的干旱時空變化特征及關鍵驅動因素，以期為云南省干旱監測、預警、防災減災工作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況及數據來源

云南省地處中國西南邊陲，介于北緯21°8′32″～29°15′8″和東經97°31′39″～106°11′47″N之間，總面積39.4萬km2。云南省地形條件復雜，地勢起伏明顯，高原山地是主要地貌類型，占全省面積的94%，河谷盆地面積僅占6%。云南省屬低緯度高原季風氣候，干濕季分明，全省多年平均年降雨量達1 100 mm，但空間分布極不均勻，且年內80%以上的降雨集中在5—10月，導致冬春、夏初易發生旱災，夏秋易出現洪澇災害。本文資料來源于國家氣象中心，結合資料系列的完整性，選取云南省31個代表性站點(圖1)1961—2016年逐日氣象資料，包括降水量、日照時數、風速、相對濕度、平均溫度等，對其中缺測數據(占全部數據的3.2%)采用線性內插法和多年平均值法補全。

圖1 云南省氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stationsin Yunnan Province

1.2 研究方法

1.2.1 相對濕潤指數 相對濕潤度指數(MI)適用于監測和評估旬以上尺度的氣象干旱，其計算公式為[13]：

(1)

式中，MI為相對濕潤指數；P為降雨量(mm)；ET0為可能蒸散量(mm)；采用1998年聯合國糧農組織(FAO)推薦的 FAO56 Penman-monteith方程[14]計算ET0，即

(2)

式中,Rn為太陽凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；T為平均氣溫(℃)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa·℃-1)；γ為濕度計常數(kPa·℃-1)；u2為距地面2 m高處的風速(m·s-1)。基于逐日氣象數據得到季尺度和年尺度的降水量和可能蒸散量值，再計算季和年尺度的相對濕潤指數值。

1.2.2 干旱分級及干旱分析指標 相對濕潤指數(MI)主要考慮降水、蒸散兩個因素，參考國家標準《氣象干旱等級》[15]中降水距平百分率指標及前人的研究成果[3]，對MI干旱等級劃分見表1。

干旱站次比[10]：用于評價干旱影響范圍的大小及嚴重程度，是某一區域內發生干旱的站點數占全部站點數的百分比。

干旱頻率[10]：表示干旱發生的頻繁程度，是發生干旱的年數占總年數的百分比。

1.2.3 Mann-Kendall檢驗 Mann-Kendall(M-K)適用于水文、氣象等非正態分布的數據分析，可定量分析時間序列趨勢[16]。本文采用Mann-Kendall檢驗法對相對濕潤指數的時間序列進行趨勢分析。

表1 相對濕潤指數干旱等級劃分

1.2.4 其他方法 在ArcGIS環境下利用反距離加權插值法[17]繪制相對濕潤指數及其變化趨勢和干旱頻率的空間分布圖，分析其空間變化特征。采用相關系數法[18]分析各影響因素和相對濕潤指數間的相關性。

2 結果與分析

2.1 云南省季節性干旱年際變化特征

圖2為1961—2016年云南省相對濕潤指數(MI)。由圖2可知，1961—2016年云南省全年和春、夏、秋、冬季平均MI分別為-0.08、-0.48、0.69、0.06、-0.73，呈夏季>秋季>全年>春季>冬季的趨勢，除春季年平均MI呈上升趨勢(傾向率為0.010·10a-1)外，其他時段年平均MI均呈下降趨勢，其中夏季、秋季降幅較大(傾向率分別為-0.043·10a-1、-0.029·10a-1)，全年和冬季降幅相對較小(傾向率分別為-0.013·10a-1、-0.002·10a-1)。因此，云南省春旱干旱等級呈減弱趨勢，而年干旱、夏旱、秋旱、冬旱的發生等級呈增強趨勢，且夏旱、秋旱的干旱等級增強趨勢更為顯著。

圖3為云南省1961—2016年干旱站次比的年際變化趨勢。由圖3可知，1961—2016年云南省全年和春、夏、秋、冬季平均干旱站次分別為30.39%、46.88%、6.12%、26.24%、52.58%，呈冬季>春季>全年>秋季>夏季的趨勢，除春季干旱站次比呈下降趨勢(傾向率為-0.067·10a-1)外，其他時段年干旱站次比均呈上升趨勢，其中秋季和夏季的升幅較大(傾向率分別為1.115·10a-1、0.792·10a-1)，全年和冬季升幅相對較小(傾向率分別為0.530·10a-1、0.023·10a-1)。表明云南省春旱發生的范圍呈縮小趨勢，而全年干旱、夏旱、秋旱及冬旱發生的范圍均呈擴大趨勢，且夏旱、秋旱范圍擴大的趨勢更為顯著。

2.2 云南省季節性干旱變化趨勢的空間分布特征

為分析云南省干旱變化趨勢的空間分布特征，計算各站點1961—2016年的MI變化傾向率，并采用Mann-Kendall檢驗法計算得到變化趨勢顯著(P<0.05)的地區，采用ArcGIS繪制變化趨勢空間分布圖(圖4)。

由圖4可知，云南省春季MI均呈上升趨勢，傾向率范圍為-0.016·10a-1～0.115·10a-1，其中9.7%的站點升幅達顯著水平(P<0.05)，主要分布在貢山、元謀、蒙自等地區。夏季MI呈下降趨勢，傾向率范圍為-0.223·10a-1～0.025·10a-1，38.7%的站點降幅達顯著水平(P<0.05)，多集中在云南省南部；北部MI降幅相對較小，其中昭通站夏季MI略呈上升趨勢。秋季MI變化趨勢空間分布差異明顯，西北部地區呈上升趨勢，其余地區呈下降趨勢，且西南部地區下降趨勢較為顯著，傾向率范圍為-0.163·10a-1～0.032·10a-1，16.1%的站點降幅達顯著水平(P<0.05)。冬季東部地區MI呈上升趨勢，其中蒙自站升幅達顯著水平(P<0.05)，西部地區MI呈下降趨勢，其中景洪站降幅達顯著水平(P<0.05)，冬季MI傾向率范圍為-0.041·10a-1～0.019·10a-1。云南省年MI在大部分地區呈下降趨勢，傾向率范圍為-0.110·10a-1～0.035·10a-1，其中25.8%的站點降幅達顯著水平(P<0.05)，年MI呈上升趨勢的地區主要集中在北部地區，其中元謀、蒙自站升幅達顯著水平(P<0.05)。可見，云南省MI變化趨勢在空間分布上差異明顯，西南、東南部地區MI下降趨勢顯著，北部地區上升趨勢顯著。

圖2 云南省相對濕潤指數變化趨勢Fig.2 Trend of relative moisture index in Yunnan Province

圖3 云南省干旱站次比變化趨勢Fig.3 Trend of drought station ratio in Yunnan Province

2.3 云南省季節性干旱空間分布特征

圖5為云南省相對濕潤指數(MI)空間分布特征。由圖5可知，云南省春、夏、秋、冬季及全年MI值范圍分別為-0.87～1.32、-0.25～3.21、-0.52～1.15、-0.96～0.68及-0.62～1.05，平均MI分別為-0.48、0.69、0.06、-0.73及-0.08。春季中部和西北部地區相對較低，以中旱為主，其余地區以輕旱為主，僅昭通、大理等站點達重旱等級；夏季、秋季MI值較大，全省無干旱發生；冬季MI值最小，全省大部分地區為重旱。年尺度上全省除會澤、沾益等站點外均無干旱發生。可見，春季和冬季是云南省干旱易發時期。

圖6為云南省干旱頻率空間分布。春旱頻率在0～100%之間，平均干旱頻率為77.7%，且大部分地區干旱頻率在80%以上，中部地區春旱頻率相對較低，其中貢山、勐臘、江城、屏邊等地干旱頻率最低，小于20%。夏旱頻率在0～41.1%之間，平均干旱頻率為5.2%，夏季干旱頻率較低，除元江和元謀站點外，干旱頻率均小于20%。云南省秋季干旱頻率在0～91.1%之間，平均干旱頻率為35.6%。秋旱空間分布特征明顯，干旱頻率自西南向東北呈遞增趨勢，西南部地區干旱頻率均小于20%，東北部地區干旱頻率均在60%以上。冬旱頻率在5.4%～100%之間，平均干旱頻率為92.6%，云南省冬旱頻率最高，除貢山站點外，全省冬旱頻率均大于80%。云南省年干旱頻率在0～100%之間，平均干旱頻率為54.9%，年干旱頻率空間分布特征與秋旱相似，均呈西南低東北高的趨勢，西南部地區干旱頻率在0～40%之間，東北部地區干旱頻率在60%～100%之間。可見，云南省春季和冬季干旱發生頻率較高，尤其是春季，正值春耕用水期，農業用水需求大，需加強干旱預警及抗旱救災工作。

圖4 云南省相對濕潤指數變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distribution of relative moisture index change trend in Yunnan Province

圖5 云南省相對濕潤指數的空間分布Fig.5 Spatial distribution of relative moisture index in Yunnan Province

2.4 相對濕潤指數影響因素分析

MI的變化主要受降水和ET0的影響，因此選取風速(u2)、氣溫(T)、相對濕度(RH)、日照時數(Tsun)、降水量(P)5個氣象要素與MI進行相關性分析，結果見表2。

由表2可以看出，MI與風速、溫度、日照時數呈負相關，與相對濕度、降水量呈正相關。春、夏、秋、冬季和全年的MI均與降水量相關性最高，其次是相對濕度，相關性均達到極顯著水平(P<0.01)，表明降水量是影響云南省相對濕潤指數變化最主要的因素，其次是相對濕度，溫度因素對云南省全年和四季的MI變化影響最小，即降水量和相對濕度是影響云南省干旱變化的主導因素。

3 討 論

本研究發現云南省長期以來蒸散量大于降水量，春旱、冬旱明顯，且呈春旱減輕、夏秋旱加劇趨勢。1961—2016年云南省年平均相對濕潤指數(MI)為-0.08，春、夏、秋、冬四季的平均MI分別為-0.48、0.69、0.06、-0.73，除夏、秋兩季外，MI值均為負值。云南省春季MI略呈上升趨勢，年均、夏、秋、冬季MI均呈下降趨勢，且夏季降幅最大。這與高瑞等[9]在滇中地區的干旱分析結果一致。云南省較易發生春旱，且大部分地區春旱頻率高于80%，夏季干旱頻率普遍小于20%，秋旱平均頻率為35.6%，而冬旱頻率最高。這與祁俊青等[19]研究結果一致。云南省四季干旱差異較大與本地降水分配不均有極大的關系，云南省80%的降水量集中在夏秋季，這也是導致冬春季干旱頻率高的主要原因。同時，本研究發現2009年云南省MI值為近56 a最低值(-0.27)，干旱站次比為近56年最大值(41%)，這與歷史上2009年云南省發生的重大干旱事件相吻合，表明相對濕潤指數能夠較為準確地反映云南省干濕變化情況。

圖6 云南省干旱頻率的空間分布Fig.6 Spatial distribution of drought frequency in Yunnan Province

表2 云南省相對濕潤指數與各氣象要素的相關系數

通過相關性分析，本研究發現降水量、相對濕度及日照時數是影響云南省年和四季MI變化的主導因素。劉瑜等[20]研究發現，云南省近46年干季降水量呈上升趨勢，而濕季降水量呈下降趨勢。干濕季節降水量的變化是引起云南省春季MI呈上升趨勢、夏季呈下降趨勢的主要原因。此外，云南省年平均MI呈下降趨勢，將會增加全省干旱風險。

本文利用相對濕潤指數(MI)分析了云南省近56年的干旱變化特征，可為云南省有效規劃配置水資源，防災減災、農業生產等提供重要科學依據。但是還應指出，MI僅僅是一個氣象干旱指標。對干旱的研究不僅要考慮氣象指標的變化，還要兼顧地形地貌、作物種類、土壤性質等多種因素，MI還不能解釋干旱發生的機制，還需要做更加深入研究。

4 結 論

本文利用云南省31個氣象站點1961—2016年逐日氣象數據，對云南省干旱變化特征進行了分析，結論如下：

1)1961—2016年，云南省年平均相對濕潤指數(MI)為-0.08，平均干旱站次比為30.39%，年干旱趨勢呈上升趨勢。春、夏、秋、冬四季的平均MI分別為-0.48、0.69、0.06、-0.73，平均干旱站次比分別為46.88%、6.12%、26.24%、52.58%。春旱呈減弱趨勢，夏旱、秋旱、冬旱呈增強趨勢。

2)1961—2016年，云南省年MI除北部地區外均呈下降趨勢，其中25.8%的站點降幅顯著(P<0.05)，季節性干旱呈加重趨勢。春季MI呈上升趨勢。夏季全省除昭通站外MI均呈下降趨勢，南部地區降幅顯著。秋季除西北部地區外，MI均呈下降趨勢，西南部地區降幅較大。冬季傾向率呈冬高西低趨勢，東部MI呈上升趨勢而西部呈下降趨勢。

3)1961—2016年，云南省年尺度上，除會澤、沾益等少數地區外，均處于無旱等級。春季以中旱、輕旱為主，夏季、秋季無干旱發生，冬季以重旱為主。云南省年干旱頻率呈自西南向東北遞增的趨勢，平均頻率為54.9%。云南省大部分地區春旱發生頻率在80%以上，夏旱頻率較低，小于20%，秋旱平均頻率為35.6%，呈西南低東北高的趨勢；冬旱頻率最高，平均頻率達92.6%。

4)云南省年和春、夏、秋、冬季的MI與降水量、相對濕度呈極顯著正相關(P<0.01)，與日照時數呈極顯著負相關(P<0.01)，降水量、相對濕度及日照時數是影響云南省MI變化的主導因素，溫度對MI的影響較小。