云南水分盈虧量變化特征研究

杜 俊，李 蒙，李善德

（1.云南省水利水電勘測設計研究院，昆明 650021；2.云南省氣候中心，昆明 650034；3.湖南省龍山縣水利局，湖南 龍山 416800）

0 引 言

云南自然地理環境特殊，立體氣候明顯，氣象災害頻繁且種類繁多，素有“無災不成年”的說法[1,2]。在氣象災害當中，旱災，尤其是冬春和初夏干旱是影響云南農業生產最為嚴重的氣象災害，為眾災之首[3,4]。云南干旱通常是由于水分供求不平衡造成，降水偏少、蒸發偏大，導致空氣干燥、土壤缺墑，水源枯竭而影響農作物的正常生長以及人畜飲水短缺[4]，研究[5,6]認為，降水量、潛在蒸散量以及水分盈虧量，是反映地區旱澇的重要指標，水分盈虧量作為降水量與同期潛在蒸散量的差值受風速、平均速度、日照、濕度等氣候敏感因子的影響，能真實地反映氣候條件對農作物的水分盈虧量的影響程度，具有很強的機理性，對農業干旱的評估具有十分重要的意義[7,8]。在潛在蒸散量的研究中，當需要的氣象數據均能得到滿足時，Penman-Monteith（PM）方法被FAO 推薦為估算參考作物蒸散量的唯一方法，并得到了廣泛應用[9,10]。

隨著全球氣候變暖對云南的影響日趨顯著，氣候變化對云南氣象災害尤其是干旱災害的影響研究也得到了研究學者的關注[11-16]，但是研究主要集中在干旱相關氣象要素變化特征分析[11,12]、氣候變化及氣象干旱對區域、行業影響分析[13-15]、氣象干旱風險評估[16]方面，現有研究中更多的關注特定區域、特定行業和對象，或者是宏觀的風險評估，整體上對于氣象干旱指標的變化特征、演變趨勢關注不多。而且目前關于云南潛在蒸散及水分盈虧量的計算研究及變化特征研究較少，需要補充新的方法和指標研究云南氣象干旱的變化特征。本文將以云南水分盈虧量作為干旱評估指標，研究其典型時段的時空分布及變化特征，尋找云南水分盈虧量和氣象干旱的“轉型”時間。

1 資料及方法

1.1 資料

本研究使用云南117個觀測時段長、臺站搬遷影響小、資料完整的氣象站逐日氣象資料進行相關統計及計算，主要包括逐日降水量，日照時數，日照百分率，平均風速，日平均氣溫、最高氣溫，最低氣溫、水汽壓等，資料來自云南省氣候中心。研究選取1961-2013 年逐年、冬春季（11 月-次年4月）、初夏（5-6 月）3 個代表時段作為云南氣象干旱關鍵期，分別計算、分析關鍵期的多年平均降水量、潛在蒸散量及水分盈虧量的空間分布特征及氣候變化特征，并進行突變分析。

1.2 水分盈虧量的計算

水分盈虧量使用降水量與潛在蒸散量的差值表示，數值為正表示水分盈余，而數值為負表示水分虧缺。月、年水分盈虧量由逐日數據計算，潛在蒸散使用Penman-Monteith 方法計算[6]：

式中：ET0為潛在蒸散量，mm/d；Rn為地表凈輻射，MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）；T為2 m 高處日平均氣溫，℃；U2為2 m 高處風速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實際水氣壓，kPa；Δ為飽和水氣壓曲線斜率，kPa/℃；r為干濕表常數，kPa/℃。

1.3 線性變化趨勢分析

使用氣候傾向率來進行降水量、潛在蒸散及水分盈虧量的線性變化趨勢分析。使用最小二乘法進行線性擬合和求取氣候傾向率，傾向率的符號表示要素的變化趨勢傾向，正號表示上升，負號表示下降[17,18]。顯著性水平取0.1，如果統計量小于顯著性水平，則認為趨勢是顯著的。

1.4 突變分析

要素變化的突變分析使用Mann-Kendall 方法(簡稱M-K)，它是一種非參數的統計方法，樣本并不需要遵從一定的分布，也不受少數異常值干擾，更適用于類型變量和順序變量,計算也比較簡便，很適合氣候要素時間系列的突變檢驗[17-19]。本研究給定顯著性水平為0.05，臨界值為正負1.96。

1.5 周期分析

本文采用Morlet小波[20]分析方法，基于小波的伸縮和平移等運算功能對序列進行多尺度細化分析，研究序列的周期演變情況。Morlet小波計算式如下：

式中：Wf(a,b)稱為小波變換系數；△t為取樣時間間隔；k=1,2 , …,n；a為時間尺度因子，1/a在一定意義上對應于頻率w，反映小波的周期長度；b為時間因子，反映時間上的平移；ψ(t)為Morlet 小波函數，ψ(t) =eicte-t2/2；T為周期，當參數c取6.2時T≈a。

Wf(a,b)隨參數a和b變化，可作出小波變換系數圖。通過該圖可得到變量基于小波變化的時間變化特征，小波變換系數絕對值越大，表明該時間尺度變化越顯著，等值線中心對應的尺度為序列變化的主周期。

2 結果與分析

2.1 關鍵期降水的變化特征

云南大部地區多年平均年降水量在600～1 000 mm，滇西南大部、滇東南南部和東部、滇東北南部、怒江大部等地年降水量大于1 000 mm，其中曲靖南部、紅河南部、普洱南部、德宏大部、怒江北部等地年降水量大于1 500 mm，局部大于2 000 mm，空間差異十分顯著。由圖1看出，1961年以來，云南平均年降水量表現為減少趨勢，傾向率為-16.3 mm/10a，并且在2006年前后出現突變，但并不顯著[圖2（a）]。從年代際變化來看云南平均年降水1990s 最大，2011-2013 年最小，全省平均降水在2000 年以前總體變化平緩，但在2000 年之后呈現明顯的下降趨勢，尤其2009 年以來降水持續偏少。由圖2（a）可看出，1961 年以來，云南各地年降水量以減少趨勢為主，有88%的地區年降水量呈現減少趨勢，其中24%的地區減少明顯，全省僅12%的地區年降水量變化趨勢表現為增加，但并不顯著。全省降水量呈現遞減幅度最為顯著的地區主要集中在滇東北、滇東南東部、滇中東部地區，其中曲靖南部大部地區變化幅度在-40 mm/10a 以上，而增加的主要區域集中在迪慶北部、保山中部、大理南部等地，大多增幅在10 mm/10a以內。

圖1 云南年降水量年際變化趨勢Fig.1 Interannual variation trend of annual precipitation in Yunnan

圖2 關鍵期降水的變化傾向率及全省平均降水變化突變檢驗Fig.2 The change trend and M-K catastrophe of precipitation in key time

全省常年平均冬春季降水量除了麗江、大理北部、楚雄北部等地的冬春季降水量小于100 mm 以外，其余大部地區降水量在100～200 mm，僅滇東南南部、怒江大部、普洱西南、臨滄北部等地降水量大于200 m。由圖3 看出，1961 年以來，云南平均冬春季降水量表現為減少趨勢，傾向率為-1.34 mm/10a，但并不顯著，且沒有發生明顯的突變[圖2（b）]。從年代際變化來看云南冬春季平均降水1990s最大，2011年以來最小，全省平均冬春季降水在1960s 表現為明顯上升，但在1990s 末期之后呈現明顯的下降趨勢。由圖2（b）可看出，1961 年以來，全省各地冬春季降水量以減少趨勢為主，有63%的地區降水量呈現減少趨勢，局部地區變化顯著，其余37%的地區表現為增加趨勢，但均不顯著。全省大部地區冬春季降水量變化幅度在10 mm/10a以內，其中滇中大部及滇西北北部、曲靖北部等地表現為增加，其余地區表現為減少趨勢。

圖3 云南冬春季降水量年際變化趨勢Fig.3 Interannual variation trend of precipitation in Yunnan in winter and spring

全省常年平均初夏降水大部地區為200～400 mm，大理、迪慶大部及楚雄東部、昭通中部等地不足200 mm，而紅河南部、德宏、曲靖南部等地降水量大于400 mm，局部大于600 mm，南北差異十分顯著。由圖4 看出，1961年以來全省平均5-6 月降水總體呈現下降趨勢，傾向率為-1.75 mm/10a，但下降趨勢不顯著，也沒有發生明顯的突變[圖2（c）]。5-6 月全省平均降水在1960s～1980s 期間變化比較平穩，但1990s 呈現明顯的增加趨勢，而2000 年以來則呈現明顯的減少趨勢，尤其是2009 年以來持續降水偏少。從年代際看5-6 月全省平均降水2000s 最大，而1990s及2011-2013 年最少。由圖2（c） 可看出，1961 年以來，全省5-6 月降水量變化趨勢以減少為主，全省60%的地區呈現減少趨勢，其中僅10%的區域變化顯著，全省40%的地區呈現增加趨勢，但變化均不顯著。云南5-6 月降水呈現增加的地區主要是楚雄、文山、紅河中部等地，而遞減趨勢最為明顯的地區主要是昭通、曲靖北部、大理等地，遞減速率超過10 mm/10a，其余大部地區遞減速率小于5 mm/10a。

圖4 云南初夏降水量年際變化趨勢Fig.4 Interannual variation trend of early summer precipitation in Yunnan

2.2 關鍵期潛在蒸散的變化特征

云南大部地區常年年均潛在蒸散量為600～800 mm，昭通北部及怒江大部小于500 mm，普洱、西雙版納、文山的大部地區為500～600 mm，楚雄北部、昆明北部等金沙江干熱河谷地區及大理東部等地大于800 mm，局部大于1 000 mm，全省平均常年潛在蒸散為660.1 mm。由圖5 看出，1961 年以來全省平均年潛在蒸散表現呈減少趨勢，減少速率為10.2 mm/10a，并且在1988年前后出現顯著突變[圖6（a）]。從年代際變化來看全省潛在蒸散1970s 最大為698.1 mm，1990s 最小為642.3 mm，在1990s 變化幅度最小，2000s 變化幅度最大。全省潛在蒸散在1970s末期開始呈現明顯的下降趨勢，但從2000年開始呈現明顯的上升趨勢。由圖6（a）可看出，1961 年以來，全省各地年潛在蒸散以減少趨勢為主，有75%的地區潛在蒸散呈現減少趨勢，而且其中76%的地區變化顯著，其余25%的地區表現為增加趨勢，其中約一半的地區變化顯著。全省年潛在蒸散遞減趨勢最為顯著的地區主要集中在金沙江干熱河谷地區及曲靖北部等地，而增加的主要區域集中在滇西北中部及滇西南南部地區。

圖5 云南年潛在蒸散年際變化趨勢Fig.5 Interannual variation trend of annual potential evapotranspiration in Yunnan

圖6 關鍵期潛在蒸散的變化傾向率及全省平均潛在蒸散變化突變檢驗Fig.6 The change trend and M-K catastrophe of the potential evapotranspiration in key time

云南大部地區常年冬春季節潛在蒸散為300～400 mm，滇西邊緣及滇西南大部、滇東南東部等地潛在蒸散小于300 mm，其中怒江北部及昭通北部等地小于200 mm，而北部金沙江河谷地區及大理東部、紅河中部等地潛在蒸散大于400 mm，局部大于500 mm。由圖7 看出，1961 年以來全省平均冬春季潛在蒸散表現為減少趨勢，傾向率為-5.9 mm/10a，并同樣在1988 年前后出現顯著突變[圖6（b）]。從年代際變化來看全省冬春季潛在蒸散1970s 最大，1990s 最小，全省冬春季潛在蒸散在1970s 末期開始呈現明顯的下降趨勢，但自2000 年以來呈現明顯的上升趨勢，尤其2009 年以來潛在蒸散明顯高于常年值。由圖6（b） 可看出，冬春季潛在蒸散空間變化趨勢與年潛在蒸散量變化較為一致，但整體上變化速率要低于年潛在蒸散量。

圖7 云南冬春季潛在蒸散年際變化趨勢Fig.7 Interannual variation trend of potential evapotranspiration in Yunnan in winter and spring

云南大部地區初夏常年潛在蒸散為100～160 mm，低于100 mm 的地區主要是在怒江及昭通北部的局部地區，大于160 mm 的地區主要是分布在麗江、大理東部、楚雄北部、紅河中部、玉溪南部、昆明北部等地。由圖8 看出，1961 年以來全省平均初夏潛在蒸散表現為減少趨勢，傾向率為-2.57 mm/10a，并同樣在1993 年前后出現顯著突變（圖6（c））。從年代際變化來看全省冬春季潛在蒸散1960s 最大，2000s 最小，全省冬春季潛在蒸散在1980s 末期至1990s 末期開始呈現明顯的下降趨勢，但自2000 年開始呈現明顯的上升趨勢。由圖6（c）可看出，1961 年以來，全省各地初夏潛在蒸散以減少趨勢為主，有81%的地區潛在蒸散呈現減少趨勢，而且其中54%的地區變化顯著，其余19%的地區表現為增加，其中23%的地區變化顯著。全省年潛在蒸散減少趨勢最為顯著的地區主要集中在金沙江干熱河谷地區及曲靖北部等地，而增加的主要區域集中在滇西北南部及滇西南南部地區。

圖8 云南初夏潛在蒸散年際變化趨勢Fig.8 Interannual variation trend of early summer potential evapotranspiration in Yunnan

2.3 關鍵期水分盈虧量的變化特征

云南常年平均年水分盈虧量為425.7 mm，全省約有8%的地區降水小于蒸散，即水分常年虧缺，常年平均水分虧缺最多的是賓川，盈虧量最多的是金平。全省大部地區年水分盈虧量在200 mm 以上，其中滇西南大部、滇東南南部及昭通北部、怒江大部等地水分盈虧量在500 mm 以上，局部大于1 000 mm，但昆明北部、楚雄北部、大理東部、紅河西部等地常年水分盈虧量為負，即水分供應為虧缺狀態。由圖9 看出，1961 年以來全省平均年水分盈虧量表現為減少趨勢，傾向率為-6.1 mm/10a，但沒有表現出明顯的突變特征[圖10（a）]。從年代際變化來看全省平均水分盈虧量1990s 最大，1970s 及2009-2013 年最小。全省平均水分盈虧量在2000 年以前總體表現為增加，但在2000 年之后呈現明顯的下降趨勢，尤其2009 年以來水分盈虧量持續減少。由圖10（a）可看出，1961 年以來，全省各地年水分盈虧量以減少趨勢為主，有60%的地區潛在蒸散呈現減少趨勢，其中約22%的地區變化顯著，其余40%的地區表現為增加趨勢，約20%的地區變化顯著。全省年水分盈虧量下降趨勢最為顯著的地區主要是曲靖中南部、文山、普洱南部、西雙版納及大理西部等地，減少速率超過20 mm/10a，金沙江干熱河谷地區及曲靖北部、保山、德宏等地年水分盈虧量增加趨勢最為明顯，大部分地區增加速率超過10 mm/10a，意味著這些地區年度水分供應條件逐步改善。

圖9 云南年水分盈虧量年際變化趨勢Fig.9 Interannual variation trend of annual water surplus in Yunnan

圖10 關鍵期水分盈虧量的變化傾向率及全省平均水分盈虧量變化突變檢驗Fig.10 The change trend and M-K catastrophe of the water surplus in key time

云南常年平均冬春季水分盈虧量為-157.3 mm，即常年水分供應不足，為虧缺狀態，全省僅怒江、紅河南部、昭通北部等地的不足全省10%的地區常年冬春季水分盈余，即降水量大于潛在蒸散，冬春季常年水分盈余量最多的是貢山縣，虧缺最多的是東川區，滇中及以北的大部地區常年水分虧缺200 mm 以上，其中麗江、楚雄北部、昆明北部等地水分虧缺在300 mm以上。由圖11看出，1961年以來全省平均冬春季水分盈虧量表現為增加趨勢，增加速率為4.6 mm/10a，但沒有表現出明顯的突變特征[圖10（b）]。從年代際變化來看全省平均水分盈虧量1990s 最大，1970s 最小。云南冬春季水分盈虧量經歷了兩個明顯的上升期分別是1960s-1980s初期及1980中期-1990s末期，但2000年以來水分盈虧量呈現明顯下降趨勢。由圖10（b）可看出，1961年以來，全省各地冬春季水分盈虧量以增加趨勢為主，有70%的地區潛在蒸散呈現增加趨勢，其中38%的地區變化顯著，其余30%的地區表現為減少趨勢，其中不足10%的地區變化顯著。全省冬春季水分盈虧量呈現遞增幅度最為顯著的地區主要集中在楚雄、昆明大部及曲靖北部等地，增加速率大于10 mm/10a，而減少的主要區域集中在滇西北中部及滇西南南部及滇東南南部等地。

圖11 云南冬春季水分盈虧量年際變化趨勢Fig.11 Interannual variation trend of water surplus in Yunnan in winter and spring

云南常年平均初夏水分盈虧量為145.0 mm，全省僅3%的地區水分常年虧缺，常年平均水分虧缺最多的是賓川，盈虧量最多的是金平。全省大部地區年水分盈虧量在200 mm 以內，曲靖南部、紅河南部及西雙版納、德宏等地水分盈虧量常年大于300 mm。由圖12看出，1961年以來全省平均年水分盈虧量表現為增加趨勢，傾向率為0.8 mm/10a，但沒有表現出明顯的突變特征（圖10（c））。從年代際變化來看全省平均水分盈虧量1990s 最大，1970s 最小。全省平均水分盈虧量在2000 年以前總體表現為增加，但在2000 年之后呈現明顯的下降趨勢，尤其2009 年以來水分盈虧量明顯偏少。由圖10（c）可看出，1961 年以來，全省各地初夏水分盈虧量以增加趨勢為主，有66%的地區水分盈虧量呈現增加趨勢，但僅5%的地區變化顯著，其余34%的地區表現為減少趨勢，其中不足10%的地區變化顯著。全省初夏水分盈虧量增加趨勢最為顯著的地區主要集中在滇中北部地區，而呈減少趨勢的主要區域集中在滇西和滇西南南部地區。

圖12 云南初夏水分盈虧量年際變化趨勢Fig.12 Interannual variation trend of early summer water surplus in Yunnan

按小波分析法分別對云南省1961-2013 年的年、冬春季、初夏季的水份盈虧量系列作多時間尺度分析，繪制小波變換系數圖（見圖13）。根據圖中等值線的震蕩情況可以看出，年水份盈虧量系列具有7 年、30 年等2 個顯著的周期，并在30～35 年出現聚合，但震蕩較之前減弱，反映出最長可能存在30～35 年左右的周期，隨著時間的進一步推移，周期性將趨于模糊；冬春季水份盈虧量系列具有2 年、5 年、10 年等3 個顯著的周期，最長可能存在50 年左右的周期；初夏季水份盈虧量系列則具有4 年、8 年、25 年等3 個顯著的周期，最長可能存在的周期在25～30 年左右。對比發現，水份盈虧量的年系列周期最長、夏季次之、冬春季最短。

圖13 水份盈虧量系列的Morlet小波變換系數圖Fig.13 MORLET wavelet transform coefficient diagram of water surplus and deficit series

3 討 論

（1）Penman-Monteith 方法雖然計算復雜，所需參數較多，但是基于該方法計算分析云南各地潛在蒸散、水分盈虧量變化特征具有較強的機理性和適用性?；赑enman-Monteith 方法計算的云南冬春季大部地區常年水分盈虧量為負值，處于水分虧缺狀態，而初夏及年水分盈虧量為正值，即處于水分盈余狀態，很好的揭示了云南干濕季分明，雨熱同季，冬春干旱為常態化的季節性干旱的特點。

（2）基于云南水分盈虧量的氣象干旱特征分析基本體現了云南暖干化特征及2000 年以來水分盈虧量明顯減少，氣象干旱頻發的特點，對于一些典型干旱年份、尤其是2009-2013年連續干旱都有較為一致的體現，水分盈虧量明顯較常年偏少。但是，不同關鍵期水分盈虧量年際變化仍有較大的差異，原因在于年水分盈虧量體現的是整個年度水分供應與需求的差距，體現的是一個總量的變化，而冬春和初夏則是體現部分時段的盈虧量，更能表征云南氣象干旱階段性和季節性的特點，具有更好的適用性。

（3）本研究以關鍵時段水分盈虧量作為一種表征云南氣象干旱評估的指標，可以客觀描述不同時段水分虧缺程度，在氣象干旱強度客觀評估上具有一定的應用前景。但是該方法還缺乏與承災體及其特性的結合，需要進一步構建基于水分盈虧量的氣象干旱監測評估及風險預估模型以及分級標準，并結合農作物等承災體需水特性，細化評估不同承災體不同時期的氣候適宜性和氣象干旱風險。另外，該指標還不能動態化客觀定量的刻畫區域氣象干旱事件的演變過程和強度變化，仍需要研發基于該指標的干旱事件綜合評估模型，結合干旱災情繼續深入研究該指標的適用性，進一步研究干旱過程的客觀化識別方法和模型，實現對干旱過程更為全面的監測和評估。

4 結 論

（1）1961 年以來云南平均年、冬春季、初夏降雨量均呈現減少的趨勢，年降水量減少速率最大，初夏次之，冬春季減少速率最小。各關鍵期降水量在年代際變化上有一定差異，但2000 年以來均表現出明顯的減少趨勢，尤其是2009 年以來各關鍵期降水量明顯偏少，年降雨量在2006年前后出現突變，但變化不顯著，全省平均初夏、冬春季降水量沒有明顯的突變特征。云南各地年、冬春季、初夏降雨量大部地區呈減少趨勢，但空間差異顯著，呈減少趨勢的分布范圍大小、高低值中心都不一致，總體上來說東部和西部減少趨勢更為明顯，而北部增加趨勢較明顯。

（2）1961 年以來云南平均初夏、冬春季、年潛在蒸散總體呈現減少的趨勢，年潛在蒸散減少速率最大，冬春季次之，初夏減少速率最小，各關鍵期的潛在蒸散量在20 世紀60-70年代高于其他年代，而20 世紀90 年代或本世紀前十年低于其他年代，而且均在20 世紀80 年代后期或90 年代初期出現突變，變化趨勢由下降向上升轉變，尤其2000 年以來上升更為顯著。與降水量的變化速率空間差異較大不同，各關鍵期的潛在蒸散量變化速率空間分布呈現一致性，滇中、滇東北地區的增加速率明顯大于其他地區，而滇西和滇西南增加速率明顯大于其他地區。

（3）1961 年以來全省平均水分盈虧量表現為減少趨勢，而冬春季及初夏水分盈虧量則表現為增加趨勢，主要是年潛在蒸散量的減少速率小于降水量，不利于水分盈余；而冬春季和初夏則剛好相反，蒸散量減少的幅度大于降水，有利于水分盈余，尤其是冬春季潛在蒸散量的減少速率是降水量的4倍，從而導致冬春季水分盈虧量出現明顯的增加趨勢。雖然云南1961 年以來平均初夏、冬春季、年水分盈虧量變化趨勢和速率不一，但從2000 年開始至2013 年，年、冬春季、初夏降雨量出現明顯的減少，潛在蒸散量明顯上升，因此水分盈虧量明顯減少，說明自2000 年以來云南整體上自然降水供應不足，氣象干旱整體呈現增強趨勢。