贵阳汛期旱涝演变特征及未来趋势预估

严小冬，吴战平，徐丹丹，古书鸿，徐智慧

(1.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002;2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002;3.贵州省贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001)

贵阳汛期旱涝演变特征及未来趋势预估

严小冬1，吴战平1，徐丹丹1，古书鸿2，徐智慧3

(1.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002;2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002;3.贵州省贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001)

首先对贵阳近500 a(1470—2008年)旱涝等级资料进行增补，利用该资料进行等级序列展开频次和多尺度分析。结果表明：近58 a，贵阳出现极端旱、偏旱的频次明显高于过去近500 a的平均状况;汛期出现偏旱和旱的次数明显增多，旱重于涝的趋势非常明显。从年代际和百年际尺度看，210 a周期是贵阳旱涝振荡的主周期，而50 a周期是次周期，且20世纪80年代的干旱程度高于历史上任何一个年代;从年际和年代际尺度上，24 a周期是贵阳旱涝振荡的主周期，而7 a周期是次周期;汛期降水偏少，一般与旱灾对应一致，但若降水偏多，对应汛期各月降水分布均匀，则不一定对应涝灾。最后，结合诊断结果，借助IPCC AR4最新的模式预估数据集，预估贵阳汛期降水在未来10 a左右将处于旱涝交替频发期，之后至21世纪40年代中期将处于少雨阶段，可能会出现较长时期的干旱。

汛期旱涝;演变特征;趋势预估;多尺度分析;IPCC AR4

1 引言

近半个世纪以来，随着人类活动加剧，气候变化问题及其研究更加突出。气候变化的影响是多尺度、多层次、全方位的，正面和负面影响并存，其对国民经济的影响主要以负面作用为主，因此气候变化问题得到了各国科学界、政府以及公众的极大关注［1］。

贵阳地处苗岭山脉中段，地势南北高、中部低，总面积8 049 km2，属亚热带湿润季风气候。关于贵州气候，之前已有不少研究［2-7］，但对汛期旱涝气候方面的研究却不多，而专门针对贵阳汛期长年代旱涝变化的研究就更少之又少［8］，很难满足公众的需求。以诊断为基础，结合最新的模式预估结果，给出未来趋势展望的研究几乎还是空白。

本文在前人工作基础上，利用较长历史资料，从年际尺度、年代际尺度和百年际尺度对贵阳汛期旱涝变化进行深入细致的分析研究，并在此基础上对未来近40 a贵阳汛期旱涝趋势进行了展望，其成果一方面有助于让公众更好地了解贵阳干湿气候特点，另一方面为政府决策部门按照未来气候可能演变趋势，更好地制定工、农业长期发展规划和防灾减灾提供有意义的参考。

2 资料及方法

2.1 资料来源

文采用《中国近五百年旱涝分布图集》［9-11］(1470—2000年)中贵阳站历年旱涝等级，再根据该图集所述计算方法，用贵阳站2001—2008年5-9月份降水量算出2001—2008年逐年旱涝等级，加上图集资料，合并得539 a旱涝等级数。

预估数据基于SRES(Special Report on Emissions Scenarios)A1B情景下，选取IPCC AR4中17个不同分辨率全球模式集合部分预估数据：20C3M-SRESA1B-Pre_1981-1999.txt和SRESA1BPre_2001-2020/2021-2040/2041-2060.txt。利用空间线性内插降尺度法，获得贵阳站未来几十年汛期各月降水量预估值。

2.2 主要方法

运用合成、分类、小波［12-14］及方差等方法对贵阳汛期旱涝进行年际尺度、年代际尺度和百年际尺度分析。在多尺度分析基础上，结合IPCC AR4最新模式预估数据集，运用线性内插法计算得贵阳汛期降水量。

图1 贵阳站旱涝等级频次图 (a)539 a(1470—2008年)、(b)58 a(1951—2008年)

3 结果分析

3.1 旱涝频次分析

分别对贵阳1470—2008年和1951—2008年两时段旱涝等级资料进行频次统计(见图1)。统计表明：在过去539 a里，旱涝等级依次分别为涝(20次)、偏涝(73次)、正常(340次)、偏旱(61次)和旱(45次)，对应频次所占百分比见图1a所示;在近58 a里，旱涝等级依次分别为涝(4次)、偏涝(8次)、正常(22次)、偏旱(13次)和旱(11次)，对应频次所占百分比见图1b所示。通过图1a和图1b各等级在不同时段所占百分比可以分析得出：最近58 a，贵阳出现极端旱、偏旱的频次明显高于过去539 a的平均状况;最近58 a，贵阳汛期出现旱的次数明显增多，旱重于涝的趋势明显，正常年份减少。

3.2 旱涝年代际/百年际尺度分析

图2 1470—2008年贵阳各年代旱(a)、涝(b)频数及拟合曲线(直线为频数平均值，折线为频数，曲线为三次多项式拟合曲线)

将5级旱涝中的1级和2级都视为洪涝年份，4级和5级都视为干旱年份。对旱涝等级序列按照年代(如1470—1479年记为1470S，称为15世纪70年代)统计贵阳干旱和洪涝各年代出现的频数(见图2折线所示)，并对各序列进行三阶多项式拟合(见图2曲线所示)。

从图2中可以看出，贵阳干旱和洪涝呈现明显的阶段性分布。干旱少发时段主要集中出现在18世纪40年代前，之后，出现干旱的频数明显上升，尤其是从20世纪20年代开始，出现干旱的频数都大于平均值，是典型的干旱多发时期(见图2a)。在19世纪末以前，出现多洪涝年代从间隔一个世纪到半个世纪呈有规律的变化，从20世纪初至今，出现洪涝频数呈波动变化，且除20世纪60年代少于平均值外，其余年代均高于平均值(见图2b)。综合图2a、2b，从19世纪中期开始，多旱和多涝的频数大多高于平均值，表明这期间旱涝年份增多，极端气候事件频发，而正常年份偏少。

从拟合曲线变化趋势看，近百年来，贵阳出现干旱的频数明显高于平均值，而出现洪涝的频数呈“偏高—偏低—偏高—偏低”波动下降，因此目前正处于干旱年份明显上升而洪涝年份波动下降，即多旱少涝的气候阶段。20世纪80年代的干旱程度高于历史上任何一个年代的干旱程度。

图3 贵阳站539 a旱涝等级小波系数实部

将贵阳旱涝等级序列(1470—2008年)按年代求其均值，运用Morlet小波进行展开，得其实部(图3)，进行贵阳汛期旱涝年代际/百年际尺度分析。图中正值反映了序列的变旱趋势，负值反映了变涝趋势，零线对应旱涝的突变点。图3清楚地反映出贵阳旱涝具有明显的多时间尺度特征，其中40～60 a和180～240 a的时间尺度上正负闭合中心最明显。

图4 贵阳站539 a旱涝等级小波系数方差

图6 贵阳站1951—2008旱涝等级小波系数方差

进一步对小波进行方差分析(图4)可以得出：在1470—2008年整个时间域内，贵阳汛期旱涝变化以50 a、210 a和320 a周期振荡最强。说明，贵阳汛期旱涝变化的年代际和百年际特征比较明显。同时，通过对小波能量(图略)分析发现，210 a周期是贵阳旱涝振荡的主周期，而50 a周期是次周期。表明，贵阳汛期旱涝百年际振荡特征非常明显，且目前贵阳汛期正处于相对旱期。

图5 贵阳站1951—2008旱涝等级小波系数

3.3 旱涝年际/年代际尺度分析

前面针对贵阳旱涝在1470—2008年时间域内展开分析，初步得出贵阳汛期旱涝存在的年代际和百年际演变特征。同时，分析还指出，近百年，贵阳汛期旱涝事件频发。基于上述诊断事实，很有必要继续展开更小尺度的分析，于是，截取临近的、有完整气象记录的1951—2008年贵阳汛期旱涝作为研究时段，并运用同样的方法进行分析。图5形成各种尺度正负相间的振荡中心，显示贵阳汛期旱涝包含了多个尺度的周期变化。观察其中闭合曲线的密集区，发现贵阳汛期旱涝在4～5 a、6～8 a和21～27 a的时间尺度上正负闭合中心最明显。

进一步对小波进行方差分析(图6)可以得出：在1951—2008年整个时间域内，贵阳汛期旱涝变化以准5 a、7 a和24 a周期振荡最强。说明，贵阳汛期旱涝变化的年际和年代际特征比较明显。同时，通过对小波能量(图略)分析发现，24 a周期是贵阳旱涝振荡的主周期，而7 a周期是次周期。从主周期看，贵阳汛期目前正处于相对旱期，而从次周期看，贵阳汛期目前正处于相对涝期。表明，近期贵阳汛期旱涝变化波动较为复杂，各种尺度波动趋势并存，给趋势预估带来一定困难。

图7 贵阳站1951—2008年汛期降水量

3.4 贵阳近百年降水变化及预估

图7表征1951—2008年贵阳汛期降水变化，其中，虚折线表示汛期降水，直线表示平均值，两条虚直线从上至下分别表示降水量大于或小于一个标准差。图中降水量高于一个标准差的年份主要有1954、1957、1967、1977、1979、1991、1996、2000 年和2008年，结合前面贵阳汛期旱涝等级值发现，只有1954、1991、2000 年和2008 年属于涝年，其它5 a，因为汛期时段(5—9月)各月降水相对均匀，极端强降水过程少，故虽然降水偏多，但没有形成严重的涝灾。同时，图中降水量低于一个标准差的年份主要有 1961、1962、1966、1975、1981、1987、1990、1997、2001、2003年和2006年，结合贵阳汛期旱涝等级数发现，上述10 a少雨年均为旱年，表明，少雨年往往就是旱灾年。

图8 贵阳站近百年降水变化及预估(虚线代表观测值，实线代表预估值)

在对贵阳汛期旱涝多时间尺度分析基础上，结合SRESA1B排放情景，从参与IPCC AR4的20多个不同分辨率模式中选取17个模式结果，经过插值降尺度计算和集合平均，最终得出贵阳汛期降水预估数据。在给出最终预估数据之前，我们对2001—2008年贵阳汛期降水进行了预估试验。8 a的预估结果有6 a正确，准确率达75%，表明在考虑贵阳汛期旱涝多尺度特征基础上，运用目前最新的模式结果对贵阳汛期降水进行定量预估是比较可靠的。于是，通过大量计算和客观订正，最终给出贵阳21世纪50年代前各年汛期降水量预估值(如图8实折线所示)。从图中曲线分析可知，贵阳汛期降水目前尽管正处于旱涝交替频发期，但是从21世纪20年代初至40年代中期将处于少雨阶段，可能会出现较长时期的干旱期。

4 小结

本文借助1470—2008年贵阳汛期旱涝等级值，采用统计诊断方法，结合最新的模式预估数据，开展了贵阳汛期旱涝演变特征及未来趋势预估分析研究，初步得出以下结论：

①近58 a，贵阳出现极端旱、偏旱的频次明显高于过去539 a的平均状况，旱重于涝的趋势明显。

②在1470—2008年整个时间域内，年代际和百年际尺度上演变特征为：从19世纪中期开始，多旱和多涝的频数大多高于平均值，这期间旱涝年份增多，极端气候事件频发，而正常年份偏少。近百年，贵阳出现干旱的频数明显高于平均值，而出现洪涝的频数呈“偏高—偏低—偏高—偏低”波动下降。20世纪80年代的干旱程度高于历史上任何一个年代的干旱程度。从21年代周期看，贵阳汛期目前处于旱期，而从5年代周期看，贵阳汛期目前处于涝期。

③在1951—2008年整个时间域内，年际和年代际尺度上演变特征为，贵阳汛期旱涝变化以准5 a、7 a和24 a周期振荡最强。从24 a周期看，贵阳汛期目前处于旱期，而从7 a周期看，贵阳汛期目前处于涝期。

④预估贵阳汛期降水在未来10 a左右处于旱涝交替频发期，之后至21世纪40年代中期，将处于少雨阶段，可能会出现较长时期的干旱期。预估是在对过去演变特征诊断基础上，结合最新模式预估数据综合而来，为了进一步提高预估结果的准确性，下一步将引入天气发生器的最新成果，对预估结果进行跟踪订正。

致谢：本研究所使用的全球气候模式气候变化预估数据，由国家气候中心研究人员对数据进行的整理、分析和惠许使用。原始数据由各模式组提供，由WGCM(JSC/CLIVAR Working Group on Coupled Modelling)组织 PCMDI(Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison)搜集归类。多模式数据集的维护由美国能源部科学办公室提供资助。同时，还要感谢国家气候中心提供的区域气候变化模拟结果。

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The Evolution Characteristic and Future Tendency Estimate of Guiyang Dryness and Wetness in Flood Season

YAN Xiao-dong1，WU Zhan-ping1，XU Dan-dan1，GU Shu-hong2，XU Zhi-hui3
(1.Guizhou Climate Center，Guiyang 550002;2.Guizhou Institute of Mountainous Environment and Climate，Guiyang 550002;3.Guiyang Meteorological Bureau，Guiyang Guizhou 550002)

Use the supplementation the data of the drought and flood grades for five hundred years in GuiYang，to make grades sequences frequency and multiple dimensioned analysis.The results showed that the frequencies of Guiyang appeared extreme drought and more drought in recent 58 years more than the mean value of recent 500 years.In flood season the frequencies of drought increased obviously and the drought more severe than flood.For the decadal and hundred decadal scales，210-year cycle is the main period of drought and flood oscillation and the 50-year cycle is the secondary.The 20 century and 80 years had the most server drought.For the inter-annual and decadal，24 years cycle is the main period of drought and flood oscillation and the 7 years cycle is the secondary.If the precipitation is less in the flood season，the drought may happen.But if the rainfall is more，the flood may not happen and the distribution of rainfall not even in each month.In the end combined the results of the model of IPCC AR4，in the future 10 years flood seasons，drought and flood will happen high frequency，and in the 40 years of the 21st century there are less precipitations and the drought will last long period.

drought and flood in flood season，develop characteristics，tendency analysis，IPCC AR4

P467

A

1003-6598(2011)04-0001-05

2011-05-26

，严小冬(1979-)，男(苗族)，高工，主要从事气候诊断分析及气候预测工作。

*资助项目：贵州省科学技术基金项目(黔科合J字［2008］2082号);贵阳市社会发展与民生科技计划项目“贵阳市气候变化事实检测和未来趋势预估研究与应用。