云贵地区气象旱涝的气候响应特征

芦佳玉，延军平，王文静，唐宝琪，刘永林

(陕西师范大学 旅游与环境学院， 陕西 西安 710062)

云贵地区气象旱涝的气候响应特征

芦佳玉，延军平*，王文静，唐宝琪，刘永林

(陕西师范大学 旅游与环境学院， 陕西 西安 710062)

根据1960～2014年云贵地区49个站点的逐月降水量和气温资料，利用标准化降水指数、Mann-Kendall突变检验及小波分析等方法研究了季尺度和年尺度的气温和降水量的变化特征及旱涝演变趋势.结果表明：(1)1960～2014年云贵地区气温呈明显上升趋势，且上升速率冬季>秋季>春季>夏季，1997年出现了气温突变现象.(2)降水量呈下降趋势，其中，秋季降水量下降最快，冬季最慢，且降水呈现14 a和28 a的周期变化.(3)1960～2014年云贵地区呈现偏旱的趋势，且夏秋两季干旱趋势较为明显.(4)从空间尺度分析，云贵地区整体上趋于干旱(SPI倾向率小于0)，在云南与贵州交界处，偏旱现象较为严重，仅在云南省北部出现偏湿现象.因此近55 a云贵地区气候呈暖干化趋势.

气候变化；气候旱涝；标准化降水指数；云贵地区

Drought-flood response characteristics to the climate in Yun-Gui area. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2017,44(1):097-105

IPCC第5次评估报告指出，全球气候变暖是毋庸置疑的.全球地表温度持续升高，1880～2012年全球平均温度已经升高0.85 ℃；1985～2015年，每10 a地表温度的增暖幅度高于1850年以来的任何时期[1].全球极端气候事件在气候变暖的大背景下也呈现加剧态势，1998年中国长江流域洪涝[2]，2009年以来云南省遭遇4年连旱[3]，其中2010年云南发生了百年不遇的全省性大旱，造成了极其严重的损失.云贵地区位于中国的西南边陲，经济增长与金融发展在全国处于落后水平[4]，所以在遭受自然灾害时其自身的恢复力并不强，损失较大.随着全球气候变化研究的不断深入，不仅须注重气候变化的特征，还要关注气候变化所引发的一系列灾害，同时人类活动对淡水资源的破坏，使得人类面对突发旱涝灾害的适应性较差[5]，对国家和人民的财产造成极大损失.近年，对云贵地区旱涝灾害的研究开始受到重视.方兰[6]运用自然灾害对称性对云贵地区近52 a的气候数据进行分析，结果表明，云贵地区气候总体呈现暖干化趋势.苗春生等[7]对云南省东部地区的春季旱涝特征进行分析发现，此地区气候呈旱-涝-旱的规律.刘琳等[8]用Z指数和标准化降水指数对西南地区降水进行分析，发现西南地区的涝灾呈明显减弱趋势.杜华明等[9]运用Z指数对川滇51 a的气候及旱涝变化进行分析，发现川滇地区呈现暖干化趋势且干旱程度有所增加.上述研究主要集中在各个省份及小区域或是对某个季节旱涝变化的研究，对整个云贵地区的气候变化及气候旱涝变化研究较少，且研究方法以Z指数法、灾害时空对称性法、EOF分析法、帕默尔干旱指数等为主.基于此，本文运用Mann-Kendall突变检验法计算云贵地区的气温突变年份，同时对气温突变前后的降水进行分析.并用标准化降水指数(SPI)对云贵地区的气候旱涝时空变化特征进行分析，以期为科学防治气象旱涝灾害对云贵地区带来的危害提供理论依据.

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

云贵地区指云南和贵州两省，处于我国西南边陲，受南亚季风影响，降水丰沛，干湿季分明.云贵地区气候一致性较高，年均降水量分别为749～1 068 mm和682～1 134 mm，年平均气温分别为15～17 ℃和14～16 ℃.同时云贵地区地形多样，地势高差大，下垫面复杂，且山地面积占全区面积比例高.由于受西南季风控制,加之地理位置和地形的作用,云贵大部分地区呈现四季不分明、干湿季明显的气候特征[10].旱涝灾害频发，极易发生春旱及秋旱，对农作物生长影响巨大.

1.2 资料来源

本文的气候数据来源于中国气象科学数据共享服务网.选取1950～2014年中国地面气候资料月值数据集，为保证数据的完整性和连续性，选取云贵地区资料序列较长且空间分布较为均匀的49个台站的气象数据.数据基本完整，对个别台站的缺失数据采用SPSS 21.0最大期望算法(EM估计)进行补充，经处理后数据具有良好的连续性及代表性(见图1).

图1 云贵地区49个气象站点空间分布Fig.1 Spatial distribution of 49 meteorological stationsin Yun-Gui area

1.3 研究方法

采用标准化降水指数(SPI)[11-14]和Mann-Kendall 突变检验法[16-16]，其优点是样本不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算也较为方便，现已广泛应用于降水、径流、气温等水温气象参数趋势分析以及小波分析. 对云贵地区1960～2014年的49个站点的降水量、气温进行分析，得出云贵地区的旱涝时空变化特征及影响.

标准化降水指数(SPI)：在计算某时段内降水量的分布概率后进行正态标准化处理，最后用标准化降水累计频率分布来划分干旱等级.具体计算方法如下：

假设某时段降水量为随机变量x，则其Γ分布的概率密度函数：

(1)

式中，β>0，γ>0分别为尺度和形状参数，β和γ可用极大似然估计方法求得，其中，

(2)

确定概率密度函数中的参数后，对于某一年的降水量x0，可求出随机变量x小于x0事件的概率为

(3)

将式(1)代入式(3)，得到事件概率近似估计值.

降水量为0时的事件概率：

F(x=0)=m/n，

(4)

式中，m为降水量为0时的样本数，n为总样本数.

对Γ分布概率进行正态标准化处理，即将式(3)、(4)求得的概率值代入标准化正态分布函数：

(5)

对式(5)近似求解可得

(6)

根据干旱等级标准将SPI分为以下7个等级：

表1 SPI等级分类表

2 结果分析

2.1 气温变化特征

1960～2014年云贵地区气温呈明显上升趋势

(p<0.01)，且以0.02 ℃·a-1的速率上升，高于全球平均速率(0.014 ℃·a-1)[17](见图2).1960年后的55 a，该地区平均气温为15.76 ℃，年均气温最高值为16.68 ℃，出现在2009年，年均气温最低值为15.01 ℃，出现在1976年.云贵地区年均气温变化大致分为3段：1986年前该地区的气温大多低于多年平均气温，说明该时段温度偏低；1986～1997年，年均气温在多年平均气温附近上下浮动，处于增温过渡期；1997年后的年均气温均高于多年平均气温，该时段温度偏高.

图2 1960～2014年云贵地区年均气温Fig.2 Annual temperature change of Yun-Gui areafrom 1960 to 2014

图3为近55 a云贵地区四季年均温，由图3可知，四季的气温均呈上升趋势，春季平均气温上升速率为0.018 ℃·a-1(p<0.01)，夏季为0.017 ℃·a-1(p<0.01)，秋季为0.020 ℃·a-1(p<0.01)，冬季为0.027 ℃·a-1(p<0.01)，上升速率冬季>秋季>春季>夏季，由此可知冬季气温上升是导致全年气温上升的主要原因.

图3 1960～2014年云贵地区四季均温Fig.3 Seasonal average temperature in Yun-Gui area from 1960 to 2014

本文对云贵地区1960年以来的年均气温进行了Mann-Kendall突变检验，以寻求气候显著突变点.由图4可知，云贵地区气温突变发生在1997年前后(α=0.05)，且1960～1986年UF曲线位于0刻

度以下，说明该地区气温呈下降趋势，1986～1999年UF曲线位于0刻度以上，说明该地区气温呈上升趋势，1999年后UF曲线超过1.96的可信度区间，说明气温呈明显上升趋势.

图4 1960～2014年云贵地区年均温Mann-Kendall突变检验Fig.4 The Mann-Kendall test for annual temperature ofYun-Gui area from 1960 to 2014

2.2 降水时间变化特征

分析1960～2014年云贵地区的年均降水量数据可得(见图5)，近55 a云贵地区年均降水量为1 123.95 mm，总体呈下降趋势，且以1.590 mm·a-1(p<0.01)的速率下降.其中，降水最大值为1 247.51 mm，出现在1961年；最小值为861.39 mm，出现在2011年. 气温突变(1997年)前的多年降水量平均值高于突变后的平均值，突变前降水量无明显变化，突变后降水量呈明显的下降趋势(p<0.01).

从四季的角度看，云贵地区春季年平均降水量为

图5 1960～2014年云贵地区年均降水量及变化Fig.5 Annual precipitation change of Yun-Gui areafrom 1960 to 2014

244.24 mm，且降水量以0.141 mm·a-1的速率下降；夏季年平均降水量为571.75 mm且降水量以0.635 mm· a-1的速率下降；秋季年平均降水量为247.02 mm且降水量以0.773 9 mm·a-1(p<0.05)的速率下降；冬季年平均降水量为61.79 mm,且降水量以0.025 mm·a-1的速率下降(见图6).由此可见，夏季降水量占全年降水量的比重最大，其降，水量下降趋势并不明显(p=0.2)；其次，春季和秋季的降水量几乎相同，但春季降水量没有出现明显的下降趋势(p=0.6)；冬季降水量最少，其下降趋势最不明显(p=0.8).综合分析得出全年降水量下降主要由秋季降水量下降所致.

图6 1960～2014年云贵地区四季年均降水量及变化Fig.6 Seasonal precipitation change of Yun-Gui area from 1960 to 2014

2.3 降水空间变化特征

对云贵地区49个站点55 a平均降水量进行克里金插值分析(见图7)，发现云贵地区降水量呈现自南向北依次减少的特点，呈纬度地带性.云贵地区多年平均降水量集中在628.82～2 233.59 mm，降水量最多的地区位于云南省江城市.云南省的多年平均降水量略低于贵州省.由于云贵地区跨2个温度带，景洪、澜沧以南为热带季风气候，降水量较多.其他大部分区域均为亚热带季风气候，降水量比热带季风气候带要少，所以在空间分布上呈现明显的南多北少的降水形式.

图8(a)为气温突变前年均降水量倾向率的空间分布图，降水量倾向率为-0.56～1.03 mm·a-1.云贵地区64%的站点降水量倾向率小于0，下降趋势最为明显的地区位于云南省西南部景洪-澜沧一带，云南省贡山-腾冲一带降水量呈上升趋势.从整体空间分布看，降水量呈下降趋势的地区形成2个低值中心，且倾向率围绕着低值中心向四周逐渐增大.

图7 云贵地区多年降水量空间分布Fig.7 The spatial characteristics of precipitationdistribution in Yun-Gui area

图8(b)为气温突变后年均降水量倾向率的空间分布图，降水量倾向率为-3.12～0.656 mm·a-1，云贵地区89%的站点降水量倾向率小于0，下降趋势最为明显的地区位于云南省华坪、大理、楚雄，降水量呈上升趋势的仅有5个站点.从空间分布看，云贵地区降水量整体呈下降趋势.

综上所述，气温突变后云贵地区降水量呈下降趋势的站点明显增多且下降趋势更为明显.气温突变后云贵地区干旱化趋势比气温突变前更强.

图8 云贵地区多年降水量倾向率的空间分布Fig.8 Spatial distribution of precipitation tendency ratefor years in Yun-Gui area

图9 云贵地区小波分析Fig.9 Wavelet analysis of annual precipitationin Yun-Gui area

始于20世纪70年代的小波分析具有时频多分辨的功能，可以聚焦任何细节，亦能反映时间序列的局部变化特征，从而对信号进行局部化分析，在气候变化多尺度分析方面取得了较好的效果[18].对云贵地区1960～2014年年均降水量进行小波分析，可知该地区存在明显的11～15 a和25～30 a正负相位变化周期(见图9).其中，11～15 a时间尺度在1975～1978年和1992～1994年变化较为明显，其时间中心尺度为13 a，正负相位交替变化；25～30 a时间尺度在1985～1990年表现明显，其时间中心尺度为27 a，正负相位交替变化.

由小波方差图可知，该地区降水量存在2个明显的峰值，分别为14和28 a的时间尺度.其中，最大峰值对应的时间尺度为28 a，说明28 a的振荡最为明显，为年降水量的主周期.14 a对应着第2个峰值，为降水量的第2主周期.

3 旱涝变化特征

3.1 旱涝时间变化特征

主要采取SPI方法分析云贵地区的旱涝时空变化特征.SPI由MCKEE等于1993年提出，通过研究降水量的统计分布规律揭示干旱的强度和持续时间，其时空适应性较强，且具有多时间尺度的特性，包括SPI1、SPI3、SPI6、SPI12等多种尺度[19].SPI不仅有计算简便及多时间尺度的优势，同时还能对不同空间的旱涝情况进行比较，稳定性较好，在一些极端旱涝情况下，优于国内广泛使用的Z指数[20].故本文采用3个月尺度和12个月尺度的SPI值，能很好地反映地区季节和年尺度的旱涝变化特征.

图10 1960～2014年云贵地区平均3(SPI3)、12(SPI12)个月时间尺度SPI变化情况Fig.10 SPI change process of 3 and 12 months time scalesin Yun-Gui area from 1960 to 2014

由SPI3可知，云贵地区四季气象旱涝变化特征如下.

春季旱涝呈阶段性变化特征，1986～1991年春旱较为频繁，且1986～1988连续3 a出现春旱.1997年气温突变后该地区春旱频率明显下降，且春季涝灾频率也逐步下降，春季气候趋于稳定.春季SPI倾向率仅为-0.003 a-1,长期来看，云贵地区春季旱涝基本无变化.

夏季主要经历了以下几个交替变化阶段：1960～1971年无夏旱，只出现了2次夏涝，年气候较为稳定；1972～1997年旱涝交替较为频繁，且以夏旱为主；1997年气温突变后夏季涝灾频率明显减少而旱灾频率加大.夏季SPI倾向率为-0.009 a-1，长期来看，云贵地区夏旱呈增加趋势，但趋势并不明显.

1976～1997年冬季旱涝变化较为频繁，2009年后以冬旱为主，未出现冬涝.冬季SPI倾向率仅为-0.001 a-1，长期来看，云贵地区冬季旱涝基本无变化.

综上所述，云贵地区在20世纪60年代春秋旱较频繁，而70年代则变为夏冬旱较频繁，80年代至90年代冬季雨涝偏多而春夏两季干旱频率加大，21世纪以来极端旱涝事件明显增多，且以旱灾为主，2010～2011年发生了冬春夏三季连旱的现象(见图10).

云贵地区历年SPI12逐月变化可以很好地反映旱涝发生的具体时段，由图10可见，1960和1989年发生干旱，而2003年后干旱频繁，2003～2014年9 a中共发生了6次干旱事件，且2003和2013年为重旱，2009和2011年为极旱.云贵地区雨涝阶段多集中在1961～1973年，12 a共发生了6次雨涝，平均每2 a发生1次雨涝事件，但多以中涝为主，没有出现大涝和特涝.1983年后雨涝事件明显减少，34 a中共出现5次雨涝事件，且没有出现重涝和特涝.全区SPI倾向率为负值，用斯皮尔曼相关分析法对云贵地区年均温与SPI12做了相关性分析，结果表明，温度与SPI指数呈负相关(p<0.01)，相关系数为-0.347.长期来看，云贵地区呈现暖干化的趋势.

3.2 旱涝空间变化特征

为更好地探寻近55 a云贵地区旱涝的空间变化特征，首先分析云贵地区四季SPI3的倾向率.云贵地区春季多年SPI3倾向率小于0的地区多集中在贵州省，且最小值位于贵州的遵义与安顺一带，为-0.023 a-1，而倾向率大于0的地区多在云南省境内且集中分布在云南省的北部中甸一带，其倾向率为0.019 a-1(见图11(a)).说明贵州省春季存在偏干趋势，而云南省春季存在偏湿趋势，这与苗春生等[7]的研究有所不同.由于2005和2010年云南发生了极端春旱，所以导致近几年云南降水量虽偏少但SPI3倾向率仍趋于偏湿状态.

夏季多年SPI3倾向率小于0的地区多集中在云南和贵州省的西南地区，倾向率最小值为-0.025 a-1，位于云南省的沾益、泸西一带及泸水周边地区(见图11(b)).从这个区域看，云贵地区夏季呈偏干的趋势，与方兰等[6]的研究结果一致.

秋季多年SPI3倾向率在空间上呈现由中心向两边逐渐增大的趋势.小于0的区域位于贵州与云南的交界处，且倾向率最小值为-0.023 a-1,位于泸西、盘县一带；最大值为0.005 a-1，位于中甸维西一带(见图11(c)).从整个区域看，秋季存在偏旱的趋势.

云贵地区冬季多年SPI3倾向率均在0左右，无明显的变化，倾向率最小值为-0.022 a-1，位于云南的泸水一带，倾向率最大值为0.02 a-1，位于贵州省贵阳地区(见图11(d)).从全区来看，冬季较为稳定，不存在偏旱及偏涝的趋势.

通过此次抽样调查分析显示，药学部门的合理干预对我院普外科Ⅰ类（清洁）切口手术预防性抗生药物的使用影响显著，不论从预防用药指征的选择、预防用药品种的选择、预防用药的持续时间都有了较为显著的改善。此外，医院领导高度重视抗菌药物的合理使用[15]，根据我院实际情况制定抗菌药物管理办法，将抗菌药物专项整治的处方点评、医嘱点评及其他抗菌药物使用情况作为科室绩效考评工作的重要考评指标，纳入科室和医师的考核评价管理体系，从而提高清洁手术切口预防性使用抗菌药物的合理性。

图11 1960～2014年云贵地区四季SPI3倾向率的空间分布Fig.11 Spatial distribution of tendency rate of the SPI3 in seasons during 1960 to 2014

对云贵地区49个台站55 a SPI12的倾向率进行空间插值处理，可知云贵大部分地区的倾向率都小于0，且最小值位于云贵交界处，即威宁、沾益、泸西一带，倾向率为-0.017 a-1，而云贵地区只有3个台站的倾向率大于0，且都位于云南省西北部(见图12).表明云贵地区的干旱化趋势较为严重.

图12 1960～2014年云贵地区SPI12倾向率的空间分布Fig.12 Spatial distribution of tendency rate of the SPI12in Yun-Gui area during 1960 to 2014

4 结论与讨论

运用标准化降水指数(SPI)结合对气温的突变检验及小波分析等方法，对云贵地区49个站点的逐月降水和气温进行季尺度和年尺度分析，并在气候变化背景下探讨云贵地区旱涝的时空变化特征，得到如下结论：

4.1 近55 a云贵地区气候呈暖干化趋势.其中气温以0.02 ℃·a-1的速率上升，均温在15.7 ℃，1997年发生气温突变.降水量的多年平均值为1 123.95 mm，且以1.590 mm·a-1的速率下降.在时间尺度上降水量存在14 a，28 a的振荡周期.在空间上呈现由南向北逐渐减少的趋势，呈纬度地带性分布.

4.2 从季节尺度看，四季温度呈明显上升趋势，且上升速率冬季>秋季>春季>夏季.55 a来云贵地区四季平均降水量呈下降趋势，且秋季降水量下降速率最快，冬季最慢.

4.3 近55 a云贵地区呈现偏旱的趋势，且夏秋两季呈现较为明显的干旱趋势，而在春季，云南省却呈现偏涝的趋势，与全区域的变化趋势有所不同.

4.4 从空间尺度分析，云南与贵州交界处偏旱现象较为严重，仅在云南省北部出现偏湿现象.

根据云贵地区49个站点的气象数据，主要运用SPI对气候变化特征进行了分析，表明云贵地区气温升高、降水减少，呈暖干化趋势.因SPI能够准确反映旱涝发生的年际和年代际变化趋势，对于区域长期的防洪抗旱有一定的指导作用[22-23]，同时还考虑了气温突变对降水及旱涝的影响.云贵地区常被认为四季如春，但本文的研究表明，秋季由于降水量下降趋势明显且温度上升趋势强，与春季的降水量和温度相差较多，所以云贵地区有变为三季如春或两季如春的趋势.造成这种现象的主要原因是人类进入工业时代后温室气体的排放量不断增加，使全球气温不断升高，最终导致全球气候变暖，云贵地区也因此呈暖干化趋势，干旱频发.

本文借助气温突变前后的倾向率、四季的SPI指数及SPI倾向率，反映了云贵地区的旱涝趋势，但无法直接表达区域干旱的差异性，因此，在今后的研究中要注重通过多个旱涝指标、多角度论证旱涝现象，以提高研究结论的准确性.

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LU Jiayu, YAN Junping, WANG Wenjing, TANG Baoqi, LIU Yonglin

(CollegeofTourismandEnvironmental，ShaanxiNormalUniversity，Xi’an710062，China)

According to the monthly precipitation and temperature data of 49 sites in Yun-Gui area from 1960 to 2014, this paper uses standardized precipitation index, Mann-Kendall mutation test and wavelet analysis method to study the changes in seasonal scale and the year scale of temperature and precipitation characteristics, as well as the drought evolution trend. The results show that: (1)The temperature gradually increased from 1960 to 2014. The temperature rise rate of winter was the largest. The abrupt change of average annual temperature occurred in 1997. (2) The precipitation was decreasing; The fastest decline in autumn, and the slowest in winter; The precipitation presents 14 a and 28 a cycle.(3) Yun-Gui area presented a droughty trend from 1960 to 2014. The summer and autumn drought appeared as an obvious trend. (4)The climate of Yun-Gui area was becoming drought (SPI trend rate was less than 0), and is more seriously at the junction of Yunnan and Guizhou province, while, only the Northern Yunnan rigion becomes wetting. So the climate of Yun-Gui area was becoming warmer and drier in recent 55 years.

climate change; drought and flood; standardized precipitation index(SPI); Yun-Gui area

2016-01-05.

国家社会科学基金重点项目(14AZD094);教育部人文社会科学重点研究基地重大项目(15JJD7900220).

芦佳玉(1992-)，ORCID：http://orcid.org/0000-0002-3909-1830,女，硕士研究生，主要从事区域开发与城乡发展等研究，E-mail：enjiayu123@163.com.

*通信作者，ORCID:http://orcid.org/0000-0003-3983-198X,E-mail：yanjp@snnu.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2017.01.014

P 467

A

1008-9497(2017)01-097-09