基于气象数据的云南省干旱时空变化特征分析

王 涛，冯瑞斯，陈璐，张 超

(西南林业大学林学院，云南 昆明 650224)

基于气象数据的云南省干旱时空变化特征分析

王 涛，冯瑞斯，陈璐，张 超

(西南林业大学林学院，云南 昆明 650224)

基于云南省31个站点47年的逐月观测气象数据，通过计算降水量距平百分率(Pa)及潜在蒸散量(ET0)指数值，从时间和空间2方面对干旱发生频率及发生地点进行分析。结果表明：1958—2004年，云南省春、夏、秋、冬4个季节均有发生干旱的情况。其中，冬季干旱最为严重，春季次之，而夏季仅有2年发生了轻微干旱，其余年份夏季无旱。空间分布上，滇中与滇东南地区相对较旱；滇西南降水充沛，极少干旱；滇北，尤其是与西藏接壤的迪庆地区旱情较为严重。云南省总体降水量充沛，但降水在空间上分布不均和降水在时间上过于集中是导致干旱事件发生的重要原因。

干旱；降水量距平百分率；潜在蒸散量；干旱等级分布；时空变化特征；气象数据；云南省

干旱作为一种常见的自然灾害，严重影响着农业和经济的发展。近年来大量的事实证明，云南省的干旱灾害正在加剧，但由于干旱的成因十分复杂，监测和预警都较为困难[1-2]。一般把干旱分为气象干旱、水文干旱、农业干旱等，而气象干旱是各种干旱的根本成因，因此只有探明气象干旱发生的机理才能进一步地研究其他干旱，继而才能有效地监测和预警其他各类干旱[3-4]。目前国内外学者对于干旱的研究普遍较多的是使用干旱指数来简化和描述复杂的干旱[5-7]。干旱指数是表示干旱程度的一个特征量，它是旱情描述的数值表达，在干旱分析中起度量、对比和综合等作用。常用的干旱指数有降水距平、标准差、Z指标和标准降水指数(SPEI)等[8]。

随着更多有价值有说服力的干旱指数的提出，我国很多学者利用常用的干旱指数对各地的旱情特征做了大量研究。周丹等[9]基于标准化降水蒸散指数对陕西省近50年的干旱特征进行了分析，结果揭示了陕西省干旱发生的时空和强度演化特征。马琼等[10]基于标准化降水蒸散指数对黄土高原1960—2012年干旱时空特征进行了研究。李伟光等[11]基于标准化降水蒸散指数对中国59年来干旱的空间分布、四季干旱趋势变化和全国极端干旱事件发生频次进行了分析，并定性分析了干旱发生的原因。目前应用干旱指数研究干旱特征的研究主要集中于我国西北部干旱特征较为明显的地区，但对于云南省这样一个气候类型复杂多样，降水充足却仍闹旱灾的地区研究尚比较缺乏。本文基于云南省近几十年的气象数据，用降水量距平百分率计算方法和潜在蒸散量计算方法分析了云南省近几十年干旱时空特征，以期为全省的干旱监测预报和防旱减灾工作提供可靠的理论依据。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

云南省(21°8′32″～ 29°15′8″N，97°31′39″ ～ 106°11′47″E)地处中国西南边陲，北回归线横贯本省南部，东西直线距离为864.9 km，南北纵距为990 km，总面积39.4万 km2，占全国面积的4.11 %，位居全国第8。地形条件复杂，地势起伏明显，地貌以山地、盆地和高原台地为主。全省共有大小河流600余条，并有著名的九大高原湖泊分布。气候类型复杂多变，平均温度在5 ～ 24℃左右，南北气温相差达19℃，全年降水充足，但干湿分明，分布不均，是我国洪灾和旱灾极为严重的省区之一。

1.2 数据来源与处理

本文选用的气象数据主要为气象站点的实测数据。选取了分布于云南省的31个气象站点(图1)1958—2004年逐日的平均气温、平均降水、平均相对湿度、平均日照时速、平均风速和平均干燥度，并根据邻近站点的实际资料对部分站点缺失的资料进行插值，以保证数据的完整性。

图1 研究区及气象站点分布

2 研究方法

2.1 降水量距平百分率(Pa)计算方法

降水量距平百分率(Pa)是指某个研究时长的降水量与多年平均降水量之差占多年平均降水量的百分比。它是表征某一时段降水量较多年平均值偏多或偏少的指标，能直接反映降水异常引起的干旱，在气象日常业务中多用于评估月、季度和年发生的干旱情况。其表达式为：

(1)

计算得到降水量距平百分率(Pa)后，按《气象干旱等级》的规定，结合云南省的实际情况，使用干旱等级标准中的年尺度划分干旱等级。干旱等级的划分标准如表1。

2.2 潜在蒸散量(ET0)计算方法

潜在蒸散量(ET0)也称为可能蒸发量或大气蒸发能力，是指大片而均匀的自然表面在足够湿润条件下水体保持充分供应时的蒸散量，它是实际蒸散量的理论上限，也是实际蒸散量的计算基础。1998年联合国粮食与农业组织修订并推荐了Penman-Monteith模型来计算参考作物的潜在蒸散量(ET0)[12]。其表达式为：

表1 降水量距平百分率干旱等级划分标准Tab.1 Drought grade of the percentage of precipitationanomaly

ET0=ETrad+ETaero

(2)

(3)

(4)

式中，ETrad为辐射项(mm/d)；ETaero为空气动力学项(mm/d)；Rn为净辐射；△为水汽压对温度的斜率(kPa/℃)；G为土壤热通量(MJm-2/d)；γ为干湿球常数；U2为2m高处的风速(m/s)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；σ为Stefan-Boltzmann常数(4.903·10-9MJ·K-4·m-2·d-1)；Tk-为绝对温标温度(K)；n为实际日照时速；N为可照时速；R为天文辐射；RS为太阳辐射；RSO为晴天辐射；c=0.34，d=0.14，e=1.25；f=0.35；a=0.25，b=0.5。

3 结果与分析

3.1 基于降水量距平百分率(Pa)的干旱特征分析

3.1.1 时间特征分析

为能清楚地描述云南全省各个季节的降水量距平百分率变化情况，生成多年春、夏、秋、冬4个季节的平均降水量距平百分率变化趋势图(图2)。春季降水量距平百分率(Pa)年际变化较明显，而且有轻微升高的趋势。最低年份为1958年，Pa值为-48.05，最高年份为1990年，Pa值为61.53。就春季来说，共计14年发生了不同程度的干旱。其中，特旱的年份有3年，分别是1958、1963和1969年；重旱的年份为1987年；中旱的年份有3年，轻旱有7年。夏季降水量距平百分率(Pa)年际变化较明显，且有轻微降低的趋势。最低年份为1992年，Pa值为-24.96，最高年份为1966年，Pa值为28.77。轻旱年份有2年，分别为1989和1992年，无中旱、重旱、特旱年份。夏季基本无旱或轻旱。秋季降水量距平百分率的变化趋势随时间的推移没有明显向上或向下的变化趋势，但波动较大，Pa值忽高忽低。最低年份为1962年，Pa值为-35.76，最高年份为1983年，Pa值为35.93，共5年发生不同程度的干旱。其中，中旱年份有4年，分别是1958、1962、1969和1998年；1960年为轻旱年份。冬季降水量距平百分率的变化趋势随时间的推移没有明显向上或向下的变化趋势，且Pa值忽高忽低，最低年份为1974年，Pa值为-72.51，最高年份为1959年，Pa值为141.02。冬季共发生了19次程度不同的干旱，其中，特旱、中旱、轻旱年份相对较多。特旱年份有5年，重旱年份有2年，中旱年份有4年，轻旱年份有8年。

3.1.2 空间特征分析

利用ArcGIS里的Naturalbreaks依据干旱等级标准将每个站点的Pa值分为5个等级，分别为：重旱(-450)(图3)。由图3分析可知，在这31个气象站点中，3个站点处于重旱中，Pa值分别为：-43.15、-42.86、-42.58，依次位于云南中甸、元谋、德钦3个县份。1个站点处于中旱，Pa值为-36.99，位于云南昭通。6个站点处于轻旱，Pa值分别为：-29.09、-28.67、-24.09、-22.95、-18.2和-16.81，依次位于云南会泽、元江、蒙自、楚雄、玉溪、泸西。10个站点的Pa值处于-15～0之间，处于云南省降水量平均值之下，水分缺失较少。云南省西南地区站点的Pa值基本大于0，相对湿润。

3.2 基于潜在蒸散量(ET0)的干旱特征分析3.2.1 时间特征分析

为了能清楚地描述云南全省各个季节的潜在蒸散量(ET0)变化情况，生成多年春、夏、秋、冬4个季节的平均降水量距平百分率变化趋势图(图4)。1958—2004年的春季潜在蒸散量(ET0)随时间的推移有轻微上升的趋势，其范围值在256.17 ～ 303.64之间，平均值为278.52。该值忽高忽低，没有明显的规律。1967年ET0值最高，需水量最多，相对较缺水。1974年ET0值最低，需水量较少，为256.17，相对湿润。夏季潜在蒸散量(ET0)随时间的推移没有明显向上或向下的变化特征，其范围值在216.88 ～ 275.22之间，平均值为252.08，相比较其他季节，ET0均值有所下降，除1983年的222.87和1992年的216.88较低以外，其余年份的ET0值都分布在230～275之间，变化幅度比较小。秋季潜在蒸散量(ET0)随时间的推移有明显的向上或向下变化趋势，其范围值在236.61 ～ 280.26之间，平均值为256.01。从图4来看，该值上下波动较为明显，1998年ET0值最高，为280.26，需水量较多，相对较为缺水；1988年ET0值最低，为236.61，需水量较少，较为湿润。冬季潜在蒸散量(ET0)并无明显向上或向下变化的趋势，其范围值在295.16 ～ 396.33之间，平均值为341.65，相对其他季节较高。1991—2004年(除2000年以外)比较平缓，变化较小，而1991年之前ET0值变化较大。

图2 各年度春、夏、秋、冬季降水量百分率变化趋势

图3 基于降水量距平百分率的干旱等级分布

3.2.2 空间特征分析

分别计算每个点的潜在蒸散量(ET0)，并利用ArcGIS里的Natural breaks将潜在蒸散量(ET0)值分为6个等级，分别为：1 000 ～1 300、1 300～1 600、1 600～1 900、1 900～2 200、2 200～2 500、2 500～2 800(图5)。

在这31个气象站点的潜在蒸散量(ET0)值中，最高值为2 566.89，位于德钦县；最低值为1 165.53，位于元谋县。德钦、中甸、贡山、屏边等县ET0值较高，需水量较多，较为缺水。由于云南地处低纬度高原，地理位置特殊，地形地貌复杂，气候类型十分丰富，南北高差悬殊达6 663.6 m，导致云南省气候区域差异和垂直变化十分明显。全省范围内因纬度因素造成了很大的温差，加上不同大气环流的影响，降水在季节和地域上的分配极不均匀，6—8月的降水约占全年的60 %。所以，单纯地研究整个云南省气候特征来反映整个省的干旱情况有失偏颇，划分区域和季节(或月份)对云南省的干旱进行研究十分必要。

图5 基于潜在蒸散量的干旱等级分布

4 结论与讨论

利用云南省1958—2004年31个气象站点的逐月观测数据，基于降水量距平百分率指数(Pa)和潜在蒸散量(ET0),从时间尺度和空间尺度2个方面，分析了云南省47年四季干旱的时空变化特征，主要结论如下：

1)云南省降水量在季节上分布不均匀，夏季降水较为充沛，春季和冬季降水较少，特别是冬季。按等级标准划分，春季表现为中旱，冬季为特旱，秋季和夏季无旱。

2)从时间变化上看，1958—2004年，共有14个年份在春季发生了不同程度的干旱。夏季轻旱年份有2年，分别是1989和1992年，且夏季无中旱、重旱和特旱年份。秋季中旱年份有4年，分别是1958、1962、1969和1998年，且无重旱、特旱年份。冬季共有19个年份发生了不同程度的干旱，其中，特旱、中旱、轻旱年份相对较多，特旱年份5年、中旱4年、轻旱8年。

3)从空间分布上看，滇中与滇东南地区相对较旱。滇西南降水充沛，极少干旱。滇北，尤其是与西藏接壤的迪庆地区旱情较为严重。

虽然降水量距平百分率指数(Pa)和潜在蒸散量(ET0)在一定程度上能够较为准确地反映一个地区的干旱情况，但由于云南省特殊的地理位置和气候条件，在分析旱情时不能单纯、笼统地分析整个云南省的干旱特征。划分更细的时间和空间尺度将是今后研究的重点。

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Temporal and Spatial Analysis of Drought in Yunnan Province Based on Meteorological Data

WANG Tao, FENG Ruisi, CHEN Lu, ZHANG Chao

(Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

Based on the monthly meteorological data of 31 sites in Yunnan Province, we analyzed variation in drought temporal characteristics and the spatial distribution and frequency of drought based on percentage of precipitation anomalies (Pa) and potential evapotranspiration (ET0) index. The results showed that: from 1958 to 2004, there were drought in spring, summer, autumn and winter in Yunnan Province, among them, the winter drought was the most serious, followed by spring, and then autumn, and only two years of summer occurred drought, and the rest of the years did not occurred drought in summer; In spatial distribution, central Yunnan and Southeast Yunnan were relatively dry. The southwestern Yunnan, especially the Diqing area which bordered with Tibet, the drought was very serious; the total precipitation in Yunnan Province was abundant, but the spatial distribution of precipitation and the over-concentration of precipitation in time were the main reasons leading to the occurrence of drought in Yunnan Province.

drought; percentage of precipitation anomaly; potential evapotranspiration; drought distribution; temporal and spatial variation characteristics; meteorological data; Yunnan Province

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.02.005

2017-03-02

国家自然科学基金项目(31460195和31660236).

王 涛(1991-)，男，四川西昌人，硕士研究生.主要从事资源环境遥感的研究.Email:1050789968@qq.com

张 超(1980-)，男，河北唐山人，副教授，博士.主要从事森林经理学研究.Email: zhchgis@126.com

S716

A

1671-3168(2017)02-0020-05