气候变化背景下贵州夏旱变化特征分析

廖留峰，杨富燕，张东海，左 晋

(1.贵州省生态气象和卫星遥感中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002；3.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002)

1 引言

贵州地处云贵高原东侧，受季风之惠，降水丰沛，大部地区年降雨量在1 100 mm以上。但季风活动不稳定，造成月、季降雨量时空分布不均且存在较大的年际波动，同时贵州为典型的喀斯特地貌，土层浅薄，土壤总量少，基岩裸露面积大，贮水保水能力差，加上岩石裂隙渗漏性强等特殊的喀斯特地表结构和水文地质条件，导致贵州很多区域每年均会发生不同程度的干旱，这种湿润气候背景下的临时性干旱具有典型的地域特点[1-5]。近年来，贵州境内干旱事件频繁发生，2009—2010年的秋冬春连旱[6]、2011年的夏秋连旱和2013的夏旱[7][8]，给农业生产和国民经济造成了严重影响，损失巨大。

贵州降水多集中于夏季，且不同等级区域性强降水事件与喀斯特地貌结合[9]，导致夏季贵州境内这种湿润背景条件下的干旱尤为明显，常出现几日无雨便成旱的现象。由于省内地形复杂，各地区的海拔差异也较大，加上气候、经济发展等因素的影响，省内各地区之间的干旱分布存在很大的差异。因此，分析近55 a来气候变化背景下贵州夏旱的时空变化，对深入了解夏旱特征、变化规律具有重要的意义。

2 资料与方法

2.1 资料

利用贵州84个气象观测站1961—2015年的年平均气温和年总降水量，分析贵州气候变化特征；利用贵州84个气象观测站1961—2015年逐日降水资料，分析夏旱强度指数的时空特征。

2.2 夏旱强度指数

根据徐永灵等[10]修订的地方标准《贵州省干旱标准》(DB52 _T_1030-2015)，选取区域性夏旱强度指数作为指标，对气候变化背景下的夏季干旱进行分析。区域性夏旱强度指数的计算公式：

I=G+100×(1-R)+100×(H/63)

(1)

(2)

式中，G表示一年中所有夏旱过程中，持续时间最长的一次夏旱时段所占指数值；R表示6月21日—8月31日期间，任意滑动30 d的累计雨量与同期多年平均雨量的最小比值；H表示6—8月期间所有夏旱过程的总日数。D表示一年中最长一次夏旱过程所持续的天数。

公式(1)中，所有夏旱过程的入旱和出旱条件按照《贵州省干旱标准》进行统计计算，无旱(I<88),轻旱(88≤I<118),中旱(118≤I<171),重旱(171≤I≤214),特旱(I>214)；I值越大，表示夏旱等级越高，夏旱强度越强；反之，夏旱等级越低，夏旱强度越弱。

3 贵州气候变化背景分析

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)2007年的报告指出：1995—2006年这12 a里，有11 a位列自1850年以来最暖的12 a中(IPCC， 2007)。1951—2009年，中国年平均温度上升了1.38 ℃，变暖速率达到0.23 ℃/10 a，与全球变暖趋势一致[6]；

1961—2015年贵州气温的多年平均值为15.47 ℃，年平均气温在波动中呈明显上升趋势(P>0.01)(图1)，2015年与1961年相比，年平均温度上升了0.81 ℃，变暖速率达到0.09 ℃/10 a，特别是2000—2015年的年平均气温比1961—1995年的年平均气温增加了0.4 ℃。年平均气温最低值为1984年的14.57 ℃，年平均气温最高值为2013年的16.35 ℃；且1998年以前以负距平为主，1998年之后以正距平为主，这与全国20世纪90年代之前是偏冷时期，之后为偏暖时期基本一致。

图1 贵州1961—2015年逐年平均气温变化Fig.1 The annual average temperature change in Guizhou from 1961 to 2015

从贵州1961—2015年年总降水量变化特征可以看出(图2)，贵州境内降水量充沛，年总降水量的多年平均值为1 198.77 mm，但年际间波动比较大，变化趋势不明显(P>0.05)。年总降水量的最低值为2011年的848.27 mm，最高值为1977年的1 422 mm。从年平均降水距平值可以得出，贵州年总降水量在1983—1992年、2002—2013年期间相对偏少，1961—1983年、1992—2002年期间相对偏多。

图2 贵州1961—2015年逐年总降水量变化Fig.2 Annual change of total precipitation in Guizhou from 1961 to 2015

总之，年平均气温呈升高趋势，年总降水量在平均值附近波动，年际变化较大，减少趋势不明显，在这种气候背景下更易发生干旱。夏季总降水量(图略)的多年平均值为555.8 mm，1961—1990年间夏季总雨量的年际变化较大；1991—2001年期间夏季总降雨量偏多，2002—2013年夏季总降雨量偏少。贵州夏季降雨的波动性使得夏旱也具有其独特的特征。

4 夏旱变化特征

4.1 夏旱时间变化特征

4.1.1 夏旱年际变化 图3为1961—2015年贵州夏旱强度指数的时间变化图，从图中可以看出，夏旱强度指数随时间在平均值附近波动。多年平均值为132.35，达到中旱级别；近55 a中，夏旱强度指数最低值均大于88，即贵州每年均出现不同程度的夏旱，其中1972年、2013年出现了明显的峰值，分别为224.2、228.1，达到特旱级别；1966年、1990年、2011年的年平均夏旱强度指数也较高。除上述年份外，各年夏旱强度指数变化幅度较小，近10 a来震荡幅度有明显的增大。

图3 1961—2015年贵州省夏旱强度指数的时间变化图Fig.3 Time variation of summer drought intensity index in Guizhou from 1961 to 2015

4.1.2 夏旱突变及周期特征 利用曼-肯德尔法(Mann-Kendall，M-K)对近55 a来的夏旱强度指数做突变检验(图4)，从图中可以看出， UF曲线在1961—1988年为负值，即夏旱强度指数在90年代前呈现出下降趋势；1989—1999年，UF>0，1999—2004年，UF<0，自2005年以来，UF>0，夏旱强度指数上升趋势显著。总体上，近55 a夏旱强度指数的变化趋势具有下降—上升—下降—上升的变化特征。UF曲线与UB曲线在2005年附近交叉，交点位置位于两根置信线之间，表明夏旱强度指数在2005年附近存在突变现象。突变发生前夏旱强度指数的多年平均值(1961—2005年)为129.1，突变点后夏旱强度指数的多年平均值(2005—2015年)为145.1，比突变发生前升高16。

图4 1961—2015年贵州省夏旱强度指数M-K突变检验结果Fig.4 M-K mutation test results of summer drought intensity index in Guizhou province from 1961 to 2015

利用Morlet小波分析法对贵州55 a的夏旱强度指数(I)进行周期分析。从图5a中可以看出，1961—2015年间夏旱强度指数存在两个主要的振荡周期：9 a和20～21 a。两个主要振荡周期在2005年附近都存在系数转变的现象，由此可见，夏旱强度指数(I)的振荡周期均在此期间发生了突变现象，这与M-K突变检验结果是一致的。小波方差值反映了能量波动随尺度的分布情况，一般用来定量地分析变量时间序列上的主要周期。从图5b的小波方差结果可以看出，夏旱强度指数存在3个能量波动高值，分别为3 a、9 a和20～21 a。由于气象要素的短时期变化属于自然波动，前3 a的小波方差忽略不计，以20～21 a为中心的方差贡献最大，其次为9 a。得出在1961—2015年中，20～21 a为主要周期，其振荡最强，其次的年代际尺度周期是9 a。

图5 1961—2015年夏旱强度指数时间小波变换实部(a)及小波方差结果(b)Fig.5 Real part (a) and wavelet squared difference result (b) of time wavelet transform of summer drought intensity index from 1961 to 2015

4.2 夏旱空间变化特征

4.2.1 东部重西部轻 图6为1961—2015年间夏旱强度指数多年平均值的空间分布图。从图中可以看出，夏旱强度指数的多年平均值介于102.7～161.6之间，其分布特征为：毕节东部、遵义、铜仁、贵阳中东部、黔南州北部、黔东南州中东部的夏旱强度指数总体偏高，指数值均大于145，最大值位于余庆县，夏旱强度指数高达161.6。夏旱强度指数的低值区位于贵州西部的黔西南州中西部、毕节西部、安顺西部以及六盘水市，其值介于102.7～115之间。由此可见，夏旱强度指数由贵州西部到东部逐渐变强，具有东部重、西部轻的特征。

图6 1961—2015年平均贵州夏旱强度指数分布图Fig.6 Distribution of average summer drought intensity index in Guizhou from 1961 to 2015

选取1966年、1972年、1990年和2013年共4个夏旱灾害影响较重的年份作为个例年。4 a中，以西部地区的毕节—六盘水—黔西南的夏旱强度较轻，特旱主要出现在东部和北部的黔东南—铜仁—遵义，但各年特旱影响区域有所不同。1966年夏季重旱以上主要分布在中东部地区(图7a)；1972年特旱主要分布在中部以东南地区、重旱主要分布在北部地区(图7b)；1990年重旱及以上主要控制遵义及其周边地区，特旱集中在遵义中部呈南北向分布，且安顺市、紫云县和黎平县亦受重旱影响(图7c)；2013年特旱影响范围最广，主要分布在贵阳市以东、以北和紫云县，重旱主要分布在毕节局部、贵阳西部边缘、安顺东南部、黔南北部与黔东南北部交界处和黔西南州册亨县(图7d)。

图7 1966年(a)、1972年(b)、1990年(c)和2013年(d)基于夏旱强度指数的贵州夏旱等级分布Fig.7 Grade distribution of summer drought in Guizhou based on the intensity index of summer drought in 1966 (a), 1972 (b), 1990 (c) and 2013 (d)

综上所述，较重的夏季干旱主要分布在贵州中部以东部地区，西部地区夏季干旱相对较轻。

4.2.2 突变前后夏旱分布 从夏旱强度指数的M-K检验结果得出2005年为突变年，因此将突变前1961—2004年的年平均夏旱强度指数空间分布和突变点后2005—2015年的年平均夏旱强度指数空间分布进行对比分析(图略)。突变前后，夏旱的总体分布均为西部轻、东部重；突变发生前(1961—2004年)，夏旱强度指数介于102.7～160之间；突变发生之后(2005—2015年)，夏旱强度指数明显增强，指数>145的区域明显增大，夏旱强度指数介于101～115之间的区域明显减少。特别是遵义中部、铜仁南部以及黔南州北部和东部边缘一带，突变前后的夏旱强度指数变化显著，由突变前的130～145之间增大到160以上。

5 小结

综合以上的分析，得出以下结论:

①近55 a来，在贵州气温升高、年总降水量在平均值附近波动的背景下，年夏旱强度指数随时间在平均值附近波动，多年平均值为132.35，达到中旱级别；55 a的年夏旱强度指数值均大于88，表明贵州每年均出现不同程度的夏季干旱。

②夏旱强度指数在2005年附近存在突变现象。突变发生前，夏旱强度指数的多年(1961—2005年)平均值为129.1；突变年之后，多年(2005—2015年)平均值增加为145.1，比突变发生前升高16。近55 a夏旱强度指数的主要周期为20～21 a，其次的年代际尺度周期是9 a。

③贵州夏旱强度指数的空间分布特征为从西部到东部逐渐变强，东部重、西部轻。毕节东部、遵义、铜仁、贵阳中东部、黔南州北部、黔东南州中东部的夏旱强度指数总体偏高，其指数值均大于145。低值区位于贵州西部的黔西南州中西部、毕节西部、安顺西部以及六盘水，其指数值介于102.7～115之间。夏旱灾害影响较重的1966年、1972年、1990年和2013年，较重的夏季干旱主要分布在贵州中部以东部地区，西部地区夏季干旱相对较轻。

④突变发生之后，夏旱强度指数明显增强，强度指数>145的区域明显增大，强度指数介于101～115的区域明显减少。