云南高原岩溶区极端降水变化规律研究

曾学梅，丁文荣

(云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500)

1 研究背景

气候变暖的背景下，极端天气气候事件在全球范围内发生的频率越来越高,由此引发的极端降水事件对人民生命财产、区域社会经济发展以及生态环境提出了新的挑战[1-2]。目前，国内外学者分别从不同时空尺度开展了大量有关极端降水变化趋势和规律的研究，表明不同区域的极端降水变化规律各具特点，同一区域指数变化不同[3-11]。

云南岩溶高原地处中国的西南地区，地质状况条件复杂，在我国气候区中属于湿润区，但由于河谷深切，常年处于“干旱”或“半干旱”的状态[12]。加之岩溶区易形成石漠化，基岩裸露高，地表植被稀少、生态环境脆弱、抗逆和人为干扰能力差等特点，形成了岩溶区无雨则旱，有雨则涝的特有恶性循环，对区内生态文明建设构成了严重阻碍。以往对云南地区降水变化的研究多集中在短时强降水[13]、日极端降水[14]、雨日数[15]、降水与气温变化特征[16-17]以及降水异常的气候成因[18]等单方面，针对岩溶区多种极端降水指数系统的研究成果鲜见。鉴此，本文以云南高原3个岩溶片区9个气象站点为研究对象，选取6个极端降水指数，从不同维度研究极端降水变化规律，以期为岩溶区水资源管理、水土流失防治、生态环境整体改善提供科学依据。

2 研究区概况

云南高原岩溶区位于云南省的中东部，具体包括滇中、滇东南、滇东北3个岩溶片区(101°15′54″～106°11′54″E，22°26′38″～28°40′33″N)，全省岩溶面积为110 875.7 km2，滇东南、滇中、滇东北3个岩溶区占全省岩溶面积的2/3，云南高原岩溶区分布见图1。研究区属亚热带高原季风气候，四季年较差小，干、湿季节分明，其中夏秋半年为湿季，冬春半年为干季。地貌类型丰富多样，以溶蚀盆地、石丘、中山山地、石牙、石笋、溶洞等为主。随着气候类型的变化，形成以山原红壤为主，兼有石灰岩地区特有的土类石灰土、紫色土等多种土壤类型及亚热带季风常绿阔叶林、温性湿润性常绿阔叶林以及华山松/云南松林[19]等植被类型分布。近年来随着人口的剧增，土地资源愈发紧缺，人、水、地之间的矛盾愈发突出，水资源短缺已经成为制约区域经济发展的重要障碍。

图1 云南高原岩溶区及气象站点分布

3 资料来源与研究方法

3.1 资料来源

根据王宇等[20]划分云南省岩溶区的方法，云南高原包括滇东北、滇中以及滇东南3个片区。遵循可得性、均衡性、科学性、连续性等资料获取原则，获取研究区9个气象站点1960 -2017 年的逐日降水量数据。其中滇东南4个站点，滇中4个站点，滇东北1个站点，研究区气象站点分布见图1。站点数据来源于国家气象局和云南省气象局。所用站点平均高程为1 693 m，其中会泽站海拔最高，为2 110.5 m，广南站海拔最低，为1 249.6 m。

3.2 研究方法

本文采用气候变化检测和指数专家团(简称ETCCDI)推荐的6个极端降水指数探究极端降水变化规律，极端降水指数的计算基于MATLAB软件完成，选取的6个极端降水指数及其定义见表1。时间维度上运用倾向分析[21-22]、Mann-Kendall突变检验法[23]、Morlet 连续小波分析法[24]、滑动平均法[25]对各极端降水指数的年际变化、突变现象、周期性变化以及波动特征进行分析，空间维度上基于ARCGIS空间分析软件对各极端降水指数进行反距离插值(IDW)[26-27]，并运用IBM SPSS Statistics 21软件对各极端降水指数与年总降水量的关系进行一致性分析。

4 结果与分析

4.1 极端降水指数年际变化趋势分析

图2为云南高原岩溶区1960-2017年各极端降水指数年际变化。

由图2可知，CDD、RX1day、RX5day、SDII 4个指数整体上呈上升趋势，其余两个指数CWD、PRCPTOT主要呈下降趋势,下降速率分别为0.32 d/10a、14.78 mm/10a。具体来看：1960-2017年云南高原岩溶区CDD上升趋势较为明显，速率为0.66 d/10a，持续干旱时间最长为71 d，出现在1984年，最短为2000年的23 d(图2(a))；CWD波动比较剧烈，持续降水日数波动范围为5～11 d(图2(b));RX1day以0.23 mm/10a年的速度缓慢增长，1987年的日最大降水量为52.6 mm，是研究时段内的最低值，1999年达到峰值，为97 mm；RX5day增长速度较RX1day迅速，为0.54 mm/10a，增长速度为RX1day的1.4倍；SDII强度最大出现在2014和2015 年，为12.2 mm/d,强度最低出现在2011 年，比强度最大年份少3.6 mm/d；PRCPTOT在1961年降水量最多，为1 194.3 mm ，2011年降水量最少，仅为675.4 mm。

表1 选取的各极端降水指数及其定义

图2 1960-2017年云南高原岩溶区各极端降水指数年际变化

图2中5a滑动值的年际变化表明，1970年以前CDD整体呈上升态势，1970-1973年呈下降倾向,1973-1987年又表现为波动增加态势,而1985年至21世纪初整体回落,而后又呈增长态势,2013年后整体又滑落。CWD除经历3个平稳期(1982-1993年、1997-2003年、2004-2010年)外，波动起伏较剧烈。RX1day与RX5day波动态势较一致，经历1965、1972、1986、1993、1998、2006年6个时间点7个阶段，1～7阶段表现为“上升-下降-上升-下降-上升-下降-上升”趋势；SDII与PRCPTOT也经历1980年前、1980-1986年、1986-1993年、1993-1998年、1998-2012年、2012年以后6个阶段，1～6阶段呈“减少-增加”的趋势循环变化。

运用M-K检验法对各极端降水指数的趋势进行显著性检验知，仅CWD 在0.05的显著性水平内变化显著，其余指数趋势变化不明显。

4.2 极端降水指数突变分析

云南高原岩溶区 1960-2017 年各极端降水指数 Mann-Kendall 突变检验情况见图3。从图3中UF曲线可知，CDD在1967年以前整体呈不显著的波动上升态势，之后下降趋势较为明显，2006年以后整体又呈不显著的增长趋势(图3(a))。CWD在1963年以前持续降水日数总体处于偏高的态势，1963年以后持续降水日数总体呈偏低的态势(图3(b))。RX1day突变现象较为复杂，1960-2017年UF、UB曲线共存在7个可能突变的点，时间分别发生于1973、1988、1994、2000、2007、2011以及2015年，其中2000、2011以及2015年突变现象明显(图3(c))。RX5day在研究时段内也存在7个较为明显的可能突变点，年份分别为1967、1973、1987、1994、2000、2014 以及2016，其中UF曲线1967年前超出显著水平，说明1967年以前RX5day增加趋势较显著(图3(d))。

由图3(e)可以得出，指数SDII的UF、UB曲线在0.05的置信区间内存在3个可能突变的点：1961、2014及2015年，1961年UF曲线冲出零值线，表明突破之前低水平的发展状态开始向较高的水平发展，1961-2014年UF曲线持续在零值线以下，且于1980-1994年两次超出了0.05的置信水平线，表明在此期间偏低现象较为显著，2016年SDII又由相对偏低期转为相对偏高期，偏高现象不明显。PRCPTOT 在2000年突变现象最为明显，2000年以前整体呈波动下降态势，2000年以后总降水量有显著的减少趋势(图3(f))。

图3 1960-2017年云南高原岩溶区各极端降水指数M-K突变检验

但是，采用滑动T检验后，发现仅CDD和PRCPTOT存在突变点，突变点分别为2006年以及2000年。

4.3 极端降水指数周期性分析

图4为1960-2017年云南高原岩溶区各极端降水指数小波系数及方差图。

由图4(a)可知，CDD存在28～30、22、15～16、8～10 a 周期变化，其中28～30 a时间尺度的周期贯通整个时域，且存在两个明显的高值与低值中心，高、低值中心分别为1960和2015年以及1975和2003年；8～10 a时间尺度上的周期局部性较为明显，主要发生在1960-1987年以及2015年；22 a与15～16 a时间尺度上出现了两个较明显的干旱中心，分别为1997和1986年。CWD周期性变化主要集中在26～30和21～23 a时间尺度上，其中26～30 a周期具有全时域特征，21～23 a时间尺度上2000-2005年震荡较强(图4(b))。由图4(c)、4(d)可以看出，RX1day和RX5day的周期存在异同点，都具有27～30 a时间尺度上贯穿全时域的周期以及局部震荡较强的 22～23 a的周期，不同之处是RX5day在15～16 a时间尺度上还存在局部的短周期，即1977-1987年和2004-2015年两个时间段。由图4(e)可以看出，SDII存在27～30、21 a时间尺度的周期变化，27～30 a时间尺度上周期变化最为明显，21 a时间尺度上存在1个高的与1个低的强度中心，时段分别为1987-1993年与1998-2004年。由图4(f)可知，PRCPTOT存在 27～30、21 a周期变化，27～30 a时间尺度上存在3个湿润中心和两个干旱中心，湿润中心集中在1960、1995-2000、2015年3个时间段，干旱中心集中在 1975、2005-2015年两个时间段；21 a时间尺度上1985-2003年震荡较明显。

图4 1960-2017年云南高原岩溶区各极端降水指数小波系数、方差图

4.4 极端降水指数空间分布

1960-2017年云南高原岩溶区各极端降水指数空间分布如图5所示。由图5可知，1960-2017年云南高原岩溶区各极端降水指数空间差异较为明显。从站点层面来看，最长持续干旱时间CDD年均值最高可达44 d，昭通站表现最为突出，昆明站次之，屏边站最低，为27 d，持续干旱现象由滇东北及滇中西部像滇中东部、滇东南岩溶区缓解(图5(a))；CWD屏边站最高，持续降水日数达11 d，会泽站最低，比屏边站少4 d，CWD由研究区最南端向中西部、中东部、北部逐渐递减(图5(b))；RX1day与RX5day的空间分布较为相似，降水量均为屏边站最高，沾益、昆明站次之，昭通站最低,总体上由滇东南和滇中向滇东北岩溶区递减(图5(c)、5(d))。由图5(e)可以看出，降水强度SDII均值介于8.2～12.7 mm/d之间，降水强度由大到小排列为屏边站>广南站>昆明站>沾益站>玉溪站>泸西站>蒙自>会泽站>昭通站，空间差别较明显。由图5(f)可知，1960-2017年屏边站年总降水量PRCPTOT最多，广南站次之，昭通站最低，空间上由滇东北向滇中、滇东南岩溶区逐渐递增。从整体看，云南高原岩溶区极端降水指数除CDD表现为由南向北逐渐递增趋势外，其余5个指数均表现为由南向北逐渐递减的相反趋势。

4.5 极端降水指数相关性分析

1960-2017年云南高原岩溶区极端降水指数相关性分析结果见表2。由表2可知，1960-2017年云南高原岩溶区各极端降水指数与年总降水量PRCPTOT相关性较好，相关系数均在0.99(p<0.01)以上，相关程度由强至弱的排序为CWD>RX1day>RX5day>SDII>CDD。此外，由表2还可以看出，云南高原岩溶区各极端降水指数间也存在较好的相关性，如CDD与SDII、CWD与RX1day、SDII与RX5day相关系数也达到了0.99，在0.01的显著性水平上为极显著相关。

图5 1960-2016年云南高原岩溶区各极端降水指数空间分布

表2 1960-2017年云南高原岩溶区极端降水指数相关性分析

注：**表示 在 0.01 水平(双侧)上显著相关。

究其原因，持续湿润日数CWD这个表征干旱状态的指数[28]与年总降水量PRCPTOT关系较为密切，持续湿润日数增加或减少，年总降水量也会随着增加或减少，这与2009-2010年云南遭遇特大干旱所表现出来的特征[29]以及本文CWD与PRCPTOT在2009-2010年变化趋势一致(图2)。此外，从指数性质来说，CDD、CWD为持续性指数，RX1day、SDII及RX5day为强度指数，除与总降水量关系密切外，各指数间也联系紧密。

综上所述，本文所选的极端降水指数能够表征云南高原岩溶区的降水变化情况。

5 结论与讨论

本研究基于云南高原岩溶区9个站点1960-2017年的逐日连续降水量数据，运用倾向分析、Morlet连续小波变换、插值分析等方法，从时间和空间两个维度分析了云南高原岩溶区极端降水的变化特征，得到以下主要结论：

(1)云南高原岩溶区1960-2017年各极端降水指数中，CDD、RX1day、RX5day、SDII主要呈小幅上升趋势，而PRCPTOT整体呈减少趋势,CWD呈显著的下降趋势，减少和下降的速率分别为14.78 mm/10a、0.32 d/10a。从5 a滑动平均值看，除CWD经历3个平稳期，波动起伏较剧烈外，CDD、RX1day、RX5day普遍经历“上升-下降-上升-下降-上升-下降”的趋势，SDII与PRCPTOT在1～6阶段呈“减少-增加”的趋势循环变化。Mann-Kendall非参数显著性结果表明，仅CWD达到了0.05的显著性水平。

(2)Mann-Kendall方法结合滑动T检验的结果显示，1960-2017年间仅有CDD和PRCPTOT两个指数发生了显著突变，突变年份分别为2006年以及2000年。

(3)云南高原岩溶区1960-2017年各极端降水指数周期性振荡较为明显，其中CDD、CWD周期分别在28～30 a、26～30 a时间尺度上具全时域特征；RX1day与RX5day的周期存在异同点，27～30 a时间尺度上周期贯穿全时域，15～16 a时间尺度上RX5day存在局部的短周期；SDII在 27～30 a时间尺度上周期最为明显；PRCPTOT在27～30 a时间尺度上出现3个湿润中心和两个干旱中心，21 a时间尺度上局部震荡较明显。

(4)1960-2017年云南高原岩溶区各极端降水指数空间差异较为明显，除CDD表现为由南向北逐渐递增趋势外，其余5个指数均表现为由南向北逐渐递减的相反趋势。CDD、CWD、RX1day、RX5day以及SDII均与 PRCPTOT 呈一致的正相关，相关系数均超过0.98，在0.01的显著性水平上为极显著相关。

本文通过对云南高原岩溶区各极端降水指数的趋势、突变、周期以及空间变化特征的研究，表明1960-2017年来云南高原岩溶区的极端降水事件整体上呈小幅的增加趋势，具体表现为总量(PRCPTOT)减少、频率(SDII)增加、强度(RX1day与RX5day)增大、干旱(CDD与CWD)日数增多。由此说明干旱、洪涝等灾害性事件仍然是云南高原岩溶区所面临的问题，这与吴兴国[30]对云南岩溶区的相关研究结论一致。此外，由于降水频率和强度的增加，石漠化地区水土流失的情况会加重，因而在石漠化综合治理时植被的有效恢复仍是重点所在。

本文研究也表明，石漠化区降水极端化是趋势，这与非石漠化区[15-16,31-32]是否一致、是否具备相同的变化数量级，仍有待加强进一步研究。