61年来滇西南地区干热河谷与热带雨林地区气候变化分析*

王妍方，李仕杰，罗琪，杨巧，朱润军，杨畅宇，程希平

(1.西南林业大学 地理与生态旅游学院,云南 昆明 650224；2.云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650224)

IPCC第五次评估报告指出，气候变暖是既定事实，1880—2012年全球陆地和海洋温度平均增加了0.85 ℃[1]。我国国土内分布着许多热区，且对气候变化存在不同的响应。云南是典型的热区之一，具有独特的资源禀赋，开发潜力大[2]。云南干热河谷元江与勐腊热带雨林两个地区有着独特热区气候条件，主要表现为两地区的纬度位置不同,使其获得的太阳辐射不同,气温存在差异；加之两地区的地形不同,从而形成了元江干热河谷区和勐腊热带雨林区。通过研究两地的气候变化特征及趋势，对应对极端气候变化、保护生态环境和促进区域经济发展具有重要的实际意义。

目前，已有的气候变化研究主要在于研究不同地区的气候时空变化特征、人类活动对气候的影响，以及通过构建气候模型来模拟气候变化。任国玉等[3]对1951年以来中国近地面气候要素的时空变化特征进行了综合分析；陈恩波等[4]根据近50年的气象统计数据，对云南气候变化特征进行探讨；都彦廷等[5]、任柬宇等[6]分别探讨了大兴安岭地区地表湿度、降水的时空变化特征；张威等[7]基于辽宁省24个气象站数据，分析了其地温与气候变化之间的关系；牛最荣等[8]利用清源河气候数据进行研究，分析了该区域降水和径流对气候变化的响应；杨建平等[9]通过构建相关评价指标体系，着重研究了我国冻土对气候变化的响应。赵天保等[10]基于CRU 3.1气温资料和GPCC V6降水数据,根据国际耦合模式比较计划(CMIP5)中17个耦合模式，在全球范围内评估干旱与半干旱区气候变化的模拟能力。此外，气候突变对认识气候变化的性质具有重要意义。Danggaard.W、Taylor.K.C、Bender.M等[11-14]通过冰芯记录、黄土沉积、湖泊沉积、孢粉等验证了气候突变现象的存在。符淙斌等[15]通过Mann-Kendan法进行了气候突变检测,结果显示在20世纪20年代经历了一次全球范围的气候突变。前人研究主要针对某一区域气候因子的变化特征，而对两个区域尤其是典型区域的气候差异和对比分析较少。因此，本文基于元江和勐腊1957—2018年的气象数据，通过对干热河谷和热带雨林两地区气候变化差异的比较与分析，从而掌握两区域61 a来的气候变化，揭示其与全球气候变化的异同点，为有关部门应对极端气候和保护特殊生境提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

元江与勐腊均位于云南的南部(图1)，分别属于干热河谷与热带雨林气候。元江地区为河谷地形，降水量小，同时太阳辐射量大，来自西南的气流遭到山脉阻挡，易在河谷形成“焚风效应”。河谷较为闭塞，底部热量不易散发，形成干热河谷气候[16]。勐腊地区纬度低，降水量充足，地势东北部高、西南部和南部低，区域内植被覆盖率较高，为云南省湿度最大的地区之一，属北亚热带湿润季风气候[17]。

图1 研究区域

1.2 数据来源及处理

本研究采用的数据为1957—2018元江和勐腊地区逐日观测数据，来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)及当地生态站，包括降水量(mm)、气温(℃)、相对湿度(%)、日照时数(h)等。为保证两地气候变化特征的准确性，本研究利用SPSS软件对各气象数据进行了一致性检验，并根据气象学标准，将两地年内气候变化分为湿季(4—10月)、干季(11—3月)进行研究。在此基础上，使用Excel计算出各气候因子均值，然后运用统计方法分析两地61年来气候变化趋势，运用累积距平法及Mann-Kendall突变检验法分析两地气温和降水量的突变特征；最后，两地气候要素的周期变化特征采用小波分析法。

1.3 研究方法

1.3.1 线性倾向估计

用一元线性方法分析气候因子的变化特征，即：

yi=a+bti,i=1,2,…,n

①

②

③

④

式中，t为气候要素，a为回归常数，b为回归系数，a和b通过最小二乘获得，为时间序列，n为气候要素的样本量。当b>0时，表明气候要素在该时段内呈上升趋势，当b<0时，则表示气候要素在时段内为下降趋势，一般用b的10倍(10×b)作为某个气候要素的倾斜率，以反映气候要素的变化趋势[18]。

1.3.2 累计距平法

使用累计距平法判断某一气候要素随时间变化而产生的变化趋势，即判断气候要素变化趋势中的转折年份[18]。其数学公式为：

⑤

⑥

1.3.3 Mann-Kendall突变检验法

气候突变是指气候因子从某一统计特性随着时间和空间的变化迅速转变为其他的统计特性[15]。Mann-Kendall检验法起初并不用于检验气候突变情况，而是Goossens等[19-20]通过改进和完善,使其成为一种能检测气候突变的方法。该方法的优点是样本可以不按照一定的顺序分布，少部分异常值的干扰微弱，定量化程度高。本文采用Mann-Kendall检验法进行突变分析，在使用该方法中，显著性水平设置α=0.05，临界值U0.05=±1.96[21]。

1.3.4 小波分析法

近年来，小波分析逐渐应用在气象、水文要素等周期性变化分析中。小波方差随尺度变化的过程可以通过波动能量图表达出来，可以反映不同尺度分布状况，用来确定在某一时间段中的气候要素的主要周期成分[22]。使用Matlab软件制作两个研究区气象要素的周期变化图，分析两地区气候变化的主周期、次周期。

2 结果与分析

2.1 气候要素年际变化

利用线性倾向估计法得出1957—2018年元江与勐腊的年均温年际变化趋势图(图2)。结果显示，1957—2018年两地年均温年际变化呈波动上升趋势(图2a～b)，但两地的上升速率出现差异，即元江和勐腊地区年均温相差较大。元江地区增温率约为0.09 ℃/10a，且元江地区温度在23.57～24.48 ℃范围内变动，呈波动增长。勐腊地区年均温较低，约为20.89～22.09 ℃，比元江地区低大约2.4 ℃，增温率为0.25 ℃/10a，比元江地区的增温率高0.16 ℃/10a。总的来说，两地都出现增温现象，但勐腊地区的趋势更加明显。

勐腊61年平均降水量明显高于元江地区，约为1 530 mm，元江约为793 mm，两地区年均降水量相差较大(图2c-d)。1957—2018年，元江降水量年均值在516～1 212 mm之间变化，勐腊年均降水量在1 081～2 274 mm之间，两地区降水变化趋势趋同，年降水都有所增加，同时元江地区年降水均值波动幅度高于勐腊地区。

在元江地区，年日照指数趋于上升趋势。其年均日照时数的上升年份主要是在1957—1972年，上升幅度大，而1972—2018年46年间，年均日照时数变化极小，呈现平稳状态。在勐腊地区，1957—2018年的年日照指数总体也呈上升趋势，但总体变化较元江地区大。勐腊在1957—1961年、1989—2018年年日照时数波动较大，多出现高峰和低峰，其余时段变化幅度小，较为平稳。与元江地区变化相比，勐腊地区波动幅度大，出现剧烈上升或下降现象的频率高。勐腊地区年日照指数总体上低于元江地区，相差约4 000 h(图2e～f)。元江和勐腊地区相对湿度的1957—2018年平均变化趋势存在差异，元江地区的相对湿度总体小于勐腊地区。从整体上看，两地区的相对湿度随时间变化呈现下降趋势，同时两地区下降幅度也不同。61年来，元江地区年均湿度最高达到72.41%，最低低至61.51%(图2g～h)，与勐腊地区相比，元江地区相对湿度波动较大，下降幅度偏低。

图2 各气候要素年变化趋势

2.2 气象要素的干湿季变化

由于两地气候存在差异，因而元江在干、湿季气温均高于勐腊地区(图3a～b)。元江地区气候环境曾经为湿热状况，域内普遍存在原始热带季雨林，到了18—20世纪中叶，元江气候发生改变，域内平均增温3～5 ℃，环境不断朝干热发展[23]。勐腊地区是西双版纳季节性雨林分布最为集中地区，域内干、湿季变化十分显著[24]。从干、湿季内变化看，元江地区和勐腊地区气温湿季内变化趋势是不断下降的，而在干季变化都处于上升趋势。同时，无论干湿季，元江地区气温变化趋势始终高于勐腊地区。与气温相反，在降水方面，勐腊地区的降水量高于元江地区，且干、湿季降水趋势更为显著。

图3 两区域干、湿季气温降水季节变化

2.3 气象要素的突变分析

根据突变检验图进行分析，元江年均温的UF、UB曲线大都在信度线之内，从1978年开始，UF曲线逐渐上升，同时两曲线于2007年相交，说明元江的气温变化趋势在2007年开始发生转折。元江地区气温累积距平曲线总体上表现出了先下降后上升的趋势，曲线波动较为频繁，且形状不规则(图4a)，表明气温存在一定的年际变化，整体以下降趋势为主，表现较为明显。1996年曲线出现峰值，在2007年出现低值(图4c)，1968—2007年以下降趋势为主，2007—2018年为上升趋势，因此2007年是突变点，即元江地区的年均温存在2007年的突变点。

从UF曲线(图4b)可以看出，自1957年开始，除1958年外，其值都大于0，出现明显的上升性。勐腊年均温UF、UB曲线在1985年处相交，同时其累积距平曲线总体上呈现“U”字形，在1985年为最小值。可知，勐腊年均温突变发生在1985年。

图4 两区域气温Mann-Kendall检验及累计距平分析

1957—2018年元江地区年降水UF、UB曲线在信度线内存在多个交点，年降水累计距平曲线波动剧烈(图5a、c)，说明元江地区年平均降水存在多次突变，61年间该区域降水变化剧烈。元江降水UF、UB曲线在信度线内存在包括1962、1986、1992、1991、2008年等多个交点。元江地区年降水累积距平曲线总体上呈现出先升后降再升的趋势，但曲线波动十分频繁，表明降水存在剧烈的年际变化。曲线在1978年、2008年存在两个峰值，在1962年存在一个低值，1962—1978年主要是上升趋势，1986—2008年波动中略有上升，1978—1986年则出现较快下降趋势，因此1986年、2008年是两个可能的突变点。

图5 两区域降水Mann-Kendall检验及累计距平分析

勐腊年降水UF、UB曲线在信度线内分别交于1961、2016年两点，年降水累积距平曲线波动幅度大，在1982年存在一个峰值，在1999年存在一个低值(图5b、d)。因此，1961、1982、1999年是可能的突变点。

2.4 周期性特征分析

2.4.1 气温周期性分析

通过分析小波系数，元江地区气温年际变化明显(图6a)，等值线在2～8 a、24～30 a、52～58 a处分布密集，从小波方差图(图6c)可以看出极值出现在8 a、28 a、58 a处，可知元江地区年均温的周期变换存在3个，28 a为其主周期变化。勐腊地区在24～28 a处等值线密集，而小波分析曲线比较平滑，极值为28 a(图6b、d)，可以知道勐腊年均温也存在28 a的主要的周期变化。

图6 两地区气温要素的小波分析

2.4.2 降水周期分析

元江地区降水年际变化在1～3 a，7～9 a，24～29 a等值线分布比较密集，小波方差则显示出在2 a、9 a和28 a处出现极值(图7a、c)，可知元江降水存在着28 a的主变化周期。而勐腊地区降水年际变化在4-8，18-22处等值线密集，小波方差存在6 a和20 a的极值(图7b、d)，可以知道勐腊降水存在着6 a的主变化周期。元江和勐腊地区降水周期具有明显的差异，并且两地可能还存在更大的周期性。

图7 两地区降水要素的小波分析

3 结论与讨论

通过与已有气候变化研究的对比发现，元江和勐腊地区气候变化与其存在共性，但也表现出不同[4,25-28](表1)。两地区气温变化趋势与全国、东部季风区、云南地区相同，即“升温”趋势。相比而言，勐腊地区升温现象更显著。两地区降水、年日照因子变化趋同，均呈上升趋势。但两地区的相对湿度随时间推移呈下降趋势，下降幅度存在差异。从干、湿季内变化看，元江地区和勐腊地区气温湿季内变化趋势是不断下降的，在干季内变化趋势为上升趋势。在降水方面，勐腊地区降水量干、湿季内变化趋势更加明显。另外，元江与勐腊两地的气温和降水量呈周期性波动变化，元江地区的气温与降水量的主周期均为28 a，勐腊地区的气温与降水量的周期分别为28 a、6 a。

表1 区域气候要素(气温、降水)10 a期增率

我国西南地区地形复杂，高原、山地等构成了该区域大陆地貌的显著特征[29]，引起区域各地降水量在时空上出现不均衡的现象，加之受到季风环流的影响，导致该地区各个地方气候特征显著。此外，研究表明，近百年来气候变暖这一普遍现象是自然界中气候波动和人为干扰相互作用形成的，但大部分气候变化中人类活动占主要原因[30]。因此，元江和勐腊地区的气候变化是不仅存在自然因素的变化，人类活动也不可或缺。

基于元江和勐腊两地1957—2018年的气候数据，利用多种数据分析方法，探讨元江、勐腊两地的气候随时间推移而产生的不同响应，总结得出以下结论：

(1)61 a来两地区气温、降水、日照气候因子呈上升趋势，而相对湿度呈下降趋势。这与丁一汇等[31]学者研究西南地区暖湿变化趋势带变化相对一致，气候变化与全球变暖的增强息息相关。同时两地存在区域气候条件不同，变化速率差异性明显。

(2)两地区气温、降水随月份发生变化，雨季内干热河谷地区气温下降趋势大于雨林地区，降水下降趋势低于雨林地区；干季两地区气温和降水随时间都呈上升趋势，但干热河谷气温上升率高于雨林地区，降水变化小于雨林地区。

(3)在向辽远等[32]指出西南地区气温不存在明显突变中大区域中，两地区对气候变化的响应较为敏感。干热河谷元江地区61 a内气温和降水发生明显变化，气温在2007年发生由降温趋势到增温趋势的改变，降水突变点为1986、2008年，由上升向下降趋势转变；而热带雨林勐腊地区气温突变要早于元江地区，突变点为1985年，降水突变点为1961、1982、1999年，变化较为频繁。

(4)元江和勐腊地区在1957—2018年年均气温和年降水量存在明显的周期变化。两地区在约61a内气温存在着28a的主周期变化，也存在着不同的次周期变化，降水方面干热河谷元江地区存在28a的周期变化，存在与气温周期变化的同步性，而热带雨林勐腊地区则不同，降水主要为6a周期的变化。

以上结论，验证分析了61 a来干热河谷元江地区和热带雨林勐腊地区部分气候因子的变化和规律。两地区气候变化特征基本与其他研究的结果较为吻合[33-35]。在全球变暖的背景下，不同区域存在不同的影响机制，因而两地区对大气升温的反馈机制不同，致使气候因子产生不同的变化；同时，地气系统在气候变化的影响下发生变化，气温和降水等也会呈现年际和年代震荡。此外，在后续的气候变化研究中需要在以下方面进行更深入的探讨：本研究只选取了元江和勐腊2个气象台站的资料，数据样本有限，对研究结果的精度有一定影响。因此，需要更详细的数据进行验证与分析，并与气候模型研究方法相结合，以提高研究结果的准确性。