1961—2016年西昌气候干湿演变趋势研究

肖晰文，张芸露，刘春红,2*，王跃峰,2

(1.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 401331；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 401331)

气候是人类赖以生存的自然环境，也是经济社会可持续发展的重要基础，受自然和人类活动的共同影响，中国气候呈现出与全球一致的升温趋势，气候变暖日益凸显[1-2]。在全球气候变化背景下，气温与降水趋势的变化分析成为学者们关注的重点。随着气候增暖，全球湿润区在因总降水增多而变得更为湿润的同时，降水在时间上的分配也更为不均匀，干湿时期间的波动更加明显。由此引发的高温、干旱、洪涝、火灾等极端气候事件频发，突发性强，危害性极大，对社会与自然造成的损失不可估量[3]。如美国北方大部地区强降水加剧和频繁，西部、南部和中西部部分地区旱期延长，西部干旱事件更加频繁[4]。林婧婧等[5]研究表明全球变暖导致中国降水呈减少趋势。相对全球尺度而言，区域气候变化受更多因子的影响，而对区域气候相关观测资料变化的信息处理是目前在区域尺度上判断气候变化信号的重要方式[6]。研究区域气候变化趋势，对制定防灾减灾、适应气候变化对策具有重要的参考价值[7]。

在区域气候变化趋势分析研究中，常用的方法有Mann-Kendall法、线性倾向估计法、ITA法与ITA-CB法等。如：甄英等[8]采用M-K检验法对宜宾市降水量进行了研究，得到50 a间宜宾市降水量的整体趋势。徐宗学等[9]基于黄河流域平均气温与时间序列的明显线性关系，运用线性倾向估计法分析了黄河流域平均气温的变化趋势。吴国栋等[10]则运用ITA法与ITA-CB法对锡林河流域56 a的降水及平均气温变化特征及趋势进行了研究，表明流域内不同季节气温降水变化的局部趋势与56 a整体趋势。M-K检验法对时间序列的长度、相关性等要求较为严格，而ITA法与ITA-CB法不受时间序列相关性等方面的要求，且能从宏观和微观多角度分析研究，更能详尽地探究分析趋势的变化。线性倾向估计法则对气象数据的线性关系要求较为严格。而在很多情况下气象数据无法建立一元线性回归方程。ITA法与ITA-CB法不仅可以分析整体变化趋势、局部变化趋势进行探究。此外，ITA-CB法中通过变化率来对趋势变化进行数值可视化，更加直观。

近年来，许多学者研究表明横断山区气温总体呈上升趋势。如李宗省等[11]研究表明横断山区年均气温、季节气温、季风期与非季风期气温均呈上升趋势，90年代后更加明显。卞耀劲等[12]研究表明横断山区90%的站点极端气温暖指数显著上升，冷指数显著下降。徐飞等[13]则研究发现横断山区气候呈现暖干趋势。丁文荣[14]通过对横断山区干旱河谷气候研究表明，河谷区也存在暖干化趋势(气温上升、降水和相对湿度减少)。但横断山区的区域差异和地形对气候影响较大。横断山北、中、南潜在蒸散量在1960—2009年内呈递减趋势，区域趋势亦呈西南向东北递减趋势[15]。而极端降水也呈由西南向东北递减的分布格局[12,16]。此外，横断山区的年、季和月均降水量与海拔/纬度的标准差之间存在显著的负相关[17]。西昌市作为横断山区安宁河谷的重要区域，目前有关其气候变化的研究主要集中在降水、气温和日照时数等单个气象要素方面[18-20]，未能较全面反映区域气候的整体变化。基于此，本文采用累积距平法和时间序列的非参数趋势分析法(ITA法和ITA-CB法)对西昌市1961—2016年的降水、气温和标准化降水蒸发指数(SPEI)变化特征与变化趋势进行分析，全面把握该区域气候变化趋势和对全球气候变化的响应程度，也为该区生态环境建设和农业发展提供科学指导。

1 研究区域与数据来源

西昌市地处四川省西南部安宁河谷地区，是川滇结合处的重要城市，是四川打造的攀西城市群中的核心力量及攀西地区的政治、经济、文化中心，也是凉山州农业产出地带，拥有十分重要的战略地位[21]。面积为2 655 km2，地域范围为东经101°46′～102°30′、北纬27°32′～28°10′(图1)。气候属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨，全年降水较为集中。由于位于高温、低湿河谷地区，也属干热河谷气候，日照时间较长、阳光充足、光热资源丰富，气候炎热少雨。西昌平均气温为17.1℃，降水量为1 003.9 mm。近年来，该区域森林火灾频发，且集中于2—5月。

基于资料连续性、最长时段性和区域邻近性等原则，采用西昌及其附近区域3个站点的1961—2016年逐日气温、降水资料及SPEI数据资料，利用Excel、Origin等软件对其从月、年与年代等尺度进行统计。其中，气温与降水数据源自中国气象数据网(http://data.cma.cn)，SPEI数据来自SPEI全球干旱监测网(https://spei.csic.es/index.html)的0.5°×0.5°网格化CRU TS 4.03数据集，可反映地区的气候干湿状况。

2 研究方法

2.1 累积距平法

累积距平法是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法[22]，对于序列，其某一时刻的累积距平表示为：

(1)

(2)

式中将n个时刻的累积距平值全部算出，即可绘制出累积距平曲线进行趋势分析。

2.2 SPEI

标准化降水蒸发指数(SPEI)是通过计算某段时间降水量与地面蒸发量之差偏离平均状态的程度，从而对气候干湿等级进行量化，以表征某地区的干旱状况[23-24]。当SPEI数值为负时，即表示发生干旱，且数值越小，干旱程度越大[26]。

2.3 创新趋势分析法

ITA-CB法是将在ITA散点图上对时间序列的变化进行数值可视化[27]。其方法是依次计算(yi-xi)/xi×100%，i=1、2、…、n，这样重复操作n/2次后，统计出每一组的最小、平均和最大变化率。然后绘制在统计学中箱图中(图3)。如果均值线接近最小(最大值)线，则趋势斜率存在负(正)趋势。因此，如果均值线和最大值线之间的差很小(很大)，趋势斜率就会增大(减小)。

运用上述2种方法对西昌市1961—2016年年降水量进行分析统计，依次输出散点图、箱图。将西昌市内年降水量数据基于时间序列分为前、后两部分，并依据前半部分的平均值、标准差确定低值、中值和高值区。计算统计3个组别及整体数据的最小、平均和最大变化率，绘成箱图。以上过程重复应用于年均温和年际尺度的SPEI数据。

3 结果与分析

3.1 西昌市内降水、平均气温和SPEI特征

3.1.1降水和平均气温的年内特征

由图4可知，1961—2016年西昌市年内降水主要集中在6—9月，其中7月为降水量的最大值月，降水量为241.6 mm，2月为降水量的最小值月，降水量为7.7 mm；西昌市的月均温在1、12月低于10 ℃，其余月份均高于10 ℃，其中最高均温出现在7月，为22.6 ℃；最低均温出现在1月，为9.7 ℃。

3.1.2降水、平均气温和SPEI的年际特征

采用累积距平法对西昌市近56 a(1961—2016年)的年均降水量进行分析。西昌市多年平均降水量为1 094.0 mm，其年降水量极大值出现在1998年，为1 414.4 mm，高出多年平均降水量320.4 mm；极小值出现在2011年，为764.8 mm，比多年平均降水量少329.2 mm。西昌市年际降水量变化趋势较复杂，1961—1974年出现小幅度波动，降水量以上升趋势为主；1975—1990年呈明显下降趋势；1991—1995年又出现小幅度波动，呈波动上升趋势；1996—1997年两年间呈显著下降趋势；1998—2001年降水量呈显著上升趋势，此后至2012年呈波动下降趋势；2013年后降水量则以增加趋势为主。以1974、1990、2001年为节点，降水量依次出现显著下降趋势、波动上升趋势和波动下降趋势(图5a)。

与年降水量相比，西昌市近56 a(1961—2016年)均温的年际变化趋势较为简单，呈先波动式下降后又波动式上升的总体趋势(图5b)。西昌市56 a的年均气温为17.1 ℃，极大值出现于2015年，为18.0 ℃；极小值出现于1992年，为16.4 ℃，极差达1.6 ℃。1997年为累积距平的最低点，可作为趋势变化的分界点。1997年前，西昌市内的年均温呈小幅波动式下降趋势；而1997年后，年均温则呈显著大幅上升趋势，其中2004—2016年年均温升高较快，近乎呈直线上升。

西昌市1961—2016年年际SPEI变化特征表现为56 a间西昌市SPEI值波动较大(图6)。56 a中有25 a为湿润及偏湿润(基本正常中正值)年份，31 a为干旱及偏干旱(基本正常中负值)年份。2002年前，西昌市干旱与湿润交替出现，无明显变干趋势。其中湿润占比为14.6%，偏湿润占比为39%，且在1968年出现了极湿润情况；干旱占比12.2%，偏干旱占比34.2%，偏湿润年份多于偏干旱年份，干旱发生频率较低，持续时间短，且略低于湿润年份。但2002年后，SPEI趋于偏干旱发展，偏干旱占比上升至58.3%，干旱占比大幅上升，上升至41.7%，且在2011年出现了极干旱情况。

SPEI受降水和地面蒸发的共同影响，且温度对于地面蒸发又有较强的关联性[28]，分析降水、气温与SPEI的相关关系，可进一步认识区域干湿变化的原因。通过相关性分析得到，SPEI与降水量成极显著正相关关系(r=0.800，p<0.01)，与年均温成显著负相关关系(r=-0.299，p<0.05)。SPEI与降水量回归方程拟合度较高(R2=0.640)(图7a)。随着降水量的增大，SPEI也随之增大，地区趋湿润状态发展。气温升高，SPEI降低(图7b)，地区趋向干旱化。

3.1.3降水、平均气温和SPEI的年代际特征

年代际气候变化特征可作为短期气候预测的直接背景，也可作为长期气候变化的一个时段，可为更长期的气候变化预测提供依据[29]。西昌市近56 a的年代内年平均降水量表现为波动式上升趋势(图8a)。1960s—1970s呈现明显下降趋势，1970s后总体上呈现缓慢下降趋势，在1990s降水发生突变，降水量突增至1 150.0 mm，主要受90年代ENSO事件与青藏高原冬春季积雪多等因素的影响，致大气环流异常，西南地区湿季总降水量在20世纪90年代较60—80年代出现了短暂增加[30-31]；年代均温1960s至1970s与降水年代变化规律相反，呈缓慢上升趋势，1970s—2010s呈明显上升趋势，且上升趋势在逐渐加强，但在1980s—1990s上升趋势短暂减缓，推测与1990s降水突变有一定联系，1990s—2010s气温几乎呈直线上升的趋势(图8a)。若平均气温以此趋势上升，西昌市年代均温预计在50、60年后将会超过20℃。

在年代尺度上，随时间的推移，干旱年份数在增加且干旱程度愈加严重(图8b)。1960s西昌市SPEI为正常范围的占70.4%，1970s至2010s，SPEI正常范围占比降至54.8%；且此期间轻度干旱、中等干旱与极干旱占比从7.5%增至28.6%，相应不同程度湿润等级占比减少，从17.6%下降到16.7%；1990s极湿润等级占比较1960s—1980s高，推测与1990s年代平均降水量突增相关，进入2000s后，极湿润等级消失，轻度湿润与中度湿润占比仅为16.7%，极干旱等级出现，轻度干旱至极干旱等级占比上升至28.6%，降水量虽出现小幅上升，但温度出现近乎直线上升状态，说明2000s之后，干湿变化对于气温更为敏感。而2000s前干旱等级变化不大，主要因升温幅度较小，SPEI主要受降水量控制。

3.2 西昌市内降水、平均气温和SPEI的变化趋势分析

56 a的年均降水量在低值区(年降水量小于943.6 mm)呈上升趋势，在中值区(943.6 mm<年降水量<1 237.0 mm)趋势并不明显，而在高值区(年降水量大于1 237.0 mm)呈下降趋势(图9a、9b)，说明西昌市年均降水量减少趋势明显。其中低值区和高值区平均变化趋势率分别为-14.3%和-3.9%，但代表低值区平均变化趋势率的直线更接近于最小值线，因此可得出56 a间的年降水量在低值区呈上升趋势的变化趋势减弱的可能性更大；在高值区呈下降趋势但这种趋势在减缓。综上，56 a的年均降水量平均趋势率在低值区、中值区与高值区均表现为负，即变化趋势在减弱；而总体区域降水量的变化趋势虽表现中庸，而其平均变化趋势率为-4.8%，说明总体的变化趋势在减缓。

1961—2016年西昌市年均温在低值区(年均温小于16.6℃)与高值区(年均温大于17.3℃)呈现上升趋势，平均变化趋势率分别为-0.17%、1.13%，在中值区(16.6℃<年均温<17.3℃)以上升为主，其平均变化趋势率为0.12%，其中低值区与高值区均呈上升趋势，但其增加趋势无明显加强或减缓(图9c、9d)。根据ITA-CB法可以得出56 a该区域年均温平均趋势率在中值区表现为负且变化率均值靠近最大值线，即上升趋势在增强，年均温整体呈显著上升趋势，平均变化率为1.72%，且整体变化率均值靠近最大值线，表明上升幅度有增大的趋势。

1961—2016年研究区域内SPEI在低值区(SPEI<-0.78)呈现明显上升趋势，平均变化趋势率为12.9%，高值区(SPEI>0.89)的平均变化趋势率为-23.6%，表现为下降趋势，中值区(-0.78

4 结论

a)西昌市内降水量年内分布不均匀，年内降水集中于夏秋季(6—9月)，占全年降水量的74.2%；降水量年际分布复杂且波动明显，年代际特征表现为先下降后缓慢上升。西昌市年均温呈先下降后上升趋势，年代际均温则表现为1990s前呈波动上升趋势，1990s后呈线性上升趋势。

b)西昌市56 a的SPEI表现出随时间的推移，干旱程度愈加严重，1970s后西昌市的干旱程度逐渐加深，2000s后干旱至极干旱等级占比上升至28.6%，干湿变化对气温更加敏感。SPEI与年均温呈现显著负相关关系，与降水量成极显著正相关关系。

c)西昌市56 a的降水量在低值区呈上升趋势，中值区趋势变化不明显，在高值区呈下降趋势，但年均降水量表现为上升趋势；而年均温呈明显上升趋势，且整体平均趋势率为1.72%。SPEI在低值区呈上升趋势，而在中值区、高值区均呈下降趋势，表明西昌市干旱等极端天气发生概率在变大。

西昌市气候变化较为复杂，总体偏干旱发展。本研究可为西昌市预测未来气候变化趋势提供参考，为应对区域粮食与水资源安全、极端灾害、社会建设等提供科学基础，对实现全球可持续发展目标至关重要。