马尔康市1954—2019年降水与旱涝灾害变化

侯雨乐，赵景波

(1.阿坝师范学院 资源与环境学院，四川 汶川 623002；2.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061)

1 研究背景

受气候变化和人类活动的双重影响，全球淡水的可获得性在迅速下降，更热、更旱、更涝的未来已悄然而至[1]。气候变化引发的气候突变、极端天气已是本世纪旱涝灾害发生的最主要的致灾因子[2]。2020年度的“国际减灾日”报告中也指出，极端天气事件主导着21世纪的灾害格局[3]。受全球气候变暖影响，流域、区域间的降水特征发生了较大变化[4-5]，气候变化全面影响着社会经济发展，研究区域气候特征是应对气候变化、水资源管理、社会建设的科学基础。为真正体现人类生态命运共同体、应对全球气候变化的大国担当角色及实现2030年碳达峰和2060年碳中和目标，研究碳中和式绿色发展及全球气候治理范式将是特别必要的[6]。陈睿山等[7]指出，为解决日益凸显的气候变化等问题，需要促进减缓气候变化和土地退化的协同行动。

王雨茜等[8]研究表明，近几十年来长江上游气温呈上升态势，降水季节变化差异较大。肖扬等[9]分析了1961—2010年间的大渡河流域降水时空分布特征，结果表明小金等地降水呈现增多趋势。黄喜峰等[10]分析了渭河流域历史时期的旱涝演变规律，利用Granger因果检验分析法证实了ENSO事件与旱涝灾害存在着统计因果关系。马伟东等[11]分析了1961—2017年青藏高原极端降水指数及其时空分布特征，为制定区域防灾减灾对策提供了数据支撑。赵东升等[12]提出近59 a来我国是一个以暖湿化为主的气候变化过程。近百年全球气候变化下频发的旱涝等气象灾害对区域生态环境、防灾减灾带来了新的威胁挑战。

马尔康市地处川西北高原的高山峡谷地带，是强降雨影响区，极端降水事件多发，属于气候变化影响下的生态敏感区[13]。马尔康地区是岷江上游的重要生态屏障，也是青藏高原东缘的生态系统脆弱区。研究县域降水特征及对全球变暖的响应，可对地区防灾减灾建设、预估未来气候变化风险和生态建设管理提供进一步详实的实证支持。

2 研究区概况

马尔康市以原嘉绒藏族中的4个土司属地为雏形建立起来，介于101°17′E—102°41′E，30°35′N—32°24′N之间，系阿坝州首府，距成都市365 km。地处川西北高原南缘，邛崃山脉北端。该区位于大渡河上游，地势由东北向西南逐渐降低，海拔在2 180～5 301 m之间，河流切割强烈，地表起伏大，以高山峡谷为主。受局地环流与西南季风的叠加影响，具有高原型大陆季风湿润气候特征，冬寒夏凉，日照充足，干雨季分明，雨热同期，夏季降水集中，夏季极端天气较多，气温变化剧烈，年平均气温8.86 ℃。灾害性天气尤以干旱、秋绵雨为主[14]。

3 研究数据及方法

本文数据主要来自于中国气象数据网中“中国地面气候资料月值数据集”提供的1954—2019年间马尔康市气象台站观测值，主要包括月值最低气温值、最高气温值、平均气温值、降水量等系列数据。以气象划分四季法来作为处理气象数值的依据，即以3—5月份为春季，6—8月份为夏季，9—11月份为秋季，12月份—次年2月份为冬季。

计算马尔康市降水量的季节、年际变化趋势，并利用SPSS、MATLAB、Eviews等软件平台中的最小二乘法、一般线性模型、Mann-Kendall法、小波分析、ADF平稳性检验等方法进行线性倾向、突变检验、信噪比检验、周期变化、Granger因果检验等，其具体原理和过程详见参考文献[10，15-19]。

4 结果与分析

4.1 马尔康市气温和降水年际变化特征

1954—2019年间马尔康市年均气温、年降水量均呈现显著上升趋势(图1)，经SPSS软件的显著性分析，其结果都通过了95%水平下的显著性检验。马尔康市气温的年际变化率为0.12 ℃/(10 a)，是全国年均气温升高速率的一半，升温速率明显低于同期全国平均水平。马尔康市年均极高气温是2014年的9.56 ℃，年均极低气温是1992年的7.73 ℃。马尔康市多年平均降水量为788.72 mm，以16.29 mm/(10 a)的平均速率增加。其中年极大值出现在2019年的1 069.60 mm，极小值出现在2002年的557.80 mm。即近66 a来马尔康气候整体上趋于暖湿，这一结论与前人研究成果一致，川西北高原有变暖增湿的趋势特征[20-22]。

图1 1954—2019年马尔康市气候变化

累积距平[10]是判断气候变化规律的一种有效方法，通过计算连续多年降水量的累积距平值来绘出该地多年降水量的累积距平曲线，以分析多年降水量的特征趋势及阶段性的持续性变化规律，也可用来确定降水量、气温变化的突变年份。当累积距平曲线呈上升趋势时，表示对应时期处于多雨期，反之则表示处于少雨期。应用累积距平值对马尔康市近66 a来的年均降水量进行分析(图2)。由图2可知，年降水距平值也呈增加趋势。从20世纪50年代中期到80年代末，年降水处在减少阶段，多处于平水年、枯水年时期，本阶段在马尔康地方志中记载的旱灾较多。20世纪90年代初期降水量有明显回升的趋势，是丰水年时段。1994—2008年间降水量又波动减少，降水年际变化较大，2008年累计降水距平值最小，为-1 020.23 mm，旱涝灾害交替频发。2008年之后曲线开始剧烈上升，2009—2019年降水量的距平值高达55.66 mm，表明近年来本地处在多雨期，降水增多。

图2 马尔康市年降水量累积距平变化

4.2 马尔康市年降水的突变检验

为深入讨论马尔康市降水量变化特征，对年降水进行Mann-Kendall突变分析(图3)。可知，曲线统计值Zstatistic=2.30>1.96，降水量呈现显著上升趋势。UF曲线在1990年之后一直>0，且呈增加趋势。UF、UB曲线在其置信区间内的2013年、2015年相交。结合图2中降水累积距平值变化特征，可推断2013年为降水突变年份。2013年后的年均降水量是降水突变前降水量的1.19倍，是多年降水的1.17倍，降水明显增多。

图3 马尔康市年降水量突变分析

4.3 马尔康市季节降水变化分析

从马尔康市的季节降水变化特征看(表1)，四季降水量均呈增多趋势，这与多年降水量趋势一致。其中以夏季、秋季增幅明显，春季增幅最小。

表1 马尔康市季节及多年平均降水量线性倾向变化

马尔康市春季多年降水的平均值约12.02 mm，整体上以0.56 mm/(10 a)的速率增加。夏季多年平均降水约182.62 mm，多年来以8.57 mm/(10 a)的速率增加，1999年夏季出现最高值为279 mm，最低值为1986年的78 mm。秋季多年平均降水约388.67 mm，以4.70 mm/(10 a)的速率增加，1983年秋季出现最高值585.4 mm，最低值为1958年的257.5 mm。冬季多年平均降水约205.37 mm，以2.48 mm/(10 a)的速率增加。夏季降水量增幅最为明显，春季降水增幅较小。夏秋季降水对年均降水量增多的贡献率更大。对夏季降水进行滑动T检验，|T|=3.49>T(0.01/2)=1.64，也显示降水在2013年前后发生显著跳跃。

5 讨 论

5.1 气温突变对降水量及旱涝灾害的影响

信噪比可以衡量天气过程的气温或降水量随不同时段统计量差异性，是通过转折年份前后两阶段的降水量或者气温的平均值差得出绝对值与其标准差之和的比值。其可以用来进一步验证气候突变的真实性，若信噪比比值>1，则可认为在这个年份存在气候突变，反之认为突变不显著。信噪比S/N的计算公式为[23]

(1)

式中：x1、x2及s1、s2分别表示转折年份前后两个阶段降水量或气温数值的平均值和标准差。

据马尔康市年均气温累积距平值变化可知，2001年后累积距平曲线波动上升，气温升高，且上升速率较快。对马尔康市年均气温进行信噪比检测，2001年为节点的信噪比比值为1.01>0，表示气候存在突变。以此可确定2001年为气候突变点。气温突变前(1954—2001年)的降水变化率是11.57 mm/(10 a)，气温突变后(2002—2019年)的降水变化率猛增到155.73 mm/(10 a)，是气温突变前的13.46倍。

为更明显反映气温突变对降水变化的影响，利用SPI指数划分旱涝灾害等级[24]，并统计气温突变前后的旱涝变化情况，做出马尔康市气温突变前后旱涝灾害频率变化图(图4)。从图4可知，1955—2001年间降水量平均为772.69 mm。在这47 a间里，重旱出现1次，中旱2次，轻旱14次，正常年份19次，轻涝6次，中涝5次。旱涝频率为59.57%，旱灾频率是36.17%，涝灾频率是23.40%。气温突变后的2002—2019年间，年降水量平均值为823.75 mm，年均降水明显增多。在这18 a间，中旱出现了2次，轻旱2次，正常年份5次，轻涝7次，重涝1次，特涝1次。旱涝频率为72.22%，旱涝灾害呈增多态势。由于年降水量的增加，旱涝频率也在增加，为50%，且发生了更多的极端洪涝事件。

图4 气温突变前后旱涝灾害频率变化

由于季节降水集中程度变化和年降水多寡等气候极端情况多发，导致百年来旱涝灾害多发[25]。2015—2019年连续五年出现洪灾，且有特涝、重涝；2018年6月底至7月初，受连续暴雨等强降水影响，马尔康市4镇10乡均遭受不同程度的洪涝、滑坡、泥石流灾害，基础设施严重受损，受灾人口达2 532人。2019年降水量是最多的一年，受8月底强降雨影响，多地发生不同程度山体滑坡、泥石流灾害，造成房屋受浸、群众受灾，多处干道受损。2020年6月马尔康出现超历史洪水。此次灾情持续时间长，波及乡镇广，灾情严重，结合近年来处于丰水期特征，可以判断2015—2019年是一次重大洪涝事件。

5.2 马尔康市旱涝灾害周期分析

功率谱分析可很好地确定区域旱涝灾害周期变化的主要频率[25]。功率谱分析表明，马尔康市1954—2019年间旱涝灾害存在约6.6 a的震荡周期(图5)。研究表明[26-27]，ENSO事件与区域旱涝灾害存在相关性，是引发气温、降水变化的主要驱动、制约因子之一，且存在一定的滞后性，滞后期为1～2 a时对区域气候变化的影响依然较大。在ENSO暖状态干扰下，中国大部分地区都偏干，在ENSO冷状态则情况相反。ENSO事件有2～7 a的主周期[28]，表征ENSO事件与马尔康旱涝灾害存在较同步的共振周期。

图5 马尔康市1954—2019年旱涝灾害的功率谱周期分析

为更好地表征ENSO事件与旱涝灾害关系，需要统计和确定1963—2019年间ENSO事件与旱涝灾害发生年的对比关系。在这56 a间共发生了31次ENSO事件，其中有18次厄尔尼诺暖事件，13次拉尼娜冷事件，期间共发生了18次旱涝灾害。在暖事件发生当年，发生了11次旱涝灾害(5次涝灾，6次旱灾)，旱涝灾害在厄尔尼诺年出现的几率是61.11%。在冷事件发生当年，发生了7次旱涝灾害(3次涝灾，4次旱灾)，旱涝灾害在拉尼娜年出现的几率是53.85%。在厄尔尼诺事件发生两年后，出现旱涝灾害10次(3次涝灾，7次旱灾)，几率为55.56%。在拉尼娜事件发生两年后，出现旱涝灾害8次(旱涝各4次)，几率为61.54%。在ENSO事件发生年或之后的两年内，马尔康市旱涝灾害出现的几率都>50%。ENSO事件发生年或之后年易发生旱涝灾害，要加强防汛抗旱预警、防灾减灾工作。

5.3 马尔康市年降水量的平稳性检验及Granger 因果检验

ADF检验(单位根检验)是一种非参数统计的数据序列平稳性检验，是经典的时间序列分析的前提。ADF检验判断降水序列是否存在单位根，如果序列平稳，就不存在单位根。否则序列有单位根，非平缓。存在单位根是继续进行Granger 因果关系检验的前置条件。Granger因果关系检验可以从统计学的角度探寻两个时间序列之间存在的因果关系[18]。

为解决数据的共线性和异方差问题[29]，基于EViews 10软件对年降水量、太阳黑子数、ENSO事件数等数据进行ADF检验，结果如表2所示。ADF值远小于各等级的检验临界值，表示年降水量数据通过了平稳性检验，可以继续进行因果检验。

表2 1954—2019年降水量与太阳黑子数、ENSO事件数的ADF检验结果

利用Eviews软件对马尔康市1954—2019年降水量与太阳黑子数进行Granger因果分析，滞后期分别选择5 a和6 a，由表3可知，当滞后期为6 a时，太阳黑子不是降水量变化的Granger原因在10%显著水平下拒绝原假设，即太阳黑子活动对降水量变化存在明显的Granger因果关系，在统计学上看，二者存在逻辑上的因果联系。太阳黑子活动有约11 a周期，峰值约在5～7 a时出现。太阳黑子数达到峰值当年或者前后一年时的降水变化率较大，旱涝发生概率大[25]，这与本文中当滞后期约6 a时显著影响降水变化的结论类似。也与黄喜峰等[10]得出的太阳黑子数和旱涝等级在6～14 a周期上有显著相关性这一重要结论相接近。

表3 年降水量与太阳黑子数、ENSO事件的Granger因果检验结果

对马尔康市1954—2019年降水量与ENSO事件进行Granger因果分析。滞后期分别选择1、2 a，当滞后期为2 a时，ENSO不是降水量变化的Granger原因在1%显著水平下拒绝原假设，即ENSO事件对降水量变化存在明显的Granger因果关系，二者存在逻辑上的显著因果联系，且可能在滞后期为2 a下的ENSO事件是旱涝变化的主要诱因之一。ENSO事件对降水量的影响变化有一定滞后性[30]。统计可知，在ENSO事件发生之后的2 a时，马尔康市旱涝灾害出现机率>50%，可进一步证实二者因果关系的可靠性。长序列ENSO事件的年尺度是区域旱涝预警的理论依据。

6 结 论

通过对马尔康市气温、降水特征、旱涝灾害变化规律及其驱动因子进行的分析探讨，得出以下结论：

(1)1954—2019年间马尔康市年均气温、年降水量均呈显著上升趋势，有暖湿化倾向。马尔康市年均气温升温速率明显低于同期全国平均水平，多年平均降水量以16.29 mm/(10 a)的速率增加，以夏季、秋季增多明显，春季增幅最小。20世纪50年代中期至80年代末，马尔康市年降水处在减少阶段，多处于平水年、枯水年时期；2008年后本地降水逐渐增多，处在多雨期，推断2013年为降水突变年份。2013年后的年均降水量是降水突变前的1.19倍，是多年降水的1.17倍。

(2)2001年为气温突变点。气温突变后(2002—2019年)降水变化率为155.73 mm/(10 a)，是气温突变前的13.46倍。气温突变后，旱涝灾害呈增多态势，极端洪涝事件更为频繁。2015—2019年是一次重大洪涝事件。

(3)ENSO事件与马尔康地区的旱涝灾害在6.6 a上有较同步的共振周期。ENSO事件是降水量变化的Granger原因，二者存在显著因果联系，且可能在滞后期为2 a下的ENSO事件是旱涝变化的主要诱因之一。ENSO事件的年尺度是区域旱涝预警的重要理论支撑。