云南巖溶區(qū)降水變化的氣候特征

丁文榮， 曾學梅

(云南師范大學 旅游與地理科學學院， 云南 昆明 650500)

1 研究背景

全球氣候變暖已成為不爭的事實，加之人類活動持續(xù)加劇，氣候變化的區(qū)域響應日益受到學者和決策人員的重視[1]。在我國西南巖溶區(qū)，水資源是制約區(qū)域自然生態(tài)平衡、環(huán)境保護、經(jīng)濟發(fā)展、貧困消除的重要因素，而水資源短缺則是巖溶區(qū)面臨的嚴重問題。云南巖溶區(qū)位于世界三大巖溶集中分布區(qū)之一的東亞片區(qū)，全省碳酸鹽巖的出露面積達11.21×104km2，占全省土地總面積的28%，在全省129個縣(市)中，有118個縣(市)不同程度存在巖溶分布，巖溶分布面積30%以上有62個縣(市)，其中巖溶面積占70%以上的縣達10個，是我國西部開發(fā)中生態(tài)建設的重點和難點地區(qū)。一方面，長期以來，不合理的土地利用方式誘發(fā)水土流失和石漠化，加之全球變化的影響，巖溶區(qū)水資源問題嚴峻，季節(jié)性干旱、澇災頻繁[2-4]；另一方面，隨著人口數(shù)量的迅速增長和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對水資源的需求量也急劇增加，人-水矛盾日趨凸顯。

降水是云南巖溶區(qū)水資源的主要補給來源，降水特性的變化深刻影響著水資源供給安全與巖溶生態(tài)的穩(wěn)定。目前，國內(nèi)外關(guān)于云南區(qū)域降水的研究已經(jīng)涉及到了降水氣候變化的多個方面，但系統(tǒng)性針對巖溶區(qū)的研究成果鮮見[5-9]。鑒此，本文以云南巖溶區(qū)為對象，多視角研究降水變化規(guī)律，為巖溶區(qū)水資源利用、生態(tài)環(huán)境改善與社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)和決策支持。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源與質(zhì)量控制

參考王宇等[10]的劃分方法，將云南省巖溶區(qū)分為滇西北、滇西、滇東北、滇中和滇東南5個片區(qū)。然后依據(jù)資料連續(xù)性、最長時段性及空間均衡性等原則，在剔除缺測較多及遷移較大的觀測站點后，最終獲得5個片區(qū)內(nèi)19個站點1959-2017年的逐日降水量數(shù)據(jù)。其中滇西北片區(qū)4個站點、滇西片區(qū)3個站點、滇東北片區(qū)1個站點、滇中片區(qū)5個站點、滇東南片區(qū)6個站點(圖1)。所用站點平均海拔為1 798 m，其中德欽站海拔最高為3 319 m，而孟定站511.4 m為所有站點中的海拔最低站。這些站點數(shù)據(jù)分別從中國氣象局國家氣象信息中心(http://www.nmic.gov.cn/)和云南省氣象局資料中心獲取，為提升分析結(jié)果的可靠性，數(shù)據(jù)均經(jīng)過統(tǒng)一的質(zhì)量控制，包括極值檢驗和時間一致性分析。然后通過算術(shù)平均法分別將站點數(shù)據(jù)升尺度為片區(qū)數(shù)據(jù)。

圖1 云南巖溶區(qū)與氣象站點

2.2 研究方法

為分析降水變化的長期演變特征，采用線性傾向估計法進行趨勢計算。該方法消除了降水變化的均方差和單位對線性回歸系數(shù)數(shù)值大小的影響，從而可以在不同的地理區(qū)域之間比較趨勢變化的大小，在氣象水文領域被廣泛使用[11]。

降水變化的顯著性檢測采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法，因Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗法不需要確定樣本服從的分布類型，也不受少數(shù)異常值的影響，適用于氣象、水文等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)檢驗，是世界氣象組織推薦并已得到廣泛應用的非參數(shù)檢驗方法[12]。

3 結(jié)果與分析

3.1 年降水量變化

降水是云南巖溶區(qū)水資源的主要補給來源，年降水量代表了區(qū)域水資源補給的充沛程度。云南省滇西北、滇西、滇東北、滇中和滇東南巖溶區(qū)的多年平均降水量分別為793.2、971.1、702.0、914.6和1 100.9 mm，分屬于半濕潤(滇西北和滇東北)和濕潤地區(qū)(滇西、滇中和滇東南)，這與云南降雨量的總體格局是一致的[13]。圖2為云南省5個巖溶片區(qū)年降水量在研究時段內(nèi)的變化趨勢特征，從圖2中可以看出，自1959年以來，云南省5個巖溶片區(qū)的降水量均呈現(xiàn)出減少的趨勢，5個片區(qū)減少率分別為1.10、6.99、7.80、15.50和16.92 mm/10a，滇東南片區(qū)遞減率最大而滇西北片區(qū)最小，總體來看滇中和滇東南的減少較為突出。

圖2 1959-2017年云南各巖溶片區(qū)年降水量變化趨勢

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法進行變化顯著性檢驗后得知，5個巖溶區(qū)的降水變化趨勢均未達到0.05的顯著性水平。從成因來看，全球氣候變化格局下云南區(qū)域總體降水量減少，這是云南巖溶區(qū)降水量減少的環(huán)境背景[14]。此外，我國西南地區(qū)在2009-2011年遭遇了極端干旱[15-16]，從圖2中可以看出云南巖溶區(qū)遭受到不同程度的影響，除滇西北外，其余4個巖溶片區(qū)在研究時段內(nèi)的最少降水量均發(fā)生在該時段，如滇西2009年的663.30 mm、滇東北2011年的317.60 mm、滇中2011年的586.30 mm和滇東南2009年的840.63 mm。

3.2 降水日數(shù)變化

降水日數(shù)是指觀測到有降水記錄的日數(shù)，已有研究成果多以日降水量大于等于0.1 mm或大于等于1 mm作為統(tǒng)計的標準[17-18]。有學者認為1 mm以下的日降水量，將會很快被蒸發(fā)而直接返回大氣，所以雨日定義為日降水量大于等于1 mm的日數(shù)較為合適[19]。

本研究也以大于等于1 mm降水量閾值為標準，分別統(tǒng)計了云南巖溶區(qū)1959-2017年降水日數(shù)的變化狀況，結(jié)果見圖3。由統(tǒng)計結(jié)果得知，云南省5個巖溶區(qū)的多年平均降水日數(shù)分別為126.12、99.00、85.95、120.59和137.97，其中滇東南文山州一帶最多而滇東北昭通一帶最少。從圖3中可以看出，在研究時段內(nèi)云南各巖溶區(qū)的降水日數(shù)均呈現(xiàn)出了減少的趨勢，減少率分別為0.43、2.57、0.37、1.96和1.99 d/10a，整體而言滇西片區(qū)減小較滇東北片區(qū)更為突出。

圖3 1959-2017年云南各巖溶片區(qū)年降水日數(shù)演變特征

對全國的研究結(jié)果也表明，一般情況下雨日多，總降水量也相對較多，反之雨日少，總降水量也相對較少[20-21]，結(jié)合云南巖溶區(qū)年降水量的變化，發(fā)現(xiàn)云南巖溶區(qū)降雨量與雨日的關(guān)系與上述結(jié)果一致。對云南省5個巖溶片區(qū)的降水日數(shù)變化進行趨勢顯著性檢驗后得知，滇西、滇中和滇東南片區(qū)的雨日減少趨勢達0.05置信水平，而滇西北、滇東北片區(qū)尚未達到0.05的顯著性水平。

3.3 各量級降雨的比例

氣候變化不僅引起降水量的變化，也會導致降水強度級別的變化[22]。為分析不同級別雨日變化，采用我國日常氣象業(yè)務上的分級規(guī)范，把逐日降水按照降水量的多少進行分級，然后對5個片區(qū)不同雨級的降水量在年降水量中的比例及變化趨勢進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表1。從表1中可以看出，云南巖溶區(qū)主要降雨雨級為小雨和中雨，除滇西北小雨所占比例超過50%外，其余4個片區(qū)小雨和中雨在年降水量中所占的比例大致相當。各巖溶片區(qū)小雨和中雨兩者在全年降水量中所占的比例均超過65%，滇西北甚至高達93.81%。暴雨和大暴雨在各巖溶片區(qū)中所占的比例均較低，研究時段內(nèi)滇西暴雨和大暴雨比例略高，兩者之和達7.80%，而滇西北甚至沒有暴雨和大暴雨的監(jiān)測記錄，其余片區(qū)兩者所占比例也不超過5%。

表1 1959-2017年云南各巖溶片區(qū)不同雨級降水量及變化趨勢

注：*表示通過0.05顯著性檢驗，因5個巖溶片區(qū)在研究時段內(nèi)從未發(fā)生過特大暴雨，所以未進行統(tǒng)計。

從不同雨級的變化趨勢來看，云南5個巖溶片區(qū)小雨降雨量均呈現(xiàn)出減少的趨勢，其中滇西、滇中和滇東南片區(qū)減少最為顯著，且均達到0.05的顯著性水平。從中雨來看，除滇西北片區(qū)有微弱的增加趨勢外，其他片區(qū)均呈現(xiàn)出減少的傾向，其中滇西片區(qū)最為突出。從大雨級別的變化趨勢來看，滇西北、滇西和滇東北片區(qū)為增加趨勢，而滇中和滇東南片區(qū)則為減少趨勢，就暴雨和大暴雨而言，降水量在年降水量中所占比例較少，但在研究時段內(nèi)主要呈現(xiàn)為增加趨勢。總體來看，云南巖溶區(qū)小降水級別的降水量呈減少態(tài)勢，而大降水級別的降水量為增加趨勢，與全球氣候變化下降水的變化是一致的[4]。

3.4 最長持續(xù)干旱時間

最長持續(xù)干旱時間(Consecutive Dry Days, CDD)是發(fā)生旱災的重要參考指標，本文以日降水量小于1 mm為標準值，分別計算云南5個巖溶片區(qū)1959-2017年歷年最長持續(xù)干旱時間，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滇西北、滇西、滇東北、滇中和滇東南巖溶片區(qū)的多年平均最長干旱時間分別為42、40、44、37和32 d，其中滇西北、滇西和滇東北片區(qū)均超過40日，而滇中和滇東南較少。對歷年最長持續(xù)干旱時間的變化趨勢分析后發(fā)現(xiàn)，云南5個巖溶區(qū)的變化存在較大的區(qū)域差異(圖4)，滇西北、滇西、滇東北和滇東南巖溶區(qū)的最長持續(xù)干旱時間均呈現(xiàn)出增加的趨勢，增加率分別為1.67、2.04、0.20和0.85 d/10a，而僅有滇中巖溶區(qū)呈現(xiàn)出減少的趨勢，減少速率為0.40 d/10a。

已有研究成果表明，自1970年代以來，云南出現(xiàn)嚴重干旱的強度及持續(xù)時間呈現(xiàn)出加重的趨勢[23]，這在云南巖溶區(qū)最長持續(xù)干旱時間的變化中也得到了證實。但是，在對5個巖溶片區(qū)的最長持續(xù)干旱時間變化趨勢進行顯著性檢驗后發(fā)現(xiàn)，除滇西巖溶區(qū)的變化趨勢達到0.05的置信水平以外，其余4個片區(qū)的變化均未達到顯著的水平。

3.5 最長持續(xù)降水時間

最長持續(xù)降水時間(Consecutive Wet Days, CWD)可以用于評估區(qū)域發(fā)生洪澇災害的情況，本文也以日降水量大于1 mm作為降水的標準，分別統(tǒng)計了1959-2017年云南省5個巖溶片區(qū)的最長持續(xù)降水時間的變化情況(圖5)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滇西北、滇西、滇東北、滇中和滇東南5個巖溶片區(qū)的平均最長持續(xù)降水時間分別為13、8、7、12和14 d，均在10日左右，最長的滇東南巖溶區(qū)不超過14 d,而最短的滇東北巖溶區(qū)不少于7 d。對云南省巖溶區(qū)歷年最長持續(xù)降水時間進行分析后可以發(fā)現(xiàn)(圖5)，5個巖溶片區(qū)的歷年變化趨勢一致，均為減少趨勢，趨勢率分別為0.24、0.04、0.35、0.45和0.14 d/10a。5個巖溶片區(qū)的10 a變化率均未達到1 d，總體而言減少并不明顯。

圖4 1959-2017年云南各巖溶片區(qū)最長持續(xù)干旱時間變化趨勢

圖5 1959-2017年云南各巖溶片區(qū)最長持續(xù)降水時間變化趨勢

由于最長干旱時間與最長持續(xù)降水時間往往是此消彼長的關(guān)系，在研究時段內(nèi)，云南巖溶區(qū)最長干旱時間均呈增加的趨勢，這也導致了最長持續(xù)降水時間的減少傾向。

采用Mann-Kendall檢驗法對5個巖溶片區(qū)的最長持續(xù)降水時間進行趨勢顯著性檢驗后得知，只有滇東北片區(qū)的變化趨勢達到了0.05的顯著性水平，即研究區(qū)中僅滇東北的減少趨勢變化顯著。

4 結(jié) 論

本研究以云南巖溶區(qū)降水變化的氣候特征為研究對象，以研究區(qū)19個站點1959-2017年的逐日降水量數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)，輔以線性傾向估計法和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法，多視角系統(tǒng)性分析了云南巖溶區(qū)降水變化特征，得到以下結(jié)論：

(1)自1959年以來，云南省5個巖溶片區(qū)的降水量均呈現(xiàn)出減少的趨勢，減少率分別為1.10、6.99、7.80、15.50和16.92 mm/10a，滇中和滇東南的減少較為明顯，然而5個巖溶片區(qū)的降水變化趨勢均未達到0.05的置信水平。

(2)滇東南巖溶片區(qū)在云南巖溶區(qū)中降水日數(shù)最多而滇東北片區(qū)最少。近年來云南各巖溶區(qū)降水日數(shù)均呈現(xiàn)出減少的趨勢，減少率分別為0.43、2.57、0.37、1.96和1.99 d/10a，滇西、滇中、滇東南片區(qū)的減少達0.05置信水平，其余區(qū)域不明顯。

(3)云南巖溶區(qū)主要降雨的雨量級別為小雨和中雨，1959-2017年5個巖溶片區(qū)小雨降雨量均呈現(xiàn)出減少的趨勢；中雨除滇西北有微弱的增加趨勢外，其他片區(qū)均呈現(xiàn)出減少的傾向；滇西北、滇西和滇東北大雨級別的降雨為增加趨勢，而滇中和滇東南則為減少趨勢；暴雨和大暴雨降水量在云南巖溶區(qū)年降水量中所占比例較少，但在研究時段內(nèi)主要呈現(xiàn)為增加趨勢。總體來看，云南巖溶區(qū)小降水級別的降水量呈減少態(tài)勢，而大降水級別的降水量為增加趨勢。

(4)云南滇西北、滇西、滇東北、滇中和滇東南巖溶片區(qū)的多年平均最長干旱時間分別為42、40、44、37和32 d，5個巖溶區(qū)的變化存在較大的區(qū)域差異，其中滇西北、滇西、滇東北和滇東南片區(qū)的最長持續(xù)干旱時間均呈現(xiàn)出增加的趨勢，增加速率分別為1.67、2.04、0.20和0.85 d/10a，僅有滇中呈現(xiàn)出減少的趨勢，減少速率為0.40 d/10a，而5個巖溶片區(qū)中只有滇西的變化趨勢達到0.05的顯著性水平。

(5)云南5個巖溶片區(qū)的平均最長持續(xù)降水時間分別為13、8、7、12和14 d，1959-2107年5個巖溶片區(qū)的變化趨勢一致，均為減少趨勢，趨勢率分別為0.24、0.04、0.35、0.45和0.14 d/10a，總體而言減少并不明顯，只有滇東北的變化趨勢達到0.05的顯著水平，即研究區(qū)中僅滇東北片區(qū)的減少趨勢變化顯著。