氣候變化背景下貴州夏旱變化特征分析

廖留峰，楊富燕，張東海，左 晉

(1.貴州省生態氣象和衛星遙感中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；3.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

貴州地處云貴高原東側，受季風之惠，降水豐沛，大部地區年降雨量在1 100 mm以上。但季風活動不穩定，造成月、季降雨量時空分布不均且存在較大的年際波動，同時貴州為典型的喀斯特地貌，土層淺薄，土壤總量少，基巖裸露面積大，貯水保水能力差，加上巖石裂隙滲漏性強等特殊的喀斯特地表結構和水文地質條件，導致貴州很多區域每年均會發生不同程度的干旱，這種濕潤氣候背景下的臨時性干旱具有典型的地域特點[1-5]。近年來，貴州境內干旱事件頻繁發生，2009—2010年的秋冬春連旱[6]、2011年的夏秋連旱和2013的夏旱[7][8]，給農業生產和國民經濟造成了嚴重影響，損失巨大。

貴州降水多集中于夏季，且不同等級區域性強降水事件與喀斯特地貌結合[9]，導致夏季貴州境內這種濕潤背景條件下的干旱尤為明顯，常出現幾日無雨便成旱的現象。由于省內地形復雜，各地區的海拔差異也較大，加上氣候、經濟發展等因素的影響，省內各地區之間的干旱分布存在很大的差異。因此，分析近55 a來氣候變化背景下貴州夏旱的時空變化，對深入了解夏旱特征、變化規律具有重要的意義。

2 資料與方法

2.1 資料

利用貴州84個氣象觀測站1961—2015年的年平均氣溫和年總降水量，分析貴州氣候變化特征；利用貴州84個氣象觀測站1961—2015年逐日降水資料，分析夏旱強度指數的時空特征。

2.2 夏旱強度指數

根據徐永靈等[10]修訂的地方標準《貴州省干旱標準》(DB52 _T_1030-2015)，選取區域性夏旱強度指數作為指標，對氣候變化背景下的夏季干旱進行分析。區域性夏旱強度指數的計算公式：

I=G+100×(1-R)+100×(H/63)

(1)

(2)

式中，G表示一年中所有夏旱過程中，持續時間最長的一次夏旱時段所占指數值；R表示6月21日—8月31日期間，任意滑動30 d的累計雨量與同期多年平均雨量的最小比值；H表示6—8月期間所有夏旱過程的總日數。D表示一年中最長一次夏旱過程所持續的天數。

公式(1)中，所有夏旱過程的入旱和出旱條件按照《貴州省干旱標準》進行統計計算，無旱(I<88),輕旱(88≤I<118),中旱(118≤I<171),重旱(171≤I≤214),特旱(I>214)；I值越大，表示夏旱等級越高，夏旱強度越強；反之，夏旱等級越低，夏旱強度越弱。

3 貴州氣候變化背景分析

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2007年的報告指出：1995—2006年這12 a里，有11 a位列自1850年以來最暖的12 a中(IPCC， 2007)。1951—2009年，中國年平均溫度上升了1.38 ℃，變暖速率達到0.23 ℃/10 a，與全球變暖趨勢一致[6]；

1961—2015年貴州氣溫的多年平均值為15.47 ℃，年平均氣溫在波動中呈明顯上升趨勢(P>0.01)(圖1)，2015年與1961年相比，年平均溫度上升了0.81 ℃，變暖速率達到0.09 ℃/10 a，特別是2000—2015年的年平均氣溫比1961—1995年的年平均氣溫增加了0.4 ℃。年平均氣溫最低值為1984年的14.57 ℃，年平均氣溫最高值為2013年的16.35 ℃；且1998年以前以負距平為主，1998年之后以正距平為主，這與全國20世紀90年代之前是偏冷時期，之后為偏暖時期基本一致。

圖1 貴州1961—2015年逐年平均氣溫變化Fig.1 The annual average temperature change in Guizhou from 1961 to 2015

從貴州1961—2015年年總降水量變化特征可以看出(圖2)，貴州境內降水量充沛，年總降水量的多年平均值為1 198.77 mm，但年際間波動比較大，變化趨勢不明顯(P>0.05)。年總降水量的最低值為2011年的848.27 mm，最高值為1977年的1 422 mm。從年平均降水距平值可以得出，貴州年總降水量在1983—1992年、2002—2013年期間相對偏少，1961—1983年、1992—2002年期間相對偏多。

圖2 貴州1961—2015年逐年總降水量變化Fig.2 Annual change of total precipitation in Guizhou from 1961 to 2015

總之，年平均氣溫呈升高趨勢，年總降水量在平均值附近波動，年際變化較大，減少趨勢不明顯，在這種氣候背景下更易發生干旱。夏季總降水量(圖略)的多年平均值為555.8 mm，1961—1990年間夏季總雨量的年際變化較大；1991—2001年期間夏季總降雨量偏多，2002—2013年夏季總降雨量偏少。貴州夏季降雨的波動性使得夏旱也具有其獨特的特征。

4 夏旱變化特征

4.1 夏旱時間變化特征

4.1.1 夏旱年際變化 圖3為1961—2015年貴州夏旱強度指數的時間變化圖，從圖中可以看出，夏旱強度指數隨時間在平均值附近波動。多年平均值為132.35，達到中旱級別；近55 a中，夏旱強度指數最低值均大于88，即貴州每年均出現不同程度的夏旱，其中1972年、2013年出現了明顯的峰值，分別為224.2、228.1，達到特旱級別；1966年、1990年、2011年的年平均夏旱強度指數也較高。除上述年份外，各年夏旱強度指數變化幅度較小，近10 a來震蕩幅度有明顯的增大。

圖3 1961—2015年貴州省夏旱強度指數的時間變化圖Fig.3 Time variation of summer drought intensity index in Guizhou from 1961 to 2015

4.1.2 夏旱突變及周期特征 利用曼-肯德爾法(Mann-Kendall，M-K)對近55 a來的夏旱強度指數做突變檢驗(圖4)，從圖中可以看出， UF曲線在1961—1988年為負值，即夏旱強度指數在90年代前呈現出下降趨勢；1989—1999年，UF>0，1999—2004年，UF<0，自2005年以來，UF>0，夏旱強度指數上升趨勢顯著?？傮w上，近55 a夏旱強度指數的變化趨勢具有下降—上升—下降—上升的變化特征。UF曲線與UB曲線在2005年附近交叉，交點位置位于兩根置信線之間，表明夏旱強度指數在2005年附近存在突變現象。突變發生前夏旱強度指數的多年平均值(1961—2005年)為129.1，突變點后夏旱強度指數的多年平均值(2005—2015年)為145.1，比突變發生前升高16。

圖4 1961—2015年貴州省夏旱強度指數M-K突變檢驗結果Fig.4 M-K mutation test results of summer drought intensity index in Guizhou province from 1961 to 2015

利用Morlet小波分析法對貴州55 a的夏旱強度指數(I)進行周期分析。從圖5a中可以看出，1961—2015年間夏旱強度指數存在兩個主要的振蕩周期：9 a和20～21 a。兩個主要振蕩周期在2005年附近都存在系數轉變的現象，由此可見，夏旱強度指數(I)的振蕩周期均在此期間發生了突變現象，這與M-K突變檢驗結果是一致的。小波方差值反映了能量波動隨尺度的分布情況，一般用來定量地分析變量時間序列上的主要周期。從圖5b的小波方差結果可以看出，夏旱強度指數存在3個能量波動高值，分別為3 a、9 a和20～21 a。由于氣象要素的短時期變化屬于自然波動，前3 a的小波方差忽略不計，以20～21 a為中心的方差貢獻最大，其次為9 a。得出在1961—2015年中，20～21 a為主要周期，其振蕩最強，其次的年代際尺度周期是9 a。

圖5 1961—2015年夏旱強度指數時間小波變換實部(a)及小波方差結果(b)Fig.5 Real part (a) and wavelet squared difference result (b) of time wavelet transform of summer drought intensity index from 1961 to 2015

4.2 夏旱空間變化特征

4.2.1 東部重西部輕 圖6為1961—2015年間夏旱強度指數多年平均值的空間分布圖。從圖中可以看出，夏旱強度指數的多年平均值介于102.7～161.6之間，其分布特征為：畢節東部、遵義、銅仁、貴陽中東部、黔南州北部、黔東南州中東部的夏旱強度指數總體偏高，指數值均大于145，最大值位于余慶縣，夏旱強度指數高達161.6。夏旱強度指數的低值區位于貴州西部的黔西南州中西部、畢節西部、安順西部以及六盤水市，其值介于102.7～115之間。由此可見，夏旱強度指數由貴州西部到東部逐漸變強，具有東部重、西部輕的特征。

圖6 1961—2015年平均貴州夏旱強度指數分布圖Fig.6 Distribution of average summer drought intensity index in Guizhou from 1961 to 2015

選取1966年、1972年、1990年和2013年共4個夏旱災害影響較重的年份作為個例年。4 a中，以西部地區的畢節—六盤水—黔西南的夏旱強度較輕，特旱主要出現在東部和北部的黔東南—銅仁—遵義，但各年特旱影響區域有所不同。1966年夏季重旱以上主要分布在中東部地區(圖7a)；1972年特旱主要分布在中部以東南地區、重旱主要分布在北部地區(圖7b)；1990年重旱及以上主要控制遵義及其周邊地區，特旱集中在遵義中部呈南北向分布，且安順市、紫云縣和黎平縣亦受重旱影響(圖7c)；2013年特旱影響范圍最廣，主要分布在貴陽市以東、以北和紫云縣，重旱主要分布在畢節局部、貴陽西部邊緣、安順東南部、黔南北部與黔東南北部交界處和黔西南州冊亨縣(圖7d)。

圖7 1966年(a)、1972年(b)、1990年(c)和2013年(d)基于夏旱強度指數的貴州夏旱等級分布Fig.7 Grade distribution of summer drought in Guizhou based on the intensity index of summer drought in 1966 (a), 1972 (b), 1990 (c) and 2013 (d)

綜上所述，較重的夏季干旱主要分布在貴州中部以東部地區，西部地區夏季干旱相對較輕。

4.2.2 突變前后夏旱分布 從夏旱強度指數的M-K檢驗結果得出2005年為突變年，因此將突變前1961—2004年的年平均夏旱強度指數空間分布和突變點后2005—2015年的年平均夏旱強度指數空間分布進行對比分析(圖略)。突變前后，夏旱的總體分布均為西部輕、東部重；突變發生前(1961—2004年)，夏旱強度指數介于102.7～160之間；突變發生之后(2005—2015年)，夏旱強度指數明顯增強，指數>145的區域明顯增大，夏旱強度指數介于101～115之間的區域明顯減少。特別是遵義中部、銅仁南部以及黔南州北部和東部邊緣一帶，突變前后的夏旱強度指數變化顯著，由突變前的130～145之間增大到160以上。

5 小結

綜合以上的分析，得出以下結論:

①近55 a來，在貴州氣溫升高、年總降水量在平均值附近波動的背景下，年夏旱強度指數隨時間在平均值附近波動，多年平均值為132.35，達到中旱級別；55 a的年夏旱強度指數值均大于88，表明貴州每年均出現不同程度的夏季干旱。

②夏旱強度指數在2005年附近存在突變現象。突變發生前，夏旱強度指數的多年(1961—2005年)平均值為129.1；突變年之后，多年(2005—2015年)平均值增加為145.1，比突變發生前升高16。近55 a夏旱強度指數的主要周期為20～21 a，其次的年代際尺度周期是9 a。

③貴州夏旱強度指數的空間分布特征為從西部到東部逐漸變強，東部重、西部輕。畢節東部、遵義、銅仁、貴陽中東部、黔南州北部、黔東南州中東部的夏旱強度指數總體偏高，其指數值均大于145。低值區位于貴州西部的黔西南州中西部、畢節西部、安順西部以及六盤水，其指數值介于102.7～115之間。夏旱災害影響較重的1966年、1972年、1990年和2013年，較重的夏季干旱主要分布在貴州中部以東部地區，西部地區夏季干旱相對較輕。

④突變發生之后，夏旱強度指數明顯增強，強度指數>145的區域明顯增大，強度指數介于101～115的區域明顯減少。