61年來滇西南地區(qū)干熱河谷與熱帶雨林地區(qū)氣候變化分析*

王妍方，李仕杰，羅琪，楊巧，朱潤軍，楊暢宇，程希平

(1.西南林業(yè)大學(xué) 地理與生態(tài)旅游學(xué)院,云南 昆明 650224；2.云南師范大學(xué) 地理學(xué)部，云南 昆明 650224)

IPCC第五次評估報告指出，氣候變暖是既定事實(shí)，1880—2012年全球陸地和海洋溫度平均增加了0.85 ℃[1]。我國國土內(nèi)分布著許多熱區(qū)，且對氣候變化存在不同的響應(yīng)。云南是典型的熱區(qū)之一，具有獨(dú)特的資源稟賦，開發(fā)潛力大[2]。云南干熱河谷元江與勐臘熱帶雨林兩個地區(qū)有著獨(dú)特?zé)釁^(qū)氣候條件，主要表現(xiàn)為兩地區(qū)的緯度位置不同,使其獲得的太陽輻射不同,氣溫存在差異；加之兩地區(qū)的地形不同,從而形成了元江干熱河谷區(qū)和勐臘熱帶雨林區(qū)。通過研究兩地的氣候變化特征及趨勢，對應(yīng)對極端氣候變化、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。

目前，已有的氣候變化研究主要在于研究不同地區(qū)的氣候時空變化特征、人類活動對氣候的影響，以及通過構(gòu)建氣候模型來模擬氣候變化。任國玉等[3]對1951年以來中國近地面氣候要素的時空變化特征進(jìn)行了綜合分析；陳恩波等[4]根據(jù)近50年的氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對云南氣候變化特征進(jìn)行探討；都彥廷等[5]、任柬宇等[6]分別探討了大興安嶺地區(qū)地表濕度、降水的時空變化特征；張威等[7]基于遼寧省24個氣象站數(shù)據(jù)，分析了其地溫與氣候變化之間的關(guān)系；牛最榮等[8]利用清源河氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析了該區(qū)域降水和徑流對氣候變化的響應(yīng)；楊建平等[9]通過構(gòu)建相關(guān)評價指標(biāo)體系，著重研究了我國凍土對氣候變化的響應(yīng)。趙天保等[10]基于CRU 3.1氣溫資料和GPCC V6降水?dāng)?shù)據(jù),根據(jù)國際耦合模式比較計劃(CMIP5)中17個耦合模式，在全球范圍內(nèi)評估干旱與半干旱區(qū)氣候變化的模擬能力。此外，氣候突變對認(rèn)識氣候變化的性質(zhì)具有重要意義。Danggaard.W、Taylor.K.C、Bender.M等[11-14]通過冰芯記錄、黃土沉積、湖泊沉積、孢粉等驗(yàn)證了氣候突變現(xiàn)象的存在。符淙斌等[15]通過Mann-Kendan法進(jìn)行了氣候突變檢測,結(jié)果顯示在20世紀(jì)20年代經(jīng)歷了一次全球范圍的氣候突變。前人研究主要針對某一區(qū)域氣候因子的變化特征，而對兩個區(qū)域尤其是典型區(qū)域的氣候差異和對比分析較少。因此，本文基于元江和勐臘1957—2018年的氣象數(shù)據(jù)，通過對干熱河谷和熱帶雨林兩地區(qū)氣候變化差異的比較與分析，從而掌握兩區(qū)域61 a來的氣候變化，揭示其與全球氣候變化的異同點(diǎn)，為有關(guān)部門應(yīng)對極端氣候和保護(hù)特殊生境提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

元江與勐臘均位于云南的南部(圖1)，分別屬于干熱河谷與熱帶雨林氣候。元江地區(qū)為河谷地形，降水量小，同時太陽輻射量大，來自西南的氣流遭到山脈阻擋，易在河谷形成“焚風(fēng)效應(yīng)”。河谷較為閉塞，底部熱量不易散發(fā)，形成干熱河谷氣候[16]。勐臘地區(qū)緯度低，降水量充足，地勢東北部高、西南部和南部低，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋率較高，為云南省濕度最大的地區(qū)之一，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候[17]。

圖1 研究區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用的數(shù)據(jù)為1957—2018元江和勐臘地區(qū)逐日觀測數(shù)據(jù)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)及當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)站，包括降水量(mm)、氣溫(℃)、相對濕度(%)、日照時數(shù)(h)等。為保證兩地氣候變化特征的準(zhǔn)確性，本研究利用SPSS軟件對各氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性檢驗(yàn)，并根據(jù)氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，將兩地年內(nèi)氣候變化分為濕季(4—10月)、干季(11—3月)進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，使用Excel計算出各氣候因子均值，然后運(yùn)用統(tǒng)計方法分析兩地61年來氣候變化趨勢，運(yùn)用累積距平法及Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析兩地氣溫和降水量的突變特征；最后，兩地氣候要素的周期變化特征采用小波分析法。

1.3 研究方法

1.3.1 線性傾向估計

用一元線性方法分析氣候因子的變化特征，即：

yi=a+bti,i=1,2,…,n

①

②

③

④

式中，t為氣候要素，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，a和b通過最小二乘獲得，為時間序列，n為氣候要素的樣本量。當(dāng)b>0時，表明氣候要素在該時段內(nèi)呈上升趨勢，當(dāng)b<0時，則表示氣候要素在時段內(nèi)為下降趨勢，一般用b的10倍(10×b)作為某個氣候要素的傾斜率，以反映氣候要素的變化趨勢[18]。

1.3.2 累計距平法

使用累計距平法判斷某一氣候要素隨時間變化而產(chǎn)生的變化趨勢，即判斷氣候要素變化趨勢中的轉(zhuǎn)折年份[18]。其數(shù)學(xué)公式為：

⑤

⑥

1.3.3 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

氣候突變是指氣候因子從某一統(tǒng)計特性隨著時間和空間的變化迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌慕y(tǒng)計特性[15]。Mann-Kendall檢驗(yàn)法起初并不用于檢驗(yàn)氣候突變情況，而是Goossens等[19-20]通過改進(jìn)和完善,使其成為一種能檢測氣候突變的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是樣本可以不按照一定的順序分布，少部分異常值的干擾微弱，定量化程度高。本文采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行突變分析，在使用該方法中，顯著性水平設(shè)置α=0.05，臨界值U0.05=±1.96[21]。

1.3.4 小波分析法

近年來，小波分析逐漸應(yīng)用在氣象、水文要素等周期性變化分析中。小波方差隨尺度變化的過程可以通過波動能量圖表達(dá)出來，可以反映不同尺度分布狀況，用來確定在某一時間段中的氣候要素的主要周期成分[22]。使用Matlab軟件制作兩個研究區(qū)氣象要素的周期變化圖，分析兩地區(qū)氣候變化的主周期、次周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候要素年際變化

利用線性傾向估計法得出1957—2018年元江與勐臘的年均溫年際變化趨勢圖(圖2)。結(jié)果顯示，1957—2018年兩地年均溫年際變化呈波動上升趨勢(圖2a～b)，但兩地的上升速率出現(xiàn)差異，即元江和勐臘地區(qū)年均溫相差較大。元江地區(qū)增溫率約為0.09 ℃/10a，且元江地區(qū)溫度在23.57～24.48 ℃范圍內(nèi)變動，呈波動增長。勐臘地區(qū)年均溫較低，約為20.89～22.09 ℃，比元江地區(qū)低大約2.4 ℃，增溫率為0.25 ℃/10a，比元江地區(qū)的增溫率高0.16 ℃/10a。總的來說，兩地都出現(xiàn)增溫現(xiàn)象，但勐臘地區(qū)的趨勢更加明顯。

勐臘61年平均降水量明顯高于元江地區(qū)，約為1 530 mm，元江約為793 mm，兩地區(qū)年均降水量相差較大(圖2c-d)。1957—2018年，元江降水量年均值在516～1 212 mm之間變化，勐臘年均降水量在1 081～2 274 mm之間，兩地區(qū)降水變化趨勢趨同，年降水都有所增加，同時元江地區(qū)年降水均值波動幅度高于勐臘地區(qū)。

在元江地區(qū)，年日照指數(shù)趨于上升趨勢。其年均日照時數(shù)的上升年份主要是在1957—1972年，上升幅度大，而1972—2018年46年間，年均日照時數(shù)變化極小，呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。在勐臘地區(qū)，1957—2018年的年日照指數(shù)總體也呈上升趨勢，但總體變化較元江地區(qū)大。勐臘在1957—1961年、1989—2018年年日照時數(shù)波動較大，多出現(xiàn)高峰和低峰，其余時段變化幅度小，較為平穩(wěn)。與元江地區(qū)變化相比，勐臘地區(qū)波動幅度大，出現(xiàn)劇烈上升或下降現(xiàn)象的頻率高。勐臘地區(qū)年日照指數(shù)總體上低于元江地區(qū)，相差約4 000 h(圖2e～f)。元江和勐臘地區(qū)相對濕度的1957—2018年平均變化趨勢存在差異，元江地區(qū)的相對濕度總體小于勐臘地區(qū)。從整體上看，兩地區(qū)的相對濕度隨時間變化呈現(xiàn)下降趨勢，同時兩地區(qū)下降幅度也不同。61年來，元江地區(qū)年均濕度最高達(dá)到72.41%，最低低至61.51%(圖2g～h)，與勐臘地區(qū)相比，元江地區(qū)相對濕度波動較大，下降幅度偏低。

圖2 各氣候要素年變化趨勢

2.2 氣象要素的干濕季變化

由于兩地氣候存在差異，因而元江在干、濕季氣溫均高于勐臘地區(qū)(圖3a～b)。元江地區(qū)氣候環(huán)境曾經(jīng)為濕熱狀況，域內(nèi)普遍存在原始熱帶季雨林，到了18—20世紀(jì)中葉，元江氣候發(fā)生改變，域內(nèi)平均增溫3～5 ℃，環(huán)境不斷朝干熱發(fā)展[23]。勐臘地區(qū)是西雙版納季節(jié)性雨林分布最為集中地區(qū)，域內(nèi)干、濕季變化十分顯著[24]。從干、濕季內(nèi)變化看，元江地區(qū)和勐臘地區(qū)氣溫濕季內(nèi)變化趨勢是不斷下降的，而在干季變化都處于上升趨勢。同時，無論干濕季，元江地區(qū)氣溫變化趨勢始終高于勐臘地區(qū)。與氣溫相反，在降水方面，勐臘地區(qū)的降水量高于元江地區(qū)，且干、濕季降水趨勢更為顯著。

圖3 兩區(qū)域干、濕季氣溫降水季節(jié)變化

2.3 氣象要素的突變分析

根據(jù)突變檢驗(yàn)圖進(jìn)行分析，元江年均溫的UF、UB曲線大都在信度線之內(nèi)，從1978年開始，UF曲線逐漸上升，同時兩曲線于2007年相交，說明元江的氣溫變化趨勢在2007年開始發(fā)生轉(zhuǎn)折。元江地區(qū)氣溫累積距平曲線總體上表現(xiàn)出了先下降后上升的趨勢，曲線波動較為頻繁，且形狀不規(guī)則(圖4a)，表明氣溫存在一定的年際變化，整體以下降趨勢為主，表現(xiàn)較為明顯。1996年曲線出現(xiàn)峰值，在2007年出現(xiàn)低值(圖4c)，1968—2007年以下降趨勢為主，2007—2018年為上升趨勢，因此2007年是突變點(diǎn)，即元江地區(qū)的年均溫存在2007年的突變點(diǎn)。

從UF曲線(圖4b)可以看出，自1957年開始，除1958年外，其值都大于0，出現(xiàn)明顯的上升性。勐臘年均溫UF、UB曲線在1985年處相交，同時其累積距平曲線總體上呈現(xiàn)“U”字形，在1985年為最小值。可知，勐臘年均溫突變發(fā)生在1985年。

圖4 兩區(qū)域氣溫Mann-Kendall檢驗(yàn)及累計距平分析

1957—2018年元江地區(qū)年降水UF、UB曲線在信度線內(nèi)存在多個交點(diǎn)，年降水累計距平曲線波動劇烈(圖5a、c)，說明元江地區(qū)年平均降水存在多次突變，61年間該區(qū)域降水變化劇烈。元江降水UF、UB曲線在信度線內(nèi)存在包括1962、1986、1992、1991、2008年等多個交點(diǎn)。元江地區(qū)年降水累積距平曲線總體上呈現(xiàn)出先升后降再升的趨勢，但曲線波動十分頻繁，表明降水存在劇烈的年際變化。曲線在1978年、2008年存在兩個峰值，在1962年存在一個低值，1962—1978年主要是上升趨勢，1986—2008年波動中略有上升，1978—1986年則出現(xiàn)較快下降趨勢，因此1986年、2008年是兩個可能的突變點(diǎn)。

圖5 兩區(qū)域降水Mann-Kendall檢驗(yàn)及累計距平分析

勐臘年降水UF、UB曲線在信度線內(nèi)分別交于1961、2016年兩點(diǎn)，年降水累積距平曲線波動幅度大，在1982年存在一個峰值，在1999年存在一個低值(圖5b、d)。因此，1961、1982、1999年是可能的突變點(diǎn)。

2.4 周期性特征分析

2.4.1 氣溫周期性分析

通過分析小波系數(shù)，元江地區(qū)氣溫年際變化明顯(圖6a)，等值線在2～8 a、24～30 a、52～58 a處分布密集，從小波方差圖(圖6c)可以看出極值出現(xiàn)在8 a、28 a、58 a處，可知元江地區(qū)年均溫的周期變換存在3個，28 a為其主周期變化。勐臘地區(qū)在24～28 a處等值線密集，而小波分析曲線比較平滑，極值為28 a(圖6b、d)，可以知道勐臘年均溫也存在28 a的主要的周期變化。

圖6 兩地區(qū)氣溫要素的小波分析

2.4.2 降水周期分析

元江地區(qū)降水年際變化在1～3 a，7～9 a，24～29 a等值線分布比較密集，小波方差則顯示出在2 a、9 a和28 a處出現(xiàn)極值(圖7a、c)，可知元江降水存在著28 a的主變化周期。而勐臘地區(qū)降水年際變化在4-8，18-22處等值線密集，小波方差存在6 a和20 a的極值(圖7b、d)，可以知道勐臘降水存在著6 a的主變化周期。元江和勐臘地區(qū)降水周期具有明顯的差異，并且兩地可能還存在更大的周期性。

圖7 兩地區(qū)降水要素的小波分析

3 結(jié)論與討論

通過與已有氣候變化研究的對比發(fā)現(xiàn)，元江和勐臘地區(qū)氣候變化與其存在共性，但也表現(xiàn)出不同[4,25-28](表1)。兩地區(qū)氣溫變化趨勢與全國、東部季風(fēng)區(qū)、云南地區(qū)相同，即“升溫”趨勢。相比而言，勐臘地區(qū)升溫現(xiàn)象更顯著。兩地區(qū)降水、年日照因子變化趨同，均呈上升趨勢。但兩地區(qū)的相對濕度隨時間推移呈下降趨勢，下降幅度存在差異。從干、濕季內(nèi)變化看，元江地區(qū)和勐臘地區(qū)氣溫濕季內(nèi)變化趨勢是不斷下降的，在干季內(nèi)變化趨勢為上升趨勢。在降水方面，勐臘地區(qū)降水量干、濕季內(nèi)變化趨勢更加明顯。另外，元江與勐臘兩地的氣溫和降水量呈周期性波動變化，元江地區(qū)的氣溫與降水量的主周期均為28 a，勐臘地區(qū)的氣溫與降水量的周期分別為28 a、6 a。

表1 區(qū)域氣候要素(氣溫、降水)10 a期增率

我國西南地區(qū)地形復(fù)雜，高原、山地等構(gòu)成了該區(qū)域大陸地貌的顯著特征[29]，引起區(qū)域各地降水量在時空上出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象，加之受到季風(fēng)環(huán)流的影響，導(dǎo)致該地區(qū)各個地方氣候特征顯著。此外，研究表明，近百年來氣候變暖這一普遍現(xiàn)象是自然界中氣候波動和人為干擾相互作用形成的，但大部分氣候變化中人類活動占主要原因[30]。因此，元江和勐臘地區(qū)的氣候變化是不僅存在自然因素的變化，人類活動也不可或缺。

基于元江和勐臘兩地1957—2018年的氣候數(shù)據(jù)，利用多種數(shù)據(jù)分析方法，探討元江、勐臘兩地的氣候隨時間推移而產(chǎn)生的不同響應(yīng)，總結(jié)得出以下結(jié)論：

(1)61 a來兩地區(qū)氣溫、降水、日照氣候因子呈上升趨勢，而相對濕度呈下降趨勢。這與丁一匯等[31]學(xué)者研究西南地區(qū)暖濕變化趨勢帶變化相對一致，氣候變化與全球變暖的增強(qiáng)息息相關(guān)。同時兩地存在區(qū)域氣候條件不同，變化速率差異性明顯。

(2)兩地區(qū)氣溫、降水隨月份發(fā)生變化，雨季內(nèi)干熱河谷地區(qū)氣溫下降趨勢大于雨林地區(qū)，降水下降趨勢低于雨林地區(qū)；干季兩地區(qū)氣溫和降水隨時間都呈上升趨勢，但干熱河谷氣溫上升率高于雨林地區(qū)，降水變化小于雨林地區(qū)。

(3)在向遼遠(yuǎn)等[32]指出西南地區(qū)氣溫不存在明顯突變中大區(qū)域中，兩地區(qū)對氣候變化的響應(yīng)較為敏感。干熱河谷元江地區(qū)61 a內(nèi)氣溫和降水發(fā)生明顯變化，氣溫在2007年發(fā)生由降溫趨勢到增溫趨勢的改變，降水突變點(diǎn)為1986、2008年，由上升向下降趨勢轉(zhuǎn)變；而熱帶雨林勐臘地區(qū)氣溫突變要早于元江地區(qū)，突變點(diǎn)為1985年，降水突變點(diǎn)為1961、1982、1999年，變化較為頻繁。

(4)元江和勐臘地區(qū)在1957—2018年年均氣溫和年降水量存在明顯的周期變化。兩地區(qū)在約61a內(nèi)氣溫存在著28a的主周期變化，也存在著不同的次周期變化，降水方面干熱河谷元江地區(qū)存在28a的周期變化，存在與氣溫周期變化的同步性，而熱帶雨林勐臘地區(qū)則不同，降水主要為6a周期的變化。

以上結(jié)論，驗(yàn)證分析了61 a來干熱河谷元江地區(qū)和熱帶雨林勐臘地區(qū)部分氣候因子的變化和規(guī)律。兩地區(qū)氣候變化特征基本與其他研究的結(jié)果較為吻合[33-35]。在全球變暖的背景下，不同區(qū)域存在不同的影響機(jī)制，因而兩地區(qū)對大氣升溫的反饋機(jī)制不同，致使氣候因子產(chǎn)生不同的變化；同時，地氣系統(tǒng)在氣候變化的影響下發(fā)生變化，氣溫和降水等也會呈現(xiàn)年際和年代震蕩。此外，在后續(xù)的氣候變化研究中需要在以下方面進(jìn)行更深入的探討：本研究只選取了元江和勐臘2個氣象臺站的資料，數(shù)據(jù)樣本有限，對研究結(jié)果的精度有一定影響。因此，需要更詳細(xì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證與分析，并與氣候模型研究方法相結(jié)合，以提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。