氣候突變下基于Z指數(shù)的松潘縣旱澇演變分析

侯雨樂, 趙景波

(1.阿壩師范學(xué)院, 四川 汶川 623002; 2.中國科學(xué)院 地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710061)

近50 a來全球變暖更趨明顯，旱澇等與極端天氣有關(guān)的自然災(zāi)害事件正不斷增加[1-2]。氣候是不穩(wěn)定的，冷期或暖期的氣候均存在突變，極端天氣事件是氣候突變的典型表現(xiàn)[3]。氣溫、降水異常是造成旱澇變化的主要原因之一，也是定量研究區(qū)域冷暖、干濕演替的重要依據(jù)，并得到廣泛承認(rèn)和應(yīng)用。長江上游等地區(qū)的干旱、極端降水及其造成的損失呈上升趨勢[4-5]。2020年入夏以來，長江多地遭遇因強(qiáng)降雨引發(fā)的內(nèi)澇、山洪等災(zāi)害，長江流域降水偏多，但降水時(shí)空分布不均，澇重于旱，已致千萬人受災(zāi)。王帥兵等[6]利用SPI和Z指數(shù)分析了洮河流域的干旱趨勢，發(fā)現(xiàn)這兩種指數(shù)在年尺度的旱情分析上一致性較高。劉志雄[7]、齊冬梅[8]等認(rèn)為Z指數(shù)可較好地作為反映長江上游流域、四川地區(qū)旱澇指標(biāo)。戴洋等[9]利用1961—2008年的氣候水文數(shù)據(jù)得出， 20世紀(jì)90年代后期若爾蓋濕地進(jìn)入暖干期，年均氣溫在1997年前后發(fā)生突變。鄭景云等[10]研究指出，2016年長江流域重大洪災(zāi)的主要成災(zāi)因子是梅雨期內(nèi)的強(qiáng)降水頻繁、時(shí)間長等，ENSO等極端事件是造成歷史上異常豐梅事件的大氣環(huán)流背景。氣候突變、旱澇頻發(fā)等問題對區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定、防災(zāi)減災(zāi)帶來了一系列連鎖危機(jī)。松潘縣地處青藏高原東緣，是岷江源頭，也是岷江流域、成都平原生態(tài)屏障的重要組成部分，作為川西北生態(tài)系統(tǒng)中重要一環(huán)，松潘地區(qū)生態(tài)環(huán)境在維持系統(tǒng)功能、生物多樣性等方面有著不可或缺的地位。但由于其特殊的區(qū)位條件，也是屬于全球氣候變化的敏感區(qū)，氣候突變下的氣溫降水異常、旱澇等極端氣候事件頻發(fā)等嚴(yán)重威脅著地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)穩(wěn)定。因此，開展本區(qū)的氣溫降水變化、旱澇演替、監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)研究有著重要現(xiàn)實(shí)意義。本文利用松潘縣1960—2015年的氣溫、降水連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，基于Z指數(shù)對該區(qū)氣溫突變前后氣候變化、旱澇演變情況進(jìn)行分析討論，對區(qū)域氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)、流域生態(tài)建設(shè)等方面研究具有重要科學(xué)參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

松潘縣[11]位于四川省阿壩州東北部，介于32°06′—33°09′N，102°38′—104°15′E，面積約8 486 km2，地處岷山山脈中段，地貌東西差異顯著，由東南陡峻的壁峰、狹窄的溝谷向西北緩而開闊的丘狀高原及高平原過渡，縣境西北高，東南低，河流密布，是岷江、涪江水系發(fā)源地。松潘縣小氣候多樣且災(zāi)害性天氣活動頻繁。年均降雨量約720 mm，干濕季分明，雨季降雨量占全年降雨量的72%以上。多年平均氣溫5.7℃，多大風(fēng)天氣[12]。

2 資料與方法

本文采用松潘縣氣象站的逐月氣象資料進(jìn)行分析，其降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)均來自國家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn/)的實(shí)測資料，完整可靠。對數(shù)據(jù)的季節(jié)分析以常見的氣象劃分法作為四季劃分依據(jù)，即以3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

計(jì)算松潘縣年平均氣溫、極端氣溫、降水量的變化趨勢，并利用SPSS，MATLAB等軟件平臺中的最小二乘法、一般線性模型、Mann-Kendall法、小波分析等方法進(jìn)行趨勢分析、顯著性檢驗(yàn)、突變檢驗(yàn)、周期變化等分析，其具體原理和過程詳見參考文獻(xiàn)[13—14]。

旱澇Z指數(shù)法是能較明顯地確定區(qū)域旱澇等級的方法，在我國廣泛應(yīng)用于宏觀分析長時(shí)段的旱澇標(biāo)準(zhǔn)[15]，尤其是應(yīng)用在單站旱澇指標(biāo)中[16]。主要涉及公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Zi為旱澇指數(shù)；Cs為偏態(tài)系數(shù)；φi為標(biāo)準(zhǔn)變量；xi為某一時(shí)段的降雨量(mm)；n為樣本數(shù)；x為時(shí)段尺度下這n年的平均降雨量(mm)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)Z變量的正態(tài)分布曲線，將其劃分為7個旱澇等級，見表1。

表1 Z指數(shù)指標(biāo)下的旱澇等級及其頻次

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候變化分析

3.1.1 年均氣溫與極端氣溫變化 1960—2015年松潘縣年均氣溫呈顯著上升趨勢(圖1)，通過了95%水平下的顯著性檢驗(yàn)。氣溫的年際變化率是0.24℃/10 a，明顯高于我國中部、華南地區(qū)近50 a年均氣溫上升速率[17]。年均氣溫最高值出現(xiàn)在2006年的7.28℃；最低值出現(xiàn)在1977年的5.06℃。由松潘縣四季平均氣溫線性傾向變化表(表2)可知，各季節(jié)增溫幅度不一，冬季增溫最為顯著。

圖1 1960-2015年松潘縣年均溫變化

表2 松潘縣季節(jié)平均氣溫線性傾向變化

為更好地分析近56 a來氣溫變化，做出松潘縣年均極端氣溫變化圖(圖2)?？芍膳丝h年均極端高溫的波動范圍在19.42～23℃，且呈現(xiàn)出波動增加態(tài)勢，但在20世紀(jì)90年代明顯偏低。年均極端低溫的波動范圍為-7.51～-3.84℃，顯著波動增加，上升速率達(dá)0.44℃/10 a，1990年后明顯整體偏高。松潘縣年均氣溫的上升，年均極端低溫的貢獻(xiàn)率更大。

圖2 1960-2015年松潘縣年均極端溫度變化

3.1.2 年均氣溫突變檢驗(yàn) 圖3是基于MATLAB的松潘縣年均氣溫的Mann-Kendall突變分析結(jié)果?？芍?980年以后，UF曲線一直大于0，且呈現(xiàn)出增加趨勢。說明從1980年開始，本地年均氣溫整體上凸顯了上升態(tài)勢，持續(xù)時(shí)間較長，通過了0.05下的顯著性水平檢驗(yàn)。UF，UB曲線在其置信區(qū)間內(nèi)的1994年出現(xiàn)交叉，說明年均氣溫在1994年前后發(fā)生了突變。1980—1994年均氣溫的距平值為-0.15℃，1995—2015年的距平值達(dá)0.5℃?？赏茢?，從20世紀(jì)80年代開始，本地逐漸進(jìn)入暖期，1994年后增溫迅速。甄碩等[18]在研究1967—2014年若爾蓋氣候變化時(shí)指出，若爾蓋高原蒸發(fā)量在1994年、1999年突變，氣溫在1997年突變，研究都表明在20世紀(jì)90年代中后期氣候發(fā)生了突變。

圖3 松潘縣年均氣溫突變分析

3.1.3 松潘縣降水量變化 應(yīng)用氣候傾向率對松潘縣近56 a來降水量進(jìn)行分析，松潘縣多年平均降水量為719.69 mm，不同年代降水波動性較大，呈現(xiàn)不明顯減少趨勢，但未通過95%的顯著性檢驗(yàn)。年降水累計(jì)距平是年降水量值與多年平均值偏差的累加，距平累積序列可直觀地確定降水量的年際變化特點(diǎn)[19-20]。年降水累積距平值持續(xù)增大時(shí)，說明該時(shí)期年均降水距平持續(xù)大于0；年降水量距平累積持續(xù)變小時(shí)，表明該時(shí)段內(nèi)年均降水距平持續(xù)小于0。做出松潘縣年降水量累積距平變化曲線圖(圖4)?？芍?，20世紀(jì)70年代到80年代中期年降水量明顯增加，且多處于豐水年?duì)顟B(tài)。1978年累積距平值最大，高達(dá)205.27 mm。1994年前后直到21世紀(jì)初，降水量波動減少，降水年際變化較大。2008年累積距平值最低，達(dá)-314.26 mm。但近年來降水又呈增加態(tài)勢。研究表明[9,18,21-22]，阿壩州在1961—1989年降水整體呈上升趨勢；1990—2014年整體呈下降趨勢。附近的若爾蓋高原20世紀(jì)90年代以來氣溫上升趨勢明顯，氣候整體上朝暖干化方向發(fā)展。這與本文的研究結(jié)論大致一致。

圖4 松潘縣年降水量累積距平變化

松潘縣近56 a來降水總體呈不明顯減少趨勢。各季節(jié)降水變化不一，夏秋季降水量為下降趨勢；冬春季降水量呈上升趨勢。只有春季降水變化通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，且春季降水的變化率最大。由松潘縣季節(jié)降水量變化表(表3)可知，冬春季降水在氣溫突變前的距平值均為負(fù)值，低于多年平均降水量；在突變后，距平值皆轉(zhuǎn)為正值，降水量增多。而夏秋季降水變化則相反，在突變以后，整體呈少雨趨勢，其中夏季降水在1995—2015年的距平值最大，減少最為明顯。本地年均降水量的減少趨勢應(yīng)與夏秋降水減少緊密相關(guān)。季節(jié)降水變化的復(fù)雜化，也加劇了松潘地區(qū)旱澇災(zāi)害頻度。

表3 松潘縣季節(jié)降水量變化

3.1.4 松潘縣旱澇災(zāi)害變化特征 降水量突增、強(qiáng)降水事件頻發(fā)、降水量銳減是誘發(fā)旱澇災(zāi)害的主要因子。某時(shí)期降水量與多年平均值之間的偏差可在一定程度上說明旱澇的程度。參考研究成果[8]，利用Z指數(shù)等級來表示松潘縣長期旱澇等級變化(圖5)。依據(jù)表1劃分標(biāo)準(zhǔn)，近56 a來松潘縣共計(jì)旱澇災(zāi)害28次，平均每2 a發(fā)生一次。由圖5可知，洪災(zāi)、旱災(zāi)各14次，發(fā)生頻率均為25%。大澇及以上洪災(zāi)6次，發(fā)生頻率為10.71%；偏澇8次，頻率為14.29%。偏旱3次，頻率為5.36%。大旱及以上旱災(zāi)11次，頻率為19.64%。從災(zāi)情上看，松潘地區(qū)旱澇災(zāi)害以中度以上為主，受災(zāi)影響嚴(yán)重。

圖5 Z指數(shù)下的松潘縣旱澇等級變化

為了更好反饋旱澇變化情況，對氣溫突變前后的旱澇頻率進(jìn)行計(jì)算，做出氣溫突變前后旱澇災(zāi)害頻率變化圖(圖6)。可知，1960—1994年這35 a間，本區(qū)正常年份19次，重旱2次、大旱3次；偏旱3次；偏澇4次，大澇1次，重澇3次。氣溫突變后，1995—2015年這21 a間，正常年份有9 a，大旱有5次，大澇有2次，偏澇有4次；重旱1次。旱澇出現(xiàn)頻率為57.14%，高出1994年以前的旱澇出現(xiàn)頻率11.43%。雖然氣溫突變以后，重澇、重旱等極端災(zāi)害出現(xiàn)頻率沒有增多，但是大旱、澇災(zāi)出現(xiàn)的頻率激增，旱澇災(zāi)害更加頻發(fā)。

圖6 松潘縣氣溫突變前后旱澇災(zāi)害頻率變化

根據(jù)前人研究成果和當(dāng)?shù)貙?shí)際，將持續(xù)3年及以上的旱澇災(zāi)害定義為重大旱澇事件。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1985—1987年連續(xù)3年發(fā)生旱災(zāi)，且以大旱為主，3年的年降水距平值均小于-71 mm，遠(yuǎn)低于往年正常降水均值。據(jù)地方志記載，1987年上半年，沿河一帶嚴(yán)重干旱，麥類、洋芋出苗不壯，嚴(yán)重減產(chǎn)。2009—2012年連續(xù)4年當(dāng)?shù)鼐鶠槠珴衬攴荩邓笥诙嗄昶骄怠?012年入夏以后，連續(xù)60多天的降雨造成松潘縣發(fā)生洪災(zāi)，其中6月29日的特大暴雨襲擊，致使多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)停電、出現(xiàn)泥石流災(zāi)害，沿途農(nóng)田被沖毀。這兩個時(shí)段均可認(rèn)為是重大旱澇事件，旱澇災(zāi)害與降水量的大增、銳減有很大關(guān)聯(lián)性。

3.1.5 周期變化特征 基于MATLAB的Morlet小波計(jì)算可對區(qū)域旱澇災(zāi)害的時(shí)間分布序列進(jìn)行有效分析[23]。圖7是松潘縣Z指數(shù)數(shù)值的Morlet小波系數(shù)實(shí)部等值線圖?？芍?，1960—1990年旱澇變化存在10～11 a附近的震蕩周期；1991—2015年的震蕩周期約4 a，9 a。太陽黑子活動除了呈現(xiàn)規(guī)律明顯的約11 a，22 a周期外，還有9.8 a，10 a等周期變化[24]。本區(qū)旱澇災(zāi)害的震蕩周期與太陽活動周期高度接近。

圖7 松潘縣旱澇Z指數(shù)的小波分析

3.2 太陽黑子與松潘縣旱澇關(guān)系討論

3.2.1 太陽黑子與旱澇的相關(guān)性分析 太陽活動的周期變化是引發(fā)旱澇等自然災(zāi)害爆發(fā)的重要因子，降水極值變化與太陽黑子數(shù)極值變化相聯(lián)系，在太陽黑子極值年附近易出現(xiàn)旱澇災(zāi)害。根據(jù)國際上對太陽黑子最小/最大循環(huán)規(guī)定[25]及參考比利時(shí)皇家天文臺提供的太陽黑子數(shù)據(jù)(http:∥www.sidc.oma.be/silso/datafiles)可知，太陽黑子已完成第24個最小/最大周期活動。太陽黑子數(shù)的極大值年用M表示，極小值年用m表示。1960—2015年期間，出現(xiàn)了5個m年，分別是1964年、1976年、1986年、1996年、2008年，在這5個m年的前后一年里，太陽黑子數(shù)量也分別處于低谷區(qū)。5個M年：1968年、1979年、1989年、2001年、2014年，在這5個M年的前后一年里，太陽黑子數(shù)量也分別處在高峰區(qū)。為分析太陽黑子變化與旱澇關(guān)系，做出旱澇Z指數(shù)與太陽黑子數(shù)的關(guān)系圖(圖8)，可知，各年太陽黑子數(shù)與對應(yīng)時(shí)段的Z指數(shù)具有明顯相關(guān)關(guān)系。在太陽黑子數(shù)到達(dá)極值年附近均有大、特大旱澇災(zāi)害發(fā)生。1968年、1986年、1996年、2014年太陽黑子數(shù)達(dá)到峰值時(shí)，當(dāng)年均有(特)大旱澇發(fā)生。1964年、1976年、1986年、1996年、2001年、2008年、2014年是太陽黑子的極值年，在其±1 a，本地也均有(特)大旱澇發(fā)生。說明松潘縣Z指數(shù)變化與太陽黑子活動存在較強(qiáng)的匹配性。即，太陽黑子數(shù)達(dá)到峰值當(dāng)年或者前后一年，Z指數(shù)也會相應(yīng)的升高或降低。

圖8 旱澇Z指數(shù)與太陽黑子數(shù)的關(guān)系

3.2.2 太陽黑子極值年附近的旱澇災(zāi)害 近56 a來，在太陽黑子活動極值年及其前后一年發(fā)生的旱澇災(zāi)害達(dá)18次，占總旱澇災(zāi)害數(shù)的64.29%。在這5個極小值m年中，1986年、1996年、2008年當(dāng)?shù)鼐蠛怠年前后一年：重旱1次，大旱3次，重澇1次，偏澇1次。在這5次m年及其前后一年的旱澇災(zāi)害中，旱澇發(fā)生年數(shù)占這15 a間的60%。其中，主要發(fā)生的是旱災(zāi)，旱災(zāi)次數(shù)占到77.78%。在5個極大值M年中，1968年、1979年、2014年均有旱澇災(zāi)害發(fā)生，大旱、偏旱、大澇各一次。M年前后一年：重旱1次，大旱1次，大澇2次，偏澇2次。在這5次M年及其前后一年的旱澇災(zāi)害中，旱澇發(fā)生年數(shù)也占這15 a間的60%。其中，主要發(fā)生的是洪澇災(zāi)害，旱災(zāi)、洪災(zāi)次數(shù)各占到44.44%,55.56%。由此，在太陽黑子極值年及其附近年出現(xiàn)旱澇災(zāi)害的概率更高，應(yīng)加強(qiáng)當(dāng)?shù)氐姆罏?zāi)減災(zāi)工作。在極大值年和極小值年出現(xiàn)旱澇災(zāi)害的幾率一樣，但在極小值年附近出現(xiàn)旱災(zāi)的頻率更高。

4 結(jié) 論

(1) 1960—2015年松潘縣年均氣溫呈顯著上升趨勢，氣溫的年際變化率是0.24℃/10 a，高于同期全國其他地區(qū)上升率。年均極端低溫在1990年開始明顯整體偏高。松潘縣年均氣溫的上升，年均極端低溫的貢獻(xiàn)率更大。通過Mann-Kendall突變分析檢驗(yàn)，年均氣溫在1994年前后氣候發(fā)生突變，1994年后增溫增速。

(2) 松潘縣多年平均降水量呈現(xiàn)不明顯減少趨勢，降水波動性較大。冬春季降水呈現(xiàn)增加趨勢，夏秋季降水呈現(xiàn)減少趨勢。氣候突變后，季節(jié)降水變化更加復(fù)雜化，加劇了松潘地區(qū)旱澇災(zāi)害頻度變化。

(3) 近56 a來松潘縣共計(jì)旱澇災(zāi)害28次，平均2 a發(fā)生一次。洪災(zāi)、旱災(zāi)各14次，發(fā)生頻率均為25%。以中度旱澇災(zāi)害以上為主。氣候突變以后的旱澇出現(xiàn)頻率高出突變前11.43%。氣溫突變以后，大旱、澇災(zāi)出現(xiàn)的頻率激增，旱澇災(zāi)害更加頻發(fā)。

(4) 1985—1987年、2009—2012年這兩個時(shí)段認(rèn)定為重大旱澇事件。旱澇災(zāi)害與降水量的大增、銳減存在極大關(guān)聯(lián)性。

(5) 1960—1990年旱澇災(zāi)害存在10～11 a附近的震蕩周期；1991—2015年旱澇震蕩周期約為4 a，9 a。松潘縣旱澇與太陽黑子周期關(guān)系密切，Z指數(shù)變化與太陽黑子活動存在較強(qiáng)的匹配性，太陽黑子數(shù)達(dá)到峰值當(dāng)年或者前后一年，Z指數(shù)也會相應(yīng)升高或降低。在太陽黑子極值年及其附近年出現(xiàn)旱澇災(zāi)害的概率更高，應(yīng)加強(qiáng)當(dāng)?shù)氐姆罏?zāi)減災(zāi)工作。在極大值年和極小值年出現(xiàn)旱澇災(zāi)害的幾率一樣，但在極小值年附近出現(xiàn)的旱災(zāi)頻率更高。