氣候突變下基于Z指數的松潘縣旱澇演變分析

侯雨樂, 趙景波

(1.阿壩師范學院, 四川 汶川 623002; 2.中國科學院 地球環境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室, 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的自然災害事件正不斷增加[1-2]。氣候是不穩定的，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[3]。氣溫、降水異常是造成旱澇變化的主要原因之一，也是定量研究區域冷暖、干濕演替的重要依據，并得到廣泛承認和應用。長江上游等地區的干旱、極端降水及其造成的損失呈上升趨勢[4-5]。2020年入夏以來，長江多地遭遇因強降雨引發的內澇、山洪等災害，長江流域降水偏多，但降水時空分布不均，澇重于旱，已致千萬人受災。王帥兵等[6]利用SPI和Z指數分析了洮河流域的干旱趨勢，發現這兩種指數在年尺度的旱情分析上一致性較高。劉志雄[7]、齊冬梅[8]等認為Z指數可較好地作為反映長江上游流域、四川地區旱澇指標。戴洋等[9]利用1961—2008年的氣候水文數據得出， 20世紀90年代后期若爾蓋濕地進入暖干期，年均氣溫在1997年前后發生突變。鄭景云等[10]研究指出，2016年長江流域重大洪災的主要成災因子是梅雨期內的強降水頻繁、時間長等，ENSO等極端事件是造成歷史上異常豐梅事件的大氣環流背景。氣候突變、旱澇頻發等問題對區域生態穩定、防災減災帶來了一系列連鎖危機。松潘縣地處青藏高原東緣，是岷江源頭，也是岷江流域、成都平原生態屏障的重要組成部分，作為川西北生態系統中重要一環，松潘地區生態環境在維持系統功能、生物多樣性等方面有著不可或缺的地位。但由于其特殊的區位條件，也是屬于全球氣候變化的敏感區，氣候突變下的氣溫降水異常、旱澇等極端氣候事件頻發等嚴重威脅著地區農業生產和生態穩定。因此，開展本區的氣溫降水變化、旱澇演替、監測、防災減災研究有著重要現實意義。本文利用松潘縣1960—2015年的氣溫、降水連續觀測數據，基于Z指數對該區氣溫突變前后氣候變化、旱澇演變情況進行分析討論，對區域氣候變化、防災減災、流域生態建設等方面研究具有重要科學參考價值。

1 研究區概況

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、涪江水系發源地。松潘縣小氣候多樣且災害性天氣活動頻繁。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行分析，其降水、氣溫數據均來自國家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn/)的實測資料，完整可靠。對數據的季節分析以常見的氣象劃分法作為四季劃分依據，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、小波分析等方法進行趨勢分析、顯著性檢驗、突變檢驗、周期變化等分析，其具體原理和過程詳見參考文獻[13—14]。

旱澇Z指數法是能較明顯地確定區域旱澇等級的方法，在我國廣泛應用于宏觀分析長時段的旱澇標準[15]，尤其是應用在單站旱澇指標中[16]。主要涉及公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Zi為旱澇指數；Cs為偏態系數；φi為標準變量；xi為某一時段的降雨量(mm)；n為樣本數；x為時段尺度下這n年的平均降雨量(mm)；σ為標準差。

根據Z變量的正態分布曲線，將其劃分為7個旱澇等級，見表1。

表1 Z指數指標下的旱澇等級及其頻次

3 結果與分析

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。氣溫的年際變化率是0.24℃/10 a，明顯高于我國中部、華南地區近50 a年均氣溫上升速率[17]。年均氣溫最高值出現在2006年的7.28℃；最低值出現在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)。可知，松潘縣年均極端高溫的波動范圍在19.42～23℃，且呈現出波動增加態勢，但在20世紀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 圖3是基于MATLAB的松潘縣年均氣溫的Mann-Kendall突變分析結果。可知，1980年以后，UF曲線一直大于0，且呈現出增加趨勢。說明從1980年開始，本地年均氣溫整體上凸顯了上升態勢，持續時間較長，通過了0.05下的顯著性水平檢驗。UF，UB曲線在其置信區間內的1994年出現交叉，說明年均氣溫在1994年前后發生了突變。1980—1994年均氣溫的距平值為-0.15℃，1995—2015年的距平值達0.5℃。可推斷，從20世紀80年代開始，本地逐漸進入暖期，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指出，若爾蓋高原蒸發量在1994年、1999年突變，氣溫在1997年突變，研究都表明在20世紀90年代中后期氣候發生了突變。

圖3 松潘縣年均氣溫突變分析

3.1.3 松潘縣降水量變化 應用氣候傾向率對松潘縣近56 a來降水量進行分析，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，呈現不明顯減少趨勢，但未通過95%的顯著性檢驗。年降水累計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[19-20]。年降水累積距平值持續增大時，說明該時期年均降水距平持續大于0；年降水量距平累積持續變小時，表明該時段內年均降水距平持續小于0。做出松潘縣年降水量累積距平變化曲線圖(圖4)。可知，20世紀70年代到80年代中期年降水量明顯增加，且多處于豐水年狀態。1978年累積距平值最大，高達205.27 mm。1994年前后直到21世紀初，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-314.26 mm。但近年來降水又呈增加態勢。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展。這與本文的研究結論大致一致。

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，且春季降水的變化率最大。由松潘縣季節降水量變化表(表3)可知，冬春季降水在氣溫突變前的距平值均為負值，低于多年平均降水量；在突變后，距平值皆轉為正值，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與夏秋降水減少緊密相關。季節降水變化的復雜化，也加劇了松潘地區旱澇災害頻度。

表3 松潘縣季節降水量變化

3.1.4 松潘縣旱澇災害變化特征 降水量突增、強降水事件頻發、降水量銳減是誘發旱澇災害的主要因子。某時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指數等級來表示松潘縣長期旱澇等級變化(圖5)。依據表1劃分標準，近56 a來松潘縣共計旱澇災害28次，平均每2 a發生一次。由圖5可知，洪災、旱災各14次，發生頻率均為25%。大澇及以上洪災6次，發生頻率為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11次，頻率為19.64%。從災情上看，松潘地區旱澇災害以中度以上為主，受災影響嚴重。

圖5 Z指數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行計算，做出氣溫突變前后旱澇災害頻率變化圖(圖6)。可知，1960—1994年這35 a間，本區正常年份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。旱澇出現頻率為57.14%，高出1994年以前的旱澇出現頻率11.43%。雖然氣溫突變以后，重澇、重旱等極端災害出現頻率沒有增多，但是大旱、澇災出現的頻率激增，旱澇災害更加頻發。

圖6 松潘縣氣溫突變前后旱澇災害頻率變化

根據前人研究成果和當地實際，將持續3年及以上的旱澇災害定義為重大旱澇事件。經統計，1985—1987年連續3年發生旱災，且以大旱為主，3年的年降水距平值均小于-71 mm，遠低于往年正常降水均值。據地方志記載，1987年上半年，沿河一帶嚴重干旱，麥類、洋芋出苗不壯，嚴重減產。2009—2012年連續4年當地均為偏澇年份，降水均大于多年平均值。2012年入夏以后，連續60多天的降雨造成松潘縣發生洪災，其中6月29日的特大暴雨襲擊，致使多個鄉鎮停電、出現泥石流災害，沿途農田被沖毀。這兩個時段均可認為是重大旱澇事件，旱澇災害與降水量的大增、銳減有很大關聯性。

3.1.5 周期變化特征 基于MATLAB的Morlet小波計算可對區域旱澇災害的時間分布序列進行有效分析[23]。圖7是松潘縣Z指數數值的Morlet小波系數實部等值線圖。可知，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規律明顯的約11 a，22 a周期外，還有9.8 a，10 a等周期變化[24]。本區旱澇災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指數的小波分析

3.2 太陽黑子與松潘縣旱澇關系討論

3.2.1 太陽黑子與旱澇的相關性分析 太陽活動的周期變化是引發旱澇等自然災害爆發的重要因子，降水極值變化與太陽黑子數極值變化相聯系，在太陽黑子極值年附近易出現旱澇災害。根據國際上對太陽黑子最小/最大循環規定[25]及參考比利時皇家天文臺提供的太陽黑子數據(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。太陽黑子數的極大值年用M表示，極小值年用m表示。1960—2015年期間，出現了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，太陽黑子數量也分別處于低谷區。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，太陽黑子數量也分別處在高峰區。為分析太陽黑子變化與旱澇關系，做出旱澇Z指數與太陽黑子數的關系圖(圖8)，可知，各年太陽黑子數與對應時段的Z指數具有明顯相關關系。在太陽黑子數到達極值年附近均有大、特大旱澇災害發生。1968年、1986年、1996年、2014年太陽黑子數達到峰值時，當年均有(特)大旱澇發生。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)大旱澇發生。說明松潘縣Z指數變化與太陽黑子活動存在較強的匹配性。即，太陽黑子數達到峰值當年或者前后一年，Z指數也會相應的升高或降低。

圖8 旱澇Z指數與太陽黑子數的關系

3.2.2 太陽黑子極值年附近的旱澇災害 近56 a來，在太陽黑子活動極值年及其前后一年發生的旱澇災害達18次，占總旱澇災害數的64.29%。在這5個極小值m年中，1986年、1996年、2008年當地均大旱。m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害中，旱澇發生年數占這15 a間的60%。其中，主要發生的是旱災，旱災次數占到77.78%。在5個極大值M年中，1968年、1979年、2014年均有旱澇災害發生，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害中，旱澇發生年數也占這15 a間的60%。其中，主要發生的是洪澇災害，旱災、洪災次數各占到44.44%,55.56%。由此，在太陽黑子極值年及其附近年出現旱澇災害的概率更高，應加強當地的防災減災工作。在極大值年和極小值年出現旱澇災害的幾率一樣，但在極小值年附近出現旱災的頻率更高。

4 結 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率更大。通過Mann-Kendall突變分析檢驗，年均氣溫在1994年前后氣候發生突變，1994年后增溫增速。

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

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

(4) 1985—1987年、2009—2012年這兩個時段認定為重大旱澇事件。旱澇災害與降水量的大增、銳減存在極大關聯性。

(5) 1960—1990年旱澇災害存在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系密切，Z指數變化與太陽黑子活動存在較強的匹配性，太陽黑子數達到峰值當年或者前后一年，Z指數也會相應升高或降低。在太陽黑子極值年及其附近年出現旱澇災害的概率更高，應加強當地的防災減災工作。在極大值年和極小值年出現旱澇災害的幾率一樣，但在極小值年附近出現的旱災頻率更高。