王 濤，馮瑞斯，陳璐，張 超

(西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

基于氣象數(shù)據(jù)的云南省干旱時空變化特征分析

王 濤，馮瑞斯，陳璐，張 超

(西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

基于云南省31個站點47年的逐月觀測氣象數(shù)據(jù)，通過計算降水量距平百分率(Pa)及潛在蒸散量(ET0)指數(shù)值，從時間和空間2方面對干旱發(fā)生頻率及發(fā)生地點進行分析。結(jié)果表明：1958—2004年，云南省春、夏、秋、冬4個季節(jié)均有發(fā)生干旱的情況。其中，冬季干旱最為嚴重，春季次之，而夏季僅有2年發(fā)生了輕微干旱，其余年份夏季無旱?？臻g分布上，滇中與滇東南地區(qū)相對較旱；滇西南降水充沛，極少干旱；滇北，尤其是與西藏接壤的迪慶地區(qū)旱情較為嚴重。云南省總體降水量充沛，但降水在空間上分布不均和降水在時間上過于集中是導致干旱事件發(fā)生的重要原因。

干旱；降水量距平百分率；潛在蒸散量；干旱等級分布；時空變化特征；氣象數(shù)據(jù)；云南省

干旱作為一種常見的自然災害，嚴重影響著農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展。近年來大量的事實證明，云南省的干旱災害正在加劇，但由于干旱的成因十分復雜，監(jiān)測和預警都較為困難[1-2]。一般把干旱分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱等，而氣象干旱是各種干旱的根本成因，因此只有探明氣象干旱發(fā)生的機理才能進一步地研究其他干旱，繼而才能有效地監(jiān)測和預警其他各類干旱[3-4]。目前國內(nèi)外學者對于干旱的研究普遍較多的是使用干旱指數(shù)來簡化和描述復雜的干旱[5-7]。干旱指數(shù)是表示干旱程度的一個特征量，它是旱情描述的數(shù)值表達，在干旱分析中起度量、對比和綜合等作用。常用的干旱指數(shù)有降水距平、標準差、Z指標和標準降水指數(shù)(SPEI)等[8]。

隨著更多有價值有說服力的干旱指數(shù)的提出，我國很多學者利用常用的干旱指數(shù)對各地的旱情特征做了大量研究。周丹等[9]基于標準化降水蒸散指數(shù)對陜西省近50年的干旱特征進行了分析，結(jié)果揭示了陜西省干旱發(fā)生的時空和強度演化特征。馬瓊等[10]基于標準化降水蒸散指數(shù)對黃土高原1960—2012年干旱時空特征進行了研究。李偉光等[11]基于標準化降水蒸散指數(shù)對中國59年來干旱的空間分布、四季干旱趨勢變化和全國極端干旱事件發(fā)生頻次進行了分析，并定性分析了干旱發(fā)生的原因。目前應用干旱指數(shù)研究干旱特征的研究主要集中于我國西北部干旱特征較為明顯的地區(qū)，但對于云南省這樣一個氣候類型復雜多樣，降水充足卻仍鬧旱災的地區(qū)研究尚比較缺乏。本文基于云南省近幾十年的氣象數(shù)據(jù)，用降水量距平百分率計算方法和潛在蒸散量計算方法分析了云南省近幾十年干旱時空特征，以期為全省的干旱監(jiān)測預報和防旱減災工作提供可靠的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

云南省(21°8′32″～ 29°15′8″N，97°31′39″ ～ 106°11′47″E)地處中國西南邊陲，北回歸線橫貫本省南部，東西直線距離為864.9 km，南北縱距為990 km，總面積39.4萬 km2，占全國面積的4.11 %，位居全國第8。地形條件復雜，地勢起伏明顯，地貌以山地、盆地和高原臺地為主。全省共有大小河流600余條，并有著名的九大高原湖泊分布。氣候類型復雜多變，平均溫度在5 ～ 24℃左右，南北氣溫相差達19℃，全年降水充足，但干濕分明，分布不均，是我國洪災和旱災極為嚴重的省區(qū)之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文選用的氣象數(shù)據(jù)主要為氣象站點的實測數(shù)據(jù)。選取了分布于云南省的31個氣象站點(圖1)1958—2004年逐日的平均氣溫、平均降水、平均相對濕度、平均日照時速、平均風速和平均干燥度，并根據(jù)鄰近站點的實際資料對部分站點缺失的資料進行插值，以保證數(shù)據(jù)的完整性。

圖1 研究區(qū)及氣象站點分布

2 研究方法

2.1 降水量距平百分率(Pa)計算方法

降水量距平百分率(Pa)是指某個研究時長的降水量與多年平均降水量之差占多年平均降水量的百分比。它是表征某一時段降水量較多年平均值偏多或偏少的指標，能直接反映降水異常引起的干旱，在氣象日常業(yè)務中多用于評估月、季度和年發(fā)生的干旱情況。其表達式為：

(1)

計算得到降水量距平百分率(Pa)后，按《氣象干旱等級》的規(guī)定，結(jié)合云南省的實際情況，使用干旱等級標準中的年尺度劃分干旱等級。干旱等級的劃分標準如表1。

2.2 潛在蒸散量(ET0)計算方法

潛在蒸散量(ET0)也稱為可能蒸發(fā)量或大氣蒸發(fā)能力，是指大片而均勻的自然表面在足夠濕潤條件下水體保持充分供應時的蒸散量，它是實際蒸散量的理論上限，也是實際蒸散量的計算基礎。1998年聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織修訂并推薦了Penman-Monteith模型來計算參考作物的潛在蒸散量(ET0)[12]。其表達式為：

表1 降水量距平百分率干旱等級劃分標準Tab.1 Drought grade of the percentage of precipitationanomaly

ET0=ETrad+ETaero

(2)

(3)

(4)

式中，ETrad為輻射項(mm/d)；ETaero為空氣動力學項(mm/d)；Rn為凈輻射；△為水汽壓對溫度的斜率(kPa/℃)；G為土壤熱通量(MJm-2/d)；γ為干濕球常數(shù)；U2為2m高處的風速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)(4.903·10-9MJ·K-4·m-2·d-1)；Tk-為絕對溫標溫度(K)；n為實際日照時速；N為可照時速；R為天文輻射；RS為太陽輻射；RSO為晴天輻射；c=0.34，d=0.14，e=1.25；f=0.35；a=0.25，b=0.5。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于降水量距平百分率(Pa)的干旱特征分析

3.1.1 時間特征分析

為能清楚地描述云南全省各個季節(jié)的降水量距平百分率變化情況，生成多年春、夏、秋、冬4個季節(jié)的平均降水量距平百分率變化趨勢圖(圖2)。春季降水量距平百分率(Pa)年際變化較明顯，而且有輕微升高的趨勢。最低年份為1958年，Pa值為-48.05，最高年份為1990年，Pa值為61.53。就春季來說，共計14年發(fā)生了不同程度的干旱。其中，特旱的年份有3年，分別是1958、1963和1969年；重旱的年份為1987年；中旱的年份有3年，輕旱有7年。夏季降水量距平百分率(Pa)年際變化較明顯，且有輕微降低的趨勢。最低年份為1992年，Pa值為-24.96，最高年份為1966年，Pa值為28.77。輕旱年份有2年，分別為1989和1992年，無中旱、重旱、特旱年份。夏季基本無旱或輕旱。秋季降水量距平百分率的變化趨勢隨時間的推移沒有明顯向上或向下的變化趨勢，但波動較大，Pa值忽高忽低。最低年份為1962年，Pa值為-35.76，最高年份為1983年，Pa值為35.93，共5年發(fā)生不同程度的干旱。其中，中旱年份有4年，分別是1958、1962、1969和1998年；1960年為輕旱年份。冬季降水量距平百分率的變化趨勢隨時間的推移沒有明顯向上或向下的變化趨勢，且Pa值忽高忽低，最低年份為1974年，Pa值為-72.51，最高年份為1959年，Pa值為141.02。冬季共發(fā)生了19次程度不同的干旱，其中，特旱、中旱、輕旱年份相對較多。特旱年份有5年，重旱年份有2年，中旱年份有4年，輕旱年份有8年。

3.1.2 空間特征分析

利用ArcGIS里的Naturalbreaks依據(jù)干旱等級標準將每個站點的Pa值分為5個等級，分別為：重旱(-450)(圖3)。由圖3分析可知，在這31個氣象站點中，3個站點處于重旱中，Pa值分別為：-43.15、-42.86、-42.58，依次位于云南中甸、元謀、德欽3個縣份。1個站點處于中旱，Pa值為-36.99，位于云南昭通。6個站點處于輕旱，Pa值分別為：-29.09、-28.67、-24.09、-22.95、-18.2和-16.81，依次位于云南會澤、元江、蒙自、楚雄、玉溪、瀘西。10個站點的Pa值處于-15～0之間，處于云南省降水量平均值之下，水分缺失較少。云南省西南地區(qū)站點的Pa值基本大于0，相對濕潤。

3.2 基于潛在蒸散量(ET0)的干旱特征分析3.2.1 時間特征分析

為了能清楚地描述云南全省各個季節(jié)的潛在蒸散量(ET0)變化情況，生成多年春、夏、秋、冬4個季節(jié)的平均降水量距平百分率變化趨勢圖(圖4)。1958—2004年的春季潛在蒸散量(ET0)隨時間的推移有輕微上升的趨勢，其范圍值在256.17 ～ 303.64之間，平均值為278.52。該值忽高忽低，沒有明顯的規(guī)律。1967年ET0值最高，需水量最多，相對較缺水。1974年ET0值最低，需水量較少，為256.17，相對濕潤。夏季潛在蒸散量(ET0)隨時間的推移沒有明顯向上或向下的變化特征，其范圍值在216.88 ～ 275.22之間，平均值為252.08，相比較其他季節(jié)，ET0均值有所下降，除1983年的222.87和1992年的216.88較低以外，其余年份的ET0值都分布在230～275之間，變化幅度比較小。秋季潛在蒸散量(ET0)隨時間的推移有明顯的向上或向下變化趨勢，其范圍值在236.61 ～ 280.26之間，平均值為256.01。從圖4來看，該值上下波動較為明顯，1998年ET0值最高，為280.26，需水量較多，相對較為缺水；1988年ET0值最低，為236.61，需水量較少，較為濕潤。冬季潛在蒸散量(ET0)并無明顯向上或向下變化的趨勢，其范圍值在295.16 ～ 396.33之間，平均值為341.65，相對其他季節(jié)較高。1991—2004年(除2000年以外)比較平緩，變化較小，而1991年之前ET0值變化較大。

圖2 各年度春、夏、秋、冬季降水量百分率變化趨勢

圖3 基于降水量距平百分率的干旱等級分布

3.2.2 空間特征分析

分別計算每個點的潛在蒸散量(ET0)，并利用ArcGIS里的Natural breaks將潛在蒸散量(ET0)值分為6個等級，分別為：1 000 ～1 300、1 300～1 600、1 600～1 900、1 900～2 200、2 200～2 500、2 500～2 800(圖5)。

在這31個氣象站點的潛在蒸散量(ET0)值中，最高值為2 566.89，位于德欽縣；最低值為1 165.53，位于元謀縣。德欽、中甸、貢山、屏邊等縣ET0值較高，需水量較多，較為缺水。由于云南地處低緯度高原，地理位置特殊，地形地貌復雜，氣候類型十分豐富，南北高差懸殊達6 663.6 m，導致云南省氣候區(qū)域差異和垂直變化十分明顯。全省范圍內(nèi)因緯度因素造成了很大的溫差，加上不同大氣環(huán)流的影響，降水在季節(jié)和地域上的分配極不均勻，6—8月的降水約占全年的60 %。所以，單純地研究整個云南省氣候特征來反映整個省的干旱情況有失偏頗，劃分區(qū)域和季節(jié)(或月份)對云南省的干旱進行研究十分必要。

圖5 基于潛在蒸散量的干旱等級分布

4 結(jié)論與討論

利用云南省1958—2004年31個氣象站點的逐月觀測數(shù)據(jù)，基于降水量距平百分率指數(shù)(Pa)和潛在蒸散量(ET0),從時間尺度和空間尺度2個方面，分析了云南省47年四季干旱的時空變化特征，主要結(jié)論如下：

1)云南省降水量在季節(jié)上分布不均勻，夏季降水較為充沛，春季和冬季降水較少，特別是冬季。按等級標準劃分，春季表現(xiàn)為中旱，冬季為特旱，秋季和夏季無旱。

2)從時間變化上看，1958—2004年，共有14個年份在春季發(fā)生了不同程度的干旱。夏季輕旱年份有2年，分別是1989和1992年，且夏季無中旱、重旱和特旱年份。秋季中旱年份有4年，分別是1958、1962、1969和1998年，且無重旱、特旱年份。冬季共有19個年份發(fā)生了不同程度的干旱，其中，特旱、中旱、輕旱年份相對較多，特旱年份5年、中旱4年、輕旱8年。

3)從空間分布上看，滇中與滇東南地區(qū)相對較旱。滇西南降水充沛，極少干旱。滇北，尤其是與西藏接壤的迪慶地區(qū)旱情較為嚴重。

雖然降水量距平百分率指數(shù)(Pa)和潛在蒸散量(ET0)在一定程度上能夠較為準確地反映一個地區(qū)的干旱情況，但由于云南省特殊的地理位置和氣候條件，在分析旱情時不能單純、籠統(tǒng)地分析整個云南省的干旱特征。劃分更細的時間和空間尺度將是今后研究的重點。

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Temporal and Spatial Analysis of Drought in Yunnan Province Based on Meteorological Data

WANG Tao, FENG Ruisi, CHEN Lu, ZHANG Chao

(Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

Based on the monthly meteorological data of 31 sites in Yunnan Province, we analyzed variation in drought temporal characteristics and the spatial distribution and frequency of drought based on percentage of precipitation anomalies (Pa) and potential evapotranspiration (ET0) index. The results showed that: from 1958 to 2004, there were drought in spring, summer, autumn and winter in Yunnan Province, among them, the winter drought was the most serious, followed by spring, and then autumn, and only two years of summer occurred drought, and the rest of the years did not occurred drought in summer; In spatial distribution, central Yunnan and Southeast Yunnan were relatively dry. The southwestern Yunnan, especially the Diqing area which bordered with Tibet, the drought was very serious; the total precipitation in Yunnan Province was abundant, but the spatial distribution of precipitation and the over-concentration of precipitation in time were the main reasons leading to the occurrence of drought in Yunnan Province.

drought; percentage of precipitation anomaly; potential evapotranspiration; drought distribution; temporal and spatial variation characteristics; meteorological data; Yunnan Province

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.02.005

2017-03-02

國家自然科學基金項目(31460195和31660236).

王 濤(1991-)，男，四川西昌人，碩士研究生.主要從事資源環(huán)境遙感的研究.Email:1050789968@qq.com

張 超(1980-)，男，河北唐山人，副教授，博士.主要從事森林經(jīng)理學研究.Email: zhchgis@126.com

S716

A

1671-3168(2017)02-0020-05