甄 英, 李永飛, 何 靜

(1.內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 四川 內(nèi)江 641199; 2.吉首大學(xué) 旅游與管理工程學(xué)院 生態(tài)旅游湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 張家界 427000; 3.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 成都 610225)

IPCC評估報(bào)告中稱近百年全球地表氣溫升高約0.89℃[1]，全球環(huán)流模式與格局正處在調(diào)整時(shí)期，極端氣候事件常常發(fā)生[2-3]，我國降水模式也發(fā)生深刻變化，部分地區(qū)干旱和洪澇等氣象災(zāi)害頻發(fā)[4-5]。不少專家學(xué)者對此做了大量研究，如昌都市旱澇災(zāi)害變化特征具有明顯階段性[6]，川滇地區(qū)氣候暖干化與旱澇災(zāi)害的趨勢表明兩者的發(fā)生頻率具有一致性[7]，中國的干旱發(fā)生是多種因素作用的結(jié)果[8]。因此，通過分析某一地區(qū)氣候時(shí)空變化特征與旱澇之間的關(guān)系，對干旱洪澇等氣象災(zāi)害及其引起的地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

甘孜州全稱甘孜藏族自治州，位于四川省西部，介于北緯27°58′—34°20′，東經(jīng)97°22′—102°29′，處于青藏高原東南緣向四川盆地過渡地帶，在地形上屬高原區(qū)，自然災(zāi)害多發(fā)，特別是近年來強(qiáng)降雨引起的山洪、泥石流、滑坡等災(zāi)害，以及干旱、冰雹等極端氣象事件多發(fā)，導(dǎo)致了重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[9]。已有較多學(xué)者對青藏高原[10-12]、四川盆地[13-15]及川西高原[16-17]的降水特征進(jìn)行了初步研究，但是針對甘孜州地區(qū)降水特征及旱澇的研究較少。通過對甘孜州降水變化情況及時(shí)空分布規(guī)律的研究，為預(yù)測該區(qū)旱澇災(zāi)害的發(fā)生、保障農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)、交通安全以及社會經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資料來源

氣象資料來源于中國國家氣象服務(wù)中心，11個(gè)氣象站時(shí)間連續(xù)、均勻地分布在研究區(qū)(圖1)。數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)由地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站提供，分辨率為90 m。

圖1 氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn) Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)(簡稱M-K檢驗(yàn)法)是一種揭示時(shí)間序列趨勢變化及突變特征的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，廣泛應(yīng)用于氣溫、降水、徑流等現(xiàn)象的研究中。假設(shè)時(shí)間序列是隨機(jī)變量，對于具有n個(gè)樣本的時(shí)間序列x，構(gòu)造一個(gè)秩序列[18]：

U0.05=±1.96

(1)

在時(shí)間序列獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量:

(2)

再按時(shí)間序列X的逆序重復(fù)上述過程，并且令UBk=UFk(k=n,n-1,…，2,1)，UB1=0。

一般取顯著性水平α=0.05，那么臨界值U0.05=±1.96。將UFk和UBk兩序列曲線和±1.96兩條直線均繪在一張圖上。若UFk和UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當(dāng)它們超過臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

1.2.2 小波分析 對于給定的小波函數(shù)Ψ(t)，離散水文時(shí)間序列為取樣時(shí)間間隔的小波變換為[19]:

(3)

1.2.3Z指數(shù) 關(guān)于旱澇指數(shù)目前有很多，如SPI(標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù))、SPEI(標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù))及Z指數(shù)等，對旱澇指數(shù)的評定目前沒有唯一且普遍適用于任何地區(qū)的評定標(biāo)準(zhǔn)[23]。然而Z指數(shù)在四川和西南地區(qū)有很好的適用性[24-25]，因此選用Z指數(shù)對甘孜州地區(qū)旱澇進(jìn)行具體研究。

在氣象學(xué)上Z指數(shù)法是一種用來表征旱澇的空間分布以及旱澇程度的數(shù)學(xué)方法。對于某站的降水?dāng)?shù)據(jù)，假定其月降水量服從皮爾遜—Ⅲ型分布并進(jìn)行正態(tài)化處理，將概率密度函數(shù)轉(zhuǎn)換為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。然后根據(jù)Z變量的正態(tài)分布曲線，劃分為7個(gè)等級并確定其相應(yīng)的Z界限值，作為各級旱澇指標(biāo)[26]，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 Z指數(shù)旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

區(qū)域旱澇指標(biāo)能反映一個(gè)區(qū)域旱澇的空間分布和旱澇程度[27]，首先利用各單站歷年Z指數(shù)判斷其旱澇程度，然后分別利用不同權(quán)重計(jì)算區(qū)域的洪澇指標(biāo)I和干旱指標(biāo)L，即：

(4)

(5)

式中：ni為該區(qū)域內(nèi)旱澇等級分別為1—7的站數(shù)(i=1,…,7)；n為區(qū)域內(nèi)站數(shù)總和，那么區(qū)域旱澇指數(shù)HL即為：

HL=(I-L)×100%

(6)

然后根據(jù)表2來確定其旱澇類型。

2 降水時(shí)空變化特征

2.1 年際變化

通過甘孜州57年來年降水變化分析可知(圖2A)，其降水年際變化呈波動上升趨勢。為減小極端降水的影響，對降水序列做5 a滑動平均處理，結(jié)果顯示降水增幅約為21.47 mm/10 a。5 a滑動平均曲線中1986年以前為偏干時(shí)期，滑動平均值僅有2 a高于多年均值，說明1986年以前甘孜州的降水量偏少，這與川西高原降水變化規(guī)律相似[17]。1986年以后降水偏豐，滑動平均值僅有9 a是低于多年均值。

表2 區(qū)域旱澇指數(shù)HL等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

利用ArcGIS軟件分析各站57 a的降水分布，采用反距離加權(quán)插值法繪制空間分布圖(圖2B)。降水分布特征為西北干、東南濕，高值位于九龍、康定，低值位于巴塘、石渠。甘孜州區(qū)域范圍內(nèi)降水量的空間分布除了受環(huán)流、季風(fēng)的影響，地形也是重要的影響因素。甘孜州地處川西高原，屬青藏高原東南部，地勢由西北向東南傾斜，由西部雀兒山、沙魯里山經(jīng)中部雅礱江至東南大渡河，海拔相差較大，降水逐漸增多[28]。北部石渠、色達(dá)一帶平均海拔在4 000～4 500 m，屬川西北丘狀高原區(qū)；甘孜—道孚以南、新龍—理塘以東、九龍以北為河谷山原區(qū)，雅礱江及其支流鮮水河貫穿全區(qū)，河谷從高原面強(qiáng)烈下切，大部分地區(qū)海拔在3 900～4 500 m；雀兒山以南、沙魯里山以西、金沙江以東的巴塘為高山區(qū)，不少山嶺海拔在5 000 m以上，該區(qū)域的降水最少。

圖2 降水年際變化和空間分布

2.2 季節(jié)變化

將12月—次年2月劃分為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。降水量季節(jié)變化如圖3所示，可見降水主要集中在夏季，而冬季降水量顯著低于其他3個(gè)季節(jié)。春季、夏季、秋季和冬季氣候傾向率分別為1.473，0.401，1.637，0.155 mm/10 a，增幅為秋季>春季>夏季>冬季，且秋季和春季的增幅顯著大于其他兩個(gè)季節(jié)，說明甘孜州地區(qū)降水增加主要是由于秋季和春季的降水量增加造成，這與甘孜州所在的高原位置及其毗鄰地區(qū)大氣環(huán)流有關(guān)[29]。夏季降水量大且持續(xù)增加，因此局部降水造成洪澇和地質(zhì)災(zāi)害的概率也隨之增加，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

圖3 甘孜州降水季節(jié)變化特征

甘孜州降水的季節(jié)分布特征如圖4所示，冬季和春季變化特征相似，形成東北部色達(dá)和東南部康定兩個(gè)降水中心，以及西南部巴塘和南部稻城是兩個(gè)相對少雨區(qū)，但是春季降水量要遠(yuǎn)大于冬季降水量，如色達(dá)冬季和春季降水量分別為9.17，75.1 mm，巴塘冬季和春季分別只有0.55，18.0 mm。這反映了冬季和春季都主要受西風(fēng)環(huán)流的南支西風(fēng)急流控制有關(guān)，西風(fēng)急流中常有從亞洲西部移來的高空槽脊越過，來自北方的寒潮有時(shí)也可侵入此區(qū)，因此寒冷少雨[30]。夏季北部少雨，中心石渠降水僅108.29 mm。除巴塘外，南部夏季多雨，中心九龍降水達(dá)174.63 mm。這與夏季西風(fēng)南支急流北躍，印度低壓來臨，并常有源自印度洋的暖濕氣流—西南季風(fēng)活動有關(guān)。秋季東北部少雨，其中心色達(dá)降水16.12 mm；東南部多雨，其中心九龍降水74.71 mm。秋季是環(huán)流轉(zhuǎn)變的過渡季節(jié)，印度低壓減弱而高壓逐漸形成[30]，但西南季風(fēng)尚未完全退出，因山地阻隔，南撤較慢，故秋季南部降雨仍然較多。

圖4 甘孜州降水四季空間分布特征

2.3 突變與周期變化

氣候突變是氣候系統(tǒng)中重要現(xiàn)象之一，主要指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)跳躍式轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象[31]?；贛-K非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可見57年內(nèi)降水序列UF曲線先降后升(圖5A)。在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)UF與UB曲線在置信度內(nèi)有3個(gè)突變點(diǎn)，即1979年、1982年和1986年。利用Matlab分解出小波系數(shù)的實(shí)部，繪出等值線圖(圖5B)，實(shí)線是正相位表示降水偏多，虛線是負(fù)相位表示降水偏少。圖中主要存在兩個(gè)主周期震蕩周期，即以38 a的長周期為主(小波方差圖略)，震蕩強(qiáng)烈，經(jīng)歷了澇(20世紀(jì)60—70年代)—旱(80—90年代)—澇(21世紀(jì)以來)3個(gè)階段；中長周期存在著22 a左右的震蕩也較為明顯，存在澇(60年代)—旱(70年代)—澇(80—90年代中期)—旱(90年代中后期—2007年左右)—澇(2008年左右—今)5個(gè)階段。2010—2017年甘孜州降水正好處于22 a的降水偏多周期中。

圖5 降水M-K檢驗(yàn)和小波分析

3 旱澇時(shí)空變化特征

3.1 年際變化

基于Z指數(shù)法計(jì)算甘孜州單站旱澇等級狀況及區(qū)域旱澇等級指標(biāo)，得出57年來甘孜州旱澇統(tǒng)計(jì)直方圖(圖6)。該地區(qū)發(fā)生洪澇的概率為38.60%，重澇7 a(1965年、1974年、1998年、2012年、2015年、2016年、2017年)，大澇9 a(1980年、1987年、1991年、1993年、1999年、2000年、2003年、2008年、2013年)，6 a偏澇；旱情概率為36.84%，發(fā)生重旱8 a(1961年、1967年、1971—1973年、1983年、1994年、2006年)，大旱8 a(1969年、1977年、1981年、1984年、1986年、1992年、1997年、2002年)，偏旱5 a。由此可見，甘孜州57 a洪澇較干旱頻繁，但洪澇更為嚴(yán)重,這與聶光榮等[29]統(tǒng)計(jì)的1961—2004年的甘孜州旱澇趨勢基本一致。結(jié)合前文分析出的降水突變時(shí)間可知，前半期60—80年代中期發(fā)生干旱頻率(62.96%)大于洪澇頻率(14.8%)，且干旱強(qiáng)度(重旱22.22%)大于洪澇強(qiáng)度(重澇7.41%)；后半期80年代后期—2017年，發(fā)生洪澇頻率(60.00%)大于干旱頻率(16.67%)，但洪澇強(qiáng)度(大澇16.67%)大于干旱強(qiáng)度(大旱6.67%)。由此可見，降水突變后，干旱強(qiáng)度減弱，洪澇強(qiáng)度增加。

圖7為甘孜州的洪澇和干旱頻率分布圖，57年中甘孜州洪澇頻率從西向東逐漸減小，其中中部洪澇災(zāi)害最為嚴(yán)重，高值中心為新龍和九龍33.33%，低值中心是東部道孚地區(qū)22.81%。干旱頻率從西北往西南往、東南往東北減少，高值中心是石渠—德格和稻城地區(qū)33.33%；低值中心是道孚地區(qū)22.81%。

圖6 甘孜州旱澇等級

3.2 四季變化

甘孜州11個(gè)氣象站點(diǎn)57年間四季旱澇等級次數(shù)見表3，春季Z指數(shù)等級正常值有254個(gè)，占40.51%；洪澇187個(gè)，占29.82%，由于近57年各站點(diǎn)的春季降水普遍較少，Z指數(shù)對澇情的反應(yīng)過重，在這里不予考慮[32]；春季干旱186個(gè)，占29.67%，且偏旱>大旱>重旱。夏季正常值是252個(gè)，占40.19%；洪澇189個(gè)，占30.14%；干旱186個(gè)，占29.67%。夏季降水雖多，但洪澇和干旱的次數(shù)和比例較相似。秋季正常值最多，為279個(gè)，占42.90%；洪澇175個(gè)，占27.91%；干旱173個(gè)，占27.59%。冬季正常值最少243個(gè)，占38.76%；洪澇188個(gè)，占29.98%；干旱196個(gè)，占31.26%。綜合來看，甘孜州地區(qū)夏季洪澇次數(shù)與頻率最大，冬季干旱的次數(shù)與頻率最大，由于冬季降水最少，這反映冬季旱情最為嚴(yán)重。

圖7 甘孜州洪澇和干旱頻率分布

表3 四季旱澇等級次數(shù)

4 結(jié) 論

(1) 57年來甘孜州降水整體上呈波動上升趨勢，5 a滑動增長率為21.47 mm/10 a。通過年際變化曲線和M-K檢驗(yàn)可知1986年為降水量突變點(diǎn)，此后降水量明顯增加。降水在空間上表現(xiàn)為西北干、東南濕的格局，除了環(huán)流、季風(fēng)影響外，地形因素也不可忽視。

(2) 甘孜州地區(qū)降水存在季節(jié)分配不均勻的特征，雖然各季節(jié)均呈增加趨勢，尤其是秋季降水增幅也為明顯?？臻g上冬季與春季分布形態(tài)較相近。

(3) 由區(qū)域旱澇指數(shù)HL顯示57年來發(fā)生洪澇的頻率大于發(fā)生干旱的頻率，但干旱更為嚴(yán)重。從20世紀(jì)80年代中后期開始干旱頻數(shù)有所增加，但是洪澇的強(qiáng)度逐漸增大?？臻g上旱澇分布極不均勻，洪澇頻率從西向東逐漸減小；干旱頻率從西北往西南往、東南往東北減少。

由于研究區(qū)較小，區(qū)域差異不大，難以分析環(huán)流和季風(fēng)對降水的作用；選用Z指數(shù)分析旱澇規(guī)律時(shí)主要探討了降水的影響，而對旱澇形成的其他因素，如氣溫、厄爾尼諾等影響涉及較少，這都有待于下一步的研究。