王秋云，蔡藝友，方文維，柯婉茹

(1.南靖縣氣象局，福建南靖 363600；2.平和縣氣象局，福建平和 363700；3.云霄縣氣象局，福建云霄 363300 )

中國是一個干旱災害頻發(fā)的國家，在中國科學技術藍皮書中，干旱為我國氣候災害之首[1]。過去普遍認為干旱主要發(fā)生在中國北方地區(qū)，不少氣象工作者對北方干旱情況進行研究[2-4]。近年來，隨著全球氣候變暖，極端天氣、氣候事件頻繁出現(xiàn)，干旱區(qū)域不斷增大，同時，發(fā)生頻率和強度也明顯增加，干旱現(xiàn)已成為我國西南地區(qū)第一自然災害。近十幾年來西南地區(qū)屢屢發(fā)生嚴重的干旱災害：2003年西南地區(qū)發(fā)生嚴重伏秋連旱；2005年春季云南發(fā)生近50年來少見的嚴重干旱；2006年川渝地區(qū)發(fā)生百年難遇的伏旱；2009—2012年西南地區(qū)發(fā)生的具有持續(xù)時間長、影響范圍廣、災害程度重等特點的干旱事件，是該地區(qū)有氣象記錄以來最嚴重的氣象干旱事件。眾多學者已使用不同的方法對西南地區(qū)近幾年的干旱趨勢進行了大量研究。王明田等[5]基于相對濕潤指數(shù)的年際變化分析研究，表明西南地區(qū)近十年干旱強度明顯增大，且年尺度干旱頻率呈西高東低的帶狀分布；韓靜艷[6]指出進入21 世紀以后西南地區(qū)干旱發(fā)生頻率高，其中夏季干旱發(fā)生最頻繁，冬季次之，且多季連旱的現(xiàn)象更加普遍；賀晉云等[7]以地表濕潤指數(shù)為指標，統(tǒng)計了西南地區(qū)1960—2009年極端干旱發(fā)生的頻率，結(jié)果顯示廣西南部、貴州北部、橫斷山脈和四川盆地西南部近50年極端干旱發(fā)生頻率明顯增加。干旱事件給西南地區(qū)國民經(jīng)濟造成了極大的損失，嚴重威脅人民的生命和財產(chǎn)的安全，因此，對西南地區(qū)干旱變化特征進行研究，不僅是一項具有科學價值的理論課題，而且具有緊迫的現(xiàn)實意義。本文通過計算1971—2012年標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，提取西南地區(qū)干旱特征量(強度、持續(xù)時間和范圍)，對西南地區(qū)干旱變化特征進行分析。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

西南地區(qū)在行政區(qū)劃上包括四川、云南、貴州、重慶以及廣西壯族自治區(qū)等五省市(圖1)，其地理坐標為北緯20°54′～34°19′、東經(jīng)91°21′～112°04′之間[8]。該地區(qū)北有黃土高原，西臨青藏高原，南面受東南季風和西南季風的影響，且本身地形復雜多樣，境內(nèi)多盆地、高原、山區(qū)等，復雜的地形地貌和獨特的地理位置使該地區(qū)成為一個典型的氣候多變區(qū)。亞熱帶季風氣候為該地區(qū)的主要氣候類型，年平均降水量600～2 300 mm，空間分布呈東南向西北減少[9]。降水季節(jié)分布極不均勻，夏季炎熱多雨，冬季溫和降水少；受地形影響，區(qū)域降水差異性較大。近年來由于全球氣候變暖，西南地區(qū)頻頻發(fā)生干旱事件。

1.2 數(shù)據(jù)資料

所用1971—2012年逐日降水及氣溫資料由國家氣候中心提供，數(shù)據(jù)的一致性和可靠性經(jīng)過了較嚴格的質(zhì)量檢驗。選用包括周邊地區(qū)的378個站點數(shù)據(jù)進行插值，以提高插值精度，討論區(qū)域僅以內(nèi)部306個站點數(shù)據(jù)為主。研究區(qū)域的海拔高度及站點分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及站點分布

1.3 計算方法

干旱的形成和發(fā)展是地表水分虧缺緩慢積累的過程，標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是一種新發(fā)展的干旱指標[10]，其正是通過水分虧缺量和持續(xù)時間兩個要素來描述干旱。SPEI基于降水和溫度數(shù)據(jù)，以降水量與月潛在蒸發(fā)量之差代替了標準化降水指數(shù)(SPI)計算中的月降水量，結(jié)合了SPI的多時空屬性和帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)對蒸發(fā)需求變化的敏感性(由于溫度變化導致的結(jié)果)，是一種新的適用于全球氣候變暖背景下干旱監(jiān)測與評估的干旱指數(shù)，具體的計算步驟可參見文獻[10]。表1為根據(jù)SPEI指數(shù)劃分的干旱等級。

表1 標準化降水蒸散指數(shù)干旱等級劃分

首先，將西南地區(qū)及其周邊共378個站1971—2012年的逐月降水和氣溫數(shù)據(jù)為輸入資料，取時間尺度為12個月，計算各站點SPEI值。其次，采用線性傾向估計，建立時間與SPEI的一元線性回歸Yi=bXi+a(i=1,2,…,n)關系，回歸系數(shù)b>0時，說明隨時間的增加SPEI呈上升趨勢；b<0時，說明隨時間的增加SPEI呈下降趨勢。統(tǒng)計各站點一年中SPEI<-1.0的月份之和，用以表示每年的干旱持續(xù)時間，通過干旱持續(xù)時間，分析西南地區(qū)干旱持續(xù)變化情況。

空間上，根據(jù)各氣象站點每年的年平均干旱指數(shù)及其趨勢，采用反距離權重法(IDW，inverse distance weighted interpolation)對其進行空間插值。設定空間分辨率為0.05°×0.05°，生成該地區(qū)每年的空間柵格數(shù)據(jù)。統(tǒng)計所有網(wǎng)格點中SPEI<-1.0的網(wǎng)格點數(shù)量，求該網(wǎng)格點數(shù)量與網(wǎng)格點總數(shù)的比值，用此來表示年干旱面積比率，進而對年干旱面積的變化情況進行分析。

2 干旱強度

2.1 干旱強度氣候態(tài)

以各站點每年各月的SPEI(<-1.0)的平均值作為該站點該年的干旱強度，負值絕對值越大，干旱強度越大。圖2為1971—2012年西南地區(qū)多年平均干旱強度空間分布狀況，可以發(fā)現(xiàn)，整個西南地區(qū)干旱強度基本呈南北方向的帶狀分布，干旱強度最大中心位于西南地區(qū)的中部，西部次之，東部最弱。從行政區(qū)劃范圍來看，四川和云南兩省干旱強度均處在較高水平上，是干旱化最嚴重的省份。西南地區(qū)強干旱有三個區(qū)域：一個區(qū)域為云南省中西部，多年平均干旱強度小于-1.50，達到中度干旱程度；另外兩個分別出現(xiàn)在四川省中部和東南部，多年平均干旱強度小于-1.65。位于西南地區(qū)東部的重慶市、貴州省和廣西省，干旱強度較弱。重慶市、貴州省干旱強度呈西部高東部低分布態(tài)勢，僅在西南小部分地區(qū)多年平均干旱強度小于-1.50。廣西省整體的干旱強度均處于較低水平，大部分地區(qū)干旱強度大于-1.43。

圖2 1971—2012年西南地區(qū)多年平均干旱強度空間分布

2.2 干旱強度時空變化

由圖3可看出1971—2012年西南地區(qū)區(qū)域平均干旱強度年際變化呈逐漸增強趨勢，其線性趨勢率為-0.065/10 a，且通過了α=0.01的顯著性檢驗。干旱強度存在明顯的年代際變化：20世紀70年代干旱強度多在-1.24上下波動，平均值為-1.22；80年代干旱強度的變化趨勢與70年代相似，平均值為-1.25，較前10年略微增強，1988—1989干旱強度明顯增大，1989年干旱強度-1.37；90年代干旱強度總體呈現(xiàn)增強趨勢，平均值為-1.28；進入21世紀以來各年的干旱強度均小于-1.30，且干旱強度表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，2006、2007、2010、2011和2012年達到-1.50，整個時期的干旱強度平均值為-1.42。1971—2012年西南地區(qū)干旱強度呈波動增強的趨勢，尤其是進入21世紀以來，干旱強度明顯增強，區(qū)域干旱加劇。

1971—2012年四川、重慶、貴州、云南和廣西干旱強度均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢， 其線性傾向率分別為-0.056、-0.101、-0.077、-0.046和-0.046/10 a。1971—1980年四川省干旱強度平均值為-1.31，是該時段內(nèi)西南地區(qū)干旱強度最強的省份；1981—1990年，該省干旱強度有所緩解，均值為-1.27；1991—2000年和2000—2012年兩個階段，干旱強度均相對增強，2000—2012年平均為-1.46，為西南地區(qū)干旱強度最強省份。盡管重慶市干旱強度增長最快，但在1983年，其全年無旱，且1971—2012年，重慶市干旱強度平均值為整個西南地區(qū)最小，即干旱強度較弱。貴州省除1977年干旱強度為零外，其余年份干旱強度較穩(wěn)定，沒有明顯的波動；干旱強度年代際變化表現(xiàn)出增強、減弱和增強的特征，且以2001—2012年干旱強度最強，均值為-1.42。云南省干旱強度在1971—2000年間基本維持-1.2左右，而在2000年后，干旱強度明顯增強(2001—2012年平均值為-1.44)，且在2010年達到極大值-1.73，即該年云南省干旱最強。廣西干旱強度表現(xiàn)出持續(xù)增強的特征，且在2001—2012年間達到最強，為-1.36。以上分析表明，1971—2012年西南地區(qū)及各省的干旱強度均呈現(xiàn)顯著加強趨勢，且存在明顯的年代際變化特征，其中四川省干旱強度最大，重慶市干旱強度增強趨勢最明顯；進入21世紀整個西南地區(qū)干旱強度持續(xù)增強。

為進一步探究1971—2012年西南地區(qū)干旱強度變化的特征，采用線性趨勢分析方法，分別對西南地區(qū)各站點年干旱強度變化趨勢進行了統(tǒng)計分析。西南地區(qū)306個站點中，絕大多數(shù)站點(95.75%)線性傾向率為負值，且156站點(50.98%)通過了α=0.05的顯著性檢驗，這說明西南地區(qū)干旱強度在1971—2012年間逐漸增強(圖4)，且中部干旱強度增強最明顯，東部次之，西部最弱。重慶境內(nèi)18個站點干旱強度均呈現(xiàn)增強趨勢，有13個站點通過顯著性檢驗，占該市站點總數(shù)的72.22%，為西南地區(qū)各省通過顯著性檢驗站點比例最高的省份。廣西境內(nèi)的42個站點的線性傾向率均為負值，干旱強度增強，其中有57.14%的站點通過顯著性檢驗；其空間分布特征主要表現(xiàn)為西部地區(qū)干旱強度的增強明顯大于東部地區(qū)的特征。貴州省有56.36%的站點干旱強度呈顯著增強的趨勢，主要分布在該省的中部偏南地區(qū)；北部地區(qū)干旱強度也呈增強趨勢，但不顯著。云南省的大部分區(qū)域干旱強度表現(xiàn)為增強；且東部以及西南部站點干旱強度顯著增強。四川省93個站點干旱強度呈增強趨勢，其中有47個站點通過顯著性檢驗；其東部一帶的站點干旱強度呈現(xiàn)出顯著增強趨勢。總之整個西南地區(qū)干旱強度呈增強趨勢。

圖4 1971—2012年西南地區(qū)干旱強度線性傾向率(單位：(10 a)-1)空間分布(實心為通過α=0.05顯著性檢驗的站點)

3 干旱面積

干旱面積比率是指由研究區(qū)域及周邊共378個站點SPEI干旱指數(shù)采用反距離權重法插值后，得到整個地區(qū)SPEI空間柵格數(shù)據(jù)，進而統(tǒng)計區(qū)域范圍內(nèi)SPEI<-1.0的格點數(shù)與總格點數(shù)的比值。由圖5可看出，西南地區(qū)干旱發(fā)生面積呈上升趨勢，干旱面積比率線性趨勢率為(4.7%)/10 a，通過了α=0.01的顯著性檢驗。20世紀70年代末至80年代初，西南地區(qū)開始出現(xiàn)大面積的干旱；80年代末至90年代初干旱面積較大，且在1989年達到極大值16.36%；進入21世紀以來，西南地區(qū)干旱發(fā)生面積達到40多年來最大值。自2003年以來，多數(shù)年份干旱面積比率均在10%以上，其中，2006、2007、2010、2011和2012年干旱區(qū)面積所占比例均大于25%。

圖5 1971—2012年西南地區(qū)干旱面積變化

4 干旱持續(xù)時間

干旱持續(xù)時間定義為各個站點某年出現(xiàn)干旱(即SPEI<-1.0)的月份總數(shù)。1971—2012年西南地區(qū)干旱持續(xù)時間線性傾向率為(0.54月)/10 a(圖6)。干旱持續(xù)時間的年代際變化呈增加趨勢：20世紀70年代干旱持續(xù)時間為3.4月，其中1978—1979兩年增長明顯，達4.0月；80年代干旱持續(xù)時間為3.6月，較前十年略有增加；進入90年代后，干旱持續(xù)時間3.6月，沒有明顯的波動過程；21世紀(2001—2012年)以來，干旱持續(xù)時間呈波動增加趨勢，在3.7～7.2月之間，2006、2010兩年達6.0月。總之，1971—2012年干旱持續(xù)時間呈增加趨勢，存在明顯的年代際變化。

西南五省干旱持續(xù)時間均呈現(xiàn)增加趨勢(圖6)，云南省線性傾向率最大，為0.66月/10 a，四川省最小，僅為0.41月/10 a，各省變化情況各不相同。四川省干旱持續(xù)時間上升趨勢雖然最小，但1971—2012平均為4.8月，為五省最長。該省1971—1980年平均干旱持續(xù)時間為4.2月，也長于其他四省；1981—1990年有所下降，為3.5月；1991—2000年明顯上升，均值達4.5月；2001—2012年平均上升至5.2月。重慶干旱持續(xù)時間線性傾向率為0.56月/10 a，高于西南地區(qū)平均水平。該市1983年無干旱，2006年干旱持續(xù)時間最長為6.9月，其年代際變化情況與四川相似，呈先下降后增長的特點。貴州省干旱持續(xù)時間線性傾向率為0.64月/10 a，僅次于云南省，2006年干旱持續(xù)時間最長達8.0月。1971—1980年均值為2.6月，1981—1990年增加到4.2月，1991—2000年下降至2.5月，2001—2012年又上升到5.1月，總體來說，其干旱持續(xù)時間呈波動上升狀態(tài)。云南省是西南五省中干旱持續(xù)時間增加趨勢最大的省份，線性傾向率達0.66月/10 a。在2000年以前，其干旱持續(xù)時間變化趨勢不明顯，1971—1980、1981—1990、1991—2000年干旱持續(xù)時間平均值分別為3.9、3.8、3.4月；2001—2012年出現(xiàn)劇增，平均值達到5.8月，是該時段里受干旱影響時間最長的省份。廣西省線性傾向率為0.44月/10 a，干旱持續(xù)時間呈波動狀態(tài)，振幅較小。1971—1980年均值為3.2月，1981—1990年增至3.7月，1991—2000年降至3.5月，2001—2012年上升至4.6月，總體呈增加趨勢。

圖6 1971—2012年西南地區(qū)年干旱持續(xù)時間變化

整個西南地區(qū)大部分區(qū)域干旱持續(xù)時間呈增加趨勢(圖7)，線性傾向率最大為3.9月/10 a，有52.61%的站點通過了α=0.01的顯著性檢驗?？臻g呈中間高兩邊低、東南高于西北的分布態(tài)勢。整個地區(qū)出現(xiàn)三個極值區(qū)域，分別位于四川省中部、云南省東南部和西南部。云南省干旱持續(xù)時間線性傾向率呈中間低兩邊高分布，其東南部和西南部均達3.0月/10 a，呈顯著增加趨勢(通過了α=0.05的顯著性檢驗)。四川省中部至東南部大片區(qū)域線性傾向率達2.0月/10 a，是該省內(nèi)干旱持續(xù)時間明顯增加的地帶。

圖7 1971—2012年西南地區(qū)干旱持續(xù)時間趨勢(單位：月/10 a)空間分布(實心為通過α=0.01顯著性檢驗的站點)

5 結(jié)論

基于SPEI干旱指數(shù)，分析了1971—2012年西南地區(qū)的干旱氣候及氣候變化特征，得到以下主要結(jié)論。

(1)干旱強度空間呈緯向帶狀分布，中部最高，西部次之，東部最低，四川、云南兩省干旱化趨勢最為顯著。區(qū)域平均干旱強度隨時間呈波動增強，干旱強度線性趨勢率呈東部高、西部低分布，四川中部、云南東南部上升趨勢明顯。

(2)干旱面積比率呈明顯增加趨勢，線性趨勢率為(4.7%)/10 a。21世紀后干旱面積比率明顯上升，2010年西南地區(qū)干旱面積最大。

(3)干旱持續(xù)時間中部地區(qū)增加最明顯，東部次之，云南省干旱持續(xù)時間增加最顯著。