龐 晶，張 榮，徐迎春，覃 軍

(1.湖北省武漢市氣象局，湖北 武漢 430000;2.中國地質大學(武漢),湖北 武漢 430074； 3.武漢輕工大學，湖北 武漢 430000)

1 引言

西南地區(qū)介于91°21′～112°04′E、20°54′～34°19′N之間[1]，氣候以亞熱帶季風氣候為主，降水的季節(jié)分配不均勻，為典型單峰型，降水集中在5—9月，峰值出現(xiàn)在7月[2]。該地區(qū)是世界上地形最復雜的區(qū)域之一，世界上海拔最高、地形最復雜的青藏高原、云貴高原、橫斷山區(qū)和四川盆地等構成了該區(qū)域大陸地貌的主要特征，地勢起伏較大，容易造成水土流失，獨特的喀斯特地貌使地表水滲漏嚴重，儲水能力較差。諸多因素導致該地區(qū)干濕分明、冬干夏濕，干旱是主要氣象災害之一，幾乎每年都會發(fā)生不同程度的干旱災害，5～10 a就會出現(xiàn)一次覆蓋范圍大、持續(xù)時間長的嚴重干旱事件。

近年來在全球氣候變化背景下，隨著極端天氣氣候事件頻繁出現(xiàn)，干旱的發(fā)生頻率和強度也明顯增加，西南地區(qū)的極端干旱事件發(fā)生較多，總體為增暖、降水少和干旱化，其中川渝地區(qū)干旱化顯著[3]。2000年以來較為嚴重的干旱有：2003年西南部分地區(qū)發(fā)生嚴重伏秋連旱，2005年云南發(fā)生近50 a來少見的嚴重春旱，2006年川渝地區(qū)出現(xiàn)百年難遇的伏旱，2007年出現(xiàn)嚴重的冬春干旱連夏旱，2009年秋至2010年春發(fā)生西南大旱。干旱給當?shù)貛砭薮蟮慕?jīng)濟損失，2009年的西南干旱使全國六成水電告急。西南五省(區(qū)、市)耕地受旱面積647.73萬hm2，占全國的84%。這使得西南干旱的研究成為一項具有重要現(xiàn)實意義和科學價值的工作。

目前對于西南干旱的成因研究已很多，但對該地區(qū)干旱指數(shù)的研究卻很少。王曉敏[3]對比帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)和綜合氣象干旱指數(shù)(CI)在各個季節(jié)的變化特征，指出PDSI對西南地區(qū)干旱的描述能力不如CI。趙海燕等[4]在用加權降水量改進標準化降水指數(shù)的基礎上，對綜合氣象干旱指數(shù)進行修正，定義了ICW，ICW減少了干旱發(fā)展的跳躍性現(xiàn)象，提高了干旱監(jiān)測的合理性。王林等[5]以干旱變化的不同時間尺度特征為出發(fā)點，利用具有多時間尺度變化并考慮溫度影響的標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)，對我國西南地區(qū)近百年的干旱演變特征進行了分析，通過與年鑒資料對比，證明SPEI指數(shù)在西南地區(qū)具有較好的適用性。

眾多指數(shù)各有千秋，而衡量一個干旱指標建立的合理與否，主要取決于以下幾個條件：一是否能夠精確描述干旱的強度、范圍和起止時間；二是否能夠包含明確的物理機制，充分考慮水分的收入和支出，即降水和蒸散；三能否被廣泛利用。針對第一方面，本文從干旱頻率、年干旱強度、典型旱澇年特征3個方面進行闡述；水分的收入靠降水，而支出靠蒸散，一般地，在其他條件相同時，高溫有利于地面蒸發(fā)，反之不利于蒸發(fā)，因此，當降水減少時，高溫將加劇干旱的發(fā)展或導致異常干旱，反之將抑制干旱的發(fā)生和發(fā)展，降水溫度均一化指標用降水和氣溫來描述干旱符合干旱發(fā)生的物理機制，本文在此基礎上，考慮氣溫和降水的不同權重，使指標可以更好地描述西南地區(qū)的干旱狀況。

本文通過對比分析溫度對干旱的貢獻相關研究，對S指標進行修正，定義為Sm。結果發(fā)現(xiàn)，修正前后的干旱指數(shù)在年干旱強度方面沒有顯著差異，但Sm減弱了S的不合理跳躍現(xiàn)象；Sm較S更準確地描述旱季和雨季；Sm不僅矯正了S與M、CI的負相關，而且與M的相關性非常好，能較好地反映土壤的干濕狀況，Sm與各時間尺度的SPI相關性均較好；運用Sm定義的西南地區(qū)旱澇年具有統(tǒng)計學意義，且典型旱澇年的時空分布與事實一致。

2 材料和方法

2.1 資料

應用的資料為中國氣象局國家氣象中心整編的1951—2010年全國160站逐月降水量、月平均氣溫。其中位于西南地區(qū)的站點有44個，西南地區(qū)地理位置和站點如圖1。

圖1 西南地區(qū)地理位置和站點圖Fig.1 Location and distribution of meteorological stations in Southwest China

2.2 方法

2.2.1 干旱指數(shù)的計算 降水溫度均一化指標(S)實際上就是降水標準化變量與溫度標準變量之差，早在80年代由文獻[6]確定，Zhang et al.[7]用此指數(shù)來反映中國南方濕冷的氣候異常的強度。具體計算公式為：

由公式可以看出，該指數(shù)絕對值大的正負值分別對應與高溫少雨和低溫多雨兩種氣候異常狀態(tài)。張強等[7]以北京為例，對降水距平百分率、標準化降水指數(shù)及S進行對比分析發(fā)現(xiàn)，指標S考慮溫度的影響太大，夸大了氣溫變化對干旱強度的作用，由于氣溫對干旱的影響程度是隨地區(qū)和時間不同的，所以在運用時，應對溫度影響項加適當權重。王林等[5]用SPEI(既具有SPI指數(shù)多時間尺度特征，又考慮溫度變化對干旱的影響)與SPI(只考慮降水虧缺對干旱的影響)在西南地區(qū)的差值來表示溫度貢獻的量值(0.4)，然后按SPEI或SPE的量值計算百分率得到，對于西南地區(qū)，高溫對干旱的貢獻可以達到20%～25%。章大全等[8]根據(jù)溫度、降水、Palmer旱澇指數(shù)均一化數(shù)據(jù)庫，構建統(tǒng)計模型量化了溫度和降水變化在干旱形成中所占的比重，計算了中國8個分區(qū)(東北、華北、西北東部、西北西部、西南、華東、華南、青藏高原)未來5 a(2008—2012年)偏旱的概率分布與溫度偏高概率和降水偏低概率分布的相似系數(shù)，并以溫度為基準，計算降水相對于溫度的比值大小，結果顯示西南地區(qū)溫度貢獻的量值約為0.41(與文獻[5]的結果基本一致)，考慮到PDSI的量值的均值為0.525 7，按百分率計算得到溫度對干旱的貢獻約為20%?；谝陨辖Y論，我們對S進行修正，定義為Sm，計算公式為：

本文還用到了相對濕潤度指數(shù)(M)、綜合干旱指數(shù)(CI)、標準化降水指數(shù)(SPI)做對比，具體計算方法可以參照《氣象干旱等級》[10]。

2.2.2 旱澇等級的劃分標準 由于研究目的和出發(fā)點不同，對干旱指標等級的劃分標準常常是不相同的。本文對修正前后的S指標劃分7個等級[8]，各等級出現(xiàn)的頻率定義為：1級重澇5%，2級中澇10%，3級輕澇15%，4級正常40%，5級輕旱15%，6級中旱10%，7級重旱5%。根據(jù)這一劃分原則，統(tǒng)計了1951—2010年月尺度、季尺度和年尺度的旱澇等級序列值，按各等級出現(xiàn)頻率得等級劃分標準如表1。并依此定義等級1、2級為澇年，6、7級為旱年，得到旱澇年結果如下。旱年：1960、1966、1988、1992、2003、2005、2006、2007、2009年，澇年：1952、1954、1965、1967、1968、1970、1973、1983、2008年。

表1 月尺度、季尺度和年尺度Sm旱澇等級Tab.1 Monthly, seasonal and annual Sm classification of grades

3 結果與分析

3.1 干旱頻率分布

伍紅雨等[10]在文章中定義某月多年平均值與多年平均的月平均值之差(第二類距平)為正的月份為雨季，反之為旱季，用來表示多年平均的季節(jié)變化特征。圖2給出了修正前后S指數(shù)得到的某月發(fā)生干旱的頻率(旱澇等級在4級以上所占的百分率)與第二類距平曲線圖，可以看到，第二類距平為單峰型，峰值出現(xiàn)在7月，5—9月為雨季，10—4月為旱季，而S得到的干旱頻率為雙峰型，峰值出現(xiàn)在4月和9月，并未對應于最強旱季所在月份，在5—8月份與第二類距平負相關顯著，而在其他月份為正相關，這與事實不相符。Sm得到的干旱頻率在5—9月為0或者接近為0(對應于雨季)，10—4月干旱頻率與第二類距平也具有很好的負相關，干旱頻率最大與最強旱季相對應。

圖2 干旱頻率與降水月份變化的對比Fig.2 Contrast of drought frequency and monthly change of precipitation

3.2 年干旱強度分析

從區(qū)域平均的角度出發(fā)，定義旱澇等級5、6、7級對應的強度分別為0.2、0.3、0.5，其余等級強度為0，將12個月份強度累加來定義年干旱強度，結果如圖3。修正前年干旱強度最強的5 a為2006、2009、2005、1998、1992，修正后年干旱指數(shù)前5位為2009、1966、1988、2007、1987年，均有4 a為干旱年。2009—2010年的秋、冬、春連旱是有記錄以來最嚴重的一次大旱事件，但從年干旱強度曲線圖中發(fā)現(xiàn)，2010年S值卻驟然下降很大，這種不合理跳躍現(xiàn)象在修正后得到改善。由11 a滑動平均可以看出，90年代中后期以來干旱強度逐漸增強的趨勢在修正前后都可以體現(xiàn)，修正前在70年代之前下降趨勢較為顯著，70年代趨勢不明顯，80年代之后呈波動上升趨勢；修正后在90年代以前變化趨勢不是很明顯，可以看到1977—1982年、1988—1991年左右的高值區(qū)，1994年極小值點后呈緩慢上升趨勢，與劉建剛等[12]統(tǒng)計得到的1959—1966年、1978—1980年、1985—1993年和1999年至今這幾個時間段是西南5省旱災頻繁發(fā)生的時期較為一致。

3.3 各干旱指數(shù)間的相關性分析

從西南地區(qū)區(qū)域平均的角度，做修正前后指數(shù)與各時間尺度的SPI以及M、CI的相關系數(shù)(見表2)發(fā)現(xiàn)，S與M、CI的相關系數(shù)分別為-0.201、-0.113，這與事實是不相符的。Sm與M、CI的相關系數(shù)均超過0.9，即Sm糾正了S與M、CI負相關，而且可以很好地反映土壤的干濕狀況。Sm與各個時間尺度的SPI的相關系數(shù)均超過了99%顯著性檢驗(α=0.097)。

圖3 年干旱強度及11年滑動平均序列Fig.3 Sequence of annual drought intensity and 11-year moving average

表2 Sm、S與M、CI、各時間尺度SPI的相關系數(shù)表Tab.2 Correlation coefficients between Sm, S and M, CI , SPI at different time scales

3.4 旱澇月(年)分析

按照上述旱澇月/年劃分標準得到，1951—2010年60 a間存在103個澇月，112個旱月，且各年代中旱澇月的個數(shù)如表3所示?？梢钥闯龈珊递^為嚴重的年代為2000年以后，尤其是2009年有5個月份存在干旱(1月、2月、10月、11月、12月)，其次是60年代，1960年、1962年、1966年分別有4個月處于干旱。與旱澇分布圖集[13,14,15]和客觀事實基本一致。50年代洪澇較為嚴重，有3 a存在3個澇月。

表3 各年代旱澇月個數(shù)及所占比例Tab.3 Number of drought/flood months and their proportion

為了討論定義的旱澇年是否具有統(tǒng)計意義，本文計算了澇、旱年(見表2)降水距平差值的t值[16]，如圖4所示，陰影區(qū)為通過95%信度t檢驗的區(qū)域。由圖4看到，西南地區(qū)的大部分均超過了95%信度t檢驗，說明以上定義的旱澇年存在顯著差異，有統(tǒng)計學意義，其高值區(qū)位于貴州省西北部和湖南省西部，即旱、澇年此區(qū)域存在的差異最顯著。

3.5 典型旱澇年的時空分析

選取典型旱年2009年，典型澇年1973年，并對這2 a的Sm時空分布進行分析?？臻g上，如圖5，2009年西南大旱中干旱較為嚴重的云南省大部、貴州省分別對應Sm的低極值區(qū)，而典型澇年1973年Sm分布圖與旱澇圖集的一致性較好，較嚴重的洪澇發(fā)生在云南省西部、湖南省東部以及四川省東部。

圖4 澇旱年降水距平差值的t檢驗圖(陰影區(qū)為 通過95%信度的t檢驗區(qū)域)Fig.4 T value of precipitation anomaly difference between flood years and drought years(the shadow region: over 95% confidence level)

時間上，如圖6，2009年秋季至2010年春季出現(xiàn)持續(xù)干旱，其中2009年秋季至冬季處于中度到重度干旱狀態(tài)，這與黃榮輝等[17]描述的觀測事實高度一致。上述時空分析充分說明了Sm在西南地區(qū)有較好的適用性。

4 結論

大量的事實說明，在全球變暖的背景下，單一地分析降水量的變化已不足以解釋干旱化及干旱的范圍和強度的變化，增暖已成為干旱加劇的重要因子之一，因此，研究干旱的發(fā)生發(fā)展過程需要綜合降水和氣溫變化的共同影響。

圖5 2009年(a)、1973年(b)西南地區(qū)Sm等值線圖Fig.5 Contour map of Sm in Southwest China in 2009(a) and 1973(b)

圖6 2009—2010年西南地區(qū)Sm季節(jié)時序圖Fig.6 Seasonal sequence diagram of Sm in Southwest China from 2009 to 2010

對比修正前后降水溫度均一化指標得到，從干旱頻率分布上看，Sm可以較好的描述雨季和旱季，明顯優(yōu)于S；從年干旱強度上看，S與Sm并無明顯差異，均可以較好地描述干旱程度，但是Sm修正了S的不合理跳躍現(xiàn)象，且11 a平滑得到的結果與統(tǒng)計事實較為一致；從與其它干旱指數(shù)的相關性來看，S與M、CI為負相關，這一錯誤關系在修正后得到糾正，且Sm與M的相關性較好，說明Sm可以很好地描述地面濕潤狀況，Sm與各個時間尺度的SPI的相關系數(shù)均超過了99%顯著性檢驗；另外，新指數(shù)在典型旱澇年的時空分布與事實較為符合。

Sm計算簡單，資料易獲得；消除了時空尺度變量的離散程度差異，并且考慮了溫度對干旱發(fā)生的影響，一般地，在其他條件相同時，高溫有利于地面蒸發(fā)，反之不利于蒸發(fā)，因此，當降水減少時，高溫將加劇干旱的發(fā)展或導致異常干旱，反之將抑制干旱的發(fā)生和發(fā)展，從氣溫對干旱的影響物理機制上講是完全正確的；而且，綜合前人研究成果，對溫度影響項加了適當?shù)臋嘀?，使之更適用于西南地區(qū)。綜上認為，Sm可以較好地描述西南地區(qū)的干濕狀況。