柴素盈, 曹 言, 竇小東, 張星梓

(1.云南省環(huán)境科學(xué)研究院, 昆明 650034; 2.云南省水利水電科學(xué)研究院, 昆明 650228; 3.云南省氣象局, 昆明 650034)

近年來全球變暖加劇水分循環(huán)，極端暖事件和極端強降水事件呈增多特征[1-2]，而極端氣候事件相較于氣候的平均狀態(tài)對氣候變化的響應(yīng)更為敏感，其頻率、強度變化對社會和生態(tài)環(huán)境具有更為顯著的影響[3]，因此成為研究氣候變化的熱點。王冀等[4]、董慶林[5]、齊月等[6]和劉琳等[7]分別對華北、東北、西北和西南地區(qū)極端氣候進行了研究分析，發(fā)現(xiàn)極端冷事件呈下降趨勢，極端暖事件呈上升趨勢，具體表現(xiàn)為極端最高和最低氣溫上升幅度的顯著不對稱性，而華北和東北地區(qū)極端降水事件呈減小趨勢，西北地區(qū)極端降水事件則呈微上升趨勢，西南地區(qū)降水總量呈減小趨勢，但降水強度卻有所增加；王瓊等[8]、黃強等[9]、鄭江禹等[10]和吳燦等[11]分別對長江流域、珠江流域和黃河流域極端氣候進行了研究分析，結(jié)果表明3個流域均呈變暖趨勢，且表現(xiàn)為冷指數(shù)和夜指數(shù)的變暖幅度明顯大于暖指數(shù)和晝指數(shù)的變暖幅度，這一規(guī)律與中國其他區(qū)域變化趨勢高度一致[12]，珠江流域極端降水頻率和量級呈上升趨勢的區(qū)域主要集中在珠江流域下游及流域南部，極端降水頻次上升趨勢不顯著或呈下降趨勢的區(qū)域主要集中在流域上游高海拔地區(qū)，面臨高溫干旱和暴雨洪澇的危險；楊曉靜等[13]和王曉等[14]研究結(jié)果表明云南省極端氣溫事件變化趨勢存在與上述研究區(qū)一致的變化趨勢；楊曉靜等[15]研究結(jié)果表明云南省極端降水在發(fā)生頻率、持續(xù)日數(shù)和降水強度均呈增加趨勢。上述研究，針對云南省多種極端氣溫和降水的綜合研究還相對較少，且研究時間主要集中在2013年以前，而將各極端氣候指數(shù)分類對比研究、探索極端氣候指標(biāo)關(guān)系的研究則更為鮮有，因此在氣候變暖背景下開展云南省不同流域極端氣候事件的研究具有著重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

南盤江流域主要包括曲靖市、昆明市、玉溪市、紅河州和文山州，屬于云南省水污染防治重點的水系之一。南盤江流域位于珠江上游，屬珠江流域西江水系，氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，汛期(5—10月)降水量時空分布不均勻，單點性強降水天氣發(fā)生頻率較高，極易引發(fā)洪澇干旱等自然災(zāi)害。而近年來，隨著云南省極端氣候事件頻發(fā)，如2011年雨季干旱、2012年旱季干旱，及2013年冬春干旱等，2016年曲靖、丘北等地暴雨洪災(zāi)，2018年昆明、曲靖、玉溪等地洪澇災(zāi)害等，多次洪澇干旱均為歷史罕見，造成了巨大的損失，影響范圍極廣[16]。加之南盤江流域是云南省糧食產(chǎn)區(qū)的重要集中地，受地形和地質(zhì)條件的影響，坡耕地居多，多屬于雨養(yǎng)型農(nóng)業(yè)，對氣候極端變化敏感性較高[17]，因此本文基于1964—2017年南盤江流域25個氣象站逐日氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，研究南盤江流域主要極端氣候事件的時空演變規(guī)律，探索南盤江極端氣候指標(biāo)關(guān)系，以期能夠本地區(qū)極端氣候事件災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測和規(guī)避、農(nóng)業(yè)區(qū)劃提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)和云南省氣象局，選取1964—2017年南盤江流域25個氣象站點逐日最高、最低和降水?dāng)?shù)據(jù)，其氣象站點具體分布如圖1所示。在數(shù)據(jù)選擇過程中選用的站點需要盡量沒有數(shù)據(jù)缺少，各站點氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)均通過標(biāo)準正態(tài)一致性檢驗，并對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，如剔除異常值和錯誤值等。

圖1 南盤江流域氣象站點分布

1.2 研究方法

基于RClimDex 1.0軟件分別計算南盤江流域29個氣候極端指數(shù)，并從中選取與研究區(qū)密切相關(guān)的6個極端氣溫指數(shù)和9個降水指數(shù)，選取的指數(shù)具體定義[18]見表1。

其中SU25，TXx和WSDI表征極端高溫事件，F(xiàn)D0，TNn和CSDI表征極端低溫事件，PRCPTOT，R95p和R99p表征極端降水量級，SDⅡ，R10，RX1和RX5表征極端降水強度，CDD和CWD表征極端降水持續(xù)時間。

表1 極端氣候指數(shù)的定義

1.3 分析方法

利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗和線性趨勢法對南盤江流域各極端氣候指數(shù)進行趨勢分析和突變檢驗，同時計算各極端氣候指數(shù)的變化傾斜度β，采用ArcGIS 10.0軟件中普通克里金(Kriging)和反距離權(quán)重(IWD)空間插值方法，分析各極端降水指數(shù)在空間分布和空間變化趨勢。在趨勢分析中，著性水平α為0.05，0.01，當(dāng)α≤0.01，即|Z|>2.58時，說明檢驗具有高度顯著性水平，當(dāng)0.01<α≤0.05，即|Z|>1.96時，說明檢驗是顯著的，當(dāng)α計算結(jié)果滿足上述二條件情況時，統(tǒng)計量Z為正則說明具有顯著(或極顯著性)上升趨勢，統(tǒng)計量Z為負則說明具有顯著(或極顯著性)下降趨勢，統(tǒng)計量Z為零則無趨勢。當(dāng)α>0.1，即-1.96

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣候指數(shù)時間變化特征

2.1.1 極端氣溫指數(shù) 圖2為南盤江流域極端氣候指數(shù)的年際變化趨勢和Mann-kendall突變檢驗，近53 a表征高溫事件的SU25(Z=4.588 1)、TXx(Z=2.738 0)、和熱持續(xù)指數(shù)WSDI(Z=5.214 8)均呈極顯著上升趨勢，表征低溫事件的FD0(Z=-5.804 2)和冷持續(xù)指數(shù)CSDI(Z=-2.655 9)均呈極顯著減小趨勢，TNn(Z=3.961 5)呈極顯著上升趨勢，且均通過了0.01的顯著區(qū)間。從各極端氣溫指數(shù)階段性變化情況可以看出(圖2)，SU25，TXx和WSDI相對較小的時段普遍出現(xiàn)在1970—1978年，F(xiàn)D0，TNn和CSDI相對較小的時段普遍出現(xiàn)在2000—2017年；SU25，TXx，TNn和WSDI相對較大的時段普遍出現(xiàn)在2000—2017年，F(xiàn)D0和CSDI相對較大的時段普遍出現(xiàn)在1964—1978年。

2.1.2 極端降水指數(shù) 由圖3可知，1964—2017年反映降水量級和強度的極端降水指數(shù)PRCPTOT(Z=-3.118 4)、R95p(Z=-2.864 8)、R99P(Z=-3.536 2)、R10(Z=-2.409 7)、RX1(Z=-3.700 4)和RX5(Z=-2.790 2)均呈顯著(顯著水平0.05)或極顯著(顯著水平0.01)減小趨勢，反映平均降水情況SDⅡ(Z=-1.492 1)呈弱減小趨勢，反映干濕持續(xù)變化情況CWD(Z=-2.081 5)呈顯著減小趨勢，CDD(Z=0.567 0)呈弱上升趨勢。從各極端降水指數(shù)階段性變化情況可以看出(圖3)，SDⅡ，R10，CWD，PRCPTOT，RX1，RX5，R95p和R99p相對較小的時段普遍出現(xiàn)在2003—2013年，CDD相對較小的時段出現(xiàn)在1964—1983年；SDⅡ，R10，CWD，PRCPTOT，RX1，RX5，R95p和R99p相對較大的時段普遍出現(xiàn)在1964—1978年，CDD相對較大的時段出現(xiàn)在2001—2013年。

根據(jù)Mann-Kendal突變檢驗法得到各極端氣候指數(shù)年平均值的檢驗統(tǒng)計量U的順序、逆序變化曲線UBk和UFk，取顯著水平0.05得到兩條臨界線y=+1.96(圖2和圖3)，得到的交點即可能為突變點。SU25，F(xiàn)D0，TXx，TNn，CSDI和WSDI突變年份分別可能為2003年、1991年、2008年、1994年、1994年、2004年，且SU25，TXx，TNn和WSDI分別在2005年、2013年、2002年、2004年呈顯著上升趨勢，F(xiàn)D0和CSDI分別在1993年、2004年呈顯著減小趨勢；SDⅡ，R10，CDD，CWD，PRCPTOT，RX1，RX5，R95p和R99p突變年份分別可能為1977年、1977年、1983年、2002年、1979年、1980年、1982年、1980年、1980年，且R10，CWD，PRCPTOT，RX1，RX5，R95p和R99p分別在2008年、2001年、2002年、1986年、2002年、1988年、1984年以后呈顯著減小趨勢。由此可知，表征極端低溫事件的FD0，TNn和CSDI突變年份多發(fā)生在20世紀90年代初，表征極端高溫事件的SU25，TXx和WSDI突變年份多發(fā)生在21世紀00年代初；極端降水事件突變年份多發(fā)生20世紀70年末80年代初，且各極端氣候指數(shù)發(fā)生顯著變化的年份基本上在2001年以后，其中PRCPTOT，RX1，RX5，R95p和R99p呈現(xiàn)上升趨勢，R95p和R95p上升幅度最為明顯，分別為20.612 mm/10 a和20.094 mm/10 a，強降水量R95p和極強降水量R95p的快速上升，增加流域短歷時暴雨山洪災(zāi)害的頻發(fā)，這與云南省進入21世紀后00年代升溫明顯加劇[19]，2000年后云南降水量呈減小變化趨勢相一致[20]，也與近年來云南省山洪災(zāi)害發(fā)生更加頻繁相符合[21]。

圖2 南盤江流域極端氣溫指數(shù)的年際變化趨勢和Mann-Kendall突變檢驗

2.2 極端氣候指數(shù)空間變化特征

2.2.1 極端氣候指數(shù)空間分布特征 從南盤江流域各極端氣候指數(shù)多年平均值的空間分布特征(圖4)可以看出，極端氣候指數(shù)的空間分布表現(xiàn)出明顯地域差異性。在極端氣溫指數(shù)方面，SU25和TNn整體上表現(xiàn)出北低南高的分布特征，F(xiàn)D0與SU25和TNn呈現(xiàn)出相反的分布特征；TXx整體上呈現(xiàn)出東南高西北低的分布特征；CSDI整體上呈現(xiàn)出東高西低的分布特征，WSDI則呈現(xiàn)出相反的分布特征。在極端降水指數(shù)方面，SDⅡ，R10，CWD，PRCPTOT，RX1，RX5，R95p和R99p整體上均呈現(xiàn)出東高西低的分布特征，CDD則呈現(xiàn)出相反的分布特征?？梢?，與溫度相關(guān)的極端氣溫指數(shù)呈現(xiàn)出北低南高的分布特征，冷持續(xù)指數(shù)呈現(xiàn)出東高西低的分布特征，熱持續(xù)指數(shù)則呈現(xiàn)出相反的分布特征；與降水量和降水強度相關(guān)的極端降水指數(shù)則均呈現(xiàn)出東高西低的分布特征，持續(xù)濕潤指數(shù)也呈現(xiàn)出東高西低的分布特征，持續(xù)干燥指數(shù)則呈現(xiàn)出西高東低的分布特征。其原因一方面由于極端氣候指數(shù)值向南基本隨緯度的降低而遞增[22]，加之南盤江流域北部易受冬季冷空氣影響；另一方面南盤江流域多受東亞季風(fēng)系統(tǒng)影響，雨季開始時間大多從東向西推進有關(guān)[23]。

圖3 南盤江流域極端氣候指數(shù)的年際變化趨勢和Mann-Kendall突變檢驗

圖4 南盤江流域極端氣候指數(shù)的空間分布

2.2.2 極端氣候指數(shù)空間變化趨勢 由南盤江流域極端氣候指數(shù)的空間變化趨勢(圖5)可以看出，在極端氣溫指數(shù)方面，100%站點SU25呈上升趨勢，上升幅度由東南向西北越來越大，曲靖、江川和澄江等22個站點SU25呈極顯著(顯著水平0.01)或顯著(顯著水平0.05)減小趨勢；與SU25對應(yīng)的FD0則均呈減小趨勢，減小幅度與SU25呈現(xiàn)相反的變化趨勢，彌勒、宣威和華寧等21個站點呈極顯著或顯著減小趨勢；92%站點TXx呈上升趨勢，上升幅度由中東部向西部越來越大，曲靖、富寧和江川等11個站點TXx呈極顯著或顯著上升趨勢，師宗和蒙自站TXx呈減小趨勢；100%站點TNn呈上升趨勢，上升幅度與之對應(yīng)TXx基本上呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，富寧、宜良和蒙自等22個站點TNn呈極顯著或顯著上升趨勢；96%站點CSDI呈減小趨勢，減小幅度由西南部向東北部越來越大，富寧、曲靖、石林、彌勒、丘北和羅平站CSDI呈極顯著或顯著減小趨勢，僅開遠站CSDI呈上升趨勢；100%站點WSDI呈上升趨勢，上升幅度與之對應(yīng)的CSDI呈現(xiàn)相反的變化趨勢，石屏、江川和開遠等21個站點呈極顯著或顯著上升趨勢。綜上所述，南盤江流域變暖趨勢整體上表現(xiàn)出中西部高，東南和西南部低。

在極端降水指數(shù)方面，72%站點SDⅡ、100%站點R10，88%站點CWD，100%站點PRCPTOT，92%站點RX1，96%站點RX5，96%站點R95p和100%站點R95p均呈減小趨勢，減小幅度均表現(xiàn)出由西南部向中東部越來越大的趨勢，其中丘北、師宗和曲靖等7個站點SDⅡ和宣威、富源和師宗等9站點RX1均呈極顯著或顯著減小趨勢，江川、華寧和建水等6個站點的SDⅡ、開遠和富寧站的RX1則均呈上升趨勢；羅平、師宗和沾益等9個站點R10，羅平、沾益和師宗等16個站點PRCPTOT、羅平、丘北和師宗等11個站點R95p、羅平、宣威和瀘西等10個站點R99p均呈極顯著或顯著減小趨勢，其中均是羅平站減小幅度最大；丘北、曲靖、陸良、宜良和江川站CWD呈極顯著或顯著減小趨勢，硯山、建水和峨山站CWD呈上升趨勢；石林、宣威和羅平等7個站點RX5呈極顯著或顯著減小趨勢，僅富寧站RX5呈上升趨勢；76%站點的CDD呈上升趨勢，其中瀘西和富寧站CDD呈極顯著上升趨勢，上升幅度表現(xiàn)出中東部大，西南部小的趨勢，玉溪和廣南站CDD上升幅度較小，而硯山、丘北、石屏、峨山、澄江和華寧站CDD呈減小趨勢。綜上所述，南盤江流域變干趨勢整體上呈現(xiàn)出中東部高，西南部低；南盤江流域中部干暖化趨勢最為顯著，這也與流域中部干旱強度顯著增加趨勢一致[24]。

2.3 極端氣候指數(shù)的對比及相關(guān)分析

2.3.1 極端氣候指數(shù)的對比分析 由表2可知，南盤江流域92%站點SU25變化幅度大于FD0，且SU25的平均變化幅度是FD0的2.72倍；88%站點TNn變化幅度大于TXx，且TNN的平均變化幅度是TXx的3.69倍；68%站點的WSDI變化幅度大于CSDI，且WSDI的平均變化幅度是CSDI的1.35倍；68%站點RX5變化幅度大于RX1，84%站點RX1變化幅度大于R10，92%站點R10變化幅度大于SDⅡ，且RX5的平均變化幅度是RX1的1.46倍，RX1的平均變化幅度是R10的3.03倍，R10的平均變化幅度是SDⅡ的6.91倍；96%站點PRCPTOT變化幅度大于R95p和R99p，且PRCPTOT的平均變化幅度是R95p的2.33倍，R95p的平均變化幅度是R99p的6.31倍；76%站點CDD變化幅度大于CWD，且CDD的平均變化幅度是CWD的3.71倍。綜合可知，暖指數(shù)SU25和WSDI的變暖幅度明顯大于冷指數(shù)FD0和CSDI的變冷幅度，冷指數(shù)TNn的變暖幅度明顯大于暖指標(biāo)TXx的變暖幅度，其主要原因是冬季變暖幅度大于夏季造成的，也與其他研究結(jié)果極端最低氣溫的變暖幅度大于極端最高氣溫一致[8]；極端降水量級PRCPTOT減小幅度大于強降水量R95p和極強降水量R99p，極端降水強度RX5減小幅度明顯大于RX1，R10和SDⅡ，持續(xù)干燥指數(shù)CDD的變干幅度明顯大于持續(xù)濕潤指數(shù)CWD，這也與云南省變干趨勢一致[25]。

2.3.2 極端氣溫和極端降水指數(shù)相關(guān)分析 地面溫度的增加致使地表蒸發(fā)加劇，導(dǎo)致大氣保持水分能力增強，進而改變降水和極端降水事件的頻率和強度，同時極端降水的變化也與總降水量變化密切相關(guān)[26]。由表3可知，PRCPTOT和CDD呈不顯著負相關(guān)，且未通過顯著檢驗，說明年降水量的增加未緩解干旱持續(xù)天數(shù)；PRCPTOT與其他7個極端降水指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，且通過0.01水平的顯著檢驗，說明年降水總量越大，SDⅡ，R10，CWD，RX1，RX5，R95p和R99p極端降水指數(shù)則越大。PRCPTOT與R10和R95p相關(guān)系數(shù)最大，分別為0.957，0.832，說明南盤江流域強降水日數(shù)和強降水量變化對年降水量影響最為顯著。由表4可知，表征高溫事件的SU25，表征低溫事件的TNn與各極端降水指數(shù)相關(guān)性最為密切，且基本上呈負相關(guān)關(guān)系，其中SU25與R10，CWD，PRCPTOT和RX5均通過0.01水平的顯著檢驗，與RX1，R95p和R99p均通過0.05水平的顯著檢驗，其相關(guān)系數(shù)介于-0.333～-0.552，而與SDⅡ和CDD相關(guān)性較差；TNn與PRCPTOT，RX1，RX5，R95p和R99p均通過0.01水平的顯著檢驗，與R10和SDⅡ通過0.05水平的顯著檢驗，相關(guān)系數(shù)介于為-0.292～-0.426，與CDD和CWD相關(guān)性較差。說明南盤江流域極端降水事件對SU25和TNn的變化響應(yīng)更為顯著。

圖5 南盤江流域極端氣候指數(shù)的空間變化趨勢

表2 各極端氣候指數(shù)變化幅度絕對值的對比分析

表3 1964-2017年極端降水指數(shù)和年降水量相關(guān)性分析

表4 1964-2017年極端氣溫和極端降水指數(shù)相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

(1) 近54 a南盤江流域表征高溫事件的SU25，TXx和WSDI均呈極顯著上升趨勢，表征低溫事件的FD0和CSDI均呈極顯著減小趨勢，TNn呈極顯著上升趨勢，其中6月、8月、9月TXx上升幅度較大，2月、6月、10月TNn上升幅度較大；反映降水量級和強度的極端降水指數(shù)PRCPTOT，R95p，R99P，R10，RX1和RX5均呈顯著或極顯著減小趨勢，反映平均降水情況SDⅡ呈弱減小趨勢，反映干濕持續(xù)變化情況CWD呈極顯著減小趨勢，CDD呈弱上升趨勢。表征極端低溫事件的FD0，TNn和CSDI突變年份多發(fā)生在20世紀90年代初，表征極端高溫事件的SU25，TXx和WSDI突變年份多發(fā)生在21世紀00年代初；極端降水事件突變年份多發(fā)生20世紀70年末80年代初。

(2) 與溫度相關(guān)的極端氣溫指數(shù)呈現(xiàn)出北低南高的分布特征，冷持續(xù)指數(shù)呈現(xiàn)出東高西低的分布特征，而熱持續(xù)指數(shù)則呈現(xiàn)出相反的分布特征；與降水量和降水強度相關(guān)的極端降水指數(shù)則均呈現(xiàn)出東高西低的分布特征，持續(xù)濕潤指數(shù)也呈現(xiàn)出東高西低的分布特征，持續(xù)干燥指數(shù)則呈現(xiàn)出西高東低的分布特征；南盤江流域變暖趨勢整體上表現(xiàn)出中西部高，東南和西南部低；變干趨勢整體上呈現(xiàn)出中東部高，西南部低。南盤江流域中部干暖化趨勢最為顯著。

(3) 暖指數(shù)(SU25和WSDI)的變暖幅度明顯大于冷指數(shù)(FD0和CSDI)的變冷幅度，冷指數(shù)TNn的變暖幅度明顯大于暖指標(biāo)TXx；極端降水量級PRCPTOT減小幅度大于強降水量R95p和極強降水量R99p，極端降水強度RX5減小幅度明顯大于RX1，R10和SDⅡ，持續(xù)干燥指數(shù)CDD的變干幅度明顯大于持續(xù)濕潤指數(shù)CWD；強降水日數(shù)R10和強降水量R95p變化對年降水量影響最顯著，極端降水事件對SU25和TNn的變化響應(yīng)更為顯著。

研究結(jié)果與云南省干暖化趨勢基本一致[25,27]，各極端氣溫指數(shù)均表明南盤江流域呈暖化趨勢，各極端降水指數(shù)表明南盤江流域呈干旱化趨勢。各極端氣候指數(shù)基本上在2001年以后發(fā)生了顯著變化，其中極端氣溫指數(shù)中夏日SU25和極端最低氣溫TNn上升幅度最大，且SU25，TNn與各極端降水指數(shù)呈極顯著負相關(guān)關(guān)系；加之極端降水指數(shù)中強降水量R95p和極強降水量R95p呈明顯上升趨勢，表明未來一段時間內(nèi)南盤江流域干暖化趨勢更為顯著，尤其是流域中部，同時短歷時暴雨山洪災(zāi)害可能會頻發(fā)。因此，必須充分認識流域干暖化現(xiàn)狀，加強流域內(nèi)干旱、洪澇及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)防。