曾學梅，丁文榮

(云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500)

1 研究背景

氣候變暖的背景下，極端天氣氣候事件在全球范圍內發(fā)生的頻率越來越高,由此引發(fā)的極端降水事件對人民生命財產(chǎn)、區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境提出了新的挑戰(zhàn)[1-2]。目前，國內外學者分別從不同時空尺度開展了大量有關極端降水變化趨勢和規(guī)律的研究，表明不同區(qū)域的極端降水變化規(guī)律各具特點，同一區(qū)域指數(shù)變化不同[3-11]。

云南巖溶高原地處中國的西南地區(qū)，地質狀況條件復雜，在我國氣候區(qū)中屬于濕潤區(qū)，但由于河谷深切，常年處于“干旱”或“半干旱”的狀態(tài)[12]。加之巖溶區(qū)易形成石漠化，基巖裸露高，地表植被稀少、生態(tài)環(huán)境脆弱、抗逆和人為干擾能力差等特點，形成了巖溶區(qū)無雨則旱，有雨則澇的特有惡性循環(huán)，對區(qū)內生態(tài)文明建設構成了嚴重阻礙。以往對云南地區(qū)降水變化的研究多集中在短時強降水[13]、日極端降水[14]、雨日數(shù)[15]、降水與氣溫變化特征[16-17]以及降水異常的氣候成因[18]等單方面，針對巖溶區(qū)多種極端降水指數(shù)系統(tǒng)的研究成果鮮見。鑒此，本文以云南高原3個巖溶片區(qū)9個氣象站點為研究對象，選取6個極端降水指數(shù)，從不同維度研究極端降水變化規(guī)律，以期為巖溶區(qū)水資源管理、水土流失防治、生態(tài)環(huán)境整體改善提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

云南高原巖溶區(qū)位于云南省的中東部，具體包括滇中、滇東南、滇東北3個巖溶片區(qū)(101°15′54″～106°11′54″E，22°26′38″～28°40′33″N)，全省巖溶面積為110 875.7 km2，滇東南、滇中、滇東北3個巖溶區(qū)占全省巖溶面積的2/3，云南高原巖溶區(qū)分布見圖1。研究區(qū)屬亞熱帶高原季風氣候，四季年較差小，干、濕季節(jié)分明，其中夏秋半年為濕季，冬春半年為干季。地貌類型豐富多樣，以溶蝕盆地、石丘、中山山地、石牙、石筍、溶洞等為主。隨著氣候類型的變化，形成以山原紅壤為主，兼有石灰?guī)r地區(qū)特有的土類石灰土、紫色土等多種土壤類型及亞熱帶季風常綠闊葉林、溫性濕潤性常綠闊葉林以及華山松/云南松林[19]等植被類型分布。近年來隨著人口的劇增，土地資源愈發(fā)緊缺，人、水、地之間的矛盾愈發(fā)突出，水資源短缺已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要障礙。

圖1 云南高原巖溶區(qū)及氣象站點分布

3 資料來源與研究方法

3.1 資料來源

根據(jù)王宇等[20]劃分云南省巖溶區(qū)的方法，云南高原包括滇東北、滇中以及滇東南3個片區(qū)。遵循可得性、均衡性、科學性、連續(xù)性等資料獲取原則，獲取研究區(qū)9個氣象站點1960 -2017 年的逐日降水量數(shù)據(jù)。其中滇東南4個站點，滇中4個站點，滇東北1個站點，研究區(qū)氣象站點分布見圖1。站點數(shù)據(jù)來源于國家氣象局和云南省氣象局。所用站點平均高程為1 693 m，其中會澤站海拔最高，為2 110.5 m，廣南站海拔最低，為1 249.6 m。

3.2 研究方法

本文采用氣候變化檢測和指數(shù)專家團(簡稱ETCCDI)推薦的6個極端降水指數(shù)探究極端降水變化規(guī)律，極端降水指數(shù)的計算基于MATLAB軟件完成，選取的6個極端降水指數(shù)及其定義見表1。時間維度上運用傾向分析[21-22]、Mann-Kendall突變檢驗法[23]、Morlet 連續(xù)小波分析法[24]、滑動平均法[25]對各極端降水指數(shù)的年際變化、突變現(xiàn)象、周期性變化以及波動特征進行分析，空間維度上基于ARCGIS空間分析軟件對各極端降水指數(shù)進行反距離插值(IDW)[26-27]，并運用IBM SPSS Statistics 21軟件對各極端降水指數(shù)與年總降水量的關系進行一致性分析。

4 結果與分析

4.1 極端降水指數(shù)年際變化趨勢分析

圖2為云南高原巖溶區(qū)1960-2017年各極端降水指數(shù)年際變化。

由圖2可知，CDD、RX1day、RX5day、SDII 4個指數(shù)整體上呈上升趨勢，其余兩個指數(shù)CWD、PRCPTOT主要呈下降趨勢,下降速率分別為0.32 d/10a、14.78 mm/10a。具體來看：1960-2017年云南高原巖溶區(qū)CDD上升趨勢較為明顯，速率為0.66 d/10a，持續(xù)干旱時間最長為71 d，出現(xiàn)在1984年，最短為2000年的23 d(圖2(a))；CWD波動比較劇烈，持續(xù)降水日數(shù)波動范圍為5～11 d(圖2(b));RX1day以0.23 mm/10a年的速度緩慢增長，1987年的日最大降水量為52.6 mm，是研究時段內的最低值，1999年達到峰值，為97 mm；RX5day增長速度較RX1day迅速，為0.54 mm/10a，增長速度為RX1day的1.4倍；SDII強度最大出現(xiàn)在2014和2015 年，為12.2 mm/d,強度最低出現(xiàn)在2011 年，比強度最大年份少3.6 mm/d；PRCPTOT在1961年降水量最多，為1 194.3 mm ，2011年降水量最少，僅為675.4 mm。

表1 選取的各極端降水指數(shù)及其定義

圖2 1960-2017年云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)年際變化

圖2中5a滑動值的年際變化表明，1970年以前CDD整體呈上升態(tài)勢，1970-1973年呈下降傾向,1973-1987年又表現(xiàn)為波動增加態(tài)勢,而1985年至21世紀初整體回落,而后又呈增長態(tài)勢,2013年后整體又滑落。CWD除經(jīng)歷3個平穩(wěn)期(1982-1993年、1997-2003年、2004-2010年)外，波動起伏較劇烈。RX1day與RX5day波動態(tài)勢較一致，經(jīng)歷1965、1972、1986、1993、1998、2006年6個時間點7個階段，1～7階段表現(xiàn)為“上升-下降-上升-下降-上升-下降-上升”趨勢；SDII與PRCPTOT也經(jīng)歷1980年前、1980-1986年、1986-1993年、1993-1998年、1998-2012年、2012年以后6個階段，1～6階段呈“減少-增加”的趨勢循環(huán)變化。

運用M-K檢驗法對各極端降水指數(shù)的趨勢進行顯著性檢驗知，僅CWD 在0.05的顯著性水平內變化顯著，其余指數(shù)趨勢變化不明顯。

4.2 極端降水指數(shù)突變分析

云南高原巖溶區(qū) 1960-2017 年各極端降水指數(shù) Mann-Kendall 突變檢驗情況見圖3。從圖3中UF曲線可知，CDD在1967年以前整體呈不顯著的波動上升態(tài)勢，之后下降趨勢較為明顯，2006年以后整體又呈不顯著的增長趨勢(圖3(a))。CWD在1963年以前持續(xù)降水日數(shù)總體處于偏高的態(tài)勢，1963年以后持續(xù)降水日數(shù)總體呈偏低的態(tài)勢(圖3(b))。RX1day突變現(xiàn)象較為復雜，1960-2017年UF、UB曲線共存在7個可能突變的點，時間分別發(fā)生于1973、1988、1994、2000、2007、2011以及2015年，其中2000、2011以及2015年突變現(xiàn)象明顯(圖3(c))。RX5day在研究時段內也存在7個較為明顯的可能突變點，年份分別為1967、1973、1987、1994、2000、2014 以及2016，其中UF曲線1967年前超出顯著水平，說明1967年以前RX5day增加趨勢較顯著(圖3(d))。

由圖3(e)可以得出，指數(shù)SDII的UF、UB曲線在0.05的置信區(qū)間內存在3個可能突變的點：1961、2014及2015年，1961年UF曲線沖出零值線，表明突破之前低水平的發(fā)展狀態(tài)開始向較高的水平發(fā)展，1961-2014年UF曲線持續(xù)在零值線以下，且于1980-1994年兩次超出了0.05的置信水平線，表明在此期間偏低現(xiàn)象較為顯著，2016年SDII又由相對偏低期轉為相對偏高期，偏高現(xiàn)象不明顯。PRCPTOT 在2000年突變現(xiàn)象最為明顯，2000年以前整體呈波動下降態(tài)勢，2000年以后總降水量有顯著的減少趨勢(圖3(f))。

圖3 1960-2017年云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)M-K突變檢驗

但是，采用滑動T檢驗后，發(fā)現(xiàn)僅CDD和PRCPTOT存在突變點，突變點分別為2006年以及2000年。

4.3 極端降水指數(shù)周期性分析

圖4為1960-2017年云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)小波系數(shù)及方差圖。

由圖4(a)可知，CDD存在28～30、22、15～16、8～10 a 周期變化，其中28～30 a時間尺度的周期貫通整個時域，且存在兩個明顯的高值與低值中心，高、低值中心分別為1960和2015年以及1975和2003年；8～10 a時間尺度上的周期局部性較為明顯，主要發(fā)生在1960-1987年以及2015年；22 a與15～16 a時間尺度上出現(xiàn)了兩個較明顯的干旱中心，分別為1997和1986年。CWD周期性變化主要集中在26～30和21～23 a時間尺度上，其中26～30 a周期具有全時域特征，21～23 a時間尺度上2000-2005年震蕩較強(圖4(b))。由圖4(c)、4(d)可以看出，RX1day和RX5day的周期存在異同點，都具有27～30 a時間尺度上貫穿全時域的周期以及局部震蕩較強的 22～23 a的周期，不同之處是RX5day在15～16 a時間尺度上還存在局部的短周期，即1977-1987年和2004-2015年兩個時間段。由圖4(e)可以看出，SDII存在27～30、21 a時間尺度的周期變化，27～30 a時間尺度上周期變化最為明顯，21 a時間尺度上存在1個高的與1個低的強度中心，時段分別為1987-1993年與1998-2004年。由圖4(f)可知，PRCPTOT存在 27～30、21 a周期變化，27～30 a時間尺度上存在3個濕潤中心和兩個干旱中心，濕潤中心集中在1960、1995-2000、2015年3個時間段，干旱中心集中在 1975、2005-2015年兩個時間段；21 a時間尺度上1985-2003年震蕩較明顯。

圖4 1960-2017年云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)小波系數(shù)、方差圖

4.4 極端降水指數(shù)空間分布

1960-2017年云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)空間分布如圖5所示。由圖5可知，1960-2017年云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)空間差異較為明顯。從站點層面來看，最長持續(xù)干旱時間CDD年均值最高可達44 d，昭通站表現(xiàn)最為突出，昆明站次之，屏邊站最低，為27 d，持續(xù)干旱現(xiàn)象由滇東北及滇中西部像滇中東部、滇東南巖溶區(qū)緩解(圖5(a))；CWD屏邊站最高，持續(xù)降水日數(shù)達11 d，會澤站最低，比屏邊站少4 d，CWD由研究區(qū)最南端向中西部、中東部、北部逐漸遞減(圖5(b))；RX1day與RX5day的空間分布較為相似，降水量均為屏邊站最高，沾益、昆明站次之，昭通站最低,總體上由滇東南和滇中向滇東北巖溶區(qū)遞減(圖5(c)、5(d))。由圖5(e)可以看出，降水強度SDII均值介于8.2～12.7 mm/d之間，降水強度由大到小排列為屏邊站>廣南站>昆明站>沾益站>玉溪站>瀘西站>蒙自>會澤站>昭通站，空間差別較明顯。由圖5(f)可知，1960-2017年屏邊站年總降水量PRCPTOT最多，廣南站次之，昭通站最低，空間上由滇東北向滇中、滇東南巖溶區(qū)逐漸遞增。從整體看，云南高原巖溶區(qū)極端降水指數(shù)除CDD表現(xiàn)為由南向北逐漸遞增趨勢外，其余5個指數(shù)均表現(xiàn)為由南向北逐漸遞減的相反趨勢。

4.5 極端降水指數(shù)相關性分析

1960-2017年云南高原巖溶區(qū)極端降水指數(shù)相關性分析結果見表2。由表2可知，1960-2017年云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)與年總降水量PRCPTOT相關性較好，相關系數(shù)均在0.99(p<0.01)以上，相關程度由強至弱的排序為CWD>RX1day>RX5day>SDII>CDD。此外，由表2還可以看出，云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)間也存在較好的相關性，如CDD與SDII、CWD與RX1day、SDII與RX5day相關系數(shù)也達到了0.99，在0.01的顯著性水平上為極顯著相關。

圖5 1960-2016年云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)空間分布

表2 1960-2017年云南高原巖溶區(qū)極端降水指數(shù)相關性分析

注：**表示 在 0.01 水平(雙側)上顯著相關。

究其原因，持續(xù)濕潤日數(shù)CWD這個表征干旱狀態(tài)的指數(shù)[28]與年總降水量PRCPTOT關系較為密切，持續(xù)濕潤日數(shù)增加或減少，年總降水量也會隨著增加或減少，這與2009-2010年云南遭遇特大干旱所表現(xiàn)出來的特征[29]以及本文CWD與PRCPTOT在2009-2010年變化趨勢一致(圖2)。此外，從指數(shù)性質來說，CDD、CWD為持續(xù)性指數(shù)，RX1day、SDII及RX5day為強度指數(shù)，除與總降水量關系密切外，各指數(shù)間也聯(lián)系緊密。

綜上所述，本文所選的極端降水指數(shù)能夠表征云南高原巖溶區(qū)的降水變化情況。

5 結論與討論

本研究基于云南高原巖溶區(qū)9個站點1960-2017年的逐日連續(xù)降水量數(shù)據(jù)，運用傾向分析、Morlet連續(xù)小波變換、插值分析等方法，從時間和空間兩個維度分析了云南高原巖溶區(qū)極端降水的變化特征，得到以下主要結論：

(1)云南高原巖溶區(qū)1960-2017年各極端降水指數(shù)中，CDD、RX1day、RX5day、SDII主要呈小幅上升趨勢，而PRCPTOT整體呈減少趨勢,CWD呈顯著的下降趨勢，減少和下降的速率分別為14.78 mm/10a、0.32 d/10a。從5 a滑動平均值看，除CWD經(jīng)歷3個平穩(wěn)期，波動起伏較劇烈外，CDD、RX1day、RX5day普遍經(jīng)歷“上升-下降-上升-下降-上升-下降”的趨勢，SDII與PRCPTOT在1～6階段呈“減少-增加”的趨勢循環(huán)變化。Mann-Kendall非參數(shù)顯著性結果表明，僅CWD達到了0.05的顯著性水平。

(2)Mann-Kendall方法結合滑動T檢驗的結果顯示，1960-2017年間僅有CDD和PRCPTOT兩個指數(shù)發(fā)生了顯著突變，突變年份分別為2006年以及2000年。

(3)云南高原巖溶區(qū)1960-2017年各極端降水指數(shù)周期性振蕩較為明顯，其中CDD、CWD周期分別在28～30 a、26～30 a時間尺度上具全時域特征；RX1day與RX5day的周期存在異同點，27～30 a時間尺度上周期貫穿全時域，15～16 a時間尺度上RX5day存在局部的短周期；SDII在 27～30 a時間尺度上周期最為明顯；PRCPTOT在27～30 a時間尺度上出現(xiàn)3個濕潤中心和兩個干旱中心，21 a時間尺度上局部震蕩較明顯。

(4)1960-2017年云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)空間差異較為明顯，除CDD表現(xiàn)為由南向北逐漸遞增趨勢外，其余5個指數(shù)均表現(xiàn)為由南向北逐漸遞減的相反趨勢。CDD、CWD、RX1day、RX5day以及SDII均與 PRCPTOT 呈一致的正相關，相關系數(shù)均超過0.98，在0.01的顯著性水平上為極顯著相關。

本文通過對云南高原巖溶區(qū)各極端降水指數(shù)的趨勢、突變、周期以及空間變化特征的研究，表明1960-2017年來云南高原巖溶區(qū)的極端降水事件整體上呈小幅的增加趨勢，具體表現(xiàn)為總量(PRCPTOT)減少、頻率(SDII)增加、強度(RX1day與RX5day)增大、干旱(CDD與CWD)日數(shù)增多。由此說明干旱、洪澇等災害性事件仍然是云南高原巖溶區(qū)所面臨的問題，這與吳興國[30]對云南巖溶區(qū)的相關研究結論一致。此外，由于降水頻率和強度的增加，石漠化地區(qū)水土流失的情況會加重，因而在石漠化綜合治理時植被的有效恢復仍是重點所在。

本文研究也表明，石漠化區(qū)降水極端化是趨勢，這與非石漠化區(qū)[15-16,31-32]是否一致、是否具備相同的變化數(shù)量級，仍有待加強進一步研究。