近50年西南地区极端干旱气候变化特征，本文主要内容关键词为：西南地区论文,干旱论文,气候变化论文,特征论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
近年来，随着全球气候的持续变暖，极端天气气候事件的发生频率和强度都在迅速增加，严重影响了人类的生存和社会的可持续发展[1-2]，引起了国内外学者的普遍关注，成为研究全球变化的一项重要课题。Karl等[3]、Manton等[4]、Easterling等[5]、Plummer等[6]分别对美国、前苏联、东南亚和南太平洋地区、美国东北部及澳大利亚、新西兰等地区的极端气候变化特征进行了研究；Heino等[7]研究发现，在过去50年雨季中极端降水的变化幅度较总降水量的变化幅度成倍增大。2000年，严中伟等[8]对中国极端气候变化格局进行了初步探索，指出极端气候变化研究的独特价值，从此拉开了国内极端天气气候事件研究的序幕；张宁[9]通过对中国极端气温降水变化的研究认为，极端低温的增温幅度明显大于极端高温的增幅，极端降水事件在中国西北北部有明显的增加趋势，并在20世纪70年代末发生由少到多的转变；翟盘茂等[10]研究指出，我国北方的东部地区的无霜期在显著加长，西北地区的极端降水事件不断增多；马柱国等[11]也对中国北方的极端温度进行研究后认为，20世纪90年代以后，北方绝大部分地区最高温度的发生频率呈显著增多趋势，同时指出，极端最低温度发生频率的减少和年最低温度的升高与区域增暖有密切联系；钱维宏等人[12]通过研究也认为近40年来中国温度极值和降水极值事件与全球增暖和区域环流关系密切；此外，学者们也分别对西北干旱区[13]、新疆[14]、乌鲁木齐[15]、华南地区[16]、长江流域[17]、湘江流域[18]、四川盆地[19]、重庆[20]、上海[21]、宁夏[22]等地的极端气候变化进行研究和探讨。然而，之前的研究重点多集中在极端气温、降水方面，对极端干旱的探讨较少，只有马柱国等[23]利用地表湿润指数对我国北方极端干旱的分布特征进行了研究，认为近10年来东北、华北地区的极端干旱发生频率是近100年来最严重的极端干旱频发期。而近年来的几次异常干旱灾害都发生在西南地区，如2005年春季云南异常干旱、2006年夏季川渝地区特大干旱以及2009年秋-2010年春的西南大旱。可见，极端干旱发生频率正在不断增加，并且从我国北方开始向西南地区蔓延。因此，研究西南地区的极端干旱变化特征显得得尤为迫切。
1 资料与方法
采用由中国气象局整编的西南地区108个气象站（图1）1960-2009年的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数、日平均相对湿度、日平均风速等气象观测资料，计算月地表湿润指数H，将H的标准化变量小于等于-0.5的定义为极端干旱[23]，并进行了月、年的统计，按5-10月为季风期、11月-翌年4月为非季风期生成各站点不同年代及季风期和非季风期极端干旱的时间序列变化，并对年际、年代际、季风期与非季风期的极端干旱发生频率变化进行分析。
月地表湿润指数H的计算方法如下：
图1 西南地区气象站点分布图
Fig.1 Distribution of meteorological stations in Southwest China
潜在蒸发量则采用世界粮农组织（FAO）1998年修正的Penman-Monteith模型来计算，已有研究成果表明该模型的模拟效果是比较精确的[24]。计算公式如下：
西南地区极端干旱空间变化的插值方法是反距离加权（Inverse Distance Weighted，简称IDW）插值法；采用滑动的t-检验法（Moving t-test technique）对年、季风期和非季风期的极端干旱发生频率进行突变检验；Morlet小波系数的实部包含给定时间和尺度下，相对于其他时间和尺度，信号的强度和位相两方面的信息[25]，小波系数的模平方能够消除使用实型小波变换系数时产生的虚假振荡，从而更真实地反映时间序列中各尺度的周期特征[26]，因此本文运用Morlet小波的实部与模平方对极端干旱发生频率进行周期分析。
2 年极端干旱的变化规律
极端干旱的年际变化的统计方法是：计算逐个月份地表湿润指数的标准化变量，然后分别计算每一年月地表湿润指数的标准化变量≤-0.5的次数，作为该年极端干旱发生的频率[23]。近50年来，西南地区极端干旱频率有所下降，速率为-0.0023次/年（图2）；从各个省份来看，1960-2009年西南地区极端干旱年际变化倾向率为：四川-0.0070次/年，云南-0.0022次/年，重庆-0.0024次/年，贵州0.0013次/年，广西0.0016次/年，可见，50年来川渝和云南地区极端干旱频率有所减少，而处于西南地区东南部的贵州和广西的干旱有所加强。年代际变化也较明显，20世纪60、70年代极端干旱以小幅波动为主，变化不大，80年代变幅增大，在1988年前后达到一较大值，之后的90年代到2002年极端干旱频率持续减少，然而2003年后整体变幅加剧，并处于较高的水平；1969年、1978年、1979年、1988年和2009年的极端干旱频率分别达到平均6.0、5.2、5.2、5.4、5.8次/年，说明这些年份西南地区有明显的干旱过程。
图2 1960-2009年西南地区年极端干旱发生频率的年际变化趋势
Fig.2 Inter-annual variation of the extreme drought frequency in Southwest China from 1960 to 2009
1960-2009年西南地区的极端干旱年际变化有明显的区域差异，变化倾向率在-0.061次/年～0.041次/年之间，其中德格的极端干旱频率减少的速率最快，峨眉山增加最明显（图3）。年极端干旱频率有明显增加的地区呈斑块状分布，主要在四川盆地西南部、大娄山及其东部、横断山南端、广西南部和云南泸西等地区，增加幅度多在0.005次/年～0.041次/年之间，增幅较大；而年极端干旱频率减少的地区在研究区内呈零星分布，包括四川西部、南部和东北部、云南中部、广西贵州交界处等地区，它们的降低幅度比较小，多在0.000次/年～-0.030次/年之间，只有四川西部高海拔地区的减小幅度较大。由以上分析可看出，近50年西南地区年极端干旱频率的变化较复杂，而且极端干旱增加的地区多分布在西南季风的迎风坡和四川盆地西南周边等地势较高的区域。西南地区属温带、亚热带季风气候，西南季风的强弱变化与研究区降水量的变化关系密切，同时也对西南地区极端干旱发生频率产生重要影响，而许多研究已证实，近半个世纪以来[27-29]，尤其是从20世纪70年代后期开始[30-31]，亚洲季风明显减弱。近年来，又有许多学者通过对溶洞内高分辨率石笋δ[18]O的轻重变化来推断西南季风的强弱变化[32-34]，研究证实近半个世纪以来西南季风具有逐渐减弱的趋势，据此可设想，近50年由于西南季风的减弱，导致西南地区降水量有所下降，造成了这些地区极端干旱发生频率的增加。
图3 1960-2009年西南地区极端干旱频率变化的空间分布
Fig.3 Spatial distribution of the extreme drought frequency in Southwest China from 1960 to 2009
3 年代极端干旱的变化规律
3.1 年代极端干旱的时间变化
近50年来西南地区极端干旱频率总体有所下降，然而不同年代的变化存在很大差异。表1是近50年来西南地区极端干旱频率的年代际距平表。就西南地区整体而言，20世纪60、70、80年代极端干旱发生次数趋于减少，但仍高于多年平均值；90年代的极端干旱距平明显降低，为-0.4，此时西南地区的气候突然转变的较为湿润，这可能是受到全球大气环流转变的影响，有研究表明[30-31,35]在20世纪70年代末期，全球大气环流发生了一次重大调整，东亚季风环流在此次转变之后减弱了，中国气候也随之出现了很大变化，西南地区在90年代突然转湿，可能是此次气候转型的一部分；进入21世纪以来，极端干旱距平又呈现出正距平，且增幅较大。各个省份极端干旱的变化与此大体相同，但也存在差异性。四川极端干旱频率距平在经历了60-70年代的持续增加后，从80年代开始快速下降，并在90年代达到最小值，21世纪后又有所上升；重庆与四川东部气候特征类似，与四川有着相同的变化趋势，不同的是，重庆在60年代最为干旱，70年代过渡，80年代距平达到最小值，成为重庆最湿润的十年，而后距平值迅速增大，2000-2009年为0.31，是同年代里是极端干旱最频发的省份；云南60-70年代缓慢下降，到80年代迅速上升，在90年代又急速下降到最低值-0.62，进入21世纪又有较大上升，近20年极端干旱频率增幅最大：贵州、广西同云南有着相似的变化趋势，在20世纪70年代和90年代均为负值，说明这两个时期3个省份都较湿润，但是贵州、广西的变化幅度较小，相对来说气候变化较稳定。从以上分析可以看出，西南地区在20世纪80、90年代极端干旱的发生频率有明显减少，说明气候出现了向湿润方向的明显转变，但是进入21世纪后，极端干旱不但没有持续性的减少，反而出现了大幅度增加态势，表明21世纪前10年西南气候出现了严重的干旱化趋势。
3.2 年代极端干旱变化的空间分布
计算年地表湿润指数的标准化变量H，将H≤-0.5年份作为一个极端干旱年，统计不同年代极端干旱年出现次数。从不同年代年极端干旱发生频率的空间分布看（图4）。20世纪60年代（图4a），年极端干旱频发的地区主要分布在西南地区东南部，即广西大部以及一些零星散布的地区，如云南的广南和贡山（有9个极端干旱年份）、贵州的凯里和黔西（6个极端干旱年）等；20世纪70年代（图4b），西南地区的东南大部年极端干旱发生频率以贵州、云南东部地区为中心显著降低，低发区域明显扩大，而北部海拔较高的地区成为年极端干旱频率高发区，包括四川西部和云南北端的横断山区，以及四川东部大巴山地区；80年代（图4c）与70年代的年极端干旱频率分布恰好相反，川渝大部、云南西端和广西西南边缘为低频区，而东南大部为高频区，其中贵州东部和广西北部的高频区连成一片，范围最大；20世纪90年代（图4d）是西南地区年极端干旱发生频率最少的10年，除四川的达县（6个极端干旱年）和贵州的习水（5个极端干旱年）以外，整个西南地区的频率都在4次/10年以下，是最湿润的一个10年，但相对来讲，四川盆地的年极端干旱次数较多，在4次～6次/10年的范围内；进入21世纪的前10年（图4e）相对于20世纪90年代，年极端干旱发生频率在全区范围内显著增加，区域之间的差异却明显减小，发生频率在3～5次/10年范围内的地区占西南地区总面积的2/3，极端干旱的高发区与低发区呈南北纵向排列，高发区分布在西南中部、广西大部和云南西端，低发区在云南中部、四川西部、四川盆地和贵州东部地区，同时我们注意到，云南横段山区南部的高海拔地区首次成为极端干旱的频发区。综上所述，西南地区年极端干旱发生的频率在不同年代有着较大的区域差异，60-80年代极端干旱的高发区交替出现，90年代气候明显转湿，21世纪以来，西南地区年极端干旱的发生次数有所增加，且区域间差异显著减小。
图4 西南地区不同年代极端干旱频率的空间分布
Fig.4 Spatial distribution of extreme drought frequency in Southwest China in different decades
4 季风期和非季风期极端干旱的变化趋势
4.1 季风期与非季风期的时间变化
西南地区属于亚热带、温带季风气候，降水的季节分布极不均匀，每年的5-10月份，受到南亚季风的影响，西南地区的降水量增加，占全年降水的80％～90％，而11月-翌年4月，降水量稀少，只占全年的10％～20％[36]。这样，西南地区分为明显的季风期（5-10月）和非季风期（11月-翌年4月），分别统计某年季风期和非季风期的月极端干旱发生的次数，作为当年这两个时段的极端干旱发生频率，然后分析近50年来西南地区季风期和非季风期的极端干旱变化特征。
近50年西南地区季风期的极端干旱发生频率呈明显增加趋势，速率为0.0075次/年（图5a），20世纪60年代到90年代初，极端干旱发生频率缓慢上升，从1992年开始呈较明显的下降趋势，进入21世纪以后，极端干旱发生次数突然急剧增加，并在2009年创下近50年来的最高值。可见，在季风期，西南地区50年来的极端干旱不断加剧，并在21世纪初出现了较为剧烈的波动。各省市都呈现出增加态势，四川增加速率为0.0070次/年，云南为0.0059次/年，贵州0.0084次/年，重庆0.0087次/年，广西0.0093次/年，广西是季风期极端干旱频率增加最迅速的省区，其次是重庆和贵州。非季风期的变化与季风期截然不同，50年来极端干旱的发生以0.0061次/年的速率减少，20世纪80年代前处于小幅波动状态，在经历了80年代的大波动之后，90年代处于较低平台，变化极小，2000年以后又有缓慢回升之势。各省市也呈一致减少的变化趋势：四川以-0.0110次/年的速率降低，云南减少速率为-0.0046次/年，贵州-0.0015次/年，重庆-0.0077次/年，广西-0.0042次/年，其中贵州的极端干旱频率减少的速率最慢，四川减少的最快。可见，50年来，虽然年极端干旱在不断减少，但是季风期的极端干旱却在不断加剧，季风期作为西南地区降水量最多的时段，其降水量变化受西南季风的影响十分显著，同时，在文章第二部分我们已经用文献证实了近半个世纪以来西南季风不断减弱的事实，因此，我们认为，西南季风的时空变化特征对西南地区在季风期的逐渐干旱化有着显著影响；在进入21世纪以来，西南地区季风期（显著增加）与非季风期（缓慢增加）的极端干旱发生频率都处于增加的趋势中。
4.2 季风期与非季风期极端干旱的空间变化
图6是1960-2009年西南地区季风期和非季风期极端干旱发生频率倾向率空间分布情况。近50年来西南地区季风期的极端干旱发生频率以增加趋势为主（图6a），增加幅度在0.000次/年～0.030次/年之间，但各个区域的增加强度有所差异，其中若尔盖高原（松潘草原）的增幅最大，说明这个地区近50年来表现出强烈的干旱化趋势；同时，四川盆地的周边较高海拔地区的极端干旱频率增幅较大，以若尔盖高原、岷山、邛崃山、大雪山以及四川东南部的五莲峰、川贵交界的乌蒙山、大娄山为中心，增幅向外逐渐递减，将四川盆地围在其中；整个广西壮族自治区极端干旱发生频率都在不断增加，其中心和东部边缘增幅较大；云南哀牢山以西也是不断变干的地区之一，这里分布着横断山区向南延伸的余脉（“帚形山脉”）和滇西南间山宽谷等地理分区，山脉的走向大都是北西向，所以这里的极端干旱变化特征也是按北西向延伸、北东向递变；此外，乌蒙山向南延伸到云南泸西的地区增加较明显。季风期极端干旱有所减少的为一些斑点状区域，云南广南以-0.035次/年的速率成为下降最明显的地区。总体来说，季风期西南地区极端干旱在不断加强，且多发生在四川周边海拔较高的高山地区和海拔较低的广西大部以及云南哀牢山以西“帚形山脉”地带，可见，海拔对季风期极端干旱发生频率的影响很大，高频区多在高海拔与低海拔的过渡地带，这是季风期极端干旱变化的异常现象。
图5 1960-2009年西南地区季风期（a）与非季风期（b）极端干旱发生频率的变化趋势
Fig.5 Annual change trend of the extreme drought frequency in summer(a) and winter(b) monsoon in Southwest China from 1960 to 2009
在非季风期，西南大部分地区的极端干旱发生频率呈现出不断减少趋势（图6b），减少幅度在-0.050次/年～0.000次/年之间，减幅最大的是四川西北部高海拔的横断山区部分，此外还包括四川盆地、贵州东南部、广西中东大部、云贵川交接处的乌蒙山区以及向西南延伸的贯穿云南中部的地区；而极端干旱增加的地域以斑点状分布于各处，云贵广交界处、大娄山以东地区、四川大雪山地区、云南“帚形山脉”南部等地。虽然在非季风期西南地区极端干旱降低的地区明显大于增加的地区，但是仔细观察不难发现，除个别地区之外，季风期与非季风期极端干旱在各区域的变化趋势大体一致，非季风期增加的地区也正是季风期极端干旱增加的地区，只是，非季风期增加幅度较小，区域面积也较小，较季风期整体要偏湿。
图6 1960-2009年西南地区季风期（a）和非季风期（b）极端干旱发生频率倾向率空间分布
Fig.6 Spatial distribution of the extreme drought frequency in summer(a) and winter(b) monsoon in Southwest China from 1960 to 2009
总之，西南极端干旱在季风期与非季风期的变化特征存在很大差异，南亚季风是季风期降水的重要来源，季风期是一年中降水量最为丰沛的时段，这时有较高的温度，构成雨热同期的良好生产环境，是粮食和经济作物生长最快最有效的季节，季风期的极端干旱发生频率的增多，势必影响当地种植业、农业和社会经济的正常发展，应当引起有关部门的关注。
5 突变检验
利用滑动t检验方法对近50年来西南地区季风期、非季风期和年极端干旱发生频率变化进行突变分析，时间序列长度为4年。季风期西南地区的极端干旱存在三个突变点（图7a），突变年分别是2002年、2003年和2004年左右，其中最明显的是2003年前后发生的由少向多的转变，这次转变通过了0.01的置信度检验；非季风期只有一个突变点（图7b），即在1989年前后西南极端干旱的发生频率由多变少，突变并不十分显著，这与施雅风院士[37]研究的新疆地区在1987年发生的突变性暖湿化转变趋势相同；年极端干旱的变化是季风期与非季风期变化特征的叠加，具有两个突变点（图7c），分别是1990年前后由多向少的转变和2003年前后由少向多的突变，同样，在2003年左右的突变通过了0.01的置信度检验，转变很明显。
6 周期分析
图8为1960-2009年西南地区季风期、非季风期和年的极端干旱发生频率的复值Morlet小波变换系数的实部与模平方时频分布图，通过两者的结合来进行周期分析。从图8（a）可以看出，季风期的极端干旱发生频率的年代际周期变化十分显著，存在着17～27年和准12年的周期，其中17～27年尺度的周期变化在20世纪70年代中期-90年代初分裂为25年和17年两个振荡周期，表现较弱，其余时间内表现都很显著，存在2个明显偏少中心，它们是1960-1966年、1998-2003年，3个明显偏多中心是1968-1972年、1992-1998年、2003-2009年，其中2003年前后分别是强烈偏少期和强烈偏多期，说明2003年是西南季风期极端干旱发生频率由多到少的转折点，与突变分析结果相一致；准12a尺度的周期变化只在90年代中期以后表现得较为强烈；此外，年际尺度的周期变化中，以准5年尺度的振荡较为明显，其周期信号在80年代以前有所表现。小波变换系数的实部在周期分析中存在着虚假振荡，为了进一步验证周期变化的稳定性，我们做了小波系数的模平方时频分布图，由图8（b）可以看出，18～25年时间尺度的振荡能量最强，但是不集中，主要发生在1960-1967年和1998-2009年，振荡中心分别在1961年和2004年；发生在1968-1977年的准4年尺度的振荡能量较大，且能量集中，振荡中心为1973年；此外，准12年尺度的周期变化也有所体现，主要在1995-2009年，能量较弱。
图7 西南地区季风期、非季风期和年极端干旱频率的滑动t检验结果（虚线表示95％的置信水平）
Fig.7 Running t-test curve of the extreme drought frequency in summer/winter monsoon and annual level in Southwest China(dotted line represents 95％confidence level)
从西南地区近50年非季风期极端干旱发生频率小波变换系数实部时频分布看（图8c），西南地区非季风期年际和年代际周期变化都具有明显的时域性特征，准5年尺度的年际周期振荡最明显，但只存在于1960-1972年；准12年尺度的年代际周期变化主要出现在70年代后期至90年代中期，表现为3个偏高期和2个偏低期。从图8（d）非季风期小波变化系数模平方时频分布中看出，非季风期的各尺度的周期振荡能量都较强，其中以准5年尺度的周期振荡最强烈，能量也较为集中，主要发生在1960-1972年；其次是发生在1976-1993年的准12年尺度的周期变化能量较大。
年极端干旱的周期变化与非季风期相似（图8e），准5年的年际周期振荡信号最明显，主要发生在1960-1973年和2005年以后；准12年尺度的年代际周期信号较强，在1975-2000年的时间段内表现的较明显，且强度呈显著减弱趋势。不同的是，年的年代际周期信号还存在准25年的周期，这一尺度周期的持续性最好，占据了时域上的绝大部分，但由于闭合中心值很小，强度也是最弱的；图8（f）的小波系数模平方也呈现出相似的时频分布特征。
综上可以看出，在极端干旱发生频率的周期分析中，小波变换系数的模平方和实部所表现的周期变化时频特征基本一致，保证了西南地区极端干旱发生频率周期的稳定性；其次，西南地区有年际和年代际尺度的周期变化，但是都具有明显的时域性特征，缺乏全时域性，且能量较大的周期振荡。
图8 西南地区季风期、非季风期和年极端干旱发生频率的复值Morlet小波变换系数的实部（a、c、e）与模平方（b、d、f）时频分布
Fig.8 The real part of the Morlet wavelet analysis(a,c,e) and the modulus square(b,d,f) of the extreme drought frequency in summer/winter monsoon and annual level in Southwest China
7 结论
（1）近50年来西南地区年极端干旱频率以-0.0023次/年的速率下降；20世纪70年代前以小幅波动为主，80年代变幅加大，1988年达到一较大值，之后到2002年极端干旱频率持续降低，然而2003年后增幅猛增，变幅也加剧。近50年西南地区年极端干旱增加的地区多分布在西南季风的迎风坡和四川盆地西南周边地区等地势较高的地区。
（2）西南地区年代极端干旱发生的频率变化存在明显区域差异，20世纪60-80年代极端干旱的高发区交替出现，分别在东南—西北—东，90年代整个地区转湿，21世纪以来，西南地区年极端干旱的发生次数有所增加，区域间差异却显著减小，且云南横段山区南部的高海拔地区首次成为极端干旱的频发区。
（3）近50年西南地区季风期与非季风期的极端干旱发生频率变化有很大差异。季风期呈明显增加趋势，20世纪90年代之前波动上升，90年代开始明显下降，2002年以后开始呈现出急剧增加的态势；非季风期在80年代前为小幅波动，80年代出现了向下大幅波动的状态，90年代处于较低平台，变化极小，21世纪以来呈缓慢回升之势。在空间分布上，季风期的极端干旱发生频率在不断增多，多发生在四川周边海拔较高的地区、广西大部和“帚形山脉”地带，可见，海拔对季风期极端干旱发生频率有一定影响；非季风期较季风期整体偏湿，减幅最大的是四川西北部高海拔的横断山区部分，极端干旱增加的区域呈斑点状分布于各处。季风期是西南地区农作物生长最快最有效的季节，其极端干旱频率的急剧增加当引起有关部门的关注。
（4）季风期西南极端干旱在2003年发生明显的由少到多的突变；非季风期在1989年发生由多到少的突变，与施雅风院士所得出的我国天山西部地区在1987年发生的突变性暖湿化转变[27]的结论趋势相一致；年极端干旱发生频率是季风期和非季风期突变的叠加。在周期分析中，季风期以17～27年和准12年尺度的年代际周期振荡为主；非季风期的极端干旱周期变化强度较季风期有所加强，准5年的周期振荡强度最大，发生在80年代以前，准12年尺度的年代际周期变化主要出现在70年代后期至90年代中期，在此之后没有明显的周期变化；年极端干旱存在准5年和准12年的周期变化。
收稿日期：2011-04-15；修订日期：2011-06-03