基于相对湿润度指数的西南地区季节性干旱时空分布特征

　　摘要：西南地区是中国重要农业生产区，季节性干旱是该区域最主要的农业气象灾害，研究季节性干旱时空分布特征对西南地区防旱减灾具有重要意义。该文收集西南地区4个省（市）共97个代表气象站50a（1959年－2008年）的逐日降水量、气温、日照时数、相对湿度、风速、水汽压等气象资料，选用国家标准中相对湿润度指数（M）作为干旱指标，以年、季为时间尺度，研究西南地区干旱频率和强度的空间分布特征，并分析近50a干旱强度和发生范围的年际变化规律。结果表明：西南地区年尺度干旱频率呈西部高，东部低的带状分布，高发区位于川西高原、川西南山地、云南西北部和中北部的山地、高原及河谷地带，发生频率在3年2遇以上；年干旱强度以中旱以上为主。不同季节干旱频率差异大：冬旱发生频率最高，春旱次之，秋旱较低，夏旱最低；干旱强度方面，冬旱强度最大，春旱次之，秋旱较小，夏旱最小；总体而言，干旱发生频率高的地方干旱强度也大。从年际变化看，西南地区总体上略有变湿的趋势，年干旱强度明显减弱，其中春旱、秋旱有减轻趋势，夏旱和冬旱有所增强；但近10a，年干旱强度增大明显，夏旱、秋旱、冬旱也明显上升，这与西南地区近几年干旱频繁发生相吻合。

　　关键词：干旱，气象，水份，西南地区，时空分布特征，干旱强度

　　0、引言

　　西南地区是中国重要的农业生产区，但气象灾害多发、重发。季节性干旱是西南地区发生频率最高、持续时间最长、危害范围最广、经济损失最大的农业自然灾害。2005年云南异常春旱、2006年川渝特大伏旱、2009年秋-2010年春西南地区罕见秋冬春连旱、2011年西南地区秋冬连旱等，都给当地农业生产和社会经济造成严重影响。

　　过去，干旱研究主要集中于北方地区或东部季风区。在气候变暖背景下，西南地区季节性干旱呈多发重发趋势，日益引起学者们的关注。田宏等根据土壤水分盈亏原理，建立了具有清晰物理意义的四川盆地干旱动态评估指标。刘雪梅等应用夏旱强度指数和修正的帕尔默指数等指标，对贵州夏旱的类型、发生频率、持续时间、地区分布等特征作了研究，总结出贵州夏旱的主要特征并进行了夏旱分区。李树恒认为西南地区季节性干旱可能在“北涝南旱”背景下继续加重。贺晋云等从年、月尺度，用地表湿润指数探讨了西南地区极端干旱变化特征。刘建刚等通过典型个例分析，发现西南干旱有缓慢加重的趋势。但全面系统分析西南地区季节性干旱时空分布特征的文献尚不多见。

　　在干旱指标研究方面，目前已有许多指标得到应用。降水量距平百分率（Pa）、土壤相对湿度指数（R）、湿润指数或干燥度、标准化降水指数（SPI）等指标应用较多，并业务化。相对湿润度指数（M）综合降水与需水信息，是比较理想的区域站干旱监测指标，但目前只在一定区域得到应用。本文以相对湿润度指数（M）作为干旱指标，以年、季为时间尺度，从发生频率和强度角度反映西南地区季节性干旱时空演变规律，为制定防旱减灾措施提供理论依据。

　　1、材料和方法

　　1.1研究区域背景

　　本文研究的西南地区包括云南、贵州、四川3个省和重庆市，地跨97.4°E～110.2°E、21.2°N～34.4°N，海拔高度多在150～5000m，国土面积约115万km2，耕地面积约1900万hm2。西南地区跨越青藏高原、云贵高原两大高原和四川盆地等，地形地貌极为复杂，境内高原、山地、丘陵、平原、河谷均有分布。独特的地理位置和复杂的地形地貌孕育出多种多样的气候类型和极其丰富的生物资源。

　　1.2资料来源

　　气象数据来源于国家气象信息中心，包括西南地区4个省（市）中空间代表性好、资料年限长、中间缺测资料少的97个全国共享基本气象站，1959年－2008年共50a的逐日降水量、气温（平均、最高、最低）、日照时数、相对湿度、风速、水汽压等要素。

　　1.3相对湿润度指数（M）及其计算方法

　　相对湿润度指数（M）适用于作物生长季节旬以上尺度的干旱监测和评估，是某时段的降水量与同时段内可能蒸散量之差再除以同时段内可能蒸散量，计算如下：MPPEPE..（1）式中，P为某时段的降水量，mm；PE为某时段的可能蒸散量，mm，采用FAO（1998）推荐的Penman-Monteith公式计算（Allenetal.,1998），即PE=ET0。即：2a020.408()900(-)(273)(10.34)nsETRGueeTu...（2）其中ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Rn为到达作物表面的净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量密度,MJ/(m2·d)；γ为湿度计常数，kPa/℃；T为离地2m高处的空气平均温度，℃；u2为离地2m高处的风速，m/s；ea为空气饱和水汽压，kPa；es为空气实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压与空气温度关系曲线的斜率，kPa/℃。

　　1.4相对湿润度指数（M）在西南地区干旱特征分析中应用

　　1.4.1干旱分级订正

　　国家标准《气象干旱等级》[18]中提出了干旱分级指标，但未对该分级应用的时间尺度作说明。显然，不同时间尺度不可能通用同一个分级指标，而且不同区域的降水和蒸散比差异明显，因此需要对分级指标进行订正。相对湿润度指数主要考虑2个因素，即降水与蒸散。西南地区经纬度、地形地貌和气候类型跨度大，不同区域和不同季节降水和蒸散比差异大。

　　结合西南地区的实际情况，将年和季的降水、蒸散数据分异归类，参考国家标准《气象干旱等级》中降水距平百分率指标及前人的研究成果，对相对湿润度指数分级做如下订正。

　　1.4.2干旱特征分析指标

　　1）干旱频率（Pi）：表示干旱发生频繁程度，即干旱发生年数与总资料年之比。干旱频率是指轻度或轻度以上干旱发生频率，中旱频率是中度或中度以上干旱频率，以此类推；下文干旱站次比也类似。

　　2）干旱强度（平均相对湿润度指数）：干旱强度（H）用来评价干旱严重程度，单站某时段内的干旱强度一般可直接由相对湿润度指数（或其等级值）大小反映，指数数值越小，表示干旱越严重。

　　当指数≥0时无干旱，该区域或站点的指数值按0处理。某站发生干旱时的相对湿润度指数的多年平均值表示该站平均干旱强度，即：11miiHMn...（3）式中，n为某站（或区域内）发生干旱的年数，Mi为发生干旱时的相对湿润度指数（M）值。公式（3）也可计算某一年区域范围内所有发生干旱气象站的相对湿润度指数的平均值，反映某年该区域的平均干旱强度。

　　3）干旱站次比（Pj）：某一区域内干旱发生站数占全部站数的百分比，用于评价干旱影响范围的大小及其严重程度，具体计算公式见参考文献。

　　1.5空间分布图的生成

　　空间分布图采用反距离权重插值（IDW，inversedistanceweightedinterpolation）方法对其进行插值。本文所设定Cellsize的参数均为0.005，生成空间栅格数据，最后用ArcGIS软件表达。

　　2、结果与分析

　　2.1年尺度干旱时空分布特征

　　2.1.1干旱频率空间分布

　　西南地区年干旱频率呈西高东低的带状分布。川西高原的甘孜州、川西南山地的攀枝花等地，云南北部的迪庆、丽江，云南中北部的昭通、曲靖北部以及元江河谷地带是干旱高发区，干旱频率多在67%（3年2遇）以上，个别高海拔地区以及河谷地区年干旱频率可达100%。这些地方年降水量少，特别是金沙江和元江河谷地带，气候干燥，蒸散量大，干旱易发。川西高原、川西南山地其他地区，云南北部山区和中东部高原地区干旱频率也在50%（2年1遇）以上。贵州的中东部，重庆大部，四川的达州、泸州、宜宾等地和乐山-眉山-雅安一带，以及云南西南山区迎风坡面和南部热带雨林地区干旱频率低，在5%（20年1遇）以下；这些地区年降水量充沛，蒸散量小于降水量，干旱较难发生。其他地区如四川盆地中北部和西南部、重庆东北部山区、贵州西部、云南的西南部等地区干旱较少，频率在33%（3年1遇）以下。

　　2.1.2干旱强度空间分布

　　以多年平均相对湿润度指数的空间分布反映干旱强度的空间分布。年干旱强度与年干旱频率呈近似的空间分布特征：即西部强度大，东部强度小。

　　川西高原和川西南山地的西部、云南中北部高原及河谷区干旱强度最大，发生干旱时多年平均相对湿润度指数都在.0.3以下（相当于平均强度为中旱等级或以上）；其中巴塘-得荣等金沙江河谷地带、元江河谷等地相对湿润度指数在.0.4以下（相当于平均强度为重旱等级或以上），这些地区降水少，蒸散量大，长期处于缺水状态，干旱频繁发生且强度很大。四川的中北部和西南部、重庆西部、贵州西部，云南西北大部和东部大部等地相对湿润度指数多在.0.2～.0.3之间，干旱强度多为轻旱偏重。其余地区相对湿润度指数多在.0.2以上，发生干旱时以轻旱为主；其中贵州东部、川黔交界的乌蒙山区、四川的乐山-雅安-都江堰等华西雨屏地带、云南南部及西部山区迎风坡地带相对湿润度指数接近或大于0，干旱很少发生。

　　2.1.3干旱年际变化

　　1）干旱强度变化：计算西南地区历年发生干旱的所有站点相对湿润度指数平均值（M值），得到1959年－2008年干旱强度的年际变化。

　　近50年，西南地区年相对湿润度指数在.0.256～.0.434之间呈明显的阶段性变化，平均为.0.328，相当于平均强度为中旱。20世纪60年代到80年代初，相对湿润度指数呈略下降的趋势（干旱强度略上升），1983年相对湿润度指数达到.0.434，为干旱强度最大的一年；80年代初到90年代末相对湿润度指数呈波动上升的趋势（干旱强度减弱），其中1990年M值.0.256，为干旱强度最小的年份；2000年以来，年相对湿润度指数又呈减小趋势（干旱增强）。50年的干旱强度变化，总体上呈减弱趋势，并通过0.05的信度检验（R=0.3416，F=6.34）。

　　站次比、中旱站次比，得到1959年－2008年干旱站次比年际变化，以此反映干旱范围的变化。西南地区干旱站次比在13.3%～51.1%之间波动变化，平均27.8%。20世纪50年代至60年代末，干旱站次比呈明显下降的趋势，至1968年降至最低，干旱范围最小；1969年干旱范围突然转折，达40.6%，为次高年，之后至90年代末干旱范围又呈波动减小的趋势，到1998年干旱站次比达到16.7%，为次低年；90年代末开始，干旱范围又呈明显增大的趋势，到2006年达历史最大值，与2006年川渝地区发生特大干旱相一致。

　　总体上，干旱站次比呈略增大的趋势，但不显著。

　　中旱站次比与轻旱站次比变化类似，但波动幅度略小；从趋势看，中旱站次比呈略微减小趋势。

　　2.2季尺度干旱时空分布特征

　　2.2.1干旱频率空间分布

　　1）春旱：西南地区春旱频率在0～100%之间，平均52%，呈明显的西高东低分布。川西高原大部、川西南山地以及云南大部春旱频率高，在67%（3年2遇）以上；其中川西高原西部、川西南山区大部、滇中高原干旱频率最高，在90%（10年9遇）以上。四川阿坝、广元、绵阳的部分地方和云南的其他地区春旱频率也多在50%（2年1遇）以上。重庆、贵州大部、四川的东北部和乐山-眉山-雅安一带，云南的红河州南部、西双版纳州南部、迪庆西部春旱频率较低，在25%（4年1遇）以下；其中重庆大部、贵州中东部春旱发生频率最低，在10%（10年1遇）以下。西南地区其他地方春旱频率在25%～50%之间。

　　2）夏旱：西南地区夏旱总体较轻，发生频率在0～69.2%，平均仅4%，呈分散性分布。夏旱频率较高的地区主要分布在东、西两部分，但东部轻于西部。东部主要分布在贵州东北部、重庆大部、四川东北部等地，频率在5%（20年1遇）以上，其中重庆东北部、四川南充、贵州铜仁等部分地方夏旱频率可达10%（10年1遇）以上。西部主要分布在川西高原、金沙江河谷、元江河谷等地，频率在5%以上，其中四川阿坝州南部、甘孜州西南部，干旱频率达25%（4年1遇）以上。

　　3）秋旱：秋旱频率介于春旱和夏旱之间，平均17.8%，呈插花型块状分布。秋旱高发区主要分布在三大区域：一是川西高原、川西南山地和云南西北部横断山区，二是云南北部的楚雄州、曲靖北部、昭通部分和中南部的玉溪、红河州等高原和河谷地区，三是贵州南部的黔东南州、黔南州的部分地区，这些地区秋旱频率都在25%以上；其中川西高原西部、川西南山地和元江河谷等地秋旱频率达50%以上，秋旱多发。四川盆地大部、重庆大部、贵州北部和西南部、云南西南部等地秋旱频率较低，在10%以下；其中重庆大部，四川东北部和中部的内江-眉山-雅安一带，贵州北部等地秋雨较多，秋旱频率在5%以下。西南其他地区秋旱频率在10%～25%之间。

　　4）冬旱：冬季是西南地区的干季，冬旱频率达80.4%。冬旱频率也呈明显的带状分布。高发区主要分布在四川的阿坝-甘孜-凉山-攀枝花等高原山地和云南大部，频率多在90%（10年9遇）以上。此外，四川北部、贵州西部和云南其余地方冬旱频率也多在75%以上。贵州东部，重庆南部，四川东部的泸州、宜宾等地以及云南西北部山区迎风坡冬旱频率较低，在50%以下，其中泸州南部、迪庆西部迎风坡在10%以下。

　　2.2.2干旱强度空间分布

　　1）春旱：与春旱频率的空间分布相似，即频率高的地方强度也大。川西高原、川西南山地、四川绵阳和广元的北部以及云南大部相对湿润度指数在.0.5以下，相当于干旱发生以中旱及以上为主；其中川西南山地、滇北河谷山地相对湿润度指数在.0.7以下，重旱常发。重庆大部、贵州中东部、四川的东北部和乐山-眉山-雅安等地相对湿润度指数在.0.4以上，干旱以轻度偏弱为主；其中重庆东南部、贵州东部、四川雅安、云南迪庆西部迎风坡面，春季相对湿润度指数在.0.3以上，表示只有轻旱或不发生春旱。其他地区相对湿润度指数在0.4～.0.5之间，春季以轻旱为主。

　　2）夏旱：夏旱强度总体较小，强度较大的地方主要是贵州中东部、重庆大部、四川东北部、川西高原以及金沙江河谷、元江河谷等地，相对湿润度指数多在.0.25以下，但总体上看这些地区还是以轻旱为主；其中贵州东部、重庆中部以及横断山地、河谷地带等地相对湿润度指数在.0.4以下，以轻旱偏强为主，有时也有中旱发生。西南其他地区相对湿润度指数在.0.25以上，夏旱基本不发生。

　　3）秋旱：秋旱强度分布也与频率分布类似，即频率高的地区强度也大。川西南山地、云南西北部横断山区以及河谷地带相对湿润度指数在.0.50以下，这些地方干旱强度比较大，以中旱以上为主。重庆大部、四川东北部和中部内江-眉山-雅安一带、贵州北部、云南南部和西部部分地区相对湿润度指数在.0.25以上，基本无秋旱。其他地区相对湿润度指数在.0.5～.0.25之间，干旱以轻旱为主。

　　4）冬旱：西南地区冬旱最严重。川西高原和川西南山地、云南北部等地相对湿润度指数在.0.80以下，冬旱平均达到特旱级别。四川北部、云南大部、贵州西部等地冬旱也较强，相对湿润度指数都在.0.65以下，冬旱以重旱为主。贵州东部和北部、重庆南部、四川的雅安和川南泸州、宜宾等地冬旱强度较低，相对湿润度指数在.0.5以上，以轻旱为主。其他地区相对湿润度指数在.0.65～.0.5之间，干旱强度达中旱级别。

　　2.2.3干旱年际变化

　　1）春旱：春季相对湿润度指数（M值）在0.730(1963年)～.0.506(2004年)之间呈增大的趋势（春旱减轻）。其中20世纪60年代相对湿润度指数略呈下降趋势（干旱增强），70年代前中期M值有一个明显上升的趋势（干旱减轻），70年代后期至80年代后期相对湿润度指数又呈下降趋势（干旱增强），90年代以后相对湿润度指数呈明显波动上升的趋势（干旱减轻）。总体趋势看，春旱强度呈现较明显减弱的趋势，并通过信度0.001检验（R=0.3861，F=8.41）。

　　从站次比历年变化趋势看，西南地区春旱站次比在24.7%（1990年）～70.8%（1979年）之间波动变化，平均为52%。干旱站次比年际变化波动幅度大，略呈下降趋势（趋势线略，下同）。中旱站次比的历年变化与轻旱类似，略呈下降趋势，但不明显。

　　2）夏旱：夏季相对湿润度指数在.0.65(1982年)～0.30(1993年)之间呈波动减小的趋势（夏旱增强），其中有9a无夏旱发生，其余41a相对湿润度指数平均为.0.41。20世纪60年代和90年代相对湿润度指数波动大，70年代初期至80年代初期M值呈下降的趋势（干旱增强），80年代前期至90年代前期相对湿润度指数又呈明显上升趋势（干旱减轻），90年代后期干旱强度维持在一个较小水平。2001年以来相对湿润度指数又呈波动下降的趋势（干旱增强），到2006年下降到1985年以来的最低值。总体趋势看，干旱强度呈略增强的趋势，但不显著。

　　从站次比历年变化趋势看，夏旱站次比在0～19.6%（1972年）之间波动变化，平均仅4%。轻旱略呈下降的趋势，但不明显。中旱站次比更小，历年平均仅0.7%，历年变化趋势呈略微上升趋势，但也不明显。

　　3）秋旱：秋季相对湿润度指数在.0.615(1981年)～.0.385(1999年)之间波动变化，平均相对湿润度指数为.0.463。其中20世纪60年代至80年代初M值呈下降趋势，在1981年达到最小值（秋旱最强）。80年代初期至90年代末M值又呈波动上升的趋势（干旱减弱），在1999年到达最大值（秋旱最弱）。2000年之后M值又呈明显下降趋势（干旱增强）。总体上，干旱强度呈减弱的趋势，通过0.1信度检验（R=0.2444，F=3.05）。

　　从站次比历年变化趋势看，西南地区秋旱站次比在2.1%(1965年)～40.6%（1998年）之间呈明显阶段性波动变化。20世纪60年代至90年代初波动幅度较小，60年代前中期呈减小趋势，60年代后期至70年代中期有所增大，70年代中期至80年代中期有所减少，80年代中期至90年代中期又呈增加趋势。90年代中期之后波动变大。总体而言，秋旱站次比呈增加的趋势，但不显著。中旱站次比与轻旱类似，也略呈增加的波动变化，但不显著。

　　4）冬旱：冬季相对湿润度指数在.0.830(1968年)～.0.613(1991年)之间波动变化，平均相对湿润度指数为.0.728。其中20世纪60年代至80年代末M值呈下降趋势（干旱增强），在1988年达到较小值（第四强）。80年代末期至90年代初M值呈转折性上升趋势（干旱减轻），在1991年M值达到最大值（冬旱最弱）。90年代初之后M值又呈明显下降的趋势（干旱增强）。总体趋势上，冬旱强度略呈增强的趋势，但不明显。

　　从站次比历年变化趋势看，西南地区冬旱站次比在57.3%(1994年)～95.6%（1978年）之间呈明显阶段性波动变化。20世纪60年代至90年代末波动减少，90年代末期之后呈波动上升趋势。总体上，冬旱站次比呈增加的趋势，但不显著。中旱站次比与轻旱类似，也略呈上升波动变化，但不明显。

　　3、结论与讨论

　　1）从年尺度看：西南地区干旱频率和强度均呈西高东低的带状分布。高发区主要在川西高原、川西南山地、云南西北部和中北部的山地、高原及河谷地带；高发区的干旱强度以中旱以上为主。少发区主要在西南地区东部的贵州中东部、重庆大部、四川南部及西北部丘陵山区；少发区的干旱强度以轻旱为主。年际变化趋势上，西南地区干旱强度有所减弱，但最近10a明显增强，且干旱范围扩大。

　　2）从季尺度看：冬旱频率最高，高发区主要在四川北部、川西高原、川西南山地和云南大部；春旱频率次高，高发区与冬旱类似，但范围和频率都不及冬旱；秋旱频率较低，多发区主要在川西高原、川西南山地和云南西北部、北部的山区及中南部高原、河谷地带；夏旱频率最低，仅贵州东北部、重庆大部、四川东北部和川西高原、金沙江河谷、元江河谷等地频率较高。在干旱强度方面，冬季强度最大，春季次之，秋季较小，夏季最小；干旱强度空间分布上，春冬两季相似，干旱强度东部小，西部最大，夏旱与春旱、冬旱有些相反，干旱强度东部强、西南部轻。年际变化趋势上，春旱强度和范围都呈减小的趋势，其中春旱强度减轻趋势显著；夏旱强度略有增强，虽然轻旱范围略有减小，但中旱范围有所增大；秋旱强度呈较明显减弱的趋势，但干旱范围有所增大，特别是近10a来，秋旱强度增强，范围增大趋势明显；冬旱强度和范围都呈增大的趋势，但不显著。

　　3）分析结果显示：2006年西南地区年干旱站次比达历史最大值，夏旱站次比、尤其是中旱站次比也是历史最大值，而相对湿润度指数却是1985年以来的最低值，是历年低值之一。以此推断，2006年应该是西南地区历史上干旱最严重的年份，而且干旱主要发生在夏季。2006年川渝地区发生特大干旱的实况与此分析非常吻合，说明本文采用的干旱分级方法在西南地区具有较好的适用性。

　　4）本文仅分析年和季节尺度的干旱时空变化特征，文中省略了较多图表，取的资料也是97个代表站资料，因此时间尺度和空间分辨率略差，更高的空间和时间分辨率结果需在今后研究中深化。另外，本文仅从气候角度分析西南地区季节性干旱时空分布特征，农业生产中是否发生干旱还与地形地势、灌溉条件、作物种类及土壤状况等多种因子相关，需要做更加深入细致的研究。

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