昆明地区降水量时空分布特征

2014-03-27邹灵宇李晓鹏

云南地理环境研究 2014年5期

邹灵宇，李晓鹏，杨柯

(昆明市气象台，云南昆明 650034)

0 引言

昆明地处东亚季风和南亚季风交汇影响的区域，降雨年内分布、年际分布极不均匀，干湿季节分明，常常存在不同时段的气象干旱。随着昆明城市化进程的发展、下垫面的改变和大量人为热及温室气体排放，形成了城市区域性气候[1]，就更加突出了干旱的不利影响和更加容易引起局地强对流天气的出现和城市内涝的发生。2009年以来昆明出现罕见的4年连旱，使农业生产等遭受巨大损失，库塘蓄水频频告急。而“7·19”昆明暴雨等强降雨天气过程也使人们的生产生活遭受极大损失。降水不仅是一个重要的气候要素，它还对区域水资源时空分布、生态环境形成与演变以及农业生产起着决定性的影响。它的时空分布与人类的生产、生活密切相关，而与降水平均变化规律相比，降水异常的时空变化对社会、经济和生态环境影响更为显著[2]。

近年来，气象工作者对云南气候变化中降水的演变特征作了不少分析，如王宇、解明恩[3，4]等用1951～1994年的资料分析了云南18个代表站降水的40a变化，发现云南气温大部地区变化趋势基本一致，20世纪50年代和80年代高，60年代和70年代低，降水有明显的区域变化特征。陶云等[5]应用回归方法客观、定量地分析云南降水的时空变化特征，分析得出了近50a来云南降水量夏、减少，春、冬季增加，年降水减少，并有着明显年代际变化趋势；云南年降水量、季降水、春夏季降水及秋季降水都存在一个或多个显著性突变点，而冬季降水没有检测出突变点；近50a来云南降水量变化也存在明显的区域分布特征。

由于云南特殊的地理环境和气候背景，各个地州的气象条件存在明显的地区差异。研究昆明地区降水的时空变化特征，对提高旱涝气候预测的水平，积极防御降水异常所造成的重大经济损失，无疑都是当前防灾减灾工作的迫切要求，还可为城市防洪、雨水排放标准和城市环境保护提供有力支持。

1 资料与方法

本文选用昆明地区昆明(编号56778)、禄劝(编号56775)、富民(编号56772)、嵩明(编号56785)、宜良(编号56880)、石林(编号56881)、呈贡(编号56882)、晋宁(编号56871)、安宁(编号56863)、太华山(编号56872)、东川(编号56688)、寻甸(编号56781)，共12个国家气象站43a(1970～2012年)的逐月降水量(1970年以前降水资料缺测站数较多)。应用统计学方法，分析了昆明地区降水量的月、季节及年际变化。用线性倾向估计法，对年降水量以及春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11月)和冬季(12、次年1和2月)的变化趋势及空间分布特征进行了分析。借助非参数M-K(Mann-Kendall)检验法(显著性水平0.05)对12站年、季的降水变化趋势进行了分析。所选各站观测数据缺失率小，并对个别无记录的资料序列，采用无降水情况代替，保证了数据序列的完整性和连续性。

图1 1970～2012年昆明年降水量(a)和平均月降水量(b)Fig.1 The annual(a) and monthly mean precipitation(b) of Kunming from 1970 to 2012

2 结果与分析

2.1 昆明地区降水量特征分析

昆明地区12个站点1970～2012年的年平均降水量约为903.1mm，年平均降水量的最大值出现在1999年，为1 155.5mm，最小值出现在2011年，为583.1mm，最大值与最小值之比为1.98(图1a)。从昆明地区平均降水距平演变趋势图(图2)可看出，1970～2012年昆明年降水量、四季降水量有着较为明显的年代际变化特征。从年降水量来看(图2e)，其总体趋势呈减少的趋势，平均每年减少约1.94mm，比全省减少的幅度偏大近5倍(全省每年减少约0.45[5])。从年代际变化特征来看，20世纪70年代至80年代降水量偏多与偏少的年份交替出现，到80年代中末期至90年代中期出现偏少的趋势，90年代中期后年降水量回升明显，2005年后年降水量减少的趋势较为显著。

昆明由于受季风气候和地形等因素的影响，昆明地区的年内降水分配极不均匀，季节变化十分鲜明。从近43a平均各季平均降雨量来看春季132.9mm、夏季522.4mm、秋季218.6mm、冬季41.6mm(图1b)，降水主要集中在夏、秋两季，汛期的5～10月占全年降水量的86.5%左右。其中夏季的6～8月是降水量最集中的主汛期，平均月降水量约174.1mm，占全年降水总量的56%。冬、春季降水只占全年的19%，由于降水量少不利于蓄水，因此在常年冬春季便存在季节性干旱。通常云南干旱的主要特点是秋末出现的干旱持续到夏初，进入雨季后干旱得到缓解。但因2009年以来的夏秋两季降水偏少，干旱天气连续，使得冬春干旱难以缓解，库塘蓄水得不到有效补充，致使干旱导致的不利影响累计增长。

昆明的四季有着不同的变化特征：春季降水总体呈明显减少趋势(图2a)，平均每年减少0.43mm。春季降水最多的年份出现在1990年，为249.2mm，比常年偏多116.3mm；最少的年份是1987年，为57.1mm，较常年偏少75.8mm。春季降水也存在明显的年代际变化：20世纪70年代后期前，春季降水处于一个偏多的时段；80年代到2000年附近春季降水基本处于偏少的趋势，但1985年和1990年异常偏高出现了春季的最大降水和次大降水；2000年至2005年降水有一定增加属略偏多；2005年以后出现了明显的震荡下降趋势。

昆明夏季降水总体明显下降(图2b)，平均每年减少约0.64mm。夏季降水最多的年份出现在1998年，为750.9mm，比常年偏多228.5mm；最少的年份是1992年，为267.5mm，较常年偏少254.9mm。从图中可看出，夏季降水量的年代际变化与年降水量非常相似，这也反映了昆明地区典型季风气候的特征，全年57%～65%的降水量集中在夏季[4]，夏季降水的变化趋势直接影响着年降水量的变化。夏季降水量在20世纪70年代中叶以前偏多，70年代后期到90年代中期震荡减少，90年代中叶后夏季降水量又有所回升，2003年后夏季降水又有减少的趋势，自2009年以来连续4年夏季降水距平值为负值。近10a以每年15.52mm的速率减少，减少趋势在四季中最为显著。

图2 1970～2012年昆明平均春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)、年(e)降水距平演变Fig.2 The Spring(a)，Summer(b)，Autumn(c)，Winter(d)and Year(e)averaged precipitation anomaly evolvement of Kunming from 1970 to 2012

昆明秋季降水总体变化趋势也为下降(图2c)，其减少幅度最大，平均每年减少约1.07mm。秋季降水最多的年份出现在1991年，为355.9mm，比常年偏多137.3mm；最少的年份是2009年，为68.2mm，较常年偏少150.4mm。秋季降水的年代际变化与夏季略有不同：20世纪80年代中叶前，云南秋季降水量以偏少为主要特征，之后秋季降水有所增加，处于一段丰水期，90年代中叶后秋季降水明显减少，进入一个枯水时期，特别是2002年后，仅有2006年和2010年秋季降水为弱的正距平，其余均10年均为负距平，并出现了最少降水年。

昆明冬季降水整体看变化幅度较小，降水量略微增加(图2d)，平均每年增加0.03mm。冬季降水最多的年份出现在1983年，为117.3mm，比常年偏多75.7mm；最少的年份是1974年，为2.6mm，较常年偏少39.0mm。冬季降水以年际变化特征为主，年代际变化特征较弱。

另外，昆明年及四季平均降水量的10a变化也反映了上述年代际变化特征，年降水与夏季降水有着相同的变化趋势，20世纪70，80年代偏少，90年代降水有所回升，但2000年以后降水又开始明显减少；春季降水70年代降水偏少，从80年代开始增加但幅度不大，2000年以后略有减少；秋季降水一直处于偏少的趋势，偏少幅度最大的是90年代，2000年以后略有减少；冬季降水的变化幅度一直不大，80，90年代及2000年以后平均降水量略偏多，70年代略偏少。

综合分析图2a到图2e表明，近40a来昆明春、夏、秋降水量减少，特别是夏、秋季降水明显减少，导致年降水量减少，该特征在近10a表现的尤为明显，四季均存在减少趋势。春季降水递减率达到了6.9mm/a，夏季降水也以每年15.52mm/a的速率减少，夏季的减少趋势在四季中最为显著，秋季降水在近10年基本都为负距平，冬季降水也有减少。据研究显示2009年至2012年冬春4年连旱主要是受西风带环流系统异常影响，高层中东副热带西风急流减弱，使得长波槽脊减弱，冷空气较弱不易到达西南地区，并且使得孟加拉湾南支槽难以建立，而青藏高原上高压脊强烈发展阻挡了西风带上游的低压扰动向高原以东传播，使云南省处于异常西北气流控制，西太平洋副热带高压强度大，西伸明显，低层水汽输送路径偏南偏东，进入云南的水汽明显减少[6]。

2.2 昆明地区降水量突变分析

气候突变，就是气候从一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)跳跃式地转变到另一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)的现象，它表现为气候在时空上从一个统计特性到另一个统计特性的急剧变化[2]。利用Mann-Kendall非参数统计方法检测了昆明年降水量、四季降水量的突变点[7]，昆明地区平均年降水量及四季降水都存在一个或多个显著性突变点。而冬季降水在20世纪80年代以后未出现突变点，这说明80年代以后冬季降水以年际振荡为主要特征，年代际变化不明显。年降水量存在10个突变点，春季和秋季降水量分别存在5个突变点，夏季降水量存在12个突变点，冬季降水仅存在1975年一个突变点。20世纪70年代到80年代夏季和年降水量均出现多个邻近的突变点，春季有2个突变点，冬季也有一个突变点，干湿变化交替出现且振幅较大，90年代春季和夏季各出现一个突变点，季节降水量从偏干变为偏湿，并且夏季1993年的突变点通过了0.05的显著性检验，2006年至2011年，春季、夏季、秋季和年降水量都先后发生突变，降水均从偏湿变偏干。

表1 2000～2012年昆明地区12个大监站年降水量突变情况

对昆明地区12个站点进行逐一的M-K检验后可以发现，大部分地区在20世纪70至80年代有多个突变点，但显著性不高，降水距平正负交替变化。1990年前后共有8个站出现了降水由偏干向偏湿的突变，并且昆明、石林、太华山、宜良4个站点的突变点通过0.05以上的显著性检验，90年代中期以后各站降水出现增多趋势。从2000年以后的突变情况来看(表1)，2009年前后所有台站均出现突变点，降水由略少至偏多向显著偏少转变。以上降水突变特征与昆明降水的年代际变化特征非常一致。

2.3 昆明地区降水量变化的空间分布

昆明1970～2012年12个台站43a的年平均降水量为903.1mm，由年降雨量的分布情况可以看出(图3f)，昆明大部地区年降雨量在900mm左右，但由于地形、海拔、测站位置等因素各个站的年降水量也存在着明显差异。昆明东北部的东川区、昆明东南部的石林县及昆明南部的呈贡区降水<800mm，而昆明东部的寻甸县和昆明市西山区的太华山站降雨量则>1 000mm。同在昆明市区范围的昆明站和太华山站年降雨量相差157.4mm，基本相当于昆明地区的冬春季雨量之和。

昆明年降水量空间分布大体上呈现出东北及东南少、东部及西南部多，主要特征是降雨随海拔增高呈递增之势，降水量受地形影响明显，暖湿气流的迎风坡雨量多，背风坡雨量少，山地雨量多，坝区雨量少，河谷地区雨量最少，海拨每升高100m，年降水量增多30～80mm。平均年降雨日数129d，除东川区外的其余东部县区及太华山站雨日较多，其余较少。平均大雨日数为8.4d/a，昆明站、禄劝县、太华山站、寻甸县年平均大雨日数大于9d，最少的是东川区5.2d/a。年暴雨日数的分布情况同大雨日数接近，暴雨日数最多的是昆明市区的昆明站和太华山站。这可能与昆明大城市特殊的下垫面改变和城市中人类活动的影响有关。城市的发展改变了原有的自然条件，如大部分原有的农地、自然植被为建筑物、沥青或水泥马路所代替，人们的生产和生活增加了额外的热量，城市工业排放大量烟尘、气溶胶等，这些对城市的气温和降水等气候要素都会产生一定的影响[2]。

图3 昆明春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)、年(e)降水量变化趋势空间分布(单位：mm/a)及年降水量分布(f)(单位：mm)Fig.3 The Spring(a)，Summer(b)，Autumn(c)，Winter(d)，Year(e)precipitation linear tendencies spatial distribution and annual precipitation distribution of Kunming

利用逐月降水资料，采用一元回归方法拟合昆明12个县市的时间序列和降水量之间的关系，分析了昆明降水空间变化特征(图3)。昆明地处低纬高原地区，季风气候明显，加之云贵高原横断山脉的大地形，使得昆明地区气候复杂多变有较大差异。1970～2012年近43a昆明年降水量变化的空间分布特征(图3e)表现出明显的区域变化：昆明地区年降水量整体呈减少趋势，市区及以东以南县区降水减少趋势较为明显，其中减少趋势最大和次大的是东南部的宜良县和市区的太华山站，每年减少幅度大于5mm，另外市区的昆明站、南部的晋宁和东部的石林减少幅度也超过3mm/a。其余县市减少幅度小于2mm/a，减少幅度最小的是东北部的东川区。

昆明春季降水量变化区域分异较小，北部禄劝、东川、富民略偏多，偏多最多的是禄劝，偏多幅度为0.6mm/a。其余县市降水呈现出减少的趋势，减少幅度也不大，在0.2～1.1mm/a，东南部的宜良减少幅度最大，平均每年减少约1.1mm/a，其余县市降水减少幅度小于1mm/a。

昆明夏季降水的变化趋势与年降水较类似，共有8个县区为降水减少的趋势，减少的幅度最大的是昆明市区及南部的晋宁、东南部的宜良，减少幅度最大的是市区的太华山站，平均每年减少约2.5mm/a，其余减少幅度小于2mm/a。而东北部的东川、寻甸、嵩明夏季降水略有增加，增加幅度最大的是西南部的安宁，增加幅度为0.9mm/a。

昆明秋季降水变化的区域分布较为明显，所有地区均为降水偏少的趋势，南部的减少幅度大于北部、东部大于西部。东南部的宜良减少幅度最大，平均每年减少约2.1mm，南部地区除安宁外减少幅度在1～2mm/a，其余县市区减少幅度小于1mm/a。

昆明冬季降水变化幅度不大，所有县市的变化幅度都小于0.2mm/a，这与云南典型季风气候有密切联系，昆明干季(11月～次年4月)降水稀少，仅占全年降水的14%，所以变率相对其余时段就小。呈现出减少趋势的只有昆明市区的昆明站、太华山站及西南部的安宁、晋宁，减少幅度最大的是市区的太华山站，减少幅度为0.096mm/a。其余昆明大部地区冬季降水基本持平或略有增加，其中东南部的石林增加最明显，平均每年增加约0.3mm。