侯雨乐, 赵景波

(1.阿坝师范学院, 四川 汶川 623002; 2.中国科学院 地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室, 西安 710061)

近50 a来全球变暖更趋明显，旱涝等与极端天气有关的自然灾害事件正不断增加[1-2]。气候是不稳定的，冷期或暖期的气候均存在突变，极端天气事件是气候突变的典型表现[3]。气温、降水异常是造成旱涝变化的主要原因之一，也是定量研究区域冷暖、干湿演替的重要依据，并得到广泛承认和应用。长江上游等地区的干旱、极端降水及其造成的损失呈上升趋势[4-5]。2020年入夏以来，长江多地遭遇因强降雨引发的内涝、山洪等灾害，长江流域降水偏多，但降水时空分布不均，涝重于旱，已致千万人受灾。王帅兵等[6]利用SPI和Z指数分析了洮河流域的干旱趋势，发现这两种指数在年尺度的旱情分析上一致性较高。刘志雄[7]、齐冬梅[8]等认为Z指数可较好地作为反映长江上游流域、四川地区旱涝指标。戴洋等[9]利用1961—2008年的气候水文数据得出， 20世纪90年代后期若尔盖湿地进入暖干期，年均气温在1997年前后发生突变。郑景云等[10]研究指出，2016年长江流域重大洪灾的主要成灾因子是梅雨期内的强降水频繁、时间长等，ENSO等极端事件是造成历史上异常丰梅事件的大气环流背景。气候突变、旱涝频发等问题对区域生态稳定、防灾减灾带来了一系列连锁危机。松潘县地处青藏高原东缘，是岷江源头，也是岷江流域、成都平原生态屏障的重要组成部分，作为川西北生态系统中重要一环，松潘地区生态环境在维持系统功能、生物多样性等方面有着不可或缺的地位。但由于其特殊的区位条件，也是属于全球气候变化的敏感区，气候突变下的气温降水异常、旱涝等极端气候事件频发等严重威胁着地区农业生产和生态稳定。因此，开展本区的气温降水变化、旱涝演替、监测、防灾减灾研究有着重要现实意义。本文利用松潘县1960—2015年的气温、降水连续观测数据，基于Z指数对该区气温突变前后气候变化、旱涝演变情况进行分析讨论，对区域气候变化、防灾减灾、流域生态建设等方面研究具有重要科学参考价值。

1 研究区概况

松潘县[11]位于四川省阿坝州东北部，介于32°06′—33°09′N，102°38′—104°15′E，面积约8 486 km2，地处岷山山脉中段，地貌东西差异显著，由东南陡峻的壁峰、狭窄的沟谷向西北缓而开阔的丘状高原及高平原过渡，县境西北高，东南低，河流密布，是岷江、涪江水系发源地。松潘县小气候多样且灾害性天气活动频繁。年均降雨量约720 mm，干湿季分明，雨季降雨量占全年降雨量的72%以上。多年平均气温5.7℃，多大风天气[12]。

2 资料与方法

本文采用松潘县气象站的逐月气象资料进行分析，其降水、气温数据均来自国家气象信息中心(http:∥data.cma.cn/)的实测资料，完整可靠。对数据的季节分析以常见的气象划分法作为四季划分依据，即以3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。

计算松潘县年平均气温、极端气温、降水量的变化趋势，并利用SPSS，MATLAB等软件平台中的最小二乘法、一般线性模型、Mann-Kendall法、小波分析等方法进行趋势分析、显著性检验、突变检验、周期变化等分析，其具体原理和过程详见参考文献[13—14]。

旱涝Z指数法是能较明显地确定区域旱涝等级的方法，在我国广泛应用于宏观分析长时段的旱涝标准[15]，尤其是应用在单站旱涝指标中[16]。主要涉及公式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Zi为旱涝指数；Cs为偏态系数；φi为标准变量；xi为某一时段的降雨量(mm)；n为样本数；x为时段尺度下这n年的平均降雨量(mm)；σ为标准差。

根据Z变量的正态分布曲线，将其划分为7个旱涝等级，见表1。

表1 Z指数指标下的旱涝等级及其频次

3 结果与分析

3.1 气候变化分析

3.1.1 年均气温与极端气温变化 1960—2015年松潘县年均气温呈显著上升趋势(图1)，通过了95%水平下的显著性检验。气温的年际变化率是0.24℃/10 a，明显高于我国中部、华南地区近50 a年均气温上升速率[17]。年均气温最高值出现在2006年的7.28℃；最低值出现在1977年的5.06℃。由松潘县四季平均气温线性倾向变化表(表2)可知，各季节增温幅度不一，冬季增温最为显著。

图1 1960-2015年松潘县年均温变化

表2 松潘县季节平均气温线性倾向变化

为更好地分析近56 a来气温变化，做出松潘县年均极端气温变化图(图2)。可知，松潘县年均极端高温的波动范围在19.42～23℃，且呈现出波动增加态势，但在20世纪90年代明显偏低。年均极端低温的波动范围为-7.51～-3.84℃，显著波动增加，上升速率达0.44℃/10 a，1990年后明显整体偏高。松潘县年均气温的上升，年均极端低温的贡献率更大。

图2 1960-2015年松潘县年均极端温度变化

3.1.2 年均气温突变检验 图3是基于MATLAB的松潘县年均气温的Mann-Kendall突变分析结果。可知，1980年以后，UF曲线一直大于0，且呈现出增加趋势。说明从1980年开始，本地年均气温整体上凸显了上升态势，持续时间较长，通过了0.05下的显著性水平检验。UF，UB曲线在其置信区间内的1994年出现交叉，说明年均气温在1994年前后发生了突变。1980—1994年均气温的距平值为-0.15℃，1995—2015年的距平值达0.5℃。可推断，从20世纪80年代开始，本地逐渐进入暖期，1994年后增温迅速。甄硕等[18]在研究1967—2014年若尔盖气候变化时指出，若尔盖高原蒸发量在1994年、1999年突变，气温在1997年突变，研究都表明在20世纪90年代中后期气候发生了突变。

图3 松潘县年均气温突变分析

3.1.3 松潘县降水量变化 应用气候倾向率对松潘县近56 a来降水量进行分析，松潘县多年平均降水量为719.69 mm，不同年代降水波动性较大，呈现不明显减少趋势，但未通过95%的显著性检验。年降水累计距平是年降水量值与多年平均值偏差的累加，距平累积序列可直观地确定降水量的年际变化特点[19-20]。年降水累积距平值持续增大时，说明该时期年均降水距平持续大于0；年降水量距平累积持续变小时，表明该时段内年均降水距平持续小于0。做出松潘县年降水量累积距平变化曲线图(图4)。可知，20世纪70年代到80年代中期年降水量明显增加，且多处于丰水年状态。1978年累积距平值最大，高达205.27 mm。1994年前后直到21世纪初，降水量波动减少，降水年际变化较大。2008年累积距平值最低，达-314.26 mm。但近年来降水又呈增加态势。研究表明[9,18,21-22]，阿坝州在1961—1989年降水整体呈上升趋势；1990—2014年整体呈下降趋势。附近的若尔盖高原20世纪90年代以来气温上升趋势明显，气候整体上朝暖干化方向发展。这与本文的研究结论大致一致。

图4 松潘县年降水量累积距平变化

松潘县近56 a来降水总体呈不明显减少趋势。各季节降水变化不一，夏秋季降水量为下降趋势；冬春季降水量呈上升趋势。只有春季降水变化通过了0.05的显著性检验，且春季降水的变化率最大。由松潘县季节降水量变化表(表3)可知，冬春季降水在气温突变前的距平值均为负值，低于多年平均降水量；在突变后，距平值皆转为正值，降水量增多。而夏秋季降水变化则相反，在突变以后，整体呈少雨趋势，其中夏季降水在1995—2015年的距平值最大，减少最为明显。本地年均降水量的减少趋势应与夏秋降水减少紧密相关。季节降水变化的复杂化，也加剧了松潘地区旱涝灾害频度。

表3 松潘县季节降水量变化

3.1.4 松潘县旱涝灾害变化特征 降水量突增、强降水事件频发、降水量锐减是诱发旱涝灾害的主要因子。某时期降水量与多年平均值之间的偏差可在一定程度上说明旱涝的程度。参考研究成果[8]，利用Z指数等级来表示松潘县长期旱涝等级变化(图5)。依据表1划分标准，近56 a来松潘县共计旱涝灾害28次，平均每2 a发生一次。由图5可知，洪灾、旱灾各14次，发生频率均为25%。大涝及以上洪灾6次，发生频率为10.71%；偏涝8次，频率为14.29%。偏旱3次，频率为5.36%。大旱及以上旱灾11次，频率为19.64%。从灾情上看，松潘地区旱涝灾害以中度以上为主，受灾影响严重。

图5 Z指数下的松潘县旱涝等级变化

为了更好反馈旱涝变化情况，对气温突变前后的旱涝频率进行计算，做出气温突变前后旱涝灾害频率变化图(图6)。可知，1960—1994年这35 a间，本区正常年份19次，重旱2次、大旱3次；偏旱3次；偏涝4次，大涝1次，重涝3次。气温突变后，1995—2015年这21 a间，正常年份有9 a，大旱有5次，大涝有2次，偏涝有4次；重旱1次。旱涝出现频率为57.14%，高出1994年以前的旱涝出现频率11.43%。虽然气温突变以后，重涝、重旱等极端灾害出现频率没有增多，但是大旱、涝灾出现的频率激增，旱涝灾害更加频发。

图6 松潘县气温突变前后旱涝灾害频率变化

根据前人研究成果和当地实际，将持续3年及以上的旱涝灾害定义为重大旱涝事件。经统计，1985—1987年连续3年发生旱灾，且以大旱为主，3年的年降水距平值均小于-71 mm，远低于往年正常降水均值。据地方志记载，1987年上半年，沿河一带严重干旱，麦类、洋芋出苗不壮，严重减产。2009—2012年连续4年当地均为偏涝年份，降水均大于多年平均值。2012年入夏以后，连续60多天的降雨造成松潘县发生洪灾，其中6月29日的特大暴雨袭击，致使多个乡镇停电、出现泥石流灾害，沿途农田被冲毁。这两个时段均可认为是重大旱涝事件，旱涝灾害与降水量的大增、锐减有很大关联性。

3.1.5 周期变化特征 基于MATLAB的Morlet小波计算可对区域旱涝灾害的时间分布序列进行有效分析[23]。图7是松潘县Z指数数值的Morlet小波系数实部等值线图。可知，1960—1990年旱涝变化存在10～11 a附近的震荡周期；1991—2015年的震荡周期约4 a，9 a。太阳黑子活动除了呈现规律明显的约11 a，22 a周期外，还有9.8 a，10 a等周期变化[24]。本区旱涝灾害的震荡周期与太阳活动周期高度接近。

图7 松潘县旱涝Z指数的小波分析

3.2 太阳黑子与松潘县旱涝关系讨论

3.2.1 太阳黑子与旱涝的相关性分析 太阳活动的周期变化是引发旱涝等自然灾害爆发的重要因子，降水极值变化与太阳黑子数极值变化相联系，在太阳黑子极值年附近易出现旱涝灾害。根据国际上对太阳黑子最小/最大循环规定[25]及参考比利时皇家天文台提供的太阳黑子数据(http:∥www.sidc.oma.be/silso/datafiles)可知，太阳黑子已完成第24个最小/最大周期活动。太阳黑子数的极大值年用M表示，极小值年用m表示。1960—2015年期间，出现了5个m年，分别是1964年、1976年、1986年、1996年、2008年，在这5个m年的前后一年里，太阳黑子数量也分别处于低谷区。5个M年：1968年、1979年、1989年、2001年、2014年，在这5个M年的前后一年里，太阳黑子数量也分别处在高峰区。为分析太阳黑子变化与旱涝关系，做出旱涝Z指数与太阳黑子数的关系图(图8)，可知，各年太阳黑子数与对应时段的Z指数具有明显相关关系。在太阳黑子数到达极值年附近均有大、特大旱涝灾害发生。1968年、1986年、1996年、2014年太阳黑子数达到峰值时，当年均有(特)大旱涝发生。1964年、1976年、1986年、1996年、2001年、2008年、2014年是太阳黑子的极值年，在其±1 a，本地也均有(特)大旱涝发生。说明松潘县Z指数变化与太阳黑子活动存在较强的匹配性。即，太阳黑子数达到峰值当年或者前后一年，Z指数也会相应的升高或降低。

图8 旱涝Z指数与太阳黑子数的关系

3.2.2 太阳黑子极值年附近的旱涝灾害 近56 a来，在太阳黑子活动极值年及其前后一年发生的旱涝灾害达18次，占总旱涝灾害数的64.29%。在这5个极小值m年中，1986年、1996年、2008年当地均大旱。m年前后一年：重旱1次，大旱3次，重涝1次，偏涝1次。在这5次m年及其前后一年的旱涝灾害中，旱涝发生年数占这15 a间的60%。其中，主要发生的是旱灾，旱灾次数占到77.78%。在5个极大值M年中，1968年、1979年、2014年均有旱涝灾害发生，大旱、偏旱、大涝各一次。M年前后一年：重旱1次，大旱1次，大涝2次，偏涝2次。在这5次M年及其前后一年的旱涝灾害中，旱涝发生年数也占这15 a间的60%。其中，主要发生的是洪涝灾害，旱灾、洪灾次数各占到44.44%,55.56%。由此，在太阳黑子极值年及其附近年出现旱涝灾害的概率更高，应加强当地的防灾减灾工作。在极大值年和极小值年出现旱涝灾害的几率一样，但在极小值年附近出现旱灾的频率更高。

4 结 论

(1) 1960—2015年松潘县年均气温呈显著上升趋势，气温的年际变化率是0.24℃/10 a，高于同期全国其他地区上升率。年均极端低温在1990年开始明显整体偏高。松潘县年均气温的上升，年均极端低温的贡献率更大。通过Mann-Kendall突变分析检验，年均气温在1994年前后气候发生突变，1994年后增温增速。

(2) 松潘县多年平均降水量呈现不明显减少趋势，降水波动性较大。冬春季降水呈现增加趋势，夏秋季降水呈现减少趋势。气候突变后，季节降水变化更加复杂化，加剧了松潘地区旱涝灾害频度变化。

(3) 近56 a来松潘县共计旱涝灾害28次，平均2 a发生一次。洪灾、旱灾各14次，发生频率均为25%。以中度旱涝灾害以上为主。气候突变以后的旱涝出现频率高出突变前11.43%。气温突变以后，大旱、涝灾出现的频率激增，旱涝灾害更加频发。

(4) 1985—1987年、2009—2012年这两个时段认定为重大旱涝事件。旱涝灾害与降水量的大增、锐减存在极大关联性。

(5) 1960—1990年旱涝灾害存在10～11 a附近的震荡周期；1991—2015年旱涝震荡周期约为4 a，9 a。松潘县旱涝与太阳黑子周期关系密切，Z指数变化与太阳黑子活动存在较强的匹配性，太阳黑子数达到峰值当年或者前后一年，Z指数也会相应升高或降低。在太阳黑子极值年及其附近年出现旱涝灾害的概率更高，应加强当地的防灾减灾工作。在极大值年和极小值年出现旱涝灾害的几率一样，但在极小值年附近出现的旱灾频率更高。