近60年来云南省干旱灾害变化特征

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  摘要 基于1951~2010年降水量、农作物播种面积、受旱面积和工业、生活用水量以及城镇人口数据,以标准化降水指数(SPI)和受旱率为指标,应用Mann-Kendall检验、统计方法分析干旱和旱灾的发展趋势,并结合用水量和人口分析旱灾的主要影响因素。结果显示,近60年来云南省气象干旱仅滇东北的昭通夏季呈加剧的趋势,其余地区加剧的趋势不显著或呈减缓的趋势;而农业旱灾损失则呈加重的趋势,特别是后30年加重的趋势更明显,空间分布上经济发展迅速的滇中地区加重的趋势较其他地区明显;受旱率与工业、生活用水量和城镇人口存在指数相关关系,决定系数在0.89以上,表明云南省旱灾加剧的原因除气候异常降水偏少外,人口增加、工业发展迅速、城镇化进程加快等是导致农业旱灾损失增大的主要原因。
  关键词 干旱;旱灾;发展趋势;影响因素;云南省
  中图分类号 S423 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2015)18-228-04
  干旱通常是指淡水总量少、不能满足人的生存和经济发展需求的气候现象;旱灾是指因干旱缺水而对居民生活和工农业生产造成影响的现象[1]。旱灾由致灾因子、孕灾环境和承灾体三方面组成,是“人—自然—社会”多种条件约束和众多因素相互作用、相互影响的复杂系统[1]。云南省是全国旱灾较为严重的地区,干旱缺水对社会、经济、环境造成巨大危害,研究干旱灾害的发展趋势对抗旱减灾具有重要的实践意义。
  目前,许多学者对云南省干旱灾害进行了研究,并取得了不少成果[2-5],如陶云等分析了云南与初夏干旱相关的4~5月降水总量及平均气温的时空变化特征及其变化周期[2];程建刚等以云南香格里拉、西双版纳、昆明地区为代表,分析了云南省不同区域的气候变化和极端天气、高温干旱的变化趋势[4];余航等应用旱灾综合指数分析了云南旱灾的变化趋势[5]。上述成果一般对干旱或旱灾分别进行研究,而唐一清等虽然对全省干旱和旱灾进行了较深入的研究[6],但此成果完成的时间较早,随着资料积累和经济社会发展、下垫面条件变化,干旱与旱灾的变化趋势已发生较大改变[5]。基于此,笔者对云南省的干旱与旱灾进行同步分析,揭示两者之间发展趋势的异同,为抗旱减灾提供科学依据。
  1 资料与方法
  1.1 研究区概况
  云南省简称滇,地处我国西南边陲,西部和西南部与缅甸接壤,南部与越南、老挝毗邻,东部与广西壮族自治区和贵州省相连,北部与四川省为邻,西北部紧倚西藏自治区,国土面积38.32 km2。2013年末全省总人口4 686.6万人,生产总值(GDP)11 720.91亿元,人均GDP 25 009元。
  云南省位于季风气候区,多年平均降水量1 278.8 mm,多年平均蒸发量1 057.0 mm,多年平均地表水资源量2 210×108 m3,大部分地区5~10月降水量占全年的80%以上。云南省水资源总量较为丰富,但因时空分布不均匀,水资源与人口、耕地等资源的分布不协调,加之水利工程对水资源的调节能力有限,极易发生干旱灾害。
  1.2 资料来源
  截止2010年,云南省降水量连续观测年限60年及以上的气象台站共12个,分别位于昭通、曲靖、昆明、玉溪、红河、丽江、大理、保山8个州(市),其中昭通位于滇东北部,曲靖(沾益站)位于滇东,昆明和玉溪位于滇中腹地,红河(蒙自站)位于滇中南部,丽江位于滇中西北部,大理位于滇中西部,保山位于滇西,这8个州(市)具有一定的区域代表性,基本反映了云南省不同气候特征。在此以这8个州(市)为研究区,通过实测降水量和农业受旱资料来分析最近60年来干旱与旱灾的发展趋势。
  气象站月降水量资料来源于云南省气象局,资料序列为1951~2010年。
  各州(市)农作物播种面积、受旱面积、城镇人口、工业用水量、生活用水量资料来源于《云南水旱灾害》和《云南省水利统计年鉴》,资料系列分别为1951~1990和1991~2010年。四季划分为春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~次年2月)。
  1.3 方法
  1.3.1 干旱趋势分析方法。
  干旱研究需借助相应的干旱评估指标。研究表明,采用不同指标对不同时空尺度和不同区域进行干旱评估,其结果存在较大差异,不同指标对干旱等级的识别能力亦不尽相同[7-10]。常用的干旱评估指标有降水量距平百分率(Pa)、Palmer指数(PDSI)、标准化降水指数(SPI)、Z指数、水分亏缺指数和干燥度指数等[11],其中标准化降水指数(SPI)是表征某时段降水量出现概率的多少的指标之一。该指标因消除了时空差异,适合于月以上尺度相对当地气候状况的干旱监测与评估[11],亦适用于不同站点长序列分析比较,在此以标准化降水指数(SPI)作为干旱趋势分析指标。
  干旱序列的趋势性采用Mann-Kendall检验分析。Mann-Kendall检验最初由Mann和Kendall提出,计算简单,样本不需要服从某一特定分布,也不受少数异常值的干扰,是世界气象组织推荐的非参数检验方法,我国在降水、径流、气温和水质等要素时间序列的趋势性分析中应用也较为广泛[7]。SPI按文献[11]方法计算。统计量U(dk)按文献[5]方法计算,趋势的置信度取99%,若│U(dk)│<2.33表示系列为独立随机变量,不存在显著的趋势性;否则系列存在显著的趋势性,且U(dk)>0表示系列呈增大的趋势,U(dk)<0表示系列呈减小的趋势。
  1.3.2 旱灾趋势分析方法。
  目前,旱灾的研究主要侧重于农业和农村人畜饮水困难方面,常用的旱灾评估指标有农作物受旱率(I)、因旱粮食损失率(Li)、因旱临时饮水困难人口比率(Y)等,其中农作物受旱率(I)是表征某区域某时段农作物受旱面积占播种面积的百分率,受旱面积是指农作物产量因干旱而比正常年份减少10%以上的面积。受旱率(I)较直接地反映了农业旱灾损失实际,在此以该指标来分析旱灾的趋势。   农作物受旱率(I)按公式I=a/A×100%计算,
  式中,I为农作物受旱率(%);a为农作物受旱面积(hm2);A为农作物播种面积(hm2)。
  旱灾等级分为无旱、小旱、中旱、大旱4级[6],划分标准如表1所示。
  2 结果与分析
  2.1 干旱趋势分析
  以季为时间尺度,计算60年系列SPI值的Mann-Kendall检验统计量U(dk)值。
  由表2可看出,SPI值的趋势冬季和春季均为7站上升1站下降、夏季2站上升6站下降、秋季3站上升5站下降,即冬春季节以上升为主,夏秋季节以下降为主,其中丽江、大理、保山春季和沾益冬季上升的趋势显著,昭通夏季下降的趋势显著。从气象干旱的角度来看,分析的8个站中除昭通夏季干旱呈加剧的发展趋势外,其余站各季节干旱的趋势不显著或呈减缓的趋势,与彭贵芬等的研究结果基本一致[3]。
  为了进一步分析干旱趋势的规律性,作上升或下降趋势显著的5站相应季节SPI值Mann-Kendall检验U(dk)值过程线。由图1可看出,昭通夏季1951~1968年U(dk)值呈上升-下降-上升的波动过程,1969~1986年U(dk)值呈水平趋势,即1986年之前干旱趋势不明显;1987年之后U(dk)值持续下降,干旱呈加剧的趋势,其中2006年之后U(dk)值突破-2.33,干旱加剧的趋势显著;沾益冬季1955~1970年U(dk)值呈下降-上升-下降的波动过程,1971~1989年U(dk)值呈水平趋势,与昭通站相似,前半段干旱趋势不明显;1990年之后U(dk)值持续上升,干旱呈缓解的趋势,其中2004年之后U(dk)值突破2.33,干旱缓解的趋势显著;丽江春季和大理春季整个序列总体呈上升的趋势,2004和2007年之后U(dk)值分别突破2.33,干旱缓解的趋势显著;保山春季1951~1958年U(dk)值短期曾出现较大波动,1959~1995年U(dk)值长期接近水平趋势,即1995年之前干旱趋势不明显,1995年之后U(dk)值呈上升的趋势,其中2006年之后突破2.33,干旱减缓的趋势显著。由图1还可看出,云南省干旱趋势各地存在差异,昭通夏季和沾益冬季20世纪90年代以前U(dk)值总体呈水平趋势,之后的20年则分别呈下降和上升的趋势,即前期干旱发展趋势不明显,后期才出现加剧和减缓的趋势;丽江和大理春季U(dk)值一直呈上
  升的趋势,即干旱呈逐渐缓解的趋势;保山春季U(dk)值变化幅度较小,干旱趋势总体呈减缓的规律。
  2.2 旱灾趋势分析
  旱灾序列的趋势性采用统计方法分析。以受旱率(I)为指标划分旱灾等级,并按10年尺度统计旱灾等级之和。从表3可看出,8个州(市)平均旱灾等级和呈增大的趋势,即旱灾总体呈加重的趋势,其中20世纪50~70年代旱灾相对最轻,80年代起明显加重,与余航等的研究结果一致[5]。各州(市)旱灾发展趋势略有差异,昭通相对平稳,旱灾等级和最大值与最小值相差3倍;昆明、玉溪、红河、丽江加重的趋势最为明显,旱灾等级和最大值与最小值相差10~20倍;曲靖、大理、保山加重的趋势一般,旱灾等级和最大值与最小值相差4~6倍。1951~2010年云南省旱灾总体呈加重的趋势,其中滇中地区加重的趋势最为显著。
  2.3 旱灾成因分析
  近60年来云南省气象干旱仅东北部昭通夏季呈显著加剧的趋势,而旱灾损失各地均呈加重的发展趋势,特别是后30年加重的趋势更明显,且滇中经济发展迅速的地区加重的趋势更显著。夏季干旱呈显著加剧趋势的昭通并不是旱灾加重最明显的地区,反而是干旱呈减缓趋势的玉溪、红河、丽江等地区旱灾加重的趋势最明显,表明云南省的旱灾加重除自然原因降水偏少外,还存在其他影响因素。
  从1951~2010年云南省各年代平均生活用水量、工业用水量、城镇人口与受旱率相关关系(图2)可看出,各年代平均受旱率均随工业用水量、生活用水量、城镇人口增加呈指数关系增大,决定系数在0.89以上,表明旱灾加重与人口增长、工业发展用水量增加和城镇化加快等经济社会发展关系密切。
  3 结论与讨论
  (1)1951~2010年云南省8站干旱趋势总体呈冬春季节减缓、夏秋季节加剧的规律,其中丽江、大理、保山春季和沾益冬季减缓的趋势显著,昭通夏季加剧的趋势显著。
  (2)60年来云南省8个州(市)干旱与旱灾发展趋势并不完全一致,干旱仅滇东北的昭通夏季呈显著加剧的趋势,而旱灾各地均呈明显加重的趋势,特别是改革开放以来经济快速发展的后30年旱灾明显加重。
  (3)旱灾加重与人口增长、工业发展用水量增加和城镇化发展关系密切,滇中主要经济区旱灾加重的趋势较滇东北、滇西经济发展相对缓慢地区明显,近年来生活、工业用水不断挤占农业、生态用水是造成农业旱灾损失加重的主要原因。
  (4)农业是社会发展不可或缺的基础性产业,严重的农业旱灾应引起足够的重视,除加快水利基础设施建设、增加供水外,还应加强水资源的优化配置和管理、发展高效节水农业等,以减轻农业旱灾损失。
  参考文献
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