1 引言(Introduction)

气候变化一直是联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估的科学问题, 同时也是国内外学者研究的热点(任国玉等, 2005; 丁一汇等, 2006; Chattopadhyay et al., 2016; Pei et al., 2016; Nicholson et al., 2016; 杨溯等, 2016).2007年, IPCC第四次评估报告表明, 自20世纪70年代以来, 在全球变暖大趋势下, 干旱变得更为严重, 尤其在热带、亚热带地区, 同时指出过去50年极端天气气候事件频发及其危害(Solomon et al., 2007), 并在2013年第五次评估报告中定义变化检测是揭示一些统计意义上的气候变化过程, 而不提供变化产生的原因(Ribes et al., 2017).近年来, 国内外有关气候的研究主要集中在极端气候(Blanchet et al., 2016; 武文博等, 2016; 方国华等, 2016)、旱涝特征(刘琳等, 2014; 唐宝琪等, 2016)、演变过程(丁文荣, 2016; 叶金印等, 2016)、变化检测(Ribes et al., 2017; Jeon et al., 2016)等方面的时空多尺度分析(郑景云等, 2016; 刘雪梅等, 2016; 周秋雪等, 2016).

研究表明, 受地带性与非地带性规律影响, 中国降水存在明显地域差异(梁圆等, 2016), 因而分析区域尺度降水变化过程十分必要.“衡邵干旱走廊”(以下统称衡邵地区)位于亚热带季风气候区, 该气候区特征表现为降水变率大, 极端气候事件频繁, 如洪涝与干旱(Suepa et al., 2016), 区内生态系统对气温变化敏感性较低, 而高度依赖降水, 因此, 降水对该气候区生态环境动态特征有深刻影响(Zhang et al., 2005).本文首先获取研究区降雨量多尺度时间序列值, 得到降水多年变化特征及趋势, 并进行突变检测, 进而结合降水距平百分率指标揭示气候异常特征, 最后探讨降水变化的未来趋势.以期加深对季风气候区区域尺度气候变化特征的理解, 为进一步研究该区域植被物候特征及生态需水奠定良好基础, 这对该区域水资源管理及农业生态安全也具有重要意义.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况

衡邵地区位于湖南省中部偏南, 范围覆盖衡阳市、邵阳市、娄底市全境及永州市北部共33个县级行政区(图 1), 地形以丘陵、盆地为主, 地势整体西高东低、南高北低, 四面环山, 东有罗霄山脉, 西有雪峰山脉, 南有南岭, 北部囊括南岳衡山等, 形成了衡阳、邵阳盆地, 包括以湘水、资水流域之间分水岭为中轴线分布的广大丘陵地区(http://baike.baidu.com).区内属亚热带季风气候, 年内降水集中, 季节变率大, 时空分配不均, 气候常年值(或称标准气候平均值)为1384 mm; 植被类型丰富, 包括以马尾松、杉木为代表的亚热带针叶林, 以槠林、栎树为代表的阔叶林, 以及双季稻、冬小麦、甘薯、芝麻、凉薯、茶、油茶、蜜橘等栽培植被.该区域受到地形、海拔、西太平洋副高及区域经济发展等多重因素影响(傅抱璞等, 1992; 黄荣辉等, 2003), 成为湖南省干旱区之一, 夏秋季节干旱特征明显, 因其历来旱情波及范围广、频率高, 且受灾损失严重, 素有“衡邵干旱走廊”之称.

2.2 数据资料

气象数据采用衡邵地区28个气象站点建站以来的逐月降水资料, 具体来源于湖南省气象局(表 1).考虑到部分站点降雨量某些年份缺测情况, 在计算研究区年、季、月尺度降雨量时, 仅选用24个气象站点1960—2015年降水资料; 针对少数站点个别月份缺测情况, 则利用该站点建站以来月平均值代替缺测值.其他数据包括研究区范围矢量图、行政区矢量图、DEM数据、湖南省土地利用数据等.

2.3 研究方法 2.3.1 气候趋势与突变检测

基于ArcGIS软件, 利用泰森多边形法、面积加权法将观测点雨量转化为面雨量, 得到衡邵地区年、季、月尺度降雨量, 以客观反映研究区总体降水特征.借助MATLAB R2014a、Excel 2013等软件平台, 应用描述统计、气候趋势系数及世界气象组织(WMO)推荐的M-K非参数检验法(黄星等, 2016; Atta-Ur-Rahman et al., 2017)等分析多年来降雨量时间序列变化趋势和突变特征, 其中, M-K检验法理论意义及计算公式可参考文献(张璐等, 2007).

2.3.2 降水距平百分率

依据国家标准(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等, 2006), 选取降水距平百分率为研究指标, 用以反映区域异常气候特征, 计算公式见式(1).

(1)

式中, P_a为某时间尺度降水距平百分率; R为降水量(mm); R表示气候常年值(mm), 即按照WMO最新规定的1981—2010年气候资料统计值, 公式如下：

(2)

式中, n为规定时序长度, i取1, 2, …, n.

2.3.3 Hurst指数

英国水文专家Hurst在研究尼罗河水文环境时, 提出重标极差(R/S)分析方法来建立Hurst指数(H), 用以描述水文过程的持续状态(Hurst et al., 1965).该方法目前已得到广泛应用(刘剑宇等, 2015; 刘琳等, 2014), 其基本原理及具体计算过程详见参考文献(江田汉等, 2004).研究表明, Hurst指数值大于0.5表示时序数据未来趋势对过去趋势具有持续性, 其值越接近1, 持续性越强; 反之, 其值小于0.5时, 表明存在反持续性, 越接近0, 反持续性越强; 若其值等于0.5, 说明时序数据为随机序列.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 降水时间序列多尺度特征及突变检测

衡邵地区1960年以来降水变化并不明显, 呈弱增加趋势, 与中国区域研究结果基本一致(梁圆等, 2016; 丁一汇等, 2006), 气候变化线性倾向率为2.035 mm/10 a(未通过显著性检验), 低于湖南省变化水平(张剑明等, 2008).该区域降水量最大值(1905 mm)、最小值(949 mm)分别出现在1994年和2011年(图 2a), 近56年平均降水量为1361 mm, 其中, 降水最小值和多年均值都低于洞庭湖流域(徐卫红等, 2016).6阶曲线拟合表明, 20世纪90年代以前降水量波动不明显, 90年代有较明显上升趋势, 21世纪初转为下降趋势, 于2011年降至最低, 之后降水量有所增加(图 2a).M-K突变判别曲线(UF曲线和UB曲线)表明, 多年来研究区年降雨量未超出显著水平0.05的临界值(±1.96), 无突变点(图 2b).

衡邵地区降水季节变率大, 降水主要集中在春季和夏季, 秋季和冬季相对较少(图 3a), 多年均值分别为498、448、230和194 mm, 其中, 春季和夏季对年内降水贡献最大, 占全年雨量的69%, 而夏、秋季节降雨量低于洞庭湖流域(徐卫红等, 2016).四季气候倾向率分别为-11.776、12.579、-4.746、6.131 mm/10 a, 表明春季和秋季降水量有下降趋势, 夏季和冬季呈上升趋势, 与湖南省相比, 春季下降速率更快, 秋季较慢, 夏季和冬季上升幅度较低(张剑明等, 2008).该区域多年月平均降雨量近似高斯分布, 集中在3—8月, 与洞庭湖流域一致(徐卫红等, 2016), 其中, 5月降水量最大, 为202 mm; 12月最小, 为49 mm(图 3b).总之, 区域年内降水集中, 季节变率大, 分配不均, 是导致旱涝灾害多发的主要原因.

M-K检验得出春季降水与年降水量结果类似, 无显著变化特征, 而其余季节则存在突变点(图 4).春季降水量的M-K统计量UF曲线在1961、1962、1970、1973、1975、1980、1981年为正值, 其余年份为负值, 说明春季降水总体呈下降趋势(图 4a).夏季除了1965、1966、1985、1991、1992年为负值, 其余序列UF统计量为正值, 20世纪60年代初期到80年代末, UF曲线与UB曲线存在多个交点, 说明降水量呈波动上升状态, 无突变, UF曲线在2002年超出了临界值, 表明2002年是突变点, 降水有显著增加趋势(图 4b).究其原因, 图 3a中2002年夏季降水量高达779 mm, 超出多年均值331 mm, 且下文3.2.1节研究表明, 2002年为研究区中度雨涝年, 少数站点甚至为重度雨涝.秋季M-K统计量仅在1961—1963年间为正值, 其余年份为负值, 整体呈下降趋势, UF曲线与UB曲线相交于1965年, 说明突变下降趋势开始, 并在1979年超出临界值, 为突变点, 1980年之后降水量波动较小(图 4c).冬季降水量整体呈上升态势, 1997、2005、2007年为突变点(图 4d).总之, 图 4结果验证了图 3a的趋势变化.

衡邵地区各气象站点建站以来平均降水量最大值在南岳, 约2047 mm, 最小值在城步, 约1232 mm.各地多年降水量变化趋势有增有减, 倾向率下降幅度最大的是南岳(-29.54 mm/10 a), 上升最大的是娄底(17.93 mm/10 a), 而除了武冈(-23.41 mm/10 a)外, 其余站点趋势系数均未通过显著性检验(α=0.05).年降水量M-K检验结果表明, 该区域有8个站点存在突变特征(图 1), 其中, 娄底UF统计值在1994—1999年超出正临界值(α=0.05), 表明此时段降水量上升趋势明显, 1994年和1999年是突变点; 新邵2002年为突变点, 显著增加; 南岳除了2002年为正值外, 其余年份统计值均为负值, 说明总体为下降趋势, 1956、1971、1985年为突变点; 新宁1961年突变增加; 武冈M-K统计值全为负值, 1997年之前波动较小, 之后突变下降开始, 2011年和2014年超出置信区间; 衡阳1958年是突变点, 显著下降; 衡南也在1958年突变下降; 耒阳在1966、1967、1969和1971年的统计值为负值, 其余时间序列为正值, 表明年降水量整体呈上升趋势, 1961年突变增加(图略).

3.2 降水距平百分率旱涝指标 3.2.1 年降水距平百分率

参考国家标准中关于年尺度降水距平百分率(P_a)的气象等级, 结合衡邵地区实际情况, 设定阈值|P_a|=15%、30%、40%、45%, 将雨涝和旱情划分为正常与轻、中、重、特涝(或旱).近56年来, 该区域P_a最高值为38%, 最低值为-31%, 分别发生在1994年和2011年, 表现为中涝与中旱(图 5).此外, 2002年为中涝, 1961、1970、1975、1997年为轻涝, 1963、1971、1974、1985、2003、2007、2013年为轻旱, 其余年份均为正常年(图 5).

1951年以来, 各地均存在雨涝和旱情, 且雨涝强度更大, 年降水距平百分率(P_a)介于-40%~60%之间, 最大值于2002年出现在城步, 为特涝; 最小值于2011年出现在邵阳, 为重旱(表 2).从雨涝来看, 中度以上水平1~5 a, 其中, 城步、东安、常宁等地特涝2 a, 邵阳、冷水江、邵东等地特涝1 a, 武冈和耒阳重涝2 a, 娄底、南岳、祁东等地重涝1 a, 其余为中涝; 轻涝3~10 a, 其中, 邵阳最多有10 a, 冷水滩最少为3 a(表 2).从旱情来看, 中度及以上水平0~3 a, 其中, 娄底、南岳、武冈、邵阳县无中度及以上旱情, 邵阳重旱1 a, 衡东重旱1 a和中旱1 a, 其余各站中旱1~3 a; 各地轻旱年份数量较多, 南岳最多有15 a, 冷水滩和常宁最少6 a(表 2).据统计, 雨涝站点出现最多的年份是1994年, 范围波及整个研究区域, 也是各地P_a最大值出现概率最多的年份, 其中, 邵阳、冷水江、东安等8个站点为特涝, 娄底、邵东、常宁等5个站点为重涝, 新化、南岳、绥宁等12个站点为中涝, 洞口、衡阳市和衡阳县为轻涝; 其次是2002年, 雨涝覆盖面积占比96.4%(洞口除外), 新宁、城步、常宁等地为特涝, 祁东和耒阳为重涝, 南岳、祁阳、衡阳等地为中涝, 其余各地为轻涝; 旱情站点出现最多年份是2011年, 范围覆盖占比96.4%(邵阳除外), 其中, 所有站点无特旱, 邵阳和衡东为重旱, 洞口、涟源、衡阳等19个站点为中旱, 其余为轻旱.

3.2.2 夏秋季节干旱特征

衡邵地区夏、秋季节降水主要受地形、海拔及东亚东南季风等因素共同影响, 其中, 季风影响更为显著, 地形与海拔因素使得湿润气流难以进入盆地, 导致该区域降水较周边区域偏少, 干旱特征明显.该区域属华中双季稻稻作区, 作为湖南省粮食主产区之一, 夏、秋季节干旱对水稻生长十分不利, 例如, “梅雨”(约6月)后接“伏旱” (约7、8月), 此时正值农忙“抢收抢种”时节, 易造成农业受损严重.鉴于此, 结合该区域历史降雨量观测值, 从农业气象干旱角度, 以国家标准中季、月尺度降水距平百分率划分的气象干旱等级为指标, 其中, 季尺度按照阈值-25%、-50%、-70%、-80%, 月尺度按照阈值-40%、-60%、-80%、-95%划分为正常与轻、中、重、特旱, 探讨夏、秋季节干旱特征.

由表 3可知, 1951年以来, 夏季所有站点无特旱, 重旱仅分布在邵阳盆地中的邵阳、新邵、新宁, 为1 a, 其余站点无重度旱情, 而秋季除了南岳、绥宁、常宁之外, 其余站点均有重旱及以上旱情1~5 a, 其中, 邵阳、新邵、邵东、新田特旱2 a, 新化、涟源、双峰、耒阳特旱1 a; 中旱水平夏季新邵无, 邵东、绥宁、耒阳和衡南最多为4 a, 而秋季双峰、衡山、城步最少为3 a, 耒阳最多为10 a; 轻旱水平除了新化和衡山, 其余站点夏旱年份数量(9~19 a)均多于秋旱(6~16 a).此外, 洞口、邵阳、城步夏旱年份数量最多, 为20 a, 衡山、绥宁、常宁数量最少, 为13 a; 耒阳秋旱年份数量最多, 为23 a, 祁东秋旱年份数量最少, 为13 a; 东安夏秋连旱年份数量最多, 为7 a, 绥宁数量最少, 为2 a(表 3).总之, 从数量上来看, 夏季干旱年份数量与秋季相当, 但秋季干旱强度要高于夏季, 且绝大部分站点干旱年份占整个研究期限的比例均在50%以上.

从“伏旱”角度来看, 7月, 各地发生特旱1~3 a(衡山、绥宁除外), 重旱2~9 a, 中旱5~12 a, 轻旱4~17 a; 8月, 发生特旱0~3 a, 其中, 祁阳最多为3 a, 涟源、东安2 a, 邵阳、新邵、衡山、衡阳、衡阳县1 a, 其余站点无特旱, 重旱1~7 a, 中旱3~10 a, 轻旱4~17 a(表 3).此外, 隆回7月旱情发生年份数量最多, 为29 a, 东安数量最少, 为19 a; 绥宁8月旱情数量最多, 为29 a, 邵东、邵阳县、衡阳数量最少, 为14 a; 隆回、东安7、8月连旱数量最多, 为10 a, 新宁、衡南数量最少, 为3 a; “伏旱”发生频率绥宁最高, 占整个研究期限比例的75%, 其次是双峰, 占比为73%, 邵阳县最低, 占比为48%(表 1和表 3).据统计, 2011年和2013年7月干旱最为严重, 2013年共有15个站点出现特旱, 甚至双峰、新宁、衡阳县、衡阳等地降水量为0 mm, 其次是2011年, 有6个站点为特旱.总之, 无论是干旱年份数量, 还是干旱强度, 基本上所有站点均为7月大于8月.同时, 各地“伏旱”年份占整个研究期限比例最高可达75%, 仅武冈为49%、邵阳县为48%, 其余地区发生频率均在50%以上, 对水稻种植业有明显的负面影响.

3.3 降水空间分布特征

衡邵地区降水主要受地形、海拔及东亚季风等多重因素影响, 其中, 地形与海拔因素是该区域旱涝多发的诱因, 主要影响降水空间分布状况.依据该区域年降水距平百分率, 以气候常年值为正常年型, 确定2002年和2011年分别为降水偏多年与偏少年(图 6a~6c).通过Pearson相关分析, 得出研究区正常年、2002年、2011年降水量与海拔(图 6e)呈显著正相关(p < 0.01), 相关系数分别为0.781、0.684、0.658, 表明该区域降水量受地形影响较大(许振湘, 1990).以南岳为例, 因东南季风过湘水流域时增加了空气中水汽含量, 外加迎风坡地形雨效应, 使之成为衡邵地区“雨极”, 其气候常年值为2058 mm(图 6a), 降水偏多年为2867 mm(图 6b), 偏少年为1537 mm(图 6c), 分别高出整体均值669、1033、586 mm.

从降水空间分布来看, 结合图 6e可知, 高值区主要位于研究区四周地势较高的地区, 这与地形迎风坡有密切联系, 低值区主要分布于衡阳、邵阳盆地范围内, 与其地形闭塞相关, 南岳因夏季风与地形雨双重因素驱动, 所有气象年均是该区域“雨极”.在降水正常年, 洞口、新化、冷水江等位于雪峰山脉东南部, 新田位于阳明山迎风坡, 降水量仅次于南岳, 盆地范围内绝大部分地区降水量相对较少, 城步因地形背风坡焚风效应, 降水量最少(图 6a); 在降水偏多年, 南岳、新田、常宁、新宁等地降水量都在2000 mm以上, 衡阳县向西至邵阳盆地范围内降水量相对较少, 邵东最低(图 6b); 气象干旱年降水普遍偏低, 仅南岳、东安、娄底、洞口、武冈、新化、冷水江降水量超过1000 mm, 衡东、邵阳甚至低于800 mm(图 6c).从降水变化趋势来看, 研究区北部、东部呈增加趋势, 中部、西部以减少趋势为主, 娄底、涟源、冷水江等地增加最为突出, 南岳、冷水滩、武冈等地下降最为明显(图 6d).

3.4 降水未来趋势探索性分析

衡邵地区Hurst指数介于0.2201~0.7084之间, 高值区位于新化、娄底、冷水滩、衡阳县和衡东, 低值区分布于隆回、邵东、双峰、邵阳县、新田等地.总体来看, 降水未来趋势持续性略高于反持续性(图 7a).结合图 6d和图 7a进行叠加分析, 得到气候未来变化趋势图(图 7b).冷水滩、南岳、绥宁、衡阳县等地降水有持续减少趋势, 其中, 冷水滩下降最为明显; 娄底、新化、冷水江、衡东、东安等地有持续增加趋势, 其中, 娄底上升最为明显; 邵东、邵阳县、武冈、常宁等呈反向增加趋势, 双峰、涟源、耒阳等为反向减少趋势(图 7b).此外, 衡南Hurst指数值最接近0.5, 表明其多年降水时间序列为随机过程.

4 结论(Conclusions)

1)1960—2015年衡邵地区降水量整体呈弱增加趋势, 气候倾向率为2.035 mm/10 a, 无突变特征.降水季节变率大, 春季和夏季降水多, 秋季和冬季相对较少, 多年均值分别为498、448、230、194 mm, 倾向率分别为-11.776、12.579、-4.746、6.131 mm/10 a, 春季降水无突变, 夏季2002年突变增加, 秋季1979年突变下降, 冬季1997、2005、2007年为突变点.年内降水分配不均, 主要集中在3—8月.此外, 各地建站以来年降雨量变化趋势有增有减, 仅武冈显著下降, 其下降幅度为-23.41 mm/10 a.M-K检验结果表明, 娄底、衡阳、武冈等8个站点存在突变.

2) 从年尺度降水距平百分率(P_a)来看, 近56年来, 衡邵地区1994、2002年表现为中涝, 2011年为中旱, 其余绝大部分为正常年, 且各站点P_a介于-40%~60%之间, 雨涝重于旱情.从季尺度P_a来看, 夏、秋季节干旱特征明显, 总体上夏季干旱年份在数量上与秋季相当, 但秋季干旱强度要高于夏季, 绝大部分站点夏、秋季节干旱年份占整个研究期限的比例均在50%以上.从月尺度P_a来看, “伏旱”年份占整个观测年限的比例最高可达75%, 仅武冈为49%, 邵阳为48%, 其余地区均在50%以上, 而无论是干旱年份数量, 还是干旱强度, 基本上所有站点7月均大于8月.

3) 衡邵地区降水受地形、海拔及东亚季风等因素影响较大, 南岳因夏季风与地形雨双重因素驱动, 所有气象年均是该区域“雨极”.从降水空间分布来看, 高值区主要位于研究区四周地势较高地区, 低值区主要分布于衡阳、邵阳盆地范围内.在降水正常年, 洞口、新化、冷水江、新田等降水量仅次于南岳, 盆地范围内绝大部分地区降水量相对较少; 在降水偏多年, 南岳、新田、常宁、新宁等地降水量较大, 衡阳县向西至邵阳盆地范围内降水量相对较少; 气象干旱年降水量普遍偏低, 衡东、邵阳甚至低于800 mm.从降水变化趋势来看, 研究区北部、东部降水表现为增加趋势, 中部、西部以减少趋势为主, 娄底、涟源、冷水江等地增加最为突出, 南岳、冷水滩、武冈等地下降最为明显.

4) 衡邵地区Hurst指数介于0.2201~0.7084之间, 高值区位于新化、娄底、冷水滩、衡阳县和衡东, 低值区分布于隆回、邵东、双峰、邵阳县、新田等地.总体来看, 降水未来趋势持续性略高于反持续性.冷水滩、南岳、绥宁、衡阳等地降水有持续下降趋势, 娄底、新化、冷水江、衡东、东安等有持续增加趋势; 邵东、邵阳县、武冈、常宁等呈反向增加趋势, 双峰、涟源、耒阳等为反向减少趋势.