云南水分盈亏量变化特征研究

杜 俊，李 蒙，李善德

（1.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021；2.云南省气候中心，昆明 650034；3.湖南省龙山县水利局，湖南 龙山 416800）

0 引 言

云南自然地理环境特殊，立体气候明显，气象灾害频繁且种类繁多，素有“无灾不成年”的说法[1,2]。在气象灾害当中，旱灾，尤其是冬春和初夏干旱是影响云南农业生产最为严重的气象灾害，为众灾之首[3,4]。云南干旱通常是由于水分供求不平衡造成，降水偏少、蒸发偏大，导致空气干燥、土壤缺墒，水源枯竭而影响农作物的正常生长以及人畜饮水短缺[4]，研究[5,6]认为，降水量、潜在蒸散量以及水分盈亏量，是反映地区旱涝的重要指标，水分盈亏量作为降水量与同期潜在蒸散量的差值受风速、平均速度、日照、湿度等气候敏感因子的影响，能真实地反映气候条件对农作物的水分盈亏量的影响程度，具有很强的机理性，对农业干旱的评估具有十分重要的意义[7,8]。在潜在蒸散量的研究中，当需要的气象数据均能得到满足时，Penman-Monteith（PM）方法被FAO 推荐为估算参考作物蒸散量的唯一方法，并得到了广泛应用[9,10]。

随着全球气候变暖对云南的影响日趋显著，气候变化对云南气象灾害尤其是干旱灾害的影响研究也得到了研究学者的关注[11-16]，但是研究主要集中在干旱相关气象要素变化特征分析[11,12]、气候变化及气象干旱对区域、行业影响分析[13-15]、气象干旱风险评估[16]方面，现有研究中更多的关注特定区域、特定行业和对象，或者是宏观的风险评估，整体上对于气象干旱指标的变化特征、演变趋势关注不多。而且目前关于云南潜在蒸散及水分盈亏量的计算研究及变化特征研究较少，需要补充新的方法和指标研究云南气象干旱的变化特征。本文将以云南水分盈亏量作为干旱评估指标，研究其典型时段的时空分布及变化特征，寻找云南水分盈亏量和气象干旱的“转型”时间。

1 资料及方法

1.1 资料

本研究使用云南117个观测时段长、台站搬迁影响小、资料完整的气象站逐日气象资料进行相关统计及计算，主要包括逐日降水量，日照时数，日照百分率，平均风速，日平均气温、最高气温，最低气温、水汽压等，资料来自云南省气候中心。研究选取1961-2013 年逐年、冬春季（11 月-次年4月）、初夏（5-6 月）3 个代表时段作为云南气象干旱关键期，分别计算、分析关键期的多年平均降水量、潜在蒸散量及水分盈亏量的空间分布特征及气候变化特征，并进行突变分析。

1.2 水分盈亏量的计算

水分盈亏量使用降水量与潜在蒸散量的差值表示，数值为正表示水分盈余，而数值为负表示水分亏缺。月、年水分盈亏量由逐日数据计算，潜在蒸散使用Penman-Monteith 方法计算[6]：

式中：ET0为潜在蒸散量，mm/d；Rn为地表净辐射，MJ/（m2·d）；G为土壤热通量，MJ/（m2·d）；T为2 m 高处日平均气温，℃；U2为2 m 高处风速，m/s；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水气压，kPa；Δ为饱和水气压曲线斜率，kPa/℃；r为干湿表常数，kPa/℃。

1.3 线性变化趋势分析

使用气候倾向率来进行降水量、潜在蒸散及水分盈亏量的线性变化趋势分析。使用最小二乘法进行线性拟合和求取气候倾向率，倾向率的符号表示要素的变化趋势倾向，正号表示上升，负号表示下降[17,18]。显著性水平取0.1，如果统计量小于显著性水平，则认为趋势是显著的。

1.4 突变分析

要素变化的突变分析使用Mann-Kendall 方法(简称M-K)，它是一种非参数的统计方法，样本并不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值干扰，更适用于类型变量和顺序变量,计算也比较简便，很适合气候要素时间系列的突变检验[17-19]。本研究给定显著性水平为0.05，临界值为正负1.96。

1.5 周期分析

本文采用Morlet小波[20]分析方法，基于小波的伸缩和平移等运算功能对序列进行多尺度细化分析，研究序列的周期演变情况。Morlet小波计算式如下：

式中：Wf(a,b)称为小波变换系数；△t为取样时间间隔；k=1,2 , …,n；a为时间尺度因子，1/a在一定意义上对应于频率w，反映小波的周期长度；b为时间因子，反映时间上的平移；ψ(t)为Morlet 小波函数，ψ(t) =eicte-t2/2；T为周期，当参数c取6.2时T≈a。

Wf(a,b)随参数a和b变化，可作出小波变换系数图。通过该图可得到变量基于小波变化的时间变化特征，小波变换系数绝对值越大，表明该时间尺度变化越显著，等值线中心对应的尺度为序列变化的主周期。

2 结果与分析

2.1 关键期降水的变化特征

云南大部地区多年平均年降水量在600～1 000 mm，滇西南大部、滇东南南部和东部、滇东北南部、怒江大部等地年降水量大于1 000 mm，其中曲靖南部、红河南部、普洱南部、德宏大部、怒江北部等地年降水量大于1 500 mm，局部大于2 000 mm，空间差异十分显著。由图1看出，1961年以来，云南平均年降水量表现为减少趋势，倾向率为-16.3 mm/10a，并且在2006年前后出现突变，但并不显著[图2（a）]。从年代际变化来看云南平均年降水1990s 最大，2011-2013 年最小，全省平均降水在2000 年以前总体变化平缓，但在2000 年之后呈现明显的下降趋势，尤其2009 年以来降水持续偏少。由图2（a）可看出，1961 年以来，云南各地年降水量以减少趋势为主，有88%的地区年降水量呈现减少趋势，其中24%的地区减少明显，全省仅12%的地区年降水量变化趋势表现为增加，但并不显著。全省降水量呈现递减幅度最为显著的地区主要集中在滇东北、滇东南东部、滇中东部地区，其中曲靖南部大部地区变化幅度在-40 mm/10a 以上，而增加的主要区域集中在迪庆北部、保山中部、大理南部等地，大多增幅在10 mm/10a以内。

图1 云南年降水量年际变化趋势Fig.1 Interannual variation trend of annual precipitation in Yunnan

图2 关键期降水的变化倾向率及全省平均降水变化突变检验Fig.2 The change trend and M-K catastrophe of precipitation in key time

全省常年平均冬春季降水量除了丽江、大理北部、楚雄北部等地的冬春季降水量小于100 mm 以外，其余大部地区降水量在100～200 mm，仅滇东南南部、怒江大部、普洱西南、临沧北部等地降水量大于200 m。由图3 看出，1961 年以来，云南平均冬春季降水量表现为减少趋势，倾向率为-1.34 mm/10a，但并不显著，且没有发生明显的突变[图2（b）]。从年代际变化来看云南冬春季平均降水1990s最大，2011年以来最小，全省平均冬春季降水在1960s 表现为明显上升，但在1990s 末期之后呈现明显的下降趋势。由图2（b）可看出，1961 年以来，全省各地冬春季降水量以减少趋势为主，有63%的地区降水量呈现减少趋势，局部地区变化显著，其余37%的地区表现为增加趋势，但均不显著。全省大部地区冬春季降水量变化幅度在10 mm/10a以内，其中滇中大部及滇西北北部、曲靖北部等地表现为增加，其余地区表现为减少趋势。

图3 云南冬春季降水量年际变化趋势Fig.3 Interannual variation trend of precipitation in Yunnan in winter and spring

全省常年平均初夏降水大部地区为200～400 mm，大理、迪庆大部及楚雄东部、昭通中部等地不足200 mm，而红河南部、德宏、曲靖南部等地降水量大于400 mm，局部大于600 mm，南北差异十分显著。由图4 看出，1961年以来全省平均5-6 月降水总体呈现下降趋势，倾向率为-1.75 mm/10a，但下降趋势不显著，也没有发生明显的突变[图2（c）]。5-6 月全省平均降水在1960s～1980s 期间变化比较平稳，但1990s 呈现明显的增加趋势，而2000 年以来则呈现明显的减少趋势，尤其是2009 年以来持续降水偏少。从年代际看5-6 月全省平均降水2000s 最大，而1990s及2011-2013 年最少。由图2（c） 可看出，1961 年以来，全省5-6 月降水量变化趋势以减少为主，全省60%的地区呈现减少趋势，其中仅10%的区域变化显著，全省40%的地区呈现增加趋势，但变化均不显著。云南5-6 月降水呈现增加的地区主要是楚雄、文山、红河中部等地，而递减趋势最为明显的地区主要是昭通、曲靖北部、大理等地，递减速率超过10 mm/10a，其余大部地区递减速率小于5 mm/10a。

图4 云南初夏降水量年际变化趋势Fig.4 Interannual variation trend of early summer precipitation in Yunnan

2.2 关键期潜在蒸散的变化特征

云南大部地区常年年均潜在蒸散量为600～800 mm，昭通北部及怒江大部小于500 mm，普洱、西双版纳、文山的大部地区为500～600 mm，楚雄北部、昆明北部等金沙江干热河谷地区及大理东部等地大于800 mm，局部大于1 000 mm，全省平均常年潜在蒸散为660.1 mm。由图5 看出，1961 年以来全省平均年潜在蒸散表现呈减少趋势，减少速率为10.2 mm/10a，并且在1988年前后出现显著突变[图6（a）]。从年代际变化来看全省潜在蒸散1970s 最大为698.1 mm，1990s 最小为642.3 mm，在1990s 变化幅度最小，2000s 变化幅度最大。全省潜在蒸散在1970s末期开始呈现明显的下降趋势，但从2000年开始呈现明显的上升趋势。由图6（a）可看出，1961 年以来，全省各地年潜在蒸散以减少趋势为主，有75%的地区潜在蒸散呈现减少趋势，而且其中76%的地区变化显著，其余25%的地区表现为增加趋势，其中约一半的地区变化显著。全省年潜在蒸散递减趋势最为显著的地区主要集中在金沙江干热河谷地区及曲靖北部等地，而增加的主要区域集中在滇西北中部及滇西南南部地区。

图5 云南年潜在蒸散年际变化趋势Fig.5 Interannual variation trend of annual potential evapotranspiration in Yunnan

图6 关键期潜在蒸散的变化倾向率及全省平均潜在蒸散变化突变检验Fig.6 The change trend and M-K catastrophe of the potential evapotranspiration in key time

云南大部地区常年冬春季节潜在蒸散为300～400 mm，滇西边缘及滇西南大部、滇东南东部等地潜在蒸散小于300 mm，其中怒江北部及昭通北部等地小于200 mm，而北部金沙江河谷地区及大理东部、红河中部等地潜在蒸散大于400 mm，局部大于500 mm。由图7 看出，1961 年以来全省平均冬春季潜在蒸散表现为减少趋势，倾向率为-5.9 mm/10a，并同样在1988 年前后出现显著突变[图6（b）]。从年代际变化来看全省冬春季潜在蒸散1970s 最大，1990s 最小，全省冬春季潜在蒸散在1970s 末期开始呈现明显的下降趋势，但自2000 年以来呈现明显的上升趋势，尤其2009 年以来潜在蒸散明显高于常年值。由图6（b） 可看出，冬春季潜在蒸散空间变化趋势与年潜在蒸散量变化较为一致，但整体上变化速率要低于年潜在蒸散量。

图7 云南冬春季潜在蒸散年际变化趋势Fig.7 Interannual variation trend of potential evapotranspiration in Yunnan in winter and spring

云南大部地区初夏常年潜在蒸散为100～160 mm，低于100 mm 的地区主要是在怒江及昭通北部的局部地区，大于160 mm 的地区主要是分布在丽江、大理东部、楚雄北部、红河中部、玉溪南部、昆明北部等地。由图8 看出，1961 年以来全省平均初夏潜在蒸散表现为减少趋势，倾向率为-2.57 mm/10a，并同样在1993 年前后出现显著突变（图6（c））。从年代际变化来看全省冬春季潜在蒸散1960s 最大，2000s 最小，全省冬春季潜在蒸散在1980s 末期至1990s 末期开始呈现明显的下降趋势，但自2000 年开始呈现明显的上升趋势。由图6（c）可看出，1961 年以来，全省各地初夏潜在蒸散以减少趋势为主，有81%的地区潜在蒸散呈现减少趋势，而且其中54%的地区变化显著，其余19%的地区表现为增加，其中23%的地区变化显著。全省年潜在蒸散减少趋势最为显著的地区主要集中在金沙江干热河谷地区及曲靖北部等地，而增加的主要区域集中在滇西北南部及滇西南南部地区。

图8 云南初夏潜在蒸散年际变化趋势Fig.8 Interannual variation trend of early summer potential evapotranspiration in Yunnan

2.3 关键期水分盈亏量的变化特征

云南常年平均年水分盈亏量为425.7 mm，全省约有8%的地区降水小于蒸散，即水分常年亏缺，常年平均水分亏缺最多的是宾川，盈亏量最多的是金平。全省大部地区年水分盈亏量在200 mm 以上，其中滇西南大部、滇东南南部及昭通北部、怒江大部等地水分盈亏量在500 mm 以上，局部大于1 000 mm，但昆明北部、楚雄北部、大理东部、红河西部等地常年水分盈亏量为负，即水分供应为亏缺状态。由图9 看出，1961 年以来全省平均年水分盈亏量表现为减少趋势，倾向率为-6.1 mm/10a，但没有表现出明显的突变特征[图10（a）]。从年代际变化来看全省平均水分盈亏量1990s 最大，1970s 及2009-2013 年最小。全省平均水分盈亏量在2000 年以前总体表现为增加，但在2000 年之后呈现明显的下降趋势，尤其2009 年以来水分盈亏量持续减少。由图10（a）可看出，1961 年以来，全省各地年水分盈亏量以减少趋势为主，有60%的地区潜在蒸散呈现减少趋势，其中约22%的地区变化显著，其余40%的地区表现为增加趋势，约20%的地区变化显著。全省年水分盈亏量下降趋势最为显著的地区主要是曲靖中南部、文山、普洱南部、西双版纳及大理西部等地，减少速率超过20 mm/10a，金沙江干热河谷地区及曲靖北部、保山、德宏等地年水分盈亏量增加趋势最为明显，大部分地区增加速率超过10 mm/10a，意味着这些地区年度水分供应条件逐步改善。

图9 云南年水分盈亏量年际变化趋势Fig.9 Interannual variation trend of annual water surplus in Yunnan

图10 关键期水分盈亏量的变化倾向率及全省平均水分盈亏量变化突变检验Fig.10 The change trend and M-K catastrophe of the water surplus in key time

云南常年平均冬春季水分盈亏量为-157.3 mm，即常年水分供应不足，为亏缺状态，全省仅怒江、红河南部、昭通北部等地的不足全省10%的地区常年冬春季水分盈余，即降水量大于潜在蒸散，冬春季常年水分盈余量最多的是贡山县，亏缺最多的是东川区，滇中及以北的大部地区常年水分亏缺200 mm 以上，其中丽江、楚雄北部、昆明北部等地水分亏缺在300 mm以上。由图11看出，1961年以来全省平均冬春季水分盈亏量表现为增加趋势，增加速率为4.6 mm/10a，但没有表现出明显的突变特征[图10（b）]。从年代际变化来看全省平均水分盈亏量1990s 最大，1970s 最小。云南冬春季水分盈亏量经历了两个明显的上升期分别是1960s-1980s初期及1980中期-1990s末期，但2000年以来水分盈亏量呈现明显下降趋势。由图10（b）可看出，1961年以来，全省各地冬春季水分盈亏量以增加趋势为主，有70%的地区潜在蒸散呈现增加趋势，其中38%的地区变化显著，其余30%的地区表现为减少趋势，其中不足10%的地区变化显著。全省冬春季水分盈亏量呈现递增幅度最为显著的地区主要集中在楚雄、昆明大部及曲靖北部等地，增加速率大于10 mm/10a，而减少的主要区域集中在滇西北中部及滇西南南部及滇东南南部等地。

图11 云南冬春季水分盈亏量年际变化趋势Fig.11 Interannual variation trend of water surplus in Yunnan in winter and spring

云南常年平均初夏水分盈亏量为145.0 mm，全省仅3%的地区水分常年亏缺，常年平均水分亏缺最多的是宾川，盈亏量最多的是金平。全省大部地区年水分盈亏量在200 mm 以内，曲靖南部、红河南部及西双版纳、德宏等地水分盈亏量常年大于300 mm。由图12看出，1961年以来全省平均年水分盈亏量表现为增加趋势，倾向率为0.8 mm/10a，但没有表现出明显的突变特征（图10（c））。从年代际变化来看全省平均水分盈亏量1990s 最大，1970s 最小。全省平均水分盈亏量在2000 年以前总体表现为增加，但在2000 年之后呈现明显的下降趋势，尤其2009 年以来水分盈亏量明显偏少。由图10（c）可看出，1961 年以来，全省各地初夏水分盈亏量以增加趋势为主，有66%的地区水分盈亏量呈现增加趋势，但仅5%的地区变化显著，其余34%的地区表现为减少趋势，其中不足10%的地区变化显著。全省初夏水分盈亏量增加趋势最为显著的地区主要集中在滇中北部地区，而呈减少趋势的主要区域集中在滇西和滇西南南部地区。

图12 云南初夏水分盈亏量年际变化趋势Fig.12 Interannual variation trend of early summer water surplus in Yunnan

按小波分析法分别对云南省1961-2013 年的年、冬春季、初夏季的水份盈亏量系列作多时间尺度分析，绘制小波变换系数图（见图13）。根据图中等值线的震荡情况可以看出，年水份盈亏量系列具有7 年、30 年等2 个显著的周期，并在30～35 年出现聚合，但震荡较之前减弱，反映出最长可能存在30～35 年左右的周期，随着时间的进一步推移，周期性将趋于模糊；冬春季水份盈亏量系列具有2 年、5 年、10 年等3 个显著的周期，最长可能存在50 年左右的周期；初夏季水份盈亏量系列则具有4 年、8 年、25 年等3 个显著的周期，最长可能存在的周期在25～30 年左右。对比发现，水份盈亏量的年系列周期最长、夏季次之、冬春季最短。

图13 水份盈亏量系列的Morlet小波变换系数图Fig.13 MORLET wavelet transform coefficient diagram of water surplus and deficit series

3 讨 论

（1）Penman-Monteith 方法虽然计算复杂，所需参数较多，但是基于该方法计算分析云南各地潜在蒸散、水分盈亏量变化特征具有较强的机理性和适用性。基于Penman-Monteith 方法计算的云南冬春季大部地区常年水分盈亏量为负值，处于水分亏缺状态，而初夏及年水分盈亏量为正值，即处于水分盈余状态，很好的揭示了云南干湿季分明，雨热同季，冬春干旱为常态化的季节性干旱的特点。

（2）基于云南水分盈亏量的气象干旱特征分析基本体现了云南暖干化特征及2000 年以来水分盈亏量明显减少，气象干旱频发的特点，对于一些典型干旱年份、尤其是2009-2013年连续干旱都有较为一致的体现，水分盈亏量明显较常年偏少。但是，不同关键期水分盈亏量年际变化仍有较大的差异，原因在于年水分盈亏量体现的是整个年度水分供应与需求的差距，体现的是一个总量的变化，而冬春和初夏则是体现部分时段的盈亏量，更能表征云南气象干旱阶段性和季节性的特点，具有更好的适用性。

（3）本研究以关键时段水分盈亏量作为一种表征云南气象干旱评估的指标，可以客观描述不同时段水分亏缺程度，在气象干旱强度客观评估上具有一定的应用前景。但是该方法还缺乏与承灾体及其特性的结合，需要进一步构建基于水分盈亏量的气象干旱监测评估及风险预估模型以及分级标准，并结合农作物等承灾体需水特性，细化评估不同承灾体不同时期的气候适宜性和气象干旱风险。另外，该指标还不能动态化客观定量的刻画区域气象干旱事件的演变过程和强度变化，仍需要研发基于该指标的干旱事件综合评估模型，结合干旱灾情继续深入研究该指标的适用性，进一步研究干旱过程的客观化识别方法和模型，实现对干旱过程更为全面的监测和评估。

4 结 论

（1）1961 年以来云南平均年、冬春季、初夏降雨量均呈现减少的趋势，年降水量减少速率最大，初夏次之，冬春季减少速率最小。各关键期降水量在年代际变化上有一定差异，但2000 年以来均表现出明显的减少趋势，尤其是2009 年以来各关键期降水量明显偏少，年降雨量在2006年前后出现突变，但变化不显著，全省平均初夏、冬春季降水量没有明显的突变特征。云南各地年、冬春季、初夏降雨量大部地区呈减少趋势，但空间差异显著，呈减少趋势的分布范围大小、高低值中心都不一致，总体上来说东部和西部减少趋势更为明显，而北部增加趋势较明显。

（2）1961 年以来云南平均初夏、冬春季、年潜在蒸散总体呈现减少的趋势，年潜在蒸散减少速率最大，冬春季次之，初夏减少速率最小，各关键期的潜在蒸散量在20 世纪60-70年代高于其他年代，而20 世纪90 年代或本世纪前十年低于其他年代，而且均在20 世纪80 年代后期或90 年代初期出现突变，变化趋势由下降向上升转变，尤其2000 年以来上升更为显著。与降水量的变化速率空间差异较大不同，各关键期的潜在蒸散量变化速率空间分布呈现一致性，滇中、滇东北地区的增加速率明显大于其他地区，而滇西和滇西南增加速率明显大于其他地区。

（3）1961 年以来全省平均水分盈亏量表现为减少趋势，而冬春季及初夏水分盈亏量则表现为增加趋势，主要是年潜在蒸散量的减少速率小于降水量，不利于水分盈余；而冬春季和初夏则刚好相反，蒸散量减少的幅度大于降水，有利于水分盈余，尤其是冬春季潜在蒸散量的减少速率是降水量的4倍，从而导致冬春季水分盈亏量出现明显的增加趋势。虽然云南1961 年以来平均初夏、冬春季、年水分盈亏量变化趋势和速率不一，但从2000 年开始至2013 年，年、冬春季、初夏降雨量出现明显的减少，潜在蒸散量明显上升，因此水分盈亏量明显减少，说明自2000 年以来云南整体上自然降水供应不足，气象干旱整体呈现增强趋势。