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基于气象数据的云南省干旱时空变化特征分析

来源:好走旅游网
第42卷第2期 2017年4月 doi:10.3969/j.issn.1671-3168.2017.02.005 林业调查规划 V01.42 NO.2 Apr.2017 Forest Inventory and Planning 基于气象数据的云南省干旱时空变化特征分析 王涛,冯瑞斯,陈璐,张超 (西南林业大学林学院,云南昆明650224) 摘要:基于云南省31个站点47年的逐月观测气象数据,通过计算降水量距平百分率(P )及潜在 蒸散量(E )指数值,从时间和空间2方面对干旱发生频率及发生地点进行分析。结果表明: 1958--2004年,云南省春、夏、秋、冬4个季节均有发生干旱的情况。其中,冬季干旱最为严重,春季 次之,而夏季仅有2年发生了轻微干旱,其余年份夏季无旱。空间分布上,滇中与滇东南地区相对较 旱;滇西南降水充沛,极少干旱;滇北,尤其是与西藏接壤的迪庆地区旱情较为严重。云南省总体降 水量充沛,但降水在空问上分布不均和降水在时间上过于集中是导致干旱事件发生的重要原因。 关键词:干旱;降水量距平百分率;潜在蒸散量;干旱等级分布;时空变化特征;气象数据;云南省 中图分类号:S716 文献标识码:A 文章编号:1671—3168(2017)02—0020—05 Temporal and Spatial Analysis of Drought in Yunnan Province B ased on Meteorological Data WANG Tao,FENG Ruisi,CHEN Lu,ZHANG Chao (Southwest Forestry University,Kunming 650224,China) Abstract:Based on the monthly meteorological data of 3 1 sites in Yunnan Province,we analyzed varia— tion in drought temporal characteristics and the spatial distribution and frequency of drought based on per— centage of precipitation anomalies (P ) and potential eVapotranspiration (ETo) index.The results showed that:from 1958 to 2004,there were drought in spring,summer,autumn and winter in Yunnan Province,among them,the winter drought was the most serious,followed by spring,and then autumn, and only two years of summer occurred drought,and the rest of the years did not occurred drought in summer;In spatial distribution,central Yunnan and Southeast Yunnan were relatively dry.The south— western Yunnan,especially the Diqing area which bordered with Tibet,the drought was very serious;the total precipitation in Yunnan Province was abundant,but the spatial distribution of precipitation and the over—concentration of precipitation in time were the main reasons leading to the occurrence of drought in Yunnan Province. Key words:drought;percentage of precipitation anomaly;potential eVap0transpiration;drought distri— bution;temporal and spatial variation characteristics;meteorological data;Yunnan Province 收稿日期:2017-03-02 基金项目:国家自然科学基金项目(31460195和31660236). 作者简介:王涛(1991一),男,四川西昌人,硕士研究生.主要从事资源环境遥感的研究Email:1050789968@qq coin 通信作者:张超(1980-),男,河北唐山人,副教授,博士.主要从事森林经理学研究.Email:zhchgis@126.coin 第2期 王涛等:基于气象数据的云南省干旱时空变化特征分析 ・21・ 干旱作为一种常见的自然灾害,严重影响着农 业和经济的发展。近年来大量的事实证明,云南省 均,是我国洪灾和旱灾极为严重的省区之一。 1.2数据来源与处理 的干旱灾害正在加剧,但由于干旱的成因十分复杂, 监测和预警都较为困难¨。 。一般把干旱分为气象 干旱、水文干旱、农业干旱等,而气象干旱是各种干 旱的根本成因,因此只有探明气象干旱发生的机理 本文选用的气象数据主要为气象站点的实测数 据。选取了分布于云南省的31个气象站点(图I) 1958—2004年逐日的平均气温、平均降水、平均相 对湿度、平均日照时速、平均风速和平均干燥度,并 才能进一步地研究其他干旱,继而才能有效地监测 根据邻近站点的实际资料对部分站点缺失的资料进 和预警其他各类干旱 。目前国内外学者对于干 旱的研究普遍较多的是使用干旱指数来简化和描述 复杂的干旱 。干旱指数是表示干旱程度的一个 特征量,它是旱情描述的数值表达,在干旱分析中起 度量、对比和综合等作用。常用的干旱指数有降水 距平、标准差、Z指标和标准降水指数(SPEI)等 。 随着更多有价值有说服力的干旱指数的提出, 我国很多学者利用常用的干旱指数对各地的旱情特 征做了大量研究。周丹等 基于标准化降水蒸散 指数对陕西省近50年的干旱特征进行了分析,结果 揭示了陕西省干旱发生的时空和强度演化特征。马 琼等 。。基于标准化降水蒸散指数对黄土高原 1960--2012年干旱时空特征进行了研究。李伟光 等… 基于标准化降水蒸散指数对中国59年来干旱 的空间分布、四季干旱趋势变化和全国极端干旱事 件发生频次进行了分析,并定性分析了干旱发生的 原因。目前应用干旱指数研究干旱特征的研究主要 集中于我国西北部干旱特征较为明显的地区,但对 于云南省这样一个气候类型复杂多样,降水充足却 仍闹旱灾的地区研究尚比较缺乏。本文基于云南省 近几十年的气象数据,用降水量距平百分率计算方 法和潜在蒸散量计算方法分析了云南省近几十年干 旱时空特征,以期为全省的干旱监测预报和防旱减 灾工作提供可靠的理论依据。 1研究区与数据来源 1.1研究区概况 云南省(21。8 32”一29。15 8”N,97。31 39”~ 106。11 47”E)地处中国西南边陲,北回归线横贯本 省南部,东西直线距离为864.9 km,南北纵距为990 km,总面积39.4万km ,占全国面积的4.11%,位 居全国第8。地形条件复杂,地势起伏明显,地貌以 山地、盆地和高原台地为主。全省共有大小河流 600余条,并有著名的九大高原湖泊分布。气候类 型复杂多变,平均温度在5—24 ̄C左右,南北气温 相差达19 ̄C,全年降水充足,但干湿分明,分布不 行插值,以保证数据的完整性。 图1 研究区及气象站点分布 Fig.1 Study area and the mete0r0l0gical site distribution 2研究方法 2.1降水量距平百分率(P。)计算方法 降水量距平百分率(P )是指某个研究时长的 降水量与多年平均降水量之差占多年平均降水量的 百分比。它是表征某一时段降水量较多年平均值偏 多或偏少的指标,能直接反映降水异常引起的干旱, 在气象日常业务中多用于评估月、季度和年发生的 干旱情况。其表达式为: P :一=_P-P (1) P 式中,P为某一时间步长的降水量(mlY1),P为多年 平均降水量。 计算得到降水量距平百分率(P。)后,按《气象 干旱等级》的规定,结合云南省的实际情况,使用干 旱等级标准中的年尺度划分干旱等级。干旱等级的 划分标准如表1。 2.2潜在蒸散量( )计算方法 潜在蒸散量(E7"0)也称为可能蒸发量或大气蒸 发能力,是指大片而均匀的自然表面在足够湿润条 ・22・ 林业调查规划 第42卷 表1 降水量距平百分率干旱等级划分标准 Tab.1 Drought grade of the percentage of precipitation anomaly 件下水体保持充分供应时的蒸散量,它是实际蒸散 量的理论上限,也是实际蒸散量的计算基础。1998 年联合国粮食与农业组织修订并推荐了Penman— Monteith模型来计算参考作物的潜在蒸散量 (ETo) 12 3。其表达式为: E =E d+E 。 (2) 丌 打 900 : ㈩ (1_。)[ (钏R。一 【 (c—d√e )(e ~/) (4) SO 式中,E 为辐射项(mm/d);E 。为空气动力学项 (mm/d);R 为净辐射;A为水汽压对温度的斜率 (kPa/ ̄C);G为土壤热通量(MJm一2/d); 为干湿 球常数;U 为2 m高处的风速(m/s);e 为饱和水 汽压(kPa);e 为实际水汽压(kPa); 为Stefan— Boltzmann常数(4.903・10—9MJ・K一4・m一2・d 一1);Tk一为绝对温标温度( );n为实际日照时 速;N为可照时速;R为天文辐射;R 为太阳辐射; Rs0为晴天辐射;e=0.34,d=0.14,e=1.25;f= 0.35:a:0.25。b=0.5。 3结果与分析 3.1基于降水量距平百分率(P )的干旱特征分析 3.1.1时间特征分析 为能清楚地描述云南全省各个季节的降水量距 平百分率变化情况,生成多年春、夏、秋、冬4个季节 的平均降水量距平百分率变化趋势图(图2)。春季 降水量距平百分率(P, )年际变化较明显,而且有轻 微升高的趋势。最低年份为1958年,P 值为一 48.O5,最高年份为1990年,P 值为61.53。就春季 来说,共计14年发生了不同程度的干旱。其中,特 旱的年份有3年,分别是1958、1963和1969年;重 旱的年份为1987年;中旱的年份有3年,轻旱有7 年。夏季降水量距平百分率(P )年际变化较明显, 且有轻微降低的趋势。最低年份为1992年,P 值 为一24.96,最高年份为1966年,P 值为28.77。轻 旱年份有2年,分别为1989和1992年,无中旱、重 旱、特旱年份。夏季基本无旱或轻旱。秋季降水量 距平百分率的变化趋势随时间的推移没有明显向上 或向下的变化趋势,但波动较大,P 值忽高忽低。 最低年份为1962年,P 值为一35.76,最高年份为 1983年,P 值为35.93,共5年发生不同程度的干 旱。其中,中早年份有4年,分别是1958、1962、 1969和1998年;1960年为轻早年份。冬季降水量 距平百分率的变化趋势随时间的推移没有明显向上 或向下的变化趋势,且P 值忽高忽低,最低年份为 1974年,P 值为一72.51,最高年份为1959年,P 值为141.02。冬季共发生了19次程度不同的干 旱,其中,特旱、中旱、轻旱年份相对较多。特旱年份 有5年,重旱年份有2年,中早年份有4年,轻旱年 份有8年。 3.1.2空间特征分析 利用ArcGIS里的Natural breaks依据干旱等级 标准将每个站点的P 值分为5个等级,分别为:重 旱(一45<P。≤一40)、中旱(一40<P ≤一30)、轻 旱(一30<P ≤一15)、无旱(一15<P ≤0)和无旱 (P >0)(图3)。由图3分析可知,在这31个气象 站点中,3个站点处于重旱中,P 值分别为:一 43.15、一42.86、一42.58,依次位于云南中甸、元谋、 德钦3个县份。1个站点处于中旱,P,.值为一 36.99,位于云南昭通。6个站点处于轻旱,P 值分 另0为:一29.09、一28.67、~24.09、一22.95、一18.2 和一16.81,依次位于云南会泽、元江、蒙自、楚雄、玉 溪、泸西。1O个站点的P 值处于一15~0之间,处 于云南省降水量平均值之下,水分缺失较少。云南 省西南地区站点的P, 值基本大于0,相对湿润。 3.2基于潜在蒸散量【ET )的干旱特征分析 3.2.1时间特征分析 为了能清楚地描述云南全省各个季节的潜在蒸 散量(E )变化情况,生成多年春、夏、秋、冬4个季 节的平均降水量距平百分率变化趋势图(图4)。 1958--2004年的春季潜在蒸散量(E )随时间的推 第2期 王涛等:基于气象数据的云南省干旱时空变化特征分析 ・23・ 妻 8^.8 A/\ ^8 f 『y 975V BV V2。 1厂、^ n M。 。^,、 _ / ^^ ^ 八., y ’ V 图2各年度春、夏、秋、冬季降水量百分率变化趋势 Fig.2 Change trend curve of percentage of precipitation anomaly of four seasons E 值都分布在230~275之间,变化幅度比较小。 秋季潜在蒸散量(ETo)随时间的推移有明显的向上 或向下变化趋势,其范围值在236.61~280.26之 间,平均值为256.01。从图4来看,该值上下波动 较为明显,1998年E 值最高,为280.26,需水量较 多,相对较为缺水;1988年E 值最低,为236.61, 需水量较少,较为湿润。冬季潜在蒸散量(E )并 无明显向上或向下变化的趋势,其范围值在295.16 ~396.33之间,平均值为341.65,相对其他季节较 高。1991—20o4年(除2000年以外)比较平缓,变 化较小,而1991年之前E 值变化较大。 3.2.2空间特征分析 旱) 分别计算每个点的潜在蒸散量(ETo),并利用 ArcGIS里的Natural breaks将潜在蒸散量(E )值 图3 基于降水量距平百分率的干旱等级分布 Fig.3 Drought grade distribution of percentage of precipitation anomaly 分为6个等级,分别为:1 000~1 300、1 300~ 1 600、1 600~1 900 1 900~2 200 2 200—2 500 2 500~2 800(图5)。 在这31个气象站点的潜在蒸散量(ETo)值中, 移有轻微上升的趋势,其范围值在256.17~ 303.64之间,平均值为278.52。该值忽高忽低,没 有明显的规律。1967年E 值最高,需水量最多, 相对较缺水。1974年E 值最低,需水量较少,为 256.17,相对湿润。夏季潜在蒸散量(Ero)随时间 的推移没有明显向上或向下的变化特征,其范围值 在216.88~275.22之间,平均值为252.08,相比 最高值为2 566.89,位于德钦县;最低值为 1 165.53,位于元谋县。德钦、中甸、贡山、屏边等县 值较高,需水量较多,较为缺水。由于云南地处 低纬度高原,地理位置特殊,地形地貌复杂,气候类 型十分丰富,南北高差悬殊达6 663.6 m,导致云南 省气候区域差异和垂直变化十分明显。全省范围内 因纬度因素造成了很大的温差,加上不同大气环流 较其他季节,E 均值有所下降,除1983年的 222.87和1992年的216.88较低以外,其余年份的 的影响,降水在季节和地域上的分配极不均匀,6—8 月的降水约占全年的60%。所以,单纯地研究整个 ・24・ 林业调查规划 第42卷 图4各年度春、夏、秋、冬季潜在蒸散量变化趋势 Fig.4 Change trend curve of potential eVapOtranspiratiOn of four seasons 在蒸散量(E ),从时间尺度和空间尺度2个方面, 分析了云南省47年四季干旱的时空变化特征,主要 结论如下: 1)云南省降水量在季节上分布不均匀,夏季降 水较为充沛,春季和冬季降水较少,特别是冬季。按 等级标准划分,春季表现为中旱,冬季为特旱,秋季 和夏季无旱。 2)从时间变化上看,1958--2004年,共有l4个 年份在春季发生了不同程度的干旱。夏季轻旱年份 有2年,分别是1989和1992年,且夏季无中旱、重 旱和特早年份。秋季中早年份有4年,分别是 1958、1962、1969和1998年,且无重旱、特早年份。 冬季共有19个年份发生了不同程度的干旱,其中, 特旱、中旱、轻早年份相对较多,特旱年份5年、中旱 4年、轻旱8年。 图5 基于潜在蒸散量的干旱等级分布 Fig.5 Drought grade distribution of potential eVap0transpirati0n 3)从空间分布上看,滇中与滇东南地区相对较 旱。滇西南降水充沛,极少干旱。滇北,尤其是与西 藏接壤的迪庆地区旱情较为严重。 云南省气候特征来反映整个省的干旱情况有失偏 颇,划分区域和季节(或月份)对云南省的干旱进行 研究十分必要。 虽然降水量距平百分率指数(P )和潜在蒸散 量( 7'0)在一定程度上能够较为准确地反映一个地 区的干旱情况,但由于云南省特殊的地理位置和气 候条件,在分析旱情时不能单纯、笼统地分析整个云 4结论与讨论 利用云南省1958--2004年31个气象站点的逐 月观测数据,基于降水量距平百分率指数(P )和潜 南省的干旱特征。划分更细的时间和空间尺度将是 今后研究的重点。 (下转第29页) 第2期 张宝等:槭属植物叶脉脉序的比较研究 ・29・ 少数种类会同时具有2种脉形的叶,如金沙槭, 全缘叶为真曲行羽状脉,主脉1条,在3裂叶上则为 在此一并致谢! 及缘掌状脉,具3条主脉;但如飞蛾槭,虽部分叶片 也为不明显3裂,但侧生2条较长脉的在脉级水平 上与二级脉同级,仍属于二级脉,故整体脉形仍然为 羽状脉。 参考文献: [1]徐廷志.翅果形态及其在槭树科分类与演化上的意义 [J].广西植物,1996,16(2):109—122. [2]杜凤国,张玉钩,马域金.东北槭属的种子表皮雕纹及在 分类学上的意义[J].植物研究,1998,18(3):361-365. [3]喻诚鸿,陈泽濂.华南木本双子叶植物叶的宏观结构资 料I.术语与方法[c]//.中国科学院华南植物研究所 集刊,1986(2):83—97. 3分析与讨论 从整体脉序来看,槭属植物的叶脉脉序特征在 种内比较稳定一致,种间差异明显。但是,叶脉脉序 类型在组系内的一致性很低,组系间常有交叉(图 版2),所以不能作为同组或同系的共有特征,从叶 脉特征上也说明了槭属是一个高度分化的类群,槭 属性状状态间存在着较多的平行和逆转进化,性状 状态间的演化路线也不是单一的,而是平行的、多次 的,并且包括有特化的状态[4,5 3。 [4]田欣.槭树科系统学与生物地理学[D].昆明:中国科 学院昆明植物研究所,2003. [5]田欣,李德铢.槭树科植物广义形态学性状分支分析 [J].云南植物研究,2004,26(4):387—397. [6]王永,何顺志.贵州小檗属植物(小檗科)叶脉脉序研 究[J].广西植物,2015,35(4):476—486. [7]刘颖,孙稚颖,李法曾.十字花科芸薹族植物叶脉脉序 的研究[J].西北植物学报,2006,26(3):0544—0550. 致谢:实验材料的采集工作得到王仕锦、陈小涛、熊 冬兰等人的帮助,李汶霏提供了叶脉术语相关文献, [8]胡蓉,周春景.4种柑橘属植物叶脉脉序比较研究[J]. 内江师范学院学报,2011,26(2):34—36. (上接第24页) —change impacts On drought conditions in Czechia[J]. Theoretical and Applied Climatology,2009,96(1/2):155 —参考文献: [1]DAI A G,TRENBERTH K E,QIAN T T.A global dataset of Palmer Drought Severity index for 1870-2002:Relation- 171. [7]陆桂华,闫桂霞,吴志勇,等.近50年来中国干旱化 特征分析[J].水利水电技术,2010,41(3):78—82. [8]王劲松,郭江勇,周跃武,等.干旱指标研究的进展与 展望[J].干旱区地理,2007,30(1):61—67. [9]周丹,张勃,任培贵,等.基于标准化降水蒸散指数的 陕西省近50a干旱特征分析[J].自然资源学报,2014 (4):677—688. ship with soil moisture and effects of su/ ̄ace warming[J]. J Hydrometeor,2004,5(6):1117—1130. [2]NICHOLLS N.The changing nature of Australian droughts [J].Clim Change,2004,63(3):323-336. [3]赵海燕,张强,高歌,等.中国1951—2007年农业干 旱的特征分析[J].自然灾害学报,2010,19(4):201 —206. [1O]马琼,张勃,王东,等.1960--2012年甘肃黄土高原 干旱时空变化特征分析——基于标准化降水蒸散指 数[J].资源科学,2014(9):1834—1841. [4]包云轩,孟翠丽,申双和,等 基于CI指数的江苏省 近5O年干旱时空分布规律[J] 地理学报,2011,66 (5):599-608. [11]李伟光,易雪,侯美亭,等.基于标准化降水蒸散指 数的中国干旱趋势研究[J].中国生态农业学报, 2012,2O(5):643—649. [5]曹永强,路璐,张兰霞,等.基于z指数的辽宁省气象 干旱时空特性分析[J].资源科学,2012,34(8):1518 —1525. [12]何慧根,胡泽勇,苟学义,等.藏北高原季节性冻土 区潜在蒸散和干湿状况分析[J].高原气象,2010,29 (1):1O一16. [6]DUBROVSKY M,SVOBODA M D,TMKA M J,et a1. Application of relative drought indices in assessing climate 

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