1 引言

干旱的内涵十分广泛, 各个学科对干旱有不同的科学认识, American Meteorological Society(1997)在总结各种干旱定义的基础上将干旱分为四种类型:气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱。其中气象干旱是指某时段内, 由于蒸发量和降水量的收支不平衡, 水分支出大于收入而造成的水分短缺现象。干旱指标是干旱监测、评估的基础, 定义一个客观的干旱指标并能较好的反映干旱程度是干旱研究的基本问题之一。但是由于干旱的复杂性, 难以用一个统一的指标来检测各地的干旱。袁文平和周广胜(2004)认为目前的干旱指标都是建立在特定的地域和时间范围内的, 难以准确反映干旱发生的内在机理。为此许多学者对干旱指标的选取及应用做了许多对比分析(王劲松等, 2013; 熊光洁等, 2014; 谢五三等, 2014; 张凌云和简茂球, 2011; 王芝兰等, 2013; 卫捷和马柱国, 2003; 段莹等, 2013; 杨世刚等, 2011; 孙智辉等, 2011)。干旱指标总体来讲可以归纳为综合水分盈亏的多要素指标和仅考虑降水量单一要素的指标两类。张书余等(2008)指出, 多要素指标不但考虑降水量, 同时考虑了气温、蒸发量和前期降水等多个要素。常见的多要素指数有干燥度、湿润度、德马顿干旱指数、降水气温均一化指数、帕默尔干旱指数等, 这一类指标干旱机理较为明确, 但计算繁杂、资料要求高, 所得结果存在一定的不确定性。王劲松等(2007)认为定义干旱指标, 要注意要素的可收集性及其适时性, 考虑主要要素和监测业务的可行性, 干旱指标要简单明了, 可计算性强, 以便于业务使用和推广。

综合气象干旱指数CI(张强等, 2006)具有许多优点, 考虑了降水和蒸发两个形成干旱的要素, 具有明确的干旱等级和过程开始、结束日期及强度, 能得到历史上干旱指数的连续系列, 作为国标已经在气象部门逐日的干旱监测中运用多年。近年来, CI等干旱指数在各地得到应用研究(李红英等, 2014; 王文和蔡晓军, 2010; 段莹等, 2013; 杨世刚等, 2011)。基于CI指数开展了许多围绕云南干旱问题的研究, 张强等(2009)根据CI指数得出干旱频率时空分布, 冬春季云南是我国的干旱高发区, 而夏秋季是干旱少发区。张万诚等(2013)根据CI指数对应的干旱强度标准选取了1962/1963年、1968/1969年、1978/1979年、2009/2010年为云南1961-2010年的极端干旱事件, 王学锋(2012)根据CI指数建立的区域动态气象干旱强度指数同样得出这4次干旱过程是云南的特旱过程。段旭等(2012)基于CI指数, 提出气象干旱时间面积指数MD, 并得出云南干旱较严重的年份是1963年、1966年、1969年、1974年、1979年、1984年和2010年。而钟诚等(2011)根据云南省19502009年历史旱灾资料得出的21个大旱年中并没有1966年、1974年和1984年这3年。

云南处于青藏高原东南侧的低纬地区, 南面临近孟加拉湾和南海两个热带海洋, 境内地形异常复杂, 因此气候也较为复杂和特殊。研究适用于该地区的干旱指数必须考虑当地气候的特殊性。

本文在分析云南降水、蒸发时空特征的基础上, 选取云南区域的干旱站点, 并选取适当的干旱指数, 利用历史排位法, 选出云南的极端干旱事件。

2 资料与方法 2.1 资料

采用云南省124个站点1961年1月至2012年12月逐日、逐月降水和气温观测数据, 以及19612001年20 cm蒸发皿的蒸发观测资料。

2.2 主要方法

所用平均值为1981-2010年的30年平均, 使用的方法主要有滑动平均及相关系数方法, 以及综合气象干旱指数CI(张强等, 2006)和降水气温均一化指数I_S(张书余等, 2008; 姚玉壁等, 2007)计算方法, 主要简介如下:

(1) 降水距平百分率

${{P}_{a}}=\frac{P-\bar{P}}{{\bar{P}}}\quad ,$

(1)

式中: P为某时段降水量, P为同期多年平均值。

根据国标(张强等, 2006)规定季节尺度的距平百分率P_a, -25%≤P_a＜-50%为轻旱, -50%≤P_a＜-70%为干旱, -70%≤P_a＜-80%为重旱, P_a≤-80%为特旱。

(2) 综合气象干旱指数CI计算公式:

$CI=a{{Z}_{30}}+b{{Z}_{90}}+c{{M}_{30}}\quad ,$

(2)

${{M}_{30}}=\frac{P-PE}{PE}\quad ,$

(3)

式中: Z₃₀、Z₉₀分别为近30天和近90天标准化降水指数SPI值; M₃₀为近30天相对湿润度指数, a、b、c分别取0. 4、0. 4、0. 8。P是30天的降水量, PE是30天的可能蒸散量, 采用Thornthwaite方法计算。当CI＞-0. 6时为无旱, -1. 2＜CI≤-0. 6为轻旱, -1. 8＜CI≤-1. 2为中旱, -2. 4＜CI≤-1. 8为重旱, CI≤-2. 4为特旱。干旱过程内CI连续10天为轻旱以上等级时确定为1次干旱过程, 干旱过程的开始日为第一天指数达轻旱以上等级的日期, 在干旱发生期, 当指数连续10天为无旱等级时干旱过程结束, 结束日期为最后一天指数达无旱等级的日期。干旱过程开始到结束期间的天数之和为干旱持续时间, 干旱过程内干旱等级为轻旱以上所有天CI指数之和表示干旱过程强度, 干旱强度负值越大表示干旱越严重。

(3) 降水气温均一化指数I_S

即某一时段降水标准化变量与气温标准化变量之差, 表示为:

${{I}_{s}}=\frac{R-\bar{R}}{{{\sigma }_{R}}}-\frac{T-\bar{T}}{{{\sigma }_{T}}}\quad .$

(4)

由于极端干旱事件具有一定的时间累积效应, 因此这里的某一时段取为3个月。式中: R为3个月滑动的累积降水, R为R对应3个月降水的多年平均值, σ_R为R对应3个月降水的均方差, T为3个月滑动的平均气温, T为T对应3个月气温的多年平均值, σ_T为T对应3个月气温的均方差。公式(4) 虽然考虑了气温对干旱的影响, 但在具体应用中由于气温对干旱的影响在不同地区和不同时间是不同的, 因而要对温度影响项加以适当的权重系数。

极端天气气候事件是指天气(气候)的状态严重偏离其平均态, 在统计意义上属于不易发生的事件。Beniston et al(2007)归纳了常用的定义极端事件的3种标准: (1) 事件发生的频率相对较低; (2) 事件有相对较大或较小的强度值; (3) 事件导致了严重的社会经济损失。对于某一具体的气候事件, 往往并不同时具备以上三方面的特征。社会经济损失与社会经济发展的规模有关, 规模越大损失越大。气象业务中检测极端天气气候事件的常用方法有绝对阈值法、百分位法和历史排位法。绝对阈值法即选择某一气象要素的绝对值大于等于或者小于等于某一特定值的方法。如:根据气象业务部门的标准规定, 日降水量50~99. 9 mm的降水称为暴雨, 日降水100~250 mm的降水称为大暴雨, 日降水大于250 mm的降水称为特大暴雨。百分位法选取某个长期序列的固定百分位值(通常取第90或95个百分位数等)作为阈值, 超过这个阈值的事件被认为是极端事件。例如日降水量超过第95个百分位数的强降水天气称为极端强降水事件。历史排位法即根据监测值的历史变化序列进行排序, 选取排在前几位的为历史上的极端事件。如1951年以来历史同期最高、1951年以来次高等。本文根据极端事件发生概率小的特点, 利用历史排位法, 选出1961-2012年云南的10次极端干旱事件。

3 干旱站点的选取及其降水、蒸发的气候特征 3.1 干旱站点的选取

从多年平均降水分布(图 1a)可以看出, 云南降水从北向南呈增多的态势, 有66%的站点年平均降水在全省平均1087. 3 mm之下, 低于900 mm的地区主要位于滇西北、滇中西和北部、滇东北、滇东南等地, 大于1400 mm的站主要分布在南部、西部边缘以及东部的局部地区(图 1a阴影区)。最少的是金沙江河谷的宾川站仅有564 mm; 最多的是东南部边缘的金平站为2359 mm, 最少与最多相差近4倍, 表明云南降水的空间分布悬殊。图 1b是云南124个站多年平均的蒸发分布, 各站年平均蒸发量在990~2976 mm, 呈边缘少、中间多的态势。滇西北东部、滇中西部和北部、滇东北南部、滇东南西部等地大于1900 mm, 降水量低于900 mm的区域多与这些地区重合。西北部高海拔地区受气温低和春汛降水的影响(郑建萌等, 2010), 东北部和东南部冬半年受冷空气及昆明静止锋影响(张万诚等, 2014), 气温低及阴雨天气多, 西南部地区由于植被好、空气湿度大、风速小等原因, 都存在蒸发小于1700 mm的地区(图 1b阴影区), 图 1a中降水大于1400 mm的地区几乎都与这些地区重合。

表 1列出了云南南部和西部金平、普洱、腾冲、芒市等年降水大于1400 mm的22个站点, 给出了各站多年平均的年降水和年蒸发量、自建站以来最少年、最多年的降水、以及2009-2012年云南连续4年干旱期间的年降水情况。从表 1可以看出, 22个站点中降水最少的梁河为1415. 5 mm, 比101个站点平均的955 mm多了近一半(48. 2%)。22个站点最多年降水都在1910 mm以上, 最少年降水除福贡为860 mm外, 其余站点均在998 mm以上。建站以来的最少年降水记录22个站点中只有4个站出现在2009-2012年的极端干旱过程中, 而剩余102个站点就有50个站最少记录出现在2009-2012年。从多年平均的蒸发量可见, 22个站点中除西部边沿的盈江、梁河、芒市3个站点外, 其余站点的年平均蒸发都小于1700 mm, 是云南蒸发较小的地区。22个站点与省内其他站点的气候差异较大, 这些地区植被较好, 水资源丰富, 干旱灾害对其影响与云南其他地区相比不严重。因此在对云南整体区域干旱评估中应该剔除这些站点。剔除这22个站点及迁站造成资料不连续的元阳站, 剩余的101个站点占全省站点数的81. 5%, 可以代表云南区域。众所周知, 干旱是成片出现的, 即干旱是一种区域性事件。因此选取这101个站的平均值(为表述简洁, 以下把101个站的平均值称为101站的值, 124个站的平均值称为124站的值)来研究云南区域的干旱标准。表 1的下半部分给出了101站与124站年降水、蒸发的对比。101站多年平均降水为955 mm, 比124站多年平均降水少了132. 3 mm; 101站最少年为711. 3 mm, 比该年124站少了143. 6 mm; 101站降水最多年为1116. 2 mm, 比该年124站少了131. 8 mm。从124站、101站二者年降水差值占101站年降水的百分比来看, 在降水最少年所占百分比更大, 达到了20. 2%。在连续4年的极端干旱中, 各年的二者降水差值在121. 8~157. 1 mm, 所占百分比在15. 5%~21. 6%。

从1961-2012年101站年降水从少到多的排序, 及同年124站、101站降水差值占101站降水的百分比(图 2)来看, 52年中101站各年降水比124站少了105. 7~168. 5 mm, 二者差值占101站降水百分比最小的是2006年, 占11. 1%, 最大的是2011年和1988年, 均占到20. 2%, 可见取124站平均降水作为云南区域的降水, 比取101站平均降水增加了11. 1%~20. 2%。由图 2可见, 二者差值所占百分比有随着降水减少而加大的趋势, 即在101站降水偏少年份, 其与124站降水的差异更大。因此, 在干旱年份用124站降水评估云南干旱, 22站降水占的比重较大, 弱化了区域干旱的严重程度。另外, 在2009-2012年的4年干旱中, 根据CI指数得到的101个站平均干旱、重旱、特旱天数为230天、143天和71天, 而22个站点平均干旱、重旱、特旱天数为170天、105天和33天, 旱情越重, 101个站与22个站的差异越大, 因此对区域极端干旱的研究剔除这22个站更合理。综上所述, 剔除年降水大于1400 mm的22个站和元阳站, 用剩余的101个站(以下称为干旱站点)代表云南区域来研究干旱问题更能反映区域干旱的特征。

3.2 干旱站点降水、蒸发的气候特征

从干旱站点多年平均的月降水(图 3)可以看出, 降水主要集中在5-10月, 为79. 8~195. 4 mm, 占年降水的85%;而11月至次年4月降水较少, 为12. 2~38. 7 mm, 仅占年降水的15%。5月降水从4月的38. 7 mm剧增到92. 2 mm, 11月降水从10月的79. 8 mm剧减到35. 6 mm, 说明干湿季节转换明显。可见干旱站点降水特征与全省一致, 仍是5-10月为雨季, 11月至次年4月为干季。从图 3还可看出, 1961年以来的各月降水距平百分率在湿季年际变率较小, 干季年际变率较大。干季各月降水历年最少的距平百分率在-94. 0%~-67. 0%, 52年中干季11月至次年4月分别有33年、37年、32年、34年、36年和33年为负距平, 并且分别有17年、18年、18年、16年、15年和9年偏少在50%以上。因此, 在干季降水负距平出现概率大, 负距平具有明显的优势。降水季节性的偏少和负距平优势的叠加使得云南冬春旱异常突出, 成为一种季节性的干旱。

从124站蒸发皿蒸发的月际分布看(图 4), 云南蒸发月际波动大, 秋冬季各月蒸发较小在100~130 mm, 夏季为150 mm左右, 春季3-5月最多, 在200 mm以上, 金沙江河谷的华坪、元谋、东川等更是在300 mm以上。这是因为春季气温回升快, 空气干燥, 风大, 导致蒸发大, 这个时期往往也是云南最易出现干旱和干旱严重的时期(郑建萌等, 2013)。干旱站点平均各月蒸发比124个站平均略多, 趋势一致, 仍具有月际波动大, 秋冬季蒸发较少, 但在干旱频繁且严重的春季蒸发量最大, 因此在研究云南干旱问题时应该考虑蒸发的影响。

4 干旱指标的选取 4.1 常用干旱指数在云南的应用分析

针对2005年初夏的干旱过程, 刘瑜等(2007)根据云南4月上旬至6月上旬历年的降水距平百分率, 得出2005年初夏的干旱是有记录以来最强的, 晏红明等(2007)根据云南45月历年的降水距平百分率, 得出2005年春季的干旱是1979年以来最强的。说明对同一次干旱事件, 人为选取干旱时间段的不同会得出不同的历史排位。干旱指数应该是连续滑动的一个序列, 能对不同时间段的干旱过程进行比较。因此计算干旱站点平均降水1961年1月至2012年10月连续向后滑动3个月的降水距平和距平百分率。降水距平偏少幅度最大的前40个时段集中在3-5月和9-11月的滑动时间段内, 偏少了75. 3~158. 5 mm。但仅20个时段的距平百分率小于-25%, 只有2009年9-11月和10-12月、1963和1969年3-5月距平百分率小于-50%, 5-8月向后3个月滑动距平百分率都大于-30. 9%。根据国标中降水距平百分率干旱等级划分(张强等, 2006)的规定, 52年中5-8月向后滑动时段中只有7个时段达到轻旱标准, 无干旱以上等级。降水距平百分率偏少最大的前40个时段集中在10-12月和次年3-5月的滑动时间段内, 偏少了48. 4%~82. 6%。有24个时段偏少50%~70%, 达到干旱的等级, 12个时段偏少70%以上, 达重旱等级, 一个偏少80%以上, 达到特旱等级。但13个重特旱等级时段的降水距平仅为31. 7~51. 4 mm。可见用降水距平百分率作为干旱指数, 得出的云南干旱干季偏多偏重。显然如果用降水距平百分率作为云南干旱指数, 干旱等级划分的阀值必须随季节变化, 这就使问题变得较为复杂。

用1961-2012年云南各站点逐日降水和气温计算出综合气象干旱指数CI及其对应的干旱强度, 101个站和122个站(剔除迁站造成资料不连续的元阳、西盟站)平均的干旱强度见图 5。由图 5可见101站的干旱强度比122站的干旱强度要大, 如2009/2010年的极端干旱过程, 干旱强度的峰值都出现在2010年3月26日, 101站的干旱强度峰值是-202. 5, 122站的是-185. 4。122站强度峰值排前10位的干旱过程出现在1962/1963年、1966年、1968/1969年、1974年、1978/1979年、1980年、1984年、1986年、2007/2008年、2009/2010年, 101站的干旱强度峰值排前10位的干旱过程除2007/2008年被1984/1985年以-0. 6之差超过外, 其余的9次是一致的。对这些干旱过程期间的降水分析发现, 除跨年度的1962/1963年、1968/1969年、1978/1979年、2009/2010年4次为冬春初夏连旱外, 其余的均为时间持续不太长的冬春旱。2011年和2012年为1961-2012年中降水偏少前3年中的两年, 但因降水偏少幅度较大的时段在夏半年, 这两年的干旱强度没能进入前十位。可见, 用CI指数及其强度作为云南极端干旱的监测指标不太合适。正因为如此, 张万诚等(2013)、王学锋(2012)的研究中仅选取以上4次冬春初夏连旱为云南极端干旱事件或特大干旱过程。

CI指数在云南业务应用中也出现了一些问题。由于仅考虑了30天、90天的降水, 在对2009/2010年持续半年之久特大干旱过程的监测中, 在降水较少的气候背景时段, 存在少量降水就使气象干旱急剧缓解的问题。如昆明从2009年9月4日进入轻旱, 之后持续降水偏少、气温偏高, 旱情一直持续发展, 到次年3月28日出现22. 1 mm的降水, 由于昆明1-3月多年的平均降水仅有16 mm、15 mm、18 mm, 导致CI指数从前一天的-2. 9上升为-0. 3, 从特旱等级直接进入无旱等级, 干旱过程结束。这与CI指数仅考虑了90天内的降水、但却忽略了前一年9-12月的旱情有关。2009年9月至2010年3月中旬昆明降水距平已达-223 mm, 较常年偏少了78%, 显然, 一次22. 1 mm的日降水过程不可能使持续时间这么长的干旱一夜之间就缓解。针对这种问题, 赵海燕等(2011)、王春林等(2011)通过对CI指数计算时段内的逐日降水量赋予不同的权重, 改善了CI指数由于第90天或第30天降水较大值滑出(进入)检测时段出现的不连续旱情加剧(缓解)现象, 但修正后仍没有考虑到90天之前的降水情况。国家气候中心目前也在使用降水监测时段更长为150天的修正指数MCI, 但业务中发现MCI指数由于降水时段的延长, 监测的干旱等级比CI明显偏弱。比如在昆明2009/2010年的干旱过程中, CI指数监测的特旱天数为75天, MCI指数监测的特旱则只有34天, 2010年3月27日MCI指数从-2. 1上升为28日的-0. 1, 从重旱等级降为无旱, 仍存在旱情急剧缓解的问题。90天和30天SPI指数是CI指数的组成部分, 也同样存在干旱急剧缓解问题, 昆明站2010年3月28日90天SPI指数从前一天的-2. 5上升为-0. 5, 30天SPI指数从-1. 7上升为+0. 7, 按国标(张强等, 2006)中规定的SPI指数干旱等级阀值, 进入无旱状态。这说明CI指数、修正指数MCI及SPI对云南干旱监测都存在一定的问题。

4.2 蒸发的替代量

气象上蒸发皿观测的蒸发与实际蒸发有差异, 蒸发皿的蒸发是在水分充足情况下, 对所在地区蒸发能力的一种测量, 而实际蒸发是在真实的气候背景下, 在现实的水分和能量条件下, 陆地水分的蒸发过程, 因此蒸发皿的蒸发不能代替实际蒸发。刘波等(2010)根据年降水量划分出中国干旱(小于200 mm)、半干旱(大于200 mm、小于400 mm)、半湿润(大于400 mm、小于800 mm)、湿润(大于800 mm)4个区域, 对不同区域中20 mm口径蒸发皿蒸发与模式模拟的实际蒸发进行对比得出, 在干旱和半干旱区, 蒸发皿蒸发和实际蒸发表现为相反的变化趋势; 在半湿润和湿润区, 蒸发皿蒸发和实际蒸发表现为相同的变化趋势, 因为决定二者变化趋势的主要因子都是所能获取的能量。按照刘波等(2010)的划分, 云南大部分地区处在湿润区中, 少数地区处于半湿润区, 蒸发皿蒸发和实际蒸发有相同的变化趋势。因此, 选取与蒸发皿蒸发相关较好、易于获取的气象观测要素统计量来代表实际蒸发的变化是合理的。

蒸发与气温、风速、相对湿度等气象要素的关系较大, 其中气温是主要的影响因子。在同等条件下, 气温越高, 蒸发量越大。气象干旱等级国标中CI指数也是利用日平均气温计算得到蒸发。顾欣等(2012)的分析表明, 黔东南地区的蒸发量与气温、湿度、降水量等因子有关系, 并与气温的关系最为密切。那么云南各站的蒸发与气温的关系怎么样？由于2001年后, 云南的32个国家基准、基本站停止了20 cm蒸发皿的蒸发观测, 改为E-601蒸发器观测, 而一般站则一直使用20 cm蒸发皿进行蒸发的观测, 因此计算19612001年云南101个站及101个站平均的月际气温与蒸发的相关系数(图 6), 通过95%以上信度检验的站1-9月均在85个站点以上, 4月全部通过检验, 最少的11月有46个站点通过检验。各月最高的相关系数都在0. 6以上。101个站平均的相关系数最高是5月达0. 887, 最小的是11月为0. 254, 除11月通过90%的信度检验外, 其余月份通过98%以上信度检验。可见云南气温与蒸发的相关较好, 并且在易出现干旱的冬春季相关较高。因此, 本文用气象观测中易于获取的月平均气温, 通过其统计量来代表蒸发的大小。

4.3 云南极端干旱指数的选取

干旱的发生是降水量比多年平均偏少造成的, 偏少的幅度越大, 干旱越严重。标准化变量表示样本偏离平均值的幅度, 降水气温均一化干旱指数是降水标准化变量与气温标准化变量之差, 它能消除季节差异, 使不同季节的干旱程度能进行比较。通过对干旱指数的比较, 结合云南的气候特点, 本文选取降水气温均一化指数I_S(公式4) 来研究云南的极端干旱。一般情况, 在其他条件相同时, 高温有利于地面蒸发, 低温则不利于蒸发, 因此当降水减少时, 气温偏高将有助于干旱的发生与发展。I_S指数用气温的异常代表了蒸发的异常, 把地表水分收入、支出的多少分别用降水、气温的异常程度来表征, 物理意义清晰。

从上面干旱站点降水、蒸发的气候特征分析可知, 云南年内各月的蒸发相差较大, 春季大, 秋冬季少, 说明不同月份同样的气温距平应该对应不同的蒸发异常, 如1月气温偏高1个标准差与5月偏高1个标准差对应的蒸发异常是不同的, 即要考虑不同月份气温距平对蒸发力的影响不同。这表明气温异常对蒸发的影响程度是随时间不同的, 在应用I_S指标时应对温度项给予随时间变化的权重系数。为此, 对式(4) 中不同月份的气温距平给予不同的权重, 可称为蒸发系数。云南112月的蒸发系数用多年平均的1月蒸发除以各月蒸发得到, 因此式(4) 中3个月的气温距平用各月气温距平乘以对应月的蒸发系数之和代替, 则改进的降水气温均一化指标变换为式(5):

$\begin{align} & {{I}_{s}}=\frac{\left( {{R}_{i}}+{{R}_{i+1}}+{{R}_{i+2}} \right)-\left( {{{\bar{R}}}_{i}}+{{{\bar{R}}}_{i+1}}+{{{\bar{R}}}_{i+2}} \right)}{{{\sigma }_{R}}} \\ & \quad \quad -b\frac{\left( {{T}_{i}}-{{{\bar{T}}}_{i}} \right){{a}_{i}}+\left( {{T}_{i+1}}-{{{\bar{T}}}_{i+1}} \right){{a}_{i+1}}+\left( {{T}_{i+2}}-{{{\bar{T}}}_{i+2}} \right){{a}_{i+2}}}{{{\sigma }_{T}}}, \\ & \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \ i\in 1,12 \\ \end{align}$

(5)

式中: i为1-12月, 当i=11时, i+2为次年1月, i=12时, i+1、i+2为次年1、2月, a_i为1-12月的蒸发系数, b取0. 4为代表蒸发项的权重。I_S负值越大代表干旱越严重。

5 结果分析和极端干旱事件的选取

利用云南101个干旱站点平均的降水、气温, 根据式(5) 计算1961年1月至2012年12月连续干旱指数I_S(图 7, 仅给出I_S＜0的值)。I_S与101个站平均的滑动3个月降水相关系数为0. 878, 与101个站平均的滑动3个月气温相关系数为-0. 712, 表明I_S与降水呈显著正相关, 与气温呈显著负相关。这是因为101个站平均的滑动3个月降水和气温相关系数为-0. 400, 即云南具有气温偏高时降水偏少的特征, 所以选取降水气温均一化指数作为云南区域干旱指数是合理的。

从图 7可见, 干旱指数I_S在某些时段为连续的负值, 说明在这些时段就有干旱发生。本文不讨论I_S指数对应干旱、重旱、特旱的等级阈值, 只讨论如何从I_S指数时间系列中挑选出云南的10次极端干旱事件。极端干旱事件的指标应该同时具有强度和持续时间的信息, 因此先从图 7中按I_S从小到大的排序, 挑选出极端干旱事件个数2倍即约20个左右的I_S值, 当I_S≤-1. 9时挑选出19个值。查找这19个值所在时段前后月降水偏少的起止月份, 对起止月份内I_S连续小于等于-0. 5的值进行累加作为干旱过程的强度a, 这样能确保挑出的干旱过程既包含有异常强度的信息又有持续时间的信息。对各个过程干旱的起止月份、I_S指数的最小值、I_S指数累加的强度a、干旱过程内降水偏少距平及其历史排位、以及根据CI指数定义的101站平均最强干旱强度和出现日期如表 2所示。采用极端气候事件选取的排位法, 根据强度a的排序, 从19个干旱过程中挑选出的排前10次的干旱事件为2009/2010年、2011/2012年、1968/1969年、1978/1979年、1962/1963年、1987年、1992年、1980年、2003年和1988年。下面来分析灾情方面的相关文献对这些干旱事件的评估。2009年前的8次极端干旱事件除1968/1969年外, 其余的7次均在钟诚等(2011)根据云南省19502009年历史旱灾资料得出的21个大旱年中。刘建华(2006)对19512002历年旱情的叙述可以看出, 本文选出的2002年前的极端干旱事件都是旱情严重的年份, 未被文献(钟诚等, 2011)列为大旱年的1968/1969年被叙述为“旱期持续之久、范围之广、为解放以来所少有的大旱年”。云南省防汛抗旱总指挥部办公室和云南省水文水资源局(1999)根据农业受灾面积比例、人口受灾比例、水文径流、库塘水位等因素, 选取1962/1963年、1968/1969年、1978/1979年、1992年为云南19511993年的4个大旱年, 这4个大旱年都在本文选出的极端干旱事件中。从1968年10月至1969年7月101个站平均的各月降水距平、气温距平(图 8a)来看, 11月至6月降水持续偏少, 除1月外的6个月偏少5~9成, 大春栽种时节的5月偏少了58. 4%, 该月101个站中有74个站偏少50%以上, 气温除12月稍低于平均值外, 其余月份偏高, 5月偏高了2. 1 ℃。因此, 1968/1969年的旱情属于与1962/1963年、1978/1979年类似的冬春初夏连旱, 应该选为极端干旱事件。通过对各个极端干旱事件的进一步分析发现, 排在最后的1988年的干旱事件比1983年的干旱事件在时间上长了一个月, 强度指数a分别为5. 6和5. 0。但从这两年3-7月的降水距平看(图 8b, c), 1988年大春栽种时节的5月仅偏少了17. 4 mm, 偏少18. 9%, 最强的CI强度出现在4月12日; 而1983年5月降水偏少了47. 9 mm, 偏少51. 8%, 101个站中有69个站偏少50%以上, 最强的CI强度出现在7月29日, 大春栽种期间干旱的影响更严重。在只选取10次极端干旱事件的情况下, 舍去1988年的干旱过程, 选取1983的干旱过程为极端干旱事件。因此, 挑选出的1961-2012年云南的10次极端干旱事件为1962/1963年、1968/1969年、1978/1979年、1980年、1983年、1987年、1992年、2003年、2009/2010年、2011/2012年的干旱过程(表 2中的黑体字), 从表 2可见, 这些过程的降水均较同期偏少了120 mm以上, 均排历史同期降水偏少的前3位。

段旭(2012)选出云南干旱严重年份为1962/1963年、1966年、1968/1969年、1974年、1978/1979年、1984年、2009/2010年, 除4次跨年度干旱外的3次干旱过程也在根据CI指数强度选出前十位严重干旱之列。对这3次过程的降水进行分析发现, 这三次干旱过程主要是冬春季1-4月降水持续偏少, 这3年的I_S最小值分别为-2. 9、-1. 6和-1. 9, 根据本文挑选标准1966年和1984年也出现在表 2中。这2年中干旱最重的是1966年, 从101个站平均降水来看(图 8d), 1966年干旱过程期间降水的距平达到-63. 1 mm, 为1961-2012年同期最少, CI定义的干旱强度在5月3日达到-91. 8。但由于前期1965年12月101个站降水为54. 7 mm, 较常年偏多42. 5 mm; 1984年也有类似1966年的情况, 前期1983年12月降水也比常年偏多32. 8 mm, 而且冬春季不是云南主要的农事季节, 刘建华(2006)指出1966年、1984年这两年的受旱面积都较小, 因此1966年和1984年的干旱过程不选为极端干旱事件具有合理性。表 2中类似的情况还有1995年、1999年、2006年、2008/2009年的冬、春季。近年来云南初夏干旱严重的2005年I_S指数达到-2. 3, 从该年101个站的月际降水看(图 8e), 偏少时段主要是45月, 尤其是春播关键期的5月, 为1961年来5月降水偏少的第2位, 但与选出的10次极端干旱事件相比, 干旱的时间短, 因此2005年不选为极端干旱年具有合理性。

综上所述, 采用改进的降水气温均一化干旱指数I_S对云南干旱进行监测能更好反映出云南的旱情, 用I_S累加的干旱强度作为标准挑选出1961-2012年云南的10次极端干旱事件。通过对降水、气温的进一步分析, 认为这10次极端干旱事件的选取是合理的, 采用I_S累加的干旱过程强度作为云南极端干旱事件的选取标准, 具有客观合理性。

6 结论

(1) 云南年降水的空间分布悬殊大, 呈自北向南增加的态势, 66%的站点年降水在全省平均1087. 3 mm之下, 最多与最少相差近4倍。云南的蒸发呈边缘少、中间多的态势, 蒸发大的地区与降水少的地区重合, 蒸发小的地区与降水大的地区重合。选取101个站作为干旱站点代表云南区域来研究极端气象干旱更能反映大部地区的干旱特征。

(2) 云南干旱站点降水和蒸发具有云南整体区域相同的特征:干湿季分明, 11月至次年4月为干季, 5-10月为雨季; 蒸发月际波动大, 秋冬季较小, 干旱频繁且严重的春季蒸发最大, 在研究云南干旱问题时应该考虑蒸发的影响。

(3) 降水距平百分率和CI指数监测出的云南冬春季干旱偏重偏多, CI、MCI和SPI都存在干旱急剧缓解的问题, 这些干旱指数用于云南干旱监测存在不合理的情况。

(4) 云南干旱站点蒸发与气温具有较好的正相关关系, 可以用各月气温的距平来代表相应月份蒸发的大小。用改进的降水气温均一化干旱指数I_S对云南干旱进行监测能更好反映出云南的旱情, 采用I_S累加的干旱过程强度标准作为挑选极端干旱事件的选取标准, 挑选出1961年至2012云南的极端干旱事件为: 1962/1963年、1968/1969年、1978/1979年、1980年、1983年、1987年、1992年、2003年、2009/2010年、2011/2012年。对这10次过程的分析及与相关文献对比表明, 选出的10次极端干旱过程是合理的。