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。
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。
(1) 降水距平百分率
式中: P为某时段降水量, P为同期多年平均值。
(2) 综合气象干旱指数CI计算公式:
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IS
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:
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, σR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, σT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。
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IS(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。IS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IS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):
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, ai为1-12月的蒸发系数, b取0. 4为代表蒸发项的权重。IS负值越大代表干旱越严重。
综上所述, 采用改进的降水气温均一化干旱指数IS对云南干旱进行监测能更好反映出云南的旱情, 用IS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IS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。
(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IS对云南干旱进行监测能更好反映出云南的旱情, 采用IS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。