樊 風(fēng) 段 瑋 楊家康

(云南省氣象科學(xué)研究所，昆明 650034)

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云南土壤濕度長(zhǎng)期變化的初步研究

樊 風(fēng) 段 瑋*楊家康

(云南省氣象科學(xué)研究所，昆明 650034)

利用1948—2013年美國(guó)NOAA/CPC全球0.5°×0.5 °月平均格點(diǎn)化土壤濕度資料、1951—2013年云南地區(qū)125個(gè)站月降水和1993—2013年22個(gè)站月土壤濕度觀測(cè)資料對(duì)云南土壤濕度及其表征的旱澇長(zhǎng)期變化進(jìn)行時(shí)空分布及演變特征分析。結(jié)果表明：云南地區(qū)旱澇變化的空間結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且具有大尺度特征，長(zhǎng)期變化特征明顯。由20世紀(jì)50年代的滇中部地區(qū)偏旱，其余地區(qū)偏澇，逐步發(fā)展為相反；20世紀(jì)90年代開(kāi)始滇中部地區(qū)偏澇，其余地區(qū)偏旱，且旱情日趨加重，范圍擴(kuò)展， 2010年、2012年和2013年嚴(yán)重干旱蔓延至云南全省。研究揭示，云南冬半年旱澇與前期海溫異常密切相關(guān)，冬半年云南地區(qū)旱澇不同的EOF模態(tài)時(shí)間變化對(duì)應(yīng)著不同的前期海溫異常變化分布。云南全省旱澇一致的第1模態(tài)對(duì)應(yīng)前期孟加拉灣、阿拉伯海、西太平洋以及大西洋的海溫異常正相關(guān)。云南西北—東南旱澇反向的第2模態(tài)對(duì)應(yīng)前期孟加拉灣、南海、西太平洋及東太平洋ENSO區(qū)海溫異常負(fù)相關(guān)。

云南; 土壤濕度; 旱澇; 時(shí)空分布

引 言

云南地處我國(guó)西南邊陲，是一個(gè)多山地區(qū)(橫斷山脈從這里跨過(guò))，地勢(shì)西北高東南低，河流眾多，自然資源和水利資源十分豐富，特殊的地理位置和復(fù)雜地形也造就了多變的立體氣候。受南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)共同影響，云南干濕季分明[1-2]。

農(nóng)業(yè)在云南的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。因此，大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的旱澇將會(huì)對(duì)這里的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民的日常生活以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響和破壞。近年來(lái)(尤其是2010年、2012年和2013年)，長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的嚴(yán)重干旱造成的巨大直接經(jīng)濟(jì)損失[3-5]，已引起了人們的普遍關(guān)注。云南有亞洲水塔之稱，眾多的河流起源或流經(jīng)這里，如怒江、瀾滄江、金沙江、珠江、紅河、伊洛瓦底江等。嚴(yán)重旱澇意味著該地區(qū)異常的水資源變化，這不僅對(duì)云南本地而且對(duì)下游地區(qū)的水資源也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，研究和認(rèn)識(shí)云南全省范圍大尺度、長(zhǎng)時(shí)間的干旱與洪澇的時(shí)空分布特征和變化規(guī)律[6-8]以及它們的成因和可預(yù)報(bào)性已是客觀需要。

旱澇的成因與降水的異常變化直接關(guān)聯(lián)，但由于降水特殊的時(shí)空變化特性，直接用降水資料監(jiān)測(cè)和分析研究旱澇變化局限性很大。因此，出現(xiàn)了各種用來(lái)分析和監(jiān)測(cè)旱澇的指數(shù)和特殊資料[9-11]。土壤濕度是廣泛應(yīng)用的因子之一，通常定義為單位厚度土壤中的含水量。土壤濕度可被視為經(jīng)過(guò)蒸發(fā)及徑流、重力等調(diào)整(平滑)后貯存于土壤中的累積降水，其單位可與降水、蒸發(fā)一致為毫米(mm)，以其為基礎(chǔ)旱澇定義可簡(jiǎn)單表述為土壤濕度異常(即距平)，偏離氣候平均態(tài)越多旱澇越重，這與由降水定義旱澇是一致的。土壤濕度的單位也可用類(lèi)似大氣相對(duì)濕度(單位：%)的表征方式，如土壤含水率分為重量含水率、體積含水率,定義分別為土壤中水分的重量與相應(yīng)固相物質(zhì)重量的比值，及土壤中水分占有的體積和土壤總體積的比值。

近10年國(guó)內(nèi)逐漸開(kāi)展了一些土壤濕度可用性的研究工作。對(duì)于土壤濕度觀測(cè)，我國(guó)氣象部門(mén)人工觀測(cè)始于1981年。2010年以前為每月逢8觀測(cè)(每月的8日、18日和28日)，2010年以后增加每月逢3的觀測(cè)(每月的3日、13日和23日)。觀測(cè)采用人工取土后烘干稱重法測(cè)量，由各地農(nóng)業(yè)氣象部門(mén)觀測(cè)。由于業(yè)務(wù)面向農(nóng)業(yè)服務(wù)，主要關(guān)注淺層土壤濕度變化，觀測(cè)時(shí)需標(biāo)注觀測(cè)前是否進(jìn)行灌溉[12]。目前國(guó)內(nèi)研究主要集中于淺層(20 cm以內(nèi))。左志燕等[13]和Liu等[14]利用淺層(10 cm)土壤濕度資料與多種土壤濕度再分析資料的分析研究指出歐洲中期預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA40和ERA-Interim、美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)全球模擬與同化辦公室(Global Modeling and Assimilation Office)的MERRA(Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications)、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)和NCAR-R1(National Center for Atmospheric Research-Reanalysis1)、日本氣象廳的JRA-25(Japanese 25-year Reanalysis)的淺層(10 cm)土壤濕度資料均能較好地再現(xiàn)地理分布及其年際變化；其研究也特別指出，中國(guó)土壤濕度觀測(cè)比較復(fù)雜，目前用于研究的觀測(cè)資料大多約為10年左右的時(shí)間尺度，不能滿足土壤濕度不同時(shí)間尺度特征的研究，同時(shí)分布主要集中于東北、華北，長(zhǎng)江以南等地區(qū)較少且存在觀測(cè)不連續(xù)、取土點(diǎn)等不確定性問(wèn)題。土壤濕度再分析資料具有分布均勻、長(zhǎng)時(shí)間尺度和高時(shí)空分辨率的優(yōu)勢(shì), 因此，對(duì)于中國(guó)區(qū)域尺度和長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候研究是個(gè)較好的補(bǔ)充。

土壤濕度具有一些獨(dú)特特征，和海溫一樣，具有變化緩慢(即記憶力長(zhǎng))的特點(diǎn)[15-16]。與降水相比，土壤濕度的統(tǒng)計(jì)分布特征更趨近于正態(tài)分布。陸地表面的土壤作為旱澇事件的直接載體,用其濕度變化描述和分析旱澇事件具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，從土壤濕度出發(fā)的旱澇變化特征研究報(bào)道不多。

本文利用云南省氣象站觀測(cè)的月平均降水資料和土壤濕度資料，NOAA/CPC的月平均全球格點(diǎn)化土壤濕度資料，主要從土壤濕度的異常變化著手，研究云南地區(qū)旱澇長(zhǎng)期變化的時(shí)空特征并對(duì)其成因進(jìn)行初步探討。

1 資料與方法

本文所用資料為1948年1月—2013年12月NOAA/CPC 0.5°×0.5°月平均陸地表面水文格點(diǎn)化資料中全球土壤濕度資料(http:∥www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.cpcsoil.html)[17]。該資料由格點(diǎn)化月平均陸地表面降水和2 m氣溫[18-19]資料作為強(qiáng)迫，代入NOAA/CPC改進(jìn)的基于收支強(qiáng)迫平衡的非耦合陸面水文循環(huán)模式(H96)從而產(chǎn)生相應(yīng)的陸地表面(厚1.6 m, 對(duì)于常用的土壤孔隙率0.47, 其最大含水容量為760 mm,參見(jiàn)文獻(xiàn)[17])土壤濕度、蒸發(fā)和徑流等資料。該資料已被廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域, 是一套可信度和科研價(jià)值較高的土壤濕度資料[20-21]。本文主要分析區(qū)域?yàn)?1°～29°N,97°～106°E,該范圍大致覆蓋云南省和部分鄰近地區(qū)(圖1)。

圖1 云南省氣象站空間分布Fig.1 Domain of Yunnan and location of meteorological stations

本文所用降水觀測(cè)資料為1951年1月—2013年12月云南地區(qū)125個(gè)站逐月降水資料。土壤濕度觀測(cè)資料為1993年1月—2013年7月云南地區(qū)22個(gè)站 (昭通、六庫(kù)、麗江、宣威、保山、昆明、沾益、陸良、潞西、景東、玉溪、耿馬、臨滄、景洪、思茅、元江、江城、蒙自、河口、文山、廣南、富寧)逐月10 cm，

20 cm，50 cm層土壤濕度資料，土壤濕度觀測(cè)站在云南境內(nèi)分布均勻。降水及土壤濕度觀測(cè)站點(diǎn)分布如圖1所示。

分析采用降水異常(即距平)和土壤濕度異常(即距平)反映旱澇，異常(距平)偏離的程度直接反映旱澇的程度，與降水異常(干旱)表征干旱類(lèi)似。分析采用時(shí)間系列分析、自相關(guān)和遙相關(guān)分析、年平均和多年平均的距平分析、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析等方法，對(duì)1948—2013年云南旱澇長(zhǎng)期變化的時(shí)空分布特征及其成因進(jìn)行初步探討。

2 NOAA/CPC土壤濕度資料在云南的適用性

為驗(yàn)證本文所用土壤濕度資料在云南地區(qū)的適用性，本文開(kāi)展了與土壤濕度站點(diǎn)觀測(cè)有限的對(duì)比。由于土壤濕度的時(shí)空變率較大，它不僅受地表降水、蒸發(fā)、徑流、土壤屬性及地表植被種類(lèi)等影響，還受觀測(cè)的取土、表層、灌溉等不確定性因素影響。為了減少上述不確定性，通常的做法是用區(qū)域平均值分析代替站點(diǎn)值。從云南地區(qū)22個(gè)站3層平均的土壤濕度監(jiān)測(cè)資料(1993年1月—2013年7月)逐月異常(逐月異常為某月與21年該月平均值的差，去除年變化信號(hào)影響)與其鄰近格點(diǎn)上相應(yīng)的NOAA/CPC土壤濕度逐月異常對(duì)比(圖2a)，兩者吻合較好，兩者相關(guān)系數(shù)為0.75，達(dá)到0.01顯著性水平。具體地看，除1997年對(duì)于其他年月的土壤濕度變化，NOAA/CPC土壤濕度均有較好的匹配。

由圖2b可知，20年中兩者的年變化特征亦基本一致，即年變化特征得到了較好再現(xiàn)。觀測(cè)的土壤濕度相比更濕，這可能與國(guó)內(nèi)現(xiàn)行土壤觀測(cè)主要針對(duì)農(nóng)業(yè)氣象應(yīng)用、其采樣點(diǎn)可能受灌溉影響表現(xiàn)的更濕有直接關(guān)系。

降水是影響土壤濕度變化的最主要因素之一。

圖2 云南省22個(gè)站觀測(cè)和格點(diǎn)化土壤濕度對(duì)比(a)1993年1月—2013年7月逐月變化，(b)20年平均年變化Fig.2 Comparison of 22 observed and gridded soil moisture in Yunnan (a)monthly soil moisture anomalies for Jan 1993-Jul 2013， (b)20-year mean annual soil moisture

陸面模式中所用降水資料質(zhì)量直接影響模式產(chǎn)生的土壤濕度的質(zhì)量。本文選用部分記錄長(zhǎng)久而又比較完整的云南省各地氣象站觀測(cè)的月平均站點(diǎn)降水資料對(duì)其鄰近格點(diǎn)上NOAA/CPC格點(diǎn)化月平均降水開(kāi)展進(jìn)一步驗(yàn)證。結(jié)果表明：在大多數(shù)情況下，云南省氣象站鄰近格點(diǎn)月平均降水資料與觀測(cè)吻合很好, 如滇中—滇東昆明(56778)、滇西北麗江(56651)、滇西騰沖(56739)、滇南思茅(56964)(圖3)，其平均相關(guān)系數(shù)為0.97，達(dá)到0.01顯著性水平，均方根誤差亦在較小范圍內(nèi)。

此外，土壤濕度是影響地球重力變化的主要因素，利用GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)與NOAA/CPC土壤濕度資料間接相互可靠性檢驗(yàn)[21]及與GRACE重力衛(wèi)星對(duì)云南地區(qū)儲(chǔ)水量和2005年、2010年干旱事件的分析表明,在孟加拉灣及其鄰近的云南地區(qū)，兩者變化吻合的很好[22]。

圖3 云南省氣象站月平均觀測(cè)和格點(diǎn)化降水量對(duì)比(4個(gè)站平均相關(guān)系數(shù)為0.97, 均方根誤差為 30.8 mm)Fig.3 Comparison of observed and gridded monthly precipitation in Yunnan (averaged anomaly correlation from above 4 stations is 0.97, root mean square error is 30.8 mm)

因此，NOAA/CPC土壤濕度資料能較好地再現(xiàn)云南地區(qū)的土壤濕度氣候變化特征，在云南地區(qū)有較好的適用性，此外，資料時(shí)間序列更長(zhǎng)，數(shù)據(jù)也較為規(guī)整。以下所有分析均基于格點(diǎn)化的NOAA/CPC土壤資料進(jìn)行。

3 初步分析結(jié)果

3.1 云南地區(qū)月平均降水和土壤濕度的長(zhǎng)期變化特征

圖4給出1948—2013年共66年云南西部地區(qū)(21°～29°N,97°～100°E)、中部地區(qū)(21°～29°N,100°～103°E)及東部地區(qū)(21°～29°N,103°～106°E)觀測(cè)的月平均降水，模式產(chǎn)生的土壤濕度異常及多年平均(氣候)特征。由圖4a可以看到，云南各地月平均降水的年際變化特征基本一致。月平均降水的氣候平均值 (圖4c)，即年變化顯示，云南各地的降水過(guò)程的變化相對(duì)一致, 主要降水過(guò)程出現(xiàn)在每年的5—10月， 降水自西向東逐漸減少。降水最少的月份通常出現(xiàn)在1月(15～20 mm)，而降水最大的月份通常出現(xiàn)在7月(220～260 mm)，其年變幅 (即7月的氣候平均值減去1月的氣候平均值) 大約為200～240 mm, 干濕季節(jié)分明[23-24]。

圖4 云南西部地區(qū)、中部地區(qū)、東部地區(qū)9個(gè)月滑動(dòng)平均陸面降水和土壤濕度異常的長(zhǎng)期變化及氣候平均特征(a)逐月降水量距平變化，(b)逐月土壤濕度距平變化，(c)降水量氣候平均，(d)土壤濕度氣候平均Fig.4 Long-term (9-month running mean) variations and their climatologies of monthly precipitation and soil moisture in western, central and eastern Yunnan (a)monthly precipitation anomalies，(b)monthly soil moisture anomalies，(c)climatic monthly precipitation，(d)climatic monthly soil moisture

由圖4b可以看到，導(dǎo)致云南各地月平均土壤濕度的年際變化主要是由降水的年際變化所致。與月平均降水相比，月平均土壤濕度的年際變化相對(duì)緩慢且平滑。1948—2013年云南西、中、東各地出現(xiàn)的主要旱澇事件 (即對(duì)應(yīng)于那些平均土壤濕度異常相對(duì)較大的正負(fù)值) 均被模擬較好，如1954年、1958年、1960年、1963年、1969年、1979年、1987年、1989年、1992年、1999年、2004年、2005年、2006年、2010年、2012年、2013年的干旱和1956年、1959年、1962年、1966年、1968年、1971年、1974年、1978年、1984年、1986年、1990年、1997年、2000年、2002年、2006年的洪澇，它們與許多實(shí)際觀測(cè)和分析[2-7]一致。這也從側(cè)面驗(yàn)證了NOAA/CPC 0.5°×0.5°月平均土壤濕度在研究區(qū)域能夠反映云南旱澇變化特征。

云南各地月平均土壤濕度的氣候平均值顯示 (圖4d)，土壤濕度最小值(約320～350 mm)出現(xiàn)在4月，較降水最小月份偏晚約3個(gè)月。氣候平均的土壤濕度最大值(約530～570 mm)出現(xiàn)在9月，較降水氣候平均值最大值出現(xiàn)月份滯后約2個(gè)月，其年變幅(即9月的氣候平均值減去4月的氣候平均值)與降水的年變幅大致相同。月平均土壤濕度的氣候極值較其降水極值出現(xiàn)的時(shí)間顯著延后的原因主要取決于陸地表面的水份收支，即降水與陸面水文循環(huán)的蒸發(fā)及徑流的調(diào)節(jié)所致[14-15]。從土壤表面到土壤深層, 這類(lèi)滯后現(xiàn)象逐步增加，這里不作進(jìn)一步討論。由于土壤中的水份對(duì)植物生長(zhǎng)非常重要[25]，通常人們將長(zhǎng)時(shí)間的低于平均水平的土壤濕度異常導(dǎo)致的干旱稱之為農(nóng)業(yè)干旱。

3.2 云南地區(qū)月平均降水、土壤濕度異常的空間自相關(guān)分析

陸地表面氣象或水文要素異常的時(shí)間滯后空間自相關(guān)，可大致代表該要素的持續(xù)性特征或記憶的長(zhǎng)短。 圖5給出了云南及鄰近地區(qū)1948年1月—2013年12月的月平均降水異常和陸地表面土壤濕度異常1～3個(gè)月時(shí)間滯后空間自相關(guān)時(shí)間系列以及它們的氣候平均(年循環(huán))值。

圖5 云南地區(qū)月平均降水量、土壤濕度異常滯后1～3個(gè)月的空間自相關(guān)系數(shù)的時(shí)間系列及其氣候平均值(a)降水量逐月變化，(b)土壤濕度逐月變化，(c)降水量逐月氣候平均，(d)土壤濕度逐月氣候平均Fig.5 Time series and their climatologies of 1-3-month lagged spatial autocorrelations of monthly precipitation anomalies and soil moisture anomalies in Yunnan (a)monthly precipitation，(b)monthly soil moisture， (c)climatic monthly precipitation，(d)climatic monthly soil moisture

結(jié)果顯示，該地區(qū)不同時(shí)間滯后的月平均降水異常空間自相關(guān)系數(shù)(圖5a)相對(duì)其月平均陸地表面土壤濕度異常的空間自相關(guān)系數(shù)較小，但其年際變化偏大，大多數(shù)時(shí)間在±0.2之間變化，其氣候平均值(圖5c)沒(méi)有明顯的季節(jié)變化。相比之下，云南地區(qū)土壤濕度異常的時(shí)間滯后空間自相關(guān)系數(shù)(圖5b)較其降水異常的時(shí)間滯后空間自相關(guān)系數(shù)偏高，如1個(gè)月滯后的空間自相關(guān)系數(shù)在大多數(shù)情況下為0.8～0.9，年際變化相對(duì)降水較小。在多數(shù)情況下，2個(gè)月滯后和3個(gè)月滯后的土壤濕度異常的空間自相關(guān)系數(shù)分別為0.5～0.9和0.3～0.8，年際變化較1個(gè)月滯后的空間自相關(guān)系數(shù)偏大。各不同時(shí)間滯后的土壤濕度異常的空間自相關(guān)氣候平均值(圖5d)也呈明顯的季節(jié)性變化。平均而言，冬半年平均值遠(yuǎn)大于夏半年的平均值。

由此可見(jiàn)，陸地表面的降水和土壤濕度的物理特性和統(tǒng)計(jì)特征明顯不同，陸地表面土壤濕度異常的持續(xù)性(或記憶力) 遠(yuǎn)大于其降水異常的持續(xù)性。旱澇均由降水異常變化引起，大多數(shù)情況下, 氣象旱澇與農(nóng)業(yè)旱澇出現(xiàn)的時(shí)間和變化基本一致。但在干枯陸面與飽和陸面不同背景下，一場(chǎng)大范圍暴雨造成的后果可以完全不同。由此可見(jiàn)，氣象旱澇出現(xiàn)的時(shí)間與農(nóng)業(yè)旱澇出現(xiàn)的時(shí)間可以不同。

3.3 云南地區(qū)旱澇的時(shí)空分布及變化特征

由時(shí)間系列分析可以看到，相對(duì)月平均降水而言，月平均的土壤濕度具有更好的物理特性和統(tǒng)計(jì)特征，因此，常被用于旱澇的監(jiān)測(cè)與分析。在此，采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分析法探討1948年1月—2013年12月云南地區(qū)旱澇(土壤濕度異常)的時(shí)空分布特征及變化特點(diǎn)。 圖6顯示云南地區(qū)土壤濕度異常的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的前4個(gè)模態(tài)的空間分布及其相對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化。 在EOF處理上采用空間場(chǎng)乘時(shí)間系數(shù)均方根，而時(shí)間序列主成分除以時(shí)間系數(shù)均方根的做法，這在氣候分析中是常見(jiàn)的變換[26]。這樣空間場(chǎng)物理意義更為清楚，從EOF的空間場(chǎng)即可直觀地看出分析要素的大小(或貢獻(xiàn)、振幅等等)，且處理后時(shí)間系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化的，PC1,PC2,PC3,PC4,分別表示第1 ～第4模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)。

土壤濕度異常的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析揭示，云南地區(qū)旱澇變化的空間分布特征相對(duì)簡(jiǎn)單，其第1模態(tài)顯示云南地區(qū)旱澇變化最重要的空間分布特征是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的云南全省范圍大尺度的干旱或洪澇異常。它間接反映出云南地區(qū)月平均降水異常的空間分布具有大尺度特征。其時(shí)間系數(shù)的正負(fù)變化表明:在20世紀(jì)50年代—80年代末洪澇多于干旱，而過(guò)去20多年則干旱多于洪澇，過(guò)去10年尤其如此(圖4b)，呈明顯的長(zhǎng)期變化特征。該模態(tài)可解釋云南地區(qū)土壤濕度變化總方差(EV)的35%。

圖6 1948年1月—2013年12月云南地區(qū)土壤濕度變化的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析(左圖為EOF空間場(chǎng)乘其時(shí)間系數(shù)均方根,單位:mm；右圖為標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù))Fig.6 EOF analysis of soil moisture anomalies in Yunnan for Jan 1948-Dec 2013(EOF patterns sacled by the root mean square value of the associated PCs，unit:mm,PCs are normalized)

土壤濕度異常經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的第2模態(tài)主要顯示云南地區(qū)旱澇變化的空間分布差異，即滇西北旱時(shí)，滇東南澇，反之亦然。其時(shí)間系數(shù)的正負(fù)變化表明在1980年之前，常出現(xiàn)滇西北澇、滇東南旱，長(zhǎng)期變化也比較明顯。平均而言，該模態(tài)可解釋云南地區(qū)土壤濕度變化總方差的15%。分析和對(duì)比其相對(duì)應(yīng)的降水經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的主要模態(tài)及其相對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖略)發(fā)現(xiàn)，它們與ENSO對(duì)云南地區(qū)降水影響的投影吻合較好[27]，其時(shí)間系數(shù)與前期東太平洋的海溫異常呈較好的負(fù)相關(guān)。表明云南地區(qū)旱澇的這一部分長(zhǎng)期變化部分源自ENSO的影響。

云南地區(qū)土壤濕度異常經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的第3模態(tài)主要呈現(xiàn)出滇西南及附近地區(qū)旱、滇東北及附近地區(qū)澇 (反之亦然) 的空間分布特征。其時(shí)間系數(shù)具有明顯的年際變化，但長(zhǎng)期變化不明顯。該模態(tài)可解釋云南地區(qū)土壤濕度變化總方差的11%。

云南地區(qū)土壤濕度異常經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的第4模態(tài)呈1985年之前常出現(xiàn)滇西、滇東澇及滇中旱的分布特征。1985年之后則相反，常出現(xiàn)滇西、滇東旱，滇中澇的空間分布特征, 且具有明顯的長(zhǎng)期變化。該模態(tài)可解釋云南地區(qū)土壤濕度變化總方差的7%。

云南地區(qū)土壤濕度異常經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的前4個(gè)模態(tài)可解釋云南地區(qū)土壤濕度變化總方差的68% ，且每個(gè)模態(tài)可能具有特定的物理含意及其成因。

3.4 云南地區(qū)旱澇的時(shí)間-經(jīng)度變化

由3.3節(jié)可知，云南地區(qū)土壤濕度變化的空間分布特征，其東西向分布的變化較其南北向分布變化更明顯。因此，緯向平均(21°～29°N)的土壤濕度異常的時(shí)間-經(jīng)度變化(圖7)用來(lái)進(jìn)一步分析云南地區(qū)旱澇的東西變化特征。由圖7可以看到，在大多數(shù)情況下，云南地區(qū)的旱澇具有大尺度特征(橫跨全省)，除少數(shù)年份外，其東西方向上的傳播并不明顯?？v觀1948—2013年云南地區(qū)土壤濕度的異常變化，前30年云南地區(qū)的洪澇多于干旱，而后30年云南地區(qū)的干旱則明顯多于洪澇。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，旱情日趨嚴(yán)重，特別是 2010年、2012年和2013年的干旱，其旱情之重，范圍之廣，時(shí)間之長(zhǎng)，極為罕見(jiàn)。

3.5 云南地區(qū)旱澇的長(zhǎng)期距平分析

為進(jìn)一步分析云南地區(qū)旱澇長(zhǎng)期變化的時(shí)空分布特征，在此進(jìn)行年代際分析，將某年代10年平均與1948—2013多年(66年)平均求距平，共得到20世紀(jì)50年代、60年代、70年代、80年代、90年代和21世紀(jì)前10年，共6個(gè)年代。

圖8給出了云南地區(qū)土壤濕度每10年平均的距平分布。可以看出，相對(duì)1948年—2013年過(guò)去66年的平均狀態(tài)而言，20世紀(jì)50年代，云南的中部地區(qū)偏旱，其余地區(qū)大多偏澇。20世紀(jì)60年代云南東南及鄰近地區(qū)的干旱較為嚴(yán)重，而除中西部部分地區(qū)外，其余地區(qū)偏澇。20世紀(jì)70年代，除部分滇東南和滇中北地區(qū)偏旱外，云南大部分地區(qū)偏澇，尤其是滇西南、滇中部至滇東部地區(qū)為甚。20世紀(jì)80年代云南地區(qū)旱澇的發(fā)展逐步演變?yōu)橄喾吹淖兓?，干旱主要出現(xiàn)在滇西北地區(qū)，而洪澇主要出現(xiàn)在滇東南及附近地區(qū)。從20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)前10年，云南地區(qū)洪澇主要在滇中部地區(qū)和滇東南部分地區(qū)，干旱地區(qū)主要出現(xiàn)在滇西部和滇東部。滇西北地區(qū)已偏旱30多年，而滇東北、滇東南地區(qū)的旱情趨于嚴(yán)重，尤其是過(guò)去4年的平均狀況，極其嚴(yán)重的旱情幾乎蔓延至全省范圍。1948—2013年云南地區(qū)的旱澇呈較明顯的長(zhǎng)期變化，由原來(lái)的滇中部偏旱、其余地區(qū)偏澇，轉(zhuǎn)而相反為滇中部地區(qū)偏澇、其余地區(qū)偏旱，且旱情有增多、增強(qiáng)并蔓延的趨勢(shì)。這與文獻(xiàn)[28-29]的結(jié)論一致。

3.6 遙相關(guān)分析

由圖6可以看出，云南地區(qū)旱澇的時(shí)空分布特征相對(duì)簡(jiǎn)單，即空間分布尺度相對(duì)較大且長(zhǎng)期變化特征顯著。為進(jìn)一步研究云南地區(qū)旱澇的可能成因及其潛在的可預(yù)報(bào)性，應(yīng)用遙相關(guān)分析探討1948—2013年云南地區(qū)逐月、逐季、半年和全年的土壤濕度變化的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析前4個(gè)模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與前1個(gè)月的全球海溫[30-31]異常的滯后遙相關(guān)。結(jié)果表明：冬半年海表溫度變化與云南地區(qū)土壤濕度變化的相關(guān)比與夏半年變化的相關(guān)偏高。

圖7 1948年1月—2013年12月云南土壤濕度時(shí)間-經(jīng)度變化(單位:mm)Fig.7 Time-longitude evolution of soil moisture in Yunnan for Jan 1948-Dec 2013(unit:mm)

圖9給出1948年—2013年冬半年云南地區(qū)土壤濕度變化的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析前4個(gè)模態(tài)的時(shí)間系數(shù) (11月—次年4月) 與相應(yīng)前1個(gè)月(10月—次年3月)全球海表溫度異常的遙相關(guān)。結(jié)果顯示：云南地區(qū)土壤濕度經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的第1模態(tài)表現(xiàn)為全省范圍干旱或洪澇的異常，它們的時(shí)間變化與前1個(gè)月鄰近海域的孟加拉灣、阿拉伯海、西太平洋以及北大西洋的海表溫度異常存在較好的正相關(guān)。

圖8 云南地區(qū)土壤濕度的長(zhǎng)期距平分析(單位: mm) (a)20世紀(jì)50年代，(b)20世紀(jì)60年代，(c)20世紀(jì)70年代，(d)20世紀(jì)80年代，(e)20世紀(jì)90年代，(f)21世紀(jì)前10年Fig.8 Decadal soil moisture variations in Yunnan(unit:mm) (a)1950s，(b)1960s，(c)1970s，(d)1980s，(e)1990s，(f)2000s

云南地區(qū)土壤濕度經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的第2模態(tài)(其相應(yīng)的空間分布表現(xiàn)為云南及附近地區(qū)西北—東南向旱澇正負(fù)矩平的變化)的時(shí)間系數(shù)與前1個(gè)月鄰近海域的孟加拉灣、南海、西太平洋、印度洋的海表溫度異常存在負(fù)相關(guān)，同時(shí)，它也與前1個(gè)月東太平洋ENSO敏感區(qū)的海溫異常存在負(fù)相關(guān)。由于ENSO的可預(yù)報(bào)性相對(duì)較好, 對(duì)云南地區(qū)旱澇異常預(yù)報(bào)有益。

云南地區(qū)土壤濕度變化的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的第3模態(tài)(其相應(yīng)的空間分布特征表現(xiàn)為云南及附近地區(qū)西南—東北向旱澇的正負(fù)異常)的時(shí)間系數(shù)，除與鄰近海域的孟加拉灣、阿拉伯海以及部分西太平洋海表溫度異常有關(guān)外，也與前1個(gè)月赤道及北大西洋的海表溫度異常存在一定相關(guān)。

云南地區(qū)土壤濕度變化的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的第4模態(tài)(其相應(yīng)的空間分布特征主要表現(xiàn)為云南中部與其東西部旱澇的正負(fù)異常)的時(shí)間系數(shù)除與全球海表溫度異常的關(guān)系類(lèi)似其第1模態(tài)，也與部分南半球30°S附近的海表溫異常存在一定相關(guān)。

圖9 1948年—2013年冬半年云南地區(qū)土壤濕度異常經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的前4個(gè)模態(tài)時(shí)間系數(shù) PC1～PC4與相應(yīng)前1個(gè)月全球海表溫度異常的遙相關(guān)(陰影區(qū)達(dá)到0.05顯著性水平)Fig.9 Tele-connection between PC1-PC4 of soil moisture anomalies in Yunnan and previous month global SST anomalies for cool season of 1948-2013 (the shaded denotes passing the test of 0.05 level)

同樣，用云南地區(qū)陸地表面土壤濕度變化的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析的前4個(gè)模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與前2個(gè)月的全球海表溫度異常作遙相關(guān)分析，其結(jié)果與上述結(jié)論基本一致(圖略)。

4 結(jié)論和討論

旱澇分析多見(jiàn)于利用降水開(kāi)展，本文主要利用NOAA/CPC 0.5°×0.5°月平均土壤濕度資料對(duì)云南地區(qū)旱澇長(zhǎng)期變化的時(shí)空分布及演變特征進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

1) 利用云南省氣象站月降水資料、土壤濕度觀測(cè)資料與NOAA/CPC格點(diǎn)化降水、土壤濕度的多種分析適用性分析驗(yàn)證顯示：NOAA/CPC 0.5°×0.5°月平均土壤濕度資料在云南及附近地區(qū)有較好的適用性，能夠反映月、年尺度以及氣候態(tài)下的多尺度土壤濕度變化特征，尤其對(duì)1948—2013年旱澇的發(fā)生與演變特征描述有很好的可靠性。

2) 云南地區(qū)旱澇變化的時(shí)空分布特征具有相對(duì)簡(jiǎn)單的大尺度空間結(jié)構(gòu)和明顯的長(zhǎng)期變化特征。云南地區(qū)的旱澇變化由20世紀(jì)50年代的中部偏旱、其余地區(qū)偏澇逐步發(fā)展為相反的變化。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，中部偏澇、其余地區(qū)偏旱且旱情日趨嚴(yán)重，并有蔓延之勢(shì)，尤其是 2010年、2012年和2013年嚴(yán)重干旱蔓延至云南全省范圍。

3) 利用云南地區(qū)土壤濕度異常資料與前期的全球海溫異常資料進(jìn)行遙相關(guān)分析揭示：云南地區(qū)冬半年旱澇變異與前期海溫異常密切相關(guān)，冬半年云南地區(qū)旱澇不同的EOF模態(tài)時(shí)間變化對(duì)應(yīng)不同的前期海溫異常變化分布。云南全省旱澇一致的第1模態(tài)對(duì)應(yīng)前期孟加拉灣、阿拉伯海、西太平洋及北大西洋的海溫異常正相關(guān)。云南西北—東南旱澇反向的第2模態(tài)對(duì)應(yīng)前期孟加拉灣、南海、西太平洋以及東太平洋ENSO區(qū)的海溫異常負(fù)相關(guān)。云南西南—東北旱澇反向的第3模態(tài)對(duì)應(yīng)前期孟加拉灣、阿拉伯海和西太平洋部分海域的海溫異常負(fù)相關(guān)。云南中部與其東西兩側(cè)旱澇反向的第4模態(tài)則對(duì)應(yīng)前期孟加拉灣、阿拉伯海、西太平洋以及北大西洋的海溫異常正相關(guān)。

由于一個(gè)地區(qū)旱澇長(zhǎng)期變化的成因非常復(fù)雜，既與氣候系統(tǒng)的自然變率(如降水和氣溫的長(zhǎng)期變化)有關(guān)，還受到該地區(qū)地表植被的變化和人類(lèi)活動(dòng)(如人口增加、大范圍農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的變更、大中型水電站的建設(shè))等變化影響。本文僅從土壤濕度出發(fā)，對(duì)云南地區(qū)的旱澇長(zhǎng)期變化的時(shí)空分布特征及成因進(jìn)行了初步討論，深入理解云南旱澇長(zhǎng)期變化的時(shí)空分布及演變的物理機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

致 謝:對(duì)中國(guó)科學(xué)院地理研究所劉蘇峽研究員、中國(guó)氣象科學(xué)研究院劉栗博士、國(guó)家氣象信息中心、云南省氣候中心和昆明農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站同事給予的土壤濕度監(jiān)測(cè)資料表示感謝。

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Preliminary Results on Long-term Soil Moisture Variation in Yunnan

Fan Feng Duan Wei Yang Jiakang

(YunnanInstituteofMeteorologicalSciences,Kunming650034)

Long-term spatial-temporal distributions of soil moisture anomalies related drought-flood events and their evolution features in Yunnan, China of recent 66 years are explored using 1948-2013 NOAA CPC 0.5°×0.5° global monthly soil moisture data, along with 125-station based monthly observed precipitation for period of 1951-2013, and monthly soil moisture observation from 22 stations for the period of 1993-2013. Comparing with precipitation, soil moisture has some unique physical properties and statistical features, such as longer memory and closer to normal distribution, making it an important component for drought-flood analyzing and monitoring. The mutual validation reveals that the gridded NOAA CPC monthly soil moisture data can capture those major observed drought-flood events very well. The preliminary results show that spatial structures of soil moisture anomaly related drought-flood events in Yunnan, China have relatively simple and large-scale features. The first four leading EOF modes can explain more than 2/3 of total variance of soil moisture variations. The soil moisture related drought-flood events also have obvious long-term variations or trends, such as from 1950s it is drier in central Yunnan and wetter in most rest parts, and then the condition gradually evolved to the opposite, from 1990s the central part of Yunnan becomes wetter than most rest parts. The drought condition tends to become worse since then, especially for the years of 2010, 2012 and 2013, when extreme drought conditions extends to almost everywhere in Yunnan. Further study on possible causes for this spatial-temporal evolution reveals some good relationships between monthly soil moisture variations and global sea surface temperature anomalies (SSTA) one or two months ago, especially in cool season. The 1st EOF mode of soil moisture anomalies, which represents soil moisture anomalies through the whole Yunnan, has good correlation with previous month’s SSTA nearby the Bay of Bengal, Arab Sea, the western tropical Pacific and the remote Atlantic, and the 2nd EOF mode which reflects soil moisture anomalies related drought-flood variations from northwest to southeast Yunnan also well correlates with previous month’s SSTA in the Bay of Bengal, the South China Sea, western Pacific, and the remote eastern tropical Pacific ENSO region and the tropical Atlantic. The 3rd EOF mode and 4th EOF mode of soil moisture anomalies, which present south to north and east to west drought-flood variations in Yunnan, also relate to unique SSTA in previous months.

Yunnan; soil moisture; drought-flood; spatial-temporal distribution

10.11898/1001-7313.20150403

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41205067)，云南省科技惠民計(jì)劃(2014RA002)

樊風(fēng),段瑋,楊家康. 云南土壤濕度長(zhǎng)期變化的初步研究. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(4)：409-421.

2014-12-01收到， 2015-04-10收到再改稿。

* 通信作者， email: duanwain@hotmail.com