基于WRF模式的云南省干旱发生风险的预测分析

摘要 云南省作为西部大开发的典型省份之一，有着独特的自然环境和资源禀赋，但同时全省地形复杂多变且处于气候带的脆弱区，气候变率相当大。本研究在分析云南省近30年的土地利用/土地覆被变化的前提下，采用中尺度天气研究与预报Weather Research and Forecasting （WRF）模式系统，对云南省未来40年干旱发生风险进行了预测分析。研究首先对WRF模式系统适用性进行了验证，重点分析了气温和降水两个主要干旱影响因子的未来时空变异特征。然后根据WRF模式系统的输出结果，选取了系列气象干旱指标因子，并采用综合气象干旱指数计算方法在空间和时间上对干旱发生风险进行了预测。从研究结果来看，加强对现用森林资源的保护，执行长期有效的生态工程建设，可以很大程度上减缓未来干旱发生频率。同时云南省当前“城市上山”等政策实施中也应考虑到建设用地扩张的不可逆转性，避免城市盲目上山。研究指出，未来区域发展规划应该对人为土地利用进行长期且合理有效部署，减少政策的不确定性，合理的区域发展规划是应对干旱风险的有效举措。

关键词干旱；干旱风险；干旱指数；WRF；云南省

中图分类号P951文献标识码A文章编号1002-2104（2013）10-0095-07

在全球气候以变暖为主要特征的气候背景下，地理位置特殊的云南省在干旱、洪涝和低温冷害等极端气候事件方面面临着更加严峻的考验。云南省由于受西南季风控制，加之地理位置和地形的作用，大部分地区呈现四季不分明、干湿季明显的气候特征。云南天气灾害频发，天气预报难度较大，给当地的社会经济发展带来严重的影响。特殊的海陆分布、奇异的地形和独特下垫面状况铸就了云南特殊的立体气候背景，近年来云南省干旱灾害有明显增加的趋势。据相关记载，1901年以前百年干旱出现的频数都在100次以下，而20世纪干旱出现频数却超过了150次，尤其是20世纪80年代的旱灾增多比较明显[1]。作为当前全球造成经济损失最严重的自然灾害[2-3]，云南省的极端干旱已经严重威胁这些地区的生存环境，引起了水资源严重匮乏、生态环境退化和荒漠化等一系列环境问题[4-5]。干旱作为水文循环及水分分布的极端情形，它的危害早已被人们所认识。干旱灾害的致灾因子是气象因子[6-7]，主要取决于一个地区的降水、气温、蒸发等。因此干旱风险分析主要通过对干旱气象因子分析来完成。国内外许多科学研究针对气象干旱问题进行了大量的区域观测试验和数值模拟研究，得到许多有意义的研究成果[8-9]。传统的统计诊断存在关系不确定以及历史资料缺乏等缺陷[8]，同时云南省地理位置特殊，影响气候异常的因子复杂，因而传统的统计方法很难为气候干旱预测提供较为客观的科学支持。针对云南省气候及干旱风险分析问题，中尺度天气研究与预报Weather Research and Forecasting （WRF）模式系统等一系列区域气候模式能够很好的描述下垫面状况和中小尺度物理过程，能够提供更详细的气候特征，是一种气候灾害因素分析和预测的新方法。

随着城镇化和工业化建设，云南省的土地覆被发生着剧烈改变。城镇化推进过程中因大量农用优等土地被占用导致耕地面积锐减，农业生产结构扭曲，坝区耕地资源持续减少。在推进城镇建设时，存在过多占用坝区耕地、“摊大饼”式发展的现象。随后发起的生态工程建设虽然使得省内生态恶化趋势得到一定遏制，然而这种大规模的造林工程进一步改变了原有的土地覆被状况。大量科学研究证明[10-12]，土地利用/覆盖变化改变下垫面的性质，即地表反射率、粗糙度、植被叶面积以及植被覆盖比例的变化，引起了区域温度、湿度、风速、降水变化，由此引起局地与区域气候变化，进而影响灾害发生频次。本研究在分析云南省近20年的土地覆被变化的前提下，采用中尺度天气研究与预报WRF模式系统对云南省干旱发生风险进行了预测分析，以期能对当前合理部署土地利用，减缓异常气候事件提供指导，并为云南省的灾害预测提供有益的帮助和参考。

邓祥征等：基于WRF模式的云南省干旱发生风险的预测分析中国人口・资源与环境2013年第10期1数据与方法

1.1云南省过去20年土地利用变化趋势分析

云南省地处青藏高原东南侧（100°E-110°E， 23°N-28°N），位于珠江、澜沧江和怒江等六大江河水系的源头和上游，是典型的低纬高原。低纬高原有着低纬地区的气候特点：气温年较差小；季风活动最显著，降水充沛且旱季与雨季分明。又有着高原气候的特点：太阳辐射强而辐射差额小；高原地区比同纬度的平原地区气温要低6-10℃左右；温度昼夜日较差可比同纬度的平原地区高出1-2倍；降水明显受地形影响，一般迎湿润气流的高原边缘是多雨带，而背湿润气流一侧和高原内部，雨量较少。低纬高原既有低纬特征又有高原特点，相应的气候特征也反映出两者的结合。

同时，由于地形错综复杂，各地山脉高耸、河谷深切、高差悬殊，冬夏大气环流交替早迟不同，东西两侧海洋季风影响各异，导致干旱、洪涝灾害出现的频率高，而且干旱一般历时长、成灾面积大，是云南省主要自然灾害之一。鉴于云南省特殊的地理位置和地形，开展云南省的气候研究与预测很有必要。本研究首先以20世纪80年代末和20世纪90年代末Landsat TM/ETM遥感影像为基本信息源，通过人机交互式目视解译的方式获取1985年、1993、1998、2003、2008年土地利用/土地覆盖数据，并对主要用地类型和进行了面积统计和空间化表示。西北部林地为主要用地类型，面积所占比例超过58%，东部地区建设用地分布较广。

为了分析主要的土地利用/覆被变化，本研究进一步对各类土地利用类型近20年的变化格局进行了空间统计和定量化识别（见图1）。从1985-2008年主要土地利用类型面积变化和土地利用类型转移率来看，林地作为云南省主要用地类型，转入转出面积为各种用地类型中最高；草地面积变化次之，转入率高达3.09%，因而总体面积呈递增趋势；第三大用地类型-耕地虽然在一些地区有所增加，但大部分地区出现了耕地的大幅递减，总面积减少量高于100万 hm2，耕地向其他用地的转出幅度最高，转出率为375%，减幅为2%。高的转出率还伴随着较高的转入率，说明耕地变化动荡显著；水域也呈现出增长趋势，增幅约为1%；建设用地不同于其他用地类型，转入率为593%，而转出率仅为0.01%。建设用地虽然所占比例低于3%，但面积变化率最大，增幅达6%。而以5年为时间段进一步分析主要土地利用转移情况可发现云南省土地覆被在过去24年变化显著。主要用地类型每隔5年的转移趋势和转移面积、转移率与上述24年的分析相当。说明云南省土地覆被整体发生变化的背后隐藏着更加剧烈的转入转出的动荡。