貴州省無雨日和最長連續(xù)無雨日數(shù)時空分布特征

，，,3

(1.黔南民族師范學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，貴州都勻558000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；3.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550001)

在全球變暖的背景下，近幾十年來，降水事件總體呈極端化趨勢[1]，干旱極端天氣過程、旱澇災(zāi)害呈現(xiàn)廣發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢[2-3]。20世紀(jì)90年代后，氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的3%～6%，干旱導(dǎo)致的占其中的50%左右[4]，旱災(zāi)嚴(yán)重危害糧食安全，對經(jīng)濟社會造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響[5]，已引發(fā)了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[6-7]。中國的干旱具有影響范圍大、災(zāi)害程度重等特點，且近年來干旱區(qū)域不斷擴大，有從干旱區(qū)向濕潤區(qū)發(fā)展的趨勢[8]；西南地區(qū)干旱事件頻發(fā)，極端干旱造成的損失難以估計[9-10]。旱澇災(zāi)害與降水量、降水日數(shù)都有重要相關(guān)性[11]，利用長期觀測氣象資料評價極端降水事件[12-13]已成為重要的研究手段。

貴州省位于長江和珠江上游水源區(qū)，是重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和水土流失保護區(qū)。貴州省內(nèi)絕大部分地區(qū)屬于“雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)”，極易受降水變化的影響[14]。其特殊的喀斯特地質(zhì)地貌條件，山地居多，水利工程設(shè)施不足，水資源流失嚴(yán)重，加上極端降水事件的發(fā)生，自然災(zāi)害較多、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[15-16]。研究貴州省的水分條件變化對保護生態(tài)環(huán)境、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義。21世紀(jì)以來，貴州省干旱頻發(fā)，且連續(xù)出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，受災(zāi)人口較多、農(nóng)作物受災(zāi)面積較大、直接經(jīng)濟損失較高[17]，引起國內(nèi)專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，從多角度對貴州省干旱問題開展了研究。研究表明，貴州省降水有增加趨勢[18-19]，空間變化差異顯著[20]，具有顯著的年際、年代際異常變化特征[21-22]，且不同強度降水日數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的態(tài)勢[23]。

21世紀(jì)以來貴州省出現(xiàn)了多次歷史罕見的干旱，與降水頻率、強度、極端降水事件以及無雨日數(shù)的多少關(guān)系密切。從無雨日數(shù)出發(fā)，衡量貴州省年降水量的均勻程度，研究貴州省旱澇狀況的時空變化，并探討貴州省旱澇重心的轉(zhuǎn)移趨勢，對預(yù)防農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害和地質(zhì)災(zāi)害有一定的現(xiàn)實意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省地處東經(jīng)103°36′～109°35′、北緯24°37′～29°13′之間，位于中國西南喀斯特高原山區(qū)，是全球三大喀斯特集中分布區(qū)的東亞片區(qū)中心。山地和丘陵占貴州省總面積的92.5%，喀斯特面積占全省面積的61.9%。其西部屬于高原山地區(qū)、中部為丘原區(qū)、東部為山地丘陵區(qū)，地勢西高東低，平均海拔1 100 m。貴州省地處長江和珠江上游分水嶺地帶，是其重要的生態(tài)屏障。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量為1 100～1 300 mm，年均溫在10～20℃。由于地形崎嶇，氣溫和降水的區(qū)域差異顯著。貴州省作為首批生態(tài)文明建設(shè)試驗區(qū)，其生態(tài)保護建設(shè)貢獻(xiàn)巨大，但在水土流失防治、石漠化治理及生態(tài)多樣性保護等方面任重道遠(yuǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

氣候數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)，研究數(shù)據(jù)包括了貴州省34個氣象站點1981—2017年逐日降水量數(shù)據(jù)。

根據(jù)降水等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將日降水量≤0.10 mm的天數(shù)作為無雨日。年無雨日數(shù)是指一年中降雨量≤0.10 mm的天數(shù)，四季無雨日數(shù)則是相對應(yīng)的季節(jié)中降雨量≤0.10 mm的天數(shù)。

首先對每個站點的氣象數(shù)據(jù)異常值進行處理，然后統(tǒng)計每個站點每個月的無雨日數(shù)，最后計算4個季節(jié)以及每年的無雨日數(shù)。根據(jù)3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季進行統(tǒng)計。

將每年每個站點統(tǒng)計好的無雨日數(shù)按照插值規(guī)則處理好，導(dǎo)入ArcGIS平臺中，并基于克里金插值方法進行空間插值，在此基礎(chǔ)上進行無雨日數(shù)的時空分析。

1.3 研究方法

1.3.1Kriging空間插值

Kriging空間插值法，又稱空間自協(xié)方差最佳插值法，是用空間上所有已知點的數(shù)據(jù)加權(quán)求和來估計未知點的值。目前已廣泛應(yīng)用于氣候?qū)W、土壤學(xué)、地理學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)研究。本文利用ArcGIS地統(tǒng)計模塊對無雨日天數(shù)進行Kriging空間插值，用于分析研究區(qū)無雨日數(shù)空間格局的變化。

1.3.2變異系數(shù)

利用變異系數(shù)來衡量無雨日區(qū)域變異程度的大小，分析無雨日數(shù)的時間序列穩(wěn)定性和波動規(guī)律。變異系數(shù)越大，表示無雨日數(shù)隨時間變化波動大，時序不穩(wěn)定，出現(xiàn)旱澇幾率也越大；變異系數(shù)越小，表示無雨日數(shù)分布較為集中，波動越小，時序穩(wěn)定性越好。變異系數(shù)公式[24]為：

(1)

2 結(jié)果分析

2.1 貴州無雨日的年際變化和季節(jié)變化

2.1.1年際變化

利用線性回歸計算了1981—2017年間貴州省無雨日的變化趨勢見圖1，總體表現(xiàn)為顯著上升趨勢(r=0.477**,p<0.01)，上升速率為0.516/a，但具有階段性變化。1981—1990年間上升趨勢較大，1991—2000年間波動升高，2001—2011年間無雨日數(shù)一直較多，2011之后波動較大但仍有增加。其中1982、1997、2000、2012年是無雨日較少的年份，1987、1998、2003、2011、2013年是研究期間無雨日較多的幾年。其中，1987年無雨日最多為221.55 d，1982年最少為184.45 d。

有研究表明，進入21世紀(jì)后，不同強度降水日數(shù)較20世紀(jì)末大幅減少，尤其是總降水日數(shù)和小雨日數(shù)較平均值分別偏少10.7、9.1 d[23]?？傊?0世紀(jì)80年代初期之后無雨日在逐步增加，21世紀(jì)后顯著增加，這一研究結(jié)果與王芬等[11]的研究結(jié)果一致。

結(jié)合貴州省年降水量的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)1981—2017年間貴州省年降水量呈不顯著上升趨勢(r=0.024,p<0.890)，年增長率為0.276 8/a(圖2)。有研究表明，1980—1999年強降水平均天數(shù)呈增加趨勢，1990—2009年強降水天數(shù)較多[25]。貴州省總降水量不顯著增加而無雨日數(shù)顯著增加，說明貴州省暴雨與大雨日數(shù)在增加，極端降水天氣增加[14,26]，出現(xiàn)旱澇災(zāi)害的風(fēng)險在增加。無雨日的增加和總降水量的保持平穩(wěn)表明，單次降水強度大，而貴州石漠化現(xiàn)象較為嚴(yán)重、地質(zhì)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生態(tài)脆弱，單次強降水更會加劇石漠化、地質(zhì)災(zāi)害和農(nóng)作物風(fēng)險，因此在氣候變化下，無雨日增加的情況下，貴州地區(qū)需要加強對石漠化、地質(zhì)災(zāi)害和農(nóng)作物風(fēng)險加劇的管控。

2.1.2季節(jié)變化

通過無雨日的年際變化趨勢可以了解干旱狀況的總體變化情況，通過季節(jié)變化可以了解無雨日數(shù)變化的時間段，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理安排提供科學(xué)依據(jù)，見圖3。

春季無雨日數(shù)呈顯著上升趨勢(r=0.338*,p= 0.041)，在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，年變化率為0.136 6 d/a。1987年無雨日數(shù)較多，20世紀(jì)末(1990—2000年期間)無雨日波動增加，21世紀(jì)初無雨日數(shù)較多，2013年后無雨日數(shù)減少。夏季無雨日數(shù)呈不顯著上升趨勢(r= 0.054,p= 0.753)，年變化率在0.024 9 d/a。1981—1989年間區(qū)域無雨日數(shù)呈下降趨勢，1990—2000年間呈波動下降趨勢，尤其是1995—2002年間是無雨日數(shù)較少的階段，2003—2013年間無雨日數(shù)明顯增加，2013年以后無雨日數(shù)開始減少。秋季無雨日數(shù)呈顯著上升趨勢(r= 0.403*,p= 0.013)，在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，年變化率在0.207 9 d/a。2010年之后無雨日數(shù)稍有減少。冬季無雨日數(shù)呈不顯著上升趨勢(r= 0.294,p= 0.078)，年變化率在0.139 6 d/a。

從無雨日的季節(jié)分配看，四季無雨日都呈增加趨勢。秋季的無雨日數(shù)較多，年增長率最大，且上升趨勢也明顯，表明秋季干旱化速度最快，對于秋季作物種植結(jié)構(gòu)和品種選擇需要進行適當(dāng)調(diào)整，以適應(yīng)氣候的變化。冬春季節(jié)的無雨日年增長率基本一致，但春季變化波動較大，冬季無雨日數(shù)較多，但波動較小。夏季無雨日數(shù)較少，且年增長率也較低，波動最小。主要因為夏季是一年中降水最多的季節(jié)，相對來說無雨日較少，但是研究期間無雨日數(shù)也是呈增長趨勢。無雨日數(shù)的多少與季風(fēng)強弱關(guān)系密切，同時一些海氣相互作用，如ENSO等對貴州省無雨日的影響至關(guān)重要。在喀斯特地區(qū)，地表水涵養(yǎng)條件較差的情況下，發(fā)展水利設(shè)施工程、提高儲存水資源的建設(shè)能力是保證當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

2.2 貴州無雨日的空間分布及變化特征

2.2.1空間分布

利用Kriging方法將34個站點的多年平均無雨日進行空間插值，獲得貴州省多年平均無雨日空間分布，見圖4。研究表明，貴州各地年均無雨日數(shù)在187～230 d，總體分布特征是東多西少、南多北少，空間差異較大，與降水量由東南向西北逐漸遞減的變化特征基本一致。這種分布特征與水汽來源和地形走向等有關(guān)。影響貴州的水汽主要來源于東南季風(fēng)和南亞季風(fēng)，而且貴州的嶺谷大多南北縱列分布，地勢由東南向西北逐漸增高，這些因素決定了其降水分布東南部較大，西北部較少。

貴州省無雨日最高值分布在黔南的羅甸縣、黔西南的興義市，東北部的銅仁市也處在高值區(qū)，無雨日數(shù)在200 d以上。畢節(jié)市、六盤水市、遵義市西部、貴陽西部、安順西部和黔西南州西部為無雨日低值區(qū)，在200 d以下。東部和南部的無雨日數(shù)增加，但降水總量也較多，表明這些區(qū)域旱澇災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險加劇，需要相關(guān)部門加強預(yù)防和治理。

2.2.2空間變化

從貴州省1981—2017年無雨日變異系數(shù)的空間分布來看，貴州省無雨日數(shù)變異系數(shù)不大，都在0.1以下，無雨日年際變化不大，但空間差異明顯。

從空間分布看，西部大于東部，南部大于北部，黔西南州和畢節(jié)市、六盤水市較大，黔南州、黔東南州、銅仁市較小，遵義市最小(圖5)。表明東部無雨日數(shù)穩(wěn)定增加，西部無雨日數(shù)波動增加。東部和南部地區(qū)年降水量較多，而無雨日數(shù)較多，且變異系數(shù)較小，導(dǎo)致極端降水概率增大，容易引發(fā)旱澇災(zāi)害和城市內(nèi)澇，極易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

2.3 貴州最長連續(xù)無雨日數(shù)的時空變化特征

2.3.1年際變化

1981—2017年間貴州省最長連續(xù)無雨日數(shù)總體表現(xiàn)為微弱下降趨勢(r=-0.046,p<0.787)，下降速率為-0.011 6/a，但具有階段性變化(圖6)。1981—1992年間波動較大，最長連續(xù)無雨日數(shù)較多，1993—2010年間波動較小，最長連續(xù)無雨日數(shù)在16 d左右，2011之后波動趨于平穩(wěn)。其中1982、1997、2000、2012年是最長連續(xù)無雨日數(shù)較少的年份，1983、1988、1990、2010年是研究期間最長連續(xù)無雨日數(shù)較多的年份。其中，1988年和2010年無雨日最多為22 d，2012年最少為10 d左右。與無雨日數(shù)的變化相比，最長連續(xù)無雨日數(shù)有減少趨勢，無雨日數(shù)呈上升趨勢。

2.3.2空間分布

貴州省多年平均最長連續(xù)無雨日數(shù)空間分布表現(xiàn)為，各地年均最長連續(xù)無雨日數(shù)在16 d左右，總體分布特征是東多西少、南多北少，空間差異較大，與降水量及無雨日數(shù)的空間分布特征基本一致。

貴州省多年平均最長連續(xù)無雨日數(shù)最高值分布在黔南的黔西南州東南部、黔南州南部的羅甸縣和荔波縣、黔東南州南部、銅仁市東部處在高值區(qū)，最長連續(xù)無雨日數(shù)在22 d以上(圖7)。畢節(jié)市、六盤水市、遵義市西部、貴陽西部、安順西部和黔西南州西北部為最長連續(xù)無雨日數(shù)低值區(qū)，在11 d以下。

黔西南州中望謨縣、冊亨縣最長無雨日數(shù)較長，興仁縣、晴隆縣和晉安縣較短。黔南州最長連續(xù)無雨日數(shù)較多，但其年降水量較多，因此發(fā)生極端降水事件幾率較高，再加上山地地形條件，極容易發(fā)生水土流失等生態(tài)問題。

2.3.3空間變化

貴州省近37 a來年均最長連續(xù)無雨日變異系數(shù)的空間變化不大，都在0.1以下，但空間差異明顯。從空間分布看，南北變化較大，中部變化較小。黔西南州、黔南州羅甸縣、遵義市北部、銅仁市東部變化較大(圖8)。表明貴州省南部和北部的最長連續(xù)無雨日數(shù)的變化較大，中部等大部分區(qū)域變化較小，最長連續(xù)無雨日數(shù)較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

利用線性回歸、變異系數(shù)對貴州省1981—2017年無雨日數(shù)和最長連續(xù)無雨日數(shù)進行時空變化分析，貴州南部極端降水天氣較多，加上地形條件影響，水土流失等生態(tài)風(fēng)險增加，研究結(jié)果如下。

a) 近37 a來，貴州省無雨日數(shù)呈增加趨勢，總降水量呈微弱上升趨勢，極端降水天氣增多。從無雨日數(shù)的季節(jié)情況看，冬季無雨日較多，和春季年增加率相似；秋季的無雨日數(shù)較多，且年增加率最大；夏季無雨日數(shù)較少，年增加率較小?？臻g分布上呈由西到東、由北向南增加的趨勢，空間分異特征明顯；高值區(qū)位于黔西南的興義市、黔南的羅甸縣、貴州東北部的銅仁市等地區(qū)，低值區(qū)位于畢節(jié)市、六盤水市、遵義市西部、安順西部、貴陽西部以及黔西南州的西部等區(qū)域。從變異情況看，貴州省無雨日數(shù)年際變化較小，但存在西部較大、東部較小的空間差異。

b) 研究期間，貴州省最長連續(xù)無雨日數(shù)呈微弱的下降趨勢，但是空間差異明顯。黔西南州的望謨縣和冊亨縣、黔南州的羅甸縣和荔波縣的最長連續(xù)無雨日數(shù)較多，且變化較大。