貴州省1960-2014年降水量時(shí)空變化特征分析

彭 菊， 周秋文， 韋小茶， 唐 欣， 梁建方， 閔思艷

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 研究背景

在全球氣候變化背景下，極端旱澇等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生[1-3]。降水是地球水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，降水量及其過(guò)程的掌握，對(duì)人類認(rèn)識(shí)大氣循環(huán)和水循環(huán)過(guò)程，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展都起著至關(guān)重要的作用[4-6]。

隨著航天和遙感技術(shù)的發(fā)展，高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星降水反演數(shù)據(jù)解決了氣象觀測(cè)站點(diǎn)空間代表性不足的問(wèn)題，并且彌補(bǔ)了偏遠(yuǎn)地區(qū)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)較少的缺陷[7-10]。目前，許多學(xué)者對(duì)降水特征開(kāi)展大量研究，并取得眾多顯著成果[11-12]；Narisma等[13]用小波分析法分析研究全球20世紀(jì)降水的區(qū)域突變；胡乃發(fā)等[14]采用小波分析方法，對(duì)1959-2006年長(zhǎng)白山地區(qū)降水序列進(jìn)行多時(shí)間尺度分析，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)白山地區(qū)植被生長(zhǎng)季降水量存在3～6 a、10～13 a、24～30 a的特征周期，年降水量序列呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)；楊雨蒙等[15]對(duì)TRMM衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)在湖南省的精度和可靠性進(jìn)行評(píng)定。

貴州省屬于亞熱帶高原季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，省內(nèi)大部分地區(qū)降水充沛，但時(shí)空分布不均[16-17]。近年來(lái)，貴州省干旱和洪水災(zāi)害頻繁，并且有惡化的趨勢(shì)，對(duì)該區(qū)的土壤侵蝕、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、土地利用/覆被等方面具有較大影響，嚴(yán)重制約了貴州省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[18-19]。因此，研究貴州省降水變化趨勢(shì)和突變規(guī)律，對(duì)了解該區(qū)氣候變化特征、合理利用和配置水資源、防御旱澇等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[20-22]。

近年來(lái)，學(xué)者針對(duì)貴州省降水量變化開(kāi)展研究。例如，李腹廣等[23]對(duì)黔西南近30年降水時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)黔西南州年降水存在多時(shí)間尺度特征；李春梅等[24]對(duì)貴州麥崗水庫(kù)小流域降水進(jìn)行小波分析，基于49 a降水?dāng)?shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，貴州省降水存在多時(shí)間尺度特征，周期振蕩明顯[25]。徐建新等[6]基于貴州省19個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2009年的月降水資料，分析了貴州省降水在不同時(shí)間尺度下的時(shí)空規(guī)律；張勇榮等[26]分析了貴州省近55 a來(lái)的降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度的氣候特征、變化趨勢(shì)、空間分布和穩(wěn)定性。

目前對(duì)貴州降水的大量研究中，針對(duì)貴州省不同地貌單元區(qū)、不同時(shí)間尺度降水序列進(jìn)行趨勢(shì)和突變特征分析的研究較少。因此，本文采用一元線性回歸擬合、累計(jì)距平、M-K突變檢驗(yàn)法，以貴州19個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2014年的逐月降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)貴州省及其不同地貌類型區(qū)近55年不同時(shí)間尺度的降水量進(jìn)行趨勢(shì)和突變特征分析，為掌握貴州省降水量變化規(guī)律及短期氣候預(yù)測(cè)，以及制定旱澇災(zāi)害預(yù)警機(jī)制和合理利用和配置水資源等提供理論依據(jù)和科學(xué)技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)概況

貴州省處于云貴高原的東斜坡(103°36′E～109°35′E、24°37′N(xiāo)～29°13′N(xiāo))，海拔梯度大、地貌條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境極為脆弱[17]。土地面積17.62×104km2，海拔約1 100 m，年均溫14～16℃，最冷月均溫3～6℃，最熱月均溫22～25℃，氣溫年差較小，年降水量1 000～1 300 mm，多集中于夏季。降雨不僅是該地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的主要影響因素，而且是導(dǎo)致該地區(qū)土壤侵蝕和石漠化的主要?jiǎng)恿σ蛩豙16]。區(qū)域內(nèi)降水空間分布格局異常復(fù)雜，多年平均降水量大但空間分布差異顯著，年內(nèi)分布不均。貴州省地貌分區(qū)及氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

3.1 降水?dāng)?shù)據(jù)

降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供的1960-2014年貴州省19個(gè)代表氣象站點(diǎn)逐月降水資料，將各月降水量求和得到各年降水量。為能更全面地反映貴州降水量變化規(guī)律，分別對(duì)整個(gè)貴州省及其不同地貌區(qū)域進(jìn)行年降水、最大月降水變化特征分析。各氣象站點(diǎn)的名稱、經(jīng)緯度、觀測(cè)場(chǎng)海拔高度及所在的地貌單元等信息如表1所示。

表1 各氣象站點(diǎn)的名稱、經(jīng)緯度、觀測(cè)場(chǎng)海拔高度及所在的地貌單元

3.2 研究方法

本研究中采用氣候傾向率[27-28]來(lái)描述年均降水量、最大月降水量的變化幅度。采用累計(jì)距平法反映研究區(qū)降水量長(zhǎng)期的演變趨勢(shì)，當(dāng)累計(jì)距平曲線上升，表示距平值增加，氣象要素處于偏高階段；當(dāng)累計(jì)距平值下降，則表示距平值減少，氣候要素處于偏低階段，當(dāng)曲線出現(xiàn)明顯的上下起伏時(shí)，可以診斷其為發(fā)生突變的大致時(shí)間。采用Mann-Kendall (M-K)法對(duì)降水進(jìn)行突變特征檢驗(yàn)[30-31]，從而確定降水突變開(kāi)始的時(shí)間和范圍。

4 結(jié)果與分析

4.1 降水量空間分布特征

1960-2014年貴州省年平均和最大月平均降水量空間分布如圖2所示。由圖2 (a)可見(jiàn)，貴州近55年年均降水量存在空間差異，總體上呈現(xiàn)出南多北少的空間格局。其中，巖溶盆地、峰叢洼地的降水量相對(duì)較豐沛，巖溶高原降水則普遍較少。巖溶峽谷的北部降水稀缺，南部降水豐富；由圖2(b)可見(jiàn)，貴州省西南部巖溶盆地地區(qū)的最大月平均降水量較高，其次為峰叢洼地、巖溶峽谷、非喀斯特地區(qū)、巖溶高原，最小的則是巖溶槽谷地區(qū)。

4.2 年均降水量變化趨勢(shì)

1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)降水量年際變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。由圖3可看出，貴州省近55年來(lái)降水量呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢(shì)，變化傾向率為-17.815 mm/10a。其中降水量最大值為1967年的1 361.447 mm，最小值為2011年的818.168 mm，多年平均值為1 144.473 mm。20世紀(jì)60、70年代

降水較豐沛，80年代末至90年代初以及2000年以來(lái)的降水量相對(duì)較小。巖溶峽谷和巖溶槽谷年降水整體呈上升趨勢(shì)，變化傾向率分別為19.787 mm/10a、31.546 mm/10a；巖溶高原、峰叢洼地以及非喀斯特地區(qū)則呈現(xiàn)出逐年遞減趨勢(shì)，變化傾向率分別為-26.753 mm/10a、-19.427 mm/10a和-8.536 mm/10a，巖溶盆地的降水量下降最明顯，傾向率為-42.972 mm/10a。

圖4為1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)降水的年際累計(jì)距平分析。由圖4可看出，1960-2014年貴州省降水累計(jì)距平大致出現(xiàn)4個(gè)變化階段：1960-1986年降水累計(jì)距平有明顯的上升趨勢(shì)，1986-1994年出現(xiàn)下降趨勢(shì)，1994-2000年緩慢上升(巖溶峽谷區(qū)除外)，在2000-2014年又逐漸減少。巖溶峽谷在20世紀(jì)80年代至2007年的降水累計(jì)距平呈明顯下降趨勢(shì)，后突然增加，尤其在近幾年來(lái)的降水量非常不穩(wěn)定。

圖1 貴州省地貌分區(qū)及氣象站點(diǎn)分布

圖2 1960-2014年貴州省年平均和最大月平均降水量空間分布

圖3 1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)降水量年際變化趨勢(shì)

4.3 最大月降水量變化趨勢(shì)

1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)的最大月降水量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。由圖5可看出，貴州省月降水量最大值為1970年的321.579 mm，最小值為2013年的164.442 mm，平均值為241.771 mm，每年最大月降水值相差不大。最大月降水量?jī)A向率為0.892 mm/10a。巖溶峽谷的最大月降水量增加趨勢(shì)最為明顯，傾向率為42.345 mm/10a。巖溶槽谷、峰叢洼地及非喀斯特地區(qū)分別為0.772、4.164 mm/10a和5.097 mm/10a。巖溶高原和巖溶盆地的變化傾向率分別-4.967 mm/10a、-6.559 mm/10a。

圖4 1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)降水量年際累計(jì)距平分析

圖5 1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)的最大月降水量變化趨勢(shì)

圖6為1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)最大月降水累計(jì)距平分析。由圖6可看出，貴州省最大月降水量累計(jì)距平變化幅度不大，1960-1990年總體上有下降趨勢(shì)，1990-2014年呈緩慢上升趨勢(shì)。從各地貌區(qū)來(lái)看，巖溶峽谷地區(qū)最大月降水累計(jì)距平在1960-2006年間呈顯著下降趨勢(shì)，在2007年出現(xiàn)一次顯著變化，降水突然急劇增加，主要是因?yàn)閹r溶峽谷威寧地區(qū)2007年5月大量降水而造成。其他5個(gè)地貌區(qū)在這55年間也出現(xiàn)多次波動(dòng)但變化幅度不大，均無(wú)明顯變化規(guī)律。

圖6 1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)最大月降水量累計(jì)距平分析

4.4 年均降水量突變檢驗(yàn)

1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)的年均降水量突變檢驗(yàn)分析見(jiàn)圖7。如圖7所示，1960-1985年貴州省整體的年降水變化UF曲線大于0，降水處于增加趨勢(shì)，1985-2014年UF值小于0，降水呈下降趨勢(shì)。UF和UB曲線在1985、1992和2002年存在明顯交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間。結(jié)合年降水距平曲線，可確定在1985、1992和2002年降水量出現(xiàn)

突變。巖溶峽谷的UF和UB曲線在1984年存在交點(diǎn)，在此前UF曲線均是圍繞0值線波動(dòng)，起伏不大，1984年后UF值小于0，說(shuō)明降水一直處于減少趨勢(shì)。巖溶高原的突變點(diǎn)在2001年，此后降水也保持持續(xù)減少趨勢(shì)。巖溶盆地區(qū)只有2002年1個(gè)突變點(diǎn)，峰叢洼地的突變點(diǎn)為2008年，巖溶槽谷地區(qū)和非喀斯特地區(qū)均存在多個(gè)突變點(diǎn)。

4.5 最大月降水量突變檢驗(yàn)

1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)的最大月降水量突變檢驗(yàn)見(jiàn)圖8。如圖8所示，1960-1995年貴州省整體的UF曲線圍繞0值變化波動(dòng)較大，1995-2014年UF值大于0，說(shuō)明該階段的最大月降水量處于增加趨勢(shì)。貴州最大月降水UF-UB曲線主要有1963、1966、1972、1975、1980、1985、1990、2008、2012年9個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)較多說(shuō)明貴州省近55年來(lái)的最大月降水量變化不穩(wěn)定。從各地貌類型區(qū)分析可知，巖溶峽谷地區(qū)1960-2014年最大月降水序列的突變點(diǎn)是1984年，巖溶高原地區(qū)最大月降水序列的突變點(diǎn)為1980和1994年，峰叢洼地的突變點(diǎn)為1980和2001年，1968-1971年為該區(qū)突變明顯期，非喀斯特地區(qū)的突變點(diǎn)主要有1980和1994年，1967-1975年為該區(qū)突變明顯期，巖溶槽谷地區(qū)的突變點(diǎn)最多。

圖7 1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)的年均降水量突變檢驗(yàn)分析

圖8 1960-2014年貴州省及各地貌單元區(qū)的最大月降水量突變檢驗(yàn)

5 結(jié) 論

基于貴州省19個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2014年的逐月降水量數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸擬合、累計(jì)距平、M-K突變檢驗(yàn)法，對(duì)貴州省及其不同地貌類型區(qū)近55年的年均降水量、最大月降水量進(jìn)行趨勢(shì)和突變特征分析。得出以下主要結(jié)論：

(1)貴州省近55年來(lái)的年均降水量總體呈南多北少的空間格局，不同地貌單元的降水空間分布受地質(zhì)地貌和季風(fēng)的影響而存在明顯差異。

(2)1960-2014年貴州省降水量總體以-17.815 mm/10a的變化率在逐年減少，在2000-2014年的減少趨勢(shì)尤其明顯，自20世紀(jì)80年代以來(lái)變化尤其不穩(wěn)定。

(3)巖溶槽谷近55年間的降水量增加趨勢(shì)明顯，而巖溶盆地下降趨勢(shì)明顯，巖溶峽谷、巖溶槽谷和非喀斯特區(qū)在近幾年來(lái)的降水量較不穩(wěn)定。

(4)貴州省年降水量空間分布不均，整體呈東南多西北少的空間分布格局，降水突變年份較多，極端氣候事件發(fā)生的概率較高。研究結(jié)果對(duì)更深入地了解貴州省氣候變化的特征具有重要意義。該區(qū)應(yīng)提前做好應(yīng)對(duì)旱澇災(zāi)情等措施加強(qiáng)田間管理，同時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同地貌區(qū)的特點(diǎn)，更細(xì)化、更深入地探討降水量變化情況，合理調(diào)整當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活和工業(yè)發(fā)展布局。