黔東北地區(qū)可利用降雨資源的變化及關(guān)聯(lián)因子分析

徐大紅，茅海祥，胡萍，鐘有萍，張李娟

貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300

全球受氣候變暖造成的水資源緊張現(xiàn)象日趨凸顯，水資源變化的最直接因素是氣候變化．最新的IPCC第六次評(píng)估報(bào)告的第一個(gè)特別報(bào)告《全球1.5 ℃增暖》指出，全球升溫1 ℃已導(dǎo)致極端天氣增多、海平面上升、北極冰川減少等諸多后果，也增加了生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期或不可逆轉(zhuǎn)變化的風(fēng)險(xiǎn)．氣候變化對(duì)水資源的影響業(yè)已成為各界關(guān)注研究的重要課題，也是關(guān)乎一個(gè)地區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、民生的重要問(wèn)題．我國(guó)從20世紀(jì)末就逐漸展開(kāi)了氣候變化以及水資源水文變化的研究工作．中國(guó)科學(xué)院“九五”重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目研究得出，在氣候變暖的背景下，華北地區(qū)降水呈減少趨勢(shì)； 陸面蒸發(fā)呈增加趨勢(shì)[1]，水資源呈減少趨勢(shì)； 李永華等[2]研究指出重慶地區(qū)在年氣溫偏高(低)、降水量偏少(多)時(shí)，年可利用降水資源偏少(多)； 陳亞寧等[3]對(duì)全球氣候變化背景下的中亞天山山區(qū)水文、水資源變化進(jìn)行了討論分析，指出氣候變暖直接影響區(qū)域水循環(huán)和水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引起徑流補(bǔ)給方式和水資源數(shù)量的改變，加大了水資源時(shí)空分布的不確定性； 翟祿新[4]研究指出，西北地區(qū)東部地表有變干的趨勢(shì)，這一趨勢(shì)與降水量的減少和潛在蒸發(fā)量的增加有關(guān)； 羅永祥等[5]研究指出，貴州降水蒸發(fā)差在時(shí)空上的分布具有均衡性，西部以負(fù)值為主，東部以正值為主。

黔東北地區(qū)有武陵山脈的主峰——梵凈山，高大的山體南北向聳立在該地區(qū)中部，2018年梵凈山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)成為貴州四大世界自然遺產(chǎn)地．黔東北地區(qū)的西部有烏江自西南向西北匯入長(zhǎng)江水系，東部則有松江、錦江兩條大河匯入珠江水系，年降雨量豐富，其年際、地區(qū)間差異大，導(dǎo)致該區(qū)域的水資源變率大，江河流域水位陡漲陡跌，洪澇、干旱災(zāi)害交替發(fā)生，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)影響較大．因此，本研究試圖從氣候變化角度，探析黔東北地區(qū)可利用降雨資源的分布狀況、變化規(guī)律和影響因子，為氣候變化影響下的水資源利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

本研究采用黔東北地區(qū)銅仁市的10個(gè)國(guó)家觀測(cè)站的逐月降雨量、月雨日數(shù)、月平均氣溫、月日照資料，序列長(zhǎng)度為1960-2018年共59a，月蒸發(fā)量時(shí)間序列為1980-2018年共39a，資料經(jīng)過(guò)均一檢驗(yàn)．通常一個(gè)地區(qū)水資源的多少應(yīng)取決于降雨量、蒸發(fā)量和徑流量3個(gè)因子的變化，其中降雨量和蒸發(fā)量是決定水資源的2個(gè)最直接的因子，降雨量反映的是水分收入狀況，而蒸發(fā)量則是顯示水分消耗程度的指標(biāo)，降水量與蒸發(fā)量之差基本能表征可利用降雨資源的多寡．為保證蒸發(fā)資料的統(tǒng)一性，使用蒸發(fā)量均采用各站的小型蒸發(fā)觀測(cè)值，對(duì)一些站已使用大型蒸發(fā)代替小型蒸發(fā)的觀測(cè)值，應(yīng)用任芝花等[6]研究的方法，將大型蒸發(fā)觀測(cè)值換算為小型蒸發(fā)值后使用。

1.2 分析方法

本研究采用的方法為經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF方法、線性傾向估計(jì)回歸、滑動(dòng)平均法和相關(guān)分析方法，對(duì)黔東北地區(qū)年可利用降雨資源量、年降雨量、年平均氣溫和年蒸發(fā)量的空間分布特征和時(shí)間變化趨勢(shì)，以及年可利用降雨資源量與年降雨量、年平均氣溫、年蒸發(fā)量和年日照時(shí)數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

Lorenz經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF分析方法，也稱特征向量分析或主成分分析法，是提取主要數(shù)據(jù)時(shí)空分布特征量的一種方法．它通常用來(lái)研究樣本的時(shí)空二維分布場(chǎng)，解決的是區(qū)域內(nèi)時(shí)間尺度的分布狀態(tài)．特征向量分析對(duì)應(yīng)的是空間模態(tài)，主成分分析對(duì)應(yīng)的是時(shí)間變化或時(shí)間系數(shù)．運(yùn)用North等[7]提出的計(jì)算特征值誤差范圍來(lái)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)方法是計(jì)算特征值λi的誤差范圍：ei=λi{2/n}1/2，n為樣本量．當(dāng)相鄰的特征值λi+1滿足λi-λi+1≥ei時(shí)，就認(rèn)為這兩個(gè)特征值所對(duì)應(yīng)的自然正交函數(shù)是有價(jià)值的信號(hào)。

2 黔東北地區(qū)年可利用降雨資源及關(guān)聯(lián)氣象因子

2.1 可利用降雨資源量、年降雨量、年平均氣溫的EOF空間分解特征

采用黔東北地區(qū)10個(gè)觀測(cè)站1960-2018年共59a的月降雨量、月平均氣溫序列，以及1980-2018年39a月蒸發(fā)量，將同時(shí)期的月降雨量和月蒸發(fā)量計(jì)算相應(yīng)差值作為各站39a的年可利用降雨資源量序列，對(duì)以上3個(gè)變量序列(年可利用降雨資源量、年降雨量、年平均氣溫)的標(biāo)準(zhǔn)化場(chǎng)分別進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF分解，計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 黔東北地區(qū)年可利用降雨資源量、年降雨量和年平均氣溫的前4個(gè)特征向量方差貢獻(xiàn)

從表1可看到，年可利用降雨資源量、年降雨量和年平均氣溫這3個(gè)變量序列的EOF分解的前4個(gè)特征向量的累積方差貢獻(xiàn)率總和分別達(dá)90.48%，86.62%，97.31%，涵蓋了3個(gè)變量原始資料86.62%以上的信息，其中，累積方差貢獻(xiàn)率總和年平均氣溫最大，年可利用降雨資源量次之，年降雨量最小，3個(gè)變量的第1特征向量的累積方差貢獻(xiàn)率分別達(dá)到總方差的71.11%，63.23%，86.43%．因此可認(rèn)為采用3個(gè)變量的前4個(gè)特征向量就可以較好地表征3個(gè)變量的空間典型場(chǎng)分布特征。

2.1.1 年可利用降雨資源量的空間場(chǎng)特征

運(yùn)用EOF分解的前4個(gè)特征向量，分解出年可利用降雨資源量的4種典型空間分布(圖1)．分析發(fā)現(xiàn)，年可利用降雨資源量的第一特征向量符號(hào)均為正值，表明黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量主要分布基本一致，為全區(qū)一致型，說(shuō)明該地區(qū)多數(shù)年份的年可利用降雨資源量反映為一致多或一致少的分布，高值中心集中在區(qū)域北部，以松桃0.37最高，東南部玉屏0.20最低(圖1a)； 第2特征向量符號(hào)南正北負(fù)，表明黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量第2分布型為南北反相型，說(shuō)明在該區(qū)域年可利用降雨資源量的次多分布為南部偏多(少)時(shí)北部偏少(多)(圖1b)； 第3特征向量符號(hào)東正西負(fù)，黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量第3分布型為東西反相型，說(shuō)明在該區(qū)域年可利用降雨資源量的第3多分布為西部偏多(少)時(shí)東部偏少(多)(圖1c)； 第4特征向量符號(hào)西南和東北正、西北和東南負(fù)，黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量第4分布型為西南—東北與西北—東南的對(duì)角反相型(圖1d)。

圖1 黔東北地區(qū)年可利用降雨資源量EOF分析的前4個(gè)特征向量場(chǎng)

2.1.2 年降雨量的空間場(chǎng)特征

黔東北地區(qū)年降雨量EOF分解的前4種典型空間分布見(jiàn)圖2．分析發(fā)現(xiàn)，年降雨量的第1特征向量符號(hào)一致均為正值，表明黔東北地區(qū)的年降雨量主要分布基本一致，為全區(qū)一致型，說(shuō)明該地區(qū)多數(shù)年份的年降雨量反映為一致多或一致少的分布，高值中心集中在江口和松桃，東南部低值區(qū)為玉屏(圖2a)； 第2特征向量符號(hào)南正北負(fù)，表明黔東北地區(qū)的年降雨量第2分布型為南北反相型，說(shuō)明在該區(qū)域年降雨量的第二分布型為南部偏多(少)時(shí)，北部偏少(多)(圖2b)； 第3特征向量符號(hào)西南及中部負(fù)、西北及東部正，黔東北地區(qū)的年降雨量第3分布型為西南與西北+東部的反相型，說(shuō)明在該區(qū)域年降雨量的第3分布型為西南部偏多(少)時(shí)，西北及東部偏少(多)(圖2c)； 第4特征向量符號(hào)西南和東北負(fù)、西北和東南正，黔東北地區(qū)的年降雨量第4分布型為西南—東北與西北—東南的對(duì)角反相型(圖2d)。

圖2 黔東北地區(qū)年降雨量 EOF分析的前4個(gè)特征向量場(chǎng)

2.1.3 年平均氣溫的空間場(chǎng)特征

黔東北地區(qū)年平均氣溫EOF分解的前4個(gè)特征向量空間場(chǎng)分布見(jiàn)圖3．由圖3可看出，年平均氣溫的第1特征向量符號(hào)一致均為正值，表明該地區(qū)的年平均氣溫主要分布基本一致，為全區(qū)一致型，說(shuō)明該地區(qū)多數(shù)年份的年平均氣溫呈現(xiàn)為一致偏高或一致偏低的分布態(tài)，高值中心集中在江口和石阡，低值區(qū)位于西北部德江和東南部玉屏(圖3a)； 第2特征向量符號(hào)西北和東南正，中部負(fù)，表明黔東北地區(qū)的年平均氣溫第2分布型為中部與西北和東南反相型，說(shuō)明在該區(qū)域年平均氣溫的次多分布為西北、東南部偏高(低)時(shí)，中部偏低(高)(圖3b)； 第3特征向量符號(hào)北負(fù)南正，黔東北地區(qū)的年平均氣溫第3分布型為南北反相型，說(shuō)明在該區(qū)域年平均氣溫的第3種分布為北部偏高(低)時(shí)南部偏低(高)(圖3c)； 第4特征向量符號(hào)西北向東依次為負(fù)—正—負(fù)—正分布，該地區(qū)的年平均氣溫第4分布型為自西向東兩次交替反相型(圖3d)。

圖3 黔東北地區(qū)年平均氣溫 EOF分析的前4個(gè)特征向量場(chǎng)

2.2 年可利用降雨資源量、年降雨量、年蒸發(fā)量和年平均氣溫的時(shí)間變化特征

2.2.1 年可利用降雨資源量、年降雨量、年蒸發(fā)量和年平均氣溫的趨勢(shì)變化分析

一般意義上，年可利用降雨資源量與年降雨量、年蒸發(fā)量和年平均氣溫這3個(gè)氣象因子有較為直接的關(guān)聯(lián)，因此分別對(duì)黔東北地區(qū)10個(gè)觀測(cè)站的4個(gè)變量因子進(jìn)行線性傾向估計(jì)趨勢(shì)和5年滑動(dòng)平均的變化分析。

黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量、年蒸發(fā)量、年降雨量、年平均氣溫的長(zhǎng)期趨勢(shì)和年代際變化有著不同的特征(圖4和圖5)．從線性趨勢(shì)分析來(lái)看，黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量和年蒸發(fā)量近39a的線性趨勢(shì)變化特征均不顯著，相比而言，年蒸發(fā)量有緩量增加趨勢(shì)(0.082 mm/a)； 年降雨量近59a年來(lái)呈現(xiàn)為線性減少趨勢(shì)(0.094 mm/a)，線性減少趨勢(shì)通過(guò)α=0.02水平的顯著性檢驗(yàn)； 年平均氣溫近59a里總體表現(xiàn)為線性升高趨勢(shì)(0.001 ℃/ a)，線性升高趨勢(shì)通過(guò)α=0.001水平的顯著性檢驗(yàn)； 4個(gè)要素中年平均氣溫的線性升高趨勢(shì)最為顯著．從5年滑動(dòng)平均趨勢(shì)分析看，4個(gè)要素的年代際變化特征也存在差異，年可利用降雨資源量、年降雨量和年平均氣溫三者的年代際變化較為明顯，年蒸發(fā)量的年代際變化不顯著； 年可利用降雨資源量的年代際振蕩最大，在1983-1994年間為負(fù)值，期間可利用降雨資源偏少，在1994-2004年間為正值，期間可利用降雨資源偏多，2005-2016年間再次轉(zhuǎn)為負(fù)值，期間可利用降雨資源偏少； 年降雨量在年代際振蕩中減少，年平均氣溫則在年代際振蕩中升高。

圖4 黔東北地區(qū)1980-2018年年可利用降雨資源量和年蒸發(fā)量趨勢(shì)圖

圖5 黔東北地區(qū)1960-2018年降雨量、年平均氣溫趨勢(shì)圖

2.2.2 可利用降雨資源量、年降雨量和年平均氣溫的EOF年代際變化特征

為了更清楚地反映年可利用降雨資源量、年降雨量和年平均氣溫3要素在黔東北地區(qū)的時(shí)間變化特征，同時(shí)EOF分解出的該地區(qū)3要素的第一特征向量在總的方差貢獻(xiàn)中占比分別達(dá)71.11%，63.23%，86.43%，就對(duì)第1特征向量的時(shí)間系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

分析表明：在1980-2018年的近39a間，黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量的年代際振蕩特征明顯，呈現(xiàn)為多—少—多—少—多的振蕩變化，在20世紀(jì)80年代初期年可利用降雨資源量偏多，80年代中后期轉(zhuǎn)為偏少，90年代整個(gè)為偏多時(shí)期，21世紀(jì)00年代至10年代初期又轉(zhuǎn)為偏少時(shí)期，21世紀(jì)的10年代中期至今為偏多時(shí)期(圖6a)．近39a來(lái)黔東北地區(qū)的年降雨量的年代際振蕩特征也較為明顯，同樣呈現(xiàn)了多—少—多—少—多的變化狀態(tài)，在20世紀(jì)80年代初期年降雨量多，80年代中后期轉(zhuǎn)為偏少，90年代至21世紀(jì)00年代初期為偏多時(shí)期，21世紀(jì)00年代中期至10年代初期轉(zhuǎn)為偏少時(shí)期，21世紀(jì)的10年代中期至今為偏多時(shí)期，大致與該區(qū)域的年可利用降雨資源量年代際變化特征相似(圖6b)．近39a來(lái)黔東北地區(qū)的年平均氣溫的年代際則主要呈現(xiàn)由偏低轉(zhuǎn)偏高的變化特征，在20世紀(jì)80年代至90年代末，年平均氣溫為偏低時(shí)期，21世紀(jì)00年代至10年代轉(zhuǎn)為偏高時(shí)期(圖6c)．總結(jié)發(fā)現(xiàn)，黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量與年降雨量的年代際變化特征極為相似，年平均氣溫的年代際特征與前二者顯著不同。

圖6 黔東北地區(qū)年可利用降雨資源量、年降雨量和年平均氣溫的EOF第一特征向量時(shí)間系數(shù)

2.3 黔東北地區(qū)年可利用降雨資源量與關(guān)聯(lián)氣象因子的關(guān)系分析

通常認(rèn)為某個(gè)地區(qū)的可利用降雨資源，跟當(dāng)?shù)氐慕涤?、蒸發(fā)有關(guān)聯(lián)，為了弄清黔東北地區(qū)年可利用降雨資源量與哪些氣象因子有關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)的密切程度怎樣，選定該區(qū)域年降雨量、年蒸發(fā)量、年總降雨日數(shù)、年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)5個(gè)因子進(jìn)行與可降雨資源量的相關(guān)分析，結(jié)果采用t檢驗(yàn)方法進(jìn)行相關(guān)關(guān)系的顯著性檢驗(yàn)。

由圖7可見(jiàn)，黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量與年降雨量、年降雨日數(shù)呈正相關(guān)的關(guān)系，而與年平均氣溫、年蒸發(fā)量和年日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系．表明當(dāng)年降雨量偏多(少)、年降雨日數(shù)偏多(少)、年蒸發(fā)量偏少(多)、年平均氣溫偏低(高)、年日照時(shí)數(shù)偏少(多)時(shí)，年可利用降雨資源量會(huì)偏多(少)．年降雨量與年可利用降雨資源量的相關(guān)程度最高(圖7c)，各站點(diǎn)正相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，且通過(guò)t檢驗(yàn)α=0.001水平的顯著性檢驗(yàn)； 年蒸發(fā)量與年可利用降雨資源量的相關(guān)程度次高(圖7d)，各站點(diǎn)的負(fù)相關(guān)系數(shù)在-0.59(萬(wàn)山)～-0.89(松桃)以上，通過(guò)t檢驗(yàn)α=0.001水平的顯著性檢驗(yàn)； 相關(guān)程度排第3的是年總降雨日數(shù)與年可利用降雨資源量的正相關(guān)(圖7e)，各站點(diǎn)正相關(guān)系數(shù)在0.32(德江)～0.62(印江)之間，通過(guò)t檢驗(yàn)α=0.005水平的顯著性檢驗(yàn)； 相關(guān)程度排第4的是年日照時(shí)數(shù)，與各站點(diǎn)年可利用降雨資源量為負(fù)相關(guān)(圖7b)，各站點(diǎn)負(fù)相關(guān)系數(shù)在-0.31(江口)～-0.52(松桃)之間，通過(guò)t檢驗(yàn)α=0.01水平的顯著性檢驗(yàn)； 相關(guān)程度最低的是年平均氣溫，與年可利用降雨資源全區(qū)為負(fù)相關(guān)(圖7a)，各站點(diǎn)負(fù)相關(guān)系數(shù)在-0.19(沿河)～-0.45(印江)之間，且僅德江、印江、思南3個(gè)縣區(qū)域通過(guò)t檢驗(yàn)α=0.1水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖7 黔東北地區(qū)年可利用降雨資源量與年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降雨量、年蒸發(fā)量和年雨日數(shù)的相關(guān)系數(shù)(☆為t檢驗(yàn)顯著水平通過(guò)0.1的觀測(cè)站)

3 結(jié)論與討論

采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF、線性傾向趨勢(shì)、滑動(dòng)平均和相關(guān)分析方法，對(duì)黔東北地區(qū)年可利用降水資源的變化及關(guān)聯(lián)氣象因子關(guān)系進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1) 黔東北地區(qū)年可利用降水資源量、年降雨量和年平均氣溫有4種典型空間分布場(chǎng)．第1種空間分布場(chǎng)三者相同，均為全區(qū)域一致型，是最主要的空間場(chǎng)分布型，其總方差貢獻(xiàn)率達(dá)63.23%以上； 第2種空間分布場(chǎng)，年可利用降雨資源量、年降雨量為相似的南北反相型，年平均氣溫為西北、東南與中部南北反相型； 第3種空間分布場(chǎng)，年可利用降雨資源量、年降雨量為相似的西南—中部與西北及東部反相型，年平均氣溫為南北反相型； 第4種空間分布場(chǎng)，年可利用降雨資源量、年降雨量為西南—東北與西北—東南的對(duì)角反相型，年平均氣溫為自西向東兩次交替反相分布型。

2) 黔東北地區(qū)年可利用降雨資源量和年蒸發(fā)量的線性趨勢(shì)變化特征均不顯著，年降雨量呈現(xiàn)為線性減少趨勢(shì)，年平均氣溫為線性升高趨勢(shì)且升高趨勢(shì)最為顯著．年可利用降雨資源量、年降雨量和平均氣溫的年代際變化較為明顯，年蒸發(fā)量的年代際變化不顯著．年可利用降雨資源量與年降雨量的年代際振蕩特征相似，呈現(xiàn)為多—少—多—少—多的振蕩變化，年平均氣溫則呈現(xiàn)為由低轉(zhuǎn)高的年代際變化特征。

3) 黔東北地區(qū)的年可利用降雨資源量與年降雨量、年降雨日數(shù)呈正相關(guān)，而與年平均氣溫、年蒸發(fā)量、年日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)．相關(guān)程度最高的是年降雨量，相關(guān)程度次高的是年蒸發(fā)量，第3高的是年降雨日數(shù)，第4高的是年日照時(shí)數(shù)，相關(guān)程度最低的是年平均氣溫。

黔東北地區(qū)地處武陵山脈腹地，屬云貴高原向湘西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，山地多，地形地貌復(fù)雜多樣，江河溪流分支多，加之屬典型的亞熱帶季風(fēng)典型氣候，降雨時(shí)空變率大，地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，導(dǎo)致對(duì)水資源的合理認(rèn)識(shí)及開(kāi)發(fā)利用管理差異大，旱澇災(zāi)害多發(fā)，而本研究?jī)H從氣象因素對(duì)可利用水資源進(jìn)行分析，后續(xù)可增加地形、河流和工程設(shè)施等多因素的影響分析，為區(qū)域水資源的科學(xué)合理開(kāi)發(fā)利用提供更加準(zhǔn)確的參考。