空間聚類下貴州省近60 年水熱周期變化規(guī)律

張宇嘉，張志才，婁和震，楊勝天

（1.北京師范大學水科學研究院，北京師范大學 城市水循環(huán)與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875；2.河海大學水文水資源學院，河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098）

0 引言

水熱條件深刻影響區(qū)域可利用水資源量和生態(tài)健康狀況，對流域水資源研究有著重要作用［1，2］。降雨、氣溫、干燥度等指標具有一定的變化趨勢和周期性規(guī)律，能夠表征水熱條件在長時間序列上的發(fā)展狀況和震蕩變化［3］，也能為研究區(qū)域水文循環(huán)和生態(tài)環(huán)境提供參考［4］。

貴州省位于我國西南地區(qū)，是生態(tài)文明建設示范區(qū)和喀斯特地貌核心區(qū)，其自然資源條件受降雨、氣溫、干燥度等水熱要素影響十分明顯［5，6］。目前研究表明，在1990 年至2000 年內貴州省降水熱條件出現(xiàn)趨勢突變，未來可能持續(xù)上升［7，8］；同時，貴州省水熱條件周期性規(guī)律多變［9-11］，降雨氣溫存在2、16、20 a多種周期性規(guī)律的疊加［10-16］，導致水熱條件波動明顯［7，12-15］，且變異性曾出現(xiàn)減弱［16］。周期性規(guī)律的強弱能夠反映區(qū)域氣候要素的改變，有助于分析區(qū)域內具體氣候變化情況［17-20］。此外，由于貴州省氣候條件復雜，影響因素眾多［20-23］，省內不同區(qū)域水熱條件規(guī)律差異較大［8，15，24，25］，按地理地貌空間分區(qū)難以反映氣候要素的空間差異性［8，25，26］。綜上，需要針對長時間序列上貴州省水熱條件的變化規(guī)律展開研究，并將貴州省按其水熱條件進行空間分區(qū)，探究其降雨氣溫變化存在的周期規(guī)律。

因此，通過貴州省1961-2019 年間國家標準站氣象實測數(shù)據(jù)，按降雨、氣溫的空間聚類［27，28］進行分區(qū)，借助Mann-Kendall檢驗趨勢分析法［29-32］與Morlet 小波分析法［3，33］，探究全省與各區(qū)域降雨、氣溫、干燥度近60 a 分布趨勢，并在不同的時間尺度上具體探究其周期性規(guī)律強弱變化。

1 方法與材料

1.1 研究區(qū)域概況

貴州省地處我國西南地區(qū)（圖1），其東西范圍在103°36'～109°35'之間，南北在24°37'～29°13'之間，位于云貴高原之上，屬于高原山地地形，全省約92.5%面積為山地與丘陵地形。整體地勢為西高東低，向北、東、南面傾斜。貴州省屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，全年氣溫變化不大，夏季多雨，冬季少雨，多年降雨為1 060 mm/a 左右，全年氣溫在15.7 ℃左右，水面蒸發(fā)量在1 230 mm/a左右，氣候條件溫和，適宜生物生長。貴州省生態(tài)環(huán)境復雜，植被茂密，生物多樣性豐富，同時擁有連續(xù)的喀斯特地貌分布，是重要的喀斯特地貌生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)與脆弱區(qū)［34］。

圖1 貴州省地形與空間聚類分區(qū)圖Fig.1 Terrain and Spatial Clustering areas of Guizhou province

1.2 數(shù)據(jù)處理

氣候資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），選取《中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）》中逐日降雨資料，逐日氣溫資料（離地面2 m）和逐日蒸發(fā)資料（小型蒸發(fā)皿），臺站選取貴州省31 個氣象站（圖1），氣候要素資料序列時間范圍選取1961 年1 月1 日至2019 年12 月31 日。降雨數(shù) 據(jù)選取每日降雨量累加計算處理成年累計降雨數(shù)據(jù)，氣溫數(shù)據(jù)通過累加日平均氣溫并進行年平均處理成年平均氣溫。研究中日蒸發(fā)資料處理為E（蒸發(fā)）與P（降雨）的比值K（干燥度），代替蒸發(fā)作為研究對象，并按年平均處理得到年平均干燥度。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 Mann-Kendall（MK）檢驗趨勢分析法

MK 法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其不需要樣本遵循一定的分布，也不會受少數(shù)異常值的干擾，而被經(jīng)常應用于水文、氣象科學領域的非正態(tài)分布數(shù)據(jù)分析，例如降雨、徑流、氣溫、水質等［29，30］。

在MK法中，原假設H0為時間序列數(shù)據(jù)（X1，Xn），是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；備擇假設H1是雙邊檢驗，對于所有的k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj的分布是不相同的，檢驗的統(tǒng)計量S計算如下式：

在此時間序列的隨機獨立假定下，定義一個統(tǒng)計量：

其中：

按時間逆序列xn，xn-1，…，x1重復上述過程得到UBk=UFk，其中k=n，n-1，…，1，UB1=0。

通過分析統(tǒng)計序列UFk和UBk可以進一步分析序列x的趨勢變化，而且可以明確突變的時間，指出突變的區(qū)域。若UFk值大于0，則表明序列呈上升趨勢；小于0 則表明呈下降趨勢；當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk這兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界直線之間，那么交點對應的時刻就是突變開始的時刻。

1.3.2 Morlet小波分析

在對氣象數(shù)據(jù)時間序列進行基本刻畫時，通常會涉及時域和頻域兩種表現(xiàn)形式。Morlet 提出的小波分析（Wavelet Analy?sis）［33］可以滿足這一要求。小波分析的基本思想是用一簇小波函數(shù)表示或逼近某一信號值。

其中Ψ(t)為基小波函數(shù)，L(R)表示R上的可積函數(shù)。據(jù)此，可以將數(shù)據(jù)序列的尺度變化和時間序列值的平移構成一簇函數(shù)系：

式中：Ψa，b(t)為子小波；a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為平移因子，反映時間上的平移。

對于給定的能量有限信號f(t) ∈L2(R)，式（4）中連續(xù)小波變換為：

文中選用的Morlet 小波為單頻率復正弦函數(shù)，其具體函數(shù)如下：

式中：ω0為常數(shù)；i代表虛數(shù)。

1.3.3 Pettitt（Pt）突變點檢驗

Pettitt 突變點與MK 檢驗類似，都屬于非參數(shù)檢驗方法，最早由A N Pettitt 提出用于氣候條件的突變點檢驗。其方法與MK 類似，都通過構造秩序列Uk來判斷發(fā)生突變的位置，并根據(jù)統(tǒng)計量P值來判斷是否出現(xiàn)顯著突變點，原假設H0認為該時間序列無突變點。一般規(guī)定當P值小于0.05 時，拒絕原假設H0，即認為該序列存在顯著突變點。

1.3.4 K-均值聚類分類

為了將貴州省按其水熱條件空間分布狀態(tài)進行分區(qū)研究，本文借助SPSS 16.0 軟件進行K-均值聚類分析，將貴州省按降雨、氣溫多年分布特征分為3個類型區(qū)域，并結合海拔高度進行調整，作為研究單元（見圖1）。其中一類區(qū)域主要分布在為貴州省北部地區(qū)，屬于低溫低水區(qū)，平均年降雨932 mm，年氣溫14.2 ℃，均屬于3 個區(qū)域中最低，由6 個站點控制；二類區(qū)域屬于高溫中水區(qū)，主分布在中東部丘陵地形，年降雨1 117 mm 為三類地區(qū)中第二多，年氣溫16.7 ℃，屬于最高，共14 個站點控制；三類區(qū)域屬于中溫高水區(qū)，地形為山地前及坡地，主要分布在貴州西南部烏蒙山東南側與東部苗嶺東側，年降雨最多，達1 286 mm，年氣溫15.7 ℃，屬于三類區(qū)域中第二高，共11個站點控制。

2 研究結果

2.1 氣溫與降水變化趨勢

從圖2 可知，貴州省在過去近60 年里降雨條件沒有顯著的突變發(fā)生，其變化趨勢存在一定周期性；氣溫在1997 年左右出現(xiàn)顯著突變，突變后氣溫持續(xù)顯著上升。

如圖2（a）所示，貴州全省降雨MK 序列值在過去近60 年內未出現(xiàn)顯著上升或下降趨勢，始終在0刻度線周圍徘徊，表明其發(fā)展趨勢在上升和下降之間波動；其中出現(xiàn)了6 個趨勢突變的拐點，分別在1967 年、1976 年、1983 年、1991 年、2001 年以及2013年，可能存在突變點。進一步借助Pt突變檢驗分析其突變點出現(xiàn)位置，如圖2（c）所示，發(fā)現(xiàn)最可能出現(xiàn)的突變點位于2013 年，但P值已超過0.05 水平，趨勢突變并不顯著。同時，6個可能突變點之間，降雨序列值存在顯著的下降、上升交替周期性規(guī)律，平均周期長度在18 a左右。

貴州省氣溫MK 序列呈現(xiàn)顯著的趨勢突變點，如圖2（b）所示，在1997 年處氣溫變化趨勢有顯著改變：1997 年以前氣溫呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢，而在1997年以后氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，且不斷加強，在2006 年開始呈現(xiàn)顯著上升趨勢。進一步根據(jù)Pt 突變檢驗分析突變點的顯著性，如圖2（d）所示，發(fā)現(xiàn)1997年為最可能突變點，且P值遠小于0.05，證明該點為顯著突變點。在該點前氣溫均值為15.57 ℃/a，該點后氣溫均值達到了16.09 ℃/a，說明氣溫在1997年前后有明顯的上升。

圖2 貴州省降雨氣溫突變檢驗圖Fig.2 Abrupt test of precipitation and temperature in Guizhou Province

2.2 水熱變化

根據(jù)聚類分析的結果，將貴州省按3 個不同類型的區(qū)域分別對其降雨、氣溫的趨勢變化和突變點進行檢驗，發(fā)現(xiàn)3個類型的區(qū)域存在顯著差異：1類區(qū)域屬于低溫低水區(qū)域，1983年以前降雨周期性趨勢變化和突變點均不顯著，但1983年以來出現(xiàn)周期性趨勢變化，氣溫于1997 年后出現(xiàn)顯著突變，隨后呈現(xiàn)顯著上升趨勢；2 類區(qū)域為高溫中水區(qū)域，降雨周期性趨勢變化明顯，但突變點不顯著，氣溫也在1997年出現(xiàn)顯著突變，呈明顯上升趨勢；3 類區(qū)域屬于中溫高水區(qū)域，降水整體趨勢變化不顯著，周期性不明顯，突變點不顯著，氣溫則在1997 年顯著突變，且上升趨勢明顯。

其中1類區(qū)域水熱條件趨勢在時間上出現(xiàn)顯著改變。如圖3（a）所示，1 類區(qū)域的降雨序列值在1983 年以前呈現(xiàn)單一不顯著上升趨勢，而在1983年以后開始出現(xiàn)從上升到下降趨勢的波動性變化，具體在1983 年、1992 年和2013 年左右趨勢發(fā)生變化，在這3 個時間點可能存在突變點，但均未超過0.05 置信水平，為不顯著變化；進一步根據(jù)Pt 突變檢驗結果分析，如圖3（g），發(fā)現(xiàn)2013 年為最可能突變點，但P值已經(jīng)達到0.46，說明該突變點不顯著。同時1類區(qū)域氣溫呈現(xiàn)明顯的從下降轉為上升的趨勢，如圖3（d）所示，在1997 年有明顯的趨勢突變，1997年以前氣溫趨勢為較顯著下降，1997 年以后轉為上升趨勢，且在2010年后呈顯著上升趨勢；結合圖3（j）該區(qū)域氣溫Pt突變檢驗結果分析，1997 年為最可能突變點，且P值遠小于0.05，屬于顯著突變點，突變前氣溫均值為13.97 ℃/a，突變后氣溫均值達到14.57 ℃/a。

2 類區(qū)域降雨存在明顯的周期性趨勢變化。如圖3（b）所示，該區(qū)域降雨MK 序列值的趨勢在過去近60 年間存在6 個變化拐點，分別為1969 年、1975 年、1981 年、1992 年、2003 年以及2013 年，這6 個年份為可能突變點，在期間降雨呈現(xiàn)上升、下降交替出現(xiàn)的周期性趨勢，可分為3 個18 a 左右的周期，相比1 類區(qū)域，其變化趨勢較為顯著，但均未超過0.05 顯著性置信水平線；進一步根據(jù)Pt突變點檢驗，如圖3（h），發(fā)現(xiàn)最可能突變點在1992 年，P值為0.34，比1 類區(qū)域較小，但仍遠大于0.05 置信水平，屬于不顯著突變，因此認為該區(qū)域降雨不發(fā)生顯著突變。同時2 類區(qū)域氣溫也存在明顯的趨勢變化，如圖3（e）所示氣溫MK 序列值在1997 年存在折點，1997 年前趨勢呈現(xiàn)不顯著下降或上升，在1997 年以后趨勢轉為上升，且迅速超過0.05 置信水平線，呈現(xiàn)顯著上升趨勢；同時結合Pt 突變點檢驗發(fā)現(xiàn)，如圖3（k）所示，最可能突變點出現(xiàn)在1997年，P值遠小于0.05，屬于顯著突變點，突變前氣溫均值為16.53 ℃/a，突變后氣溫達到17.08 ℃/a。

3 類區(qū)域同樣存在周期性趨勢變化，但相比2 類區(qū)域顯著性有所下降。如圖3（c）所示，該區(qū)域內的降雨序列值存在6 個可能突變點，分別位于1966 年、1975 年、1984 年、1990 年、2002年和2013 年，期間降雨MK 序列值呈現(xiàn)上升和下降周期性變化，大致存在3 個18 年周期，但相比2 類區(qū)域更不顯著；同時根據(jù)圖3（i）中Pt 突變檢驗的結果，最可能突變點為2013 年，但P值已達到0.72，遠大于0.05 置信水平范圍外，說明該區(qū)域趨勢突變極不顯著。該區(qū)域氣溫較2 類區(qū)域變化更為顯著，如圖3（f）所示在1997 年氣溫序列值存在明顯的突變點，在1997 年以前氣溫序列呈現(xiàn)不顯著下降趨勢，1997年以后迅速變化為顯著上升趨勢；結合圖3（l）的Pt 突變檢驗發(fā)現(xiàn)，1997 年為最可能突變點，P值遠小于0.05，說明該年為顯著突變年份，在1997 年以前氣溫均值為15.22 ℃/a，在1997年以后氣溫達到15.66 ℃/a。

圖3 貴州省降雨氣溫分區(qū)突變檢驗圖Fig.3 Abrupt test of precipitation and temperature in different areas of Guizhou Province

綜合三類區(qū)域的降雨、氣溫突變點分析結果發(fā)現(xiàn)，三類區(qū)域降雨各自都存在周期性趨勢變化規(guī)律，呈現(xiàn)約18 a 左右周期，且2 類區(qū)域周期性最顯著，3 類區(qū)域較顯著，1 類區(qū)域最不顯著，但3個區(qū)域都不存在顯著的降雨序列突變點；同時三類區(qū)域氣溫變化都較為一致，存在明顯的從略微下降到顯著上升的趨勢突變，且都在1997年出現(xiàn)顯著突變點。

2.3 降雨周期規(guī)律

根據(jù)貴州省全省和各類型區(qū)的降雨小波系數(shù)（圖4）發(fā)現(xiàn)：貴州省降雨在近60 年間存在顯著周期性規(guī)律。圖4 中小波系數(shù)峰值出現(xiàn)極值交替的時間尺度，可認為存在周期規(guī)律的小波系數(shù)極值所在的尺度范圍。在23～32 a 尺度范圍內出現(xiàn)了7 次震蕩和4 個高值中心，3 個低值中心，小波系數(shù)震蕩變化規(guī)律，證明此時間尺度下周期性規(guī)律比較穩(wěn)定，具有全域性；在16～20 a尺度范圍內，小波系數(shù)主要是在1968年以前和2007年以后存在明顯的震蕩，證明在這些時期內有周期變化規(guī)律；而8～12 a 尺度上僅僅在2008 年后小波系數(shù)出現(xiàn)了震蕩變化，證明此周期變化規(guī)律在2008 年后比較顯著?？紤]小波變換帶來的左右邊界效應，發(fā)現(xiàn)在貴州省全域的降雨小波系數(shù)分布存在一定的平移和扭曲，主要在于左右邊界小波系數(shù)的加強，但在上述3種時間尺度范圍內仍然存在顯著的周期性波動規(guī)律，證明降雨序列的周期性規(guī)律較為顯著，受到小波變換邊界效應影響較小。

圖4 小波系數(shù)實部等值線圖Fig.4 Wavelet value of Guizhou Province

進一步對小波系數(shù)的方差值變化（圖5）進行分析發(fā)現(xiàn)：全省降雨的小波系數(shù)方差值在32、24和10 a時間尺度上存在明線峰值，判斷為3 個特征時間尺度，可能出現(xiàn)序列變化的主周期；在1 類區(qū)域中僅存在32 a 和10 a 兩個特征時間尺度，而2 類和3類區(qū)域內均存在32、24和10 a三個特征時間尺度。將這些特征時間尺度對應的小波系數(shù)按時間順序排列后發(fā)現(xiàn)，如圖6所示，32 年的小波系數(shù)存在22 a左右的完整振蕩的時間周期，將其定義為第一變化主周期，同時發(fā)現(xiàn)在1970-2000 年間小波系數(shù)振蕩幅度減弱，說明其周期性在20 世紀70 年代開始逐漸減弱，在21 世紀初再次增強；在24 a 的特征時間尺度上小波系數(shù)存在18 a 的第二變化主周期，和在10 a 特征時間尺度上存在長度為8 a的第三變化主周期。

圖5 小波系數(shù)方差值圖Fig.5 Variance of wavelet coefficients of Guizhou Province

圖6 降雨小波系數(shù)周期分布圖Fig.6 Periodic distribution of precipitation wavelet coefficients

綜上，貴州全省除1類區(qū)域外，降雨均存在較明顯的三個周期性規(guī)律疊加，分別為22 a長度的第一變化主周期、18 a長度的第二變化主周期和8 a 長度的第三變化主周期，且周期性都在1970年開始周期性減弱，在2005年以后開始增強而1類區(qū)域僅存在長度為22 a 和8 a 的第一、第三變化主周期，周期性同樣在1970年開始減弱。

2.4 氣溫周期規(guī)律

根據(jù)貴州省全省和各類型區(qū)域氣溫小波系數(shù)可知（圖7）：貴州省年氣溫在近60 a 間存在一定的周期變化規(guī)律。其中小波系數(shù)在20～32 a 尺度范圍內出現(xiàn)7 次震蕩和4 個高值中心、3個低值中心，證明此時間尺度下周期性規(guī)律比較穩(wěn)定，具有全域性；在16～20 a 尺度范圍內出現(xiàn)了4 次震蕩和4 個高值中心、4個低值中心，但主要是分布在1986 年以前和1998 年以后，證明此時間尺度下存在周期性規(guī)律，但在1986-1998 年間不明顯。結合小波變換的邊界效應發(fā)現(xiàn)，在貴州省全域及各類型區(qū)域的氣溫序列的小波系數(shù)分布中，左右邊界的小波系數(shù)值有較為明顯被平移和扭曲的狀態(tài)，說明其受到邊界效應的影響較大，在兩側的小波系數(shù)也被顯著地放大，導致兩側的周期變化規(guī)律較為顯著，而在1980-2005年間的小波系數(shù)周期性規(guī)律并不顯著，說明貴州省氣溫周期性規(guī)律不顯著。

圖7 小波系數(shù)實部等值線圖Fig.7 Wavelet value of Guizhou Province

進一步分析氣溫小波系數(shù)的方差值的變化（圖8）可得：3個類型區(qū)域的氣溫小波方差值整體上都與貴州省全省較為一致，都在32 a 和24 a 處存在小波方差峰值，判斷該處為兩個特征時間尺度，可能存在序列值變化的主周期。將特征時間尺度對應的小波系數(shù)按時間順序排列后發(fā)現(xiàn)（圖9），在這兩個時間尺度下存在著長度為18 a 及15 a 的序列振蕩周期，分別將其定義為第一、第二變化主周期，且周期性在1985年開始逐漸減弱，2005年周期性開始增強，與降雨周期變化規(guī)律相比晚10 a 左右。但同時注意到氣溫的小波系數(shù)序列值在左右邊界振蕩顯著增強，中間的震蕩幅度則較弱，說明受小波變化邊界效應的影響，氣溫原本的周期性規(guī)律并不顯著，呈微弱的兩個主周期疊加。與降雨的周期性分布規(guī)律相比，貴州省氣溫的周期性整體都較為一致，3個類別的聚類區(qū)域沒有明顯差異，說明貴州省氣溫的周期型分布在空間上較為均勻。

圖8 小波系數(shù)方差值圖Fig.8 Variance of wavelet coefficients of Guizhou Province

圖9 氣溫小波系數(shù)周期分布圖Fig.9 Periodic distribution of temperature wavelet coefficients

綜上可得，貴州省全省氣溫存在較微弱的18 a 和15 a 尺度的周期性疊加，并在1985 年左右周期性減弱，水熱震蕩規(guī)律出現(xiàn)變化，在2010 年規(guī)律又再次恢復，3 個區(qū)域沒有顯著差異，周期性規(guī)律均不顯著。

2.5 干燥度變化趨勢

如圖10 所示，自1981 年以來，貴州省干燥度呈先上升后下降的變化趨勢，且主要在1992年左右出現(xiàn)不顯著突變點。從圖10（a）至10（d）中MK 檢驗結果可知，貴州省全省和各區(qū)域的干燥度整體變化趨勢均不顯著，在1982年、1992年和1997年出現(xiàn)趨勢變化的拐點，可能存在突變點；進一部分析Pt 突變檢驗的結果，如圖10（e）至10（h）所示，最可能突變點均出現(xiàn)在1992 年左右，該點處貴州省全省及各區(qū)域的干燥度突變點P值為0.07、0.24、0.09、0.15，均超過0.05顯著水平，屬于較不顯著的突變點；突變前，全省及各區(qū)域干燥度均值為1.24、1.39、1.28、1.17，突變后均值下降至1.08、1.27、1.07、1.04，干燥度呈下降趨勢。

圖10 貴州省干燥度分區(qū)突變檢驗圖Fig.10 Abrupt test of dryness in different areas of Guizhou Province

2.6 喀斯特地貌區(qū)域降雨氣溫變化

根據(jù)王世杰等學者對于貴州省喀斯特地貌區(qū)域的分類［35，36］，結合貴州省降雨氣溫分布情況（圖11）可以看出，位于貴州省西北部以黔西北和黔北喀斯特峰林為主的一類區(qū)域內降雨開始減少，氣溫開始升高，降雨和氣溫的周期性繼續(xù)增強，使得原本水資源相對偏少的一類區(qū)域內未來水資源狀況更為不利。位于貴州省中東部地區(qū)以黔南、黔中喀斯特峰林區(qū)為主的二類區(qū)域內，降雨、氣溫都呈現(xiàn)增高趨勢，周期性規(guī)律增強；這將導致該地區(qū)的水資源賦存狀況增加，有利于水資源開發(fā)利用，而同時對于水資源分配與利用的條件變得更為復雜，影響因素更多。位于貴州省西部以黔西南喀斯特峰林區(qū)為主，和東部的以非喀斯特的陸源碎屑巖地貌為主的三類區(qū)域內，降雨呈現(xiàn)下降趨勢，氣溫則較為顯著增加，周期性也逐漸增強，這導致水資源較為豐沛的三類區(qū)域未來水資源有一定的減少，水資源分配規(guī)律更為復雜，對于區(qū)域內建立工程進行水資源開發(fā)利用有所不利。

圖11 貴州省喀斯特地貌區(qū)域內降雨氣溫變化Fig.11 Change of precipitation and temperature in Guizhou karst area

3 討論

3.1 氣象因子影響

目前多數(shù)研究表明，貴州省降雨在1961-2010 年50 a 內有略微下降趨勢但不顯著，呈現(xiàn)明顯多周期疊加震蕩［12-14］；在這50 a內整體氣溫呈上升趨勢，尤其在20世紀90年代開始升溫顯著，存在10 a 以上長時間尺度的周期性［10，16］。以往的研究預測貴州省水熱條件受氣候變化的影響雖然不大，但仍然出現(xiàn)趨勢突變［1，8］，這與近十年水熱趨勢的顯著變化和周期性的恢復存在相關性。大量研究發(fā)現(xiàn)［12，37-42］，貴州省的降雨、氣溫條件與大氣系統(tǒng)中的副熱帶高壓、水汽環(huán)流條件等息息相關，氣候變化對這些氣象系統(tǒng)帶來一定的影響。貴州省水熱條件如果不受氣候變化影響，則其周期性規(guī)律應當保持存在，但本研究結果顯示其周期性存在明顯的顯著到減弱再到恢復顯著的特征，其存在的突變現(xiàn)象與氣候條件變化有相關關系。此外，根據(jù)苗娟、林振山［19］的研究，我國西南地區(qū)的降雨在不同的時間尺度上存在著不同的影響因子：在32 a 尺度變化下，降雨最主要是與副高強度和副高面積相關性最高（大于0.97），而11～20 a 尺度下的主要受到副高強度的影響（相關系數(shù)0.71）。本研究發(fā)現(xiàn)貴州省在3 個時間尺度下存在的3 個主周期，與副高周期規(guī)律存在一定相關性，然而副高的周期性變化涉及到副高多個指數(shù)的變化，其與貴州省降雨的具體相關機理較為復雜，目前能夠假設副高與貴州省降雨存在同樣的突變相關，具體相關機理有待未來進一步研究證明。

3.2 西南地區(qū)水熱條件變化趨勢

研究中貴州省水熱條件存在多個周期規(guī)律疊加的結果，與其他學者認為降雨減少［6-9］，氣溫增高［11，16，25，31］，周期交替［10-16］的結論一致。但對于水熱條件的周期性規(guī)律，本研究認為貴州省水熱條件均處在0.05 置信水平線以內，并未出現(xiàn)顯著變化趨勢（如圖3、6 所示）。該結論與他人研究結果（西南地區(qū)水熱條件周期性規(guī)律多變［9-11］）不同，主要受到貴州省地形條件的影響。貴州省由于地理位置特殊，下墊面包含高原與丘陵地形區(qū)域，氣象條件分布不一，導致其水熱條件分布差異大，第三類區(qū)域與西南地區(qū)整體規(guī)律較為接近，尤其是與云南地區(qū)接近，而一二類區(qū)域規(guī)律與西南地區(qū)呈現(xiàn)相反的變化，與廣西、四川地區(qū)更相似［31］。部分區(qū)域地理位置接近但水熱規(guī)律并不相似，這是由于西南地區(qū)不同區(qū)域的氣象條件不同，導致其水熱條件受影響的因素不同。因此，貴州省受地形影響，不同區(qū)域水熱條件變化規(guī)律不同，部分區(qū)域與西南地區(qū)規(guī)律一致，而部分地區(qū)存在差異。

4 結論

研究對貴州省近60年來實測水熱要素數(shù)據(jù)分析，探究其分布特征與周期性規(guī)律，結果表明：①貴州省近60 年來降雨變化趨勢不顯著，但存在明顯的周期性波動，氣溫在2000 年后由下降轉為上升趨勢，近十年來更為顯著，三類區(qū)域的水熱條件差異顯著；②降雨呈現(xiàn)22 a、8 a兩個尺度的周期性規(guī)律，中溫高水和高溫中水區(qū)還存在18 a 周期，周期性在1975 年左右開始減弱，近10年來恢復；③氣溫呈現(xiàn)18 a和15 a周期性規(guī)律，在1985年左右開始周期性減弱，近十年來增強；④干燥度在1980 年開始上升，1990 年后呈下降趨勢；⑤未來高溫中水區(qū)水資源賦存可能增加，相對低溫低水區(qū)、中溫高水區(qū)區(qū)域開發(fā)利用條件更有利。本研究結果可為將來研究與規(guī)劃貴州省水資源分布提供更詳細的長序列數(shù)據(jù)支持，同時對未來進一步研究貴州省及西南地區(qū)的氣候變化、水文循環(huán)與生態(tài)環(huán)境研究具有參考意義。