全球氣候變化下西南喀斯特地區(qū)氣候與水文系統(tǒng)的綜合響應(yīng)研究

摘要 以貴州為例，分析了1978—2021年貴州的年平均溫度、降水、濕度、日照時(shí)數(shù)、地表水資源、地下水資源、河流輸沙量等要素與氣候變化的響應(yīng)，并構(gòu)建氣候變化綜合評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行綜合響應(yīng)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：全球氣候變暖與貴州氣溫變化相關(guān)性顯著，而與年平均相對(duì)濕度、地表水資源量、地下水資源量和河流輸沙量變化相關(guān)性比較微弱；隨著全球氣候變暖，貴州氣溫呈波動(dòng)式的增加趨勢(shì)，降水量也呈增加趨勢(shì)，而貴州全省年日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、地表水資源量、地下水資源量和河流輸沙量呈減少態(tài)勢(shì)；綜合響應(yīng)總體呈增加趨勢(shì)；貴州氣候與水文系統(tǒng)中各要素總體變化幅度相對(duì)較??；在研究時(shí)段，氣溫、降水量、相對(duì)濕度、河流輸沙量均為負(fù)偏態(tài)分布，表明平均量偏多的年份比偏少的年份出現(xiàn)的概率大；而地表水資源量、地下水資源量、日照時(shí)數(shù)為正偏態(tài)分布，表明平均量偏多的年份比偏少的年份出現(xiàn)的概率小。

關(guān)鍵詞 氣候與水文系統(tǒng)；綜合響應(yīng)；氣候變化；西南喀斯特地區(qū)；貴州省

中圖分類號(hào) S162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）19-0195-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.19.041HuLu8XJEn8y/gR8S9l7PiqMksnFXg1Dtt//is7QwO54=

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Comprehensive Response Study of Climate and Hydrological System in Southwest Karst Region Under Global Climate Change—A Case Study of Guizhou Province

YANG Ting-feng，LU Xian-mei，XIAO Dong-dong et al

（Kaili University，Kaili，Guizhou 556011）

Abstract Taking Guizhou as an example，this study analyzed the response of factors such as annual average temperature，precipitation，humidity，sunshine duration，surface water resources，groundwater resources and river sediment transport to climate change from 1978 to 2021，and constructed a comprehensive climate change evaluation index for comprehensive response evaluation.The results showed that there was a significant correlation between global climate warming and temperature changes in Guizhou，while the correlation with changes in annual average relative humidity，surface water resources，groundwater resources and river sediment transport was relatively weak.With global warming，the temperature in Guizhou showed a fluctuating increasing trend，and precipitation also showed an increasing trend. However，the annual sunshine hours，relative humidity，surface water resources，groundwater resources and river sediment transport in Guizhou Province showed a decreasing trend.The overall response showed an increasing trend.The overall variation amplitude of various elements in the climate and hydrological system of Guizhou was relatively small.During the research period，temperature，precipitation，relative humidity and river sediment transport were all negatively skewed，indicating that years with higher than average rainfall had a greater chance of occurrence than years with lower than average rainfall;the distribution of surface water resources，groundwater resources and sunshine duration was positively skewed，indicating that years with more than average water resources had fewer opportunities to appear than years with less than average water resources.

Key words Climate and hydrological system;Overall response;Climate change;Southwest Karst Region;Guizhou Province

基金項(xiàng)目 貴州省教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革項(xiàng)目（SJG2022316）。

作者簡(jiǎn)介 楊廷鋒（1972—），男，貴州黃平人，教授，碩士，從事資源開發(fā)與環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究。

收稿日期 2023-10-28

氣候變化已成為當(dāng)今普遍關(guān)注的環(huán)境問題之一^［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們開展氣候變化影響方面的研究^［2-4］。有少數(shù)的學(xué)者對(duì)西南地區(qū)氣候變化的響應(yīng)開展了研究^［5-10］，也有少數(shù)學(xué)者對(duì)貴州的氣候變化特征進(jìn)行分析^［11-14］，但是對(duì)該地區(qū)近40多年來氣候與水文系統(tǒng)的綜合響應(yīng)研究鮮見相關(guān)報(bào)道。筆者以貴州為例，系統(tǒng)地探討全球氣候變化下其氣候與水文系統(tǒng)的綜合響應(yīng)，以期為喀斯特地區(qū)應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供理論支持。

1 資料與方法

1.1 資料來源

數(shù)據(jù)資料來源貴州水資源公報(bào)、貴州環(huán)境公報(bào)、貴州宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)網(wǎng)、世界氣象組織網(wǎng)和貴州氣象服務(wù)中心網(wǎng)。

1.2 研究方法

1.2.1 離差。也稱距平，它表示變量與均值遠(yuǎn)離或者接近程度^［15］。公式如下：

Δ=X-

式中：X表示系列中任何一值；為均值。

1.2.2 離差系數(shù)。

離差系數(shù)（C）反映系列的變化幅度，C值小，要素的變化幅度小，反之大^［15］。公式如下：

C=1∑ni=1（X-）²n-1×100%

1.2.3 偏態(tài)系數(shù)（C）。它是衡量系列變量分布在均值兩側(cè)對(duì)稱程度的指標(biāo)^［15］，C=0稱為正態(tài)分配，C>0稱為正偏分配，C<0稱為負(fù)偏分配。計(jì)算公式如下：

C=∑ni=1（X-）³n³C³

1.2.4 氣候與水文系統(tǒng)的綜合響應(yīng)指數(shù)。

首先，構(gòu)建各分指數(shù)即溫度、降水、濕度、日照時(shí)數(shù)、地表水資源、地下水資源和河流輸沙響應(yīng)系數(shù)，然后再構(gòu)建綜合響應(yīng)指數(shù)。具體如下：

（1）響應(yīng)系數(shù)y=|X-|/，式中，X（i=1～7）分別代表某年平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、地表水資源量、地下水資源量和河流輸沙量；為對(duì)應(yīng)各指標(biāo)的平均值。

（2）綜合響應(yīng)指數(shù)：Z=ay+ay+ay+ay+ay+ay+ay。式中：a代表各項(xiàng)的權(quán)重;y代表各氣候與水文系統(tǒng)要素i的響應(yīng)系數(shù)。Z值在［0，1］，值大，影響大。在計(jì)算時(shí)，各響應(yīng)系數(shù)采用極差法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)層次分析法，得出各項(xiàng)指標(biāo)的分配權(quán)重集合為（0.439，0.091，0.189，0.122，0.025，0.085，0.049）。

1.2.5 相關(guān)分析方法。

用軟件SPSS的spearman方法確定相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)r在［-1，1］，相關(guān)程度^［16］：

︱r︱=1.0，表明變量之間完全正相關(guān)或完全負(fù)相關(guān);︱r︱<0.3，表明變量之間相關(guān)程度極弱;0.3≤︱r︱<0.5，表明變量之間相關(guān)程度為低度相關(guān);0.5≤︱r︱<0.8，表明變量之間相關(guān)程度為中度相關(guān); 0.8≤︱r︱<1.0，表明變量之間相關(guān)程度為高度相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 全球平均氣溫變化分析 從圖1可以看出，1978—2021年全球平均氣溫呈波動(dòng)式上升趨勢(shì)（圖1），升溫速率為0.17 ℃/a，其年平均溫度的離差系數(shù)（C）為0.231，變化幅度小;偏態(tài)系數(shù)（C）為-0.032，為負(fù)偏態(tài)分布，表明44年中偏暖年份比偏冷年份出現(xiàn)的概率大。

2.2 貴州氣候和水文系統(tǒng)的變化及與全球變暖的關(guān)系診斷

從貴州氣候和水文系統(tǒng)變化與全球平均氣溫變化相關(guān)分析（表1）可以看出，年平均氣溫為中度正相關(guān)（r=0.72），年降水量為正極弱相關(guān)，年日照時(shí)數(shù)為低度負(fù)相關(guān)，年平均相對(duì)濕度、地表水資源量、地下水資源量、河流輸沙量均為負(fù)極弱相關(guān)?？梢?，全球氣候變暖與貴州氣溫相關(guān)性顯著，與年平均相對(duì)濕度、地表水資源、地下水資源量和河流輸沙量相關(guān)性比較微弱，與年平均氣溫和年降水量為正相關(guān)，與年日照時(shí)數(shù)、年平均相對(duì)濕度、地表水資源量、地下水資源量和河流輸少量為負(fù)相關(guān)，并且除了與年平均氣溫中度相關(guān)、與年日照時(shí)數(shù)低度相關(guān)外，與其余要素的相關(guān)程度極弱。原因是氣候與水文系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，受自然因素和人類因素等多因素控制^［8］。

2.3 貴州氣候與水文系統(tǒng)各要素的響應(yīng)分析

2.3.1 氣溫變化。從圖2可以看出，1978—2021年年平均氣溫呈波動(dòng)式的上升趨勢(shì)，升溫速率約0.19 ℃/a，該階段平均氣溫為15.68 ℃，高于全球該時(shí)段氣溫平均值約1.22 ℃，高于全球

工業(yè)化以前（1850—1900年）基底值近2.00 ℃；其年平均溫度的離差系數(shù)為0.028，變化幅度小。近44年年平均氣溫距平值為-1.10～0.72 ℃，總體向正距平方向發(fā)展與變化。偏態(tài)系數(shù)為-0.114，為負(fù)偏態(tài)分布，表明44年中偏暖年份比偏冷年份出現(xiàn)的概率大。近44年貴州氣溫變化明顯有幾個(gè)波動(dòng)階段：1978—1984、1985—1996、1997—2012、2013—2021年。與全球氣候變化對(duì)比（圖3），二者波動(dòng)趨勢(shì)基本相似，但貴州年均氣溫整體比全球的高且波動(dòng)幅度大于全球。上述分析結(jié)果表明近44年來貴州氣溫呈現(xiàn)變暖的趨勢(shì)，與全球氣候變暖基本一致。

2.3.2 降水量變化。

1978—2021年貴州全省降水量為856～1 418 mm，平均值為1 196 mm，呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)（圖4a）。降水量的離差系數(shù)為0.104，變化幅度小。近44年降水量距平值為-340～253 mm（圖4b）。偏態(tài)系數(shù)為-0.514，為負(fù)偏態(tài)分布，表明全省降水量偏多的年份比偏少的年份出現(xiàn)的概率大。

2.3.3 日照時(shí)數(shù)變化。

1978—2021年貴州全省年日照時(shí)數(shù)為927～1 483 h，平均值為1 182 h，呈減少趨勢(shì)（圖5a）。日照時(shí)數(shù)的離差系數(shù)為0.081，變化幅度小。近44年日照時(shí)數(shù)距平值為-256～300 h（圖5b）。偏態(tài)系數(shù)為0.349，為正偏態(tài)分布，表明日照時(shí)數(shù)偏少的年份比偏多的年份出現(xiàn)的概率大。

2.3.4 年平均相對(duì)濕度變化。

1978—2021年貴州全省年平均相對(duì)濕度為77%～83%，平均值為80%，且呈減少趨勢(shì)（圖6a）。平均相對(duì)濕度的離差系數(shù)為0.018，變化幅度小。近44年相對(duì)濕度距平值為-3.0%～2.5%（圖6b）。偏態(tài)系數(shù)為-0.414，為負(fù)偏態(tài)分布，表明相對(duì)濕度偏大的年份比

偏少的年份出現(xiàn)的概率大。

2.3.5 地表水資源量變化。1978—2021年貴州全省年地表水資源量為626億～13 29億m³，平均值為1 053億m³，且呈減少趨勢(shì)（圖7a）。地表水資源量的離差系數(shù)為0.136，變化幅度小。近44年地表水資源量距平值為-427億～276億m³（圖7b）。偏態(tài)系數(shù)為0.001，為正偏態(tài)分布，表明地表水資源量少水年比豐水年出現(xiàn)的概率大。

2.3.6 地下水資源量變化。

1978—2021年貴州全省年地下水資源量為216億～314億m³，平均值為267億m³，且呈減少趨勢(shì)（圖8a）。地下水資源量的離差系數(shù)為0.091，變化幅度小。近44年地下水資源量距平值為-50億～46億m³（圖8b）。偏態(tài)系數(shù)為0.097，為正偏態(tài)分布，表明地下水資源量豐水年比少水年出現(xiàn)的概率小。

2.3.7 河流輸沙量變化。1978—2021年貴州全省年河流輸沙量為2 479萬～8 275萬t，平均值為5 595萬t，且呈減少趨勢(shì)（圖9a）。河流輸沙量離差系數(shù)為0.173，變化幅度小。近44年河流輸沙量距平值為-3 143萬～2 653萬t。偏態(tài)系數(shù)為-0.659，為負(fù)偏態(tài)分布，表明河流輸沙量偏多的年份比偏少的年份出現(xiàn)的概率大。

2.4 氣候與水文系統(tǒng)的綜合響應(yīng)指數(shù)變化

從圖10可以看出，1978—2021年貴州氣候與水文系統(tǒng)綜合響應(yīng)指數(shù)為0.05～0.67，呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。1982、1989、1996、2000、2006、2011和2013年出現(xiàn)明顯的峰值。說明在全球氣候變暖情況下，貴州的氣候與水文系統(tǒng)的響應(yīng)呈增加趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）全球氣候變暖與貴州氣溫相關(guān)性顯著，除了與年平均氣溫中度相關(guān)、與年日照時(shí)數(shù)低度相關(guān)外，與其余要素的相關(guān)程度極弱。主要原因是氣候與水文系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，受自然因素和人類因素等多因素控制。

（2）全球氣候變暖影響下，近44年來貴州氣溫呈波動(dòng)式的增加趨勢(shì)，降水量也呈增加趨勢(shì)；而貴州全省年日照時(shí)數(shù)、年平均相對(duì)濕度、地表水資源量、地下水資源量和河流輸沙量均呈減少趨勢(shì)；其氣候與水文系統(tǒng)的綜合影響總體呈增加趨勢(shì)。

（3）從變化幅度看，全球氣候變暖影響下，貴州氣候與水文系統(tǒng)中各要素總體變化幅度相對(duì)比較??；從離差系數(shù)來看，其變化幅度順序?yàn)楹恿鬏斏沉?gt;地表水資源量>降水量>地下水資源量>日照時(shí)數(shù)>氣溫>相對(duì)濕度。

（4）在研究時(shí)段，氣溫、降水量、相對(duì)濕度、河流輸沙量的偏態(tài)系數(shù)為負(fù)值，為負(fù)偏態(tài)分布，表明平均量偏多的年份比偏少的年份出現(xiàn)的概率大；而地表水資源量、地下水資源量、日照時(shí)數(shù)的偏態(tài)系數(shù)為正值，為正偏態(tài)分布，表明平均量偏多的年份比偏少的年份出現(xiàn)的概率小。

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