貴州省無雨日和最長連續無雨日數時空分布特征

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(1.黔南民族師范學院旅游與資源環境學院，貴州都勻558000；2.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆烏魯木齊830052；3.貴州師范大學地理與環境科學學院，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、旱澇災害呈現廣發、頻發的態勢[2-3]。20世紀90年代后，氣象災害造成的經濟損失占國民經濟生產總值的3%～6%，干旱導致的占其中的50%左右[4]，旱災嚴重危害糧食安全，對經濟社會造成了嚴重的負面影響[5]，已引發了國際學術界的廣泛關注[6-7]。中國的干旱具有影響范圍大、災害程度重等特點，且近年來干旱區域不斷擴大，有從干旱區向濕潤區發展的趨勢[8]；西南地區干旱事件頻發，極端干旱造成的損失難以估計[9-10]。旱澇災害與降水量、降水日數都有重要相關性[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，是重要的水源涵養區和水土流失保護區。貴州省內絕大部分地區屬于“雨養農業區”，極易受降水變化的影響[14]。其特殊的喀斯特地質地貌條件，山地居多，水利工程設施不足，水資源流失嚴重，加上極端降水事件的發生，自然災害較多、地質災害頻發[15-16]。研究貴州省的水分條件變化對保護生態環境、指導農業生產有重要意義。21世紀以來，貴州省干旱頻發，且連續出現嚴重干旱，受災人口較多、農作物受災面積較大、直接經濟損失較高[17]，引起國內專家學者的廣泛關注，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呈現先增加后減少的態勢[23]。

21世紀以來貴州省出現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的多少關系密切。從無雨日數出發，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移趨勢，對預防農業旱澇災害和地質災害有一定的現實意義。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

貴州省地處東經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，是全球三大喀斯特集中分布區的東亞片區中心。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、中部為丘原區、東部為山地丘陵區，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，是其重要的生態屏障。屬于亞熱帶季風氣候區，年均降水量為1 100～1 300 mm，年均溫在10～20℃。由于地形崎嶇，氣溫和降水的區域差異顯著。貴州省作為首批生態文明建設試驗區，其生態保護建設貢獻巨大，但在水土流失防治、石漠化治理及生態多樣性保護等方面任重道遠。

1.2 數據來源與預處理

氣候數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)，研究數據包括了貴州省34個氣象站點1981—2017年逐日降水量數據。

根據降水等級劃分標準，將日降水量≤0.10 mm的天數作為無雨日。年無雨日數是指一年中降雨量≤0.10 mm的天數，四季無雨日數則是相對應的季節中降雨量≤0.10 mm的天數。

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

將每年每個站點統計好的無雨日數按照插值規則處理好，導入ArcGIS平臺中，并基于克里金插值方法進行空間插值，在此基礎上進行無雨日數的時空分析。

1.3 研究方法

1.3.1Kriging空間插值

Kriging空間插值法，又稱空間自協方差最佳插值法，是用空間上所有已知點的數據加權求和來估計未知點的值。目前已廣泛應用于氣候學、土壤學、地理學等領域的相關研究。本文利用ArcGIS地統計模塊對無雨日天數進行Kriging空間插值，用于分析研究區無雨日數空間格局的變化。

1.3.2變異系數

利用變異系數來衡量無雨日區域變異程度的大小，分析無雨日數的時間序列穩定性和波動規律。變異系數越大，表示無雨日數隨時間變化波動大，時序不穩定，出現旱澇幾率也越大；變異系數越小，表示無雨日數分布較為集中，波動越小，時序穩定性越好。變異系數公式[24]為：

(1)

2 結果分析

2.1 貴州無雨日的年際變化和季節變化

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世紀后，不同強度降水日數較20世紀末大幅減少，尤其是總降水日數和小雨日數較平均值分別偏少10.7、9.1 d[23]。總之，20世紀80年代初期之后無雨日在逐步增加，21世紀后顯著增加，這一研究結果與王芬等[11]的研究結果一致。

結合貴州省年降水量的變化趨勢，發現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年強降水平均天數呈增加趨勢，1990—2009年強降水天數較多[25]。貴州省總降水量不顯著增加而無雨日數顯著增加，說明貴州省暴雨與大雨日數在增加，極端降水天氣增加[14,26]，出現旱澇災害的風險在增加。無雨日的增加和總降水量的保持平穩表明，單次降水強度大，而貴州石漠化現象較為嚴重、地質環境和農業生態脆弱，單次強降水更會加劇石漠化、地質災害和農作物風險，因此在氣候變化下，無雨日增加的情況下，貴州地區需要加強對石漠化、地質災害和農作物風險加劇的管控。

2.1.2季節變化

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，通過季節變化可以了解無雨日數變化的時間段，為農業生產的合理安排提供科學依據，見圖3。

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

從無雨日的季節分配看，四季無雨日都呈增加趨勢。秋季的無雨日數較多，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構和品種選擇需要進行適當調整，以適應氣候的變化。冬春季節的無雨日年增長率基本一致，但春季變化波動較大，冬季無雨日數較多，但波動較小。夏季無雨日數較少，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，相對來說無雨日較少，但是研究期間無雨日數也是呈增長趨勢。無雨日數的多少與季風強弱關系密切，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重要。在喀斯特地區，地表水涵養條件較差的情況下，發展水利設施工程、提高儲存水資源的建設能力是保證當地生態環境可持續發展的重要手段。

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。影響貴州的水汽主要來源于東南季風和南亞季風，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，無雨日數在200 d以上。畢節市、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，在200 d以下。東部和南部的無雨日數增加，但降水總量也較多，表明這些區域旱澇災害、地質災害等風險加劇，需要相關部門加強預防和治理。

2.2.2空間變化

從貴州省1981—2017年無雨日變異系數的空間分布來看，貴州省無雨日數變異系數不大，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)。表明東部無雨日數穩定增加，西部無雨日數波動增加。東部和南部地區年降水量較多，而無雨日數較多，且變異系數較小，導致極端降水概率增大，容易引發旱澇災害和城市內澇，極易誘發地質災害。

2.3 貴州最長連續無雨日數的時空變化特征

2.3.1年際變化

1981—2017年間貴州省最長連續無雨日數總體表現為微弱下降趨勢(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，最長連續無雨日數較多，1993—2010年間波動較小，最長連續無雨日數在16 d左右，2011之后波動趨于平穩。其中1982、1997、2000、2012年是最長連續無雨日數較少的年份，1983、1988、1990、2010年是研究期間最長連續無雨日數較多的年份。其中，1988年和2010年無雨日最多為22 d，2012年最少為10 d左右。與無雨日數的變化相比，最長連續無雨日數有減少趨勢，無雨日數呈上升趨勢。

2.3.2空間分布

貴州省多年平均最長連續無雨日數空間分布表現為，各地年均最長連續無雨日數在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的空間分布特征基本一致。

貴州省多年平均最長連續無雨日數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，最長連續無雨日數在22 d以上(圖7)。畢節市、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無雨日數低值區，在11 d以下。

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

2.3.3空間變化

貴州省近37 a來年均最長連續無雨日變異系數的空間變化不大，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無雨日數的變化較大，中部等大部分區域變化較小，最長連續無雨日數較穩定。

3 結論

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

a) 近37 a來，貴州省無雨日數呈增加趨勢，總降水量呈微弱上升趨勢，極端降水天氣增多。從無雨日數的季節情況看，冬季無雨日較多，和春季年增加率相似；秋季的無雨日數較多，且年增加率最大；夏季無雨日數較少，年增加率較小。空間分布上呈由西到東、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，低值區位于畢節市、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域。從變異情況看，貴州省無雨日數年際變化較小，但存在西部較大、東部較小的空間差異。

b) 研究期間，貴州省最長連續無雨日數呈微弱的下降趨勢，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無雨日數較多，且變化較大。