貴州省1960-2014年降水量時空變化特征分析

彭 菊， 周秋文， 韋小茶， 唐 欣， 梁建方， 閔思艷

(貴州師范大學 地理與環境科學學院， 貴州 貴陽 550001)

1 研究背景

在全球氣候變化背景下，極端旱澇等自然災害頻繁發生[1-3]。降水是地球水循環的重要環節，降水量及其過程的掌握，對人類認識大氣循環和水循環過程，以及農業生產和整個國民經濟發展都起著至關重要的作用[4-6]。

隨著航天和遙感技術的發展，高時空分辨率的衛星降水反演數據解決了氣象觀測站點空間代表性不足的問題，并且彌補了偏遠地區站點觀測數據較少的缺陷[7-10]。目前，許多學者對降水特征開展大量研究，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世紀降水的區域突變；胡乃發等[14]采用小波分析方法，對1959-2006年長白山地區降水序列進行多時間尺度分析，發現長白山地區植被生長季降水量存在3～6 a、10～13 a、24～30 a的特征周期，年降水量序列呈現整體下降趨勢；楊雨蒙等[15]對TRMM衛星降雨數據在湖南省的精度和可靠性進行評定。

貴州省屬于亞熱帶高原季風濕潤氣候，省內大部分地區降水充沛，但時空分布不均[16-17]。近年來，貴州省干旱和洪水災害頻繁，并且有惡化的趨勢，對該區的土壤侵蝕、生態系統生產力、土地利用/覆被等方面具有較大影響，嚴重制約了貴州省社會經濟發展[18-19]。因此，研究貴州省降水變化趨勢和突變規律，對了解該區氣候變化特征、合理利用和配置水資源、防御旱澇等具有重要的現實意義[20-22]。

近年來，學者針對貴州省降水量變化開展研究。例如，李腹廣等[23]對黔西南近30年降水時空變化特征進行分析，發現黔西南州年降水存在多時間尺度特征；李春梅等[24]對貴州麥崗水庫小流域降水進行小波分析，基于49 a降水數據的分析結果表明，貴州省降水存在多時間尺度特征，周期振蕩明顯[25]。徐建新等[6]基于貴州省19個氣象站點1960-2009年的月降水資料，分析了貴州省降水在不同時間尺度下的時空規律；張勇榮等[26]分析了貴州省近55 a來的降水量、降水日數、降水強度的氣候特征、變化趨勢、空間分布和穩定性。

目前對貴州降水的大量研究中，針對貴州省不同地貌單元區、不同時間尺度降水序列進行趨勢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、累計距平、M-K突變檢驗法，以貴州19個氣象站點1960-2014年的逐月降水量數據為基礎，對貴州省及其不同地貌類型區近55年不同時間尺度的降水量進行趨勢和突變特征分析，為掌握貴州省降水量變化規律及短期氣候預測，以及制定旱澇災害預警機制和合理利用和配置水資源等提供理論依據和科學技術支撐。

2 研究區概況

貴州省處于云貴高原的東斜坡(103°36′E～109°35′E、24°37′N～29°13′N)，海拔梯度大、地貌條件復雜、生態環境極為脆弱[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。降雨不僅是該地區生態環境狀況的主要影響因素，而且是導致該地區土壤侵蝕和石漠化的主要動力因素[16]。區域內降水空間分布格局異常復雜，多年平均降水量大但空間分布差異顯著，年內分布不均。貴州省地貌分區及氣象站點分布如圖1所示。

3 數據來源與研究方法

3.1 降水數據

降水數據來源于中國氣象數據共享網(http://data.cma.cn/)提供的1960-2014年貴州省19個代表氣象站點逐月降水資料，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律，分別對整個貴州省及其不同地貌區域進行年降水、最大月降水變化特征分析。各氣象站點的名稱、經緯度、觀測場海拔高度及所在的地貌單元等信息如表1所示。

表1 各氣象站點的名稱、經緯度、觀測場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]來描述年均降水量、最大月降水量的變化幅度。采用累計距平法反映研究區降水量長期的演變趨勢，當累計距平曲線上升，表示距平值增加，氣象要素處于偏高階段；當累計距平值下降，則表示距平值減少，氣候要素處于偏低階段，當曲線出現明顯的上下起伏時，可以診斷其為發生突變的大致時間。采用Mann-Kendall (M-K)法對降水進行突變特征檢驗[30-31]，從而確定降水突變開始的時間和范圍。

4 結果與分析

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，貴州近55年年均降水量存在空間差異，總體上呈現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，貴州省西南部巖溶盆地地區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、巖溶高原，最小的則是巖溶槽谷地區。

4.2 年均降水量變化趨勢

1960-2014年貴州省及各地貌單元區降水量年際變化趨勢見圖3。由圖3可看出，貴州省近55年來降水量呈現出逐年減少的趨勢，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60、70年代

降水較豐沛，80年代末至90年代初以及2000年以來的降水量相對較小。巖溶峽谷和巖溶槽谷年降水整體呈上升趨勢，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則呈現出逐年遞減趨勢，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降水的年際累計距平分析。由圖4可看出，1960-2014年貴州省降水累計距平大致出現4個變化階段：1960-1986年降水累計距平有明顯的上升趨勢，1986-1994年出現下降趨勢，1994-2000年緩慢上升(巖溶峽谷區除外)，在2000-2014年又逐漸減少。巖溶峽谷在20世紀80年代至2007年的降水累計距平呈明顯下降趨勢，后突然增加，尤其在近幾年來的降水量非常不穩定。

圖1 貴州省地貌分區及氣象站點分布

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降水量年際變化趨勢

4.3 最大月降水量變化趨勢

1960-2014年貴州省及各地貌單元區的最大月降水量變化趨勢見圖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。最大月降水量傾向率為0.892 mm/10a。巖溶峽谷的最大月降水量增加趨勢最為明顯，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降水量年際累計距平分析

圖5 1960-2014年貴州省及各地貌單元區的最大月降水量變化趨勢

圖6為1960-2014年貴州省及各地貌單元區最大月降水累計距平分析。由圖6可看出，貴州省最大月降水量累計距平變化幅度不大，1960-1990年總體上有下降趨勢，1990-2014年呈緩慢上升趨勢。從各地貌區來看，巖溶峽谷地區最大月降水累計距平在1960-2006年間呈顯著下降趨勢，在2007年出現一次顯著變化，降水突然急劇增加，主要是因為巖溶峽谷威寧地區2007年5月大量降水而造成。其他5個地貌區在這55年間也出現多次波動但變化幅度不大，均無明顯變化規律。

圖6 1960-2014年貴州省及各地貌單元區最大月降水量累計距平分析

4.4 年均降水量突變檢驗

1960-2014年貴州省及各地貌單元區的年均降水量突變檢驗分析見圖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，1985-2014年UF值小于0，降水呈下降趨勢。UF和UB曲線在1985、1992和2002年存在明顯交點，且交點在臨界線之間。結合年降水距平曲線，可確定在1985、1992和2002年降水量出現

突變。巖溶峽谷的UF和UB曲線在1984年存在交點，在此前UF曲線均是圍繞0值線波動，起伏不大，1984年后UF值小于0，說明降水一直處于減少趨勢。巖溶高原的突變點在2001年，此后降水也保持持續減少趨勢。巖溶盆地區只有2002年1個突變點，峰叢洼地的突變點為2008年，巖溶槽谷地區和非喀斯特地區均存在多個突變點。

4.5 最大月降水量突變檢驗

1960-2014年貴州省及各地貌單元區的最大月降水量突變檢驗見圖8。如圖8所示，1960-1995年貴州省整體的UF曲線圍繞0值變化波動較大，1995-2014年UF值大于0，說明該階段的最大月降水量處于增加趨勢。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個交點，交點較多說明貴州省近55年來的最大月降水量變化不穩定。從各地貌類型區分析可知，巖溶峽谷地區1960-2014年最大月降水序列的突變點是1984年，巖溶高原地區最大月降水序列的突變點為1980和1994年，峰叢洼地的突變點為1980和2001年，1968-1971年為該區突變明顯期，非喀斯特地區的突變點主要有1980和1994年，1967-1975年為該區突變明顯期，巖溶槽谷地區的突變點最多。

圖7 1960-2014年貴州省及各地貌單元區的年均降水量突變檢驗分析

圖8 1960-2014年貴州省及各地貌單元區的最大月降水量突變檢驗

5 結 論

基于貴州省19個氣象站點1960-2014年的逐月降水量數據，采用一元線性回歸擬合、累計距平、M-K突變檢驗法，對貴州省及其不同地貌類型區近55年的年均降水量、最大月降水量進行趨勢和突變特征分析。得出以下主要結論：

(1)貴州省近55年來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地貌和季風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年的減少趨勢尤其明顯，自20世紀80年代以來變化尤其不穩定。

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

(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，極端氣候事件發生的概率較高。研究結果對更深入地了解貴州省氣候變化的特征具有重要意義。該區應提前做好應對旱澇災情等措施加強田間管理，同時，應針對不同地貌區的特點，更細化、更深入地探討降水量變化情況，合理調整當地居民的生產生活和工業發展布局。