半世紀(jì)來貴州雷山降水及氣溫特征與喀斯特地貌溶蝕性分析

（貴州省雷山縣氣象局，雷山 557199）

0 引言

貴州喀斯特地貌形成與貴州的巖石和氣候密切相關(guān)。貴州巖石以石灰?guī)r等可溶性巖石為主，透水性強；貴州地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水豐富、濕度大、流水作用強烈。 喀斯特地貌是具有溶蝕力的水對可溶性巖石（大多為石灰?guī)r）進(jìn)行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱，又稱溶巖地貌。除溶蝕作用以外，還包括流水的沖蝕、潛蝕，以及坍陷等機械侵蝕過程。降水是喀斯特溶蝕過程中溶蝕介質(zhì)的主要補給源，降水量與溶蝕量的正相關(guān)關(guān)系已被許多學(xué)者論證[1]，同時在相同條件下，溫度與溶蝕速度呈正相關(guān)[2]。巖石的可溶性是溶蝕過程中另一個必要條件，巖石可溶性與溶蝕量有著正相關(guān)關(guān)系也已為許多巖性和喀斯特水化學(xué)分析及模擬試驗所證實[3]。貴州省為核心的中國西南巖溶區(qū)，由于地質(zhì)環(huán)境脆弱性大、敏感度高，面臨人口超載和經(jīng)濟(jì)社會落后的雙重壓力，同時由于歷史原因致使生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重退化，出現(xiàn)了大面積基巖裸露的石漠化問題。土壤侵蝕是石漠化發(fā)生的直接原因，巖溶區(qū)土壤侵蝕的研究較為滯后。不同土地利用方式下容許侵蝕量，具體為研究巖溶區(qū)人類活動造成的土壤質(zhì)量差異，并深入探討不同土地利用方式對溶蝕成土速率的影響，這對于探索出土壤退化演變過程和科學(xué)認(rèn)識巖溶作用、合理利用和保護(hù)巖溶區(qū)土壤資源，對于土壤侵蝕防治和石漠化治理，發(fā)展巖溶區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)均有重要的科學(xué)意義和廣泛應(yīng)用前景[4]。

雷山縣地處云貴高原丘陵盆地過渡的斜坡地帶，地勢東北高、西南低，境內(nèi)最高海拔2178 m，最低海拔480 m，境內(nèi)山巒起伏、河谷縱深、地形破碎、切割深厚，河流下切沖刷強烈、地形復(fù)雜。雷公山與境內(nèi)之貓鼻嶺（海拔1620 m）、橋堂（海拔1763 m）、腳堯山頂（2000 m）、雷公坪（2041 m）呈西南—東北向分布。境內(nèi)地形地貌復(fù)雜，地層巖性抗風(fēng)化能力弱，巖結(jié)構(gòu)破碎疏松，降水量充沛，每年受季風(fēng)和冷暖氣流的影響，易發(fā)暴雨、干旱等氣象災(zāi)害。賀中華等[5]研究表明洪水資源化是解決喀斯特地區(qū)水資源嚴(yán)重缺乏的有效途徑。羅健等[6]研究指出溶蝕性受氣溫、降水和人類活動的交替影響，在不同的時間段內(nèi)，其受影響的程度不一；王冬銀等[7]研究指出降水量、溫度等因素也是控制巖溶速率的主要因素之一；在雷山由強降水誘發(fā)的各類氣象災(zāi)害時有發(fā)生，由于特殊的地理位置，交通不便，農(nóng)村人員居住較分散，80%以上的人口居住偏遠(yuǎn)的高寒地區(qū)，受氣候、交通、信息的影響，防災(zāi)減災(zāi)的能力很弱[8]。因此，氣象災(zāi)害的發(fā)生給人民生命財產(chǎn)帶來了較大損失。對雷山縣近55 a降水和氣溫變化特征進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，將對決策氣象服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)工作具有顯著重要的意義。同時對喀斯特地貌的研究在理論和生產(chǎn)實踐上也有重要意義。

1 資料來源及處理方法

1.1 資料來源

利用雷山國家氣象站1961—2015年55 a的氣溫和降水觀測資料為研究對象（資料由雷山縣氣象局氣象資料檔案室提供），對月降水量、年降水量、各級降水日數(shù)、年平均氣溫、年極端氣溫等資料進(jìn)行統(tǒng)計分析。其中季節(jié)劃分采用氣象劃分法，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

1.2 方法

為了解氣象要素長期趨勢變化，計算時間序列xi與自然數(shù)數(shù)列ti（1, 2, …, n）之間的相關(guān)系數(shù)，稱為趨勢系數(shù)[9]。即

xi=a+bti（i=1, 2, …, n）

式中，b為趨勢系數(shù)，可表示時間序列長期趨勢變化的方向和程度。它消去了氣象要素的均方差和單位對線性回歸系數(shù)數(shù)值大小的影響，從而可在不同地理位置、不同氣象要素之間比較趨勢變化大小。

2 降水變化特征

2.1 月平均降水量、月平均降水日數(shù)變化特征

根據(jù)雷山縣1961—2015年的月降水資料，統(tǒng)計各月的平均降水量和降水日數(shù)。由表1可見，月平均降水量、月平均降水日數(shù)最大值都出現(xiàn)在6月，分別為250.5 mm和18.9 d，分別占全年18.85%和10.58%；月平均降水量最小值出現(xiàn)在1月，為29.4 mm，占全年百分率2.21%，而月降水日數(shù)最小值出現(xiàn)在11月，為11.6 d，占全年6.47%

表1 月平均降水量及月平均降水日數(shù)特征Table 1 Monthly average precipitation and rainy day characteristics

2.2 年降水量、年降水日數(shù)及各級降水日數(shù)變化特征

從圖1a可以看，雷山縣近55 a的年平均降水量為1328.8 mm，歷史年降水量最大值是2015年為2291 mm，最小年降水量是1989年的922.9 mm，歷史最大值與歷史最小值相差達(dá)1368.1 mm。年降水量變化趨勢略呈增加趨勢，其趨向率為0.37 mm/10 a，表明年降水量呈增加趨勢，但不顯著。為了研究方便，采用累積距平方法計算年降水量距平百分率[10]，以距平百分率+20%（-20%）定義降水量偏多（偏少），計算出距平降水量1594.5 mm 和1063.0 mm 為臨界值。根據(jù)降水量偏多（偏少）年的標(biāo)準(zhǔn)，可以看出降水量偏多的年份有：1977、1979、1993、2002和2015年，特別是2015年的年降水量異常偏多，距平百分率達(dá)102.95%；降水量偏少的年份有1986、1989、2003、2005和2011年，1989年最少，距平百分率為-30.54%。

從5 a滑動平均曲線不難看出，近55 a來，雷山縣從20世紀(jì)60年代開始一直到80年代，年降水量一直處于增多趨勢，而到80年代中期開始，年降水量有明顯的減少趨勢，進(jìn)入21世紀(jì)，隨著全球氣候變暖，人類活動對氣候影響因素增多等，雷山縣暴雨處于頻發(fā)、多發(fā)時期。

圖1 雷山縣近55 a年降水量（a）、降水日數(shù)（b）年際變化趨勢Fig. 1 Interannual variation in annual rainfall (a) and rainy days (b) in the last 55 years in Leishan County

將日降水量≥0.1 mm定義為一個降雨日，根據(jù)雷山縣近55 a來降水日數(shù)趨勢（圖1b）不難看出，雷山縣年降水日數(shù)平均為178.9 d，最大為2015年的210 d，最小為2011年的143 d，最大年份與最小年份相差67 d，且都發(fā)生在近幾年。從趨勢分析來看年降水日數(shù)總體呈下降趨勢，其趨向率為-3.07 d/10 a，并通過0.01顯著性檢驗，表明年降水日數(shù)呈顯著減少趨勢。年降水量呈增多趨勢，而降水日數(shù)呈減少趨勢，表明降水越來越其中，發(fā)生強降水的頻率在增大。

為了研究其降水的變化特征，采用日降水劃分標(biāo)準(zhǔn)[11]，將小雨、中雨、大雨、暴雨以上等級的日數(shù)進(jìn)行趨勢分析（圖2）。

由圖2d可見，雷山縣近半世紀(jì)以來，除了暴雨以上量級呈上升趨勢，其趨向率為0.64 d/10 a，而小雨、中雨和大雨日數(shù)（圖2a、3b、3c）均呈下降趨勢，其小雨、中雨和大雨的趨勢率分別為-2.31 d/10 a、-0.80 d/ 10 a和-0.24 d/ 10 a。

圖2 雷山縣近55 a小雨日數(shù)（a）、中雨日數(shù)（b）、大雨日數(shù)（c）、暴雨以上日數(shù)（d）趨勢變化Fig. 2 Inter-annual variation in light (a), moderate (b), heavy (c), and torrential rain days (d) in the last 55 years in Leishan County

2.3 季降水量及降水日數(shù)變化特征

由圖3a、3b可見，近半世紀(jì)來，雷山縣春季的累計降水以2013年的796.1 mm最大，最小累計降水為1989年的206.8 mm，最大與最小相差589.3 mm，春節(jié)期間降水日數(shù)最多為1967年的67 d，最少是1987年的36 d，相差31 d。其降水量趨勢和降水日數(shù)均呈下降趨勢，其趨勢率分別為-4.82 mm/10 a、-0.93 d/10 a。

圖3 雷山縣近55 a四季降水量（a，c，e，g）及降水日數(shù)（b，d，f，h）變化特征Fig. 3 Seasonal precipitation (a, c, e, g) and number of rainy days (b, d, f, h) in the last 55 years in Leishan County

圖3c、3d分析，夏季累計降水量最大值為1979年1237.2 mm，最小值為1978年239.6 mm，相差達(dá)997.6 mm。而夏季降水日數(shù)最多為1974年和1979年的65 d，最少為2011年的33 d，相差達(dá)32 d。從其趨勢率分析來看，夏季累計降水量呈上升趨勢，且上升趨勢明顯，趨勢率為12.33 mm/10 a，而降水日數(shù)呈下降趨勢，其趨勢率為-0.88 d/10 a，均通過了0.05的顯著性檢驗，這說明，夏季累計降水的增多趨勢對年降水量貢獻(xiàn)最大，同時也表明夏季降水時間跨度縮小了，而強降水的頻次正在日益呈上升趨勢。

由圖3e、3f不難看出，秋季的累計降水量和降水日數(shù)均呈下降趨勢，其下降趨向率分別為-4.51 mm/10 a和-1.49 d/10 a。然而冬季（圖3g、3h）各月累計降水量和降水日數(shù)也呈上升趨勢，其傾向率分別為3.36 mm/10 a、0.98 d/10 a，且通過了0.05顯著性檢驗，這說明隨著全球氣候變暖的趨勢，人類對氣候干擾因素增多，冬季的降水頻次也呈顯著上升趨勢。

3 氣溫特征分析

3.1 年平均氣溫、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫變化特征

根據(jù)雷山縣1961—2015年的平均氣溫資料，分析其氣溫變化特征，由圖4a可見，雷山縣近55 a的年平均氣溫為15.4 ℃，最高為2015年的16.4 ℃，最低為1984年的14.3 ℃；年平均最高氣溫與年平均最低氣溫相差2.1 ℃。從其傾向率分析來看，雷山縣年平均氣溫正以0.08 ℃/10 a的趨勢上升。在經(jīng)歷了20世紀(jì)80年代的冷期時段后（圖4b），氣溫呈緩慢的增溫趨勢，特別是近10 a來，隨著全球氣候變暖的趨勢，氣溫增幅較大，曲線振幅明顯。

圖4 雷山縣近55 a平均氣溫（a）及溫度距平（b）特征Fig. 4 Average air temperature and temperature anomaly characteristics in the last 55 years in Leishan County

由圖5a可見，雷山縣近55 a年極端歷史最高氣溫的最大值為2013年的35.9 ℃，最小值為1987年的31.7 ℃，最大與最小值相差4.2 ℃，近半世紀(jì)來年極端最高氣溫以0.28 ℃/10 a趨勢緩慢上升。而年極端最低氣溫（圖5b）呈上升趨勢，且這種上升趨勢非常明顯，增溫率為0.55 ℃/10 a。歷史最大值為1977年的-8.9 ℃，最小值為2015年的-2.0 ℃，年極端最低氣溫最大值與最小差相差高達(dá)-7.7 ℃。歷史年極端最高氣溫與歷史年最低氣溫相差達(dá)44.8 ℃。

圖5 雷山縣近55 a極端最高氣溫（a）及極端最低氣溫（b）特征Fig.5 Extreme maximum (a) and minimum (b) air temperature characteristics in the last 55 years in Leishan County

3.2 各季氣溫變化特征

圖6 雷山縣近55 a四季平均氣溫變化特征Fig. 6 Seasonal average air temperature characteristics in the last 55 years in Leishan County

為了進(jìn)一步了解雷山縣氣溫變化特征，分析了雷山縣四季平均氣溫變化規(guī)律（圖6）。由圖6a可見，雷山縣近55 a冬季和春季平均氣溫多以不同程度響應(yīng)氣候變暖的趨勢，冬季年平均氣溫為6.7 ℃，年平均最低為1984年的2.6 ℃，最高為1979年的8.7℃，相差6.1 ℃，且冬季年平均氣溫波谷與波峰之間振幅明顯，升溫率為0.12 ℃/10 a，并通過了0.05顯著性檢驗。春季年平均氣溫為15.7 ℃，年平均氣溫最低值為1996年的13.8 ℃，最高值是2015年的17.0 ℃，兩者相差3.2℃，從氣溫趨勢線分析，春季增溫不是很明顯。同樣夏季（圖6b）可見，夏季年平均氣溫為23.7 ℃，年平均氣溫最高值為2013年的24.8 ℃，最低值為1974年的22.7 ℃，最高與最低相差2.1 ℃，氣溫曲線振幅不明顯，增幅率不高。最后，秋季（圖6b）年平均氣溫為16.3℃，最高值為2014年的17.9 ℃，最低值為1978年的14.9 ℃，相差3 ℃，從趨勢線分析，秋季平均氣溫從進(jìn)入21世紀(jì)后，氣溫曲線振幅較大，半世紀(jì)以來整體以0.11 ℃/10 a的速度開始上升。

4 喀斯特地貌溶蝕性分析

喀斯特溶蝕率與氣溫及降水的關(guān)系，隨著年均降水量P或年平均氣溫t的增加，喀斯特溶蝕率K[, r]也增加，由于本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有限，故研究略去巖性、地貌等性質(zhì)，依據(jù)現(xiàn)有的降水和氣溫資料對喀斯特地貌溶蝕性做了粗略的分析，根據(jù)參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[12-14]建立兩者的相關(guān)關(guān)系，其關(guān)系可以用式（1）和式（2）來表達(dá)：

式中，K[, r]的單位為mm/a，即平均每年因喀斯特作用而蝕去的石灰?guī)r的厚度。將年降水資料和年平均氣溫代入式（1）和式（2），結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，其溶蝕性主要是降水影響。故略去氣溫項（圖7）。

由圖7可見，雷山縣近55 a來溶蝕率也呈逐年上升趨勢，最大值在2015年達(dá)6.17 mm。但是在實際生活中，影響喀斯特地貌的溶蝕性因素諸多，比如CO2、地下水徑流、地貌植被情況等，由于本文資料收集有限，采用的是定量計算，故在實際應(yīng)用中還有充分考慮CO2、地貌等諸多因素變化情況來開展修訂，以便接近實際情況[15-17]。

圖7 近55 a降水對喀斯特地貌溶蝕性變化特征Fig. 7 Characteristics of precipitation-related karst erosion in Karst landforms in the last 55 years in Leishan county