基于相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的貴州省氣象干旱時(shí)空變化特征研究

游 漫, 賀中華,2,3, 張 浪, 楊銘珂, 皮貴寧

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550001; 2.貴州師范大學(xué) 國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心, 貴陽(yáng) 550001; 3.貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽(yáng) 550001)

干旱是一種隨機(jī)且反復(fù)發(fā)生的自然災(zāi)害，是世界上最具破壞的自然災(zāi)害之一。它通常緩慢發(fā)展，即使停止后仍會(huì)留下持久的影響[1]。干旱可以分為4類干旱：氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱[2]。氣象干旱是指某時(shí)段內(nèi)，由于蒸發(fā)量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現(xiàn)象[3]。其中氣象干旱是其他干旱發(fā)生的基礎(chǔ)，氣象干旱的發(fā)生也是最直接和最頻繁的，一場(chǎng)氣象干旱的重大影響可能會(huì)隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致其他干旱的發(fā)生[4]。近年來(lái)，全球氣候變暖背景下與人類活動(dòng)增強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)下，頻繁發(fā)生的干旱已經(jīng)成為了全球非常突出的環(huán)境問(wèn)題。中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)干旱加重的同時(shí)，南方干旱也在不斷擴(kuò)展和加重，干旱現(xiàn)象已經(jīng)不僅僅是中國(guó)北方地區(qū)面臨的重要自然災(zāi)害，旱災(zāi)范圍已經(jīng)遍及全國(guó)[5]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣象干旱指數(shù)做了大量的研究，由于相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(moisture index)綜合考慮了降水以及其他需水信息，并可以直觀反映區(qū)域水分收支盈虧情況[3]的特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)部分區(qū)域應(yīng)用于干旱研究中。曹興等[6]利用相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)研究發(fā)現(xiàn)新疆氣溫升高，降水減少，氣象干旱加劇；曹二佳等[7]用其研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古中部農(nóng)牧作物的生長(zhǎng)季呈持續(xù)變干趨勢(shì)；祁嘉郁等[8]用其發(fā)現(xiàn)北疆地區(qū)干旱強(qiáng)度呈減弱的趨勢(shì)，且夏旱強(qiáng)度以及中旱、重旱的頻率最高；王明田等[9]利用相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)作為干旱指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)西南地區(qū)干旱強(qiáng)度減弱，且春旱和秋旱有所減輕；張青雯等[10]利用相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)研究發(fā)現(xiàn)云南省氣象干旱呈增強(qiáng)趨勢(shì)，且冬旱最強(qiáng)、夏旱最弱，同時(shí)發(fā)現(xiàn)降水、日照時(shí)數(shù)及相對(duì)濕潤(rùn)度是相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)變化的主導(dǎo)因素。以上是相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)在各個(gè)區(qū)域的干旱應(yīng)用研究，且均呈現(xiàn)該指數(shù)有助于了解干旱狀況的地域特征。雖然影響該指數(shù)的氣象因子已經(jīng)有許多學(xué)者在不同區(qū)域進(jìn)行研究探討，但是不同區(qū)域主導(dǎo)因子存在差異。由于貴州省屬于喀斯特山區(qū)，地形破碎起伏大，水土流失快，受季風(fēng)的影響，降水多，氣溫高，蒸發(fā)量大，日照時(shí)間少，相對(duì)濕潤(rùn)度高，而相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)主要考慮降水與蒸發(fā)等因素。且在貴州應(yīng)用較少。

因此，本文利用相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(MI)為干旱指標(biāo)，綜合考慮降水和蒸散發(fā)等因子，以年、季為時(shí)間尺度，從干旱發(fā)生強(qiáng)度、頻率的角度分析貴州省季節(jié)性干旱時(shí)空演變規(guī)律，同時(shí)利用二維Couple分布函數(shù)，計(jì)算干旱強(qiáng)度和干旱頻率的聯(lián)合概率及條件概率，分析兩個(gè)干旱特征變量的關(guān)系。根據(jù)干旱特征制定相關(guān)的抗旱對(duì)策，結(jié)合干旱資料，農(nóng)作物生育期，為制定防旱減災(zāi)措施提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴州省位于中國(guó)西南部，云貴高原東部，介于東經(jīng)103°36′—109°35′，北緯24°37′—29°13′，是該地區(qū)的交通樞紐，地理環(huán)境復(fù)雜，地勢(shì)西高東低，山區(qū)面積廣[11]。貴州省屬于亞熱帶高原季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為：(1) 降水多，相對(duì)濕潤(rùn)度大，日照時(shí)間少，晝夜溫差小，夏季氣溫高，冬季溫和，干濕季分明，年平均氣溫約15℃[12]。(2) 常年雨量豐沛，時(shí)空分布不均，年均降雨量最多值接近1 600 mm，最少值約為850 mm，年降水量1 000～1 300 mm[13]。(3) 由圖1可見(jiàn)，年均降水量呈南高北低的分布格局，受季風(fēng)和大氣環(huán)流的影響，雨量集中在夏季[14]。盡管貴州省降水豐富，但由于區(qū)域性、季節(jié)性降水不均，地表破碎，土層薄弱，蓄水能力弱，年季變化和水分流失較大，容易引發(fā)區(qū)域和季節(jié)性的氣象干旱。貴州省多年平均降水圖和氣象站點(diǎn)分布如圖1—2所示。

圖1 貴州省多年平均降水

圖2 貴州省氣象站點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于“中國(guó)數(shù)據(jù)氣象網(wǎng)”(http:∥data.cma.cn)，選取貴州省1981—2019年17個(gè)縣市氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用逐日常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括降水(mm)、日最高氣溫、日最低氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度等氣象要素實(shí)測(cè)資料。利用ArcGIS繪制干旱強(qiáng)度與干旱頻率的空間分布圖，利用Origin軟件繪制時(shí)間趨勢(shì)折線圖，結(jié)合MATLAB編程語(yǔ)言，計(jì)算干旱強(qiáng)度和干旱頻率的聯(lián)合概率以及條件概率，再利用Surfer三維制圖軟件對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行可視化，并分析兩者的關(guān)系特征。

2.2 研究方法

2.2.1 相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù) 相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(MI)是某時(shí)段內(nèi)降水量與同時(shí)段內(nèi)可能蒸散量之差再除以該時(shí)段內(nèi)的可能蒸散量，適于評(píng)估和監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)的干旱情況，計(jì)算公式如下[15]：

(1)

式中:P為某時(shí)段內(nèi)的降水量(mm);ET0為某時(shí)段的參考作物蒸散量(mm),采用1998年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算[16],即:

(2)

式中:Δ為飽和水氣壓曲線斜率(kPa/℃);γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃);U2為距地面出2 m的風(fēng)速(m/s);Rn為冠層表面凈輻射[MJ/(m2·d)];G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)];T為日平均氣溫(℃);ea和ed分別為飽和水氣壓(kPa/℃)和實(shí)際水氣壓(kPa/℃)。

采用國(guó)家頒布的《氣象干旱等級(jí)》中提出的相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)氣象干旱等級(jí)劃分法，以月為單位，干旱等級(jí)和類型見(jiàn)表1[15]。

表1 氣象干旱相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)干旱等級(jí)劃分

2.2.2 干旱強(qiáng)度和干旱頻率 干旱強(qiáng)度是用來(lái)評(píng)價(jià)干旱的嚴(yán)重程度，干旱強(qiáng)度一般可以由相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)值來(lái)反映，相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)值越小，表示干旱越嚴(yán)重[17]。

干旱頻率是發(fā)生干旱的頻繁程度，指實(shí)際有干旱發(fā)生的年數(shù)或季節(jié)占總年數(shù)或總季節(jié)的百分比[9]。干旱頻率分為如下標(biāo)準(zhǔn):極少發(fā)生(0～20%)，較少發(fā)生(20%～40%)，經(jīng)常發(fā)生(40%～60%)，頻繁發(fā)生(60%～80%)，極頻繁發(fā)生(80%～100%)[18]。

2.2.3 干旱概率 Couple函數(shù)[19]是一個(gè)定義在[0,1]區(qū)間上均勻分布的多維聯(lián)合分布函數(shù)，通過(guò)連接多個(gè)隨機(jī)變量任意形式的邊緣分布構(gòu)建聯(lián)合分布。Sklar′s定理：設(shè)x，y為隨機(jī)變量，其邊緣分布函數(shù)為F(x)和F(y)，F(xiàn)(x,y)為變量x和y的聯(lián)合分布函數(shù)，那么存在唯一的Couple函數(shù)C，使得

F(x,y)=Cθ[Fx(x),Fy(y)]

(3)

式中:θ為待定參數(shù)。

二維Couple的分布函數(shù)的計(jì)算公式為：

(4)

u=F1(x1),v=F2(x2)

式中：u和v分別為單變量的邊緣分布函數(shù)，其中u為干旱強(qiáng)度；v為干旱頻率。

基于Couple函數(shù)的二元干旱分布函數(shù)確定后，容易得到干旱的條件概率分布，主要考慮，給定干旱強(qiáng)度超過(guò)某一個(gè)閾值時(shí)，估計(jì)干旱頻率發(fā)生的概率分布。即指定條件事件u發(fā)生，事件v也發(fā)生的概率，條件分布函數(shù)可以用如下的通用公式表示[20]：

(5)

式中：v為一個(gè)n維的向量；vj為v中的任意一個(gè)變量；vj為v去除v-j后剩余向量；Cx,p∣v-j為二維條件Couple函數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象干旱強(qiáng)度時(shí)空變化特征

3.1.1 空間演化特征 通過(guò)計(jì)算各氣象站點(diǎn)發(fā)生干旱時(shí)的MI指數(shù)平均值可以得到年均及季節(jié)干旱強(qiáng)度(圖3)。從圖3A中得出，貴州省年均及季節(jié)干旱強(qiáng)度的空間分布格局呈南高北低，望謨、獨(dú)山、安順等地區(qū)的干旱強(qiáng)度較高，強(qiáng)度在-0.69～-0.65，為中等程度干旱。總體上貴州省氣象干旱強(qiáng)度以輕旱和中旱為主，干旱程度偏低。從季節(jié)尺度上看，與其他季節(jié)相比，春旱(圖3B)強(qiáng)度較低，空間上呈南高北低、西高東低的空間分布，獨(dú)山、盤縣、威寧和望謨等地區(qū)的春季干旱強(qiáng)度較高，強(qiáng)度在-0.70～-0.65，為中等程度的干旱，其中三穗的干旱強(qiáng)度較低，達(dá)-0.45，為輕旱。春季平均干旱強(qiáng)度是-0.60，區(qū)域干旱強(qiáng)度整體為輕旱。夏旱(圖3C)和春旱強(qiáng)度相差不大，呈自西向東逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，空間上呈東高西低的分布，夏旱在獨(dú)山、榕江、安順以及銅仁等地區(qū)干旱強(qiáng)度較高，干旱強(qiáng)度在-0.72～-0.65，為中旱，其中盤縣的干旱強(qiáng)度為0，表明無(wú)明顯干旱發(fā)生，夏季平均干旱強(qiáng)度是-0.59。秋旱(圖3D)較為嚴(yán)重，秋旱強(qiáng)度達(dá)到中旱以上的區(qū)域覆蓋了貴州省的大部分地區(qū)，其中貴州的東北部及西南部的小部分地區(qū)的秋旱強(qiáng)度達(dá)到輕旱，貴州東北部的湄潭、思南以及西南部畢節(jié)的干旱強(qiáng)度在-0.64～-0.55，干旱強(qiáng)度較低，為輕旱，其他區(qū)域的干旱強(qiáng)度介于-0.72～-0.66，為中旱，秋季平均干旱強(qiáng)度是-0.67，干旱強(qiáng)度整體達(dá)到中旱。冬旱(圖3E)在空間上的分布主要呈現(xiàn)為南高北低，中間低兩邊高的分布格局特點(diǎn)，東部地區(qū)、南部地區(qū)以及西部地區(qū)干旱強(qiáng)度介于-0.72～-0.66，為中旱，其中威寧、望謨及羅甸干旱強(qiáng)度達(dá)到-0.70以上，中部地區(qū)和北部地區(qū)干旱強(qiáng)度介于-0.64～-0.58，內(nèi)部差異較小，其中干旱強(qiáng)度最低的區(qū)域是黔西，干旱強(qiáng)度為-0.58，平均干旱強(qiáng)度是-0.65。季尺度結(jié)果表明，從平均干旱強(qiáng)度來(lái)看，秋旱、冬旱的干旱強(qiáng)度均達(dá)到中旱，春旱和夏旱的干旱強(qiáng)度達(dá)到輕旱。

以上結(jié)果表明，貴州省年、春季、夏季、秋季與冬季的干旱強(qiáng)度在空間上呈現(xiàn)出不同的空間分布格局，主要以輕旱和中旱為主。這是因?yàn)橘F州省區(qū)域性與季節(jié)性降水分布不均，地形地貌復(fù)雜，坡度大、透水強(qiáng)、排水快、土層薄、土壤蓄水能力弱，地形起伏大，巖溶發(fā)育廣泛[12]。

圖3 貴州省氣象干旱強(qiáng)度空間分布

3.1.2 時(shí)間演化特征 分析干旱強(qiáng)度在1981—2019年的變化趨勢(shì)，干旱的平均相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)值越小，意味著干旱強(qiáng)度越強(qiáng)。如圖4A所示，1981—2019年的多年平均干旱強(qiáng)度的變化過(guò)程，相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明多年平均干旱強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)(傾斜率為0.04/10 a)；從1981—1994年，干旱強(qiáng)度呈減弱的趨勢(shì)，而1994—2018年，干旱強(qiáng)度呈波動(dòng)式的增強(qiáng)趨勢(shì)。表明貴州省的氣象干旱強(qiáng)度在這39 a間呈減弱—增強(qiáng)的趨勢(shì)，但是整體上呈減弱的趨勢(shì)。春季相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(圖4B)整體呈上升趨勢(shì)(傾斜率為0.42/10 a)，表明春旱強(qiáng)度減弱，以2002年為界，從1981—2002年，春旱強(qiáng)度呈減弱的趨勢(shì)，且在1986年干旱強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，2002年之后，春旱強(qiáng)度是呈增強(qiáng)的趨勢(shì)，在2011年干旱強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)。夏季相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(圖4C)呈上升趨勢(shì)(傾斜率為0.07/10 a)，表明夏旱強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)，以1999年為界，1981—1999年，夏旱強(qiáng)度呈減弱的趨勢(shì)，其中1981年干旱強(qiáng)度最強(qiáng)，1999—2019年，夏旱強(qiáng)度呈增強(qiáng)的趨勢(shì)，且在2011年和2013年干旱強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)。秋季相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(圖4D)呈上升趨勢(shì)(傾斜率為0.06/10 a)，表明秋旱強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)，1981—2009年，秋旱強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì)，2009—2019年干旱強(qiáng)度呈減弱的趨勢(shì)，在2009年干旱強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)。冬季相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)(圖4E)呈上升趨勢(shì)(傾斜率為0.03/10 a)，表明冬旱強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)。從1981—2003年，冬旱強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，而2003—2019年，冬旱強(qiáng)度呈波動(dòng)式的增強(qiáng)，在1986年、1995年、2009年干旱強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)。

結(jié)果表明，這39年來(lái)，年、春季、夏季、秋季和冬季干旱強(qiáng)度整體上是呈減弱的趨勢(shì)，但是在21世紀(jì)以后，貴州省氣象干旱強(qiáng)度是呈增強(qiáng)的趨勢(shì)。尤其是2009年、2011年和2013年氣象干旱在這39年間表現(xiàn)得較為嚴(yán)重。這是由于21世紀(jì)以來(lái)，受厄爾里諾現(xiàn)象的影響，印度季風(fēng)衰退，降雨偏少，貴州省干旱歷時(shí)和干旱烈增強(qiáng)，極端氣候加劇，氣象干旱加重明顯[12]。

圖4 貴州省氣象干旱強(qiáng)度時(shí)間變化趨勢(shì)

3.2 氣象干旱頻率變化特征

3.2.1 空間分布特征 干旱頻率用于評(píng)價(jià)干旱發(fā)生的頻繁程度，即實(shí)際有干旱發(fā)生的月數(shù)與不同季節(jié)的月份序列數(shù)之比[3]。年尺度上(圖5A)，自1981—2019年來(lái)，貴州省干旱頻率在空間上的變化是自東向西增大，呈西高東低的分布格局，多年來(lái)發(fā)生干旱的頻率在0～40%，干旱頻率平均為19.6%，是極少發(fā)生干旱的。總體來(lái)說(shuō)，貴州省氣象干旱頻率是低頻的。季尺度上，春旱頻率(圖5B)的分布格局與多年平均干旱頻率分布格局具有相似性，都是呈西高東低的分布格局，春旱頻率發(fā)生最高的是威寧，為39%(10 a三遇)以上，較少發(fā)生干旱，春旱頻率發(fā)生最低的是三穗為0.8%，百年難得一遇。夏旱(圖5C)發(fā)生頻率的空間分布最為平均，頻率發(fā)生在0～20%，整體上整個(gè)貴州省在夏季是極少發(fā)生干旱的。秋旱頻率(圖5D)呈現(xiàn)南高北低的空間分布格局，干旱頻率基本上都發(fā)生在0～20%，秋季干旱頻率達(dá)到20%～40%的區(qū)域呈零星狀分布，秋季最高干旱頻率發(fā)生在羅甸和榕江，分別為24%，21%(5 a一遇)以上，較少發(fā)生干旱。冬旱頻率(圖5E)呈自東向西干旱頻率表現(xiàn)出極少發(fā)生、較少發(fā)生、經(jīng)常發(fā)生到頻繁發(fā)生的規(guī)律，其中羅甸和威寧的干旱頻率達(dá)到60%以上，頻繁發(fā)生氣象干旱，盤縣、畢節(jié)、桐梓、望謨的干旱頻率達(dá)到40%以上，干旱經(jīng)常發(fā)生。

以上結(jié)果表明，年尺度與春、冬季尺度的干旱頻率均呈西高東低的空間分布，夏、秋季尺度的頻率空間分布具有相似性，氣象干旱頻率較低。這是因?yàn)楦珊殿l繁程度與地形因子相關(guān)，而貴州省地勢(shì)呈西高東低，因此貴州省西部較其他區(qū)域發(fā)生干旱的頻率比較高。

3.2.2 時(shí)間分布特征 從圖6A可以得出，1981—2019年以來(lái)，干旱頻率在6.9%(1994年)～33.3%(2009年)波動(dòng)，多年平均的干旱頻率呈上升趨勢(shì)(傾向率為1.05/10 a)，表明貴州省氣象干旱在1981—2019年呈越來(lái)越頻繁發(fā)生的趨勢(shì)，但總體來(lái)說(shuō)氣象干旱是較少發(fā)生的。在20世紀(jì)80年代中后期和21世紀(jì)初期，干旱頻率呈明顯的上升趨勢(shì)，這是因?yàn)檫@一時(shí)期，貴州省進(jìn)入少雨期，極端氣候加劇，導(dǎo)致氣象干旱發(fā)生[21]。季尺度上，春旱頻率(圖6B)在0(2000年)～45%(1987年)波動(dòng)，春旱頻率呈下降趨勢(shì)(傾斜率為-0.8/10 a)，頻率在1987年(45%)和2011年(41%)達(dá)到最高。夏旱頻率(圖6C)在0(1982年)～33%(2011年)波動(dòng)，夏旱頻率呈上升趨勢(shì)(傾斜率為0.64/10 a)，在2011年(33%)夏旱發(fā)生的頻率最高。秋旱頻率(圖6D)在0(1981年)～45%(2007年)波動(dòng)，秋旱頻率是呈波動(dòng)式的上升趨勢(shì)(傾斜率為1.65/10 a)，且在2007年(45%)秋旱發(fā)生的頻率最高。冬旱頻率(圖6E)在2%(1994年)～80%(2009年)波動(dòng)，冬旱呈上升趨勢(shì)(傾斜率為2.74/10 a)，在2009年(80%)干旱頻率達(dá)到最大值，同時(shí)在2012年(60%)和2017年(64%)，氣象干旱頻繁發(fā)生。

圖5 貴州省氣象干旱頻率空間分布

圖6 貴州省氣象干旱頻率時(shí)間變化趨勢(shì)

以上結(jié)果表明，年尺度上，貴州省氣象干旱頻率呈上升趨勢(shì)，且干旱較少發(fā)生。季尺度上，氣象干旱除了春季發(fā)生的頻率是呈下降趨勢(shì)的，夏季、秋季和冬季是呈上升趨勢(shì)，且春季和夏季干旱頻率發(fā)生最高的年份都是在2011年，秋季干旱頻率最高發(fā)生在2007年，冬季干旱頻率最高發(fā)生在2009年。這是因?yàn)樵?1世紀(jì)以后貴州省干旱歷時(shí)和干旱烈度增加，干旱程度加劇，干旱頻發(fā)，尤其是2009年、2011年是近39年來(lái)較嚴(yán)重的氣象干旱年份[21]。

3.3 干旱頻率和干旱強(qiáng)度的概率分析

3.3.1 聯(lián)合概率分析 以干旱強(qiáng)度和干旱頻率作為變量，采用Couple函數(shù)擬合出二者間的最佳聯(lián)合分布函數(shù)，對(duì)貴州省的氣象干旱進(jìn)一步做聯(lián)合特征分析(圖7)。結(jié)果表明，貴州省四季的干旱聯(lián)合特征總體相似，干旱強(qiáng)度和干旱頻率間具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，在同一干旱頻率下，干旱強(qiáng)度邊緣分布越趨近于1，表明干旱特征聯(lián)合度越高。在春季尺度下，當(dāng)干旱強(qiáng)度邊緣分布為0.8～1，干旱頻率邊緣分布在0.85～1時(shí)，干旱強(qiáng)度和干旱頻率的聯(lián)合度最高，聯(lián)合特征極值約為0.75～0.8，表明此時(shí)貴州省頻繁發(fā)生氣象干旱且干旱強(qiáng)度較強(qiáng)。在夏季尺度下，當(dāng)干旱強(qiáng)度邊緣分布為0.95～1，干旱頻率邊緣分布為0.55～0.9，聯(lián)合特征極值為0.55～0.6，與春季相比，干旱特征聯(lián)合度有所減輕。從干旱強(qiáng)度邊緣分布和干旱頻率邊緣分布來(lái)看，夏季干旱強(qiáng)度比春季的強(qiáng)，但是干旱頻率卻比春季的頻率低，意味著不是干旱頻率越高，干旱強(qiáng)度越強(qiáng)，二者間并非正相關(guān)關(guān)系，此時(shí)貴州省可能發(fā)生較低頻率氣象干旱且干旱強(qiáng)度較強(qiáng)。在秋季尺度下，當(dāng)干旱強(qiáng)度邊緣分布為0.6～1，干旱頻率邊緣分布在0.85～1時(shí)，聯(lián)合特征極值為0.6～0.65。在冬季尺度下，當(dāng)干旱強(qiáng)度邊緣分布為0.9～1，干旱頻率邊緣分布在0.85～1時(shí)，聯(lián)合特征極值為0.7～0.75。夏、秋季節(jié)的干旱聯(lián)合特征值低于冬、春季節(jié)的干旱聯(lián)合特征值，表明夏、秋季節(jié)的干旱強(qiáng)度和干旱頻率變化比冬、春季節(jié)的變化小；干旱聯(lián)合特征值呈春季>冬季>秋季>夏季，聯(lián)合特征值越高，發(fā)生較高干旱強(qiáng)度和較高干旱頻率的氣象干旱的概率越高。

圖7 聯(lián)合概率分布

3.3.2 條件概率分析 對(duì)于二維隨機(jī)變量干旱強(qiáng)度和干旱頻率，可以考慮其中一個(gè)隨機(jī)變量取得固定值的條件下，另一隨機(jī)變量的概率分布，貴州省氣象干旱主要以輕旱與中旱為主，因此研究以各季節(jié)干旱強(qiáng)度(輕旱、中旱)為條件，分析各季節(jié)尺度下干旱頻率的條件概率分布(圖8)。干旱強(qiáng)度和干旱頻率存在著較為密切的關(guān)系，研究結(jié)果表明，貴州省四季的條件概率特征總體相似，條件概率特征值與干旱頻率呈正相關(guān)，即在同一干旱強(qiáng)度下，干旱頻率值越大，發(fā)生干旱的概率越大。在春季干旱強(qiáng)度發(fā)生條件下，干旱頻率發(fā)生的條件概率值在0.025～1；在夏季干旱強(qiáng)度發(fā)生條件下，干旱頻率發(fā)生的條件概率值在0.125～1；在秋季干旱強(qiáng)度發(fā)生條件下，干旱頻率發(fā)生的概率值在0.051～1；在冬干旱強(qiáng)度發(fā)生條件下，干旱頻率發(fā)生的概率值在0.041～1。在不同季節(jié)干旱強(qiáng)度下，干旱頻率發(fā)生的條件概率大體一致，只有略微差距，可見(jiàn)各季節(jié)發(fā)生的干旱強(qiáng)度對(duì)各季節(jié)干旱頻率發(fā)生概率的影響并不大。在各季節(jié)干旱強(qiáng)度下，季節(jié)干旱頻率發(fā)生的概率值呈夏季>秋季>冬季>春季，這與干旱聯(lián)合特征值的排序恰好相反。

由于春季處于夏季即雨季之前，其降水少，作物或植被需水大，容易發(fā)生高強(qiáng)度高頻率的氣象干旱。夏季的降水主要在6月、7月、8月持續(xù)高溫，這將容易引起干旱，但由于降水多，發(fā)生的干旱以高頻率低強(qiáng)度為主。因此，各季節(jié)的聯(lián)合特征值與條件概率值的排序剛好相反。

圖8 干旱頻率條件概率分布

4 討 論

本文基于1981—2019年逐日降水資料計(jì)算相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)對(duì)貴州省氣象干旱的時(shí)空變化進(jìn)行研究，干旱強(qiáng)度和干旱頻率是描述干旱的兩個(gè)重要特征變量，在研究干旱強(qiáng)度和干旱頻率的時(shí)空變化特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)貴州省1981—2019年的干旱強(qiáng)度整體上的空間變化呈南高北低的分布格局，各季節(jié)干旱發(fā)生在空間上有所不同，以輕旱和中旱為主；從覆蓋面積來(lái)看，秋、冬季節(jié)的中旱強(qiáng)度覆蓋范圍比春、夏季節(jié)的覆蓋范圍大，其中春旱西部和南部部分地區(qū)以中旱為主，MI指數(shù)在-0.65以上，其他區(qū)域以輕旱為主；夏旱中東部地區(qū)以中旱為主，較其他地區(qū)而言，干旱強(qiáng)度較強(qiáng)；秋旱除了東北部和北部小部分地區(qū)以輕旱為主，其他地區(qū)均以中旱為主；中北部地區(qū)的冬旱以輕旱為主，其余地區(qū)以中旱為主。在這39年間，干旱強(qiáng)度是呈減弱—增強(qiáng)的趨勢(shì)，但整體上呈減弱的趨勢(shì)。貴州省春、夏、秋、冬MI指數(shù)(0.42/10 a，0.07/10 a，0.06/10 a，0.03/10 a)呈上升趨勢(shì)，其中氣象干旱以春季升幅最大、冬季升幅最小，即冬旱強(qiáng)度最大、秋旱和夏旱次之、春旱較弱，在39年間，2009年、2011年、2013年氣象干旱表現(xiàn)得較為嚴(yán)重。這是因?yàn)?000年以后貴州省降水減少，高溫天氣較多，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且烈度大，導(dǎo)致氣象干旱發(fā)生。貴州省屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，受熱帶海洋氣團(tuán)和大陸氣團(tuán)的交替控制，同時(shí)青藏高原積雪異常對(duì)貴州春旱和夏旱有一定影響[22]，春夏季降水多，降雨強(qiáng)度大，秋冬季溫和少雨，降雨量和降水強(qiáng)度較小。這與李月[12]和慎東方[21]等利用SPEI指數(shù)分析了貴州省干旱呈明顯的區(qū)域性與季節(jié)性，貴州省干旱歷時(shí)和干旱烈度在2000年后呈增強(qiáng)趨勢(shì)的研究結(jié)果基本一致。SPEI指數(shù)和MI指數(shù)都是同時(shí)考慮了降水和蒸散等因素，區(qū)別在于SPEI指數(shù)適用于長(zhǎng)時(shí)間序列的干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估，MI指數(shù)適用于短時(shí)間尺度的干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估。經(jīng)過(guò)本文研究發(fā)現(xiàn)，MI指數(shù)對(duì)研究貴州干旱有較好的適用性。

干旱頻率呈自西向東逐漸降低的分布格局。貴州省春旱頻率(-0.8/10 a)呈下降趨勢(shì)，夏、秋、冬旱頻率(0.64/10 a，1.65/10 a，2.74/10 a)均呈上升趨勢(shì)，且冬季升幅最大，秋季次之。干旱頻率發(fā)生的高低與地形因子呈顯著相關(guān)，坡度、地形起伏度、坡面曲率越大，則發(fā)生干旱的頻率越大，而貴州省地勢(shì)西高東低，坡度大，地表破碎，土層瘠薄，涵養(yǎng)水源能力弱，透水強(qiáng)排水快，季節(jié)性降雨分布不均，秋冬季節(jié)降水少，極易發(fā)生干旱[14]。

在干旱聯(lián)合特征中，4個(gè)季節(jié)的聯(lián)合特征值呈明顯的相似性，夏、秋季節(jié)的干旱聯(lián)合度低于冬、春季節(jié)的干旱聯(lián)合度。即冬、春季節(jié)同時(shí)發(fā)生較高強(qiáng)度和較高頻率的氣象干旱的概率大于夏、秋季節(jié)。在干旱頻率的條件概率上，4個(gè)季節(jié)干旱頻率發(fā)生的條件概率趨于一致，可見(jiàn)各個(gè)季節(jié)發(fā)生的干旱強(qiáng)度對(duì)各季節(jié)干旱頻率發(fā)生概率的影響并不大，干旱特征聯(lián)合分布的總體情況與條件概率特征分布的總體情況的排序結(jié)果相反。

本文僅從氣候的角度分析了貴州省季節(jié)性氣象干旱時(shí)空分布特征，而對(duì)于氣象干旱的研究不僅要考慮氣候的變化，還要兼顧地形地貌、人類活動(dòng)、土壤植被、大氣環(huán)流以及北太平洋海溫等多因素的影響，影響貴州干旱的因素較多，形成機(jī)理較為復(fù)雜，因此，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，針對(duì)干旱的監(jiān)測(cè)、評(píng)估與區(qū)劃研究還有待進(jìn)一步深入[22]。

5 結(jié) 論

(1) 貴州省1981—2019年相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)呈增大—減小的趨勢(shì)，干旱呈減弱—增強(qiáng)的趨勢(shì)，整體上呈減弱的趨勢(shì)。貴州各季節(jié)干旱強(qiáng)度整體上均呈下降趨勢(shì)，但春季在2002年后干旱呈增強(qiáng)趨勢(shì)，在2011年干旱達(dá)到最強(qiáng)；夏季在1999年之后干旱呈增強(qiáng)趨勢(shì)，在2011年和2013年干旱達(dá)到最強(qiáng)；秋季在2009年干旱達(dá)到最強(qiáng)；冬季在2003年后干旱呈增強(qiáng)趨勢(shì)，且在2009年干旱達(dá)到最強(qiáng)。冬旱強(qiáng)度最強(qiáng)，秋旱次之，春旱和夏旱稍弱。空間上整體上呈南高北低的分布格局，春季西部與南部高，且呈零星狀分布，東部和北部低的分布格局；夏季呈東高西低的分布格局；秋季呈東北低，其余地方高的分布格局；冬季呈中部、北部地區(qū)低，西部、東南部高的分布格局。

(2) 貴州省整體上干旱頻率呈上升趨勢(shì)，各季節(jié)上，春季干旱頻率呈下降趨勢(shì)，夏、秋、冬季均呈上升趨勢(shì)。春旱和夏旱在2011年干旱頻率達(dá)到最高；秋季在2007年達(dá)到最高；冬季在2009年干旱頻率達(dá)到最高。冬季干旱頻率最高，干旱頻率最高的地區(qū)在威寧，其次在畢節(jié)、盤縣、望謨、羅甸等西部、西南等地區(qū)，再次是在貴陽(yáng)、安順、獨(dú)山、湄潭等中部地區(qū)；春旱頻率次之，干旱頻率最高的地區(qū)在桐梓、威寧、盤縣、望謨、羅甸等西部地區(qū)；夏旱頻次與秋旱頻次空間分布較為一致，秋旱頻次較高的地區(qū)分布在榕江、羅甸等南部地區(qū)；夏旱頻次最低。

(3) 在干旱聯(lián)合特征中，4個(gè)季節(jié)的聯(lián)合特征值呈春季>冬季>秋季>夏季的規(guī)律，在各季節(jié)干旱頻率的條件概率中，條件概率特征值呈夏季>秋季>冬季>春季的規(guī)律。兩者的排序恰好相反。