典型喀斯特聚集區不同地貌類型干旱時空特征

吳小飄, 周忠發, 朱 孟, 黃登紅, 彭睿文

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院/喀斯特研究院, 貴陽 550001; 2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地,貴陽 550001; 3.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴陽 550001)

干旱作為一種反復出現的極端氣候事件，被認為是對農業影響最嚴重的氣象災害之一[1]，劇烈的氣候變化和人類對自然的破壞導致我國大部分地區極端干旱事件頻發，如2009—2010年西南地區出現極端嚴重干旱和2011年黃河中下游春夏干旱[2]對社會經濟發展和生態環境造成了毀滅性的影響。

貴州作為典型的喀斯特地區，巖溶地貌廣泛發育，區域性和季節性干旱高發[3]。已有研究表明，貴州干旱與復雜的地形地貌顯著相關[4]；同時，東太平洋的拉尼娜現象、北太平洋以及北大西洋地區的海溫異常分布也是引發貴州干旱事件頻發的重要原因[5]。張金鳳等[6]基于CI指數對貴州干旱時空規律展開研究，反映出年、季尺度干旱發生頻率和周期，龍俐等[7]利用累積頻率，表明訂正后的閾值可以較好的反映貴州省的干旱特征，錢莉莉等[8]基于降水Z指數，對貴州省農業干旱發生程度進行識別。陳學凱等[9]利用SPEI干旱指數，從干旱影響范圍、干旱周期性等方面系統地分析貴州干旱時空變化規律，熊紅福等[10]基于2010年貴州省植被因干旱受損的調查資料探究了極端干旱對貴州省植物的影響，文獻[11-13]從貴州不同地貌分區的角度對降水的時空特征進行了探究。

目前，很少有學者從貴州地貌分區的角度對貴州干旱的時空分布特征進行探究。因此，本文基于貴州省不同地貌分區，利用19個氣象站1951—2020年的氣象數據，以SPI指數作為干旱評價指標，通過小波分析、M-K突變檢驗等方法探究干旱的時空分布特征、干旱與地貌分區的耦合規律，以期為同類型干旱防災減災提供一定的參考依據。

1 研究區概況

貴州省位于我國西南部的云貴高原，位于103°36′00″—109°35′00″E，24°37′00″—29°13′00″N，是世界上最大的喀斯特地貌集中分布區，全省面積1.761×105km2，喀斯特地貌面積占73.8%[14]。地勢西高東低，地貌分區顯著，地形地勢復雜。氣候類型主要為亞熱帶季風氣候，降雨主要集中于夏季。地形地勢和大氣環流的共同作用孕育了復雜多樣區域性小氣候，同時，也導致氣候異常、極端天氣增多，干旱、冰雹等災害頻發，影響農業安全。全省行政劃分、地貌分區、高程及氣象站點分布見圖1。

圖1 研究區概況

2 數據與研究方法

2.1 數據來源與預處理

本文共用到貴州省域19個氣象臺站(表1)的氣象數據，獲取于中國氣象科學數據服務網(https:∥data.cma.cn/)，時間尺度為1951—2020年。地貌類型分區數據參考Tong等[15]劃分獲取，DEM數據來源于地理空間數據云平臺( http: ∥www.gscloud.cn)，分辨率為30 m。

所選站點均經過嚴格的質量檢查和控制，包括氣候極值范圍檢查、內部一致性檢查和時間一致性檢查，并篩選數據中的異常值和錯誤值，個別站點缺失數據采用鄰近站點插值方法進行插補，數據可靠性和連續性均能滿足研究的需求。

表1 各氣象站點基本信息

2.2 研究方法

(1) 標準化降水指數。標準化降水指數Standardized Precipitation Index(SPI)最早由MCKEE等[16]提出,能夠一定程度上反映某一時期降水概率，且對干旱較為敏感、計算簡單、信息容易獲取[1]，適用于計算較長時間序列的降雨數據不同時間尺度的干旱指數。具體計算過程詳見相關文獻[17-21]。SPI等級劃分見表2。

(2) 突變檢驗。檢測氣候突變方法眾多[22]，但各有局限，為了減小單一方法檢驗的結果誤差，提高研究結果的可信度和確定性，本文采用曼—肯德爾(Mann-Kendall)突變檢驗法(M-K法)、滑動T檢驗、滑動F檢驗、累積距平法、滑動秩檢驗法和有序聚類法6種方法[23]聯合對貴州不同地貌類型1951—2020年年均干旱SPI12序列的突變特性進行分析，從而獲得貴州不同地貌類型的干旱突變特征。

表2 標準化降水指數(SPI)干旱等級劃分

3 結果與分析

3.1 全域降水量、氣溫變化趨勢

全域降水量、氣溫變化是導致干旱的兩大主要因素，本文分別對貴州省70 a降水和氣溫以5 a為周期滑動平均求其變化趨勢(圖2)。貴州省逐年平均降水、5 a滑動平均降水及變化趨勢圖顯示，1951—2020年貴州的降水量整體呈緩慢下降的趨勢，2020年出現降水最高值(1 369.73 mm)，2011年出現降水最低值(838.02 m)，1991—2004年降水的下降趨勢較明顯，且呈現出一定的周期性特征，2004—2020年降水滑動平均開始呈現出緩慢增加的趨勢。貴州近70 a平均氣溫總體呈上升趨勢，年際之間存在著一定的波動，1951—1989年貴州氣溫整體較低，其中，1975年和1984年的平均溫度異常偏低，1990—2020年溫度整體呈現上升趨勢，其中，1998年、2009年以及2015—2020年溫度異常偏高。

圖2 貴州省近70 a降水量和溫度變化趨勢

3.2 降水、氣溫距平分析

通過各年份降水量、溫度減去降水、溫度多年平均值獲得降水量、氣溫距平值(圖3)。貴州近70年降水量多年平均值為1 145.05 mm，1954年降水量最大(1 431.78 mm)，2011年降水量最小(838.02 mm)，降水量呈升降交替波動趨勢，降水量變化呈一定的周期性變化。貴州近70年氣溫多年平均值為15.56℃，氣溫最高值出現在2013年(16.35℃)、最低值出現在1984年(14.69℃)，1951—1984年氣溫距平曲線呈現出逐步下降，1985—2020年氣溫距平曲線呈現出逐漸上升的趨勢，1984年年均氣溫最低(14.69℃)，2020年年均氣溫最高(16.45℃)。

圖3 貴州省年均降水、氣溫距平變化趨勢

3.3 不同地貌分區干旱時序特征

3.3.1 SPI年際的時域演變特征 選取12個月時間尺度的SPI分析各地貌區的年際尺度干旱演變特征，統計各分區逐年平均SPI值(圖4) 。貴州各地貌分區年際SPI值都呈現出不同幅度的波動變化，其中非喀斯特和峰叢洼地地區SPI曲線斜率為正，兩個分區的旱情呈現緩和趨勢，二者上升速率表現為：非喀斯特(0.02/10 a)>峰叢洼地(0.01/10 a)。巖溶槽谷、巖溶峽谷、巖溶高原和巖溶斷陷盆地的SPI斜率為負，值為減量，4個地貌分區在近70 a的旱情整體呈加劇趨勢，各地貌分區SPI速率絕對值關系為：巖溶斷陷盆地(-0.09/10 a)>巖溶峽谷(-0.07/10 a)>巖溶高原(-0.03/10 a)>巖溶槽谷(-0.02/10 a)，巖溶斷陷盆地旱情加劇趨勢最明顯。各地貌分區在近70 a出現干旱的次數依次為：巖溶槽谷>巖溶斷陷盆地>巖溶峽谷>巖溶高原>峰叢洼地>非喀斯特，SPI最小值分別出現在2006年(SPI=-1.16)，2012年(SPI=-1.96)，1990年(SPI=-1.42)，2010年(SPI=-1.51)，2013年(SPI=-1.35)，1969年(SPI=-1.58)。

6個地貌分區出現干旱的年份進行統計結果顯示，巖溶槽谷、巖溶斷陷盆地、巖溶峽谷、巖溶高原、峰叢洼地和非喀斯特干旱頻率分別為：24.29%，22.86%，20.00%，18.57%，17.14%，12.86%。各分區干旱年份大部分集中在20世紀50，60年代以及1986—1991年、2003—2008年和2010—2016年3個時間段，2010—2013年，除非喀斯特地區外，其他5個分區均發生了干旱。

3.3.2 SPI季節干旱時域演變特征 不同地貌分區的季節干旱時間變化趨勢見圖5。春季除巖溶高原和巖溶斷陷盆地外其余地貌區SPI曲線斜率均為負，表明干旱呈加劇趨勢；巖溶高原和巖溶斷陷盆地SPI曲線斜率均為正，且巖溶高原(0.002 1/a)>巖溶斷陷盆地(0.001 4/a)，表明巖溶高原在春季的旱情加劇趨勢最弱，在1991年出現了歷史上少有的春旱，這與肖進原[24]在貴州喀斯特高原自然災害一文中的研究結果相一致。夏秋季節，各地貌分區的SPI曲線值均為負，旱情均呈加劇趨勢，其中，旱情加劇趨勢最劇烈為巖溶斷陷盆地夏季和巖溶槽谷秋季，夏秋季節非喀斯特地區加劇趨勢強度均最小。冬季，各個地貌分區旱情均得到緩解，其中，巖溶斷陷盆地最為明顯，峰叢洼地次之，巖溶高原程度最低，表現為：巖溶斷陷盆地(0.057/10 a)>峰叢洼地(0.035/10 a)>非喀斯特(0.027/10 a)>巖溶槽谷(0.021/10 a)>巖溶峽谷(0.013/10 a)>巖溶高原(0.012/10 a)。其中，巖溶斷陷盆地在1972年、2015年發生了重旱事件(SPI=-1.6)和特旱事件(SPI=-2.2)。

綜上，在春秋季節，巖溶槽谷干旱加劇程度最為明顯，夏冬季節，巖溶斷陷盆地旱情加劇最明顯，非喀斯特地區的夏季和秋季旱情加劇趨勢均最弱，據資料記載，1972年貴州發生百年罕見特大夏旱，范圍波及六大地貌區，全省92.8%以上縣市干旱日數在50 d以上[25]。

3.4 不同地貌分區干旱空間特征

3.4.1 年尺度干旱空間特征 各站點年尺度干旱頻次空間分布見圖6，貴州干旱頻次總體上表現為東部、西南部和中部地區較高。六大地貌分區的輕旱頻次均較高。中旱頻次較高的地區分布在巖溶槽谷的西部、巖溶高原的西北部和中部地區、非喀斯特地貌的西南部、峰叢洼地的中部地區、巖溶峽谷的西北部和巖溶斷陷盆地的西部地區。重旱涉及地區較廣，頻次較低，巖溶槽谷地區的習水、桐梓、思南、銅仁和凱里，非喀斯特地區的三穗和榕江，峰叢洼地的獨山、羅甸、望謨，巖溶高原的畢節、黔西、安順、貴陽，巖溶峽谷的威寧和興仁以及巖溶斷陷盆地的盤縣均出現過重旱，其中，盤縣和興仁地區重旱的發生頻次相較于其他站點較高。特旱的發生頻次最低，僅存在于在三穗、黔西和羅甸地區。

圖4 不同地貌分區年SPI指數隨時間的變化

3.4.2 季尺度干旱空間分布 季節尺度的干旱空間分布結果顯示(圖7)，春旱頻次較高的區域包括榕江、羅甸、銅仁、畢節和貴陽等，其中銅仁市的干旱頻次最高，主要原因可能是銅仁地區巖溶廣泛發育，土層薄，涵養水源能力較差。從干旱等級分析，除榕江、羅甸、望謨、桐梓、貴陽、遵義和威寧外，其他站點均出現過重旱，其中，安順和獨山的重旱頻次較高。除威寧外其余18個站點都曾有中旱事件發生，其中，盤縣、羅甸和榕江屬中旱頻次高發區。輕旱所有站點均有發生，其中，貴陽地區發生頻次最高，其次是銅仁、榕江和畢節地區。

夏季貴州干旱頻次普遍偏高。其中，發生頻次較高區域包括三穗、羅甸、獨山、湄潭、思南、銅仁、盤縣、貴陽一帶，可能是因為該地區夏季水熱分布不均，地形以山地為主，耕地大都高而陡，灌溉難度大，水土流失，極易造成干旱。從干旱等級分析，輕旱頻次高發區集中在貴州省的西部、中東部、東南部和東北部，獨山、銅仁、安順是重旱易發區，主要是因為該地區雨季較早過境，盛夏高溫少雨則易形成夏旱，且旱情往往比較嚴重。

秋旱頻次較高的地區集中在榕江、思南、羅甸、銅仁和安順地區。從干旱等級分析，除湄潭、遵義和習水外，研究區各氣象站點發生輕旱的頻次普遍較高，中旱主要發生在貴州省的東北部，秋季無重旱和特旱事件。

冬旱頻次較高的地區分布在桐梓、黔西、畢節、榕江和獨山地區。輕旱在各氣象站點發生的頻次普遍較高，可能與冬季氣候干燥少雨有關，中旱的頻次則普遍偏低，重旱僅在盤縣、安順、興仁和羅甸地區出現。

綜上，研究區干旱頻次在不同季節的空間分布差異較大，主要是由于降水量時空分布差異所致[25]。6個地貌分區中發生輕旱的頻次普遍偏高，這可能與貴州本身地形復雜、氣候多樣、生態脆弱、水土易流失等因素有關。從季節尺度來看，夏季干旱頻次最高且特旱、重旱集中，其后依次是春季>秋季>冬季。

3.5 SPI指數在貴州不同地貌類型的適用性分析

SPI的適用性分析在全國多個地區均有涉及[26-29]，為探究SPI指數在貴州不同地貌類型的適用性，本文使用1951—2020年來貴州典型干旱事件與同期SPI進行驗證(表3) ，計算得到的同期SPI所表征的干旱事件與實際發生的干旱事件具有較高吻合度，表明 SPI指數在貴州各地貌類型的干旱監測與分析中具有較好的適用性。

3.7 不同地貌類型干旱突變特征分析

對貴州六大地貌分區SPI12值進行M-K突變檢驗(圖8)，巖溶槽谷(圖9A)、巖溶高原(圖9C)、非喀斯特(圖9E)和峰叢洼地(圖9F)的UF曲線都在 95%置信范圍內圍繞“0”刻度上下波動，UF(k)曲線值均未超過0.05顯著水平線，無明顯的波動。各地貌類型的SPI12的UF和 UB曲線在顯著水平線之間均有多個突變點。巖溶槽谷SPI12值突變檢驗的統計量曲線在置信區間內有7個交點，分別在1958年、1964年、1968年、1985年、1994年、2000年和2019年。

圖5 各地貌分區四季SPI指數隨時間的變化

圖6 不同地貌分區各站點年尺度干旱頻次空間分布

巖溶峽谷的SPI12值在1987年前后存在顯著跳躍，其UF(k)曲線值在1971—1975年以及1984年均超過0.05顯著水平線，且UF(k)曲線值為正，表明在此期間巖溶峽谷SPI均值總體呈上升趨勢，干旱有顯著減弱趨勢。巖溶高原的UF和UB曲線在1955年出現一個交點以及1982年前后出現兩個交點。巖溶斷陷盆地在1965—2009年UF(k)曲線值大于“0”刻度，SPI均值呈現增大—減小—增大—減小的趨勢，且在1986年前后UF曲線超過0.05顯著水平線，干旱有顯著減弱趨勢。非喀斯特地區在置信區間內UF和UB曲線出現多個交點，但UF曲線統計值沒有超過置信度水平零界線，變化趨勢不明顯。峰叢洼地的UF和UB曲線在1952年和1995年的附近都出現兩個交點，且分別1966年、1986年和2019年各相交一次。但由于峰叢洼地的UF曲線都在臨界線(U=0.05)范圍內，SPI12沒有嚴格意義上的突變點。

圖7 不同地貌分區站點季尺度干旱頻次空間分布

利用均值突變來反映氣候基本狀況的變化，利用滑動T-檢驗法對貴州不同地貌類型的SPI12時間序列進行突變分析，繪制曲線圖(圖9)，并對M-K突變檢驗的突變點進行可信度檢驗。在20世紀80年代中期前，巖溶槽谷的SPI12值呈波動上升的趨勢，隨后出現兩次下降—上升的交替，在 1985年，滑動T檢驗統計值達到最大值，說明此處可能發生了突變，對比之前的M-K突變分析結果，巖溶槽谷SPI12值在1985年發生了1次突變。在20世紀80年代中期前，巖溶峽谷的SPI12值呈波動上升的狀態，隨后呈下降狀態，且在1987年統計值達到最大值，對比圖8B的分析結果，巖溶峽谷的SPI12值在1987年前后存在顯著跳躍，巖溶峽谷SPI12值在1987年發生了1次突變。巖溶高原、巖溶斷陷盆地、非喀斯特和峰叢洼地的滑動T檢驗統計值曲線的最高點依次出現在2002年、2001年、1981年和2019年，其中，峰叢洼地在2019年發生了1次突變，突變年份與M-K檢驗的結果相一致。

表3 貴州典型干旱事件與同期 SPI驗證比較

圖8 不同地貌類型M-K突變檢驗曲線

圖9 滑動T檢驗統計量曲線

采用滑動F檢驗方法對不同地貌類型的SPI12值序列進行識別檢驗，當統計值達到最大值的時候，則認為該處存在突變點。累積距平法(圖11)得出結果與滑動秩和檢驗法結果(圖13)具有較高的吻合度，但有序聚類法統計的結果(圖12)與其他幾種結果的檢驗結果一致性較差。

圖10 滑動F檢驗統計量

4 討論與結論

4.1 討 論

通過分析以貴州為典型喀斯特聚集區的70 a時間尺度氣象資料，從時空兩個維度研究了不同喀斯特地貌背景下的干旱發生頻率和程度特征。由研究結果顯示，降水量的減少和氣溫的持續升高是導致干旱發生的重要因素之一。貴州近70年降水量總體呈下降趨勢，其中2011年出現降水量最低值，2009—2013年貴州在南支槽強度偏弱、孟加拉灣水汽輸送偏少以及弱極渦背景下，AO負異常冷空氣路徑偏東，降水量驟減[30]，導致期間除部分非喀斯特地區外，其余地貌分區均發生不同程度的干旱。

貴州1951—2020年氣溫總體呈上升趨勢，其中1998年、2009年以及2015—2020年溫度異常偏高。值得注意的是由于2009年降水量偏低，氣溫偏高，導致該次干旱持續時間最長[5]。在全球氣候日益復雜化，極端天氣頻發的大背景下，通過長時序干旱特征分析表明喀斯特地區干旱發生頻率和程度上均有增強趨勢。

圖11 累計距平檢驗統計量

圖12 滑動秩和檢驗統計

圖13 有序聚類統計

干旱發生頻率和程度在不同地貌背景下存在顯著的時空差異。從時間尺度上看，貴州夏季干旱頻次最高且特旱、重旱集中，其后依次是春季>秋季>冬季，這與王飛等[31]貴州危害最大的是夏旱，春旱和秋旱次之的研究結果一致，但與毛春艷等[4]研究結果存在一定的差異，這與本研究加入了氣溫這一影響因子相關。夏季雖然多雨，但氣溫高，蒸發量大，導致干旱發生頻率隨之提高。從空間尺度上看，貴州干旱頻次總體上表現為東部、西南部和中部地區較高，各地貌分區近70年出現干旱的次數依次為：巖溶槽谷>巖溶斷陷盆地>巖溶峽谷>巖溶高原>峰叢洼地>非喀斯特。貴州近70年旱情趨勢顯示，非喀斯特和峰叢洼地地區旱情呈逐漸減緩趨勢，這與該地區多年來采取眾多生態恢復措施，植被覆蓋得到恢復等因素有關[32]；其余4個地貌分區旱情均呈現不同程度的加劇趨勢，與李月等[33]研究結果具有較高的一致性，其中，巖溶斷陷盆地旱情加劇趨勢最為明顯，由于該地區碳酸鹽巖層厚度大，分布連續，具有極強的可溶性和透水性，加之廣泛縱深分布的地下水網系統，大氣降水大量下滲[34]，降水量銳減等[13]多重因素共同作用所致。綜合本研究結果，貴州干旱主要受降水時空分布不均、地形地貌、極端高溫等自然因素限制，治理難度較大，未來應從提升干旱承載力角度出發，建立健全水利設施、完善灌溉系統、種植耐旱作物等方面加強自身防災減災能力。

該研究主要是從降水量與氣溫的角度結合SPI指數分析貴州不同地貌分區干旱的時空特征，對農作物種植結構、植被狀況、灌溉條件和人類活動干預下影響下，干旱事件發生的頻率和程度未開展相關工作。下一步研究將會構建完善的干旱影響指標并進行深入探討，建立響應喀斯特山區農業安全、糧食安全的干旱預測機制與應急措施。

4.2 結 論

(1) 貴州各地貌分區在年際尺度出現干旱的頻次表現為：巖溶槽谷>巖溶斷陷盆地>巖溶峽谷>巖溶高原>峰叢洼地>非喀斯特，非喀斯特和峰叢洼地地區旱情趨勢相對穩定，巖溶槽谷、巖溶峽谷、巖溶高原和巖溶斷陷盆地的旱情有加劇的趨勢。

(2) 貴州旱情呈季節性變化。春季除巖溶高原和巖溶斷陷盆地外，其余地貌分區的旱情都有加劇趨勢，夏秋季節六大分區的干旱指數均減小，表現為干旱化趨勢，而冬季則均呈加劇趨勢。

(3) 貴州干旱頻次呈東高西低，旱情呈東輕西重空間分布特征。具體表現為：巖溶峽谷和巖溶盆地地區干旱頻次低，旱情以特旱、重旱為主；巖溶高原地區干旱頻次較低，以中旱為主；巖溶槽谷、峰叢洼地和非喀斯特地區，干旱頻次高，主要以輕旱為主。