貴州省近55年降水量時空變化分析

余祝媛 賀中華 梁虹

摘要：貴州省由于其獨特的山地地形，降水量是該區(qū)域地表水和地下水重要的補給來源。研究該區(qū)域降水量變化特征有利于合理地規(guī)劃水資源。應用反距離插值法、非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗等方法對貴州省多年降水量進行分析。結(jié)果表明：（1）全省降水量空間分配上極度不均，分布特征為西南多東北少，南多北少，西北部最少;（2）從年際上看，全省1961—2015年降水量在時間上有很大的變化，所有站點年均降水量大致在800～1 500 mm，從代際上看，全省降水量呈先增加后減少，再增加后減少，最后微微增加的趨勢，但整體上2001年及以后降水量明顯低于1961—1970年;（3）全省降水量空間變化上，多雨區(qū)面積變化趨勢是先擴大后減小，再擴大再減小，最后中南部都勻-丹寨一帶有輕微擴大，而少雨區(qū)變化趨勢大致與之相反;（4）通過非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗，貴州省所有站點降水量數(shù)據(jù)增加或減少趨勢沒有通過α=0.05顯著性檢驗，說明降水量的變化趨勢并不明顯。通過分析可知，2001年以來相對于多年平均降水量而言，貴州省降水量有異常偏低的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：貴州省;降水量;時空變化;非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗

降水是影響自然環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一，降水是貴州省水資源的重要來源，是貴州省人民生活和經(jīng)濟發(fā)展的命脈。近年來全球氣候發(fā)生變化，貴州省降水也發(fā)生了不同程度的變化。降水量特征的研究對進行合理的水資源規(guī)劃具有重要意義。目前相關(guān)學者針對貴州省氣候開展了不少研究，羅寧等對貴州省1957—2004年逐日降雨量數(shù)據(jù)做了分析并討論人工降雨問題[1]。徐建新等選取41個雨量站（其中22個在省外）逐月降水量數(shù)據(jù)分析貴州省降水量時空分布規(guī)律[2]。陳學凱等則研究了貴州省極端降水特征[3]。張勇榮等在分析降水變化特征的同時發(fā)現(xiàn)貴州省夏季降水異常存在2.8年的顯著周期[4]。此外，金建德等認為，太平洋西北部的海水溫度對貴州省夏季的降水有一定的影響，預報因子具有實際預報意義的最佳時段是上一年的8—11月[5]。近年來，貴州省干旱現(xiàn)象越來越嚴重，張金鳳等發(fā)現(xiàn)，貴州省近50年來干旱發(fā)生頻率越來越高，其中2010年干旱頻率高達84.2%[6]。因此，研究貴州省降水量變化趨勢具有非常重要的意義。

目前，研究大多基于逐日的或逐月降水數(shù)據(jù)，或者選取的站點較少[7]，再或者單獨選取某個季節(jié)[8-9]，很少有選取年降水量數(shù)據(jù)來進行研究。本研究采用空間插值、非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗、滑動平均法、累計距平法等方法對貴州省年降水量數(shù)據(jù)進行分析，為長時間的降水變化預測和研究提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省地處云貴高原，位于103°36′～109°35′E，24°37′～29°13′N，全省總面積17.62萬km2。貴州地勢西高東低、南高北低，西南向東北傾斜，全省最高點為畢節(jié)赫章韭菜坪，海拔為2 900.6 m，最低點黔東南州的黎平縣地坪鄉(xiāng)水口河出省界處，海拔為147.8 m，海拔高差達2 700 m，全省平均海拔1 100 m，大部分地區(qū)海拔在800～1 200 m之間;全省地貌復雜，其中92.5%為山地和丘陵（圖1）。貴州省屬亞熱帶濕潤季風氣候，全省大部分地區(qū)氣候溫和，年均氣溫15 ℃左右;常年降水量充沛，年均降水量800～1 600 mm之間，但時空分布極度不均，其中以威寧、赫章為主的貴州西部年降水量多年平均值低于1 000 mm，而六枝-關(guān)嶺-晴隆-普安的多年平均降水量高于1 300 mm。境內(nèi)水系發(fā)達，以烏蒙山-苗嶺為分水嶺，北部為長江流域，南部為珠江流域。貴州省高程和研究區(qū)雨量站分布見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

降水量資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。選取貴州省82個縣級雨量站點1961—2015年總共55年間的年降水量數(shù)據(jù)，其中貴陽代表貴陽市區(qū)和除花溪區(qū)以外的郊區(qū)，遵義代表遵義兩城區(qū)。除修文縣數(shù)據(jù)缺失外，其他區(qū)縣資料比較齊全，由于修文與鄰近縣海拔相差不大，地理位置較近，采用平均值法對修文周邊幾個縣的降水量數(shù)據(jù)進行處理，得到修文縣年降水量。各站點降水量統(tǒng)計見表1，各站點極值比最大為3.9，最小為1.7; 變異系數(shù)CV最大為0.20，最小為0.11， 說明全

省降水量在1961—2015年間變化差異不大。

1.3 研究方法

1.3.1 反距離加權(quán)法（inverse distance weighted，簡稱IDW） 反距離加權(quán)法是一種簡便易操作的空間插值方法，是基于地理第一定律的基本假設(shè)：即2個物體相似性隨他們距離的增大而減少。它以插值點和樣本點間的距離為權(quán)重而進行加權(quán)平均，離插值點越近，樣本賦予的權(quán)重越大。本研究以貴州省82個縣的雨量站點代表全縣降水量作為樣本數(shù)據(jù)進行空間插值，在ArcGIS平臺下分析貴州省的降水變化。

首先分析貴州省近55年的年降水量的空間分布規(guī)律，再從年際和代際的角度，采用距平和基于ArcGIS的反距離插值法研究貴州省年降水量時間和空間上的變化規(guī)律，最后運用非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗確定降水量時間序列的變異點。

2 降水量時空分析

2.1 降水量空間分布特征

貴州省1961—2015年多年降水量平均值為 1 200 mm/年，全省所有地區(qū)屬于濕潤區(qū)。貴州地處云貴高原，且東南亞和南亞2種季風共同作用，西部地區(qū)由于海拔較高，濕空氣爬升困難，導致黔西南州大部分地區(qū)降水量充沛，多年平均降水量高達1 300 mm/年，黔南州和黔東南州大部分地區(qū)由于海拔較低，受東南亞季風的影響，降水量比較豐富，貴州省北部遵義市部分地區(qū)雖然海拔比中部和西南部低，但由于其深入腹地，東南亞季風有所減弱，因此降水量比較低（表1）。全省可劃分為3個多雨區(qū)和2個少雨區(qū)，3個多雨區(qū)分別為六枝-關(guān)嶺-晴隆-普安、都勻-丹寨和江口-松桃，多雨區(qū)平均降水量為1 407 mm/年， 2個少雨區(qū)分別為威寧-赫章-七星關(guān)和黔西，少雨區(qū)平均降水量為899 mm/年。以水城-納雍-織金-平壩-惠水-貴定-凱里-三穗為線，全省南部平均降水量高于1 200 mm/年，而北部大部分地區(qū)則低于1 200 mm/年，尤其是赫章等極少數(shù)地區(qū)降水量低于 900 mm/年（圖2）。

2.2 降水量時間變化趨勢分析

2.2.1 降水量年際變化規(guī)律 貴州省1961—2015年平均降水量及其滑動平均降水量時間序列見圖3-a，全省近55年來降水量隨時間的變化而不斷波動。3年滑動平均降水量最多的是1966—1968年，降水量為1 319.6 mm/年;最少的是2009—2011年，降水量為1 001.4 mm/年，二者相差 318.2 mm。5年滑動平均降水量最多的是1976—1980年，降水量為1 302.4 mm/年，最少的是2009—2013年，降水量為 1 037.7 mm/年，二者相差264.7 mm。對于10年滑動平均值而言，相比較于3年滑動平均和5年滑動平均，其趨勢變化更趨于平緩，10年滑動平均降水量最多的是1993—2002年，降水量為1 262.2 mm/年;最少的是2004—2013年，降水量為 1 097.9 mm/年;二者相差164.3 mm。對于各年平均降水量，除了1967年為1 416.8 mm和1977年為1 418.1 mm極大值，2011年為857.4 mm極小值以外，其余所有年份年平均降水量在950～1 400 mm之間波動，參考多年平均降水量，1984—1990年長達7年時間全省年平均降水量低于多年平均值1 200 mm，連續(xù)2年間降水量上升差距最大的是1966年為976.8 mm，1967年為1 416.8 mm，差值440 mm，下降差距最大的是2008年為1 308.9，2009年為999 mm，差值 309.9 mm。

貴州省1961—2015年平均降水量累計距平曲線見圖 3-b。降水量偏多和偏少年份呈周期變化。1961—1975年降水量圍繞多年平均值有個時間較短的反復波動，1975—1980年降水量總體高于多年平均值，1981年降水量低于多年平均值，1981—1983年有個短暫的回升;從1983年開始到1990年降水量低于多年平均值，其累計距平從1983年的840 mm降至1990年的171.7 mm，減少了近80%;1991年降水量增多，而后1992年降水量低于多年平均降水量，從1992年直到2000年降水量都高于多年平均降水量，2000年之后一直到2013年雖然有短暫的3個年份（2002年、2007年、2008年）降水量高于多年平均降水量，但總體仍然低于多年平均降水量，2013—2015年降水量有所偏高。除了1962年、1966年、2011—2015年之外，全省降水量累計距平都為正值，說明貴州省降水量整體上屬于豐水年。

2.2.2 降水量階段變化規(guī)律 將1961—2015年按每10年劃分1個階段，分別為1961—1970年、1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年，2011—2015年也作為1個階段。貴州省各階段平均降水量及其變異系數(shù)見圖4、圖5。貴州省各階段平均降水量變異系數(shù)均在0.11～0.12 之間（其中2001—2010年變異系數(shù)為0.11，其他階段變異系數(shù)均為0.12），說明各階段內(nèi)的降水量數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定。

從圖4可以看出，各階段的平均年降水量均不同。1961—1970年平均降水量為1 231.3 mm/年，到1971—1980年上升到1 247.7 mm/年;然而到1981—1990年平均降水量下降到1 135.4 mm/年，1991—2000年又驟升到 1 259.1 mm/年;2001—2010年又回落到1 143.3 mm/年，至2011年以后有微小的上升至1 156.4 mm/年）。

圖5是用地圖表示貴州省各階段之間的降水量是不斷變化的，其變化趨勢是1971—1980年年平均降水量相較于1961—1970年增加，1981—1990年年平均降水量下降，到1991—2000年又增加，隨后2001—2010年年平均降水量減少，到2011年后有輕微上升。全省各階段平均降水量主要集中在1 000～1 300 mm/年1961—1970年年降水量 1 000～1 300 mm/年的土地面積為全省的67.2%，1971—1980年為66%，1981—1990年為82.5%，1991—2000年為59.8%，

2001—2010年為85.8%，至2011年以后為77.5%），各階段年平均降水量高于1 300 mm/年的土地面積各有不同，1961—1970年有29.8%的土地面積年平均降水量高于1 300 mm/年，到1971—1980年上升到 31.4%，1981—1990年下降到8.5%，1991—2000年又升高到36.2%，然而2001—2010年又下降到4%，到至2011年以后小幅上升到6.1%。說明年降水量呈先上升（1961—1970年到1971—1980年）、后下降（1971—1980年到1981—1990年）、再上升（1981—1990年到1991—2000年）、又下降（1991—2000年到2001—2010年），之后輕微上升（2001—2010年到2011年以后）的趨勢。

2.3 降水量空間變化趨勢分析

貴州省年降水量在空間分布上極度不均。圖6-a和圖 6-b 分別從10年和5年平均降水量的角度對貴州省年降水量空間分布變化進行分析。貴州省從1961年到2015年每5年的年平均降水量分布見圖6-a，貴州省1961年到2015年10年滑動平均降水量見圖6-b（選取年份末尾數(shù)以5和以0的年份為中心）。

從圖6-a可以看出，貴州省年平均降水量分布在空間上隨著時間的變化也跟著變化，多雨區(qū)（年平均降水量>1 200 mm/年）主要分布在貴州西南、南部和東南部及東部少部分地區(qū)，而少雨區(qū)（年平均降水量<1 100 mm/年）則主要集中在西北和極少數(shù)中部地區(qū);多雨區(qū)的變化開始主要是擴大、向東偏移，緊接著縮小再擴大，到1986—1990年間多雨區(qū)縮小，之后多雨區(qū)又擴大，并向東偏移，到后面又縮小，而少雨區(qū)擴大縮小的變化則和多雨區(qū)相反，多雨區(qū)擴大時，少雨區(qū)在縮小，多雨區(qū)縮小時，少雨區(qū)向東擴大。其中多雨區(qū)1961—1965年貴州省年平均降水量超過1 300 mm/年的地區(qū)主要集中在3個地區(qū)：貴州西南部織金-普定-六枝-晴 隆- 普安-盤縣-興仁-興義、貴州南部都勻-丹寨-麻 江- 雷山和貴州東部碧江-江口-松桃;1966—1970年超過1 300 mm/年的地區(qū)在貴州西南部和南部有所增加，但東北部在減少，年平均降水量低于1 100 mm/年的地區(qū)在中部有擴大;1971—1975年超過1 300 mm/年的面積驟減，低于 1 100 mm/年 的中部地區(qū)面積在縮小，東部地區(qū)則擴大了;至1976—1980年，年平均降水量在全省都在增加，全省有46%土地面積的年平均降水量超過1 300 mm/年，更有個別地區(qū)降水量在 1 800 mm/年以上（晴?。?，而后一直到1986—1990年全省年平均降水量都在減少，尤其是1986—1990年，全省52%的土地面積降水量都在1 100 mm/年以下，而全省降水量高于 1 200 mm/年的土地面積僅占11.8%，甚至沒有任何地區(qū)降水量達到1 400 mm/年;之后全省年平均降水量又在增加，高于1 300 mm/年的多雨區(qū)在擴大，到1996—2000年間，全省年平均降水量高于1 300 mm/年的地區(qū)擴大到貴州省西南部、南部及東部大部分地區(qū)，之后迅速縮小到與1986—1990年間差不多的狀態(tài)（多雨區(qū)銳減，少雨區(qū)擴大范圍，全省年平均降水量普遍降低）;之后的10年，年平均降水量相對2001—2005年平均降水量稍有增加，且東部和南部擴大速率高于西南部，到2011—2015年平均降水量南部（都 勻- 丹寨-雷山）降水量高于1 300 mm/年的地區(qū)比西南部面積大，這打破了全省多年來（1961—2010年）年降水量西南地區(qū)高于其他地區(qū)的規(guī)律。

10年滑動平均降水量分布空間變化見圖6-b：全省多雨區(qū)主要集中在全省的西南部、南部和東北部，多雨區(qū)在空間上的變化是先擴大后縮小、再擴大再縮小、又擴大再縮小，最后小幅擴大的。而少雨區(qū)的變化大致與多雨區(qū)相反。等水量線1 100 mm/年剛開始沿桐梓-遵義縣-金沙-大方-納 雍- 水城方向呈東北-西南走勢分布，隨著多雨區(qū)的增加向西北方向后退，多雨區(qū)減少時，向東南方向推進。

2.4 突變檢驗

對貴州省82個站點降水量數(shù)據(jù)進行非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗，檢驗趨勢變化的顯著性及降水量數(shù)據(jù)序列的突變點。繪制UF和UB曲線時，UF和UB值大于0，則表示對應序列呈上升趨勢，小于0時，對應序列呈下降趨勢，當曲線UF超過顯著性水平α=0.05的信度線時，說明該序列存在顯著性的變化趨勢，UF和UB的交叉點即為突變的近似起點。各地州市政府駐地UF和UB曲線變化見圖7。從圖7看出，這些站點的下降趨勢的起點主要集中在幾個時間段，第1個時間段為1961年（遵義主城、興義市、碧江區(qū)、凱里市），第2個時間段為1972—1973年（西秀區(qū)、碧江區(qū)、水城縣），第3個時間段為1978年（遵義主城），第4個時間段為1984—1988年（貴陽主城、西秀區(qū)、都勻市、凱里市、碧江區(qū)、水城縣、七星關(guān)區(qū)），第5個時間段為2001—2006年（貴陽主城、西秀區(qū)、興義市、都勻市、碧江區(qū)）。各站點的UF和UB曲線相交點各自不同，但基本都在20世紀80年代后，說明各站點的降水量數(shù)值突變的開始主要集中在1984年之后。序列的統(tǒng)計值沒有通過α=0.05顯著性檢驗，因此這些站點的上升和下降趨勢并不顯著，說明這些站點的降水量比較平穩(wěn)，數(shù)值變化差異并不是很明顯。結(jié)果表明，全省所有站點降水量變化趨勢均沒有通過α=0.05顯著性檢驗（U0.05=±1.96），UF和UB曲線統(tǒng)計值最高為0.584[冊亨1967年UF（k）=0.584]，最低為-0.489[鳳岡1994年UB（k）=-0.489]，說明貴州省全省所有站點降水量的增加和減少趨勢都不明顯。

3 結(jié)論

本研究采用插值法和非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗方法分析了貴州省1961—2015年年降水量的空間分布特征和時空變化趨勢，得出如下結(jié)論。

從貴州省多年的年降水量看，全省年均降水量在800～1 500 mm，極少數(shù)年份部分地區(qū)降水量低于600 mm（如安龍1971年降水量409.16 mm），極少數(shù)年份部分地區(qū)高于 1 800 mm（六枝1983年降水量2 342.04 mm），全省多年平均降水量空間分布上極度不均，降水量最少的是省的西部威 寧- 赫章-七星關(guān)一帶，降水量最多的是省的西南部六枝-晴隆-普安-興義一帶，從南北向看，全省降水量南多北少，空間上全省降水量從東南向西北遞減。

1961—2015年貴州全省降水量是不斷變化的。從年際上看，全省平均降水量在年際上在800～1 400 mm上下波動，全省各站點年降水量在800～1 400 mm不斷變化。從階段來看，1961—1970年平均降水量為1 231.3 mm/年，至1971—1980年上升到1 247.7 mm/年;然而到1981—1990年平均降水量下降到1 135.4 mm/年，1991—2000年又驟升到1 259.1 mm/年;2001—2010年又回落到1 143.3 mm/年，2011年后有微小的上升。全省降水量時間上呈先增加后減少，之后增加，隨后減少，最后輕微增加的趨勢;貴州省1961—2015年間降水量在空間上也是不斷變化的。降水量多雨區(qū)呈先擴大并向東移動后縮小，然后向四周擴大又縮少，隨后南部都勻-丹寨、東部天柱、江口等站點多雨區(qū)輕微增加的趨勢，2011—2015年和1961—1970年相比，多雨區(qū)面積明顯少了很多，多雨區(qū)從1961—1970年省西南部的六枝-晴隆-普安一帶變成了2011—2015年的都勻-丹寨一帶，少雨區(qū)變化趨勢大致與多雨區(qū)相反：多雨區(qū)擴大時，少雨區(qū)縮少，多雨區(qū)縮小時， 少雨區(qū)擴大;經(jīng)非參數(shù)Mann-Kendall突變檢

驗，發(fā)現(xiàn)全省各站點降水量的增加或減少變化趨勢沒有通過α=0.05顯著性檢驗，說明降水量的變化趨勢并不明顯，降水量突變的開始主要是在1971—1980年之后，絕大部分站點降水量與1961—1970年相比呈增加的趨勢。

由于降水量數(shù)據(jù)來自貴州省氣象資料，說明該研究的數(shù)據(jù)來源可靠。但有些年代比較久遠，當初人工錄入可能存在一定的失誤，因此研究結(jié)果可能會有一定的誤差。

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