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摘要:贵州省由于其独特的山地地形,降水量是该区域地表水和地下水重要的补给来源。研究该区域降水量变化特征有利于合理地规划水资源。应用反距离插值法、非参数Mann-Kendall突变检验等方法對贵州省多年降水量进行分析。结果表明:(1)全省降水量空间分配上极度不均,分布特征为西南多东北少,南多北少,西北部最少;(2)从年际上看,全省1961—2015年降水量在时间上有很大的变化,所有站点年均降水量大致在800~1 500 mm,从代际上看,全省降水量呈先增加后减少,再增加后减少,最后微微增加的趋势,但整体上2001年及以后降水量明显低于1961—1970年;(3)全省降水量空间变化上,多雨区面积变化趋势是先扩大后减小,再扩大再减小,最后中南部都匀-丹寨一带有轻微扩大,而少雨区变化趋势大致与之相反;(4)通过非参数Mann-Kendall突变检验,贵州省所有站点降水量数据增加或减少趋势没有通过α=0.05显著性检验,说明降水量的变化趋势并不明显。通过分析可知,2001年以来相对于多年平均降水量而言,贵州省降水量有异常偏低的现象。
关键词:贵州省;降水量;时空变化;非参数Mann-Kendall突变检验
降水是影响自然环境和社会经济发展的重要因素之一,降水是贵州省水资源的重要来源,是贵州省人民生活和经济发展的命脉。近年来全球气候发生变化,贵州省降水也发生了不同程度的变化。降水量特征的研究对进行合理的水资源规划具有重要意义。目前相关学者针对贵州省气候开展了不少研究,罗宁等对贵州省1957—2004年逐日降雨量数据做了分析并讨论人工降雨问题[1]。徐建新等选取41个雨量站(其中22个在省外)逐月降水量数据分析贵州省降水量时空分布规律[2]。陈学凯等则研究了贵州省极端降水特征[3]。张勇荣等在分析降水变化特征的同时发现贵州省夏季降水异常存在2.8年的显著周期[4]。此外,金建德等认为,太平洋西北部的海水温度对贵州省夏季的降水有一定的影响,预报因子具有实际预报意义的最佳时段是上一年的8—11月[5]。近年来,贵州省干旱现象越来越严重,张金凤等发现,贵州省近50年来干旱发生频率越来越高,其中2010年干旱频率高达84.2%[6]。因此,研究贵州省降水量变化趋势具有非常重要的意义。
目前,研究大多基于逐日的或逐月降水数据,或者选取的站点较少[7],再或者单独选取某个季节[8-9],很少有选取年降水量数据来进行研究。本研究采用空间插值、非参数Mann-Kendall突变检验、滑动平均法、累计距平法等方法对贵州省年降水量数据进行分析,为长时间的降水变化预测和研究提供一定的科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
贵州省地处云贵高原,位于103°36′~109°35′E,24°37′~29°13′N,全省总面积17.62万km2。贵州地势西高东低、南高北低,西南向东北倾斜,全省最高点为毕节赫章韭菜坪,海拔为2 900.6 m,最低点黔东南州的黎平县地坪乡水口河出省界处,海拔为147.8 m,海拔高差达2 700 m,全省平均海拔1 100 m,大部分地区海拔在800~1 200 m之间;全省地貌复杂,其中92.5%为山地和丘陵(图1)。贵州省属亚热带湿润季风气候,全省大部分地区气候温和,年均气温15 ℃左右;常年降水量充沛,年均降水量800~1 600 mm之间,但时空分布极度不均,其中以威宁、赫章为主的贵州西部年降水量多年平均值低于1 000 mm,而六枝-关岭-晴隆-普安的多年平均降水量高于1 300 mm。境内水系发达,以乌蒙山-苗岭为分水岭,北部为长江流域,南部为珠江流域。贵州省高程和研究区雨量站分布见图1。
1.2 数据来源
降水量资料来源于中国气象数据网。选取贵州省82个县级雨量站点1961—2015年总共55年间的年降水量数据,其中贵阳代表贵阳市区和除花溪区以外的郊区,遵义代表遵义两城区。除修文县数据缺失外,其他区县资料比较齐全,由于修文与邻近县海拔相差不大,地理位置较近,采用平均值法对修文周边几个县的降水量数据进行处理,得到修文县年降水量。各站点降水量统计见表1,各站点极值比最大为3.9,最小为1.7; 变异系数CV最大为0.20,最小为0.11, 说明全
省降水量在1961—2015年间变化差异不大。
1.3 研究方法
1.3.1 反距离加权法(inverse distance weighted,简称IDW) 反距离加权法是一种简便易操作的空间插值方法,是基于地理第一定律的基本假设:即2个物体相似性随他们距离的增大而减少。它以插值点和样本点间的距离为权重而进行加权平均,离插值点越近,样本赋予的权重越大。本研究以贵州省82个县的雨量站点代表全县降水量作为样本数据进行空间插值,在ArcGIS平台下分析贵州省的降水变化。
首先分析贵州省近55年的年降水量的空间分布规律,再从年际和代际的角度,采用距平和基于ArcGIS的反距离插值法研究贵州省年降水量时间和空间上的变化规律,最后运用非参数Mann-Kendall突变检验确定降水量时间序列的变异点。
2 降水量时空分析
2.1 降水量空间分布特征
贵州省1961—2015年多年降水量平均值为 1 200 mm/年,全省所有地区属于湿润区。贵州地处云贵高原,且东南亚和南亚2种季风共同作用,西部地区由于海拔较高,湿空气爬升困难,导致黔西南州大部分地区降水量充沛,多年平均降水量高达1 300 mm/年,黔南州和黔东南州大部分地区由于海拔较低,受东南亚季风的影响,降水量比较丰富,贵州省北部遵义市部分地区虽然海拔比中部和西南部低,但由于其深入腹地,东南亚季风有所减弱,因此降水量比较低(表1)。全省可划分为3个多雨区和2个少雨区,3个多雨区分别为六枝-关岭-晴隆-普安、都匀-丹寨和江口-松桃,多雨区平均降水量为1 407 mm/年, 2个少雨区分别为威宁-赫章-七星关和黔西,少雨区平均降水量为899 mm/年。以水城-纳雍-织金-平坝-惠水-贵定-凯里-三穗为线,全省南部平均降水量高于1 200 mm/年,而北部大部分地区则低于1 200 mm/年,尤其是赫章等极少数地区降水量低于 900 mm/年(图2)。 2.2 降水量时间变化趋势分析
2.2.1 降水量年际变化规律 贵州省1961—2015年平均降水量及其滑动平均降水量时间序列见图3-a,全省近55年来降水量随时间的变化而不断波动。3年滑动平均降水量最多的是1966—1968年,降水量为1 319.6 mm/年;最少的是2009—2011年,降水量为1 001.4 mm/年,二者相差 318.2 mm。5年滑动平均降水量最多的是1976—1980年,降水量为1 302.4 mm/年,最少的是2009—2013年,降水量为 1 037.7 mm/年,二者相差264.7 mm。对于10年滑动平均值而言,相比较于3年滑动平均和5年滑动平均,其趋势变化更趋于平缓,10年滑动平均降水量最多的是1993—2002年,降水量为1 262.2 mm/年;最少的是2004—2013年,降水量为 1 097.9 mm/年;二者相差164.3 mm。对于各年平均降水量,除了1967年为1 416.8 mm和1977年为1 418.1 mm极大值,2011年为857.4 mm极小值以外,其余所有年份年平均降水量在950~1 400 mm之间波动,参考多年平均降水量,1984—1990年长达7年时间全省年平均降水量低于多年平均值1 200 mm,连续2年间降水量上升差距最大的是1966年为976.8 mm,1967年为1 416.8 mm,差值440 mm,下降差距最大的是2008年为1 308.9,2009年为999 mm,差值 309.9 mm。
贵州省1961—2015年平均降水量累计距平曲线见图 3-b。降水量偏多和偏少年份呈周期变化。1961—1975年降水量围绕多年平均值有个时间较短的反复波动,1975—1980年降水量总体高于多年平均值,1981年降水量低于多年平均值,1981—1983年有个短暂的回升;从1983年开始到1990年降水量低于多年平均值,其累计距平从1983年的840 mm降至1990年的171.7 mm,减少了近80%;1991年降水量增多,而后1992年降水量低于多年平均降水量,从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年虽然有短暂的3个年份(2002年、2007年、2008年)降水量高于多年平均降水量,但总体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,全省降水量累计距平都为正值,说明贵州省降水量整体上属于丰水年。
2.2.2 降水量阶段变化规律 将1961—2015年按每10年划分1个阶段,分别为1961—1970年、1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年,2011—2015年也作为1个阶段。贵州省各阶段平均降水量及其变异系数见图4、图5。贵州省各阶段平均降水量变异系数均在0.11~0.12 之间(其中2001—2010年变异系数为0.11,其他阶段变异系数均为0.12),说明各阶段内的降水量数据非常稳定。
從图4可以看出,各阶段的平均年降水量均不同。1961—1970年平均降水量为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年又骤升到 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)。
图5是用地图表示贵州省各阶段之间的降水量是不断变化的,其变化趋势是1971—1980年年平均降水量相较于1961—1970年增加,1981—1990年年平均降水量下降,到1991—2000年又增加,随后2001—2010年年平均降水量减少,到2011年后有轻微上升。全省各阶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/年的土地面积为全省的67.2%,1971—1980年为66%,1981—1990年为82.5%,1991—2000年为59.8%,
2001—2010年为85.8%,至2011年以后为77.5%),各阶段年平均降水量高于1 300 mm/年的土地面积各有不同,1961—1970年有29.8%的土地面积年平均降水量高于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%。说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),之后轻微上升(2001—2010年到2011年以后)的趋势。
2.3 降水量空间变化趋势分析
贵州省年降水量在空间分布上极度不均。图6-a和图 6-b 分别从10年和5年平均降水量的角度对贵州省年降水量空间分布变化进行分析。贵州省从1961年到2015年每5年的年平均降水量分布见图6-a,贵州省1961年到2015年10年滑动平均降水量见图6-b(选取年份末尾数以5和以0的年份为中心)。
从图6-a可以看出,贵州省年平均降水量分布在空间上随着时间的变化也跟着变化,多雨区(年平均降水量
关键词:贵州省;降水量;时空变化;非参数Mann-Kendall突变检验
降水是影响自然环境和社会经济发展的重要因素之一,降水是贵州省水资源的重要来源,是贵州省人民生活和经济发展的命脉。近年来全球气候发生变化,贵州省降水也发生了不同程度的变化。降水量特征的研究对进行合理的水资源规划具有重要意义。目前相关学者针对贵州省气候开展了不少研究,罗宁等对贵州省1957—2004年逐日降雨量数据做了分析并讨论人工降雨问题[1]。徐建新等选取41个雨量站(其中22个在省外)逐月降水量数据分析贵州省降水量时空分布规律[2]。陈学凯等则研究了贵州省极端降水特征[3]。张勇荣等在分析降水变化特征的同时发现贵州省夏季降水异常存在2.8年的显著周期[4]。此外,金建德等认为,太平洋西北部的海水温度对贵州省夏季的降水有一定的影响,预报因子具有实际预报意义的最佳时段是上一年的8—11月[5]。近年来,贵州省干旱现象越来越严重,张金凤等发现,贵州省近50年来干旱发生频率越来越高,其中2010年干旱频率高达84.2%[6]。因此,研究贵州省降水量变化趋势具有非常重要的意义。
目前,研究大多基于逐日的或逐月降水数据,或者选取的站点较少[7],再或者单独选取某个季节[8-9],很少有选取年降水量数据来进行研究。本研究采用空间插值、非参数Mann-Kendall突变检验、滑动平均法、累计距平法等方法对贵州省年降水量数据进行分析,为长时间的降水变化预测和研究提供一定的科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
贵州省地处云贵高原,位于103°36′~109°35′E,24°37′~29°13′N,全省总面积17.62万km2。贵州地势西高东低、南高北低,西南向东北倾斜,全省最高点为毕节赫章韭菜坪,海拔为2 900.6 m,最低点黔东南州的黎平县地坪乡水口河出省界处,海拔为147.8 m,海拔高差达2 700 m,全省平均海拔1 100 m,大部分地区海拔在800~1 200 m之间;全省地貌复杂,其中92.5%为山地和丘陵(图1)。贵州省属亚热带湿润季风气候,全省大部分地区气候温和,年均气温15 ℃左右;常年降水量充沛,年均降水量800~1 600 mm之间,但时空分布极度不均,其中以威宁、赫章为主的贵州西部年降水量多年平均值低于1 000 mm,而六枝-关岭-晴隆-普安的多年平均降水量高于1 300 mm。境内水系发达,以乌蒙山-苗岭为分水岭,北部为长江流域,南部为珠江流域。贵州省高程和研究区雨量站分布见图1。
1.2 数据来源
降水量资料来源于中国气象数据网。选取贵州省82个县级雨量站点1961—2015年总共55年间的年降水量数据,其中贵阳代表贵阳市区和除花溪区以外的郊区,遵义代表遵义两城区。除修文县数据缺失外,其他区县资料比较齐全,由于修文与邻近县海拔相差不大,地理位置较近,采用平均值法对修文周边几个县的降水量数据进行处理,得到修文县年降水量。各站点降水量统计见表1,各站点极值比最大为3.9,最小为1.7; 变异系数CV最大为0.20,最小为0.11, 说明全
省降水量在1961—2015年间变化差异不大。
1.3 研究方法
1.3.1 反距离加权法(inverse distance weighted,简称IDW) 反距离加权法是一种简便易操作的空间插值方法,是基于地理第一定律的基本假设:即2个物体相似性随他们距离的增大而减少。它以插值点和样本点间的距离为权重而进行加权平均,离插值点越近,样本赋予的权重越大。本研究以贵州省82个县的雨量站点代表全县降水量作为样本数据进行空间插值,在ArcGIS平台下分析贵州省的降水变化。
首先分析贵州省近55年的年降水量的空间分布规律,再从年际和代际的角度,采用距平和基于ArcGIS的反距离插值法研究贵州省年降水量时间和空间上的变化规律,最后运用非参数Mann-Kendall突变检验确定降水量时间序列的变异点。
2 降水量时空分析
2.1 降水量空间分布特征
贵州省1961—2015年多年降水量平均值为 1 200 mm/年,全省所有地区属于湿润区。贵州地处云贵高原,且东南亚和南亚2种季风共同作用,西部地区由于海拔较高,湿空气爬升困难,导致黔西南州大部分地区降水量充沛,多年平均降水量高达1 300 mm/年,黔南州和黔东南州大部分地区由于海拔较低,受东南亚季风的影响,降水量比较丰富,贵州省北部遵义市部分地区虽然海拔比中部和西南部低,但由于其深入腹地,东南亚季风有所减弱,因此降水量比较低(表1)。全省可划分为3个多雨区和2个少雨区,3个多雨区分别为六枝-关岭-晴隆-普安、都匀-丹寨和江口-松桃,多雨区平均降水量为1 407 mm/年, 2个少雨区分别为威宁-赫章-七星关和黔西,少雨区平均降水量为899 mm/年。以水城-纳雍-织金-平坝-惠水-贵定-凯里-三穗为线,全省南部平均降水量高于1 200 mm/年,而北部大部分地区则低于1 200 mm/年,尤其是赫章等极少数地区降水量低于 900 mm/年(图2)。 2.2 降水量时间变化趋势分析
2.2.1 降水量年际变化规律 贵州省1961—2015年平均降水量及其滑动平均降水量时间序列见图3-a,全省近55年来降水量随时间的变化而不断波动。3年滑动平均降水量最多的是1966—1968年,降水量为1 319.6 mm/年;最少的是2009—2011年,降水量为1 001.4 mm/年,二者相差 318.2 mm。5年滑动平均降水量最多的是1976—1980年,降水量为1 302.4 mm/年,最少的是2009—2013年,降水量为 1 037.7 mm/年,二者相差264.7 mm。对于10年滑动平均值而言,相比较于3年滑动平均和5年滑动平均,其趋势变化更趋于平缓,10年滑动平均降水量最多的是1993—2002年,降水量为1 262.2 mm/年;最少的是2004—2013年,降水量为 1 097.9 mm/年;二者相差164.3 mm。对于各年平均降水量,除了1967年为1 416.8 mm和1977年为1 418.1 mm极大值,2011年为857.4 mm极小值以外,其余所有年份年平均降水量在950~1 400 mm之间波动,参考多年平均降水量,1984—1990年长达7年时间全省年平均降水量低于多年平均值1 200 mm,连续2年间降水量上升差距最大的是1966年为976.8 mm,1967年为1 416.8 mm,差值440 mm,下降差距最大的是2008年为1 308.9,2009年为999 mm,差值 309.9 mm。
贵州省1961—2015年平均降水量累计距平曲线见图 3-b。降水量偏多和偏少年份呈周期变化。1961—1975年降水量围绕多年平均值有个时间较短的反复波动,1975—1980年降水量总体高于多年平均值,1981年降水量低于多年平均值,1981—1983年有个短暂的回升;从1983年开始到1990年降水量低于多年平均值,其累计距平从1983年的840 mm降至1990年的171.7 mm,减少了近80%;1991年降水量增多,而后1992年降水量低于多年平均降水量,从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年虽然有短暂的3个年份(2002年、2007年、2008年)降水量高于多年平均降水量,但总体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,全省降水量累计距平都为正值,说明贵州省降水量整体上属于丰水年。
2.2.2 降水量阶段变化规律 将1961—2015年按每10年划分1个阶段,分别为1961—1970年、1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年,2011—2015年也作为1个阶段。贵州省各阶段平均降水量及其变异系数见图4、图5。贵州省各阶段平均降水量变异系数均在0.11~0.12 之间(其中2001—2010年变异系数为0.11,其他阶段变异系数均为0.12),说明各阶段内的降水量数据非常稳定。
從图4可以看出,各阶段的平均年降水量均不同。1961—1970年平均降水量为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年又骤升到 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)。
图5是用地图表示贵州省各阶段之间的降水量是不断变化的,其变化趋势是1971—1980年年平均降水量相较于1961—1970年增加,1981—1990年年平均降水量下降,到1991—2000年又增加,随后2001—2010年年平均降水量减少,到2011年后有轻微上升。全省各阶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/年的土地面积为全省的67.2%,1971—1980年为66%,1981—1990年为82.5%,1991—2000年为59.8%,
2001—2010年为85.8%,至2011年以后为77.5%),各阶段年平均降水量高于1 300 mm/年的土地面积各有不同,1961—1970年有29.8%的土地面积年平均降水量高于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%。说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),之后轻微上升(2001—2010年到2011年以后)的趋势。
2.3 降水量空间变化趋势分析
贵州省年降水量在空间分布上极度不均。图6-a和图 6-b 分别从10年和5年平均降水量的角度对贵州省年降水量空间分布变化进行分析。贵州省从1961年到2015年每5年的年平均降水量分布见图6-a,贵州省1961年到2015年10年滑动平均降水量见图6-b(选取年份末尾数以5和以0的年份为中心)。
从图6-a可以看出,贵州省年平均降水量分布在空间上随着时间的变化也跟着变化,多雨区(年平均降水量