張 波， 曹 華， 吳戰(zhàn)平， 劉宇鵬

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴陽 550002； 2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室， 貴陽 550002; 3.貴州省氣象信息中心， 貴陽 550002)

在氣候變暖的大背景下，降水強度在時間和空間上的非均勻性變化，會改變區(qū)域水分循環(huán)，對氣候的干濕狀況和水資源的供需平衡產(chǎn)生重要影響，進而影響到區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作物布局及生態(tài)環(huán)境。因此開展區(qū)域氣候干濕變化的研究對于洪澇、干旱的防治和社會發(fā)展都具有深遠影響[1-2]。

干濕狀況是反映地氣系統(tǒng)中水分收支平衡的變化過程。目前表征干濕狀況的指標(biāo)常以干燥度指數(shù)和濕潤指數(shù)最為常見，而濕潤指數(shù)綜合考慮了大氣降水和作物蒸散，是一個理想的能夠表征地表干濕狀況的物理量[3-4]。目前國內(nèi)關(guān)于區(qū)域氣候干濕狀況的研究已有一系列的報道。趙晶等[5]基于相對濕潤度指數(shù)，分析了江蘇省近50年的氣候干濕特性，表明江蘇省夏季氣候最濕潤、春季氣候最干燥。王明田等[6]基于相對濕潤度指數(shù)，分析了西南地區(qū)季節(jié)性干旱分布特征，表明西南地區(qū)總體上略有變濕的趨勢，年干旱強度明顯減弱。安莉娟[7]基于濕潤指數(shù)，分析了內(nèi)蒙古近40年的干濕變化特征及對水資源的影響，表明內(nèi)蒙古的干濕類型明顯由濕變干。胡琦[8]、韓宇平[9]等分別采用濕潤指數(shù)和干燥度指數(shù)，分析了華北平原氣候干濕的分布特征及其影響因素，研究結(jié)果表明，兩種指數(shù)表征的氣候干濕狀況基本一致。羅青紅等[10]基于濕潤指數(shù)，分析了新疆甘家湖地表干濕狀況變化趨勢。蘇秀程等[11]計算了西南地區(qū)潛在蒸散和干濕指數(shù)，發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)氣候整體較為濕潤，但存在較大的區(qū)域差異，呈“東濕西干”的空間分布特征，整體氣候呈現(xiàn)明顯暖干化的變化特征。上述氣候干濕的研究中潛在蒸散的計算，不同學(xué)者采用不同的計算方法，而研究數(shù)據(jù)表明，聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的 Penman-Monteith 公式綜合考慮了氣溫、風(fēng)速、濕度、太陽輻射和氣壓等多個氣候因子的影響，能夠客觀真實地反映實際氣候的蒸散(發(fā))能力[12-16]。

本研究基于貴州省近55年的逐日氣象資料，采用Penman-Monteith公式計算的潛在蒸發(fā)量，計算了不同時間尺度的相對濕潤度指數(shù)，并定量化分析貴州省干濕狀況的空間變化特征，以期為合理開發(fā)利用氣候資源，調(diào)整種植區(qū)劃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局提供依據(jù)，同時有助于提高干旱預(yù)測及其風(fēng)險管理水平。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

貴州省有85個地面氣象觀測站。由于各站建站時間不一致，為保證資料的完整性，剔除數(shù)據(jù)缺測較多的站點，選用貴州省1961-2015年81個氣象觀測站的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速和日照時數(shù)等氣象觀測資料，研究區(qū)域及氣象站點的分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點分布

1.2 研究方法

1.2.1 相對濕潤度指數(shù)

相對濕潤度指數(shù)的計算公式為

(1)

其中：M為相對濕潤度指數(shù)，是表征某時段降水量與蒸發(fā)量之間平衡的指標(biāo)之一；P為某時段的降水量；PE為某時段的潛在蒸散量，由FAO推薦的Penman-Monteith模型[17]計算，公式如下：

(2)

式中，ET0為潛在蒸散量(mm·d-1)，Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa·℃-1)，Rn為作物表面的凈輻射(MJ·m-2·d-1)，G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)，T為2 m處的日平均氣溫(℃)，r為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實際水汽壓(kPa)，u2為2 m處的風(fēng)速(m·s-1)。Δ、Rn、r、es、ea由氣象臺站觀測資料計算得出，具體計算過程參考張明軍[18]、馬寧[19]等相關(guān)研究成果；u2由10 m處風(fēng)速計算得出，計算公式為

(3)

在國家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級》(GB/T20481-2006) 及劉波[20]、任菊章[21]等研究基礎(chǔ)上，將計算得出的相對濕潤度指數(shù)進行分級處理(如表1所示)，據(jù)此分析貴州省的氣候干濕變化特征。

表1 基于相對濕潤度氣候干濕等級劃分

1.2.2 氣候傾向率計算

用最小二乘法擬合得到相對濕潤度指數(shù)隨年序變化的一元線性回歸方程，以回歸系數(shù)的 10倍作為相對濕潤度指數(shù)的氣候傾向率[22]。

1.2.3 突變趨勢檢驗

Mann-Kendall是一種非參數(shù)趨勢檢驗法，是目前比較常用的趨勢診斷方法。在Mann-Kendall檢驗中，原假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)(x1～xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；假設(shè)H1是雙邊檢驗，對于所有的k≤n,j≤n，且k≠j，xk～xj的分布是不相同的，檢驗的統(tǒng)計變量S計算如下式：

(4)

其中，

當(dāng)Z為正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢。當(dāng)檢驗序列是否發(fā)生突變時，常通過下式進行計算：

(5)

其中，

定義：

(6)

式中，

E(Sk)=k(k+1)/4，Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，若UFk值大于0，則表明序列呈上升趨勢；小于0則表明呈下降趨勢；當(dāng)它們超過顯著性水平對應(yīng)的臨界值時，表明上升或下降趨勢顯著。

1.2.4 空間插值方法

反距離權(quán)重(Interse Distrance Weighted，IDW)算法以插值點與樣本點間的距離為權(quán)重進行加權(quán)平均，離插值點越近的樣本點賦予的權(quán)重越大。該方法具有算法簡單、普適性更強的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域的空間分析與制圖。本文使用該方法進行相對濕潤度指數(shù)的空間插值模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候干濕的時間變化

貴州省年相對濕潤度指數(shù)時間變化趨勢如圖2所示。由圖2可以看出，近55年貴州省相對濕潤度指數(shù)多年平均值為77.8%；最大值為112.3%，出現(xiàn)在1997年；最小值為31.9%，出現(xiàn)在2011年。相對濕潤度指數(shù)隨時間變化呈遞減的變化趨勢，遞減趨勢為1.8%/10a，但未通過顯著性檢驗，這與王利平[23]、王允[24]等研究的西南地區(qū)濕潤度指數(shù)略呈降低趨勢的結(jié)果一致。從5a滑動平均值來看，貴州省相對濕潤度指數(shù)經(jīng)歷了遞減-遞增-遞減的“W型”變化趨勢，具體為20世紀(jì)80年代呈遞減變化趨勢，90年代中期又呈遞增的趨勢，90年代后期表現(xiàn)為遞減的趨勢。

圖2 貴州省年相對濕潤度指數(shù)時間變化趨勢

圖3為貴州省相對濕潤度指數(shù)季節(jié)變化趨勢。由圖3可以看出，春季(圖3a)相對濕度度指數(shù)多年平均值為67.7%，屬于濕潤季節(jié)，低于全省多年平均值，變化范圍為1.9%～119.4%；隨時間變化呈遞減趨勢，遞減速率3.6%/10a，表明春季貴州氣候呈現(xiàn)由濕變干的趨勢。夏季(圖3b)，相對濕潤度指數(shù)多年平均值為148%，明顯高于全省多年平均值，變化范圍為10.7%～249.3%；隨時間變化呈遞增的變化趨勢，遞增速率為3.0%/10a，表明夏季貴州地區(qū)呈濕潤化趨勢。秋季(圖3c)，相對濕潤度指數(shù)多年平均值為87.5%，變化范圍為-5.9%～208.7%，秋季貴州地區(qū)隨時間變化呈現(xiàn)出由濕變干的變化趨勢。冬季(圖3d)，相對濕潤度指數(shù)多年平均值為6.9%，明顯低于全省年相對濕潤度指數(shù)多年平均值，變化范圍為-44.6%～84.1%，屬于干、濕交替的季節(jié)；時間變化趨勢顯示，冬季相對濕潤度指數(shù)呈遞增趨勢，遞增速率為1.5%/10a，表明冬季隨時間變化呈現(xiàn)出由干變濕的變化趨勢。

圖3 貴州省相對濕潤度指數(shù)季節(jié)變化趨勢

2.2 氣候干濕的突變特征

Mann-Kendall趨勢檢驗結(jié)果表明(表2)，近55年貴州省平均年相對濕潤度指數(shù)的檢驗值為-1.21，隨時間呈下降的趨勢變化，這與王利平等[23]研究的中國西南區(qū)域(云南、貴州、四川南部)干燥度以增加趨勢結(jié)果相吻合，但未通過顯著性檢驗。季節(jié)的趨勢檢驗結(jié)果顯示，春季和秋季的檢驗值分別為-1.52和-1.64，表明春季和秋季的相對濕潤度指數(shù)均為下降趨勢，且下降速度快，氣候不斷地由濕逐漸轉(zhuǎn)為干；而夏季和冬季的相對濕潤度指數(shù)呈上升的變化趨勢，表明夏季和冬季氣候變濕趨勢不顯著。

表2 貴州省相對濕潤度指數(shù)Mann-Kendall趨勢檢驗

Mann-Kendall突變檢驗表明，年相對濕潤度指數(shù)(圖4a)的Mann-Kendall統(tǒng)計量UF和UB曲線存在多個交點，其中在1979年后UF統(tǒng)計量呈顯著的遞減趨勢，至1990年這一遞減趨勢超過了0.05的臨界線，1991年之后UF曲線又呈現(xiàn)遞增趨勢，但未突破臨界線，表明近55年貴州氣候干濕在1979年存在明顯的突變，要早于西南地區(qū)濕潤度指數(shù)的突變年份[24]。春季(圖4b)，相對濕潤度指數(shù)的UF曲線在1978年至1989年間呈顯著下降趨勢，在1989年間突破臨界線，且UF和UB曲線相交于1979年，表明1979年為貴州春季相對濕潤度指數(shù)的突變年。夏季(圖4c)，相對濕潤度指數(shù)的UF曲線分別在1961-1969年和1990-2002年間呈遞增趨勢，且在1961-1969年間UF曲線突破臨界線，1990-2002年間UF曲線未能突破臨界線，說明夏季氣候無干濕的突變年。秋季(圖4d)，相對濕潤度指數(shù)的UF和UB曲線在1983年之前存在多個交點，在1983年之后UF曲線呈顯著下降的變化趨勢，在2003年突破臨界線，表明秋季貴州干濕的突變年份為1983年。冬季(圖4e)，UF和UB曲線存在多個交點，1987年以后呈遞增的變化趨勢，但均未通過顯著性檢驗，突變年份不顯著。

圖4 貴州省相對濕潤度指數(shù)Mann-Kendall突變檢驗

2.3 氣候干濕空間分布特征

圖5為貴州相對濕潤度指數(shù)突變前后的空間分布特征。由圖5可見，相對濕潤度指數(shù)突變前(圖5a)空間變化范圍為11.0%～182.2%，屬于濕潤區(qū)，低值區(qū)域主要分布在貴州省北部一線及中東部和南部局地等地，變化范圍為11.0%～68.1%，高值區(qū)域主要分布在西部六盤水市和黔西南州交界區(qū)域、東部邊緣和黔東南州西部與黔南州東部等地，變化范圍為96.7%～182.2%。較突變前，突變后(圖5b) 的空間變化范圍為9.8%～183.9%，低值區(qū)域面積有所增加，高值區(qū)域面積有所減小，低值區(qū)域主要分布在畢節(jié)市、遵義市大部、貴陽市中部及黔西南州和黔南州南部等地，變化范圍為9.8%～67.8%，高值區(qū)域主要分布在貴州省東部邊緣及黔東南州西部與黔南州東部等地，變化范圍為96.9%～183.9%。

圖5 貴州省相對濕潤度指數(shù)突變前(a)和突變后(b)空間分布

2.4 四季氣候干濕空間分布特征

圖6為相對濕潤度指數(shù)季節(jié)空間分布。從圖6中可以看出，春季(圖6a)全省相對濕潤度指數(shù)空間分布呈現(xiàn)由西北向東南部遞增的變化趨勢，其中畢節(jié)市西部區(qū)域相對濕潤度指數(shù)為-23.7%～0%，根據(jù)氣候干濕等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于半干旱區(qū)域，其余大部分區(qū)域?qū)儆跐駶檯^(qū)。夏季(圖6b)全省相對濕潤度指數(shù)均大于0，均為濕潤區(qū)，空間分布上表現(xiàn)為自東北向西南部相對濕潤度指數(shù)呈遞增的變化趨勢，高值區(qū)域分布在六盤水市、安順市和黔西南州交界區(qū)，低值區(qū)分布在遵義市大部及銅仁市西南部和黔東南州北部區(qū)域。秋季(圖6c)全省相對濕潤度指數(shù)低于夏季平均水平，屬于濕潤區(qū)，但空間分布特征不明顯，貴州省南部邊緣區(qū)域和畢節(jié)市西部大部區(qū)域為全省最低值，高值區(qū)域主要分布在銅仁市邊緣和貴陽市東北部。冬季(圖6d)全省自西向東呈遞增的變化趨勢，與春季的空間分布基本一致，貴州省西部大部和遵義市大部及銅仁市北部等地區(qū)為半干旱區(qū)，其中畢節(jié)市中部部分區(qū)域為干旱區(qū)。

圖6 貴州省相對濕潤度指數(shù)季節(jié)空間分布特征

2.5 四季氣候干濕變化趨勢空間分布特征

圖7為相對濕潤度指數(shù)季節(jié)變化趨勢空間分布特征。從圖7中可以看出，春季(圖7a)全省相對濕潤度指數(shù)氣候傾向率每10 a變化范圍為-13.8%～4.9%，平均氣候傾向率為-3.9%/10a，整體呈遞減的變化趨勢，其中有12.5%的站點數(shù)通過顯著性檢驗；空間上高值區(qū)域主要分布在黔東南南部和銅仁市南部局地等地，每10 a變化范圍為-1.2%～4.9%，低值區(qū)主要分布在銅仁市東部、黔西南州南部等地，每10 a變化范圍為-13.8%～-7.6%。夏季(圖7b)全省相對濕潤度指數(shù)氣候傾向率每10 a變化范圍為-10.2%～22.4%，平均氣候傾向率為3.0%/10a，整體呈遞增的變化趨勢；空間上呈現(xiàn)由西南向東北及向南遞增的變化趨勢，高值區(qū)域主要分布在銅仁市和黔東南州北部等地，每10 a 變化范圍為6.2%～22.4%，低值區(qū)主要分布在六盤水市、黔西南州、畢節(jié)市中部大部和南部邊緣等地，每10 a變化范圍為-10.2%～0.7%。秋季(圖7c)全省相對濕潤度指數(shù)氣候傾向率每10 a變化范圍為-24.5%～1.4%，平均氣候傾向率為-8.6%/10a，整體呈遞減的變化趨勢，全省31.3%的站點數(shù)呈顯著性遞減趨勢；空間上呈現(xiàn)由西向東、由北向南遞增的變化趨勢，高值區(qū)域主要分布在黔南州、黔東南州大部和銅仁市南部等地，每10 a變化范圍為-7.1%～1.4%，低值區(qū)主要分布在六盤水市大部、黔西南州北部等地，每10 a

圖7 貴州省相對濕潤度指數(shù)季節(jié)變化趨勢空間分布特征

變化范圍為-24.5%～-15.8%。冬季(圖7d)全省相對濕潤度指數(shù)氣候傾向率每10 a變化范圍為-6.5%～8.0%，平均氣候傾向率為1.1%/10a，整體呈遞增的變化趨勢，全省僅5%的站點數(shù)呈顯著性遞增的變化趨勢；空間上高值區(qū)域主要分布在黔東南西部和銅仁市南部等地，每10 a 變化范圍為3.17%～8.0%，低值區(qū)主要分布在遵義市北部、黔西南州局地等地，每10 a變化范圍為-6.5%～-1.7%。

2.6 氣候因子分析

年和季相對濕潤度指數(shù)和氣象要素的相關(guān)性分析(表3)表明，相對濕潤度指數(shù)與降水量和相對濕度均呈顯著正相關(guān)性(α=0.01)，而與日照時數(shù)和太陽輻射均呈顯著負(fù)相關(guān)性(α=0.05)，表明影響貴州氣候干濕的主要因子是降水量、相對濕度、日照時數(shù)和太陽輻射。此外，夏季相對濕潤度指數(shù)還與平均溫度和平均風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)，說明貴州夏季氣候干濕是受多氣象因子的綜合影響。

表3 貴州省相對濕潤度指數(shù)與氣象因素的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié) 論

(1)近55年貴州省相對濕潤度指數(shù)多年平均值為77.8%；隨時間變化呈遞減的變化趨勢，遞減趨勢為1.8%/10a；5 a滑動平均顯示貴州省相對濕潤度指數(shù)經(jīng)歷了遞減-遞增-遞減的“W型”變化趨勢，在20世紀(jì)80年代呈遞減變化趨勢， 90年代中期呈遞增的趨勢，90年代后期表現(xiàn)為遞減的趨勢。

(2)相對濕潤度指數(shù)季節(jié)變化表明，春季氣候呈現(xiàn)由濕變干的變化趨勢，夏季呈濕潤化趨勢，秋季呈由濕變干的變化趨勢，冬季呈現(xiàn)出由干變濕的變化趨勢。M-K趨勢檢驗表明，春季和秋季氣候由濕變干的趨勢顯著，分別通過顯著性檢驗。空間分布上，相對濕潤度指數(shù)春季呈現(xiàn)由西北向東南部遞增的變化趨勢，除畢節(jié)市西部區(qū)域?qū)儆诎敫珊祬^(qū)域，其余大部分區(qū)域?qū)儆跐駶檯^(qū)；夏季和秋季均為濕潤區(qū)；冬季全省自西向東呈遞增的變化趨勢，貴州省西部大部和遵義市大部及銅仁市北部等地區(qū)為半干旱區(qū)，其中畢節(jié)市中部部分區(qū)域為干旱區(qū)。

(3)春季相對濕潤度指數(shù)平均氣候傾向率為-3.9%/10a，整體呈遞減的變化趨勢；夏季的平均氣候傾向率為3.0%/10a，整體呈遞增的變化趨勢，其中有12.5%的站點數(shù)通過顯著性檢驗；秋季相對濕潤度指數(shù)氣候傾向率每10 a變化范圍為-24.5%～1.4%，平均氣候傾向率為-8.6%/10a，整體呈遞減的變化趨勢，其中有31.3%的站點數(shù)通過顯著性檢驗；冬季相對濕潤度指數(shù)氣候傾向率每10 a變化范圍為-6.5%～8.0%，平均氣候傾向率為1.1%/10a，整體呈遞增的變化趨勢。影響貴州氣候干濕的主要因子是降水量、相對濕度、日照時數(shù)和太陽輻射，而夏季氣候干濕是受多氣象因素的綜合影響。

參考作物蒸散量是表征氣候干濕程度及水資源供需平衡的重要指標(biāo)之一[25]，其中涉及許多氣候因子間的復(fù)雜的相互作用[26]。本文以 Penman-Monteith方法計算的參考作物蒸散和降雨量為基礎(chǔ)計算了相對濕潤度，綜合考慮了溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速及太陽輻射等因素的影響，在實踐中得到廣泛應(yīng)用[27]。但由于貴州地形地貌復(fù)雜多樣，在一定的區(qū)域存在參數(shù)估計的誤差，容易造成相對濕潤度指數(shù)與實際有所差異，因此開展對復(fù)雜下墊面的參考作物蒸散的驗證工作是下一步研究的主要方向。此外，對影響相對濕潤度指數(shù)的氣象因素分析相對簡單，尚有待深入分析。