陸莎莎，蔣雨芹，李青建，楊昌凱

(1.貴州省都勻市氣象局，貴州 都勻 558300；2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

0 引言

21世紀(jì)以來，中國(guó)南方地區(qū)降水明顯增多，總體分布趨勢(shì)為南多北少，東多西少[1]，貴州多雨年也與長(zhǎng)江中下游呈現(xiàn)一致趨勢(shì)[2]，降水呈東北部和南部較多的空間分布[3-4]。黔南州是貴州南部降水大值中心，其降水強(qiáng)度大、季節(jié)性顯著，以致于洪澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生，這嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。眾多學(xué)者及氣象工作者對(duì)中國(guó)及貴州區(qū)域降水分布特征和規(guī)律進(jìn)行了較多分析，但黔南州具體降水分布特征還未得到更詳細(xì)的研究。故本文選取黔南州近31 a(1989—2019年)的地面降水資料，采用線性回歸方法、Kriging法、IDW法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)等方法，從趨勢(shì)、突變、季節(jié)及月份演變對(duì)黔南州降水進(jìn)行研究，以便充分認(rèn)識(shí)和利用氣候資源。

1 資料概況

黔南布依族苗族自治州位于貴州中南部，云貴高原向廣西丘陵過渡的斜坡帶，地勢(shì)西北高，東南低，平均海拔997 m，以山地、丘陵為主。冬暖夏涼、雨熱同期，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。本文所用的1989—2019年降水資料來自于黔南州12個(gè)國(guó)家級(jí)地面自動(dòng)氣象站，按3—5月(春季)、6—8月(夏季)、9—11月(秋季)、12—2月(冬季)為四季生成逐季序列。

2 分析方法

由于黔南州地貌特殊，降水具有明顯的區(qū)域特征，故采用降水距平百分率，平均降水距平百分率≥10%則定義為多雨年，≤-10%則定義為少雨年。

2.1 氣候傾向率

用一次線性方程來描述氣候要素的變化趨勢(shì)[5-6]:

y(t)=a0+a1t

(1)

式(1)中，t為時(shí)間序列，a0為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可通過回歸分析方法中的最小二乘法求取，a1為趨勢(shì)變化率，當(dāng)a1為正則表示降水要素呈增加趨勢(shì)，a1為負(fù)則表示降水要素呈減少趨勢(shì)，a1×10為氣候傾向率(mm/10 a)[7]，表示降水要素每10 a的變化速率。

2.2 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

本文所用的滑動(dòng)t檢驗(yàn)方法是通過檢驗(yàn)2組序列的均值差異是否超過了一定的顯著性水平，判斷樣本是否有突變發(fā)生的檢驗(yàn)方法[8-12]。

選擇樣本子序列長(zhǎng)度為5 a、7 a，取顯著性水平α=0.05、α=0.01進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.3 插值方法

利用Kriging法、IDW法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值[13-17]，兩種方法在一定程度上解決了站點(diǎn)稀缺問題。

3 黔南州降水的時(shí)間變化

3.1 年際變化

近31 a來，黔南州年平均降水量呈現(xiàn)較明顯的上升趨勢(shì)(圖1)，線性擬合的傾向率為19.693 mm/10 a，從5次多項(xiàng)式擬合曲線來看，年平均降水量在1989—1996年、2008—2019年2個(gè)區(qū)間為上升趨勢(shì)，1997—2007年為下降趨勢(shì)。31 a平均降水量為1 230.6 mm，其中最高值為2015年1 471.9 mm，最低值為1989年902.9 mm，二者之間相差569.0 mm。

圖1 黔南州降水量年際變化趨勢(shì)

圖2是黔南州1989—2019年降水距平百分率。從圖中可以看出，在1989年降水距平百分率達(dá)到近31 a歷史低值-26.71%，1990—2000年降水距平百分率基本為正；2001—2013年降水距平百分率基本為負(fù)，最大連續(xù)負(fù)距平年數(shù)達(dá)5 a；2014—2019年降水距平百分率連續(xù)6 a為正距平，在2015年達(dá)到最大距平19.08%。

圖2 黔南州降水量距平百分率

利用距平百分率從黔南州近31 a降水中篩選出多雨年及少雨年，表1中少雨年主要集中在21世紀(jì)初，分別為1989、2001、2003、2005、2006、2009、2011、2013年；多雨年主要集中出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期及21世紀(jì)10年代中后期,分別為1993、1997、1999、2000、2008、2014、2015、2019年。

3.2 季節(jié)變化

春季降水表現(xiàn)為明顯的增加趨勢(shì)(圖3a)，平均值為336.9 mm，線性擬合的傾向率13.808 mm/10 a,上升幅度是四季中最大的。夏季變化較為平緩，總體為微弱上升趨勢(shì)(圖3b)，降水氣候傾向率為0.633 mm/10 a，為四季中變化最小的季節(jié)。秋季降水總體為微弱上升趨勢(shì)(圖3c)，氣候傾向率在春季和夏季傾向率之間，1989—1997年秋季降水波動(dòng)幅度最大，降水跨幅208.8 mm；1998—2007變化幅度較小，表現(xiàn)為秋季連續(xù)少雨期；2007—2019年表現(xiàn)為波動(dòng)幅度由大到小的上升趨勢(shì)。冬季降水量整體為弱波動(dòng)下降趨勢(shì)，降水氣候傾向率為-7.554 mm/10 a，31 a中冬季最大降水量出現(xiàn)在1992年139.1 mm，最小值出現(xiàn)在1999年37.4 mm。

圖3 黔南州年平均降水量四季變化趨勢(shì)(a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季)

4 黔南州降水的空間變化

4.1 年降水

從黔南州年平均降水圖中能夠看出(圖4a)，年平均降水量呈現(xiàn)東西部偏多、北部中南部偏少的“川”字型分布。降水高值區(qū)分布在都勻、三都、長(zhǎng)順，年平均降水量最大值為都勻1 453.7 mm，羅甸、龍里、貴定、福泉、甕安等地為年降水量的低值區(qū)域，最小值為甕安1 110.3 mm。從平均日最大降水來看(圖4b)，近31 a黔南州平均日最大降水與年降水分布較為相似，高值中心均相同，北部平均日最大降水較少，平塘年平均降水較為適中，但平均日最大降水處于黔南州低值中心。平均最大連續(xù)降水(圖4c)則呈現(xiàn)為西部、東部、中北部、東南部偏多，北部、中南部、西南部偏少。從降水氣候傾向率看出(圖4d)，除北部甕安地區(qū)、南部荔波地區(qū)降水呈減少趨勢(shì)以外，其余區(qū)域降水均為增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)大值位于惠水—龍里—貴定一帶，其余上升趨勢(shì)地區(qū)增加趨勢(shì)較為平緩，最大降水氣候傾向率出現(xiàn)在貴定62.685 mm/10 a，最小降水氣候傾向率出現(xiàn)在甕安-44.507 mm/10 a。

圖4 黔南州降水分布及變化趨勢(shì)，其中圖(a)為年平均降水分布，圖(b)為平均日最大降水分布，圖(c)為平均最大連續(xù)降水分布，圖(d)為年平均降水變化趨勢(shì)

4.2 季節(jié)降水

黔南州季節(jié)降水在春、夏、冬三季均為東西分布，秋季為南北分布。春季平均降水(圖5a)主要分布在都勻、三都、獨(dú)山片區(qū)，最大值為三都397.1 mm，長(zhǎng)順—龍里—貴定—甕安一帶為春季集中少雨區(qū)，南部羅甸、荔波等地春季降水也相對(duì)較少，最小值為龍里301.7 mm。夏季降水(圖5b)多雨區(qū)與春季相同，最大夏季平均降水為都勻502.3 mm，羅甸、長(zhǎng)順、惠水、龍里、貴定南北一帶則表現(xiàn)為夏季少雨區(qū)，最小夏季平均降水為龍里366.4 mm。秋季降水(圖5c)分布呈現(xiàn)北多南少趨勢(shì)，降水大值集中區(qū)相對(duì)于春夏兩季較為偏北，秋季平均降水最大值為都勻206.7 mm。冬季降水(圖5d)主要分布在州東部，最大冬季平均降水為都勻108.9 mm，中部偏西一帶為冬季少雨區(qū)，最小值為羅甸56.4 mm。

圖5 黔南州季節(jié)平均的空間分布

春季降水具有明顯的上升趨勢(shì)(圖6a)，中北部地區(qū)上升幅度較大。全州除獨(dú)山、福泉、荔波地區(qū)呈下降趨勢(shì)外，其余地區(qū)均為上升趨勢(shì)，都勻、貴定、龍里上升趨勢(shì)最為明顯，最大氣候傾向率為都勻49.777 mm/10 a。夏季降水量空間分布變化較為分散(圖6b)，降水呈3個(gè)分散負(fù)值中心夾2個(gè)正值中心南北向排列分布，負(fù)值中心分別為甕安(氣候傾向率-43.451 mm/10 a)、都勻(氣候傾向率-36.921 mm/10 a)、荔波(氣候傾向率-37.96 mm/10 a)，正值中心分別為福泉(氣候傾向率20.776 mm/10 a)、三都和獨(dú)山(氣候傾向率分別為27.485 mm/10 a、27.729 mm/10 a),下降趨勢(shì)大于上升趨勢(shì)，長(zhǎng)順為弱下降趨勢(shì)，中部及西南部地區(qū)夏季降水為弱上升趨勢(shì)。秋季降水大部分地區(qū)為增加趨勢(shì)(圖6c)，都勻、三都、荔波秋季降水變化趨勢(shì)與夏季趨勢(shì)相反，三都在夏季為正傾向率中心，在秋季則變?yōu)樨?fù)傾向率中心，都勻、荔波在夏季為負(fù)值中心，在秋季則表現(xiàn)為正值中心，在秋季表現(xiàn)為降水增加趨勢(shì)，惠水在秋季降水也較為明顯，傾向率為26.639 mm/10 a，其余地區(qū)秋季降水均為弱上升趨勢(shì)。冬季降水具有非常明顯一致的減少趨勢(shì)(圖6d)，整個(gè)黔南州區(qū)域冬季降水氣候傾向率均為負(fù)值，下降幅度最大為獨(dú)山-18.031 mm/10 a。

圖6 黔南州四季平均降水量變化率的空間分布(單位:mm/10 a)

4.3 月降水

黔南州近31 a降水主要集中在4—8月，6月降水最多，11月—次年2月降水較少(圖7)，最大值為都勻6月300.4 mm，最小為羅甸12月17.2 mm。

1—4月降水(圖7a～7d)主要集中在都勻、三都、平塘、獨(dú)山，且整體降水量隨月份的增加逐漸增多，月降水量高值區(qū)逐漸向南擴(kuò)大，1—3月月降水最大值均出現(xiàn)在都勻站。

從5月開始，黔南州降水進(jìn)入主汛期(圖7e)，全州5月降水相對(duì)于4月大幅度增加，降水由東多西少轉(zhuǎn)變?yōu)槟隙啾鄙佟?月是降水最多的月份(圖7f),降水區(qū)間較大，最大值都勻300.4 mm與最小值甕安188.4 mm之間的差值高達(dá)112.0 mm。7月(圖7g)高值區(qū)依舊在長(zhǎng)順、都勻、三都、荔波，低值區(qū)為甕安—龍里—平塘—羅甸等地。8月降水明顯減少(圖7h)，降水集中在西部及東南部，主汛期結(jié)束。

9—12月降水隨月份增加逐漸減少(圖7i～7l)，降水主要集中在都勻地區(qū)。10月降水表現(xiàn)為北多南少分布趨勢(shì)，11月少雨區(qū)主要出現(xiàn)在惠水、羅甸、荔波等地，12月降水最大值與最小值之間僅相差13.0 mm，是黔南州降水最少的月份。

5 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)方法，分別取步長(zhǎng)為5 a、7a，檢驗(yàn)了黔南州12個(gè)站點(diǎn)降水的突變情況。除平塘站外，其余站點(diǎn)均有突變，總體表現(xiàn)為2000年左右由減少趨勢(shì)向增多趨勢(shì)突變、21世紀(jì)10 a代由增多趨勢(shì)向減少趨勢(shì)突變。

5 a滑動(dòng)t檢驗(yàn)顯示有8個(gè)站點(diǎn)降水在21世紀(jì)10年代前期發(fā)生突變，且在2013年通過顯著水平0.05的站點(diǎn)占7個(gè)，其中有4個(gè)站點(diǎn)通過了0.01顯著性檢驗(yàn)；6個(gè)站點(diǎn)在21世紀(jì)初發(fā)生突變，都勻站在2000年通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。7 a滑動(dòng)t檢驗(yàn)中一半站點(diǎn)發(fā)生突變，且突變均為2000年左右及2012年左右；甕安、荔波、都勻在2000年均通過0.01顯著性檢驗(yàn)，福泉、貴定、都勻、龍里在20世紀(jì)10年代均有年份通過0.01顯著性檢驗(yàn)。

6 結(jié)果與討論

通過對(duì)1989—2019年黔南州年、季、月降水量進(jìn)行時(shí)空特征及突變分析，得出以下結(jié)論：

①近31 a來，黔南州年平均降水量呈明顯的上升趨勢(shì)，降水空間分布與平均日最大降水、平均最大連續(xù)降水一致，受地形影響，迎風(fēng)坡強(qiáng)迫抬升，均呈現(xiàn)東西部多、北部中南部偏少的“川”字型分布，少雨年主要集中在21世紀(jì)初，多雨年主要出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期及21世紀(jì)10年代中后期。

②季節(jié)降水高值區(qū)主要圍繞都勻?yàn)橹行哪媳睌[動(dòng)，春季、夏季和冬季降水表現(xiàn)為東多西少，秋季降水為北多南少趨勢(shì)分布，其中春、夏、秋3個(gè)季節(jié)呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，冬季降水呈減少趨勢(shì)。

③受季風(fēng)影響，月降水主要集中在4—8月，冬春季降水較少，其中11月—次年4月降水為東多西少的東西向分布，5—9月為南多北少的南北向分布，10月為北多南少的南北向分布。

④除平塘站無突變外，黔南州降水突變總體表現(xiàn)為2000年左右由減少趨勢(shì)向增多趨勢(shì)突變、21世紀(jì)10年代初由增多趨勢(shì)向減少趨勢(shì)突變。

討論：黔南州降水分布主要受地形強(qiáng)迫抬升影響，在大尺度環(huán)流背景下，體現(xiàn)出多雨年及少雨年的降水年際特征。雖然本文對(duì)黔南州降水的年、季、月演變及突變做了分析，但是當(dāng)降水到達(dá)暴雨量級(jí)時(shí)產(chǎn)生的災(zāi)害可能性更大，具體還需進(jìn)一步的深入研究，充分探討黔南州降水特征，以便更加合理開發(fā)、利用氣候資源。