張宇嘉，張志才，婁和震，楊勝天

（1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京師范大學(xué) 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

0 引言

水熱條件深刻影響區(qū)域可利用水資源量和生態(tài)健康狀況，對(duì)流域水資源研究有著重要作用［1，2］。降雨、氣溫、干燥度等指標(biāo)具有一定的變化趨勢(shì)和周期性規(guī)律，能夠表征水熱條件在長(zhǎng)時(shí)間序列上的發(fā)展?fàn)顩r和震蕩變化［3］，也能為研究區(qū)域水文循環(huán)和生態(tài)環(huán)境提供參考［4］。

貴州省位于我國(guó)西南地區(qū)，是生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)和喀斯特地貌核心區(qū)，其自然資源條件受降雨、氣溫、干燥度等水熱要素影響十分明顯［5，6］。目前研究表明，在1990 年至2000 年內(nèi)貴州省降水熱條件出現(xiàn)趨勢(shì)突變，未來可能持續(xù)上升［7，8］；同時(shí)，貴州省水熱條件周期性規(guī)律多變［9-11］，降雨氣溫存在2、16、20 a多種周期性規(guī)律的疊加［10-16］，導(dǎo)致水熱條件波動(dòng)明顯［7，12-15］，且變異性曾出現(xiàn)減弱［16］。周期性規(guī)律的強(qiáng)弱能夠反映區(qū)域氣候要素的改變，有助于分析區(qū)域內(nèi)具體氣候變化情況［17-20］。此外，由于貴州省氣候條件復(fù)雜，影響因素眾多［20-23］，省內(nèi)不同區(qū)域水熱條件規(guī)律差異較大［8，15，24，25］，按地理地貌空間分區(qū)難以反映氣候要素的空間差異性［8，25，26］。綜上，需要針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列上貴州省水熱條件的變化規(guī)律展開研究，并將貴州省按其水熱條件進(jìn)行空間分區(qū)，探究其降雨氣溫變化存在的周期規(guī)律。

因此，通過貴州省1961-2019 年間國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)站氣象實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按降雨、氣溫的空間聚類［27，28］進(jìn)行分區(qū)，借助Mann-Kendall檢驗(yàn)趨勢(shì)分析法［29-32］與Morlet 小波分析法［3，33］，探究全省與各區(qū)域降雨、氣溫、干燥度近60 a 分布趨勢(shì)，并在不同的時(shí)間尺度上具體探究其周期性規(guī)律強(qiáng)弱變化。

1 方法與材料

1.1 研究區(qū)域概況

貴州省地處我國(guó)西南地區(qū)（圖1），其東西范圍在103°36'～109°35'之間，南北在24°37'～29°13'之間，位于云貴高原之上，屬于高原山地地形，全省約92.5%面積為山地與丘陵地形。整體地勢(shì)為西高東低，向北、東、南面傾斜。貴州省屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年氣溫變化不大，夏季多雨，冬季少雨，多年降雨為1 060 mm/a 左右，全年氣溫在15.7 ℃左右，水面蒸發(fā)量在1 230 mm/a左右，氣候條件溫和，適宜生物生長(zhǎng)。貴州省生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，植被茂密，生物多樣性豐富，同時(shí)擁有連續(xù)的喀斯特地貌分布，是重要的喀斯特地貌生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)與脆弱區(qū)［34］。

圖1 貴州省地形與空間聚類分區(qū)圖Fig.1 Terrain and Spatial Clustering areas of Guizhou province

1.2 數(shù)據(jù)處理

氣候資料來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），選取《中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）》中逐日降雨資料，逐日氣溫資料（離地面2 m）和逐日蒸發(fā)資料（小型蒸發(fā)皿），臺(tái)站選取貴州省31 個(gè)氣象站（圖1），氣候要素資料序列時(shí)間范圍選取1961 年1 月1 日至2019 年12 月31 日。降雨數(shù) 據(jù)選取每日降雨量累加計(jì)算處理成年累計(jì)降雨數(shù)據(jù)，氣溫?cái)?shù)據(jù)通過累加日平均氣溫并進(jìn)行年平均處理成年平均氣溫。研究中日蒸發(fā)資料處理為E（蒸發(fā)）與P（降雨）的比值K（干燥度），代替蒸發(fā)作為研究對(duì)象，并按年平均處理得到年平均干燥度。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 Mann-Kendall（MK）檢驗(yàn)趨勢(shì)分析法

MK 法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其不需要樣本遵循一定的分布，也不會(huì)受少數(shù)異常值的干擾，而被經(jīng)常應(yīng)用于水文、氣象科學(xué)領(lǐng)域的非正態(tài)分布數(shù)據(jù)分析，例如降雨、徑流、氣溫、水質(zhì)等［29，30］。

在MK法中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)（X1，Xn），是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，對(duì)于所有的k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj的分布是不相同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S計(jì)算如下式：

在此時(shí)間序列的隨機(jī)獨(dú)立假定下，定義一個(gè)統(tǒng)計(jì)量：

其中：

按時(shí)間逆序列xn，xn-1，…，x1重復(fù)上述過程得到UBk=UFk，其中k=n，n-1，…，1，UB1=0。

通過分析統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk可以進(jìn)一步分析序列x的趨勢(shì)變化，而且可以明確突變的時(shí)間，指出突變的區(qū)域。若UFk值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)；小于0 則表明呈下降趨勢(shì)；當(dāng)它們超過臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。如果UFk和UBk這兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻。

1.3.2 Morlet小波分析

在對(duì)氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列進(jìn)行基本刻畫時(shí)，通常會(huì)涉及時(shí)域和頻域兩種表現(xiàn)形式。Morlet 提出的小波分析（Wavelet Analy?sis）［33］可以滿足這一要求。小波分析的基本思想是用一簇小波函數(shù)表示或逼近某一信號(hào)值。

其中Ψ(t)為基小波函數(shù)，L(R)表示R上的可積函數(shù)。據(jù)此，可以將數(shù)據(jù)序列的尺度變化和時(shí)間序列值的平移構(gòu)成一簇函數(shù)系：

式中：Ψa，b(t)為子小波；a為尺度因子，反映小波的周期長(zhǎng)度；b為平移因子，反映時(shí)間上的平移。

對(duì)于給定的能量有限信號(hào)f(t) ∈L2(R)，式（4）中連續(xù)小波變換為：

文中選用的Morlet 小波為單頻率復(fù)正弦函數(shù)，其具體函數(shù)如下：

式中：ω0為常數(shù)；i代表虛數(shù)。

1.3.3 Pettitt（Pt）突變點(diǎn)檢驗(yàn)

Pettitt 突變點(diǎn)與MK 檢驗(yàn)類似，都屬于非參數(shù)檢驗(yàn)方法，最早由A N Pettitt 提出用于氣候條件的突變點(diǎn)檢驗(yàn)。其方法與MK 類似，都通過構(gòu)造秩序列Uk來判斷發(fā)生突變的位置，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)量P值來判斷是否出現(xiàn)顯著突變點(diǎn)，原假設(shè)H0認(rèn)為該時(shí)間序列無突變點(diǎn)。一般規(guī)定當(dāng)P值小于0.05 時(shí)，拒絕原假設(shè)H0，即認(rèn)為該序列存在顯著突變點(diǎn)。

1.3.4 K-均值聚類分類

為了將貴州省按其水熱條件空間分布狀態(tài)進(jìn)行分區(qū)研究，本文借助SPSS 16.0 軟件進(jìn)行K-均值聚類分析，將貴州省按降雨、氣溫多年分布特征分為3個(gè)類型區(qū)域，并結(jié)合海拔高度進(jìn)行調(diào)整，作為研究單元（見圖1）。其中一類區(qū)域主要分布在為貴州省北部地區(qū)，屬于低溫低水區(qū)，平均年降雨932 mm，年氣溫14.2 ℃，均屬于3 個(gè)區(qū)域中最低，由6 個(gè)站點(diǎn)控制；二類區(qū)域?qū)儆诟邷刂兴畢^(qū)，主分布在中東部丘陵地形，年降雨1 117 mm 為三類地區(qū)中第二多，年氣溫16.7 ℃，屬于最高，共14 個(gè)站點(diǎn)控制；三類區(qū)域?qū)儆谥袦馗咚畢^(qū)，地形為山地前及坡地，主要分布在貴州西南部烏蒙山東南側(cè)與東部苗嶺東側(cè)，年降雨最多，達(dá)1 286 mm，年氣溫15.7 ℃，屬于三類區(qū)域中第二高，共11個(gè)站點(diǎn)控制。

2 研究結(jié)果

2.1 氣溫與降水變化趨勢(shì)

從圖2 可知，貴州省在過去近60 年里降雨條件沒有顯著的突變發(fā)生，其變化趨勢(shì)存在一定周期性；氣溫在1997 年左右出現(xiàn)顯著突變，突變后氣溫持續(xù)顯著上升。

如圖2（a）所示，貴州全省降雨MK 序列值在過去近60 年內(nèi)未出現(xiàn)顯著上升或下降趨勢(shì)，始終在0刻度線周圍徘徊，表明其發(fā)展趨勢(shì)在上升和下降之間波動(dòng)；其中出現(xiàn)了6 個(gè)趨勢(shì)突變的拐點(diǎn)，分別在1967 年、1976 年、1983 年、1991 年、2001 年以及2013年，可能存在突變點(diǎn)。進(jìn)一步借助Pt突變檢驗(yàn)分析其突變點(diǎn)出現(xiàn)位置，如圖2（c）所示，發(fā)現(xiàn)最可能出現(xiàn)的突變點(diǎn)位于2013 年，但P值已超過0.05 水平，趨勢(shì)突變并不顯著。同時(shí)，6個(gè)可能突變點(diǎn)之間，降雨序列值存在顯著的下降、上升交替周期性規(guī)律，平均周期長(zhǎng)度在18 a左右。

貴州省氣溫MK 序列呈現(xiàn)顯著的趨勢(shì)突變點(diǎn)，如圖2（b）所示，在1997 年處氣溫變化趨勢(shì)有顯著改變：1997 年以前氣溫呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)，而在1997年以后氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，且不斷加強(qiáng)，在2006 年開始呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。進(jìn)一步根據(jù)Pt 突變檢驗(yàn)分析突變點(diǎn)的顯著性，如圖2（d）所示，發(fā)現(xiàn)1997年為最可能突變點(diǎn)，且P值遠(yuǎn)小于0.05，證明該點(diǎn)為顯著突變點(diǎn)。在該點(diǎn)前氣溫均值為15.57 ℃/a，該點(diǎn)后氣溫均值達(dá)到了16.09 ℃/a，說明氣溫在1997年前后有明顯的上升。

圖2 貴州省降雨氣溫突變檢驗(yàn)圖Fig.2 Abrupt test of precipitation and temperature in Guizhou Province

2.2 水熱變化

根據(jù)聚類分析的結(jié)果，將貴州省按3 個(gè)不同類型的區(qū)域分別對(duì)其降雨、氣溫的趨勢(shì)變化和突變點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3個(gè)類型的區(qū)域存在顯著差異：1類區(qū)域?qū)儆诘蜏氐退畢^(qū)域，1983年以前降雨周期性趨勢(shì)變化和突變點(diǎn)均不顯著，但1983年以來出現(xiàn)周期性趨勢(shì)變化，氣溫于1997 年后出現(xiàn)顯著突變，隨后呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)；2 類區(qū)域?yàn)楦邷刂兴畢^(qū)域，降雨周期性趨勢(shì)變化明顯，但突變點(diǎn)不顯著，氣溫也在1997年出現(xiàn)顯著突變，呈明顯上升趨勢(shì)；3 類區(qū)域?qū)儆谥袦馗咚畢^(qū)域，降水整體趨勢(shì)變化不顯著，周期性不明顯，突變點(diǎn)不顯著，氣溫則在1997 年顯著突變，且上升趨勢(shì)明顯。

其中1類區(qū)域水熱條件趨勢(shì)在時(shí)間上出現(xiàn)顯著改變。如圖3（a）所示，1 類區(qū)域的降雨序列值在1983 年以前呈現(xiàn)單一不顯著上升趨勢(shì)，而在1983年以后開始出現(xiàn)從上升到下降趨勢(shì)的波動(dòng)性變化，具體在1983 年、1992 年和2013 年左右趨勢(shì)發(fā)生變化，在這3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)可能存在突變點(diǎn)，但均未超過0.05 置信水平，為不顯著變化；進(jìn)一步根據(jù)Pt 突變檢驗(yàn)結(jié)果分析，如圖3（g），發(fā)現(xiàn)2013 年為最可能突變點(diǎn)，但P值已經(jīng)達(dá)到0.46，說明該突變點(diǎn)不顯著。同時(shí)1類區(qū)域氣溫呈現(xiàn)明顯的從下降轉(zhuǎn)為上升的趨勢(shì)，如圖3（d）所示，在1997 年有明顯的趨勢(shì)突變，1997年以前氣溫趨勢(shì)為較顯著下降，1997 年以后轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)，且在2010年后呈顯著上升趨勢(shì)；結(jié)合圖3（j）該區(qū)域氣溫Pt突變檢驗(yàn)結(jié)果分析，1997 年為最可能突變點(diǎn)，且P值遠(yuǎn)小于0.05，屬于顯著突變點(diǎn)，突變前氣溫均值為13.97 ℃/a，突變后氣溫均值達(dá)到14.57 ℃/a。

2 類區(qū)域降雨存在明顯的周期性趨勢(shì)變化。如圖3（b）所示，該區(qū)域降雨MK 序列值的趨勢(shì)在過去近60 年間存在6 個(gè)變化拐點(diǎn)，分別為1969 年、1975 年、1981 年、1992 年、2003 年以及2013 年，這6 個(gè)年份為可能突變點(diǎn)，在期間降雨呈現(xiàn)上升、下降交替出現(xiàn)的周期性趨勢(shì)，可分為3 個(gè)18 a 左右的周期，相比1 類區(qū)域，其變化趨勢(shì)較為顯著，但均未超過0.05 顯著性置信水平線；進(jìn)一步根據(jù)Pt突變點(diǎn)檢驗(yàn)，如圖3（h），發(fā)現(xiàn)最可能突變點(diǎn)在1992 年，P值為0.34，比1 類區(qū)域較小，但仍遠(yuǎn)大于0.05 置信水平，屬于不顯著突變，因此認(rèn)為該區(qū)域降雨不發(fā)生顯著突變。同時(shí)2 類區(qū)域氣溫也存在明顯的趨勢(shì)變化，如圖3（e）所示氣溫MK 序列值在1997 年存在折點(diǎn)，1997 年前趨勢(shì)呈現(xiàn)不顯著下降或上升，在1997 年以后趨勢(shì)轉(zhuǎn)為上升，且迅速超過0.05 置信水平線，呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)；同時(shí)結(jié)合Pt 突變點(diǎn)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如圖3（k）所示，最可能突變點(diǎn)出現(xiàn)在1997年，P值遠(yuǎn)小于0.05，屬于顯著突變點(diǎn)，突變前氣溫均值為16.53 ℃/a，突變后氣溫達(dá)到17.08 ℃/a。

3 類區(qū)域同樣存在周期性趨勢(shì)變化，但相比2 類區(qū)域顯著性有所下降。如圖3（c）所示，該區(qū)域內(nèi)的降雨序列值存在6 個(gè)可能突變點(diǎn)，分別位于1966 年、1975 年、1984 年、1990 年、2002年和2013 年，期間降雨MK 序列值呈現(xiàn)上升和下降周期性變化，大致存在3 個(gè)18 年周期，但相比2 類區(qū)域更不顯著；同時(shí)根據(jù)圖3（i）中Pt 突變檢驗(yàn)的結(jié)果，最可能突變點(diǎn)為2013 年，但P值已達(dá)到0.72，遠(yuǎn)大于0.05 置信水平范圍外，說明該區(qū)域趨勢(shì)突變極不顯著。該區(qū)域氣溫較2 類區(qū)域變化更為顯著，如圖3（f）所示在1997 年氣溫序列值存在明顯的突變點(diǎn)，在1997 年以前氣溫序列呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)，1997年以后迅速變化為顯著上升趨勢(shì)；結(jié)合圖3（l）的Pt 突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1997 年為最可能突變點(diǎn)，P值遠(yuǎn)小于0.05，說明該年為顯著突變年份，在1997 年以前氣溫均值為15.22 ℃/a，在1997年以后氣溫達(dá)到15.66 ℃/a。

圖3 貴州省降雨氣溫分區(qū)突變檢驗(yàn)圖Fig.3 Abrupt test of precipitation and temperature in different areas of Guizhou Province

綜合三類區(qū)域的降雨、氣溫突變點(diǎn)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三類區(qū)域降雨各自都存在周期性趨勢(shì)變化規(guī)律，呈現(xiàn)約18 a 左右周期，且2 類區(qū)域周期性最顯著，3 類區(qū)域較顯著，1 類區(qū)域最不顯著，但3個(gè)區(qū)域都不存在顯著的降雨序列突變點(diǎn)；同時(shí)三類區(qū)域氣溫變化都較為一致，存在明顯的從略微下降到顯著上升的趨勢(shì)突變，且都在1997年出現(xiàn)顯著突變點(diǎn)。

2.3 降雨周期規(guī)律

根據(jù)貴州省全省和各類型區(qū)的降雨小波系數(shù)（圖4）發(fā)現(xiàn)：貴州省降雨在近60 年間存在顯著周期性規(guī)律。圖4 中小波系數(shù)峰值出現(xiàn)極值交替的時(shí)間尺度，可認(rèn)為存在周期規(guī)律的小波系數(shù)極值所在的尺度范圍。在23～32 a 尺度范圍內(nèi)出現(xiàn)了7 次震蕩和4 個(gè)高值中心，3 個(gè)低值中心，小波系數(shù)震蕩變化規(guī)律，證明此時(shí)間尺度下周期性規(guī)律比較穩(wěn)定，具有全域性；在16～20 a尺度范圍內(nèi)，小波系數(shù)主要是在1968年以前和2007年以后存在明顯的震蕩，證明在這些時(shí)期內(nèi)有周期變化規(guī)律；而8～12 a 尺度上僅僅在2008 年后小波系數(shù)出現(xiàn)了震蕩變化，證明此周期變化規(guī)律在2008 年后比較顯著。考慮小波變換帶來的左右邊界效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在貴州省全域的降雨小波系數(shù)分布存在一定的平移和扭曲，主要在于左右邊界小波系數(shù)的加強(qiáng)，但在上述3種時(shí)間尺度范圍內(nèi)仍然存在顯著的周期性波動(dòng)規(guī)律，證明降雨序列的周期性規(guī)律較為顯著，受到小波變換邊界效應(yīng)影響較小。

圖4 小波系數(shù)實(shí)部等值線圖Fig.4 Wavelet value of Guizhou Province

進(jìn)一步對(duì)小波系數(shù)的方差值變化（圖5）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：全省降雨的小波系數(shù)方差值在32、24和10 a時(shí)間尺度上存在明線峰值，判斷為3 個(gè)特征時(shí)間尺度，可能出現(xiàn)序列變化的主周期；在1 類區(qū)域中僅存在32 a 和10 a 兩個(gè)特征時(shí)間尺度，而2 類和3類區(qū)域內(nèi)均存在32、24和10 a三個(gè)特征時(shí)間尺度。將這些特征時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)按時(shí)間順序排列后發(fā)現(xiàn)，如圖6所示，32 年的小波系數(shù)存在22 a左右的完整振蕩的時(shí)間周期，將其定義為第一變化主周期，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在1970-2000 年間小波系數(shù)振蕩幅度減弱，說明其周期性在20 世紀(jì)70 年代開始逐漸減弱，在21 世紀(jì)初再次增強(qiáng)；在24 a 的特征時(shí)間尺度上小波系數(shù)存在18 a 的第二變化主周期，和在10 a 特征時(shí)間尺度上存在長(zhǎng)度為8 a的第三變化主周期。

圖5 小波系數(shù)方差值圖Fig.5 Variance of wavelet coefficients of Guizhou Province

圖6 降雨小波系數(shù)周期分布圖Fig.6 Periodic distribution of precipitation wavelet coefficients

綜上，貴州全省除1類區(qū)域外，降雨均存在較明顯的三個(gè)周期性規(guī)律疊加，分別為22 a長(zhǎng)度的第一變化主周期、18 a長(zhǎng)度的第二變化主周期和8 a 長(zhǎng)度的第三變化主周期，且周期性都在1970年開始周期性減弱，在2005年以后開始增強(qiáng)而1類區(qū)域僅存在長(zhǎng)度為22 a 和8 a 的第一、第三變化主周期，周期性同樣在1970年開始減弱。

2.4 氣溫周期規(guī)律

根據(jù)貴州省全省和各類型區(qū)域氣溫小波系數(shù)可知（圖7）：貴州省年氣溫在近60 a 間存在一定的周期變化規(guī)律。其中小波系數(shù)在20～32 a 尺度范圍內(nèi)出現(xiàn)7 次震蕩和4 個(gè)高值中心、3個(gè)低值中心，證明此時(shí)間尺度下周期性規(guī)律比較穩(wěn)定，具有全域性；在16～20 a 尺度范圍內(nèi)出現(xiàn)了4 次震蕩和4 個(gè)高值中心、4個(gè)低值中心，但主要是分布在1986 年以前和1998 年以后，證明此時(shí)間尺度下存在周期性規(guī)律，但在1986-1998 年間不明顯。結(jié)合小波變換的邊界效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在貴州省全域及各類型區(qū)域的氣溫序列的小波系數(shù)分布中，左右邊界的小波系數(shù)值有較為明顯被平移和扭曲的狀態(tài)，說明其受到邊界效應(yīng)的影響較大，在兩側(cè)的小波系數(shù)也被顯著地放大，導(dǎo)致兩側(cè)的周期變化規(guī)律較為顯著，而在1980-2005年間的小波系數(shù)周期性規(guī)律并不顯著，說明貴州省氣溫周期性規(guī)律不顯著。

圖7 小波系數(shù)實(shí)部等值線圖Fig.7 Wavelet value of Guizhou Province

進(jìn)一步分析氣溫小波系數(shù)的方差值的變化（圖8）可得：3個(gè)類型區(qū)域的氣溫小波方差值整體上都與貴州省全省較為一致，都在32 a 和24 a 處存在小波方差峰值，判斷該處為兩個(gè)特征時(shí)間尺度，可能存在序列值變化的主周期。將特征時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)按時(shí)間順序排列后發(fā)現(xiàn)（圖9），在這兩個(gè)時(shí)間尺度下存在著長(zhǎng)度為18 a 及15 a 的序列振蕩周期，分別將其定義為第一、第二變化主周期，且周期性在1985年開始逐漸減弱，2005年周期性開始增強(qiáng)，與降雨周期變化規(guī)律相比晚10 a 左右。但同時(shí)注意到氣溫的小波系數(shù)序列值在左右邊界振蕩顯著增強(qiáng)，中間的震蕩幅度則較弱，說明受小波變化邊界效應(yīng)的影響，氣溫原本的周期性規(guī)律并不顯著，呈微弱的兩個(gè)主周期疊加。與降雨的周期性分布規(guī)律相比，貴州省氣溫的周期性整體都較為一致，3個(gè)類別的聚類區(qū)域沒有明顯差異，說明貴州省氣溫的周期型分布在空間上較為均勻。

圖8 小波系數(shù)方差值圖Fig.8 Variance of wavelet coefficients of Guizhou Province

圖9 氣溫小波系數(shù)周期分布圖Fig.9 Periodic distribution of temperature wavelet coefficients

綜上可得，貴州省全省氣溫存在較微弱的18 a 和15 a 尺度的周期性疊加，并在1985 年左右周期性減弱，水熱震蕩規(guī)律出現(xiàn)變化，在2010 年規(guī)律又再次恢復(fù)，3 個(gè)區(qū)域沒有顯著差異，周期性規(guī)律均不顯著。

2.5 干燥度變化趨勢(shì)

如圖10 所示，自1981 年以來，貴州省干燥度呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，且主要在1992年左右出現(xiàn)不顯著突變點(diǎn)。從圖10（a）至10（d）中MK 檢驗(yàn)結(jié)果可知，貴州省全省和各區(qū)域的干燥度整體變化趨勢(shì)均不顯著，在1982年、1992年和1997年出現(xiàn)趨勢(shì)變化的拐點(diǎn)，可能存在突變點(diǎn)；進(jìn)一部分析Pt 突變檢驗(yàn)的結(jié)果，如圖10（e）至10（h）所示，最可能突變點(diǎn)均出現(xiàn)在1992 年左右，該點(diǎn)處貴州省全省及各區(qū)域的干燥度突變點(diǎn)P值為0.07、0.24、0.09、0.15，均超過0.05顯著水平，屬于較不顯著的突變點(diǎn)；突變前，全省及各區(qū)域干燥度均值為1.24、1.39、1.28、1.17，突變后均值下降至1.08、1.27、1.07、1.04，干燥度呈下降趨勢(shì)。

圖10 貴州省干燥度分區(qū)突變檢驗(yàn)圖Fig.10 Abrupt test of dryness in different areas of Guizhou Province

2.6 喀斯特地貌區(qū)域降雨氣溫變化

根據(jù)王世杰等學(xué)者對(duì)于貴州省喀斯特地貌區(qū)域的分類［35，36］，結(jié)合貴州省降雨氣溫分布情況（圖11）可以看出，位于貴州省西北部以黔西北和黔北喀斯特峰林為主的一類區(qū)域內(nèi)降雨開始減少，氣溫開始升高，降雨和氣溫的周期性繼續(xù)增強(qiáng)，使得原本水資源相對(duì)偏少的一類區(qū)域內(nèi)未來水資源狀況更為不利。位于貴州省中東部地區(qū)以黔南、黔中喀斯特峰林區(qū)為主的二類區(qū)域內(nèi)，降雨、氣溫都呈現(xiàn)增高趨勢(shì)，周期性規(guī)律增強(qiáng)；這將導(dǎo)致該地區(qū)的水資源賦存狀況增加，有利于水資源開發(fā)利用，而同時(shí)對(duì)于水資源分配與利用的條件變得更為復(fù)雜，影響因素更多。位于貴州省西部以黔西南喀斯特峰林區(qū)為主，和東部的以非喀斯特的陸源碎屑巖地貌為主的三類區(qū)域內(nèi)，降雨呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，氣溫則較為顯著增加，周期性也逐漸增強(qiáng)，這導(dǎo)致水資源較為豐沛的三類區(qū)域未來水資源有一定的減少，水資源分配規(guī)律更為復(fù)雜，對(duì)于區(qū)域內(nèi)建立工程進(jìn)行水資源開發(fā)利用有所不利。

圖11 貴州省喀斯特地貌區(qū)域內(nèi)降雨氣溫變化Fig.11 Change of precipitation and temperature in Guizhou karst area

3 討論

3.1 氣象因子影響

目前多數(shù)研究表明，貴州省降雨在1961-2010 年50 a 內(nèi)有略微下降趨勢(shì)但不顯著，呈現(xiàn)明顯多周期疊加震蕩［12-14］；在這50 a內(nèi)整體氣溫呈上升趨勢(shì)，尤其在20世紀(jì)90年代開始升溫顯著，存在10 a 以上長(zhǎng)時(shí)間尺度的周期性［10，16］。以往的研究預(yù)測(cè)貴州省水熱條件受氣候變化的影響雖然不大，但仍然出現(xiàn)趨勢(shì)突變［1，8］，這與近十年水熱趨勢(shì)的顯著變化和周期性的恢復(fù)存在相關(guān)性。大量研究發(fā)現(xiàn)［12，37-42］，貴州省的降雨、氣溫條件與大氣系統(tǒng)中的副熱帶高壓、水汽環(huán)流條件等息息相關(guān)，氣候變化對(duì)這些氣象系統(tǒng)帶來一定的影響。貴州省水熱條件如果不受氣候變化影響，則其周期性規(guī)律應(yīng)當(dāng)保持存在，但本研究結(jié)果顯示其周期性存在明顯的顯著到減弱再到恢復(fù)顯著的特征，其存在的突變現(xiàn)象與氣候條件變化有相關(guān)關(guān)系。此外，根據(jù)苗娟、林振山［19］的研究，我國(guó)西南地區(qū)的降雨在不同的時(shí)間尺度上存在著不同的影響因子：在32 a 尺度變化下，降雨最主要是與副高強(qiáng)度和副高面積相關(guān)性最高（大于0.97），而11～20 a 尺度下的主要受到副高強(qiáng)度的影響（相關(guān)系數(shù)0.71）。本研究發(fā)現(xiàn)貴州省在3 個(gè)時(shí)間尺度下存在的3 個(gè)主周期，與副高周期規(guī)律存在一定相關(guān)性，然而副高的周期性變化涉及到副高多個(gè)指數(shù)的變化，其與貴州省降雨的具體相關(guān)機(jī)理較為復(fù)雜，目前能夠假設(shè)副高與貴州省降雨存在同樣的突變相關(guān)，具體相關(guān)機(jī)理有待未來進(jìn)一步研究證明。

3.2 西南地區(qū)水熱條件變化趨勢(shì)

研究中貴州省水熱條件存在多個(gè)周期規(guī)律疊加的結(jié)果，與其他學(xué)者認(rèn)為降雨減少［6-9］，氣溫增高［11，16，25，31］，周期交替［10-16］的結(jié)論一致。但對(duì)于水熱條件的周期性規(guī)律，本研究認(rèn)為貴州省水熱條件均處在0.05 置信水平線以內(nèi)，并未出現(xiàn)顯著變化趨勢(shì)（如圖3、6 所示）。該結(jié)論與他人研究結(jié)果（西南地區(qū)水熱條件周期性規(guī)律多變［9-11］）不同，主要受到貴州省地形條件的影響。貴州省由于地理位置特殊，下墊面包含高原與丘陵地形區(qū)域，氣象條件分布不一，導(dǎo)致其水熱條件分布差異大，第三類區(qū)域與西南地區(qū)整體規(guī)律較為接近，尤其是與云南地區(qū)接近，而一二類區(qū)域規(guī)律與西南地區(qū)呈現(xiàn)相反的變化，與廣西、四川地區(qū)更相似［31］。部分區(qū)域地理位置接近但水熱規(guī)律并不相似，這是由于西南地區(qū)不同區(qū)域的氣象條件不同，導(dǎo)致其水熱條件受影響的因素不同。因此，貴州省受地形影響，不同區(qū)域水熱條件變化規(guī)律不同，部分區(qū)域與西南地區(qū)規(guī)律一致，而部分地區(qū)存在差異。

4 結(jié)論

研究對(duì)貴州省近60年來實(shí)測(cè)水熱要素?cái)?shù)據(jù)分析，探究其分布特征與周期性規(guī)律，結(jié)果表明：①貴州省近60 年來降雨變化趨勢(shì)不顯著，但存在明顯的周期性波動(dòng)，氣溫在2000 年后由下降轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)，近十年來更為顯著，三類區(qū)域的水熱條件差異顯著；②降雨呈現(xiàn)22 a、8 a兩個(gè)尺度的周期性規(guī)律，中溫高水和高溫中水區(qū)還存在18 a 周期，周期性在1975 年左右開始減弱，近10年來恢復(fù)；③氣溫呈現(xiàn)18 a和15 a周期性規(guī)律，在1985年左右開始周期性減弱，近十年來增強(qiáng)；④干燥度在1980 年開始上升，1990 年后呈下降趨勢(shì)；⑤未來高溫中水區(qū)水資源賦存可能增加，相對(duì)低溫低水區(qū)、中溫高水區(qū)區(qū)域開發(fā)利用條件更有利。本研究結(jié)果可為將來研究與規(guī)劃貴州省水資源分布提供更詳細(xì)的長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)支持，同時(shí)對(duì)未來進(jìn)一步研究貴州省及西南地區(qū)的氣候變化、水文循環(huán)與生態(tài)環(huán)境研究具有參考意義。