貴州省1960～2017年降水時空變化特征

姚 越，趙 華 榮，劉 圣 鋒

(1.桂林理工大學 環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004； 2.桂林理工大學 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004； 3.桂林理工大學 巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004)

受全球變暖和人類劇烈活動的影響，全球或地區水循環系統發生了巨大的變化，導致區域降水異常事件頻發[1-3]，給人類的生產和生活以及生命財產安全造成了嚴重的影響[4-5]。因此，通過研究降水時空變化規律，對旱澇等降水災害演變及生態環境安全都有重要意義，也可為人們生活生產及防災減災工作提供一定的科學依據。

目前,國內外許多學者運用了多種新的研究方法，對全球或地區的降水變化進行了大量的研究，并在降水預測和方法運用改進等方面取得了豐碩的成果。林朝暉等用MIP5模式分析研究了中國東部夏季降水氣候態和年代際變化的變化特征，并對該模式的模擬能力進行研究[6]。趙嘉陽等基于EOF對福建省降水量的時空變化特征進行了詳細的分析研究[7]。Lee等對大尺度氣候下降水指數的變異性、遙相關和可預測性進行了研究[8]。Tong等研究了近57a來內蒙古極端溫度和降水事件的時空變異性[9]。Wu等對中國1961～2014年間復合降水和極端氣溫的變化進行了研究[10]。景丞等對基于區域氣候模式CCLM的中國極端降水事件預估進行了研究[11]。上述研究表明，在全球氣候變化的大背景下，各地區降水量和降水時空結構均發生了顯著的變化。

貴州省地處中國西南部，位于云貴高原之上，地形復雜，降水豐富，屬亞熱帶季風氣候，受大氣環流和地形影響較明顯。直至目前，已有諸多學者對該地區進行了研究。周明飛等從短時強降水方面，對貴州省降水變化進了研究[12]。孔德璇等對近40 a貴州省主汛期降水時空變化進行了研究[13]。李忠燕等運用低頻圖對貴州省汛期延伸期強降水在預測應用方面進行了研究[14]。張波等研究了貴州省山區降水集中度及其結構變化特征[15]。趙志龍等研究了1960～2016年貴州省高原降水變化特征及重心轉移[16]。王芬等研究了貴州省各等級降水歷時的氣候特征及其與降水量的關系[17]。唐圣鈞等研究了基于DEM的貴州省山區氣溫以及降水的推算方法[18]。林梽桓等在全球氣候變化大背景下，對貴州省草海濕地極端降水特征進行了研究[19]。甘文強等研究了近57 a 5～9月貴州省極端強降水變化特征[20]。蒙軍等運用了雷達演變對貴州省一次短時強降水進行了研究[21]。綜上研究表明，貴州省地區降水無論在結構變化，還是降水量方面都發生了明顯的變化。本文利用降水發生率和貢獻率以及Mann-Kendall法，對貴州省地區降水時空結構及其變化趨勢進行分析研究，探討1960～2017年間降水的變化規律。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文選取了中國氣象科學數據共享服務平臺(http://data.cma.cn)1960～2017年貴州省內32個氣象站逐日降水數據(見圖1)。這些站點分布較為均勻，各站點數據完整，由于原始數據表示方式不統一，故對數據進行預處理，忽略各站點的微量降水，用實際降水量來表示降雪等形式的降水。用R語言編制小程序從原始數據中分篩選出各歷時降水和各等級降水的數據，采用Excel統計分析和制作熱圖。

圖1 研究區站點位置

1.2 研究方法

本文將從降水歷時和降水等級兩個方面出發,研究分析貴州省降水時空變化特征。根據氣象部門的有關規定，日降水量≥0.1 mm即為有效降水。降水歷時指從一次降水開始到結束這一過程所經歷的日數，根據前人研究成果，將降水歷時分成11類，即1，2，3，4，5，6，7，8，9，10 d和>10 d。降水等級則分為以下4類：小雨(0.1～10 mm)，中雨(10～25 mm)，大雨(25～50 mm)和暴雨(≥50 mm)。

同時,引入降水發生率和貢獻率兩個指標,從而能更好地分析貴州省的降水結構變化。降水發生率，即某一歷時降水過程出現的頻次占所有歷時降水過程頻次的百分比。降水貢獻率，即某一等級降水過程降水量占總降水量的百分比。采用Mann-Kendall非參數檢驗方法進行趨勢分析。該方法對數據的分布沒有要求，對奇異值也不敏感，在降水數據分析方面得到廣泛應用,非常適合用來研究降水歷時和降水等級的發生率和貢獻率的趨勢。

2 各歷時與等級降水發生率、貢獻率變化特征

2.1 各歷時降水區域統計特征

圖2為貴州省不同地區各歷時降水發生率和貢獻率。圖2中的發生率和貢獻率是將32個氣象站點各歷時降水發生率和貢獻率分別求平均值所得。由圖2可得，各歷時降水發生率隨著降水歷時的增加，總體呈現出減少的趨勢。降水歷時1，2，3，4，5，6，7，8，9，10 d和>10 d 對應的降水發生率分別為33.21%，23.07%，14.40%，9.34%，6.27%，4.26%，2.86%，1.93%，1.37%，0.94%和2.35%。如果不考慮>10 d的降水發生率，其余歷時的降水發生率呈現出明顯的減少趨勢。

圖2 貴州省各歷時降水發生率和貢獻率

各歷時降水貢獻率隨著歷時的增加，總體呈現出先增加后減少的趨勢。其中2 d和3 d歷時降水貢獻率最大，分別為14.85%和14.64%；其余歷時降水貢獻率從大到小的排序依次為4 d(12.51%)，>10 d(10.54%)，5 d(10.52%)，1 d(8.90%)，6 d(8.77%)，7 d(6.78%)，8 d(5.23%)，9 d(4.17%)，10 d(3.09%)。

從歷時降水發生率和貢獻率看，1～5 d發生率之和與貢獻率之和占總體比重均較高，分別為86.28%與61.42%。分析表明貴州地區以短歷時降水為主，短時間的大量降水也是地區洪澇災害發生的重要因素。>10 d的降水貢獻率雖然較高，但因其降水歷時較長，排泄系統有足夠的時間將降水排泄，對地區洪澇災害的影響不大。

2.2 各歷時降水空間分布特征

圖3為貴州省32個站點各歷時降水發生率和貢獻率的數據熱圖。從圖3(a)降水發生率看,歷時1，2，3 d降水發生率最高和最低站點分別對應為羅甸(41.08%)和織金(27.68%)，正安(26.27%)和織金(20.05%)，仁懷(16.43%)和安順(13.05%)。其余各站點各歷時降水發生率差別不是很明顯，4～10 d的降水發生率分別為7.57%～10.74%，4.12%～7.73%，2.83%～5.59%，1.70%～4.36%，1.09%～2.91%，0.56%～2.11%，0.32%～1.75%。>10 d降水發生率最大的站點為普安(5.01%)，最小站點為桐梓(0.75%)。

根據各站點不同歷時降水發生率的對比分析，短歷時降水發生率較高的站點為(1～3 d降水發生率之和)：桐梓、正安、仁懷、余慶、思南、銅仁、望謨、羅甸、榕江；其次為威寧,習水、松桃、息烽、湄潭、黔西、貴陽、凱里、三穗、黎平、天柱、興仁、紫云、惠水、獨山和荔波；再次為普安、盤縣、畢節、織金、安順、都勻和興義。貴州省各歷時降水發生率空間變化情況大致為從東北至西南呈減少趨勢。

從圖3(b)降水貢獻率看，各站點降水貢獻率隨著歷時增加，總體上呈先增加后減少的趨勢。各歷時降水貢獻率最大為2～4 d和>10 d，其中2～4 d的降水貢獻率分別在10.68%～19.64%，10.37%～18.38%，9.80%～14.62%，>10 d的降水貢獻率在4.87%～19.44%。各歷時中各站點間的降水貢獻率差異也較大，其中降水貢獻率差異最大的歷時為>10 d(差異為14.57%)，其次為1 d(差異為9.20%)和2 d(差異為8.95%),再次為3 d(差異為8.01%)，4～10 d的降水貢獻率分別在9.80%～14.62%，7.79%～12.51%，6.91%～10.62%，5.18%～8.75%，3.35%～7.32%，2.37%～6.19%，1.62%～4.83%。對比得出，歷時為4～10 d各站點間的降水貢獻率差異較小，降水貢獻率差異在3.50%左右。

綜上可知，貴州省地區降水貢獻率主要集中在2～4 d和>10 d。根據各站點降水貢獻率和位置關系，可以將32個站點大致分成4類：第1類為2～4 d降水貢獻率之和(≥45.0%)較大的站點有桐梓、正安、仁懷、余慶、思南、銅仁、貴陽、羅甸和榕江；第2類為>10 d降水貢獻率較大(≥15.0%)的站點,有威寧、普安、盤縣、織金、興仁和興義；第3類為2～4 d降水貢獻率之和相對較大(≥35.0%)，且>10 d的降水貢獻率相對較大(≥10.0%)的站點,有習水、松桃、畢節、湄潭、都勻、三穗、黎平、紫云、惠水、獨山和荔波；第4類為2～4 d降水貢獻率之和相對較大(≥35.0%)，且>10 d降水貢獻率相對較小(≤10.0%)的站點有息烽、黔西、安順、凱里、天柱和望謨。從各站點各歷時降水貢獻率對比分析可知，貴州省東北部站點2～4 d的降水貢獻率較大，西南部站點>10 d的降水貢獻率較大，其他站點1～4 d和>10 d的降水貢獻率相對較大。

圖3 貴州省各站點不同歷時降水發生率和貢獻率熱圖

2.3 各等級降水區域統計特征

圖4為貴州省32個站點各等級的降水發生率和貢獻率統計圖。圖4中的發生率和貢獻率是將32個氣象站點各等級降水發生率和貢獻率分別求平均值所得。從圖4可知，貴州省各等級降水發生率分別為小雨(80.81%)，中雨(12.43%)，大雨(4.99%)和暴雨(1.77%)。可見，隨著降水等級增大，降水發生率減小，且各等級降水發生率間差異較大。各等級降水貢獻率分別為小雨(27.24%)，中雨(29.83%)，大雨(25.10%)和暴雨(17.83%)。可見，隨著降水等級增大，降水貢獻率呈先增大后減小的趨勢，且各等級降水貢獻率間差異較小，貢獻率差異為2.14%～12.00%。綜合分析貴州省地區降水以小雨為主，各等級降水貢獻率差異較不明顯。

圖4 貴州省各降水等級發生率和貢獻率

2.4 各等級降水空間分布特征

圖5為貴州省32個站點各等級降水發生率和貢獻率熱圖。從圖5(a)降水發生率來看，各站點降水發生率隨著降水等級增大而減小，各降水等級間發生率的關系為：小雨>中雨>大雨>暴雨,各降水等級的發生率變化范圍分別為：小雨(76.71%～87.85%)，中雨(8.64%～15.03%)，大雨(2.74%～6.42%)和暴雨(0.71%～3.09%)，其中小雨發生率最高的前3個站點為畢節(87.85%),習水(86.20%),威寧(85.90%),暴雨發生率最高的前兩個站點為望謨(3.09%)和都勻(2.48%)。大雨和暴雨發生率(大雨發生率≥6%，暴雨發生率≥3%)較高的站點有：銅仁、都勻、望謨、松桃、興義、興仁、紫云、羅甸、荔波、榕江、黎平、天柱和盤縣，如圖6(a)所示。其余各站點的各降水等級之間差別不大。

從圖5(b)降水貢獻率來看，各站點降水貢獻率隨著降水等級的增加，總體上呈先增加后減少趨勢。小部份站點呈相反趨勢。其中貢獻率隨著降水等級的增加而減少的站點有威寧、桐梓、習水、畢節、仁懷和黔西。各站點小雨、中雨、大雨和暴雨貢獻率的變化范圍為：21.33%～36.40%，25.15%～35.57%，20.79%～28.07%，9.12%～28.31%，其中小雨貢獻率相對較高(≥30%)的站點有威寧、桐梓、習水、畢節、仁懷、黔西；中雨和大雨各站點的降水貢獻率差別較小,其中，大雨貢獻率最高(≥28%)的站點有榕江和荔波；暴雨貢獻率較高(≥20%)的站點有織金、安順、都勻、望謨、松桃、興義、興仁、紫云、惠水、羅甸和荔波，如圖6(b)所示。

綜上分析，各站點降水發生率隨著降水等級的增加而減少，貴州省地區降水以小雨為主，貢獻率較高的降水等級為中雨和大雨，但各站點各降水等級間貢獻率差異較小。西北部地區小雨的發生率和貢獻率較高，中部和南部地區暴雨的貢獻率較高，發生率也相對較高，是誘發洪澇災害的重要原因之一。

圖5 貴州省各站點降水等級發生率和貢獻率熱圖

2.5 各歷時降水變化趨勢分析

圖7為各站點降水歷時的發生率和貢獻率趨勢分析Kendall秩熱圖。由圖7(a)各站點各歷時降水發生率秩熱圖可以看出:2，1，5 d降水發生率呈增加的站點較多，其中2，1 d和5 d降水發生率呈增加趨勢的站點個數分別為32，29個和16個，其余各歷時降水發生率呈增加趨勢的站點都只有總站點數的一半。由此可知，貴州省地區除了2 d和1 d外，多數歷時降水發生率都呈減少趨勢。從空間來看，望謨站點有9個歷時降水發生率呈減少趨勢；8個歷時降水發生率均呈減少趨勢的站點有：習水、黔西、黎平、紫云、荔波，其中正安站只有3個歷時降水呈減少趨勢，其余站點差異不大。

圖6 貴州省大雨、暴雨發生率和貢獻率較高站點分布

圖7 貴州省各站點各降水歷時發生率和貢獻率Kendall秩熱圖

從圖7(b)降水歷時貢獻率秩熱圖可以看出:短期降水貢獻率呈增加趨勢的站點占多數，長期降水貢獻率呈減少趨勢的站點較多。其中，1 d各站點降水貢獻率都呈增加趨勢，2，3，5 d和6 d降水貢獻率呈增加趨勢的站點數分別為31，26，21個和17個，其余各歷時降水貢獻率呈減少趨勢的站點數都超過16個。總體來看，貴州省地區各歷時降水貢獻率呈增加和減少趨勢的站點數分別有15個和16個，即貴州省地區降水貢獻率總體上呈減少趨勢，但不是很明顯。空間上看,桐梓站、思南站和望謨站多數歷時降水貢獻率都呈減少趨勢,且尤為明顯，貢獻率呈減少趨勢的歷時個數分別為9,7個和7個。降水貢獻率呈減少趨勢歷時個數最少的站為：松桃站和三穗站，僅有3個歷時呈減少趨勢。

2.6 各等級降水變化趨勢分析

圖8為各等級降水發生率和貢獻率趨勢分析Kendall秩熱圖。從圖8(a)各站點等級降水發生率秩熱圖來看，大多數站點中雨，大雨和暴雨發生率都呈增加趨勢，而小雨的發生率多呈減少趨勢。中雨、大雨和暴雨發生率呈增加趨勢的站點數分別為19,25個和27個。從圖8(b)各站點等級降水貢獻率秩熱圖來看，大多數站點小雨和中雨的貢獻率都呈減少趨勢，反之大雨和暴雨的貢獻率呈增加趨勢。其中小雨和中雨貢獻率呈減少趨勢的站點數為22個和25個，大雨和暴雨貢獻率呈增加趨勢的站點數為17個和25個。總的來看，多數站點小雨的發生率和貢獻率都呈減少趨勢，大雨和暴雨的發生率和貢獻率基本一致，都呈增加趨勢。而大多數站點中雨的發生率與其貢獻率趨勢正好相反。

圖8 貴州省各站點各降水等級發生率和貢獻率Kendall秩熱圖

3 結 論

(1)貴州省32個氣象站降水歷時發生率綜合分析表明:降水發生率隨著歷時的增加呈減少趨勢,主要以短期降水為主,其中1，2，3 d和4 d降水發生率分別為33.21%，23.07%，14.40%，9.34%。降水貢獻率隨著歷時的延長，總體上呈先增加后減少趨勢，其中2d和3d的貢獻率最大，分別為14.85%和14.64%，其次為4 d(12.51%)，再次為>10 d(10.54%)。各歷時降水空間差異主要表現為短歷時降水發生率從貴州省東北部至西南部大致呈減少趨勢，東北部站點(桐梓、正安、仁懷、余慶、思南、銅仁、貴陽、羅甸、榕江)2～4 d的降水貢獻率較大，西南部站點(威寧、普安、盤縣、織金、興仁、興義)>10 d的降水貢獻率較大，其他站點1～4 d和>10 d的降水貢獻率相對較大。可以看出，貴州省東北部地區短歷時降水致災的可能性較大。

(2)降水發生率隨著降水等級的增加，總體上呈減少趨勢，降水則以小雨為主，發生率高達80.81%，其次為中雨(12.43%),再次為大雨(4.99%)和暴雨(1.77%)。貢獻率隨著降水等級的增加，總體上呈先增加后減少的趨勢，各等級降水貢獻率之間的差異不大，大致關系為：中雨>小雨>大雨>暴雨。等級降水的空間差異主要表現為：各站點等級降水發生率范圍為小雨(76.71%～87.85%)，其次為中雨(8.64%～15.03%)，再次為大雨(2.74%～6.42%)和暴雨(0.71%～3.09%)，其中小雨發生率最高的站點為畢節(87.85%),其次為習水(86.20%),再次為威寧(85.90%),暴雨發生率最高的站點為望謨(3.09%)和都勻(2.48%)。其余站點等級降水發生率差異較小。各站點貢獻率隨著等級的增加大致呈先增加后減少趨勢，其中小雨貢獻率(≥30.0%)較高的站點有威寧、桐梓、習水、畢節、仁懷和黔西；中雨和大雨各站點的降水貢獻率差異較小；暴雨貢獻率(≥20.0%)較高的站點有織金、安順、都勻、望謨、松桃、興義、興仁、紫云、惠水、羅甸和荔波。小雨對西北部地區貢獻率較高，而中部和南部地區暴雨的貢獻率較高。由此可見，暴雨致災的可能性值得引起注意。

(3)各歷時降水發生率和貢獻率在總體變化趨勢上基本類似，其中歷時1，2 d和5 d降水發生率和貢獻率都呈增加趨勢的站點占多數(其中，1 d和2 d呈增加趨勢的站點較多)，歷時4 d和大于6 d的降水發生率變化趨勢主要以減少為主，而3 d和6 d主要表現為發生率呈減少趨勢的站點占多數，反之其貢獻率呈增加趨勢的站點較多。各等級降水發生率和貢獻率變化趨勢上基本類似，其中大雨和暴雨呈增加趨勢的站點較多，反之小雨呈減少趨勢的站點較多，而中雨發生率呈增加趨勢的站點較多，其貢獻率則反之。