1961—2014年贵州省干湿状况时空变化及影响因素分析

韩会庆，张朝琼，王轶，程植，文明，王鹏，刘利斌

(1.贵州理工学院 建筑与城市规划学院，贵州 贵阳 550003；2.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025)

在全球变暖背景下，气候变化深刻影响着区域水循环，进而影响干湿状况[1，2]。气候干湿研究对农业产业布局、农业气候区划、应对气候变化具有重要意义，日益受到学者们的关注。目前，关于气候干湿变化的研究集中在不同尺度气候干湿变化，干湿变化影响因素等方面。学者们在全国、省域、区域、流域、市域等各空间尺度上进行大量的研究[3～7]。气候指标法[8]、树轮分析法[9]、遥感分析法[10]等方法广泛应用。其中气候指标法涉及降水距平百分率、标准化降水指数、标准化降水蒸散指数、帕尔默干旱指数、湿润指数、干燥度指数、综合气象干旱指数、相对湿润度指数等[11]。降水量、温度、日照时数、风速、相对湿度等气候要素变化是气候干湿变化影响因素研究的重要内容。如王朕等[12]研究发现降水增多和风速减小是长江源湿润化的主要原因，平均气温上升和相对湿度下降是黄河源干旱化的主要原因。尽管各地区的气候干湿变化及影响因素研究受到学者的关注，但这些研究鲜有关注贵州地区。

贵州省是气候变化区域差异较大，变化较为复杂的地区之一，在全球气候变暖推动下，其降水量和蒸散量势必发生改变，进而影响气候干湿状况，对此缺乏相应的研究。此外，贵州省农业生产在全省社会经济发展中发挥着重要作用，且农业主要为“雨养型”，稳定的气候干湿状况对农业生产至关重要[13]。鉴于此，本研究选取湿润指数，分析贵州省1961—2014年气候干湿状况时空变化特征及影响因素，以期为该区农业生产、气候区划、应对气候变化风险提供科学依据。

1 研究方法

1.1 数据来源

本研究采用的数据是1961—2014年贵州省84个气象站点逐日观测数据(图1)，包括日降水量、日平均气温、日照时数、风速、平均水汽压、平均相对湿度等。各站点数据经过一致性检验和质量控制，能满足本研究需要。四季：春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)和冬季(12月至次年2月)。干季为11月至次年3月，湿季为4～10月。

图1 贵州省气象站点分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in Guizhou Province

1.2 研究方法

(1)湿润指数

湿润指数是反映气候干湿状况的重要气候指标之一，体现了不同时空尺度的水分的收支状况，同时，湿润指数还能通过蒸散量与降水量2个因素表征气候干湿变化特征[14]。其计算公式为：

I=P/ET0

(1)

(2)

式中，I为湿润指数，P为降水量/mm，ET0为潜在蒸散量/mm，△为饱和水气压曲线斜率/kPa·℃-1，Rn为太阳净辐射/MJ·m-2·d-1，G等于0，γ等于0.066，T为日平均气温/℃，U2为2 m高处风速/m·s-1，es和ea分别为饱和水气压和实际水汽压/kPa。湿润指数越大，表示气候趋于湿润，反之，气候趋于干燥。

(2)气候变化倾向率

利用线性回归方程表示气候变化趋势，一般利用线性回归方程斜率的10倍代表气候变化倾向率[15]，其公式为：

y=at+b

(3)

式中，t为时间，a为回归方程系数，b为回归方程常数，10a代表为气候变化倾向率，如10a>0表示湿润指数呈上升趋势，10a<0表示湿润指数呈下降趋势。

(3)其他方法

利用ArcGIS软件的Kring插值法[16]将84个气象站点的湿润指数变化趋向率进行空间插值；利用Morlet连续复小波变换[17]分析湿润指数变化的周期特征；利用SPSS软件中的相关分析法[18]进行湿润指数与各气候因子之间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 湿润指数时间变化

如图2和图3所示，1961—2014年贵州省全年、湿季、春季和秋季的湿润指数呈下降趋势，其中秋季的下降幅度相对较大，全年、湿季、春季的下降幅度相对较小。干季、夏季和冬季的湿润指数呈上升趋势，其中冬季的上升幅度相对较大，干季和夏季的上升幅度相对较小。

图2 1961—2014年全年和干湿季的湿润指数变化趋势Fig.2 Change trend of humid index in annual, dry and wet seasons from1961 to 2014

图3 1961—2014年四季的湿润指数变化趋势Fig.3 Change trend of humid index in four seasons from1961 to 2014

2.2 湿润指数变化空间格局

从图4和图5可见，贵州省全年的湿润指数变化倾向率高值区主要集中六盘水南部、安顺市大部和遵义市西南部，低值区主要分布贵阳市东南部。湿季的湿润指数变化倾向率高值区主要集中六盘水南部、安顺市西部，低值区主要分布铜仁市西部、遵义市东部、黔东南州南部、贵阳市大部、毕节市东部、黔南州大部。干季和冬季的湿润指数变化倾向率高值区主要集中遵义市、黔西南州东部、安顺市，低值区主要分布铜仁市东部、黔东南州大部。春季的湿润指数变化倾向率高值区主要集中遵义市南部、铜仁市东部、安顺市大部，低值区主要分布黔东南州南部。夏季的湿润指数变化倾向率高值区主要集中黔西南州、六盘水市的西部，低值区主要分布铜仁市、黔东南州北部、黔南州北部、贵阳市、毕节市东部、遵义市东部。秋季的湿润指数变化倾向率高值区主要集中六盘水市南部、黔西南州西北部、安顺市西部，低值区主要分布黔西南州东部、黔南州西南部。

图4 1961—2014年全年和干湿季的湿润指数变化趋势空间格局Fig.4 Spatial pattern of change trend of humid index in annual, dry and wet seasons from 1961 to 2014

图5 1961—2014年四季的湿润指数变化趋势空间格局Fig.5 Spatial pattern of change trend of humid index in four seasons from 1961 to 2014

2.3 湿润指数变化周期分析

由图6看出，贵州省全年湿润指数存在25～29 a、15～19 a、11～14 a、5～7 a左右的4个时间尺度周期振荡，峰值分别对应28 a、18 a、13 a、6 a，其中28 a是全年湿润指数变化的主要作用周期，经历了3次“干-湿”变化循环。干季湿润指数存在25～29 a、14～18 a、8～11 a、3～5 a左右的4个时间尺度周期振荡，峰值分别对应28 a、17 a、10 a、4 a，其中17 a是干季湿润指数变化的主要作用周期，经历了5次“干-湿”变化循环。湿季湿润指数存在25～29 a、12～15 a、4～7 a左右的3个时间尺度周期振荡，峰值分别对应28 a、14 a、6 a，其中28 a是湿季湿润指数变化的主要作用周期，经历了3次“干-湿”变化循环。

图6 1961—2014年全年和干湿季的湿润指数变化小波分析Fig.6 Wavelet analysis of humid index change in annual, dry and wet seasons from 1961 to 2014

由图7看出，贵州省春季湿润指数存在26～29 a、11～14 a、7～9 a左右的3个时间尺度周期振荡，峰值分别对应28 a、13 a、8 a，其中28 a是春季湿润指数变化的主要作用周期，经历了3次“干-湿”变化循环。夏季湿润指数存在25～29 a、12～16 a、7～10 a、3～5 a左右的4个时间尺度周期振荡，峰值分别对应28 a、15 a、9 a、4 a，其中28 a是夏季湿润指数变化的主要作用周期，经历了3次“干-湿”变化循环。秋季湿润指数存在26～29 a、16～19 a、5～9 a左右的3个时间尺度周期振荡，峰值分别对应28 a、18 a、8 a，其中28 a是秋季湿润指数变化的主要作用周期，经历了3次“干-湿”变化循环。冬季湿润指数存在15～18 a、4～6 a左右的2个时间尺度周期振荡，峰值分别对应17 a、5 a，其中17 a是冬季湿润指数变化的主要作用周期，经历了5次“干-湿”变化循环。

2.4 湿润指数变化影响因素分析

从湿润指数与气候要素相关系数(表1)可以看出，贵州省湿润指数与降水量、平均水气压、平均相对湿度呈正相关，与平均风速、平均气温、日照时数呈负相关。降水量、平均相对湿度与湿润指数相关性较强，而平均风速、平均气温、平均水气压、日照时数相关性较弱。全年、春季、秋季的湿润指数与降水量、平均相对湿度相关性较强，夏季湿润指数与降水量、平均相对湿度、日照时数、平均气温相关性较强，干季、冬季的湿润指数与降水量、平均相对湿度、日照时数相关性较强，湿季湿润指数与降水量、平均相对湿度、平均气温相关性较强。

图7 1961—2014年四季湿润指数变化小波分析Fig.7 Wavelet analysis of humid index change in four seasons from 1961 to 2014

3 讨论与结论

本研究发现1961—2014年贵州省全年湿润指数呈下降趋势，干旱化加重，这与胡琦等[3]、冯禹等[19]、慎东方等[20]研究结果较为一致。然而，本研究的全年湿润指数存在28 a的变化周期，这与王允等[21]关于我国西南地区湿润指数变化存在10.638 a变化周期的研究结果不同。此外，陈学凯等[13]研究表明贵州省春季、夏季和秋季的干旱情况呈加重趋势，这与春季和秋季干旱加重，夏季和冬季干旱减弱的本研究结果存在一定偏差，同时，陈学凯等关于四季干旱发生区域与本研究结果不一致，这主要受指标选取差异有关(前者利用标准降水蒸散指数，而本研究利用湿润指数)。贵州省湿润指数变化与降水量和平均相对湿度关系密切，这与苑全治等[22]关于西南地区的研究结果基本一致，却与王朕等[12]关于青藏高原江河源区的研究结果不同，这说明不同区域气候干湿状况变化的原因有所不同。

表1 湿润指数与气候要素相关系数Table 1 Correlation coefficient between humid index and climatic factors

1961—2014年贵州省全年湿润指数下降将增加全省干旱风险，尤其是湿季和春季的湿润指数的下降不利于贵州水稻、玉米等主要农作物的生长和成熟，而夏季湿润指数的上升将增加农作物的洪涝风险。贵州省北部和西南部是湿润指数下降幅度较为突出区域，亟需做好农作物干旱预警。受地区环境差异影响，不同季节各地的湿润指数变化存在差异。贵州省全年、湿季、春季、夏季和秋季的湿润指数变化存在28 a的主要作用周期，干季和冬季湿润指数变化存在17 a的主要作用周期，这需要全省农业部门根据湿润指数变化周期规律，制定应对策略。降水量和平均相对湿度是影响贵州省湿润指数变化的主要因素，今后农业生产中应重点加强降水量和平均相对湿度的监测，提前做好干旱风险评估。