贵州气候干湿状况及影响因素分析

张 波， 曹 华， 吴战平， 刘宇鹏

(1.贵州省山地环境气候研究所，贵阳 550002； 2.贵州省山地气候与资源重点实验室， 贵阳 550002; 3.贵州省气象信息中心， 贵阳 550002)

在气候变暖的大背景下，降水强度在时间和空间上的非均匀性变化，会改变区域水分循环，对气候的干湿状况和水资源的供需平衡产生重要影响，进而影响到区域的农业生产、作物布局及生态环境。因此开展区域气候干湿变化的研究对于洪涝、干旱的防治和社会发展都具有深远影响[1-2]。

干湿状况是反映地气系统中水分收支平衡的变化过程。目前表征干湿状况的指标常以干燥度指数和湿润指数最为常见，而湿润指数综合考虑了大气降水和作物蒸散，是一个理想的能够表征地表干湿状况的物理量[3-4]。目前国内关于区域气候干湿状况的研究已有一系列的报道。赵晶等[5]基于相对湿润度指数，分析了江苏省近50年的气候干湿特性，表明江苏省夏季气候最湿润、春季气候最干燥。王明田等[6]基于相对湿润度指数，分析了西南地区季节性干旱分布特征，表明西南地区总体上略有变湿的趋势，年干旱强度明显减弱。安莉娟[7]基于湿润指数，分析了内蒙古近40年的干湿变化特征及对水资源的影响，表明内蒙古的干湿类型明显由湿变干。胡琦[8]、韩宇平[9]等分别采用湿润指数和干燥度指数，分析了华北平原气候干湿的分布特征及其影响因素，研究结果表明，两种指数表征的气候干湿状况基本一致。罗青红等[10]基于湿润指数，分析了新疆甘家湖地表干湿状况变化趋势。苏秀程等[11]计算了西南地区潜在蒸散和干湿指数，发现西南地区气候整体较为湿润，但存在较大的区域差异，呈“东湿西干”的空间分布特征，整体气候呈现明显暖干化的变化特征。上述气候干湿的研究中潜在蒸散的计算，不同学者采用不同的计算方法，而研究数据表明，联合国粮农组织推荐的 Penman-Monteith 公式综合考虑了气温、风速、湿度、太阳辐射和气压等多个气候因子的影响，能够客观真实地反映实际气候的蒸散(发)能力[12-16]。

本研究基于贵州省近55年的逐日气象资料，采用Penman-Monteith公式计算的潜在蒸发量，计算了不同时间尺度的相对湿润度指数，并定量化分析贵州省干湿状况的空间变化特征，以期为合理开发利用气候资源，调整种植区划和农业生产布局提供依据，同时有助于提高干旱预测及其风险管理水平。

1 资料和方法

1.1 数据来源

贵州省有85个地面气象观测站。由于各站建站时间不一致，为保证资料的完整性，剔除数据缺测较多的站点，选用贵州省1961-2015年81个气象观测站的逐日平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速和日照时数等气象观测资料，研究区域及气象站点的分布如图1所示。

图1 研究区域及气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 相对湿润度指数

相对湿润度指数的计算公式为

(1)

其中：M为相对湿润度指数，是表征某时段降水量与蒸发量之间平衡的指标之一；P为某时段的降水量；PE为某时段的潜在蒸散量，由FAO推荐的Penman-Monteith模型[17]计算，公式如下：

(2)

式中，ET0为潜在蒸散量(mm·d-1)，Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率(kPa·℃-1)，Rn为作物表面的净辐射(MJ·m-2·d-1)，G为土壤热通量(MJ·m-2·d-1)，T为2 m处的日平均气温(℃)，r为干湿表常数(kPa·℃-1)，es为饱和水汽压(kPa)，ea为实际水汽压(kPa)，u2为2 m处的风速(m·s-1)。Δ、Rn、r、es、ea由气象台站观测资料计算得出，具体计算过程参考张明军[18]、马宁[19]等相关研究成果；u2由10 m处风速计算得出，计算公式为

(3)

在国家标准《气象干旱等级》(GB/T20481-2006) 及刘波[20]、任菊章[21]等研究基础上，将计算得出的相对湿润度指数进行分级处理(如表1所示)，据此分析贵州省的气候干湿变化特征。

表1 基于相对湿润度气候干湿等级划分

1.2.2 气候倾向率计算

用最小二乘法拟合得到相对湿润度指数随年序变化的一元线性回归方程，以回归系数的 10倍作为相对湿润度指数的气候倾向率[22]。

1.2.3 突变趋势检验

Mann-Kendall是一种非参数趋势检验法，是目前比较常用的趋势诊断方法。在Mann-Kendall检验中，原假设H0为时间序列数据(x1～xn)，是n个独立的、随机变量同分布的样本；假设H1是双边检验，对于所有的k≤n,j≤n，且k≠j，xk～xj的分布是不相同的，检验的统计变量S计算如下式：

(4)

其中，

当Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。当检验序列是否发生突变时，常通过下式进行计算：

(5)

其中，

定义：

(6)

式中，

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

UFk为标准正态分布，若UFk值大于0，则表明序列呈上升趋势；小于0则表明呈下降趋势；当它们超过显著性水平对应的临界值时，表明上升或下降趋势显著。

1.2.4 空间插值方法

反距离权重(Interse Distrance Weighted，IDW)算法以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。该方法具有算法简单、普适性更强的优点，被广泛应用于各行业领域的空间分析与制图。本文使用该方法进行相对湿润度指数的空间插值模拟。

2 结果与分析

2.1 气候干湿的时间变化

贵州省年相对湿润度指数时间变化趋势如图2所示。由图2可以看出，近55年贵州省相对湿润度指数多年平均值为77.8%；最大值为112.3%，出现在1997年；最小值为31.9%，出现在2011年。相对湿润度指数随时间变化呈递减的变化趋势，递减趋势为1.8%/10a，但未通过显著性检验，这与王利平[23]、王允[24]等研究的西南地区湿润度指数略呈降低趋势的结果一致。从5a滑动平均值来看，贵州省相对湿润度指数经历了递减-递增-递减的“W型”变化趋势，具体为20世纪80年代呈递减变化趋势，90年代中期又呈递增的趋势，90年代后期表现为递减的趋势。

图2 贵州省年相对湿润度指数时间变化趋势

图3为贵州省相对湿润度指数季节变化趋势。由图3可以看出，春季(图3a)相对湿度度指数多年平均值为67.7%，属于湿润季节，低于全省多年平均值，变化范围为1.9%～119.4%；随时间变化呈递减趋势，递减速率3.6%/10a，表明春季贵州气候呈现由湿变干的趋势。夏季(图3b)，相对湿润度指数多年平均值为148%，明显高于全省多年平均值，变化范围为10.7%～249.3%；随时间变化呈递增的变化趋势，递增速率为3.0%/10a，表明夏季贵州地区呈湿润化趋势。秋季(图3c)，相对湿润度指数多年平均值为87.5%，变化范围为-5.9%～208.7%，秋季贵州地区随时间变化呈现出由湿变干的变化趋势。冬季(图3d)，相对湿润度指数多年平均值为6.9%，明显低于全省年相对湿润度指数多年平均值，变化范围为-44.6%～84.1%，属于干、湿交替的季节；时间变化趋势显示，冬季相对湿润度指数呈递增趋势，递增速率为1.5%/10a，表明冬季随时间变化呈现出由干变湿的变化趋势。

图3 贵州省相对湿润度指数季节变化趋势

2.2 气候干湿的突变特征

Mann-Kendall趋势检验结果表明(表2)，近55年贵州省平均年相对湿润度指数的检验值为-1.21，随时间呈下降的趋势变化，这与王利平等[23]研究的中国西南区域(云南、贵州、四川南部)干燥度以增加趋势结果相吻合，但未通过显著性检验。季节的趋势检验结果显示，春季和秋季的检验值分别为-1.52和-1.64，表明春季和秋季的相对湿润度指数均为下降趋势，且下降速度快，气候不断地由湿逐渐转为干；而夏季和冬季的相对湿润度指数呈上升的变化趋势，表明夏季和冬季气候变湿趋势不显著。

表2 贵州省相对湿润度指数Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall突变检验表明，年相对湿润度指数(图4a)的Mann-Kendall统计量UF和UB曲线存在多个交点，其中在1979年后UF统计量呈显著的递减趋势，至1990年这一递减趋势超过了0.05的临界线，1991年之后UF曲线又呈现递增趋势，但未突破临界线，表明近55年贵州气候干湿在1979年存在明显的突变，要早于西南地区湿润度指数的突变年份[24]。春季(图4b)，相对湿润度指数的UF曲线在1978年至1989年间呈显著下降趋势，在1989年间突破临界线，且UF和UB曲线相交于1979年，表明1979年为贵州春季相对湿润度指数的突变年。夏季(图4c)，相对湿润度指数的UF曲线分别在1961-1969年和1990-2002年间呈递增趋势，且在1961-1969年间UF曲线突破临界线，1990-2002年间UF曲线未能突破临界线，说明夏季气候无干湿的突变年。秋季(图4d)，相对湿润度指数的UF和UB曲线在1983年之前存在多个交点，在1983年之后UF曲线呈显著下降的变化趋势，在2003年突破临界线，表明秋季贵州干湿的突变年份为1983年。冬季(图4e)，UF和UB曲线存在多个交点，1987年以后呈递增的变化趋势，但均未通过显著性检验，突变年份不显著。

图4 贵州省相对湿润度指数Mann-Kendall突变检验

2.3 气候干湿空间分布特征

图5为贵州相对湿润度指数突变前后的空间分布特征。由图5可见，相对湿润度指数突变前(图5a)空间变化范围为11.0%～182.2%，属于湿润区，低值区域主要分布在贵州省北部一线及中东部和南部局地等地，变化范围为11.0%～68.1%，高值区域主要分布在西部六盘水市和黔西南州交界区域、东部边缘和黔东南州西部与黔南州东部等地，变化范围为96.7%～182.2%。较突变前，突变后(图5b) 的空间变化范围为9.8%～183.9%，低值区域面积有所增加，高值区域面积有所减小，低值区域主要分布在毕节市、遵义市大部、贵阳市中部及黔西南州和黔南州南部等地，变化范围为9.8%～67.8%，高值区域主要分布在贵州省东部边缘及黔东南州西部与黔南州东部等地，变化范围为96.9%～183.9%。

图5 贵州省相对湿润度指数突变前(a)和突变后(b)空间分布

2.4 四季气候干湿空间分布特征

图6为相对湿润度指数季节空间分布。从图6中可以看出，春季(图6a)全省相对湿润度指数空间分布呈现由西北向东南部递增的变化趋势，其中毕节市西部区域相对湿润度指数为-23.7%～0%，根据气候干湿等级的划分标准，属于半干旱区域，其余大部分区域属于湿润区。夏季(图6b)全省相对湿润度指数均大于0，均为湿润区，空间分布上表现为自东北向西南部相对湿润度指数呈递增的变化趋势，高值区域分布在六盘水市、安顺市和黔西南州交界区，低值区分布在遵义市大部及铜仁市西南部和黔东南州北部区域。秋季(图6c)全省相对湿润度指数低于夏季平均水平，属于湿润区，但空间分布特征不明显，贵州省南部边缘区域和毕节市西部大部区域为全省最低值，高值区域主要分布在铜仁市边缘和贵阳市东北部。冬季(图6d)全省自西向东呈递增的变化趋势，与春季的空间分布基本一致，贵州省西部大部和遵义市大部及铜仁市北部等地区为半干旱区，其中毕节市中部部分区域为干旱区。

图6 贵州省相对湿润度指数季节空间分布特征

2.5 四季气候干湿变化趋势空间分布特征

图7为相对湿润度指数季节变化趋势空间分布特征。从图7中可以看出，春季(图7a)全省相对湿润度指数气候倾向率每10 a变化范围为-13.8%～4.9%，平均气候倾向率为-3.9%/10a，整体呈递减的变化趋势，其中有12.5%的站点数通过显著性检验；空间上高值区域主要分布在黔东南南部和铜仁市南部局地等地，每10 a变化范围为-1.2%～4.9%，低值区主要分布在铜仁市东部、黔西南州南部等地，每10 a变化范围为-13.8%～-7.6%。夏季(图7b)全省相对湿润度指数气候倾向率每10 a变化范围为-10.2%～22.4%，平均气候倾向率为3.0%/10a，整体呈递增的变化趋势；空间上呈现由西南向东北及向南递增的变化趋势，高值区域主要分布在铜仁市和黔东南州北部等地，每10 a 变化范围为6.2%～22.4%，低值区主要分布在六盘水市、黔西南州、毕节市中部大部和南部边缘等地，每10 a变化范围为-10.2%～0.7%。秋季(图7c)全省相对湿润度指数气候倾向率每10 a变化范围为-24.5%～1.4%，平均气候倾向率为-8.6%/10a，整体呈递减的变化趋势，全省31.3%的站点数呈显著性递减趋势；空间上呈现由西向东、由北向南递增的变化趋势，高值区域主要分布在黔南州、黔东南州大部和铜仁市南部等地，每10 a变化范围为-7.1%～1.4%，低值区主要分布在六盘水市大部、黔西南州北部等地，每10 a

图7 贵州省相对湿润度指数季节变化趋势空间分布特征

变化范围为-24.5%～-15.8%。冬季(图7d)全省相对湿润度指数气候倾向率每10 a变化范围为-6.5%～8.0%，平均气候倾向率为1.1%/10a，整体呈递增的变化趋势，全省仅5%的站点数呈显著性递增的变化趋势；空间上高值区域主要分布在黔东南西部和铜仁市南部等地，每10 a 变化范围为3.17%～8.0%，低值区主要分布在遵义市北部、黔西南州局地等地，每10 a变化范围为-6.5%～-1.7%。

2.6 气候因子分析

年和季相对湿润度指数和气象要素的相关性分析(表3)表明，相对湿润度指数与降水量和相对湿度均呈显著正相关性(α=0.01)，而与日照时数和太阳辐射均呈显著负相关性(α=0.05)，表明影响贵州气候干湿的主要因子是降水量、相对湿度、日照时数和太阳辐射。此外，夏季相对湿润度指数还与平均温度和平均风速呈显著负相关，说明贵州夏季气候干湿是受多气象因子的综合影响。

表3 贵州省相对湿润度指数与气象因素的相关系数

3 结 论

(1)近55年贵州省相对湿润度指数多年平均值为77.8%；随时间变化呈递减的变化趋势，递减趋势为1.8%/10a；5 a滑动平均显示贵州省相对湿润度指数经历了递减-递增-递减的“W型”变化趋势，在20世纪80年代呈递减变化趋势， 90年代中期呈递增的趋势，90年代后期表现为递减的趋势。

(2)相对湿润度指数季节变化表明，春季气候呈现由湿变干的变化趋势，夏季呈湿润化趋势，秋季呈由湿变干的变化趋势，冬季呈现出由干变湿的变化趋势。M-K趋势检验表明，春季和秋季气候由湿变干的趋势显著，分别通过显著性检验。空间分布上，相对湿润度指数春季呈现由西北向东南部递增的变化趋势，除毕节市西部区域属于半干旱区域，其余大部分区域属于湿润区；夏季和秋季均为湿润区；冬季全省自西向东呈递增的变化趋势，贵州省西部大部和遵义市大部及铜仁市北部等地区为半干旱区，其中毕节市中部部分区域为干旱区。

(3)春季相对湿润度指数平均气候倾向率为-3.9%/10a，整体呈递减的变化趋势；夏季的平均气候倾向率为3.0%/10a，整体呈递增的变化趋势，其中有12.5%的站点数通过显著性检验；秋季相对湿润度指数气候倾向率每10 a变化范围为-24.5%～1.4%，平均气候倾向率为-8.6%/10a，整体呈递减的变化趋势，其中有31.3%的站点数通过显著性检验；冬季相对湿润度指数气候倾向率每10 a变化范围为-6.5%～8.0%，平均气候倾向率为1.1%/10a，整体呈递增的变化趋势。影响贵州气候干湿的主要因子是降水量、相对湿度、日照时数和太阳辐射，而夏季气候干湿是受多气象因素的综合影响。

参考作物蒸散量是表征气候干湿程度及水资源供需平衡的重要指标之一[25]，其中涉及许多气候因子间的复杂的相互作用[26]。本文以 Penman-Monteith方法计算的参考作物蒸散和降雨量为基础计算了相对湿润度，综合考虑了温度、湿度、气压、风速及太阳辐射等因素的影响，在实践中得到广泛应用[27]。但由于贵州地形地貌复杂多样，在一定的区域存在参数估计的误差，容易造成相对湿润度指数与实际有所差异，因此开展对复杂下垫面的参考作物蒸散的验证工作是下一步研究的主要方向。此外，对影响相对湿润度指数的气象因素分析相对简单，尚有待深入分析。