基于GIS的黔南州近31 a降水时空分布特征

陆莎莎，蒋雨芹，李青建，杨昌凯

(1.贵州省都匀市气象局，贵州 都匀 558300；2.成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都 610225)

0 引言

21世纪以来，中国南方地区降水明显增多，总体分布趋势为南多北少，东多西少[1]，贵州多雨年也与长江中下游呈现一致趋势[2]，降水呈东北部和南部较多的空间分布[3-4]。黔南州是贵州南部降水大值中心，其降水强度大、季节性显著，以致于洪涝灾害的频繁发生，这严重影响当地经济发展。众多学者及气象工作者对中国及贵州区域降水分布特征和规律进行了较多分析，但黔南州具体降水分布特征还未得到更详细的研究。故本文选取黔南州近31 a(1989—2019年)的地面降水资料，采用线性回归方法、Kriging法、IDW法、滑动t检验等方法，从趋势、突变、季节及月份演变对黔南州降水进行研究，以便充分认识和利用气候资源。

1 资料概况

黔南布依族苗族自治州位于贵州中南部，云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡带，地势西北高，东南低，平均海拔997 m，以山地、丘陵为主。冬暖夏凉、雨热同期，属典型的亚热带季风气候。本文所用的1989—2019年降水资料来自于黔南州12个国家级地面自动气象站，按3—5月(春季)、6—8月(夏季)、9—11月(秋季)、12—2月(冬季)为四季生成逐季序列。

2 分析方法

由于黔南州地貌特殊，降水具有明显的区域特征，故采用降水距平百分率，平均降水距平百分率≥10%则定义为多雨年，≤-10%则定义为少雨年。

2.1 气候倾向率

用一次线性方程来描述气候要素的变化趋势[5-6]:

y(t)=a0+a1t

(1)

式(1)中，t为时间序列，a0为经验系数，可通过回归分析方法中的最小二乘法求取，a1为趋势变化率，当a1为正则表示降水要素呈增加趋势，a1为负则表示降水要素呈减少趋势，a1×10为气候倾向率(mm/10 a)[7]，表示降水要素每10 a的变化速率。

2.2 滑动t检验

本文所用的滑动t检验方法是通过检验2组序列的均值差异是否超过了一定的显著性水平，判断样本是否有突变发生的检验方法[8-12]。

选择样本子序列长度为5 a、7 a，取显著性水平α=0.05、α=0.01进行检验。

2.3 插值方法

利用Kriging法、IDW法对数据进行空间插值[13-17]，两种方法在一定程度上解决了站点稀缺问题。

3 黔南州降水的时间变化

3.1 年际变化

近31 a来，黔南州年平均降水量呈现较明显的上升趋势(图1)，线性拟合的倾向率为19.693 mm/10 a，从5次多项式拟合曲线来看，年平均降水量在1989—1996年、2008—2019年2个区间为上升趋势，1997—2007年为下降趋势。31 a平均降水量为1 230.6 mm，其中最高值为2015年1 471.9 mm，最低值为1989年902.9 mm，二者之间相差569.0 mm。

图1 黔南州降水量年际变化趋势

图2是黔南州1989—2019年降水距平百分率。从图中可以看出，在1989年降水距平百分率达到近31 a历史低值-26.71%，1990—2000年降水距平百分率基本为正；2001—2013年降水距平百分率基本为负，最大连续负距平年数达5 a；2014—2019年降水距平百分率连续6 a为正距平，在2015年达到最大距平19.08%。

图2 黔南州降水量距平百分率

利用距平百分率从黔南州近31 a降水中筛选出多雨年及少雨年，表1中少雨年主要集中在21世纪初，分别为1989、2001、2003、2005、2006、2009、2011、2013年；多雨年主要集中出现在20世纪90年代后期及21世纪10年代中后期,分别为1993、1997、1999、2000、2008、2014、2015、2019年。

3.2 季节变化

春季降水表现为明显的增加趋势(图3a)，平均值为336.9 mm，线性拟合的倾向率13.808 mm/10 a,上升幅度是四季中最大的。夏季变化较为平缓，总体为微弱上升趋势(图3b)，降水气候倾向率为0.633 mm/10 a，为四季中变化最小的季节。秋季降水总体为微弱上升趋势(图3c)，气候倾向率在春季和夏季倾向率之间，1989—1997年秋季降水波动幅度最大，降水跨幅208.8 mm；1998—2007变化幅度较小，表现为秋季连续少雨期；2007—2019年表现为波动幅度由大到小的上升趋势。冬季降水量整体为弱波动下降趋势，降水气候倾向率为-7.554 mm/10 a，31 a中冬季最大降水量出现在1992年139.1 mm，最小值出现在1999年37.4 mm。

图3 黔南州年平均降水量四季变化趋势(a.春季，b.夏季，c.秋季，d.冬季)

4 黔南州降水的空间变化

4.1 年降水

从黔南州年平均降水图中能够看出(图4a)，年平均降水量呈现东西部偏多、北部中南部偏少的“川”字型分布。降水高值区分布在都匀、三都、长顺，年平均降水量最大值为都匀1 453.7 mm，罗甸、龙里、贵定、福泉、瓮安等地为年降水量的低值区域，最小值为瓮安1 110.3 mm。从平均日最大降水来看(图4b)，近31 a黔南州平均日最大降水与年降水分布较为相似，高值中心均相同，北部平均日最大降水较少，平塘年平均降水较为适中，但平均日最大降水处于黔南州低值中心。平均最大连续降水(图4c)则呈现为西部、东部、中北部、东南部偏多，北部、中南部、西南部偏少。从降水气候倾向率看出(图4d)，除北部瓮安地区、南部荔波地区降水呈减少趋势以外，其余区域降水均为增长趋势，增长大值位于惠水—龙里—贵定一带，其余上升趋势地区增加趋势较为平缓，最大降水气候倾向率出现在贵定62.685 mm/10 a，最小降水气候倾向率出现在瓮安-44.507 mm/10 a。

图4 黔南州降水分布及变化趋势，其中图(a)为年平均降水分布，图(b)为平均日最大降水分布，图(c)为平均最大连续降水分布，图(d)为年平均降水变化趋势

4.2 季节降水

黔南州季节降水在春、夏、冬三季均为东西分布，秋季为南北分布。春季平均降水(图5a)主要分布在都匀、三都、独山片区，最大值为三都397.1 mm，长顺—龙里—贵定—瓮安一带为春季集中少雨区，南部罗甸、荔波等地春季降水也相对较少，最小值为龙里301.7 mm。夏季降水(图5b)多雨区与春季相同，最大夏季平均降水为都匀502.3 mm，罗甸、长顺、惠水、龙里、贵定南北一带则表现为夏季少雨区，最小夏季平均降水为龙里366.4 mm。秋季降水(图5c)分布呈现北多南少趋势，降水大值集中区相对于春夏两季较为偏北，秋季平均降水最大值为都匀206.7 mm。冬季降水(图5d)主要分布在州东部，最大冬季平均降水为都匀108.9 mm，中部偏西一带为冬季少雨区，最小值为罗甸56.4 mm。

图5 黔南州季节平均的空间分布

春季降水具有明显的上升趋势(图6a)，中北部地区上升幅度较大。全州除独山、福泉、荔波地区呈下降趋势外，其余地区均为上升趋势，都匀、贵定、龙里上升趋势最为明显，最大气候倾向率为都匀49.777 mm/10 a。夏季降水量空间分布变化较为分散(图6b)，降水呈3个分散负值中心夹2个正值中心南北向排列分布，负值中心分别为瓮安(气候倾向率-43.451 mm/10 a)、都匀(气候倾向率-36.921 mm/10 a)、荔波(气候倾向率-37.96 mm/10 a)，正值中心分别为福泉(气候倾向率20.776 mm/10 a)、三都和独山(气候倾向率分别为27.485 mm/10 a、27.729 mm/10 a),下降趋势大于上升趋势，长顺为弱下降趋势，中部及西南部地区夏季降水为弱上升趋势。秋季降水大部分地区为增加趋势(图6c)，都匀、三都、荔波秋季降水变化趋势与夏季趋势相反，三都在夏季为正倾向率中心，在秋季则变为负倾向率中心，都匀、荔波在夏季为负值中心，在秋季则表现为正值中心，在秋季表现为降水增加趋势，惠水在秋季降水也较为明显，倾向率为26.639 mm/10 a，其余地区秋季降水均为弱上升趋势。冬季降水具有非常明显一致的减少趋势(图6d)，整个黔南州区域冬季降水气候倾向率均为负值，下降幅度最大为独山-18.031 mm/10 a。

图6 黔南州四季平均降水量变化率的空间分布(单位: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月降水较少(图7)，最大值为都匀6月300.4 mm，最小为罗甸12月17.2 mm。

1—4月降水(图7a～7d)主要集中在都匀、三都、平塘、独山，且整体降水量随月份的增加逐渐增多，月降水量高值区逐渐向南扩大，1—3月月降水最大值均出现在都匀站。

从5月开始，黔南州降水进入主汛期(图7e)，全州5月降水相对于4月大幅度增加，降水由东多西少转变为南多北少。6月是降水最多的月份(图7f),降水区间较大，最大值都匀300.4 mm与最小值瓮安188.4 mm之间的差值高达112.0 mm。7月(图7g)高值区依旧在长顺、都匀、三都、荔波，低值区为瓮安—龙里—平塘—罗甸等地。8月降水明显减少(图7h)，降水集中在西部及东南部，主汛期结束。

9—12月降水随月份增加逐渐减少(图7i～7l)，降水主要集中在都匀地区。10月降水表现为北多南少分布趋势，11月少雨区主要出现在惠水、罗甸、荔波等地，12月降水最大值与最小值之间仅相差13.0 mm，是黔南州降水最少的月份。

5 滑动t检验

利用滑动t检验方法，分别取步长为5 a、7a，检验了黔南州12个站点降水的突变情况。除平塘站外，其余站点均有突变，总体表现为2000年左右由减少趋势向增多趋势突变、21世纪10 a代由增多趋势向减少趋势突变。

5 a滑动t检验显示有8个站点降水在21世纪10年代前期发生突变，且在2013年通过显著水平0.05的站点占7个，其中有4个站点通过了0.01显著性检验；6个站点在21世纪初发生突变，都匀站在2000年通过了0.01的显著性检验。7 a滑动t检验中一半站点发生突变，且突变均为2000年左右及2012年左右；瓮安、荔波、都匀在2000年均通过0.01显著性检验，福泉、贵定、都匀、龙里在20世纪10年代均有年份通过0.01显著性检验。

6 结果与讨论

通过对1989—2019年黔南州年、季、月降水量进行时空特征及突变分析，得出以下结论：

①近31 a来，黔南州年平均降水量呈明显的上升趋势，降水空间分布与平均日最大降水、平均最大连续降水一致，受地形影响，迎风坡强迫抬升，均呈现东西部多、北部中南部偏少的“川”字型分布，少雨年主要集中在21世纪初，多雨年主要出现在20世纪90年代后期及21世纪10年代中后期。

②季节降水高值区主要围绕都匀为中心南北摆动，春季、夏季和冬季降水表现为东多西少，秋季降水为北多南少趋势分布，其中春、夏、秋3个季节呈现增多趋势，冬季降水呈减少趋势。

③受季风影响，月降水主要集中在4—8月，冬春季降水较少，其中11月—次年4月降水为东多西少的东西向分布，5—9月为南多北少的南北向分布，10月为北多南少的南北向分布。

④除平塘站无突变外，黔南州降水突变总体表现为2000年左右由减少趋势向增多趋势突变、21世纪10年代初由增多趋势向减少趋势突变。

讨论：黔南州降水分布主要受地形强迫抬升影响，在大尺度环流背景下，体现出多雨年及少雨年的降水年际特征。虽然本文对黔南州降水的年、季、月演变及突变做了分析，但是当降水到达暴雨量级时产生的灾害可能性更大，具体还需进一步的深入研究，充分探讨黔南州降水特征，以便更加合理开发、利用气候资源。