贵州省近55年降水量时空变化分析

余祝媛 贺中华 梁虹

摘要：贵州省由于其独特的山地地形，降水量是该区域地表水和地下水重要的补给来源。研究该区域降水量变化特征有利于合理地规划水资源。应用反距离插值法、非参数Mann-Kendall突变检验等方法对贵州省多年降水量进行分析。结果表明：（1）全省降水量空间分配上极度不均，分布特征为西南多东北少，南多北少，西北部最少;（2）从年际上看，全省1961—2015年降水量在时间上有很大的变化，所有站点年均降水量大致在800～1 500 mm，从代际上看，全省降水量呈先增加后减少，再增加后减少，最后微微增加的趋势，但整体上2001年及以后降水量明显低于1961—1970年;（3）全省降水量空间变化上，多雨区面积变化趋势是先扩大后减小，再扩大再减小，最后中南部都匀-丹寨一带有轻微扩大，而少雨区变化趋势大致与之相反;（4）通过非参数Mann-Kendall突变检验，贵州省所有站点降水量数据增加或减少趋势没有通过α=0.05显著性检验，说明降水量的变化趋势并不明显。通过分析可知，2001年以来相对于多年平均降水量而言，贵州省降水量有異常偏低的现象。

关键词：贵州省;降水量;时空变化;非参数Mann-Kendall突变检验

降水是影响自然环境和社会经济发展的重要因素之一，降水是贵州省水资源的重要来源，是贵州省人民生活和经济发展的命脉。近年来全球气候发生变化，贵州省降水也发生了不同程度的变化。降水量特征的研究对进行合理的水资源规划具有重要意义。目前相关学者针对贵州省气候开展了不少研究，罗宁等对贵州省1957—2004年逐日降雨量数据做了分析并讨论人工降雨问题[1]。徐建新等选取41个雨量站（其中22个在省外）逐月降水量数据分析贵州省降水量时空分布规律[2]。陈学凯等则研究了贵州省极端降水特征[3]。张勇荣等在分析降水变化特征的同时发现贵州省夏季降水异常存在2.8年的显著周期[4]。此外，金建德等认为，太平洋西北部的海水温度对贵州省夏季的降水有一定的影响，预报因子具有实际预报意义的最佳时段是上一年的8—11月[5]。近年来，贵州省干旱现象越来越严重，张金凤等发现，贵州省近50年来干旱发生频率越来越高，其中2010年干旱频率高达84.2%[6]。因此，研究贵州省降水量变化趋势具有非常重要的意义。

目前，研究大多基于逐日的或逐月降水数据，或者选取的站点较少[7]，再或者单独选取某个季节[8-9]，很少有选取年降水量数据来进行研究。本研究采用空间插值、非参数Mann-Kendall突变检验、滑动平均法、累计距平法等方法对贵州省年降水量数据进行分析，为长时间的降水变化预测和研究提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省地处云贵高原，位于103°36′～109°35′E，24°37′～29°13′N，全省总面积17.62万km2。贵州地势西高东低、南高北低，西南向东北倾斜，全省最高点为毕节赫章韭菜坪，海拔为2 900.6 m，最低点黔东南州的黎平县地坪乡水口河出省界处，海拔为147.8 m，海拔高差达2 700 m，全省平均海拔1 100 m，大部分地区海拔在800～1 200 m之间;全省地貌复杂，其中92.5%为山地和丘陵（图1）。贵州省属亚热带湿润季风气候，全省大部分地区气候温和，年均气温15 ℃左右;常年降水量充沛，年均降水量800～1 600 mm之间，但时空分布极度不均，其中以威宁、赫章为主的贵州西部年降水量多年平均值低于1 000 mm，而六枝-关岭-晴隆-普安的多年平均降水量高于1 300 mm。境内水系发达，以乌蒙山-苗岭为分水岭，北部为长江流域，南部为珠江流域。贵州省高程和研究区雨量站分布见图1。

1.2 数据来源

降水量资料来源于中国气象数据网。选取贵州省82个县级雨量站点1961—2015年总共55年间的年降水量数据，其中贵阳代表贵阳市区和除花溪区以外的郊区，遵义代表遵义两城区。除修文县数据缺失外，其他区县资料比较齐全，由于修文与邻近县海拔相差不大，地理位置较近，采用平均值法对修文周边几个县的降水量数据进行处理，得到修文县年降水量。各站点降水量统计见表1，各站点极值比最大为3.9，最小为1.7; 变异系数CV最大为0.20，最小为0.11， 说明全

省降水量在1961—2015年间变化差异不大。

1.3 研究方法

1.3.1 反距离加权法（inverse distance weighted，简称IDW） 反距离加权法是一种简便易操作的空间插值方法，是基于地理第一定律的基本假设：即2个物体相似性随他们距离的增大而减少。它以插值点和样本点间的距离为权重而进行加权平均，离插值点越近，样本赋予的权重越大。本研究以贵州省82个县的雨量站点代表全县降水量作为样本数据进行空间插值，在ArcGIS平台下分析贵州省的降水变化。

首先分析贵州省近55年的年降水量的空间分布规律，再从年际和代际的角度，采用距平和基于ArcGIS的反距离插值法研究贵州省年降水量时间和空间上的变化规律，最后运用非参数Mann-Kendall突变检验确定降水量时间序列的变异点。

2 降水量时空分析

2.1 降水量空间分布特征

贵州省1961—2015年多年降水量平均值为 1 200 mm/年，全省所有地区属于湿润区。贵州地处云贵高原，且东南亚和南亚2种季风共同作用，西部地区由于海拔较高，湿空气爬升困难，导致黔西南州大部分地区降水量充沛，多年平均降水量高达1 300 mm/年，黔南州和黔东南州大部分地区由于海拔较低，受东南亚季风的影响，降水量比较丰富，贵州省北部遵义市部分地区虽然海拔比中部和西南部低，但由于其深入腹地，东南亚季风有所减弱，因此降水量比较低（表1）。全省可划分为3个多雨区和2个少雨区，3个多雨区分别为六枝-关岭-晴隆-普安、都匀-丹寨和江口-松桃，多雨区平均降水量为1 407 mm/年， 2个少雨区分别为威宁-赫章-七星关和黔西，少雨区平均降水量为899 mm/年。以水城-纳雍-织金-平坝-惠水-贵定-凯里-三穗为线，全省南部平均降水量高于1 200 mm/年，而北部大部分地区则低于1 200 mm/年，尤其是赫章等极少数地区降水量低于 900 mm/年（图2）。

2.2 降水量时间变化趋势分析

2.2.1 降水量年际变化规律 贵州省1961—2015年平均降水量及其滑动平均降水量时间序列见图3-a，全省近55年来降水量随时间的变化而不断波动。3年滑动平均降水量最多的是1966—1968年，降水量为1 319.6 mm/年;最少的是2009—2011年，降水量为1 001.4 mm/年，二者相差 318.2 mm。5年滑动平均降水量最多的是1976—1980年，降水量为1 302.4 mm/年，最少的是2009—2013年，降水量为 1 037.7 mm/年，二者相差264.7 mm。对于10年滑动平均值而言，相比较于3年滑动平均和5年滑动平均，其趋势变化更趋于平缓，10年滑动平均降水量最多的是1993—2002年，降水量为1 262.2 mm/年;最少的是2004—2013年，降水量为 1 097.9 mm/年;二者相差164.3 mm。对于各年平均降水量，除了1967年为1 416.8 mm和1977年为1 418.1 mm极大值，2011年为857.4 mm极小值以外，其余所有年份年平均降水量在950～1 400 mm之间波动，参考多年平均降水量，1984—1990年长达7年时间全省年平均降水量低于多年平均值1 200 mm，连续2年间降水量上升差距最大的是1966年为976.8 mm，1967年为1 416.8 mm，差值440 mm，下降差距最大的是2008年为1 308.9，2009年为999 mm，差值 309.9 mm。

贵州省1961—2015年平均降水量累计距平曲线见图 3-b。降水量偏多和偏少年份呈周期变化。1961—1975年降水量围绕多年平均值有个时间较短的反复波动，1975—1980年降水量总体高于多年平均值，1981年降水量低于多年平均值，1981—1983年有个短暂的回升;从1983年开始到1990年降水量低于多年平均值，其累计距平从1983年的840 mm降至1990年的171.7 mm，减少了近80%;1991年降水量增多，而后1992年降水量低于多年平均降水量，从1992年直到2000年降水量都高于多年平均降水量，2000年之后一直到2013年虽然有短暂的3个年份（2002年、2007年、2008年）降水量高于多年平均降水量，但总体仍然低于多年平均降水量，2013—2015年降水量有所偏高。除了1962年、1966年、2011—2015年之外，全省降水量累计距平都为正值，说明贵州省降水量整体上属于丰水年。

2.2.2 降水量阶段变化规律 将1961—2015年按每10年划分1个阶段，分别为1961—1970年、1971—1980年、1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年，2011—2015年也作为1个阶段。贵州省各阶段平均降水量及其变异系数见图4、图5。贵州省各阶段平均降水量变异系数均在0.11～0.12 之间（其中2001—2010年变异系数为0.11，其他阶段变异系数均为0.12），说明各阶段内的降水量数据非常稳定。

从图4可以看出，各阶段的平均年降水量均不同。1961—1970年平均降水量为1 231.3 mm/年，到1971—1980年上升到1 247.7 mm/年;然而到1981—1990年平均降水量下降到1 135.4 mm/年，1991—2000年又骤升到 1 259.1 mm/年;2001—2010年又回落到1 143.3 mm/年，至2011年以后有微小的上升至1 156.4 mm/年）。

图5是用地图表示贵州省各阶段之间的降水量是不断变化的，其变化趋势是1971—1980年年平均降水量相较于1961—1970年增加，1981—1990年年平均降水量下降，到1991—2000年又增加，随后2001—2010年年平均降水量减少，到2011年后有轻微上升。全省各阶段平均降水量主要集中在1 000～1 300 mm/年1961—1970年年降水量 1 000～1 300 mm/年的土地面积为全省的67.2%，1971—1980年为66%，1981—1990年为82.5%，1991—2000年为59.8%，

2001—2010年为85.8%，至2011年以后为77.5%），各阶段年平均降水量高于1 300 mm/年的土地面积各有不同，1961—1970年有29.8%的土地面积年平均降水量高于1 300 mm/年，到1971—1980年上升到 31.4%，1981—1990年下降到8.5%，1991—2000年又升高到36.2%，然而2001—2010年又下降到4%，到至2011年以后小幅上升到6.1%。说明年降水量呈先上升（1961—1970年到1971—1980年）、后下降（1971—1980年到1981—1990年）、再上升（1981—1990年到1991—2000年）、又下降（1991—2000年到2001—2010年），之后轻微上升（2001—2010年到2011年以后）的趋势。

2.3 降水量空间变化趋势分析

贵州省年降水量在空间分布上极度不均。图6-a和图 6-b 分别从10年和5年平均降水量的角度对贵州省年降水量空间分布变化进行分析。贵州省从1961年到2015年每5年的年平均降水量分布见图6-a，贵州省1961年到2015年10年滑动平均降水量见图6-b（选取年份末尾数以5和以0的年份为中心）。

从图6-a可以看出，贵州省年平均降水量分布在空间上随着时间的变化也跟着变化，多雨区（年平均降水量>1 200 mm/年）主要分布在贵州西南、南部和东南部及东部少部分地区，而少雨区（年平均降水量<1 100 mm/年）则主要集中在西北和极少数中部地区;多雨区的变化开始主要是扩大、向东偏移，紧接着缩小再扩大，到1986—1990年间多雨区缩小，之后多雨区又扩大，并向东偏移，到后面又缩小，而少雨区扩大缩小的变化则和多雨区相反，多雨区扩大时，少雨区在缩小，多雨区缩小时，少雨区向东扩大。其中多雨区1961—1965年贵州省年平均降水量超过1 300 mm/年的地区主要集中在3个地区：贵州西南部织金-普定-六枝-晴 隆- 普安-盘县-兴仁-兴义、贵州南部都匀-丹寨-麻 江- 雷山和贵州东部碧江-江口-松桃;1966—1970年超过1 300 mm/年的地區在贵州西南部和南部有所增加，但东北部在减少，年平均降水量低于1 100 mm/年的地区在中部有扩大;1971—1975年超过1 300 mm/年的面积骤减，低于 1 100 mm/年 的中部地区面积在缩小，东部地区则扩大了;至1976—1980年，年平均降水量在全省都在增加，全省有46%土地面积的年平均降水量超过1 300 mm/年，更有个别地区降水量在 1 800 mm/年以上（晴隆），而后一直到1986—1990年全省年平均降水量都在减少，尤其是1986—1990年，全省52%的土地面积降水量都在1 100 mm/年以下，而全省降水量高于 1 200 mm/年的土地面积仅占11.8%，甚至没有任何地区降水量达到1 400 mm/年;之后全省年平均降水量又在增加，高于1 300 mm/年的多雨区在扩大，到1996—2000年间，全省年平均降水量高于1 300 mm/年的地区扩大到贵州省西南部、南部及东部大部分地区，之后迅速缩小到与1986—1990年间差不多的状态（多雨区锐减，少雨区扩大范围，全省年平均降水量普遍降低）;之后的10年，年平均降水量相对2001—2005年平均降水量稍有增加，且东部和南部扩大速率高于西南部，到2011—2015年平均降水量南部（都 匀- 丹寨-雷山）降水量高于1 300 mm/年的地区比西南部面积大，这打破了全省多年来（1961—2010年）年降水量西南地区高于其他地区的规律。

10年滑动平均降水量分布空间变化见图6-b：全省多雨区主要集中在全省的西南部、南部和东北部，多雨区在空间上的变化是先扩大后缩小、再扩大再缩小、又扩大再缩小，最后小幅扩大的。而少雨区的变化大致与多雨区相反。等水量线1 100 mm/年刚开始沿桐梓-遵义县-金沙-大方-纳 雍- 水城方向呈东北-西南走势分布，随着多雨区的增加向西北方向后退，多雨区减少时，向东南方向推进。

2.4 突变检验

对贵州省82个站点降水量数据进行非参数Mann-Kendall突变检验，检验趋势变化的显著性及降水量数据序列的突变点。绘制UF和UB曲线时，UF和UB值大于0，则表示对应序列呈上升趋势，小于0时，对应序列呈下降趋势，当曲线UF超过显著性水平α=0.05的信度线时，说明该序列存在显著性的变化趋势，UF和UB的交叉点即为突变的近似起点。各地州市政府驻地UF和UB曲线变化见图7。从图7看出，这些站点的下降趋势的起点主要集中在几个时间段，第1个时间段为1961年（遵义主城、兴义市、碧江区、凯里市），第2个时间段为1972—1973年（西秀区、碧江区、水城县），第3个时间段为1978年（遵义主城），第4个时间段为1984—1988年（贵阳主城、西秀区、都匀市、凯里市、碧江区、水城县、七星关区），第5个时间段为2001—2006年（贵阳主城、西秀区、兴义市、都匀市、碧江区）。各站点的UF和UB曲线相交点各自不同，但基本都在20世纪80年代后，说明各站点的降水量数值突变的开始主要集中在1984年之后。序列的统计值没有通过α=0.05显著性检验，因此这些站点的上升和下降趋势并不显著，说明这些站点的降水量比较平稳，数值变化差异并不是很明显。结果表明，全省所有站点降水量变化趋势均没有通过α=0.05显著性检验（U0.05=±1.96），UF和UB曲线统计值最高为0.584[册亨1967年UF（k）=0.584]，最低为-0.489[凤冈1994年UB（k）=-0.489]，说明贵州省全省所有站点降水量的增加和减少趋势都不明显。

3 结论

本研究采用插值法和非参数Mann-Kendall突变检验方法分析了贵州省1961—2015年年降水量的空间分布特征和时空变化趋势，得出如下结论。

从贵州省多年的年降水量看，全省年均降水量在800～1 500 mm，极少数年份部分地区降水量低于600 mm（如安龙1971年降水量409.16 mm），极少数年份部分地区高于 1 800 mm（六枝1983年降水量2 342.04 mm），全省多年平均降水量空间分布上极度不均，降水量最少的是省的西部威 宁- 赫章-七星关一带，降水量最多的是省的西南部六枝-晴隆-普安-兴义一带，从南北向看，全省降水量南多北少，空间上全省降水量从东南向西北递减。

1961—2015年贵州全省降水量是不断变化的。从年际上看，全省平均降水量在年际上在800～1 400 mm上下波动，全省各站点年降水量在800～1 400 mm不断变化。从阶段来看，1961—1970年平均降水量为1 231.3 mm/年，至1971—1980年上升到1 247.7 mm/年;然而到1981—1990年平均降水量下降到1 135.4 mm/年，1991—2000年又骤升到1 259.1 mm/年;2001—2010年又回落到1 143.3 mm/年，2011年后有微小的上升。全省降水量时间上呈先增加后减少，之后增加，随后减少，最后轻微增加的趋势;贵州省1961—2015年间降水量在空间上也是不断变化的。降水量多雨区呈先扩大并向东移动后缩小，然后向四周扩大又缩少，随后南部都匀-丹寨、东部天柱、江口等站点多雨区轻微增加的趋势，2011—2015年和1961—1970年相比，多雨区面积明显少了很多，多雨区从1961—1970年省西南部的六枝-晴隆-普安一带变成了2011—2015年的都匀-丹寨一带，少雨区变化趋势大致与多雨区相反：多雨区扩大时，少雨区缩少，多雨区缩小时， 少雨区扩大;经非参数Mann-Kendall突变检

验，发现全省各站点降水量的增加或减少变化趋势没有通过α=0.05显著性检验，说明降水量的变化趋势并不明显，降水量突变的开始主要是在1971—1980年之后，绝大部分站点降水量与1961—1970年相比呈增加的趋势。

由于降水量数据来自贵州省气象资料，说明该研究的数据来源可靠。但有些年代比较久远，当初人工录入可能存在一定的失误，因此研究结果可能会有一定的误差。

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