羅永祥，谷曉平，王 祥，阮洪福

(1.貴州省福泉市氣象局，貴州 福泉 550500；2.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

降水蒸發(fā)差代表一地降水量與蒸發(fā)量的差值，客觀地反映了一地從大氣層中獲得的可用水資源情況[1-3]，即水分盈虧。周連童等[4]研究了華北地區(qū)降水、蒸發(fā)和降水蒸發(fā)差的時空變化特征，表明降水蒸發(fā)差可定義為區(qū)域可利用水資源量; 吳初梅等[5]研究了蒸發(fā)量季節(jié)變化與干旱發(fā)生的關系，表明降水蒸發(fā)差可以真實地反映一地農業(yè)干旱發(fā)生的實際情況；曾思亮等[6]研究了龍川縣的降水蒸發(fā)差的變化特征等。因此，加強對降水蒸發(fā)差的變化特征研究，可充分了解一地可利用水資源的時間變化特征，進一步掌握農業(yè)干旱的發(fā)生規(guī)律、發(fā)展趨勢及生態(tài)保護森林資源開發(fā)前景等。貴州省位于我國亞熱帶西部，云貴高原斜坡上，屬于亞熱帶季風氣候，是典型的喀斯特地區(qū)。由于地處低緯度、高海拔，多山地、無平原，農業(yè)產值占較大比重，農業(yè)用水需求量大，但常受春夏干旱災害的影響。郭小嬌等[7]開展典型巖溶山坡土壤剖面水分對降雨響應過程研究，提出土壤剖面水分對降雨的響應受前期土壤含水量、降雨量、降雨強度的影響，還與土壤所處的地形地貌有關；尚曉三等[8]對貴州典型巖溶流域日降雨徑流過程模擬研究，指出水資源的形成及其分配是降雨過程和下墊面自然地理條件綜合作用的結果,因喀斯特形態(tài)豐富復雜的地形地貌, 故須研究該區(qū)域的降雨與徑流的關系并建立新的模式；黃曉俊等[9]對近40 a貴定縣可利用降水資源特征及變化進行了分析，得出貴定平均可利用降水資源的總體趨勢以0.5 mm/a的線性傾向減少,這與40 a來貴定降水量總體趨勢以0.5 mm/a線性傾向減少密切相關。氣候影響環(huán)境生態(tài)，本文從氣候的角度分析貴州地表水分收支時空分布狀況。氣候的時空分布的分析有線性趨勢分析 、Morlet 小波分析等很多方法，本文使用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解方法來分析貴州省36 a的年降水蒸發(fā)差時空分布特征，旨在了解喀斯特地區(qū)地面水分盈虧，為森林資源開發(fā)、環(huán)境生態(tài)保護、水資源調度、防旱減災提供科學指引，為全省大扶貧、大數(shù)據(jù)、大生態(tài)戰(zhàn)略服務。

2 資料來源與處理

資料來源于貴州省84個縣級國家基本氣象站 1980—2015 年的降水、蒸發(fā)觀測資料，統(tǒng)計各站歷年的年降水量及年蒸發(fā)量。貴州20世紀80年代就開始了小型蒸發(fā)皿與大型蒸發(fā)皿的并行觀測。資料顯示，最早是遵義1984年開始，之后，使用大型蒸發(fā)皿的臺站逐漸增加，2002年以后，安裝大型蒸發(fā)皿的臺站的蒸發(fā)資料完全為大型蒸發(fā)的觀測值，因此蒸發(fā)量資料1980—2001年使用小型蒸發(fā)皿的觀測值，2002—2015年，沒有大型蒸發(fā)皿的臺站使用小型蒸發(fā)皿的觀測值，有大型蒸發(fā)皿的臺站使用大型蒸發(fā)皿的觀測值。遵義站的觀測資料到2006年截止，2007年后由匯川站資料接續(xù)。計算各站歷年的年降水量與年蒸發(fā)量的差值，得到時間為36 a，84個站的降水蒸發(fā)差序列。一個觀測站中，如果一年里蒸發(fā)值缺失45 d以上的年份作為降水蒸發(fā)差缺失年份，對缺失的值進行插補，插補方法使用相關比較法進行平均差插補，即將有缺值的臺站的序列與全省其它臺站的歷年序列值計算相關系數(shù)(表1)，找出相關系數(shù)最大的臺站序列與其進行平均值比較，用平均差值補算出所缺年份的值。用處理好的序列資料進行特征分析。

表1 數(shù)據(jù)缺失臺站及缺失年份與相關最大臺站及相關系數(shù)Tab.1 Data missing stations and years missing and the largestassociated stations and correlation factors

3 特征分析

3.1 經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解

用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解方法分析降水蒸發(fā)差的分布特征。設xij表示i測站在j年的降水蒸發(fā)差的值，有全省測站降水蒸發(fā)差的歷年值矩陣為X，有:

式中：m為測站點，m=84，n為時間點，n=36。即i={1，2，…，m}，j={1，2，…，n}。對降水蒸發(fā)差矩陣X作標準化處理，計算出協(xié)方差矩陣，用求特征值與特征向量的方法，求出特征值(Λ)與特征向量(V)。將Λ對角元素的特征值λ按大小排列。

表2 第一、第二特征值方差貢獻及顯著性檢驗Tab.2 Variance contribution and significance test of first and second eigenvalues

降水量和蒸發(fā)差的EOF分析結果，根據(jù)顯著性檢驗原則，第一、第二模態(tài)的累計方差達77%，并通過顯著性檢驗，說明EOF分解的收斂速度快，可以作為貴州降水量和蒸發(fā)差的主要模態(tài)。

第一特征向量場方差貢獻為52%，由第一特征向量作分布圖(圖1)，從圖上可以看出貴州省的84個站點基本為正值，即是全省大部分的降水量和蒸發(fā)差具有一致的變化趨勢。

圖1 貴州降水量和蒸發(fā)差的第一特征向量空間分布Fig.1 Spatial distribution of the first characteristic vector of precipitation and evaporation difference in Guizhou province

第二特征向量場方差貢獻為25%，主要分布是中部以北和西南部分地區(qū)為負值，中部以南大部分為正值，即貴州中北部的降水量和蒸發(fā)差大(小)時，貴州南部大部分的降水量和蒸發(fā)差小(大)(圖2)。

圖2 貴州降水量和蒸發(fā)差的第二特征向量空間分布Fig.2 Spatial distribution of second characteristic vector of precipitation and evaporation difference in Guizhou province

由第一特征向量對應的時間系數(shù)代表第一特征向量所表征的分布式的時間變化特征。由時間系數(shù)作貴州降水量和蒸發(fā)差第一特征向量的時間序列圖(圖3)，表明，在1985—1990年降水量和蒸發(fā)差持續(xù)偏少，且偏少強度增加，1993—1997年，貴州降水量和蒸發(fā)差有持續(xù)上升趨勢，1998—2015年貴州降水量和蒸發(fā)差變化波動較大，基本在1～2 a的變化周期，尤其在2011年降水量和蒸發(fā)差達到最低，2014—2015年貴州降水量和蒸發(fā)差最大。

圖3 貴州降水量和蒸發(fā)差第一特征向量的時間序列Fig.3 Time series of first eigenvector of precipitation and evaporation difference in Guizhou

3.2 氣候態(tài)分析

由EOF分解第一特征向量可知，全省的降水量和蒸發(fā)差具有一致的變化趨勢，因此對全省站點的降水量和蒸發(fā)差進行36 a平均，得到的各地平均值可以代表全省的實際分布狀況。全省各站的平均降水蒸發(fā)差為-483.8～412.5 mm，其中小于0的有38站，大于0的有46站。分布如圖4，省的中部以西以負值為主，中間有一塊正值區(qū)域；中部以東以正為主，中間也有一塊負值區(qū)域。畢節(jié)西部、黔南東部分別為最大的負值和正值區(qū)域。

圖4 貴州省降水量與蒸發(fā)量差值分布Fig.4 Distribution of Precipitation and Evapotranspiration in Guizhou Province

3.3 貴州主要降水氣候特征分析

貴州省位于副熱帶東亞大陸的季風區(qū)內，屬中國亞熱帶高原季風濕潤氣候類型。貴州常年雨量較充沛，但時空分布不均。全省各地多年平均年降水量大部分地區(qū)在1 100～1 300 mm之間，最多值接近1 600 mm，最少值約為850 mm。年降水量的地區(qū)分布總體趨勢是南部多于北部，東部多于西部。全省有3個多雨區(qū)和3個少雨區(qū)，省之西南部、東南部和東北部為全省3個多雨區(qū)，其中西南部多雨區(qū)范圍最大，該區(qū)的晴隆是全省最多雨中心；3個少雨區(qū)分別在威寧、赫章和畢節(jié)一帶，大婁山西北部的道真、正安和桐梓一帶，氵舞陽河流域的施秉、鎮(zhèn)遠一帶。從降水的季節(jié)分布看，一年中的大多數(shù)雨量集中在夏季，但夏半年降水量的年際變率大，常有干旱發(fā)生。馮禹等[10]對貴州省干旱時空分布特征研究表明近51 a以來貴州省大部分地區(qū)干旱有加重的趨勢，特別是近20 a以來貴州干旱有明顯加重的趨勢。造成干旱的原因很多，但降水異常偏少，降水蒸發(fā)差失衡肯定是主因。

4 結論及討論

通過對貴州1980—2015 年的降水蒸發(fā)差的EOF分析和平均狀態(tài)的分析，得到如下結論：

①全省各地的降水量和蒸發(fā)量差為-483.8～412.5 mm。

②降水量和蒸發(fā)量差在全省的分布具有均衡性，貴州省的中部以西以負值為主，中間有一塊正值區(qū)域；中部以東以正值為主，中間也有一塊負值區(qū)域；貴州省的東南部與西北部有一對正、負值最大區(qū)域。

③在1980年代后期降水量和蒸發(fā)差持續(xù)偏少，1990年代，是持續(xù)上升的趨勢，2000年以后波動較大，但經(jīng)過t檢驗，與之前的演變沒有明顯的差異，仍然是穩(wěn)定變化。

④貴州典型的喀斯特地形地貌，需加強環(huán)境生態(tài)保護力度，采取工程性措施截留儲存地表水資源，充分利用豐富地下水資源，實現(xiàn)水資源開發(fā)利用可持續(xù)發(fā)展。

由于蒸發(fā)觀測儀器的變化，存在蒸發(fā)量的變化，對降水蒸發(fā)差的時空分布會有影響，還需要進一步的研究?？λ固氐匦蔚孛矊邓暮B(yǎng)和滲漏同樣影響著一地的水分收支，進而影響植被、農業(yè)生產和水資源利用等，同樣需要深入的研究。

感謝：黔南州氣象局黃桂東、羅林勇、高紅梅、陳波對本文的指教與幫助！