李 勇, 劉秀明, 王世杰, 曹 樂, 張志才

(1.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 2.中國科學(xué)院 地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室, 貴陽 550081; 3.中國科學(xué)院 普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站, 貴州 普定 562100; 4.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室, 南京 210098)

全球氣候變暖導(dǎo)致降水量時空分布變化，從而對水資源、生態(tài)系統(tǒng)狀況和社會經(jīng)濟發(fā)展等產(chǎn)生深刻的影響。研究表明全球氣候變暖加速了地球系統(tǒng)的水循環(huán)，全球總降水量在過去100年有增加趨勢，極端天氣氣候事件的發(fā)生頻率和強度都在增加[1]。我國地處東亞地區(qū)，氣候條件復(fù)雜，生存環(huán)境脆弱多變，環(huán)境問題尤為突出。施能等[2]研究表明中國近100年降水量呈減少的趨勢。對中國的降水量分區(qū)域研究，西南地區(qū)強降水增多，降水集中在每年的4—10月，降水量分布呈現(xiàn)“東多西少”的特征，貴州省東南部是降水高發(fā)區(qū)之一[3]。

貴州位于太平洋季風(fēng)和印度洋季風(fēng)交匯影響的邊緣地帶[4-5]，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤型氣候。降水的時空變化受到復(fù)雜地形和大氣環(huán)流的共同影響。降水時間主要集中在夏季，降水量達到全年降水量的48.23%[6]，伍紅雨等[7]研究表明貴州夏季降水具有顯著的年際、年代際變化特征，主要周期為2.8 a左右。近50年貴州地區(qū)降水量有下降的趨勢，同時極端降水的頻率增加[8]

大氣降水是農(nóng)業(yè)用水的主要來源，影響區(qū)域水資源變化和旱澇等自然災(zāi)害的形成，降水時空分布特征對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均有著決定性作用。受到氣候因素的影響，貴州地區(qū)降水時空分布差異較大，貴州喀斯特地區(qū)干旱洪澇災(zāi)害天氣發(fā)生頻繁[9-10]，常給當(dāng)?shù)氐娜嗣袢罕娨约肮まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不同程度的危害。因此，研究貴州地區(qū)降水時空變化特征對于充分利用有利的氣象條件，減輕和防御氣象災(zāi)害，確保本地區(qū)人民群眾安全以及工業(yè)農(nóng)業(yè)建設(shè)的順利進行有著重要的意義。

經(jīng)驗正交函數(shù)分解(Empirical Orthogonal Function，EOF)[11]是氣候特征研究中常用的分析方法，可以對區(qū)域內(nèi)的觀測站點進行時空分解，能夠準(zhǔn)確地分析出降水的空間分布特征。目前，這種方法已廣泛應(yīng)用于氣象的分析研究中[12-15]。但由于方法本身的原因，其對降水時間序列的趨勢性、突變性和周期性分析不足。REOF是在EOF分析的基礎(chǔ)上做最大正交方差旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后可更好地表現(xiàn)地域的差異，同時反映不同地域的相關(guān)分布狀況。本文根據(jù)貴州地區(qū)84個氣象站1961—2017年的逐日降水資料，基于EOF分析法分析貴州地區(qū)降水的空間分布時間系數(shù)變化特征。并結(jié)合Mann-Kendall檢驗法[16](下文簡稱M-K檢驗)、Cramer法、YAMAMOTO法和滑動t檢驗及Morlet小波分析法[17]，分析貴州地區(qū)57年來降水時間序列的趨勢性、突變性、周期性，較為全面地描述貴州地區(qū)降水的時空變化特征及未來可能的變化趨勢，可為該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、旱澇預(yù)警以及減災(zāi)防災(zāi)等方面提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省位于中國西南部，境內(nèi)地勢西高東低。地形自西向東逐漸傾斜，西部的海拔高度是1 200～2 400 m；中部海拔800～1 200 m；東部最低，海拔在800 m以下。省內(nèi)山脈交錯、河谷縱橫、地形復(fù)雜。

1.2 研究方法

采用EOF分析貴州地區(qū)降水場空間變化類型，EOF分析可將區(qū)域降水場分解為正交的特征向量和時間函數(shù)兩部分，將原降水場的變化信息濃縮在前幾個模態(tài)上，進而通過對空間特征向量和時間系數(shù)的估計，來揭示區(qū)域降水的時空變化特征；利用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)分解REOF[18]，對EOF各特征向量場進行方差最大旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)的特征向量，據(jù)此劃分貴州省年降水量空間分布特征；在此基礎(chǔ)上，選擇各分區(qū)的代表性氣象站，采用M-K檢驗、Cramer法、YAMAMOTO法和滑動t檢驗相結(jié)合分析各分區(qū)降水的演變趨勢及是否存在突變現(xiàn)象，由于序列長度N的選擇帶有人為性，可能會使計算結(jié)果產(chǎn)生漂移，為避免這種情況，選擇2種不同長度的時間序列。使用Morlet小波分析方法分析貴州地區(qū)降水的年代際變化、周期變化。EOF和REOF分析，M-K檢驗及滑動t檢驗，Morlet小波分析均通過MATLAB平臺實現(xiàn)，Cramer法和YAMAMOTO法檢驗使用DPS軟件計算。

2 結(jié)果及分析

2.1 貴州省多年降水分析

根據(jù)貴州省84個氣象站1961—2017年的日降水量實測資料，貴州地區(qū)多年平均降水量如圖1所示。該地區(qū)的多年平均降水量西南和東南地區(qū)偏多，西北地區(qū)偏少。降水量空間分布不均勻。多雨區(qū)位于貴州西南部，雨量中心在晴隆、六枝一帶以及興義，是全省年降水量最多的區(qū)域。其中，降水量最多的雨量站為晴隆站，其多年平均降水量達1 509.69 mm，該多雨區(qū)的形成原因主要有兩個，一是易受到印度季風(fēng)槽前西南暖濕氣流東擴的影響。二是該區(qū)域北高南低的傾斜地形對偏南暖濕氣流的抬升作用[19]。多年平均降水量最低位于赫章站，為844.03 mm，最高值與最低值相差665.66 mm。

圖1 貴州地區(qū)多年平均降水量

2.2 EOF分析

2.2.1 貴州地區(qū)降水空間分型特征 為深入分析貴州地區(qū)降水的空間分布特征，對貴州地區(qū)84個氣象站1961—2017年的降水進行EOF分解，前兩個特征根的誤差范圍不重復(fù)通過North顯著性檢驗，累積貢獻率達50.08%，基本能反映貴州地區(qū)降水量的主要空間分布特征。EOF分析法中特征向量的空間分布類型如圖2所示，特征向量的數(shù)值大小反映降水量變化的程度，數(shù)值正負代表了相對的正反位相。由圖2可知，前2個特征向量分別反映了貴州地區(qū)降水空間分布類型的2種模式，即全局型和東西反向型。

表1 特征向量貢獻率

由表1可知，第一特征向量的方差貢獻率為41.24%，遠高于另一模態(tài)的貢獻率，反映了貴州省降水空間變化的主要特征，為決定性模態(tài)。高值區(qū)分布在貴州中部的貴陽市白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)，貴定縣以及黃平縣，向周邊區(qū)域減小。貴州中部為降水高值分布中心，年降水變化率大，豐枯都非常敏感。有研究表明，極端降水對貴州省年降水量貢獻較大[20]，盧瑞荊等[21]研究表明，年暴雨量對年降水量的貢獻約為12%～32%，在貴州中部地區(qū)極端降水多發(fā)[22]，降水貢獻中暴雨的貢獻更加明顯。而強降水與西太平洋副熱帶高壓面積指數(shù)和強度呈正相關(guān)，因此有明顯的年際和年代際變化特征[23-24]。特征值在全省內(nèi)呈正值分布，這說明貴州省降水空間分布為全局型分布，即呈現(xiàn)全省全年多雨或少雨的降水分布特征，在大尺度范圍內(nèi)天氣系統(tǒng)影響下，全省降水的豐枯變化趨于一致。

第二特征向量的方差貢獻率8.84%，表現(xiàn)出的降水特征呈東西反向分布模式，零等值線在106°E附近，為較典型的降水主要空間分布形式。當(dāng)貴州東部降水較多時，西地區(qū)較少；而東部降水較少時，西部降水較多。正值中心位于貴州西南部的普安和晴隆，負值中心位于貴州東北部沿河和德江。造成這種相反現(xiàn)象與貴州省西高東低的地勢有關(guān)。以106°E為界分東、西兩部分，貴州西部平均高海拔高度在1 626.2 m。東部平均海拔較低，如榕江為287.4 m。貴州西部地區(qū)由于海拔高，受高原大地形的影響很大。東部地區(qū)海拔低，受影響的天氣系統(tǒng)有差別，造成貴州地區(qū)東西部的降水有差異。

圖2 貴州省降水EOF展開前2個特征向量分布

2.2.2 EOF時間系數(shù)分析 EOF時間系數(shù)代表對應(yīng)特征向量空間分布模式的時間變化特征，系數(shù)數(shù)值的絕對值越大，表示分布形式的典型性越強。時間系數(shù)的正負代表場型的分布方向，正值與模態(tài)方向相同，負值相反。根據(jù)特征向量所對應(yīng)的時間系數(shù)絕對值大小及符號，可以得出貴州省年降水的時空差異。如圖3所示，對57年來2種降水空間分布類型做統(tǒng)計，取2個特征向量每年中絕對值最大時間系數(shù)作為當(dāng)年的降水空間分布形式。得出全省少雨年為21 a，全省多雨年為19 a，東部減少西部增多的降水分布模式出現(xiàn)9 a，東部增多西部減少的降水分布模式出現(xiàn)8 a?？梢钥闯?，57年來的降水分布模式，以第一向量的空間分布方式為主，數(shù)量有40 a之多，占總年數(shù)的70.18%，且全年少雨的總年數(shù)要稍多于多雨總年數(shù)，說明了貴州省年降水總體上有減少的趨勢。東西部差異型的降水模式共出現(xiàn)17次，占總年數(shù)的29.82%。這與貢獻率所反映的不同模態(tài)的典型程度基本一致。

圖3 EOF分析法中前2個特征向量的時間系數(shù)

2.3 貴州降水空間分區(qū)及時間演變規(guī)律分析

2.3.1 多年均值及歷史極值的空間分布 為進一步解釋貴州省降水量的地域特征，對通過North檢驗的前2個EOF特征向量場進行旋轉(zhuǎn)。由表1可知，相比于旋轉(zhuǎn)前，旋轉(zhuǎn)后各分量的方差貢獻進行了重新分配，兩個分量方差貢獻更均勻。結(jié)合各特征向量空間分布特征和累積方差貢獻量，將貴州省年降水量的空間分布分為2個區(qū)，結(jié)果見圖4。所分區(qū)域基本符合貴州省地形和海拔高度特點。貴州地勢西部高，向北部、東部和南部逐漸減低。第Ⅰ區(qū)為貴州東部，地形多山地丘陵；第Ⅱ區(qū)為西部山區(qū)，多高山大嶺，海拔較高。

圖4 貴州省降水REOF分區(qū)

2.3.2 空間分區(qū)年降水特征 選取旋轉(zhuǎn)后的特征向量載荷量最大值中心所在的氣象站點作為各分區(qū)的代表站，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)代表站分別為黃平站和關(guān)嶺站，并以此來分析各分區(qū)年降水量的時間變化特征。各站1961—2017年的年降水量基本統(tǒng)計特征見表2。Ⅱ區(qū)的年降水量均值要大于Ⅰ區(qū)；由極值比、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)可知，Ⅱ區(qū)的變異要大于Ⅰ區(qū)；對比兩個區(qū)域的年降水量極值比，Ⅱ區(qū)高于Ⅰ區(qū)；由線性傾向率可知，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的年降水量均為減少的趨勢，但決定系數(shù)值均較小，說明年降水量減小的趨勢不顯著。

表2 各分區(qū)年降水量統(tǒng)計特征

2.3.3 各空間分區(qū)年降水量突變性分析 根據(jù)貴州省年降水量進行REOF分區(qū)后，運用M-K檢驗法各個分區(qū)進行時間序列的趨勢分析和突變檢驗。如圖5所示，圖中UF代表降水的順序統(tǒng)計曲線，UB為降水的逆序統(tǒng)計曲線，并給定顯著性水平：α=0.05，臨界線為±1.96。若UF或UB值大于0，則表明序列呈上升的趨勢，小于0則表明呈下降的趨勢。當(dāng)統(tǒng)計曲線超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果統(tǒng)計曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點，則交點對應(yīng)的時間點就是突變開始的時間。

通過M-K檢驗可識別不同時期貴州省年降水量變化趨勢的細節(jié)信息。由Ⅰ區(qū)的M-K曲線可知，1978年以來UF曲線持續(xù)小于0，表明年降水量在該段時間內(nèi)處于下降的趨勢。曲線在1988—1992年超過了95%顯著水平的下臨界線，說明降水序列在該時間段出現(xiàn)下降趨勢明顯，根據(jù)突變點的判別條件，可以確定Ⅰ區(qū)降水發(fā)生突變時間在1971年。對Ⅱ區(qū)的降水量進行M-K檢驗，1987年以來UF曲線持續(xù)小于0，表示年降水量下降，下降的時間較Ⅰ區(qū)晚。曲線在2013年超過了95%顯著水平的下臨界線，說明降水序列在該年出現(xiàn)明顯的下降趨勢，而且降水減少是一突變現(xiàn)象，根據(jù)突變點的判別條件，1997年為突變年。

對比兩個區(qū)域的降水量變化，發(fā)現(xiàn)兩個區(qū)域降水量變化趨勢接近，但是Ⅱ區(qū)要比Ⅰ區(qū)有幾年時間的遲滯。且在20世紀(jì)80年代，貴州地區(qū)降水偏少，這與先前大范圍的降水變化研究結(jié)果是一致的[2]。

為驗證M-K檢驗的準(zhǔn)確性，利用Cramer法、YAMAMOTO法和滑動t檢驗在相同的置信水平下變化子序列的長度(N=5，10)，對貴州兩個分區(qū)的降水突變進行檢驗，結(jié)果見表3，Ⅰ區(qū)降水突變年份可能出現(xiàn)在1990s初期，特別是1991年；Ⅱ區(qū)突變年份可能出現(xiàn)在2000s初期，尤其是2002年。在置信水平0.05下，M-K檢驗到Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的突變年份分別是1971年、1997年，Ⅱ區(qū)突變時間與其他方法檢測到的結(jié)果接近，Ⅰ區(qū)相比其他方法晚20 a，不同方法檢驗的結(jié)果不同，說明Ⅰ區(qū)降水突變不明顯，而Ⅱ區(qū)降水突變發(fā)生在2000年前后。

圖5 貴州省年降水M-K曲線

表3 貴州年降水突變的年份分析

注：*，**分別表示通過0.05，0.01置信度檢驗。

2.4 多年平均降水量時間序列的周期性分析

采用Morlet小波對貴州年降水量進行周期性分析，結(jié)果見圖6—7。通過小波方差確定序列的主周期，揭示不同時間尺度豐枯變化情況。小波方差可以表示降水時間序列波動能量跟隨尺度的變化情況，根據(jù)小波方差公式計算年降水時間序列的各時間尺度對應(yīng)的小波方差，由此可確定該地區(qū)降水時間序列的主周期，小波系數(shù)實部等值線圖可以反映不同時間尺度降水量的周期性變化及其在時間域的分布，其正值和負值中心密集排布的時間尺度即為該波動序列的特征時間尺度。

圖6給出了貴州省年降水序列Morlet小波變換得到的小波系數(shù)的實部等值線，橫坐標(biāo)為年份，縱坐標(biāo)為周期，圖中實線表示降水處于多雨周期，虛線降水處于少雨周期。由圖6可知，降水量存在明顯的年際變化，隨著時間尺度的增大(1～32 a)，不同尺度振蕩的小波變換部分被分離。觀察發(fā)現(xiàn)，貴州省年降水量在25～28 a尺度有明顯的周期變化。貴州省降水在此時間尺度上經(jīng)歷了3.5次豐枯交替循環(huán)變化。

小波系數(shù)方差圖提供了一種確定時間序列主要周期的客觀分析方法，可確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度，所對應(yīng)峰值處的尺度稱為該序列的主要時間尺度。由圖7可知，貴州地區(qū)多年平均降水量的Morlet小波方差存在一個明顯的峰值，說明1961—2017年貴州地區(qū)降水變化存在28 a的主周期振蕩規(guī)律，反映了貴州地區(qū)降水在整個時間尺度內(nèi)的變化特征。

圖6 貴州省年降水Morlet小波系數(shù)實部等值線

圖7 貴州省年降水Morlet小波系數(shù)方差

3 結(jié) 論

(1) 貴州省降水量空間分布不均勻，西南和東南地區(qū)偏多，西北地區(qū)偏少。年降水量高值和低值相差達665.66 mm。應(yīng)用EOF方法可以很好地揭示降水場的時空分布特征，且對貴州省而言，前2個特征向量揭示了2種典型的分布場，其累積貢獻率達50.08%。

(2) 貴州地區(qū)多年平均降水量空間分布主要有2種類型：全局型和東西反向型，降水分布模式以全省豐(枯)一致型為主。此2種空間分布類型的累計方差貢獻率達50.08%，基本反映了貴州地區(qū)平均降水量空間分布的主要特征。貴州省年降水量EOF時間系數(shù)表明，全省降水偏少年份要稍高于降水偏多的年份。

(3) REOF分析表明，貴州省年降水量的空間分布為2個區(qū)，各分區(qū)代表站年降水量統(tǒng)計特征分析，貴州西部地區(qū)(Ⅱ區(qū))年降水量和變異均高于貴州東部(Ⅰ區(qū))。對2個區(qū)的年降水量進行M-K檢驗，發(fā)現(xiàn)降水量均存在下降的趨勢，Ⅱ區(qū)突變時間與其他方法檢測到的結(jié)果接近，不同方法檢驗的Ⅰ區(qū)降水突變結(jié)果不一致，說明突變不明顯。

(4) 貴州地區(qū)降水多年變化的階段性特征十分明顯，在整個研究時域內(nèi)經(jīng)歷了豐枯交替3.5個階段，年降水量具有28 a的主周期變化。

本文簡要分析了貴州省各區(qū)域降水變化的敏感程度和降水的周期轉(zhuǎn)變，為貴州省防汛救災(zāi)管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。但還應(yīng)該對敏感度做進一步定量化的研究工作，同時還要更深入研究各個區(qū)域降水變化對生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟等方面造成的影響，將區(qū)域的環(huán)境變化研究同區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合。