朱 孟, 周忠發(fā),3, 蔣 翼, 黃登紅,3

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550001; 2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 貴陽 550001; 3.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心, 貴陽 550001)

貴州地處中國西南喀斯特地區(qū)的腹地，是我國喀斯特發(fā)育最典型復(fù)雜的高原山區(qū)，獨(dú)特的自然地理與氣候環(huán)境，形成了典型的以二元結(jié)構(gòu)為基本特征的喀斯特山區(qū)，該區(qū)具有土壤貧瘠且分布不連續(xù)、地表水滲漏、表層土壤侵蝕退化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn)[1-3]，降水及其頻率是導(dǎo)致山體崩塌等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)的兩個(gè)重要影響因子[4-6]，分析并掌握貴州的降水時(shí)空特征與演變規(guī)律對于各地貌區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警尤為重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對降水特征從時(shí)間和空間兩個(gè)維度都做了大量研究工作，其中部分學(xué)者利用多年降水?dāng)?shù)據(jù)研究了降水趨勢、突變特征，并分析了年、季、月和日尺度上的降水特征[7-12]，學(xué)者們對不同地貌單元的研究主要集中在生境退化程度的評估[13]、土壤侵蝕定量歸因[14]，耕地時(shí)空特征變化分析[15]，而較少有結(jié)合地貌類型分區(qū)與降水特征的研究進(jìn)展。氣溫與濕度是調(diào)整水資源時(shí)空重分配的兩個(gè)重要指標(biāo)，氣溫直接關(guān)系著水體溫度，間接對水汽交換、水生生物生長、沉積物的吸附釋放、水解反應(yīng)、光解反應(yīng)及氧化還原反應(yīng)等產(chǎn)生影響[16]，目前關(guān)于氣溫與降水特征的研究主要集中在小尺度區(qū)域，并取得了一定的研究成果[17-20]，總體而言年平均氣溫升高，極端降水發(fā)生的頻次將增大，易引發(fā)洪澇災(zāi)害[21]。毛列尼·阿依提看等從降水濕度層結(jié)及大氣能量結(jié)構(gòu)特征分析了新疆近10 a的短時(shí)強(qiáng)降水特征，并論證了其過程與濕度層的機(jī)理[22]，曾波等分析了我國南方50 a冬季降水和相對濕度特征，得出兩者呈明顯正相關(guān)的結(jié)論[23]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)針對降水空間特征的研究大多以行政區(qū)為單元進(jìn)行闡述，然而極端降水引起的地質(zhì)災(zāi)害與政區(qū)并沒有內(nèi)在的機(jī)理關(guān)聯(lián)，更多的影響來源于不同地質(zhì)地貌背景與降水的雙重作用，不同地貌類型受降水侵蝕影響程度差異顯著，打破行政界線分析不同地貌類型區(qū)的降水時(shí)空特征具有客觀參考意義。

降水不僅受地貌、氣溫、濕度的影響，一定程度上還與經(jīng)度、緯度、海拔[24]等空間位置存在關(guān)系，因此本文基于貴州不同地貌分區(qū)[25]，以各地貌區(qū)接近均勻分布的19個(gè)站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗(yàn)，滑動(dòng)平均與距平累積，反距離權(quán)重插值等方法，綜合分析降水與影響因子在巖溶高原、巖溶槽谷、巖溶峽谷、巖溶斷陷盆地、峰叢洼地和非喀斯特等6種基本地貌類型上的時(shí)空異質(zhì)性，以期為貴州省不同地貌區(qū)降水引起的洪澇、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)警提供參考。

1 研究區(qū)概況

貴州省地處我國西南地區(qū)的云貴高原隆起地帶，位于103°36′00″—109°35′00″E，24°37′00″—29°13′00N″，南北長約509 km，東西寬約595 km，政區(qū)面積17.62萬km2。全省轄貴陽市、六盤水市、畢節(jié)市、安順市、遵義市、銅仁市、黔東南州、黔西南州和黔南州9個(gè)市(州)，88個(gè)縣(區(qū))。地勢西高東低，平均海拔約1 100 m，由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造與多云雨天氣，山區(qū)地塊破碎，省域喀斯特地貌廣發(fā)育，占全省國土總面積的61.9%，是我國喀斯特地貌發(fā)育最為典型的地區(qū)之一，地貌分為巖溶高原、巖溶槽谷、巖溶峽谷、巖溶斷陷盆地、峰叢洼地和非喀斯特等6種基本類型，其中92.5%的面積為山地和丘陵。氣候類型為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年降水量在800～1 600 mm，多年平均氣溫為15.5℃，多年平均濕度為79.1%，受大氣環(huán)流與不同地貌的影響，氣候不穩(wěn)定，降水分布不均勻。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究使用的地貌類型分區(qū)數(shù)據(jù)參考Tong X等[25]劃分，其矢量數(shù)據(jù)經(jīng)ArcGIS 10.2軟件地理配準(zhǔn)與空間校正矢量化獲取。氣象數(shù)據(jù)為19個(gè)站點(diǎn)1951—2018年共68 a數(shù)據(jù)，較均勻分布在貴州省6個(gè)地貌類型區(qū)(圖1)，氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http:∥data.cma.cn)，中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集，包含月值降水(mm)、氣溫(℃)、相對濕度、經(jīng)度、緯度、海拔(m)，對于個(gè)別缺測數(shù)據(jù)，采用多年同月平均值進(jìn)行插補(bǔ)。

圖1 研究區(qū)地貌分區(qū)及站點(diǎn)分布

2.2 研究方法

(1) Mann-Kendall檢驗(yàn)。Mann-Kendall(M-K)[26-27]突變檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，常用來分析降水時(shí)間序列的突變檢驗(yàn)，假設(shè)數(shù)據(jù)序列x1,x2,x3,…,xn為平穩(wěn)的時(shí)間序列，樣本相對獨(dú)立，其中當(dāng)xi>xj時(shí)，ri=1，總累計(jì)數(shù)為FK，并定義統(tǒng)計(jì)量UFK，否則ri=0(j=1,2,…,i)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：PK表示第i個(gè)時(shí)刻的數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值的個(gè)數(shù)的累計(jì)值；E(PK)和var(PK)分別表示累計(jì)數(shù)PK的均值和方差；原假設(shè)為序列無趨勢變化，采用雙向趨勢檢UBK=-UFK，給定顯著水平α，若|UFK|

(2) 滑動(dòng)平均與距平累積。①滑動(dòng)平均法也稱為移動(dòng)平均法，它的基本思想是：根據(jù)時(shí)間序列資料、逐項(xiàng)推移，依次計(jì)算包含一定項(xiàng)數(shù)的序時(shí)平均值，以反映長期趨勢的方法。因此，當(dāng)時(shí)間序列的數(shù)值由于受周期變動(dòng)和隨機(jī)波動(dòng)的影響，起伏較大，不易顯示出事件的發(fā)展趨勢時(shí)，使用移動(dòng)平均法可以消除這些因素的影響，顯示出事件的發(fā)展方向與趨勢(即趨勢線)，然后依趨勢線分析預(yù)測序列的長期趨勢。計(jì)算公式[28]如下：

(6)

式中：Ft表示下一期的預(yù)測值；n表示移動(dòng)平均的時(shí)期個(gè)數(shù)；At-1表示前期實(shí)際值；At-2，At-3和At-n分別表示前兩期、前三期直至前n期的實(shí)際值。

② 距平累積指先計(jì)算每年的降水量、氣溫和相對濕度距平，然后按年序累加，得到距平累積序列，計(jì)算公式[29]如下：

(7)

(3) 反距離權(quán)重插值。反距離權(quán)重插值(Inverse Distance Weighted，IDW)[30]以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。設(shè)平面上分布一系列離散點(diǎn)，已知其坐標(biāo)和值為Xi，Yi，Zi，(i=1,2,…，n),根據(jù)周圍離散點(diǎn)的值，通過距離加權(quán)值求Z點(diǎn)值。

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 總體年際降水特征

通過對19個(gè)氣象站點(diǎn)68 a的降水、氣溫、濕度月值實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先計(jì)算各氣象站點(diǎn)的氣象因子年均值，再計(jì)算出多年降水均值為1 139.50 mm、多年氣溫均值為15.50℃、多年濕度均值為79.32%，分別得到降水、氣溫、濕度年均值與多年均值的差與線性擬合函數(shù)及趨勢，見圖2。

從1951—2018年的68 a實(shí)測數(shù)據(jù)線性擬合函數(shù)反映出，氣溫整體特征處于一個(gè)上升趨勢，與全球氣候變暖趨勢一致，總體降水量與濕度均有不顯著的下降趨勢，其中降水量的斜率-1.215小于濕度的斜率-0.026，表明年均降水量的整體下降趨勢比年均濕度緩慢，從降水量累積距平可知，貴州省68 a來的降水變化特征可分為6個(gè)階段，3個(gè)豐水期分別為1951—1954年、1961—1983年和1993—2000年，累積距平值分別為460.06 mm，1 132.52 mm，508.82 mm，其中1954年降水發(fā)生突變，距平374.16 mm，達(dá)到了豐水期的最大值。3個(gè)枯水期分別為1955—1960年、1984—1992年和2001—2018年，累積距平分別為-428.48 mm，-681.05 mm和-840.08 mm，其中1989年與2011年降水量急劇下降，年距平值分別為-242.23 mm，-301.49 mm，達(dá)到枯水期歷史最低值。從圖2A與B可得，氣溫長時(shí)間序列上升，濕度長時(shí)間序列下降，降水處于一個(gè)整體下降態(tài)勢。

圖2 不同氣象點(diǎn)氣溫、濕度與降水的關(guān)系

3.2 不同地貌類型降水時(shí)間特征

首先從整體上描述降水與氣溫、濕度在不同地貌背景下的關(guān)系，將19個(gè)站點(diǎn)歸并到相應(yīng)的地貌單元，并計(jì)算出每一種地貌單元的多年降水平均值、多年濕度平均值與多年濕度平均值，見圖3。顯然，不同地貌類型分區(qū)的降水、氣溫與濕度都有顯著差異，相比較6種不同地貌區(qū)的3個(gè)氣候因子得到，降水量大小為：巖溶高原<巖溶峽谷<巖溶槽谷<非喀<峰叢洼地<巖溶斷陷盆地；氣溫高低為：巖溶峽谷<巖溶高原<巖溶斷陷盆地<巖溶槽谷<非喀<峰叢洼地；相對濕度大小為：巖溶斷陷盆地<峰叢洼地<巖溶槽谷<巖溶峽谷<巖溶高原<非喀，由圖3A與B可知，降水與氣溫呈正相關(guān)，而濕度與降水在該6種不同地貌背景下無明顯的線性關(guān)系。

圖3 不同地貌類型的降水與氣溫、濕度的關(guān)系

為了更為準(zhǔn)確地探究降水、氣溫與濕度在不同地貌分區(qū)的時(shí)間特征，以68 a時(shí)長序列數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，各氣象因子與多年平均值的差值為縱坐標(biāo)，得到多年間不同地貌背景的降水距平、氣溫距平、濕度距平，以及趨勢，見圖4—6。不同地貌單元背景下的降水長時(shí)間序列特征(圖4)得出，非喀斯特地貌的降水量有微弱的上升趨勢，峰叢洼地、巖溶槽谷、巖溶斷陷盆地、巖溶高原、巖溶峽谷都呈下降趨勢，從5種地貌的多年降水線性擬合函數(shù)斜率可得，多年間的降水下降速率為，巖溶斷陷盆地>巖溶高原>巖溶峽谷>巖溶槽谷>峰叢洼地，在68 a年的降水序列中，不同地貌的豐水期與枯水期見表1。

由圖5可以看出，68 a長時(shí)間序列數(shù)據(jù)反映出氣溫在不同地貌背景下均有上升，和全球變暖與貴州整體氣溫上升趨勢一致，但增溫速率有所差異，由線性擬合函數(shù)的斜率得，巖溶峽谷(0.015)>峰叢洼地(0.009)>巖溶高原(0.008)=巖溶斷陷盆地(0.008)>巖溶槽谷(0.002)>非喀(0.001)，表明在6種地貌類型中，巖溶峽谷多年間的升溫最快，峰叢洼地、巖溶高原與巖溶斷陷盆地3種地貌類型基本持平，而巖溶槽谷與非喀斯特區(qū)域增溫較緩。由圖6，濕度在巖溶峽谷、巖溶高原、巖溶斷陷盆地、巖溶槽谷、非喀斯特等5種地貌類型中總體均呈下降趨勢，且下降速率巖溶槽谷>巖溶峽谷>巖溶斷陷盆地>巖溶高原>非喀斯特，而峰叢洼地年均濕度呈微弱上升趨勢。

圖4 1951-2018年不同地貌降水距平及趨勢

表1 不同地貌類型區(qū)降水變化

地貌類型豐水期/次時(shí)間降水量累積距平/mm枯水期/次時(shí)間降水量累積距平/mm喀斯特31967-19821993-20022014-20181126.20797.00842.5531951-19661983-19922003-2013-753.95-1075.15-1082.40峰叢洼地21965-19801993-2010-1430.58437.65 -31951-19641981-19922011-2018-306.52-1013.02-548.69巖溶槽谷21967-19841993-2004-1048.84707.66 -31951-19661985-19222005-2018-159.56-788.11-880.39巖溶斷陷盆地21961-19681976-2000-1094.651892.27 -31951-19601969-19752001-2018-666.49-384.18-1936.24巖溶高原21951-19801991-20001407.85654.4421981-19902001-2018-677.40-1209.09巖溶峽谷無明顯豐水期與枯水期,降水量累積距平為7594.27 mm,總體呈下降趨勢

圖5 1951-2018年不同地貌氣溫距平及趨勢 圖6 1951-2018年不同地貌濕度距平及趨勢

3.3 降水的M-K突變分析

利用M-K突變檢驗(yàn)對貴州省68 a不同地貌單元逐年平均降水進(jìn)行分析(圖7)，顯著性水平α=0.05(臨界值為±1.96)，信度區(qū)間內(nèi)UF與UB交叉點(diǎn)即為降水突變點(diǎn)，觀察降水UF曲線，非喀斯特、峰叢洼地、巖溶槽谷和巖溶斷陷盆地都圍繞統(tǒng)計(jì)值0上下波動(dòng)，且統(tǒng)計(jì)值未超過95%置信度水平臨界線，表明變化趨勢不顯著，6種地貌降水在置信區(qū)間內(nèi)UF與UB相交次數(shù)≥2次，出現(xiàn)了多個(gè)突變點(diǎn)，經(jīng)滑動(dòng)T/F 0.05信度檢驗(yàn)，非喀斯特地貌降水在2013年發(fā)生顯著跳躍，峰叢洼地降水無顯著突變點(diǎn)，巖溶槽谷降水在1984年前后突變顯著，巖溶斷陷盆地降水在相交點(diǎn)無明顯變化，在1986年突變顯著，巖溶高原降水在1980年發(fā)生明顯突變，在2009年UF曲線超過了95%置信度水平臨界線，表明降水下降趨勢顯著，巖溶峽谷降水在1986年發(fā)生突變，統(tǒng)計(jì)值在1998年以前在0附近波動(dòng)，表明降水變化趨勢不明顯，降水增加與下降趨勢也不顯著，1998—2018年，降水一直呈下降趨勢，UF統(tǒng)計(jì)值未超過95%信度線，下降趨勢不顯著。

圖7 不同地貌類型區(qū)降水M-K突變檢驗(yàn)

3.4 不同地貌類型降水空間特征

降水除了受氣溫與濕度影響較大，一定程度上還與地貌單元所處的經(jīng)度、緯度和海拔相關(guān)，見圖8，分別控制變量經(jīng)度、緯度和海拔在不同地貌背景下由小到大排序，觀察降水隨其變化的趨勢與規(guī)律，顯然，不同地貌單元下降水隨各因子都在波動(dòng)變化，但整體又有規(guī)可循。其中，降水與經(jīng)度呈正相關(guān)，與緯度和海拔呈負(fù)相關(guān)，降水隨經(jīng)度的上升斜率為4.312 8，降水隨經(jīng)度變化的相關(guān)性R2為0.034。降水較海拔與緯度有較明顯的相關(guān)性，降水—緯度R2(0.25)>降水—海拔R2(0.035)，由降水—緯度斜率|-11.685|>降水—海拔|-4.386 4|，可知降水隨緯度增加的下降速率大于海拔。

圖8 經(jīng)度、緯度和海拔與降水量的關(guān)系

如圖9所示，以較均勻分布貴州省的19個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)為中心，采用反距離權(quán)重插值方法分別獲得不同地貌與降水、氣溫、濕度、海拔、經(jīng)度、緯度的空間分布特征。整體上貴州省西南部、南部與東部降水大于西北部、北部與西部，大體呈三帶分布，威寧—黔西—桐梓一帶降水較少，水城—安順—貴陽—思南一帶持中，盤縣—興仁—獨(dú)山—榕江一帶降水較為豐沛。氣溫與降水的空間分布特征相似性極高，形成以望謨、羅甸與榕江為中心逐漸向中部、北部及西北部遞減的態(tài)勢。濕度全省分布不均，其中七星關(guān)區(qū)、黔西、獨(dú)山、三穗、湄潭和習(xí)水一帶較為突出，西南部與東北部次之。從不同地貌與各氣象因子的空間分布特征來看，降水：巖溶高原<巖溶峽谷<巖溶槽谷<非喀<峰叢洼地<巖溶斷陷盆地；氣溫：巖溶峽谷<巖溶高原<巖溶斷陷盆地<巖溶槽谷<非喀<峰叢洼地；濕度：巖溶斷陷盆地<峰叢洼地<巖溶槽谷<巖溶峽谷<巖溶高原<非喀；海拔：非喀<巖溶槽谷<峰叢洼地<巖溶高原<巖溶斷陷盆地<巖溶峽谷；經(jīng)度：巖溶斷陷盆地<巖溶峽谷<巖溶高原<峰叢洼地<巖溶槽谷<非喀；緯度：峰叢洼地<巖溶斷陷盆地<非喀<巖溶峽谷<巖溶高原<巖溶槽谷。

圖9 不同地貌類型區(qū)氣溫、濕度、降水強(qiáng)度空間分布

4 結(jié) 論

(1) 從68 a長時(shí)序的降水、氣溫與相對濕度距平線性擬合函數(shù)可得，貴州省降水總體呈下降態(tài)勢，氣溫和相對濕度作為影響降水的兩個(gè)重要因子，氣溫長時(shí)序時(shí)間下升溫趨勢較明顯，相對濕度下降速率大于降水下降速率。

(2) 降水、氣溫與相對濕度在不同地貌單元的時(shí)間特征異質(zhì)性顯著，降水與氣溫呈正相關(guān)，從6種地貌背景的降水長時(shí)序距平趨勢線得，只有非喀斯特地貌的降水呈微弱的上升趨勢，其余5種地貌(峰叢洼地、巖溶槽谷、巖溶斷陷盆地、巖溶高原與巖溶峽谷)均呈下降趨勢，下降速率有所差異，巖溶斷陷盆地>巖溶高原>巖溶峽谷>巖溶槽谷>峰叢洼地。

(3) 巖溶峽谷區(qū)多年間降水充沛，整體處于平均值以上，其余5種地貌(非喀、峰叢洼地、巖溶槽谷、巖溶斷陷盆地與巖溶高原)均有豐水期與枯水期，總體平均劃分為2個(gè)豐水期與3個(gè)枯水期，其中1967—1980年與1993—2000年降水豐沛，1951—1960年、1985—1992年和2005—2018年降水相對較少。經(jīng)降水M-K突變分析與滑動(dòng)T/F檢驗(yàn)，除峰叢洼地?zé)o明顯突變點(diǎn)外，其余5種地貌(非喀斯特、巖溶槽谷、巖溶斷陷盆地、巖溶高原、巖溶峽谷)均有顯著突變點(diǎn)，其突變時(shí)間分別為：2013年、1984年、1986年、1980年和1986年。

(4) 不同地貌單元上降水空間分布差異顯著，降水與經(jīng)度呈正相關(guān)，與緯度和海拔呈負(fù)相關(guān)，巖溶高原<巖溶峽谷<巖溶槽谷<非喀<峰叢洼地<巖溶斷陷盆地。

基于1951—2018年68 a時(shí)長序列的降水、氣溫和相對濕度數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)、緯度和海拔的地域差異特征，分析了其整體時(shí)間序列特征及不同地貌(非喀斯特、峰叢洼地、巖溶槽谷、巖溶斷陷盆地、巖溶高原與巖溶峽谷)單元下的時(shí)空演變。通過68 a的氣象數(shù)據(jù)在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上增加了時(shí)長序列，提高了置信度，并增加了氣溫、濕度、經(jīng)、緯度和海拔的耦合分析。一方面，降水還受大氣環(huán)流等其他諸多因素的影響，另一方面，受現(xiàn)有地貌劃分精度和氣象數(shù)據(jù)的局限性，雖在一定程度上能分析各地貌背景下的時(shí)空演變規(guī)律，但對于更精準(zhǔn)的推演需要更充分和細(xì)致的數(shù)據(jù)，下一步擬布設(shè)各地貌單元下的樣點(diǎn)實(shí)測氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合更細(xì)化的地貌類型劃分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)一步揭示地貌分區(qū)單元下降水時(shí)空演變規(guī)律。