近36 a贵州降水蒸发差的时空分布特征分析*

罗永祥，谷晓平，王 祥，阮洪福

(1.贵州省福泉市气象局，贵州 福泉 550500；2.贵州省生态气象和卫星遥感中心，贵州 贵阳 550002)

1 引言

降水蒸发差代表一地降水量与蒸发量的差值，客观地反映了一地从大气层中获得的可用水资源情况[1-3]，即水分盈亏。周连童等[4]研究了华北地区降水、蒸发和降水蒸发差的时空变化特征，表明降水蒸发差可定义为区域可利用水资源量; 吴初梅等[5]研究了蒸发量季节变化与干旱发生的关系，表明降水蒸发差可以真实地反映一地农业干旱发生的实际情况；曾思亮等[6]研究了龙川县的降水蒸发差的变化特征等。因此，加强对降水蒸发差的变化特征研究，可充分了解一地可利用水资源的时间变化特征，进一步掌握农业干旱的发生规律、发展趋势及生态保护森林资源开发前景等。贵州省位于我国亚热带西部，云贵高原斜坡上，属于亚热带季风气候，是典型的喀斯特地区。由于地处低纬度、高海拔，多山地、无平原，农业产值占较大比重，农业用水需求量大，但常受春夏干旱灾害的影响。郭小娇等[7]开展典型岩溶山坡土壤剖面水分对降雨响应过程研究，提出土壤剖面水分对降雨的响应受前期土壤含水量、降雨量、降雨强度的影响，还与土壤所处的地形地貌有关；尚晓三等[8]对贵州典型岩溶流域日降雨径流过程模拟研究，指出水资源的形成及其分配是降雨过程和下垫面自然地理条件综合作用的结果,因喀斯特形态丰富复杂的地形地貌, 故须研究该区域的降雨与径流的关系并建立新的模式；黄晓俊等[9]对近40 a贵定县可利用降水资源特征及变化进行了分析，得出贵定平均可利用降水资源的总体趋势以0.5 mm/a的线性倾向减少,这与40 a来贵定降水量总体趋势以0.5 mm/a线性倾向减少密切相关。气候影响环境生态，本文从气候的角度分析贵州地表水分收支时空分布状况。气候的时空分布的分析有线性趋势分析 、Morlet 小波分析等很多方法，本文使用经验正交函数(EOF)分解方法来分析贵州省36 a的年降水蒸发差时空分布特征，旨在了解喀斯特地区地面水分盈亏，为森林资源开发、环境生态保护、水资源调度、防旱减灾提供科学指引，为全省大扶贫、大数据、大生态战略服务。

2 资料来源与处理

资料来源于贵州省84个县级国家基本气象站 1980—2015 年的降水、蒸发观测资料，统计各站历年的年降水量及年蒸发量。贵州20世纪80年代就开始了小型蒸发皿与大型蒸发皿的并行观测。资料显示，最早是遵义1984年开始，之后，使用大型蒸发皿的台站逐渐增加，2002年以后，安装大型蒸发皿的台站的蒸发资料完全为大型蒸发的观测值，因此蒸发量资料1980—2001年使用小型蒸发皿的观测值，2002—2015年，没有大型蒸发皿的台站使用小型蒸发皿的观测值，有大型蒸发皿的台站使用大型蒸发皿的观测值。遵义站的观测资料到2006年截止，2007年后由汇川站资料接续。计算各站历年的年降水量与年蒸发量的差值，得到时间为36 a，84个站的降水蒸发差序列。一个观测站中，如果一年里蒸发值缺失45 d以上的年份作为降水蒸发差缺失年份，对缺失的值进行插补，插补方法使用相关比较法进行平均差插补，即将有缺值的台站的序列与全省其它台站的历年序列值计算相关系数(表1)，找出相关系数最大的台站序列与其进行平均值比较，用平均差值补算出所缺年份的值。用处理好的序列资料进行特征分析。

表1 数据缺失台站及缺失年份与相关最大台站及相关系数Tab.1 Data missing stations and years missing and the largestassociated stations and correlation factors

3 特征分析

3.1 经验正交函数(EOF)分解

用经验正交函数(EOF)分解方法分析降水蒸发差的分布特征。设xij表示i测站在j年的降水蒸发差的值，有全省测站降水蒸发差的历年值矩阵为X，有:

式中：m为测站点，m=84，n为时间点，n=36。即i={1，2，…，m}，j={1，2，…，n}。对降水蒸发差矩阵X作标准化处理，计算出协方差矩阵，用求特征值与特征向量的方法，求出特征值(Λ)与特征向量(V)。将Λ对角元素的特征值λ按大小排列。

表2 第一、第二特征值方差贡献及显著性检验Tab.2 Variance contribution and significance test of first and second eigenvalues

降水量和蒸发差的EOF分析结果，根据显著性检验原则，第一、第二模态的累计方差达77%，并通过显著性检验，说明EOF分解的收敛速度快，可以作为贵州降水量和蒸发差的主要模态。

第一特征向量场方差贡献为52%，由第一特征向量作分布图(图1)，从图上可以看出贵州省的84个站点基本为正值，即是全省大部分的降水量和蒸发差具有一致的变化趋势。

图1 贵州降水量和蒸发差的第一特征向量空间分布Fig.1 Spatial distribution of the first characteristic vector of precipitation and evaporation difference in Guizhou province

第二特征向量场方差贡献为25%，主要分布是中部以北和西南部分地区为负值，中部以南大部分为正值，即贵州中北部的降水量和蒸发差大(小)时，贵州南部大部分的降水量和蒸发差小(大)(图2)。

图2 贵州降水量和蒸发差的第二特征向量空间分布Fig.2 Spatial distribution of second characteristic vector of precipitation and evaporation difference in Guizhou province

由第一特征向量对应的时间系数代表第一特征向量所表征的分布式的时间变化特征。由时间系数作贵州降水量和蒸发差第一特征向量的时间序列图(图3)，表明，在1985—1990年降水量和蒸发差持续偏少，且偏少强度增加，1993—1997年，贵州降水量和蒸发差有持续上升趋势，1998—2015年贵州降水量和蒸发差变化波动较大，基本在1～2 a的变化周期，尤其在2011年降水量和蒸发差达到最低，2014—2015年贵州降水量和蒸发差最大。

图3 贵州降水量和蒸发差第一特征向量的时间序列Fig.3 Time series of first eigenvector of precipitation and evaporation difference in Guizhou

3.2 气候态分析

由EOF分解第一特征向量可知，全省的降水量和蒸发差具有一致的变化趋势，因此对全省站点的降水量和蒸发差进行36 a平均，得到的各地平均值可以代表全省的实际分布状况。全省各站的平均降水蒸发差为-483.8～412.5 mm，其中小于0的有38站，大于0的有46站。分布如图4，省的中部以西以负值为主，中间有一块正值区域；中部以东以正为主，中间也有一块负值区域。毕节西部、黔南东部分别为最大的负值和正值区域。

图4 贵州省降水量与蒸发量差值分布Fig.4 Distribution of Precipitation and Evapotranspiration in Guizhou Province

3.3 贵州主要降水气候特征分析

贵州省位于副热带东亚大陆的季风区内，属中国亚热带高原季风湿润气候类型。贵州常年雨量较充沛，但时空分布不均。全省各地多年平均年降水量大部分地区在1 100～1 300 mm之间，最多值接近1 600 mm，最少值约为850 mm。年降水量的地区分布总体趋势是南部多于北部，东部多于西部。全省有3个多雨区和3个少雨区，省之西南部、东南部和东北部为全省3个多雨区，其中西南部多雨区范围最大，该区的晴隆是全省最多雨中心；3个少雨区分别在威宁、赫章和毕节一带，大娄山西北部的道真、正安和桐梓一带，氵舞阳河流域的施秉、镇远一带。从降水的季节分布看，一年中的大多数雨量集中在夏季，但夏半年降水量的年际变率大，常有干旱发生。冯禹等[10]对贵州省干旱时空分布特征研究表明近51 a以来贵州省大部分地区干旱有加重的趋势，特别是近20 a以来贵州干旱有明显加重的趋势。造成干旱的原因很多，但降水异常偏少，降水蒸发差失衡肯定是主因。

4 结论及讨论

通过对贵州1980—2015 年的降水蒸发差的EOF分析和平均状态的分析，得到如下结论：

①全省各地的降水量和蒸发量差为-483.8～412.5 mm。

②降水量和蒸发量差在全省的分布具有均衡性，贵州省的中部以西以负值为主，中间有一块正值区域；中部以东以正值为主，中间也有一块负值区域；贵州省的东南部与西北部有一对正、负值最大区域。

③在1980年代后期降水量和蒸发差持续偏少，1990年代，是持续上升的趋势，2000年以后波动较大，但经过t检验，与之前的演变没有明显的差异，仍然是稳定变化。

④贵州典型的喀斯特地形地貌，需加强环境生态保护力度，采取工程性措施截留储存地表水资源，充分利用丰富地下水资源，实现水资源开发利用可持续发展。

由于蒸发观测仪器的变化，存在蒸发量的变化，对降水蒸发差的时空分布会有影响，还需要进一步的研究。喀斯特地形地貌对降水的涵养和渗漏同样影响着一地的水分收支，进而影响植被、农业生产和水资源利用等，同样需要深入的研究。

感谢：黔南州气象局黄桂东、罗林勇、高红梅、陈波对本文的指教与帮助！