贵州省1960～2017年降水时空变化特征

姚 越，赵 华 荣，刘 圣 锋

(1.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004； 2.桂林理工大学 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004； 3.桂林理工大学 岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004)

受全球变暖和人类剧烈活动的影响，全球或地区水循环系统发生了巨大的变化，导致区域降水异常事件频发[1-3]，给人类的生产和生活以及生命财产安全造成了严重的影响[4-5]。因此，通过研究降水时空变化规律，对旱涝等降水灾害演变及生态环境安全都有重要意义，也可为人们生活生产及防灾减灾工作提供一定的科学依据。

目前,国内外许多学者运用了多种新的研究方法，对全球或地区的降水变化进行了大量的研究，并在降水预测和方法运用改进等方面取得了丰硕的成果。林朝晖等用MIP5模式分析研究了中国东部夏季降水气候态和年代际变化的变化特征，并对该模式的模拟能力进行研究[6]。赵嘉阳等基于EOF对福建省降水量的时空变化特征进行了详细的分析研究[7]。Lee等对大尺度气候下降水指数的变异性、遥相关和可预测性进行了研究[8]。Tong等研究了近57a来内蒙古极端温度和降水事件的时空变异性[9]。Wu等对中国1961～2014年间复合降水和极端气温的变化进行了研究[10]。景丞等对基于区域气候模式CCLM的中国极端降水事件预估进行了研究[11]。上述研究表明，在全球气候变化的大背景下，各地区降水量和降水时空结构均发生了显著的变化。

贵州省地处中国西南部，位于云贵高原之上，地形复杂，降水丰富，属亚热带季风气候，受大气环流和地形影响较明显。直至目前，已有诸多学者对该地区进行了研究。周明飞等从短时强降水方面，对贵州省降水变化进了研究[12]。孔德璇等对近40 a贵州省主汛期降水时空变化进行了研究[13]。李忠燕等运用低频图对贵州省汛期延伸期强降水在预测应用方面进行了研究[14]。张波等研究了贵州省山区降水集中度及其结构变化特征[15]。赵志龙等研究了1960～2016年贵州省高原降水变化特征及重心转移[16]。王芬等研究了贵州省各等级降水历时的气候特征及其与降水量的关系[17]。唐圣钧等研究了基于DEM的贵州省山区气温以及降水的推算方法[18]。林梽桓等在全球气候变化大背景下，对贵州省草海湿地极端降水特征进行了研究[19]。甘文强等研究了近57 a 5～9月贵州省极端强降水变化特征[20]。蒙军等运用了雷达演变对贵州省一次短时强降水进行了研究[21]。综上研究表明，贵州省地区降水无论在结构变化，还是降水量方面都发生了明显的变化。本文利用降水发生率和贡献率以及Mann-Kendall法，对贵州省地区降水时空结构及其变化趋势进行分析研究，探讨1960～2017年间降水的变化规律。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文选取了中国气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn)1960～2017年贵州省内32个气象站逐日降水数据(见图1)。这些站点分布较为均匀，各站点数据完整，由于原始数据表示方式不统一，故对数据进行预处理，忽略各站点的微量降水，用实际降水量来表示降雪等形式的降水。用R语言编制小程序从原始数据中分筛选出各历时降水和各等级降水的数据，采用Excel统计分析和制作热图。

图1 研究区站点位置

1.2 研究方法

本文将从降水历时和降水等级两个方面出发,研究分析贵州省降水时空变化特征。根据气象部门的有关规定，日降水量≥0.1 mm即为有效降水。降水历时指从一次降水开始到结束这一过程所经历的日数，根据前人研究成果，将降水历时分成11类，即1，2，3，4，5，6，7，8，9，10 d和>10 d。降水等级则分为以下4类：小雨(0.1～10 mm)，中雨(10～25 mm)，大雨(25～50 mm)和暴雨(≥50 mm)。

同时,引入降水发生率和贡献率两个指标,从而能更好地分析贵州省的降水结构变化。降水发生率，即某一历时降水过程出现的频次占所有历时降水过程频次的百分比。降水贡献率，即某一等级降水过程降水量占总降水量的百分比。采用Mann-Kendall非参数检验方法进行趋势分析。该方法对数据的分布没有要求，对奇异值也不敏感，在降水数据分析方面得到广泛应用,非常适合用来研究降水历时和降水等级的发生率和贡献率的趋势。

2 各历时与等级降水发生率、贡献率变化特征

2.1 各历时降水区域统计特征

图2为贵州省不同地区各历时降水发生率和贡献率。图2中的发生率和贡献率是将32个气象站点各历时降水发生率和贡献率分别求平均值所得。由图2可得，各历时降水发生率随着降水历时的增加，总体呈现出减少的趋势。降水历时1，2，3，4，5，6，7，8，9，10 d和>10 d 对应的降水发生率分别为33.21%，23.07%，14.40%，9.34%，6.27%，4.26%，2.86%，1.93%，1.37%，0.94%和2.35%。如果不考虑>10 d的降水发生率，其余历时的降水发生率呈现出明显的减少趋势。

图2 贵州省各历时降水发生率和贡献率

各历时降水贡献率随着历时的增加，总体呈现出先增加后减少的趋势。其中2 d和3 d历时降水贡献率最大，分别为14.85%和14.64%；其余历时降水贡献率从大到小的排序依次为4 d(12.51%)，>10 d(10.54%)，5 d(10.52%)，1 d(8.90%)，6 d(8.77%)，7 d(6.78%)，8 d(5.23%)，9 d(4.17%)，10 d(3.09%)。

从历时降水发生率和贡献率看，1～5 d发生率之和与贡献率之和占总体比重均较高，分别为86.28%与61.42%。分析表明贵州地区以短历时降水为主，短时间的大量降水也是地区洪涝灾害发生的重要因素。>10 d的降水贡献率虽然较高，但因其降水历时较长，排泄系统有足够的时间将降水排泄，对地区洪涝灾害的影响不大。

2.2 各历时降水空间分布特征

图3为贵州省32个站点各历时降水发生率和贡献率的数据热图。从图3(a)降水发生率看,历时1，2，3 d降水发生率最高和最低站点分别对应为罗甸(41.08%)和织金(27.68%)，正安(26.27%)和织金(20.05%)，仁怀(16.43%)和安顺(13.05%)。其余各站点各历时降水发生率差别不是很明显，4～10 d的降水发生率分别为7.57%～10.74%，4.12%～7.73%，2.83%～5.59%，1.70%～4.36%，1.09%～2.91%，0.56%～2.11%，0.32%～1.75%。>10 d降水发生率最大的站点为普安(5.01%)，最小站点为桐梓(0.75%)。

根据各站点不同历时降水发生率的对比分析，短历时降水发生率较高的站点为(1～3 d降水发生率之和)：桐梓、正安、仁怀、余庆、思南、铜仁、望谟、罗甸、榕江；其次为威宁,习水、松桃、息烽、湄潭、黔西、贵阳、凯里、三穗、黎平、天柱、兴仁、紫云、惠水、独山和荔波；再次为普安、盘县、毕节、织金、安顺、都匀和兴义。贵州省各历时降水发生率空间变化情况大致为从东北至西南呈减少趋势。

从图3(b)降水贡献率看，各站点降水贡献率随着历时增加，总体上呈先增加后减少的趋势。各历时降水贡献率最大为2～4 d和>10 d，其中2～4 d的降水贡献率分别在10.68%～19.64%，10.37%～18.38%，9.80%～14.62%，>10 d的降水贡献率在4.87%～19.44%。各历时中各站点间的降水贡献率差异也较大，其中降水贡献率差异最大的历时为>10 d(差异为14.57%)，其次为1 d(差异为9.20%)和2 d(差异为8.95%),再次为3 d(差异为8.01%)，4～10 d的降水贡献率分别在9.80%～14.62%，7.79%～12.51%，6.91%～10.62%，5.18%～8.75%，3.35%～7.32%，2.37%～6.19%，1.62%～4.83%。对比得出，历时为4～10 d各站点间的降水贡献率差异较小，降水贡献率差异在3.50%左右。

综上可知，贵州省地区降水贡献率主要集中在2～4 d和>10 d。根据各站点降水贡献率和位置关系，可以将32个站点大致分成4类：第1类为2～4 d降水贡献率之和(≥45.0%)较大的站点有桐梓、正安、仁怀、余庆、思南、铜仁、贵阳、罗甸和榕江；第2类为>10 d降水贡献率较大(≥15.0%)的站点,有威宁、普安、盘县、织金、兴仁和兴义；第3类为2～4 d降水贡献率之和相对较大(≥35.0%)，且>10 d的降水贡献率相对较大(≥10.0%)的站点,有习水、松桃、毕节、湄潭、都匀、三穗、黎平、紫云、惠水、独山和荔波；第4类为2～4 d降水贡献率之和相对较大(≥35.0%)，且>10 d降水贡献率相对较小(≤10.0%)的站点有息烽、黔西、安顺、凯里、天柱和望谟。从各站点各历时降水贡献率对比分析可知，贵州省东北部站点2～4 d的降水贡献率较大，西南部站点>10 d的降水贡献率较大，其他站点1～4 d和>10 d的降水贡献率相对较大。

图3 贵州省各站点不同历时降水发生率和贡献率热图

2.3 各等级降水区域统计特征

图4为贵州省32个站点各等级的降水发生率和贡献率统计图。图4中的发生率和贡献率是将32个气象站点各等级降水发生率和贡献率分别求平均值所得。从图4可知，贵州省各等级降水发生率分别为小雨(80.81%)，中雨(12.43%)，大雨(4.99%)和暴雨(1.77%)。可见，随着降水等级增大，降水发生率减小，且各等级降水发生率间差异较大。各等级降水贡献率分别为小雨(27.24%)，中雨(29.83%)，大雨(25.10%)和暴雨(17.83%)。可见，随着降水等级增大，降水贡献率呈先增大后减小的趋势，且各等级降水贡献率间差异较小，贡献率差异为2.14%～12.00%。综合分析贵州省地区降水以小雨为主，各等级降水贡献率差异较不明显。

图4 贵州省各降水等级发生率和贡献率

2.4 各等级降水空间分布特征

图5为贵州省32个站点各等级降水发生率和贡献率热图。从图5(a)降水发生率来看，各站点降水发生率随着降水等级增大而减小，各降水等级间发生率的关系为：小雨>中雨>大雨>暴雨,各降水等级的发生率变化范围分别为：小雨(76.71%～87.85%)，中雨(8.64%～15.03%)，大雨(2.74%～6.42%)和暴雨(0.71%～3.09%)，其中小雨发生率最高的前3个站点为毕节(87.85%),习水(86.20%),威宁(85.90%),暴雨发生率最高的前两个站点为望谟(3.09%)和都匀(2.48%)。大雨和暴雨发生率(大雨发生率≥6%，暴雨发生率≥3%)较高的站点有：铜仁、都匀、望谟、松桃、兴义、兴仁、紫云、罗甸、荔波、榕江、黎平、天柱和盘县，如图6(a)所示。其余各站点的各降水等级之间差别不大。

从图5(b)降水贡献率来看，各站点降水贡献率随着降水等级的增加，总体上呈先增加后减少趋势。小部份站点呈相反趋势。其中贡献率随着降水等级的增加而减少的站点有威宁、桐梓、习水、毕节、仁怀和黔西。各站点小雨、中雨、大雨和暴雨贡献率的变化范围为：21.33%～36.40%，25.15%～35.57%，20.79%～28.07%，9.12%～28.31%，其中小雨贡献率相对较高(≥30%)的站点有威宁、桐梓、习水、毕节、仁怀、黔西；中雨和大雨各站点的降水贡献率差别较小,其中，大雨贡献率最高(≥28%)的站点有榕江和荔波；暴雨贡献率较高(≥20%)的站点有织金、安顺、都匀、望谟、松桃、兴义、兴仁、紫云、惠水、罗甸和荔波，如图6(b)所示。

综上分析，各站点降水发生率随着降水等级的增加而减少，贵州省地区降水以小雨为主，贡献率较高的降水等级为中雨和大雨，但各站点各降水等级间贡献率差异较小。西北部地区小雨的发生率和贡献率较高，中部和南部地区暴雨的贡献率较高，发生率也相对较高，是诱发洪涝灾害的重要原因之一。

图5 贵州省各站点降水等级发生率和贡献率热图

2.5 各历时降水变化趋势分析

图7为各站点降水历时的发生率和贡献率趋势分析Kendall秩热图。由图7(a)各站点各历时降水发生率秩热图可以看出:2，1，5 d降水发生率呈增加的站点较多，其中2，1 d和5 d降水发生率呈增加趋势的站点个数分别为32，29个和16个，其余各历时降水发生率呈增加趋势的站点都只有总站点数的一半。由此可知，贵州省地区除了2 d和1 d外，多数历时降水发生率都呈减少趋势。从空间来看，望谟站点有9个历时降水发生率呈减少趋势；8个历时降水发生率均呈减少趋势的站点有：习水、黔西、黎平、紫云、荔波，其中正安站只有3个历时降水呈减少趋势，其余站点差异不大。

图6 贵州省大雨、暴雨发生率和贡献率较高站点分布

图7 贵州省各站点各降水历时发生率和贡献率Kendall秩热图

从图7(b)降水历时贡献率秩热图可以看出:短期降水贡献率呈增加趋势的站点占多数，长期降水贡献率呈减少趋势的站点较多。其中，1 d各站点降水贡献率都呈增加趋势，2，3，5 d和6 d降水贡献率呈增加趋势的站点数分别为31，26，21个和17个，其余各历时降水贡献率呈减少趋势的站点数都超过16个。总体来看，贵州省地区各历时降水贡献率呈增加和减少趋势的站点数分别有15个和16个，即贵州省地区降水贡献率总体上呈减少趋势，但不是很明显。空间上看,桐梓站、思南站和望谟站多数历时降水贡献率都呈减少趋势,且尤为明显，贡献率呈减少趋势的历时个数分别为9,7个和7个。降水贡献率呈减少趋势历时个数最少的站为：松桃站和三穗站，仅有3个历时呈减少趋势。

2.6 各等级降水变化趋势分析

图8为各等级降水发生率和贡献率趋势分析Kendall秩热图。从图8(a)各站点等级降水发生率秩热图来看，大多数站点中雨，大雨和暴雨发生率都呈增加趋势，而小雨的发生率多呈减少趋势。中雨、大雨和暴雨发生率呈增加趋势的站点数分别为19,25个和27个。从图8(b)各站点等级降水贡献率秩热图来看，大多数站点小雨和中雨的贡献率都呈减少趋势，反之大雨和暴雨的贡献率呈增加趋势。其中小雨和中雨贡献率呈减少趋势的站点数为22个和25个，大雨和暴雨贡献率呈增加趋势的站点数为17个和25个。总的来看，多数站点小雨的发生率和贡献率都呈减少趋势，大雨和暴雨的发生率和贡献率基本一致，都呈增加趋势。而大多数站点中雨的发生率与其贡献率趋势正好相反。

图8 贵州省各站点各降水等级发生率和贡献率Kendall秩热图

3 结 论

(1)贵州省32个气象站降水历时发生率综合分析表明:降水发生率随着历时的增加呈减少趋势,主要以短期降水为主,其中1，2，3 d和4 d降水发生率分别为33.21%，23.07%，14.40%，9.34%。降水贡献率随着历时的延长，总体上呈先增加后减少趋势，其中2d和3d的贡献率最大，分别为14.85%和14.64%，其次为4 d(12.51%)，再次为>10 d(10.54%)。各历时降水空间差异主要表现为短历时降水发生率从贵州省东北部至西南部大致呈减少趋势，东北部站点(桐梓、正安、仁怀、余庆、思南、铜仁、贵阳、罗甸、榕江)2～4 d的降水贡献率较大，西南部站点(威宁、普安、盘县、织金、兴仁、兴义)>10 d的降水贡献率较大，其他站点1～4 d和>10 d的降水贡献率相对较大。可以看出，贵州省东北部地区短历时降水致灾的可能性较大。

(2)降水发生率随着降水等级的增加，总体上呈减少趋势，降水则以小雨为主，发生率高达80.81%，其次为中雨(12.43%),再次为大雨(4.99%)和暴雨(1.77%)。贡献率随着降水等级的增加，总体上呈先增加后减少的趋势，各等级降水贡献率之间的差异不大，大致关系为：中雨>小雨>大雨>暴雨。等级降水的空间差异主要表现为：各站点等级降水发生率范围为小雨(76.71%～87.85%)，其次为中雨(8.64%～15.03%)，再次为大雨(2.74%～6.42%)和暴雨(0.71%～3.09%)，其中小雨发生率最高的站点为毕节(87.85%),其次为习水(86.20%),再次为威宁(85.90%),暴雨发生率最高的站点为望谟(3.09%)和都匀(2.48%)。其余站点等级降水发生率差异较小。各站点贡献率随着等级的增加大致呈先增加后减少趋势，其中小雨贡献率(≥30.0%)较高的站点有威宁、桐梓、习水、毕节、仁怀和黔西；中雨和大雨各站点的降水贡献率差异较小；暴雨贡献率(≥20.0%)较高的站点有织金、安顺、都匀、望谟、松桃、兴义、兴仁、紫云、惠水、罗甸和荔波。小雨对西北部地区贡献率较高，而中部和南部地区暴雨的贡献率较高。由此可见，暴雨致灾的可能性值得引起注意。

(3)各历时降水发生率和贡献率在总体变化趋势上基本类似，其中历时1，2 d和5 d降水发生率和贡献率都呈增加趋势的站点占多数(其中，1 d和2 d呈增加趋势的站点较多)，历时4 d和大于6 d的降水发生率变化趋势主要以减少为主，而3 d和6 d主要表现为发生率呈减少趋势的站点占多数，反之其贡献率呈增加趋势的站点较多。各等级降水发生率和贡献率变化趋势上基本类似，其中大雨和暴雨呈增加趋势的站点较多，反之小雨呈减少趋势的站点较多，而中雨发生率呈增加趋势的站点较多，其贡献率则反之。