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(guān)系，表明降水蒸發(fā)差可以真實(shí)地反映一地農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生的實(shí)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(qiáng)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(jìn)一步掌握農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生規(guī)律、發(fā)展趨勢及生態(tài)保護(hù)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(fēng)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(nóng)業(yè)產(chǎn)值占較大比重，農(nóng)業(yè)用水需求量大，但常受春夏干旱災(zāi)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(yīng)過程研究，提出土壤剖面水分對降雨的響應(yīng)受前期土壤含水量、降雨量、降雨強(qiáng)度的影響，還與土壤所處的地形地貌有關(guān)；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?xiàng)l件綜合作用的結(jié)果,因喀斯特形態(tài)豐富復(fù)雜的地形地貌, 故須研究該區(qū)域的降雨與徑流的關(guān)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(jìn)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(guān)。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(yàn)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(hù)、水資源調(diào)度、防旱減災(zāi)提供科學(xué)指引，為全省大扶貧、大數(shù)據(jù)、大生態(tài)戰(zhàn)略服務(wù)。

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(jì)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(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)方法使用相關(guān)比較法進(jìn)行平均差插補(bǔ)，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(guān)系數(shù)(表1)，找出相關(guān)系數(shù)最大的臺站序列與其進(jìn)行平均值比較，用平均差值補(bǔ)算出所缺年份的值。用處理好的序列資料進(jìn)行特征分析。

表1 數(shù)據(jù)缺失臺站及缺失年份與相關(guān)最大臺站及相關(guān)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(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解

用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解方法分析降水蒸發(fā)差的分布特征。設(shè)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(diǎn)，m=84，n為時間點(diǎn)，n=36。即i={1，2，…，m}，j={1，2，…，n}。對降水蒸發(fā)差矩陣X作標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)及顯著性檢驗(yàn)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(jié)果，根據(jù)顯著性檢驗(yàn)原則，第一、第二模態(tài)的累計方差達(dá)77%，并通過顯著性檢驗(yàn)，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(xiàn)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(diǎn)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(xiàn)為25%，主要分布是中部以北和西南部分地區(qū)為負(fù)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(yīng)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(qiáng)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(dá)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(diǎn)的降水量和蒸發(fā)差進(jìn)行36 a平均，得到的各地平均值可以代表全省的實(shí)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(fù)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(fù)值區(qū)域。畢節(jié)西部、黔南東部分別為最大的負(fù)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(fēng)區(qū)內(nèi)，屬中國亞熱帶高原季風(fēng)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(yuǎn)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(jié)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(jié)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(fù)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(fù)值區(qū)域；貴州省的東南部與西北部有一對正、負(fù)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(yàn)，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(qiáng)環(huán)境生態(tài)保護(hù)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(shí)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(jìn)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(jìn)而影響植被、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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！