变化环境下岩溶区降水气温分布特征研究

李析男; 赵先进; 汪仕伟; 刘辉; Xi-nan LI; Xian-jin ZHAO; Shi-wei WANG; Hui LIU

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 88-92,107.

水文水资源

变化环境下岩溶区降水气温分布特征研究

作者信息 +

Research on Distribution Characteristics of Precipitation and Temperature in Karst Area under Changing Environments

Author information +

稿件信息 +

摘要

探讨变化环境下岩溶区年降水量、年平均气温的分布特征，并结合水文变异诊断系统和非一致性水文频率计算原理，深入探讨年降水量、年平均气温的变化趋势、成因，印证了变化环境对研究要素的影响是存在的；针对研究区域岩溶发育强度，讨论了其对年降水量、年平均气温之间的关联性。研究结果表明：①研究区域各站点年降水量呈减少趋势，年平均气温除个别站点呈上升趋势，年降水量与年平均气温呈负相关；②研究区域19个站点中年降水量序列发生变异的有9个站点，以弱变异为主；年平均气温序列全部发生变异，以中变异、强变异为主；③变异的发生是确定性成分的加入，这种影响可能来自于气候的、也可能是人类活动的；④年降水量、年平均气温在不同岩溶发育区域的变化具有一致性。

Abstract

Based on hydrological alteration diagnosis and the inconsistency of hydrological frequency calculation principle， research on distribution of precipitation and temperature in Karst under a changing environment， the trend and key factor are analyzed， and the effects of changing environment are confirmed， the correlation between karst development and precipitation and temperature is discussed. The results show that ① the trend of annual precipitation are down in all stations， the trend of annual mean temperature are rising in most stations， and the series of annual precipitation and annual mean temperature is negative correlation. ② There are alterations in 9 of the all stations on annual precipitation series， there are alterations all of stations on annual mean temperature series. ③ Some reasons lead to the alteration of climate or human activities. ④ The change of annual precipitation and annual mean temptation on different karst development are consistent.

关键词

降水 / 气温 / 变化环境 / 岩溶发育 / 分布特征

Key words

precipitation / temperature / changing environment / karst development / distribution characteristics

基金

贵州省科技支撑项目(黔科合支撑[2019]2879)

引用本文

EndNote

Ris (Procite)

Bibtex

导出引用

李析男 , 赵先进 , 汪仕伟 , 刘辉. 变化环境下岩溶区降水气温分布特征研究[J].中国农村水利水电, 2021(3): 88-92,107

Xi-nan LI , Xian-jin ZHAO , Shi-wei WANG , Hui LIU. Research on Distribution Characteristics of Precipitation and Temperature in Karst Area under Changing Environments[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 88-92,107

0 引言

气候变化是人类不得不面对的一种现象，全球气候变暖问题不断加剧^［1］、降水分布特征变化剧烈^［2］，使得全球（或区域）水文循环剧烈变化，进而导致极端灾害天气^［3］，气候特征的变化研究也越来越受到学者们的重视。对于气候变化的研究，学者们往往倾向于对降水和气温进行统计分析，林婧婧等^［4］认为在全球变暖的大背景下，中国气候变化对降水有影响，且呈减少的趋势；段安民等^［5］以中国青藏高原为研究对象，认为气候变暖使得高原地区降水增加；李启芬等^［6］对中国夏季降水变化特征进行分析，并进一步研究了其与全球海洋环流变化之间的联系，认为大气环流可以作为中国夏季降水预测的依据；程东亚等^［7］以乌江流域为例，探究山地流域气温与降水空间分布特征及其地形影响；方德贤等^［8］对我国西南重庆地区的降水时空分布特征进行了研究，为提高区域水资源利用及自然灾害防御能力提供参考；刘晓婉^［9］对金沙江流域气象因子特征及径流规律进行了初步研究，认为降水量总体呈沿着流域走向逐渐增加的分布形态，气温空间分布基本按照高程由高到低呈递增的形态。上述学者对研究气候特征提供了方法和思路，也为本文研究贵州岩溶区在变化环境下降水、气温分布特征提供了参考。

本文的研究思路是在全球后变化大背景下，研究贵州岩溶区年降水量、年均气温的变化及分布特征，并针对变化环境问题，对其进行变异诊断，以考察其序列的变异程度和变异情况，研究成果不仅可以展示我国西南岩溶区贵州省内的气象因子分布特征，也为科研工作者对变化环境下岩溶区与降水、气温有关的研究提供参考。

1 数据来源及方法

1.1 数据来源

本文数据来源于中国气象数据共享服务网，为贵州省19个气象站点的年降雨量、年平均气温。序列长度为1959-2012年。

黔东南代表站有凯里、三穗、榕江；黔南代表站罗甸、独山；黔西南代表站盘县、安顺、兴义、望谟；黔西代表站有威宁、毕节、黔西；黔北代表站有习水、桐梓、遵义、湄潭；黔东北代表站有思南、铜仁；黔中代表站有贵阳。详见表1、图1。

表1 代表站点信息表

分区	站点名称	岩溶发育	海拔/m	分区	站点名称	岩溶发育	海拔/m
黔东南地区	凯里	中等	720.3	黔西地区	威宁	较强	2 237.5
	三穗	非岩溶区	626.9		毕节	较强	1 510.6
	榕江	非岩溶区	285.7		黔西	中等	1 231.4
黔南地区	罗甸	强烈	440.3	黔北地区	桐梓	中等	972.0
黔南地区	独山	强烈	1 013.3		习水	非岩溶区	1 180.2
黔西南地区	盘县	中等	1 800.0		遵义	中等	843.9
	安顺	较强	1 431.1		湄潭	中等	792.2
	兴义	较强	1 378.5	黔东北地区	思南	中等	416.3
	望谟	弱	566.8	黔东北地区	铜仁	中等	279.7
黔中地区	贵阳	中等	1 223.8

图1 贵州省岩溶发育分区图

Full size|PPT slide

1.2 技术方法

（1）趋势分析法。采用一元线性回归方程模拟时间序列的变化趋势，该方法采用最小二乘法对时间序列的变化斜率进行求解，通过对时间序列在时序上的变化趋势进行分析。该法可以拟合时间序列在时序上的变化特征，较为真实地反映时间序列的真实变化情况，其计算方法如下^［10］：

Slope=

\frac{n \sum_{i = 1}^{n} i S_{i} - (\sum_{i}^{n} S_{i}) (\sum_{i}^{n} i)}{n \sum_{i = 1}^{n} i^{2} - {(\sum_{i = 1}^{n} i)}^{2}}

（1）

式中：Slope为回归方程的斜率；S_i 为在第i年的S要素序列值；n为研究要素时间序列的长度。

当Slope大于0时，表明研究要素序列在研究时序上是增加的，即上升趋势；当Slope小于0时，则表示研究要素序列在研究时序上是减少的，即下降趋势。

（2）变异诊断方法。变异诊断采用谢平教授^［11］于2010年提出的水文变异诊断系统，分为初步诊断、详细诊断和综合诊断。其中，在初步诊断时，根据不同的置信区间（显著性水平）将变异程度划分为无变异、弱变异、中变异、强变异、巨变异；在详细诊断中，分别采用不同的方法来判断其变异的形式；在综合诊断中，采用跳跃综合和趋势综合，引入效率系数来评价最终的变异形式（趋势、跳跃）。

图2 水文变异诊断系统结构图

Full size|PPT slide

2 降水、气温空间分布特征

分别对各站点年降水量、年平均气温进行统计分析，得到其随时间变化的斜率K、站点及区域多年平均降水量均值、多年平均气温均值，可以发现：

（1）研究区域的降水多年来呈减少趋势，且威宁减少趋势最大（k=-5.299），减少趋势最小的为望谟（k=-0.316）；与此同时，威宁的多年平均降水仅为875 mm（最少），望谟的多年平均降水量为1 228.0 mm。

（2）研究区域各站点的平均气温大多呈现增加趋势，其中，盘县和贵阳呈下降趋势，斜率分别为-0.009和-0.015.

（3）将研究区域分为黔东南、黔南、黔西南、黔中、黔西、黔北、黔东北等7个地区，其多年平均降水量分别为1 163.0、

1 229.2、1 308.3、1 103.7、909.8、1 072.8、1 191.0 mm，黔西南地区的多年平均降水量最大（1 308.3 mm）、黔西地区的多年平均降水量最低（909.8 mm），相差398.5 mm；其平均气温分别为16.4、17.4、16.0、15.1、12.5、14.6、17.2 ℃，最高温在黔东北地区、最低温在黔西地区，温差为4.7 ℃。

（4）研究区域多年平均年降水量最高值为1 360.7 mm（盘县）、最低值为875.0 mm（威宁），相差485.7 mm；多年平均气温最高值为19.7 ℃（罗甸）、最低值为10.6 ℃（威宁），相差9.1 ℃。

（5）贵州地区的降水与气温分布不均匀，差距较大。且从总体趋势上看，年降水量呈下降趋势、年平均气温呈上升趋势，年降水量与年平均气温呈负相关。

表2 贵州省主要气象站点（1959-2102年）降水、气温特征值

区域	站点名称	斜率K(P)	斜率K(T)	均值P/mm	均值P/mm	均值T/℃	均值T/℃
黔东南地区	凯里	-2.153	0.008	1 203.0	1 163.0	15.8	16.4
	三穗	-2.160	0.010	1 098.9		15.0
	榕江	-0.774	0.011	1 187.0		18.3
黔南地区	罗甸	-0.397	0.007	1 143.7	1 229.2	19.7	17.4
黔南地区	独山	-2.497	0.009	1 314.7	1 229.2	15.1	17.4
黔西南地区	盘县	-4.876	-0.009	1 360.7	1 308.3	15.1	16.0
	安顺	-4.325	0.007	1 321.5		14.1
	兴义	-2.242	0.013	1 323.2		15.3
	望谟	-0.316	0.022	1 228.0		19.3
黔中地区	贵阳	-1.977	-0.015	1 103.7	1 103.7	15.1	15.1
黔西地区	威宁	-5.299	0.017	875.0	909.8	10.6	12.5
	毕节	-1.874	0.012	884.0		12.9
	黔西	-1.757	0.016	970.3		14.1
黔北地区	桐梓	-2.198	0.008	1 012.2	1 072.8	14.8	14.6
	习水	-2.958	0.012	1 093.7		13.2
	遵义	-3.245	0.016	1 061.6		15.5
	湄潭	-0.872	0.014	1 123.6		15.1
黔东北地区	思南	-0.989	0.009	1 125.6	1 191.0	17.4	17.2
黔东北地区	铜仁	-0.924	0.014	1 256.5	1 191.0	17.1	17.2

3 变化环境下降水、气温变异分析

众多学者认为^{［7，12-13］}，在全球气候变化加剧的大背景下，降水、气温异常的现象频生。表征区域气候变化的主要要素中的年降水量、年平均气温的变化程度是怎样？是自然变化，还是人类参与而产生的变化？仅从要素之间的相关性来研究显然是片面的。应该增加对要素内在的规律进行分析，参考谢平^［14］提出的变化环境下非一致性年径流序列的水文频率计算原理，作者认为时间序列（年降水量、年平均气温）是可以综合反映其内在规律的资料，其序列可以分为确定性成分和随机性成分，通常情况下，随机性成分代表序列天然情况下的变化规律，确定性成分具有一定的物理概念，受气候转型、人类活动等影响，其变化规律往往是非一致的^［15］。

基于上述观点，采用水文变异诊断系统，对年降水量序列和年平均气温序列进行变异诊断，诊断其变异程度和变异形式，并深入分析相关成果。取第一信度水平为α=0.05，第二信度水平为β=0.01，相应Hurst系数置信限分别为H_α =0.661，H_β =0.703，根据变异程度分级^［11］，诊断其变异程度，并进一步采用水文变异诊断系统，判断其变异形式。结果如表3所示。

表3 贵州省主要气象站点（1959-2102年）降水、气温特征值变异诊断结果

区域	站点名称	年降水量P/mm			年均气温/℃
区域	站点名称	Hurst系数	变异程度	诊断结论	Hurst系数	变异程度	诊断结论
黔东南地区	凯里	0.659	无变异	-	0.789	中变异	1997(+)↑
	三穗	0.689	弱变异	2004(+)↓	0.801	中变异	1997(+)↑
	榕江	0.656	无变异	-	0.864	强变异	1997(+)↑
黔南地区	罗甸	0.600	无变异	-	0.763	中变异	1997(+)↑
黔南地区	独山	0.691	弱变异	2008(+)↓	0.812	中变异	2008(+)↑
黔西南地区	盘县	0.682	弱变异	2008(+)↓	0.762	中变异	2003(+)↓
	安顺	0.683	弱变异	2001(+)↓	0.764	中变异	1986(+)↑
	兴义	0.662	无变异	-	0.779	中变异	1997(+)↑
	望谟	0.656	无变异	-	0.864	强变异	1997(+)↑
黔中地区	贵阳	0.643	无变异	-	0.837	中变异	1999(+)↓
黔西地区	威宁	0.770	中变异	1986(+)↓	0.842	强变异	1997(+)↑
	毕节	0.718	中变异	1984(+)↓	0.814	中变异	1997(+)↑
	黔西	0.594	无变异	-	0.836	中变异	趋势↑
黔北地区	桐梓	0.694	弱变异	2005(+)↓	0.794	中变异	1997(+)↑
	习水	0.700	弱变异	2010(+)↓	0.834	中变异	1997(+)↑
	遵义	0.687	弱变异	2004(+)↓	0.857	强变异	1997(+)↑
	湄潭	0.627	无变异	-	0.862	强变异	1997(+)↑
黔东北地区	思南	0.564	无变异	-	0.765	中变异	1997(+)↑
黔东北地区	铜仁	0.602	无变异	-	0.851	强变异	1997(+)↑

（1）研究区域中的19个站点，年降水量的变异站点有9个，分别是黔东南的三穗站、黔南的独山站、黔西南的盘县站和安顺站、黔西的威宁站和毕节站、黔北的桐梓站、习水站和遵义站；年平均气温的变异站点为19个。变异的发生，是确定性成分的加入，导致其非一致，可以认为该区域受到了变化环境的影响，这种影响可能是气候的、也可能是人类活动的。

（2）多年平均年降水量有10个站点无变异、7个站点弱变异、2个站点中变异，其中，中变异主要集中在黔西地区，威宁站为中变异于1986年跳跃向下、毕节站为中变异于1984年跳跃向下。研究区域的年降水量序列从趋势上呈下降（表1所示），但变异程度不甚明显，可以人为其下降趋势是遵循自然规律的发展。威宁和毕节的跳跃向下的中变异，其原因可能源于草海和喀斯特山区植被变化，1980年贵州省人民政府决定恢复草海水域，1985年决定建立草海高原湿地生态系统极其珍惜鸟类为主要保护对象的综合性自然保护区，列为省级重点自然保护区；毕节农耕粗放，毁林毁草开荒种粮，国土垦植率逐年扩大，水土流失、生态环境日益恶化，1988年，经国务院批准其成为“开发扶贫、生态建设”试验区。

（3）研究区域中19个站点的年平均气温都存在变异情况，其中，强变异6个站点、中变异13个站点，除黔西站位趋势上升变异外，其他皆为跳跃向上的变异。年均气温序列从趋势上呈上升趋势（表1所示），变异形式也是上升，且变异程度在中变异以上，说明研究区域的年均气温不仅是自然规律上的气温升高，其外界参与的因素更加严重，即确定性成分的外在因素影响剧烈。

4 降水、气温在岩溶发育区的变异情况

我国岩溶分布最广的区域在西南地区，贵州位于云贵高原，其发育具有显著特点，因其地质条件复杂，可溶性的碳酸盐类岩层与费可溶性的砂页岩、火山岩交互成层，再加上褶皱紧密，断裂错综，形成许多独立的、大小不同的可溶岩体，这也导致了区域山峰浑圆、低缓的特点。在这种不同于其他区域的岩溶分布特点，其不同岩溶发育下降水和气温的变异情况如下：

（1）年降水量发生变异的站点分别为三穗（非岩溶区）、独山站（强烈发育）、盘县（中等发育）、安顺（较强发育）、威宁（较强发育）、毕节（较强发育）、桐梓（中等发育）、习水（非岩溶区）、遵义（中等发育）。

（2）多年平均气温发生变异的站点都发生了变异，强变异的有：榕江站（非岩溶区）、望谟站（弱岩溶发育）、威宁站（较强发育）、遵义站（中等发育）、湄潭站（中等发育）、铜仁站（中等发育），可以发现强变异大多集中在岩溶发育中等程度以下，或非岩溶区，导致序列变异的确定性成分可能对岩溶发育强度敏感，即岩溶发育强烈，序列随机性较好。

（3）研究区域岩溶发育强烈地区多年平均年降水量最大值与最小值之差为171.0 mm，多年平均气温最大值与最小值之差为4.6 ℃；岩溶发育较强地区多年平均年降水量最大值与最小值之差为448.2 mm，年平均气温最大值与最小值之差为4.7 ℃；岩溶中等发育强度多年平均年降水量最大值与最小值之差为390.4 mm，年平均气温最大值与最小值之差为4.3 ℃非岩溶区多年平均降水量最大值与最小值之差为93.3 mm，年平均气温最大值与最小值之差为5.1 ℃。从分布上看，多年平均年降水量在岩溶发育较强地区的差异较大，非岩溶区较小；多年平均气温在非岩溶区的差异较大，在岩溶发育中等地区的差异较小。

（4）研究区域岩溶发育由强到无（强烈、较强、中等、弱发育、非岩溶区），多年平均年降水量均值分别为1 229.2、1 100.9、1 135.2、1 228.0、1 126.5 mm，多年平均气温均值分别为17.4、13.2、15.5、19.3、15.5 ℃。由图3可以发现，年降水量与年均气温在随着岩溶发育不同的变化走势具有一致性，如强烈发育到较强发育，年降水量是降低的，同时年均气温亦是降低的；较强发育到中等发育，年降水量是增加的，同时年均气温亦是增加的。

图3 不同岩溶发育年降水量与年均气温对比图

Full size|PPT slide

表4 岩溶发育与降水、气温对照表

站点名称	岩溶发育	降水均值 P/mm	分区均值 P/mm	气温均值 T/℃	分区均值 T/℃
独山	强烈	1 314.7	1 229.2	15.1	17.4
罗甸	强烈	1 143.7	1 229.2	19.7	17.4
威宁	较强	875.0	1 100.9	10.6	13.2
毕节	较强	884.0		12.9
安顺	较强	1 321.5		14.1
兴义	较强	1 323.2		15.3
盘县	中等	1 360.7	1 135.2	15.1	15.5
黔西	中等	970.3		14.1
贵阳	中等	1 103.7		15.1
桐梓	中等	1 012.2		14.8
遵义	中等	1 061.6		15.5
湄潭	中等	1 123.6		15.1
凯里	中等	1 203.0		15.8
思南	中等	1 125.6		17.4
铜仁	中等	1 256.5		17.1
望谟	弱发育	1 228.0	1 228.0	19.3	19.3
习水	非岩溶区	1 093.7	1 126.5	13.2	15.5
三穗	非岩溶区	1 098.9		15.0
榕江	非岩溶区	1 187.0		18.3

5 结语

本文以我国云贵高原的贵州省为例，探讨变化环境下岩溶区降水、气温的分布特征，给出了研究区域年降水量、年均气温的总体变化趋势，并采用水文变异诊断系统对其进行诊断和成因分析，基于变化环境下非一致性年径流序列的水文频率计算原理，探讨了研究要素序列随机性成分和确定性成分对其影响程度，进一步分析了其变化环境物理成因的可能性。结合研究区域岩溶发育强度，对年降水量、年均气温进行了变化环境下的变异情况及分布特征分析，研究区域年降水量与年均气温随着岩溶发育不同的变化走势相一致。

本文仅讨论年降水量及年均气温的分布特征及其在不同岩溶发育区域的分布特点和变异情况，对其他极端气候要素有待进一步研究，如极端降水、极端气温；与此同时，研究要素序列的变异形式仅考虑的跳跃和趋势，而变异形式还包括周期、相依等，在未来的研究中将会着重分析。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

1	任国玉，郭军，徐铭志，等．近50年中国地面气候变化基本特征［J］.气象学报，2005，63（6）：942-956. 本文引用 [1]

2	冯文文，刘凤霞，钱会，等.气候变化背景下武功地区降水特征［J］.水土保持研究，2020，7（2）：200-205. 本文引用 [1]

3	夏军，谈戈．全球变化与水文科学新的进展与挑战［J］.资源科学，2002，24（3）：1-7．本文引用 [1]

4	林婧婧，张强．中国气候态变化特征及其对气候变化分析的影响［J］.高原气象，2015，34（6）：1 593-1 600．本文引用 [1]

5	段安民，肖志祥，吴国雄. 1979-2014年全球变暖背景下青藏高原气候变化特征［J］.气候变化研究进展，2016，12（5）：374-381．本文引用 [1]

6	李启芬，吴哲红，王兴菊，等，1981年以来中国夏季降水变化特征及其与 SST和前期环流的联系［J］.高原气象，2020，39（1）：58-67. 本文引用 [1]

7	程东亚，李旭东.贵州乌江流域气温与降水空降分布特征及其地形影响分析［J］.水土保持研究，2020， 27（2）：246-252. 本文引用 [2]

8	方德贤，董新宁，邓承之，等. 2008-2016年重庆地区降水时空分布特征［J］.大气科学， 2020，44（2）：327-340. 本文引用 [1]

9	刘晓婉.金沙江流域气象因子特征及径流规律初步研究［D］. 武汉：长江科学院，2016. 本文引用 [1]

10	邹洪坤.湖北省植被覆盖度动态变化及其气候变化的相应［D］. 武汉：武汉大学，2018. 本文引用 [1]

11	谢平，陈广才，雷红富等.水文变异诊断系统［J］.水力发电学报，2010，2（1）：85-91. 本文引用 [2]

12	林梽桓，戴全厚，王向栋，等．全球气候变化背景下贵州草海湿地极端降水特征［J］．气象与减灾研究，2018，41（3）：168-175．本文引用 [1]

13	吴战平，何玉龙，严小冬，等．贵阳旱涝气候变化特征及其趋势分析［J］.贵州师范大学学报（自然科学版），2014，32（6）：30-34. 本文引用 [1]

14	谢平，陈广才，夏军，等.变化环境下非一致性年径流序列的水文频率计算原理［J］.武汉大学学报（工学版），2005，38（6）：6-9. 本文引用 [1]

15	李析男. 变化环境下非一致性水资源与洪旱问题研究［D］. 武汉：武汉大学，2014. 本文引用 [1]

PDF(2632 KB)

访问

引用

详细情况

段落导航

收稿日期	出版日期
2020-05-01	2021-03-15
发布日期
2021-04-07

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容