近40年西藏高原云量與降水分布及耦合變化特征*

余忠水 拉巴 周洪莉 唐叔乙

（1.西藏自治區(qū)人工影響天氣中心；2.西藏自治區(qū)氣象局科技與預(yù)報(bào)處；3.西藏自治區(qū)氣象臺，西藏 拉薩 850000）

云和大氣降水在地球氣候系統(tǒng)的輻射能量收支和水循環(huán)中起著關(guān)鍵的作用。一方面，云直接影響地氣系統(tǒng)的能量交換、熱量平衡和溫濕分布，對全球和區(qū)域的能量和水分收支起調(diào)控作用［1］；另一方面，云是空中水資源的重要載體，是產(chǎn)生大氣可降水的決定性因素之一。因此，云水資源是自然生態(tài)資源的重要組成部分［2-6］。研究云水資源時(shí)空分布狀況及其變化規(guī)律具有較高的實(shí)踐意義，其中最重要的應(yīng)用就是人工增雨。人工增雨是開發(fā)利用空中云水資源的一個(gè)有效途徑，對于解決局地至區(qū)域尺度干旱問題、緩解水資源的供需矛盾有著重要意義［7］。近些年來，許多學(xué)者利用地面觀測云量資料、衛(wèi)星資料等，分別對中國地區(qū)、不同區(qū)域和青藏高原云的氣候?qū)W特征作了對比分析［8-12］，不同程度地揭示了云量的分布特點(diǎn)和變化特征，一定程度上反映了氣候變化狀況，并從氣候影響角度出發(fā)，提出云和氣候之間存在復(fù)雜的相互作用［13］。吳偉等［14］通過對中國北方云量變化趨勢及其與區(qū)域氣候的關(guān)系分析，得出我國北方大部分地區(qū)呈現(xiàn)出總云量減少的趨勢，造成西北區(qū)東部、華北區(qū)和東北區(qū)東部近年來降水減少，干旱化加?。磺艺J(rèn)為中國35°N以北地區(qū)的云量分布形勢大體與地形相吻合，且降水量與低云量分布對應(yīng)關(guān)系較好。段皎［15］等利用國際衛(wèi)星云氣候?qū)W計(jì)劃（ISCCP）最新的D2云氣候集對近20年中國地區(qū)云量變化趨勢研究，發(fā)現(xiàn)青藏高原東部向東有一個(gè)總云量的高值帶，云量達(dá)7成以上，且青藏高原中部的總云量有所減少。張琪［16］等對西南地區(qū)云量的時(shí)空變化進(jìn)行了研究，得出年平均總云量及夏季總云量在西南大部分地區(qū)呈逐年遞減趨勢，但文中沒有提及西藏地區(qū)的云水資源分布變化情況。

西藏高原占據(jù)青藏高原的主體，地域遼闊，氣候類型差異大［17］，地形復(fù)雜多樣，境內(nèi)橫亙著眾多高大山系，東西走向有喜馬拉雅山、岡底斯山、念青唐古拉山、唐古拉山等，南北走向有東部的橫斷山脈，由于獨(dú)特的地理位置和自然環(huán)境，決定了該地區(qū)對中國、東亞乃至全球天氣氣候的重要性和特殊性。但是，在全球氣候變暖的背景下，對于西藏高原的云水資源分布及其變化的研究還相對較少。而且由于資料的時(shí)空分辨率等因素限制，致使某些結(jié)果存在一定的誤差。因此，文章利用西藏地區(qū)多年云量和降水量資料，分析云量和降水分布及其耦合變化特征，初步認(rèn)識西藏空中云水資源分布與耦合變化規(guī)律，為西藏地區(qū)氣候變化機(jī)理研究、防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)保護(hù)工程提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料選取

選取1971-2010年西藏地區(qū)時(shí)間序列較長、且無缺測的22個(gè)氣象站地面觀測日平均總云量、日平均低云量和日降水量數(shù)據(jù)，作為云水資源分析的基礎(chǔ)資料。資料來源于國家氣象信息中心地面氣候資料整編日值（http：//cdc.cma.gov.cn），保證了資料的完整性和準(zhǔn)確性。由于西藏高原地域遼闊，氣候類型差異大，依據(jù)中國氣象地理區(qū)劃和氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)際，將西藏地區(qū)劃分為藏東、藏南、藏西、藏北和沿雅魯藏布江一線（以下簡稱“雅江一線”）5個(gè)區(qū)域（表1），采用區(qū)域平均法，即對區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)相同日期和要素的數(shù)據(jù)取平均，作為該日期該要素的區(qū)域平均值。

表1 西藏地區(qū)各區(qū)域站名分布情況

1.2 氣候傾向估計(jì)及檢驗(yàn)

具體計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)［18］。

1.3 趨勢檢驗(yàn)M-K方法

選用M-K方法突變檢驗(yàn)方法，具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)［18］。

1.4 降水概率和降水效率

為保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果有足夠的樣本數(shù)，分別累計(jì)各區(qū)域日總云量和低云量介于[C-0.5，C+0.5）之間的云量日數(shù)、≥0.1 mm降水日數(shù)和降水量，作為日云量為C（C=0，1，2，…，10）的累計(jì)云量日數(shù)、累計(jì)降水日數(shù)和累計(jì)降水量。并利用公式：

這里的降水概率是指當(dāng)天空出現(xiàn)某成云量時(shí)其形成降水天氣的機(jī)率大小，用%表示；降水效率指當(dāng)天空有某成云量并出現(xiàn)降水時(shí)，究竟產(chǎn)生多少降水量，其單位為mm。

2 云量和降水的空間分布

圖1 西藏高原年平均總云量（上）和低云量（下）分布圖

圖1 給出了西藏高原40a平均年總云量、年低云量空間分布圖?？梢钥闯?，西藏地區(qū)云量分布區(qū)域差異性明顯，大體呈“東多西少”分布型?？傇屏繌臇|南部的7.5成以上遞減到西南部的3.5成以下，低云量從東南部的7.0成以上遞減到西南部不足2.5成。受高原大地形及山脈走向的影響，30°N以南地區(qū)呈明顯的“緯向型”分布，北部以“經(jīng)向型”分布為主。低值中心出現(xiàn)在日喀則地區(qū)境內(nèi)喜馬拉雅山脈西段北麓，大致位置在定日縣及以西一線，年總云量不足3.5成，年低云量定日縣至阿里地區(qū)南部在2.5成以下。林芝地區(qū)境內(nèi)大部地方總云量超過7成，低云量6成以上，最大值出現(xiàn)在雅魯藏布江大拐彎周邊及以南地區(qū)，年總云量超過7.5成，年低云量7.0成以上。

西藏地區(qū)多年平均降水量分布（圖略）與云量分布狀況較相似。藏東南平均年降水量超過800 mm。隨地理位置的變化，降水量逐漸向西向北遞減，在阿里地區(qū)中北部年降水量不足100 mm。

云量和降水這種分布狀況是高原水汽輸送特征、大地形阻擋或抬升以及下墊面等多種因素共同作用的結(jié)果。

3 云量時(shí)間變化特征

3.1 年際變化特征

為了分析西藏地區(qū)云和降水的年際變化特征，首先將西藏各站點(diǎn)作為一個(gè)整體來研究，然后再分區(qū)計(jì)算各區(qū)域的年際變化情況。

圖2為西藏地區(qū)多年平均總云量、低云量和降水量的年際變化圖。可以看出，總云量總體呈下降趨勢，且總云量與低云量年際波動方向基本一致，兩者在1970s前期呈波動上升，在1977年達(dá)到極大峰值，此后又快速波動下降，在1980s中期出現(xiàn)極小值，低云量達(dá)到極小峰值。此后兩者總體變化趨勢相反，總云量大致保持下降趨勢，且在2007年降到極小峰值，而低云量則表現(xiàn)波動上升趨勢。年降水量呈規(guī)律性的波動變化，大致經(jīng)歷了3個(gè)波動周期。第1個(gè)周期（1970-1983年）：整個(gè)1970s呈波動上升趨勢，1980s初期迅速下降，在1983年達(dá)到極小值；第2個(gè)周期（1983-1992年）：1983年后波動上升，1990s前期開始快速下降，在1992出現(xiàn)另一個(gè)極小值；第3個(gè)周期（1992-2009年）：1992年以后波動上升，在1998年達(dá)到極大峰值，此后緩慢下降，2000s年代中后期出現(xiàn)較強(qiáng)振蕩，且在2009年達(dá)到極小峰值。

圖2 1971-2010年西藏地區(qū)年總云量、低云量和降水量的年際變化

為定量表示西藏地區(qū)年總云量、低云量及降水量的變化趨勢，計(jì)算各序列線性傾向率，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。數(shù)據(jù)顯示，西藏各區(qū)域的總云量以0.1-0.2成/10a的速度顯著減少，且通過了α=0.01以上的顯著性水平檢驗(yàn)；低云量除雅江一線減少趨勢顯著外，其他區(qū)域增減不明顯。年降水量藏西有不明顯的減少趨勢，其他區(qū)域呈增多趨勢，其中藏北增多趨勢顯著，速度達(dá)21 mm/10a。

表2 西藏地區(qū)年降水量、總云量和低云量的線性傾向率

同時(shí)，利用M-K方法對變化趨勢顯著的序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)（圖略），雅江一線總云量序列UF線自1980年后保持下降趨勢，于1993年超過臨界線水平，表明其1993年后下降趨勢顯著，UF和UB于1991年出現(xiàn)交點(diǎn)，可判斷雅江一線總云量這種下降趨勢為一突變現(xiàn)象，發(fā)生時(shí)間大致在1990s初期。同樣，可判斷藏東和藏西總云量下降趨勢均于1990s發(fā)生突變。雅江一線低云量下降趨勢在1980s初期發(fā)生突變。藏北年降水量上升趨勢為一突變現(xiàn)象，具體發(fā)生時(shí)間大致在1990s中期。

3.2 月際變化特征

圖3給出了西藏各區(qū)域月平均總云量、低云量的月際分布圖。可以看出，各條曲線高峰主要出現(xiàn)在7月至8月，且下降速度較上升速度快，云量最小值出現(xiàn)在11月或12月。總體上藏東云量最多，藏西云量最少。以5成為界，總云量超過5成的月數(shù)，藏東長達(dá)9個(gè)月，雅江一線、藏南和藏北為6個(gè)月，藏西僅有2個(gè)月。低云量超過5成的月數(shù)，藏東也長達(dá)9個(gè)月，藏北有6個(gè)月，藏南為5個(gè)月，雅江一線為4個(gè)月，藏西月低云量沒有超過5成，最大為8月份的近4成。藏南的總云量和低云量1月至7月呈直線型上升，7月和8月的云量甚至比藏東還多；藏西云量在1月至6月出現(xiàn)先上升后下降的月際分布型。

從降水量月際分布來看（圖略），其分布型與云量較相似，高峰出現(xiàn)在7月或8月份。其中，藏東、藏南和藏北最大值出現(xiàn)在7月份，雅江一線和藏西最大值出現(xiàn)在8月份；最大值為藏東7月份的117.4 mm，其次為雅江一線8月份的115.9 mm；藏南12月、1月和2月的累計(jì)降水量32.8 mm，甚至比藏東還多，因此藏南較其他區(qū)域易在冬季發(fā)生雪災(zāi)。

圖3 西藏平均月總云量（上）和低云量（下）變化圖

3.3 日變化特征

按區(qū)域分別計(jì)算相同日期的總云量、低云量和降水量的多年平均值，得到各區(qū)域要素的日序列?？梢钥闯?，各區(qū)域日總云量、低云量和降水量大體上呈現(xiàn)非對稱的“雙峰型”分布。高值區(qū)主要分布在7-8月份，且在高值區(qū)內(nèi)形成“雙峰”，大致在8月上旬（210-220d）附近出現(xiàn)極小值，其前后10d內(nèi)為兩個(gè)高值峰區(qū)，大致時(shí)間分別出現(xiàn)在7月下旬和8月中旬。因此，從平均狀態(tài)來看，8月上旬為西藏地區(qū)明顯的“雨季間歇期”，表現(xiàn)為云量和降水量的驟減。同時(shí)，從日變化曲線中還能看出，各序列在上升過程中，一致性在150d前后出現(xiàn)一次明顯的波動下降。與文獻(xiàn)［20-21］中印度季風(fēng)向西藏高原水汽輸送變化規(guī)律相對應(yīng)（圖略）。

日平均總云量≥5成的累計(jì)日數(shù)，各區(qū)域排序依次為藏東288d，藏北236d，藏南183d，雅江一線173d，藏西僅44d；日平均低云量≥5成的累計(jì)日數(shù)排序與總云量相同，依次為藏東95d，藏北176d，藏南136d，雅江一線95d，藏西0d。從這些數(shù)據(jù)可判斷西藏云量的大致分布情況。

3.4 云量和降水量的變化趨勢

計(jì)算了西藏地區(qū)22個(gè)氣象站年平均總云量、低云量和降水量的線性傾向率（表略）。其中，年總云量所有站均呈減少趨勢，且有16個(gè)站的減少趨勢是顯著的（α=0.05顯著性水平），藏北減少趨勢最為明顯，速度達(dá)0.2-0.3成/10a。年低云量有增有減，其中獅泉河、安多、申扎、聶拉木、索縣、林芝和察隅7個(gè)站呈增多趨勢，且只有申扎、索縣和林芝3個(gè)站通過了顯著性檢驗(yàn)，增加速度為0.1-0.2成/10a；其余15個(gè)站年平均低云量呈減少趨勢。其中，年總云量和低云量同時(shí)顯著減少的站點(diǎn)有6個(gè)，分別是班戈、當(dāng)雄、日喀則、拉薩、江孜和波密。

年平均降水量獅泉河、聶拉木、江孜和察隅4個(gè)站呈不顯著減小趨勢，其余18個(gè)站呈增加趨勢。其中，安多、那曲、申扎和嘉黎4個(gè)站增加趨勢顯著，增速為2-3mm/10a。

4 云量與降水耦合變化

4.1 降水概率和降水效率

利用1.4節(jié)中的降水概率和降水效率計(jì)算公式，分別計(jì)算出天空狀況在不同總云量或低云量狀態(tài)下的降水概率（圖4）和降水效率（表3）。

圖4 西藏地區(qū)總云量（上）和低云量（下）的降水概率

表3 西藏地區(qū)各成總云量和低云量的降水效率（單位：mm）

從圖4可以看出，西藏地區(qū)天空出現(xiàn)不同總云量時(shí)，降水概率最大的區(qū)域?yàn)椴啬希浯螢椴乇?，最小為藏西；?dāng)總云量在8成以下時(shí)，藏東降水概率比雅江一線大，但超過8成時(shí)雅江一線反過來比藏東大?？傇屏?成時(shí)，藏南和藏北降水概率超過50%；總云量9成時(shí)除藏西外，其他各區(qū)域降水概率均在50%以上，大小依次為藏南73%，藏北69%，雅江一線64%，藏東59%；總云量10成時(shí)降水概率藏南和藏北80%以上，雅江一線和藏東近80%，藏西為60%.再分析各成低云量的降水概率，降水概率最大的區(qū)域仍為藏南，最小為藏西；當(dāng)?shù)驮屏吭?成以下時(shí)，降水概率藏東與藏南比較接近，再依次為藏北、雅江一線和藏西；但低云量超過6成以后藏南降水概率明顯比藏東大，甚至低云量8成以上時(shí)藏北和雅江一線的降水概率均大于藏東。

表3列出了在不同總云量或低云量水平下西藏各區(qū)域的降水效率?？傮w上看，低云量的降水效率高于總云量。各成總云量的降水效率，在0-5成時(shí)基本是藏南最高，總云量6-10成時(shí)雅江一線最高，藏西基本上是最低的；從各成總云量降水效率的總和來看，降水效率高低排序依次為：雅江一線、藏南、藏東、藏北和藏西。各成低云量的降水效率，在2-7成時(shí)藏東最高，超過8成時(shí)雅江一線最高；低云量0-2成時(shí)降水效率雅江一線最低，3成時(shí)藏北最低，4-10成藏西最低；從各成低云量降水效率總和來看，低云量的降水效率高低排列依次為：雅江一線、藏東、藏北、藏南和藏西。綜合來看，西藏地區(qū)云量降水效率雅江一線最高，其次為藏東、藏南、藏北，藏西最低。

4.2 云量與降水相關(guān)分析

利用多年的平均逐日總云量減去低云量，得到日中高云量序列。分別計(jì)算日降水量序列與日總云量、低云量和中高云量序列的相關(guān)系數(shù)，得到表4?？梢钥闯?，西藏地區(qū)各區(qū)域降水量與總云量、低云量呈顯著的正相關(guān)，且全部通過α=0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。從相關(guān)系數(shù)的絕對值來看，總體上表現(xiàn)為年降水量越大的區(qū)域降水量與云量相關(guān)關(guān)系越密切，且降水與低云量相關(guān)性最好。日降水量與低云量的相關(guān)系數(shù)，藏東和藏南達(dá)到0.88，雅江一線為0.86，藏北為0.83，藏西僅0.66。從降水與中高云量的相關(guān)系數(shù)來看，除藏北外其他各區(qū)域呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明這些區(qū)域降水天氣發(fā)生時(shí)常常伴隨中高云的出現(xiàn)；而藏北為顯著的負(fù)相關(guān)，表明藏北出現(xiàn)降水天氣出現(xiàn)時(shí)，中高云量較少或無法估測，而中高云量多時(shí)，則不易出現(xiàn)降水天氣，這是藏北云量與降水的另一個(gè)顯著特征。

表4 西藏各區(qū)域日降水量與云量的相關(guān)系數(shù)

4.3 降水量與云量

規(guī)定日降水量≥0.1 mm為1個(gè)降水日，對所有站累計(jì)日降水量介于[R-0.5，R+0.5）的日總云量和日低云量，再分別除以各自樣本數(shù)，得到日降水量R所對應(yīng)的平均總云量和平均低云量。即得到在平均狀態(tài)下，西藏地區(qū)產(chǎn)生不同降水天氣時(shí)，天空中出現(xiàn)的總云量和低云量，并繪制成圖5?？梢钥闯?，日降水量為0.1-0.4 mm時(shí)，平均總云量和平均低云量最少，分別為7.5成和6.4成。同時(shí)，隨著降水量的增大，平均總云量和平均低云量呈快速增多趨勢。且總云量與低云量的差值也在增大，表明隨著降水量增大中高云有所增加。當(dāng)降水量超過20以后，平均總云量和平均低云量分別在9.5成和8成附近波動。當(dāng)降水等級超過37時(shí)，樣本數(shù)不足30個(gè)，特別當(dāng)降水等級超過50時(shí)，樣本數(shù)不足10個(gè)，是小概率事件。

圖5 降水量與云量

5 天空狀況變化特征

5.1 天空狀況頻次

參考文獻(xiàn)［21］，以總云量作為天空狀況的分類指標(biāo)，把日總云量介于［0，2）的天空狀況作為晴天，［2，5）為少云，［5，9.5）為多云，［9.5，10］為陰天。分別計(jì)算1971-2010年各區(qū)域出現(xiàn)晴天、少云、多云和陰天的頻次（表5）。從全區(qū)平均狀態(tài)來看，多云天氣頻次最高，達(dá)39.6%；晴天和少云頻次較接近，兩者和為42.9%；陰天頻次只有17.5%。從各區(qū)域來看，西藏東部晴天頻次最低，僅為12.1%，陰天頻次最高為32.2%；西藏西部晴天出現(xiàn)頻次最高達(dá)36.2%，其次為少云30.7%，陰天出現(xiàn)頻次最低僅為3.6%。天空狀況的出現(xiàn)頻次與降水有很好的對應(yīng)關(guān)系。

表5 西藏地區(qū)天空狀況平均頻次（單位：%）

5.2 天空狀況變化趨勢

按上述方法，逐年統(tǒng)計(jì)各區(qū)域晴天、少云、多云和陰天4種天空狀況的出現(xiàn)日數(shù)，再除以區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)，得到區(qū)域平均的天空狀況序列（n=40）。對序列進(jìn)行線性傾向估計(jì)，表6給出了4種天空狀況序列的線性傾向率。從全區(qū)情況來看，晴天和少云天氣呈顯著的增加趨勢，分別以4.3 d/10a和3.1 d/10 a的速度遞增，多云和陰天呈顯著的減少趨勢，分別以2.0 d/10a和5.3 d/10a的速度遞減。

從區(qū)域情況來看，除西藏南部少云、多云和陰天日數(shù)變化不明顯外，其他區(qū)域和西藏南部晴天日數(shù)變化均超過了α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。晴天日數(shù)各區(qū)域均顯著增加，藏北增速達(dá)5.9 d/10a。少云日數(shù)除西藏南部變化不明顯外，其他各區(qū)域呈顯著增加趨勢，藏西和藏北分別以8.0 d/10a和6.1 d/10a速度增加。多云日數(shù)藏東呈顯著的增加趨勢，沿江一線、藏西和藏北卻呈顯著的減少趨勢，西藏西部遞減速度8.4 d/10a。陰天日數(shù)變化趨勢西藏南部不明顯，其他各區(qū)域以4.5-8.3 d/10a的速度顯著減少，其中西藏東部減少速度最快，以8.3 d/10a的速度減少。

表6 西藏地區(qū)天空狀況序列線性傾向率

6 結(jié)論與討論

西藏地區(qū)云水資源分布區(qū)域差異性明顯，大致呈“東多西少”分布型，30°N以南地區(qū)呈明顯的“緯向型”分布，北部以“經(jīng)向型”分布為主。這種區(qū)域差異性分布主要受印度季風(fēng)水汽輸送特征、高原大地形和山脈走向以及下墊面等多種因素共同作用的結(jié)果。

西藏地區(qū)總云量以0.1～0.2成/10a的速度呈顯著減少趨勢，低云量除雅江一線減少趨勢顯著外，其他區(qū)域增減不明顯；年降水量藏西有不明顯的減少趨勢，其他區(qū)域呈增多趨勢，其中藏北增多趨勢顯著，速度達(dá)21 mm/10a。經(jīng)檢測，雅江一線、藏東和藏西的總云量減少趨勢和雅江一線低云量的減少趨勢，以及藏北的降水增多趨勢均為突變現(xiàn)象。

西藏地區(qū)云量和降水量的高峰值出現(xiàn)在7月和8月，且在高值區(qū)內(nèi)形成“雙峰型”分布。從平均狀態(tài)來看，8月上旬為西藏地區(qū)明顯的“雨季間歇期”，表現(xiàn)為云量和降水量的驟減。藏南12月、1月和2月的降水量甚至比藏東還多，平均累計(jì)降水量32.8 mm，因此藏南較其他區(qū)域易在冬季發(fā)生雪災(zāi)。

西藏地區(qū)天空在不同總云量或低云量的水平下，降水概率最大的區(qū)域?yàn)椴啬?，最小為藏西，降水效率雅江一線最高，其次為藏東、藏南、藏北，藏西最低。降水量與總云量、低云量呈顯著的正相關(guān)，總體上表現(xiàn)為年降水量越大的區(qū)域降水量與云量相關(guān)關(guān)系越密切，且降水與低云量相關(guān)性最好。這與西藏各區(qū)域水汽輸送及地形差異有密切關(guān)系。

從平均狀態(tài)來看，西藏地區(qū)出現(xiàn)降水時(shí)平均總云量和低云量分別為7.5成和6.4成；隨著降水量的增大，平均總云量和低云量呈快速增多趨勢；當(dāng)降水量超過20 mm，平均總云量和平均低云量分別在9.5成和8成附近波動。

西藏地區(qū)多云天氣頻次最高達(dá)39.6%，晴天和少云頻次相近，兩者和為42.9%，陰天頻次只有17.5%.40 a年，西藏地區(qū)晴天和少云天氣呈顯著的增加趨勢，分別以4.3 d/10a和3.1 d/10 a的速度遞增，多云和陰天分別以2.0 d/10a和5.3 d/10a的速度顯著減少。其中，西藏東部的陰天和西藏西部多云的減少趨勢，以及西藏西部少云天氣增加趨勢最為顯著，速度達(dá)8 d/10a以上。