滇西北高原降水量時空變化特征

姚 平,陳先剛*,楊宇明,唐壽嵐

(1.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650224；2.云南省林業(yè)科學(xué)院,云南 昆明 650201； 3.香格里拉縣碧塔海自然保護區(qū)管理所,云南 香格里拉 674400)

滇西北高原地處云南、西藏和四川的交界處，位于東經(jīng)98°07′～101°31′，北緯25°33′～29°16′，境內(nèi)山系、河谷沿南北向發(fā)育和東西向搌布，最高海拔6 740m，最低海拔700m，相對高差6 000m，區(qū)內(nèi)生境類型豐富，如高原濕地，不僅具有景觀價值，為中國提供了重要的生態(tài)服務(wù)功能，亦是中國西南生態(tài)安全屏障建設(shè)的重點[1-3]。水分條件對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要影響，其空間分布及其變化將會直接影響生態(tài)系統(tǒng)中其它因子相應(yīng)的空間分布和變化[4-5]，開展滇西北高原降水量時空分布及其變化的研究對認識滇西北高原生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律具有十分重要的意義。

研究表明，全球總降水量在過去100a有增加趨勢，但在干旱與半干旱地區(qū)減少[6]，北半球30°N以南地區(qū)降水量變化為減少趨勢[7-8]。翟盤茂等[9-10]和王遵婭等[11]指出中國平均年降水量呈減少趨勢，其中西部降水量增加趨勢明顯，西南一些地區(qū)有減少趨勢。近年來云南年平均降水量總體上為減少趨勢，季節(jié)變化和地域分布差異較大[12-19]。受地理位置或特殊地形等的影響，區(qū)域氣候變化特征具有時間和空間的特殊性[20-21]，目前，針對滇西北高原降水量時空變化特征的研究較少，因此，本文對滇西北高原近48年來冬季、夏季和年平均降水量的時空分布規(guī)律進行研究，為深入研究該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的變化規(guī)律和驅(qū)動因子提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和研究方法

1.1 資料

本文所用的資料為滇西北高原所轄麗江市(麗江、寧蒗、永勝、華坪)，迪慶藏族自治州(德欽、中甸、維西)，怒江傈僳族自治州(貢山、福貢、六庫、蘭坪)3個地區(qū)11個站1961～2009年共48年的月平均降水量，夏季是6-8月，冬季是12月至次年2月。

本文所用的資料為滇西北高原所轄麗江市(麗江、寧蒗、永勝、華坪)，迪慶藏族自治州(德欽、中甸、維西)，怒江傈僳族自治州(貢山、福貢、六庫、蘭坪)3個地區(qū)11個站1961～2009年共48年的月平均降水量，夏季是6-8月，冬季是12月至次年2月。

1.2 研究方法

EOF分析方法是氣象上常用的一種場分析方法，即將氣象要素分解為特征向量(空間場)和主分量(時間系數(shù))的乘積。特征向量反映了場的空間分布特征，它不隨時間變化；主分量則反映了要素場中各特征向量場的權(quán)重。一般前幾個主分量占有原要素場總方差的很大部分，研究主分量隨時間變化的規(guī)律即可代替原要素場隨時間變化的研究。用EOF分析法將資料陣{Xij}(i為空間點序號，j為樣本長度)展開為特征向量Y和主分量T的乘積

X=Y×T

(1)

式中：Y為11×11的特征向量陣，T為11×48的主分量系數(shù)陣[22]。采用EOF分析方法對夏季、冬季和年平均降水量場進行分析，找出滇西北高原降水量場的時空分布特征。

采用滑動平均分析方法、離散功率譜分析方法[22]分析降水量時間序列的周期特征，采用線性傾向估計和氣候趨勢系數(shù)方法[23-24]分析降水量的變化趨勢。

2 滇西北高原降水量的時空變化特征

2.1 EOF時空分布規(guī)律

對滇西北高原11個氣象站冬季、夏季和年平均降水量運用EOF分析方法進行研究。表1給出它們前三個主分量的方差貢獻，從表中可以看出，降水量第一主分量的方差貢獻率季節(jié)變化明顯，冬季大，夏季??；且各季節(jié)及年平均降水量的前二個主分量已占總方差的58%以上，特別是從第二主分量到第三分量變化較大，前2個分量已濃縮冬、夏季及年平均降水量分布的大部分信息。因此，取第一、二主分量作為顯著主分量進行分析。

表1 前5個主分量的解釋方差

從圖1a中可看出，滇西北冬季降水量第一主分量的空間分布表現(xiàn)為一致性同位相變化趨勢，大值中心在蘭坪和六庫附近，降水量等值線大致具有自西向東遞減的梯次分布特征。表明滇西北冬季降水的主要影響系統(tǒng)是較大尺度的天氣系統(tǒng)，如冷風(fēng)切變、南支槽等[25]，使冬季降水的異常主要表現(xiàn)為全區(qū)一致性；另外，由于滇西北高原的特殊地形，使水汽輸送因受地形抬升和阻隔的影響，在迎風(fēng)坡的降雨量較多，而背風(fēng)坡的降雨量相對較少，表現(xiàn)出自西向東的梯次分布特征[20-21]。第二主分量空間分布反映出滇西北高原冬季降水量的地區(qū)差異(圖1b)，主要表現(xiàn)為西北部地區(qū)與東南部地區(qū)的反位相振蕩模態(tài)，正的大值中心位于華坪附近，負的大值中心位于貢山附近。這可能與影響西北部和東南部的天氣系統(tǒng)不同，造成西北部少，東南部多的分布，呈現(xiàn)出緯向分布特征。

圖1 滇西北高原冬季降水量第一特征向量(a)和第二特征向量(b)的空間分布

Fig.1Thefirst(a)andsecond(b)eigenvectorsfieldofwinterprecipitationovertheplateauofnorthwesternYunnan

圖2 冬季降水量(a)第一主分量和(b)第二主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)(實線：時間系數(shù)；虛線：5年滑動平均)

Fig.2Timeseriesofthefirst(a)andsecond(b)principalcomponentofwinterprecipitation(solidline：timeseries；dashedline：5-yearrunningmean)

從滇西北高原冬季降水量第一主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)的分布可以看出(圖2a)，冬季降水量經(jīng)歷了4個正位相和3個負位相時期，20世紀60年代中期、70年代后期至80年代初期，80年代后期至90年代中期以及21世紀初期以后模態(tài)分布以正位相為主，說明在這些時期，滇西北高原降水量一致偏多；20世紀60年代中期至70年代后期、80中后期以及90年代中期至21世紀初期以負位相為主，說明滇西北高原冬季降水量在該時期內(nèi)降水量則一致偏少為主。第二主分量所對應(yīng)的時間序列則經(jīng)歷了2個正位相，3個負位相時期(圖2b)，20世紀70年代中期至80年代中期以及90年代中期至21世紀初期以正位相為主，說明在該時段內(nèi)，滇西北高原冬季降水量以西北部偏少，東南部偏多的振蕩分布為主，其余時段反之。

對冬季降水量第一、二主分量的時間系數(shù)進行離散功率譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冬季降水量的第一、二主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)均具有通過a=0.05顯著性檢驗的周期存在，其中第一主分量對應(yīng)時間系數(shù)的顯著周期約為12年和2.5年，第二主分量對應(yīng)時間系數(shù)的顯著周期約為4年和3.2年。

從滇西北高原夏季降水量第一主分量的空間分布場可看出(圖3a)，夏季降水量具有一致偏多或偏少的特征，維西附近出現(xiàn)高值中心，低值中心位于貢山和華坪附近，降水量等值線大致自東向西呈現(xiàn)“低-高-低”分布特征，經(jīng)向分布較為明顯，一致性分布表明滇西北高原地區(qū)夏季受天氣系統(tǒng)影響是一致的，如多受冷空氣與偏南氣流的共同影響，且受地形抬升和阻隔的影響[20，21，26]，使降水量呈現(xiàn)經(jīng)向分布特征。圖3b為夏季降水量第二主分量空間分布，表現(xiàn)出東部和西部反位相振蕩特征，正的大值中心位于福貢和六庫附近，負的大值中心位于華坪附近，這可能與影響滇西北高原地區(qū)的天氣系統(tǒng)不同有關(guān)。

滇西北高原夏季降水量第一主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)經(jīng)歷了2個正位相和2個負位相時期(圖4a)，即20世紀70年代中期至90年代中期以及21世紀初期以后模態(tài)分布以負位相為主，其余時段則以正位相為主；第二主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)經(jīng)歷了1個正位相和1個負位相時期，即20世紀90年代中期以前主要以正位相為主，90年代中期以后主要以負位相為主(圖4b)。對降水量第一、二主分量的時間系數(shù)進行離散功率譜分析，可知夏季降水量的第一主分量的時間系數(shù)無顯著周期，第二主分量的時間系數(shù)具有約為3.4年和3年的顯著周期。

圖3 滇西北高原夏季降水量第一特征向量(a)和第二特征向量(b)的空間分布

Fig.3Thefirst(a)andsecond(b)eigenvectorsfieldofsummerprecipitationovertheplateauofnorthwesternYunnan

圖4 夏季降水量(a)第一主分量和(b)第二主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)(實線：時間系數(shù)；虛線：5年滑動平均)

Fig.4Timeseriesofthefirst(a)andsecond(b)principalcomponentofsummerprecipitation(solidline：timeseries；dashedline：5-yearrunningmean)

圖5a為年平均降水量第一主分量的空間分布，可以看出，滇西北高原年平均降水量也表現(xiàn)出一致偏多或偏少的分布特征，年平均降水量等值線呈現(xiàn)從東向西“低-高-低”的分布特征，大值中心位于永勝和蘭坪附近，低值中心則位于貢山和寧蒗附近，與夏季降水量空間分布相似，表明滇西北高原地區(qū)年平均降水量受天氣系統(tǒng)影響比較一致，使降水量表現(xiàn)出一致偏多或偏少的分布趨勢，呈現(xiàn)出經(jīng)向分布特征。年平均降水量第二主分量的空間分布(圖5b)，呈現(xiàn)東部和西部反位相振蕩特征，正的大值中心位于寧蒗附近，負的大值中心位于貢山附近，可能與影響滇西北高原地區(qū)的天氣系統(tǒng)不同有關(guān)。

從滇西北高原年平均降水量第一主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)分布可以看出(圖6a)，該模態(tài)大致經(jīng)歷了2個正位相和2個負位相時期：20世紀60年代中期、80年代中期至21世紀初期以正位相為主，其它時段則以負位相為主。第二主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)則經(jīng)歷了2個正位相和1個負位相時期，即20世紀60年代至70年代中期、90年代以后以正位相為主，其它時段以負位相為主(圖6b)。滇西北高原年平均降水量第一主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)的顯著周期約為12年和2.4年，第二主分量無顯著周期。

圖5 滇西北高原年平均降水量(a)第一主分量和(b)第二主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)

Fig.5Thefirst(a)andsecond(b)eigenvectorsfieldofannualprecipitationovertheplateauofnorthwesternYunnan

圖6 年平均降水量(a)第一主分量和(b)第二主分量所對應(yīng)的時間系數(shù)(實線：時間系數(shù)；虛線：5年滑動平均)

Fig.6Timeseriesofthefirst(a)andsecond(b)principalcomponentofannualprecipitation(solidline：timeseries；dashedline：5-yearrunningmean)

2.2 滇西北高原降水量的時間變化趨勢

滇西北高原降水量主要集中在夏季，年平均降水量為85.99mm。對1961～2008年滇西北高原冬季、夏季和年平均降水量的時間序列做線性回歸，得到回歸系數(shù)分別為0.062、-0.317和0.069，氣候趨勢系數(shù)分別為0.1、-0.17和0.13(圖略)，|r|<|rα|(在置信水平α=0.05，樣本n=48年時，相關(guān)系數(shù)的臨界值rα=028)，計算結(jié)果表明，從總體上考察，該區(qū)夏季降水量隨時間變化呈現(xiàn)減少趨勢，冬季及年平均降水量隨時間變化為增多趨勢，且無論夏季、冬季或年平均降水量變化趨勢均不顯著。

為了進一步分析滇西北高原各站點降水量與區(qū)域平均降水量變化趨勢是否同步，分別計算了滇西北高原各站點冬季、夏季和年平均降水量的降水趨勢系數(shù)，若降水趨勢系數(shù)r>0，呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢。近48年來，滇西北高原冬季降水量變化趨勢(圖7a)，除德欽外，其余各站點均為增多趨勢，其中香格里拉縣降水量增多趨勢顯著，通過了95%的顯著性檢驗。夏季降水量的變化趨勢(圖7b)與冬季不同，降水量變化均為減少的趨勢。年平均降水量的變化趨勢，除六庫外，其余各站點均為增加趨勢，增加趨勢不顯著(圖7c)。

綜上所述，近48年來，無論從區(qū)域整體還是從各個站的角度分析，滇西北高原夏季降水量呈減少趨勢，冬季和年平均降水量呈增加趨勢，除香格里拉縣夏季降水量減少趨勢顯著外，冬季、夏季和年平均降水量的增加或減少趨勢并不明顯。顯然與云南年均降水總體呈減少的趨勢[14，16]不同，這可能與滇西北特殊地形有關(guān)：滇西北處在青藏高原東南側(cè)，屬于高原地區(qū)，氣象學(xué)者指出：全球氣候變暖，冰川消融增強，中國西部、特別是西北部降水呈明顯增加趨勢[9，27]，滇西北一角降水增多與西部高原地區(qū)的氣候變化是一致的，即降水量變化可能是對全球變暖的響應(yīng)。

3 結(jié)論

利用1961～2009年滇西北高原所轄11站逐月降水量資料，分析了滇西北高原冬季、夏季和年平均降水量的時空變化特征，可得到以下一些有意義的結(jié)果：

(1)滇西北高原冬季、夏季和年平均降水量第一主分量空間分布的主要特征為一致性同位相變化趨勢。第二主分量空間分布反映了降水量的區(qū)域差異，滇西北高原冬季、夏季和年平均降水量場大致呈“西北部-東南部”或者“西部-東部”型反位相振蕩分布。

(2)近48年來滇西北高原冬季降水量第一主分量的時間系數(shù)經(jīng)歷了4個正位相和3個負位相，而第二主分量的時間系數(shù)經(jīng)歷了2個正位相和3個負位相；夏季降水量第一主分量的時間系數(shù)經(jīng)歷了2個正位相和2個負位相，而第二主分量的時間系數(shù)經(jīng)歷了1個正位相和1個負位相；年平均降水量第一主分量的時間系數(shù)經(jīng)歷了2個正位相和2個負位相，而第二主分量的時間系數(shù)經(jīng)歷了2個正位相和1個負位相。

圖7 滇西北高原降水量的趨勢系數(shù)

(a)冬季(b)夏季(d)年

Fig.7TrendcoefficientsofprecipitationovertheplateauofnorthwesternYunnan

(a)winter(b)summer(c)annual

(3)冬季和年平均降水量第一主分量的時間系數(shù)均有12年的顯著周期，且分別還有2.5年和2.4年的顯著周期，冬季和夏季降水量第二主分量的時間系數(shù)有大約3-4年的顯著周期。

(4)近48年來，滇西北高原夏季降水量隨時間變化總體上呈現(xiàn)減少趨勢，除香格里拉縣降水量減少趨勢顯著，其余各站減少趨勢不明顯。滇西北高原冬季和年平均降水量變化均以增多趨勢為主，增加趨勢不明顯。

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