1964—2014年青海省三江源地區(qū)日降水格局分析

李　璠，肖建設(shè)，顏亮東

(青海省氣象科學(xué)研究所， 青海 西寧 810001)

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1964—2014年青海省三江源地區(qū)日降水格局分析

李璠，肖建設(shè)，顏亮東

(青海省氣象科學(xué)研究所， 青海 西寧 810001)

三江源位于青藏高原腹地，是氣候變化敏感區(qū)，尤其對降水變化十分敏感。利用1964—2014年三江源地區(qū)13個(gè)氣象站的日降水資料，對三江源地區(qū)降水量、降水日數(shù)、降水間隔期分等級探討。結(jié)果表明:1964—2014年三江源地區(qū)年均降水量為467.48 mm，自2000年起呈現(xiàn)顯著增加趨勢，降水量以中等強(qiáng)度以上的降水為主，導(dǎo)致年降水量發(fā)生變化的主要原因是強(qiáng)降水量的影響；年均降水日數(shù)為137.83 d，以中等強(qiáng)度以下的降水日數(shù)為主；每年降水間隔期次數(shù)為40.06次，以≤5 d的間隔期為主，占總間隔次數(shù)的83.55%；三江源13個(gè)氣象站降水量資料顯示，久治縣降水最穩(wěn)定，沱沱河最不穩(wěn)定。同時(shí)，以歷年降水量與生產(chǎn)力研究為基礎(chǔ)，降水是三江源西部地區(qū)生產(chǎn)力變化的主要限制因子之一。三江源地區(qū)干旱年份與極端弱降水量年份吻合，可初步斷定年降水量和降水日數(shù)增加，>5 d間隔次數(shù)減少可減緩三江源地區(qū)干旱發(fā)生及干旱化程度。

三江源；降水量；降水日數(shù)；降水等級；間隔期

青海省地處青藏高原東北部，其氣候變化具有明顯的高原特色[1]，干旱少雨，植被稀疏，對全球氣候變化響應(yīng)十分敏感[2]。位于青藏高原腹地、青海省南部的三江源以其獨(dú)特的自然地理和氣候條件孕育出具有豐富動(dòng)植物資源的天然“寶庫”，一直以來，備受眾科學(xué)家的青睞。然而，進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著全球性氣候變化的暖干化趨勢，三江源地區(qū)冰川萎縮、雪線上升、湖泊濕地面積縮小、草地面積退化、土地沙化等一系列環(huán)境問題嚴(yán)重影響農(nóng)牧民的生產(chǎn)生活，也導(dǎo)致長江、黃河等河流中下游地區(qū)旱澇災(zāi)害頻發(fā)[3]。導(dǎo)致這些問題的原因歸結(jié)起來包括全球氣候變化和人類活動(dòng)頻繁。其中降水是影響三江源地區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境的主要?dú)夂蛞蜃又弧?/p>

IPCC第五次指出，全球平均地表氣溫上升，全球降水將會增加，氣溫每升1℃全球平均降水的增長率將低于大氣水汽的增長率，降水可能增加1%·℃-1～3%·℃-1。前期研究結(jié)果認(rèn)為降水沒有明顯的變化特征[4]，但全球和區(qū)域降水由于人類活動(dòng)發(fā)生顯著的變化[5]。盡管如此，研究均顯示不同地區(qū)對全球變化的響應(yīng)不盡相同。對降水而言，不同區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)完全不同的響應(yīng)格局[6]。許多低緯度地區(qū)的降水在增加，中緯度大部分地區(qū)降水量在減少，高緯度地區(qū)的降水量在增多[7]。我國年降水量趨勢變化存在明顯的區(qū)域差異[8]。西北大部分地區(qū)的年降水量變化存在差異，西北東部降水減少、西部降水增加[9]，且出現(xiàn)干濕轉(zhuǎn)型。長江中下游地區(qū)年降水量呈正的趨勢[10]。華北平原年降水量無明顯變化趨勢，從20世紀(jì)80年代中后期開始，由多雨期轉(zhuǎn)為少雨期，2000年以后，降水量恢復(fù)到多年平均水平[11]。青海省年降水量總體上呈現(xiàn)小幅增加趨勢[12]。

目前關(guān)于三江源地區(qū)降水變化的研究主要集中在年、季和月等較長時(shí)間尺度上[13-15]，唐紅玉等[16]對三江源地區(qū)降水變化做了較深入的研究，利用1956—2004年這50年的降水資料分析了年降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度的變化?；谝陨涎芯浚疚睦?964—2014年的日降水資料對近51年的降水量、降水事件、降水間隔期等內(nèi)容展開研究，分析三江源地區(qū)日降水格局及其時(shí)間變化特征，闡明降水變化與草地生產(chǎn)力、干旱災(zāi)害以及湖泊變化的關(guān)系，可提高對三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)工作的認(rèn)識。因此，對三江源地區(qū)日降水格局變化方面的研究有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

三江源地區(qū)位于青藏高原腹地，介于31°39′～36°16′N、89°24′～102°23′E[17]，海拔3 450～6 621 m，是我國長江、黃河及瀾滄江的發(fā)源地，其南北邊緣分別為唐古拉山脈和昆侖山脈，南緣為唐古拉山脈西段，最高峰為長江源頭的格拉丹東，北緣為中昆侖山脈東段，山地之間為寬闊的寬谷湖盆帶，區(qū)內(nèi)氣候具有氣溫低、降水少、風(fēng)速大的特點(diǎn)[18]。

圖1三江源氣象臺站分布

Fig.1Distribution of meteorological stations in Three-River Source Area

1.2資料方法

本文所用資料采用1964—2014年三江源地區(qū)13個(gè)地面氣象臺站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)(圖1)。結(jié)合站點(diǎn)日降水資料對青海省各功能區(qū)降水變化特征進(jìn)行分析。同時(shí)利用各功能區(qū)年降水量時(shí)間序列，以時(shí)間為自變量，以年降水量為因變量，建立一元回歸方程[19]：

y=b1x+b0

(1)

式中，b0為截距，b1為斜率。b1×10稱為變化傾向率，并通過檢驗(yàn)方程的顯著性判斷年降水量變化趨勢的顯著與否。此外，利用近51年的年降水日數(shù)和不同等級降水情況作為自變量，年降水量為因變量，其中有的自變量對因變量的影響不是很大，而且自變量之間可能不完全獨(dú)立，采用逐步回歸分析，判斷各降水因子對年降水量的影響大小。另外，本文采用相對變率來說明該地區(qū)降水量的穩(wěn)定程度，即變率大的地區(qū)，年際降水不穩(wěn)定，公式如下：

(2)

用M-K檢驗(yàn)檢測1964—2014年三江源地區(qū)年平均降水量的突變，給定顯著性水平α=0.05，即u0.05=1.96。

1.3降水強(qiáng)度的分級

本文采用氣象因子分析中適合干旱、半干旱地區(qū)的降水強(qiáng)度分級Zhang等[20]的非參數(shù)化方案進(jìn)行降水強(qiáng)度分級。如果某個(gè)氣象要素有n個(gè)值，將這n個(gè)值按升序排列X1，X2，…，Xm，…，Xn，某個(gè)小于或等于Xm的概率P為：

P=(m-0.31)/(n+0.38)

(3)

式中，m為Xm的序號。參考西北地區(qū)日降水量強(qiáng)度分級[21]，探討青海省三江源地區(qū)各強(qiáng)度降水的特征。本文考慮到三江源區(qū)降水特征為雨熱同季，降水期日降水量為3.82mm·d-1，均衡描述各等級降水事件，故對該地區(qū)日降水量進(jìn)行5個(gè)強(qiáng)度的分級，如表1劃分。

表1　青海省日降水強(qiáng)度分級

2　結(jié)果與分析

2.1三江源地區(qū)季節(jié)降水特征

1964—2014年三江源地區(qū)月降水量和月降水日數(shù)呈正態(tài)分布(圖2)，月均降水量為38.96 mm，主要在5—9月，7月達(dá)到高峰(圖2(a))，這5個(gè)月的降水量占年降水量的86.12%。月均降水日數(shù)為18.03 d，1—7月表現(xiàn)為緩慢上升，9—12月明顯下降，5—9月的降水日數(shù)表現(xiàn)為平穩(wěn)且較高(圖2(b))。該時(shí)段是三江源地區(qū)牧草生長的關(guān)鍵時(shí)期，因此，5—9月降水量和降水日數(shù)的多少直接影響牧草產(chǎn)量。

圖2降水的季節(jié)分配

Fig.2Seasonal distribution of precipitation

2.2降水量年際變化特征

青海省三江源地區(qū)1964—2014年降水資料表明，年均降水量為467.48 mm，變異系數(shù)10.21%，最大降水量為578.97 mm，最小降水量為404.79 mm，變化傾向率為10.29 mm·10a-1，且這一變化趨勢顯著(圖3)。年降水量主要集中在中等強(qiáng)度以上的降水范圍內(nèi)，較強(qiáng)降水量占年均降水量的26.58%，強(qiáng)降水量占年均降水量的47.61%，其次是較弱>中等>弱(圖4)，依次占年均降水量的12.05%、10.81%、2.95%。

對近51年三江源地區(qū)年均降水量的檢測發(fā)現(xiàn)，自1996年起年降水量有一明顯的增加趨勢，2000年這種增加趨勢超過顯著性水平0.05臨界線，表明三江源地區(qū)年降水量的增加趨勢十分顯著(圖5)。

圖3　青海省降水量的年際變化

圖4　青海省不同等級降水量及降水日數(shù)的變化

圖5降水量的M-K突變檢驗(yàn)

Fig.5M-K mutation test of precipitation

2.3降水日數(shù)

近51年來，青海省三江源地區(qū)降水日數(shù)呈上升趨勢(圖3)。年降水日數(shù)為137.83 d，變異系數(shù)7.46%，年降水日數(shù)最多為167.23 d，年降水日數(shù)最少為118.00 d，變化傾向率為1.16 d·10a-1，降水日數(shù)以中等強(qiáng)度以下的降水日數(shù)為主，弱降水日數(shù)最多，達(dá)46.73 d，占總降水日數(shù)的33.90%，其次是較弱>較強(qiáng)>強(qiáng)>中等(圖4)，依次占年均降水日數(shù)的27.04%、15.60%、12.21%、11.25%。

2.4降水間隔期

近51年來，三江源地區(qū)每年降水間隔期發(fā)生次數(shù)為40.06次，變異系數(shù)為12.62%，其中間隔期≤5 d的次數(shù)最多，每年達(dá)33.47次，占總間隔次數(shù)的83.55%，>5 d的次數(shù)占總間隔次數(shù)的16.45%。隨著間隔期時(shí)間的增大，其每年頻次呈下降趨勢(圖6(a))。1964—2014年，間隔期≤5 d的次數(shù)呈波動(dòng)性變化，變異系數(shù)為16.42%，1964—1979年呈上升趨勢，1980—1988年、2000—2014年呈下降趨勢；間隔期>5 d的次數(shù)基本呈平穩(wěn)變化，變異系數(shù)為24.70%(圖6(b))。

2.5不同強(qiáng)度等級降水的變化特征

從不同強(qiáng)度降水比例可知(表2)，中等強(qiáng)度以上的降水(較強(qiáng)降水和強(qiáng)降水)占降水日數(shù)的27.81%，但在該時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的降水量占全年降水總量的74.18%。其中，強(qiáng)降水日數(shù)占總降水日數(shù)的12.21%，降水量占總降水量的47.61%，同時(shí)強(qiáng)降水日期主要集中在6—9月，這說明三江源地區(qū)降水在時(shí)間上較為集中，也進(jìn)一步反映三江源地區(qū)雨熱同期的特征。

圖6降水間隔期分布及年變化

Fig.6The frequency distribution and inter-annual variability of interval period

降水量以中等強(qiáng)度以上的降水為主，降水日數(shù)以中等強(qiáng)度以下的降水為主，且中等強(qiáng)度以上的降水較為集中。近51年來，弱強(qiáng)度的降水日數(shù)呈下降趨勢，其余強(qiáng)度的降水日數(shù)呈上升趨勢，其中，較強(qiáng)等級和強(qiáng)等級降水日數(shù)的趨勢變化顯著，其余等級降水日數(shù)變化趨勢不顯著。各等級降水量除了弱降水量呈下降趨勢外，其余各等級降水和年降水量均呈上升趨勢，中等強(qiáng)度以上的降水量和年降水量的上升趨勢通過0.05顯著性檢驗(yàn)，其余均不顯著(圖7)。

根據(jù)1964—2014年三江源地區(qū)13個(gè)縣的降水資料，對各縣降水相對變化率進(jìn)行分析，三江源地區(qū)降水變化率在8.44%～20.00%之間(圖8)，分布規(guī)律呈現(xiàn)出沱沱河>五道梁>興海>瑪多>澤庫>曲麻萊>玉樹>囊謙 >瑪沁>雜多>清水河>達(dá)日>久治，表明久治縣年降水較穩(wěn)定，而沱沱河年際間降水總量變化相對不穩(wěn)定。

注：*表示達(dá)到顯著性水平(P<0.05)。下同。

Note: * means significant differences at the 0.05 level. The same below.

圖7不同等級降水的變化趨勢

Fig.7Trend of precipitation for different precipitation types

2.6年降水量與各降水因子的關(guān)系

近51年來青海省三江源地區(qū)年降水量呈緩慢增加趨勢(圖3)。降水量的多少對該地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)和牧草生長具有重要意義[22]。逐步回歸分析剔除對年降水量影響較小的因素，并通過標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)(去除量綱因素)的大小可判斷其影響程度，即Beta值越大，對年降水量的影響越大。以不同等級降水量、不同等級降水日數(shù)、>5 d的間隔次數(shù)和≤5 d的間隔次數(shù)為自變量，年降水量為因變量進(jìn)行逐步回歸分析。結(jié)果顯示，以較強(qiáng)降水量、較弱降水量、強(qiáng)降水量、中等降水量、弱降水量和弱降水日數(shù)為自變量，模擬出的模型效果最好。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)(表3)，判斷出三江源地區(qū)年降水量發(fā)生變化的主要原因是強(qiáng)降水量的影響，其次是較強(qiáng)降水量，其余各因子的影響依次為中等強(qiáng)度降水量>較弱強(qiáng)度降水量>弱降水量>弱降水日數(shù)。

表2　不同等級降水比例

表3　年降水量與降水因子的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)

注：**表示達(dá)到極顯著性水平(P<0.01)。

Note: ** means extremely significant differences at the 0.01 level.

3　討　論

三江源地區(qū)水汽主要來源于孟加拉灣，受西南季風(fēng)和地形因素雙重作用的影響，年降水量的空間分布由東南向西北方逐漸減少，自然降水是該地區(qū)地下水、土壤水和地表水的主要來源[18]。本文基于氣象觀測數(shù)據(jù)，分析了1964—2014年三江源地區(qū)日降水分布的變化規(guī)律。

1) 三江源地區(qū)年降水量的空間分布為果洛東南部最大，極大值出現(xiàn)在久治縣，年降水量達(dá)749.71 mm，其次是玉樹南部，降水較少的是玉樹西北部的五道梁地區(qū)，極小值出現(xiàn)在沱沱河地區(qū)，年降水量僅為290.02 mm。 1964—2014年年降水資料表明，年均降水量為467.48 mm。同時(shí)，該地區(qū)以中等強(qiáng)度以上(較強(qiáng)降水和強(qiáng)降水)的降水為主，且近50年來，這兩個(gè)強(qiáng)度等級的降水日數(shù)和降水量呈顯著增加趨勢。降水量與氣溫是影響三江源地區(qū)徑流變化的最主要的兩個(gè)氣候因素，張士鋒等[23]利用1965—2004年三江源區(qū)徑流資料研究發(fā)現(xiàn)，徑流在1994年突變減少。易湘生等[24]基于1961—2010年月氣溫資料研究發(fā)下，三江源地區(qū)年平均氣溫在1997年后顯著增溫，本文研究表明，降水量在2000年發(fā)生顯著增加。

圖8各縣降水相對變化率

Fig.8Relative change rates of precipitation in every county

張士鋒的研究結(jié)果表明，三江源的降水對徑流的驅(qū)動(dòng)作用為正值，降水增加則徑流增加，降水減少則徑流減少，但隨著氣溫的變化其對徑流的驅(qū)動(dòng)作用會發(fā)生變化。氣溫通過潛在蒸發(fā)改變徑流的輸出，降水直接改變徑流的輸入。1964—2014年年降水量以10.29 mm·10a-1的速率發(fā)生著顯著變化(P<0.05)，考慮到三江源地區(qū)氣溫明顯增加，降水增加后徑流量是否能增加，還需要從氣候因子綜合作用的角度下對該問題進(jìn)一步論證。

2) 降水量與三江源地區(qū)氣候生產(chǎn)力具有正相關(guān)性，即隨年均降水量的增加，三江源地區(qū)由氣候因素所決定的產(chǎn)量增加[25]。位于三江源西部的唐古拉山鎮(zhèn)中西部和治多西部是典型的干旱半干旱區(qū)，降水是該地區(qū)主要的限制因子之一。降水量的增加有助于三江源西部生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的增加。同時(shí)，降水量的多少與旱澇災(zāi)害和雪災(zāi)的程度密切相關(guān)。春、夏、秋季偏旱出現(xiàn)的頻率在20.8%～27.8%之間，干旱出現(xiàn)的頻率在5.3%～0.3%之間，大旱出現(xiàn)的頻率在1.7%～4.8%之間[18]。另外，北方很多地區(qū)微量降水日數(shù)減少，是近年來干旱化趨勢的一個(gè)重要特點(diǎn)[26]。1984年是三江源地區(qū)最為典型的干旱年份，1989年是最為典型的大澇年份[18]，從圖3中顯示，1984年的降水日數(shù)為近50年的極小值，1989年的降水日數(shù)為極大值。由此可見，降水日數(shù)的增加可以減緩三江源地區(qū)的干旱程度。從引起干旱的時(shí)間考慮，較長的降水間隔期影響干旱程度，圖6(b)反映無降水日數(shù)>5 d的次數(shù)有所減少。因此，本研究表明，三江源地區(qū)年均降水量和降水日數(shù)增加，>5 d的間隔期次數(shù)減少，均可以減緩三江源地區(qū)干旱發(fā)生及干旱化程度。

4　結(jié)　論

與以往研究不同，三江源地區(qū)年降水量以9.38 mm·10a-1的速度呈顯著增加趨勢。年降水量主要集中在中等強(qiáng)度以上的降水范圍內(nèi)；年內(nèi)降水分布不均，主要集中在5—9月份；降水日數(shù)以中等強(qiáng)度以下的降水日數(shù)為主；沱沱河-五道梁地區(qū)年際降水不穩(wěn)定；年降水量增加主要受強(qiáng)降水日數(shù)增加的影響。

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Precipitation pattern of Three-River Source Area in Qinghai from 1964 to 2014

LI Fan, XIAO Jian-she, YAN Liang-dong

(Institute of Qinghai Meteorological Science Research, Xining, Qinghai 810001, China)

Three-River Source Area is situated on Tibet Plateau, which is very sensitive to climate change, especially to precipitation. Based daily precipitation data from 1964 to 2014 in Three-River Source Area, precipitation amounts, precipitation days, inter-precipitation periods at different levels were analyzed. The results showed that annual precipitation amount was 467.48 mm in Three-River Source Area, increased significantly since 2000. The amount was dominated by high/moderate precipitation amounts, mainly due to changes from heavy precipitation. Annual precipitation day was 137.83d, dominated by low/moderate precipitation days. The inter-precipitation period was 40.06 times, dominated by inter-precipitation period of ≤5 d, accounting for 83.55%. Data from 13 meteorological stations were collected, suggesting that the precipitation of Jiuzhi was most stable, rather not Tuotuohe. In addition, precipitation was one of primary limiting factors, according to the study of precipitation and production in Three-River Source Area. Occurrence periods of drought and light precipitation were consistent, indicating annual precipitation amounts and days were increased and >5 d inter-precipitation period were decreased, relieving the occurrence of drought and its severity.

Three-River source area; precipitation amount; precipitation days; precipitation grade; inter-precipitation period

1000-7601(2016)05-0282-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.43

2015-06-20

青海省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目“青海牧區(qū)輪牧的精細(xì)規(guī)劃與管理模式研究”(2012-n-529); 中國氣象局行業(yè)專項(xiàng)“氣候變化背景下農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的評估技術(shù)”(GYHY201106021)

李璠(1987—)，女，甘肅隴南人，工程師，主要從事遙感監(jiān)測與農(nóng)牧業(yè)氣象方面的研究工作。E-mail：fanwacai@163.com。

S162.3

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