青藏高原東南緣阿壩州降水變化時空特征及突變性分析

甄 英, 何 靜

(1.內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 四川 內(nèi)江 641199; 2.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 成都 610225)

近百年來,隨著全球氣候逐漸變暖，導(dǎo)致降水量的時空分布出現(xiàn)變化，同時對局部地區(qū)的景觀格局及其演變、農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)等產(chǎn)生了深刻影響[1]，局地降水時空變化、效應(yīng)以及其驅(qū)動力研究是近年來學(xué)術(shù)界的重要方向之一[2]。降水集中度和集中期作為度量降水的非均勻分配指標之一，能夠很好地反映過程內(nèi)降水的時空非均勻性分布特征及其演變過程[3]，很多學(xué)者對此進行了研究[4-9]，只是這些研究通常針對非常大區(qū)域范圍的降水量進行分析，而對局部地區(qū)的降水量的時空分布特征及其演變過程進行分析則更能夠反映當?shù)氐膶嶋H狀況。阿壩藏族羌族自治州(簡稱“阿壩州”)位于四川省西北部，地處青藏高原東南緣，地貌以高原和高山峽谷為主，東南部為高山峽谷區(qū)，中部為山原區(qū)，西北部為高山區(qū)。黃河上游、岷江貫穿全境。阿壩州復(fù)雜的地形地貌、多樣的氣候造就了州內(nèi)豐富的旅游資源、水能資源、生物資源、礦產(chǎn)資源等，同時也帶來了干旱、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，造成了巨大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。很多學(xué)者對不同時間尺度的四川省及省內(nèi)部分地市州降水進行了研究[10-13]，但對阿壩州的降水研究還尚未見報到。因此，研究分析阿壩州降水的變化趨勢及分配規(guī)律，對進一步認識研究區(qū)內(nèi)氣候的變化和水資源科學(xué)利用，及其對區(qū)內(nèi)不同地貌的自然災(zāi)害的影響有很好的實際意義。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本文選取阿壩州境內(nèi)的若爾蓋(33°35′N，102°58′E)、阿壩(32°54′N，101°42′E)、紅原(32°48′N，102°33′E)、松潘(32°39′N，103°34′E)、馬爾康(31°54′N，102°14′E)、小金(31°00′N，102°21′E)6個氣象站點的1961—2010年逐月、逐年降水實測資料，數(shù)據(jù)均來源于中國國家氣象數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)。

1.2 研究方法

1.2.1 年內(nèi)分配不均勻系數(shù) 對于研究區(qū)降水的不均勻性分析采用年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cut[1,9]描述，其公式表示為:

(1)

(2)

1.2.2 集中度與集中期 降水集中度(PCD)和集中期(PCP)是利用向量分析的原理定義區(qū)域降水量時間分配特征的參數(shù)[14-20]，其中PCD能夠反映研究時段內(nèi)降水的集中程度，PCP則可以反映一年中的最大降水量出現(xiàn)的時段，具體計算方法為[21]：

(3)

PCP=arctan(Rxi/Ryi)

(4)

1.2.3 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(簡稱M-K檢驗法)是一種廣泛應(yīng)用于氣溫、降水、徑流等水文現(xiàn)象的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，能很好地揭示時間序列的趨勢變化及突變特征[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年降水量整體特征

由圖1可以看出，近50 a降水變化范圍為400～750 mm，變幅不大，整體呈輕微上升趨勢，傾向率為4.25 mm/10 a，這與李川等[11]得出的川西高原降水略有增加結(jié)論一致。近50 a內(nèi)降水量，最大值出現(xiàn)在1993年(685.7 mm)，最小值出現(xiàn)在2002年(461.5 mm)，其多年平均值是571.0 mm。在1961—1974年降水量靠近均值附近，說明變幅整體較?。?975—2010年降水變幅加大，出現(xiàn)旱澇災(zāi)害的可能性加大。

阿壩州近50 a降水量在空間上表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異，呈現(xiàn)出中部最多，向東北部和南部減少的趨勢。年降水量最大值中心位于馬爾康市，年降水量為648.4 mm，最小值中心為位于南部的小金縣，年降水量為514.9 mm，兩者相差近134.4 mm。馬爾康市和小金縣均屬于暖溫帶、溫帶亞區(qū)，海拔均在2 800 m以下，但馬爾康市屬于高山峽谷地區(qū)，受東南部高山峽谷過渡平原迎風坡氣流(四川盆地回流天氣系統(tǒng))影響，降水較多；小金縣屬于干旱河谷地區(qū)，受青藏高原背風坡氣流(西風帶天氣系統(tǒng))影響，降水較少，蒸發(fā)強，氣候干燥。

2.2 年內(nèi)分配不均勻性特征

阿壩州降水Cut的時空變化趨勢見圖2。可以看出Cut整體上呈輕微下降趨勢，表明年內(nèi)降水分配差異逐漸趨于均勻狀態(tài)。研究區(qū)Cut最大值為1.06(1987年)，次大值為1.05(1983年)，最小值為0.79(1991年)，次小值為0.81(1961年)，由于Cut年際變化較大，表明各月降水量相差懸殊，即年內(nèi)分配很不均勻，這主要是由于阿壩州東南部為高山峽谷區(qū)，中部為山原區(qū)，西北部為高原區(qū)，降水分布不均引起的。降水過多的地方容易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，降水過少的地方則容易出現(xiàn)旱情。

圖1 阿壩州近50 a降水量時空變化趨勢

從Cut的區(qū)域分布情況來看，整體呈現(xiàn)出從東部向西北部遞增的趨勢。Cut最小值中心位于松潘縣，海拔在3 000 m以下，最大值位于若爾蓋縣和阿壩縣，海拔在4 000 m以下，它們均屬于寒溫帶氣候亞區(qū)，所在為丘狀高原地區(qū)，Cut由0.70增加到1.08，兩者相差0.38。從Cut的年代際來看，整體也呈下降趨勢，表明降水分配逐漸均勻，其中20世紀60年代不均勻性差異最為懸殊，21世紀以來不均勻性差異最小。

2.3 年降水集中度與集中期分析

2.3.1 集中度變化 阿壩州近50 a的PCD在0.45～0.75變化(圖3)，整體呈輕微下降狀態(tài)。降水PCD多年均值為0.57，最大值出現(xiàn)在1987年，最小值出現(xiàn)在1997年。若PCD值多于多年平均值說明降水集中，反之，則說明不集中。在這50 a中，1978—1994年的PCD值均大于多年平均值，而其他年份的PCD值基本上是小于多年平均值的。同時，PCD值的趨勢是逐漸減小，說明在年降水量整體減少的情況下，降水趨于集中分布，出現(xiàn)極端洪澇災(zāi)害和極端干旱的可能性增大。

50 a來阿壩州降水集中度在空間上表現(xiàn)為從東向南遞增，分別存在一個大值中心和一個小值中心，大值中心位于南部的小金縣，小值中心位于東部的松潘縣和中部紅原縣。PCD的空間分布與年降水量的空間分布并不一致，年降水量多的馬爾康、PCD值卻較小，降水不集中，由此說明年降水量盡管很少但也有可能出現(xiàn)旱澇災(zāi)害。

圖2 阿壩州降水不均勻系數(shù)時空變化趨勢

2.3.2 集中期變化 阿壩州近50 a來PCP在0～30候變化(圖4)，多年平均值為13.43候(3月初)，最早是0.06候(1月初)，出現(xiàn)在2002年，最晚是26.17候(5月初)，出現(xiàn)在1964年，兩者相差26候(131 d左右)。1961—1987年研究區(qū)降水量PCP主要呈下降趨勢，降水集中期前移；1988—2010年降水量PCP呈穩(wěn)定變化趨勢，23 a中有15 a的PCP小于等于多年均值，說明此階段降水多出現(xiàn)在3月前。

近50 a來阿壩州降水PCP在空間上表現(xiàn)為從南部、東部向西北部遞增的格局，呈現(xiàn)出“南早北晚”的差異。分別存在兩個大值中心和一個小值中心，大值中心位于西北部的若爾蓋縣(21.60候)和阿壩縣(20.66候)，小值中心位于南部的小金縣(0.61候)。

2.4 集中度與集中期的年代際特征

通過降水PCD與PCP年際變化M-K曲線分析PCD，PCP年際變化特征。PCD整體表現(xiàn)為“升降交替和平穩(wěn)”5個階段(圖5A)，各階段變化的時間范圍見表1。降水PCD的UF曲線在1961—1989年值大于0，表明序列整體呈上升趨勢，1990—2010年值小于0，表明序列整體呈下降趨勢，這與圖3分析的結(jié)果一致。UF與UB曲線交于1986年，但交點在臨界線(±1.96)外，那么突變時間就應(yīng)該是UF曲線超過臨界線的時間范圍。

圖3 阿壩州年降水PCD時空變化趨勢

PCP值M-K曲線整體以降為主(圖5B)，各階段變化的時間范圍見表1。降水PCP的UF曲線在1961—1975年值大于0，表明序列整體呈上升趨勢，1976—2010年值小于0，表明序列呈下降趨勢，并且分別在2006年、2008年超過臨界值，表明下降趨勢顯著。UF與UB曲線交于1986年，且交點在臨界線之間，那么此交點就應(yīng)該是突變開始的時間，這與李曉英等[23]研究青藏高原降水得出的時間轉(zhuǎn)折點結(jié)論一致。

圖4 阿壩州年降水PCP時空變化趨勢

圖5 降水PCD與PCP年際變化M-K曲線

2.5 降水集中度與集中期的合成分析

采用合成分析法，分別對阿壩州近50 a降水量最多和最少的前5 a進行合成。多水年分別為1993年、1975年、2007年、1983年和1998年；少水年分別為2002年、1997年、1970年、1972年和1986年。分析發(fā)現(xiàn)：(1) 多水年的PCD整體比少水年的略大，并且南部地區(qū)大于北部地區(qū)。PCD大值中心均在小金縣，需要特別注意的是降水雖少但集中度高的地方發(fā)生局地強降水和干旱的可能性就大；PCD小值中心均在松潘縣，降水雖較多但不集中，發(fā)生局地強降水和干旱的可能性不大。(2) 多水年的PCP比少水年偏晚。多水年的PCP平均在14.99候，少水年的PCP平均在6.34候，偏晚8.65。PCP最大值中心在阿壩縣，其次為若爾蓋，最小值中心為松潘，其次為小金。無論是多水年還是少水年阿壩州降水西北部的PCP比其他地方都偏晚。

表1 降水PCD與PCP升降變化趨勢表

3 討論與結(jié)論

(1) 趨勢變化。年降水量整體呈輕微上升趨勢，傾向率為4.25 mm/10 a，50 a增加了21.25 mm。PCD和PCP整體呈下降趨勢，年際差異較大；PCD多年均值為0.57，在0.45～0.75變化，PCP多年平均值為13.43候，最早是0.06候，最晚是26.17候，兩者相差26候。Mann-Kendall曲線PCD和PCP分別表現(xiàn)為“升降交替和平穩(wěn)”以及“降升降升”幾個階段。

(2) 空間變化。年降水量表現(xiàn)為從中南部向東北部和南部減少的趨勢，最大值中心位于中南部的馬爾康縣，年降水量為648.4 mm，最小值中心為位于南部的小金縣，年降水量為514.9 mm，兩者相差近134.4 mm。PCD在空間上表現(xiàn)為從東向南遞增，存在一個大值中心和一個小值中心；PCP表現(xiàn)為從東部、南部向西北部遞增的格局，呈現(xiàn)出“南早北晚”的差異，存在兩個大值中心和一個小值中心。

(3) 合成分析。多水年的PCD比少水年的略大，并且南部地區(qū)大于北部地區(qū)。PCD大值中心均在小金縣，小值中心均在松潘縣。多水年的PCP比少水年偏晚，并且西北部的PCP比其他地方都偏晚。PCP最大值中心在阿壩縣，其次為若爾蓋，最小值中心為松潘，其次為小金。

本文只是初步探討了阿壩州降水的變化趨勢、時空分布特征及突變性分析，關(guān)于對其特征的形成機理及影響因素還有待進一步研究。

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