近30年祁連山南坡降水量變化特征分析

虞 敏, 曹廣超, 曹生奎, 張 航, 袁 杰

(1.青海師范大學(xué) 青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810008; 2.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 西寧 810008)

祁連山位于青藏高原東北邊緣，由多條西北—東南走向的平行山脈和寬谷組成，是西北地區(qū)多條內(nèi)陸河的發(fā)源地。祁連山區(qū)降水量主要集中在夏季，冬季降水量減少，年降水量由東向西逐漸減少；由于特殊的地形和上空豐富的水汽，山區(qū)降水量較大，最大年降水量可達(dá)600 mm，是河西走廊平原地區(qū)最大降水量的3～15倍[1-4]。該地區(qū)同時(shí)受東亞季風(fēng)、中高位西風(fēng)環(huán)流和青藏高原的共同影響，生態(tài)環(huán)境脆弱。自20世紀(jì)50年代起，在全球變化的影響下，祁連山區(qū)的氣候發(fā)生了重要變化，冰川退縮和雪線上升極為明顯，引起了河西水資源的危機(jī)。在該區(qū)域從事氣候變化研究具有重要的社會(huì)和科學(xué)意義[5]。

前人對(duì)祁連山的降水時(shí)間序列變化做了研究，年代際變化，20世紀(jì)60—70年代回落，80—90年代增加，呈現(xiàn)正拋物線型[6-7]，年際與季節(jié)變化，年際變化整體上為增加的趨勢(shì)，月變化、日變化，祁連山5—9月降水最多，祁連山日降水主要集中于午后與夜間[8]。空間變化特征主要為由東南向西北逐漸減少，馬學(xué)謙等從西北氣流、西南氣流、西風(fēng)氣流3個(gè)角度分析了祁連山區(qū)降水的大氣特征[9]。

祁連山南坡是青海省主要的原始森林分布區(qū)，也是西北干旱區(qū)重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)，生態(tài)地位極為重要[10]。降水作為生態(tài)系統(tǒng)水分的主要來(lái)源，其變化直接關(guān)系到祁連山南坡水源涵養(yǎng)量的變化，甚至可以改變祁連山南坡的生態(tài)環(huán)境。因此，了解祁連山南坡降水特征對(duì)于掌握水源涵養(yǎng)量和生態(tài)環(huán)境的變化就很有必要，故本文研究祁連山南坡近30 a的降水變化特征。

1 研究區(qū)概況

祁連山南坡研究區(qū)位于青海省東北部，與甘肅省相毗鄰，地理位置處于東經(jīng)98°08′13″—102°38′16″，北緯37°03′17″—39°05′56″。行政區(qū)劃包含祁連縣、門(mén)源回族自治縣的大部分，天峻縣、剛察縣和海晏縣的部分地區(qū)，總面積約為2.4萬(wàn)km2，海拔2 257～5 235 m。該區(qū)是典型的高原大陸性氣候，氣溫日較差大，年平均氣溫為-5.9℃，四季不明顯，年內(nèi)無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期[11-12]。年降水量約400 mm，主要集中在5—9月，7月、8月最為集中。研究區(qū)內(nèi)地表徑流資源豐富，多數(shù)河流發(fā)源于祁連山冰川。主要河流有大通河、黑河和布哈河等，大通河在祁連、剛察縣邊界稱為默勒河，在門(mén)源回族自治縣境內(nèi)稱浩門(mén)河，是黃河水系湟水的一級(jí)支流。黑河在祁連縣境內(nèi)分為兩大支流，即托勒河和黑河，分別流入甘肅省酒泉、張掖北部后匯合[13-14]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

本研究降水?dāng)?shù)據(jù)主要為青海祁連、野牛溝、托勒和門(mén)源4個(gè)氣象站逐月降水量數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)，起始時(shí)間為1986年1月1日—2015年12月31日。為了使得所用的降水?dāng)?shù)據(jù)適合本文研究，所以對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，對(duì)研究區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)的平均值序列與原始序列進(jìn)行相關(guān)性檢測(cè)，相關(guān)系數(shù)均在0.798以上，二者表現(xiàn)出較高的相關(guān)性。研究區(qū)季節(jié)的劃分是：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至翌年2月為冬季[15]；降水主要集中在5—9月，其汛期時(shí)間也為5—9月[16-17]。年降水變差系數(shù)的大小反映了年降水量逐年變化的相對(duì)大小。值大，說(shuō)明當(dāng)?shù)啬杲邓亢懿环€(wěn)定；值小，則各年降水總量相差不多[18]。年際極值比反映了年降水量?jī)蓚€(gè)極端值的倍數(shù)關(guān)系，顯示降水量的不均勻程度，極值比越大，降水量年際變化越不均勻[19]。本文通過(guò)降水年內(nèi)分配特征、年際變化特征、汛期降水量特征以及降水量季節(jié)變化特征四方面來(lái)分析研究區(qū)內(nèi)降水特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水年內(nèi)分配特征

表1列出了祁連山南坡研究區(qū)4個(gè)氣象站1986—2015年共30 a降水的平均結(jié)果?？梢钥闯?，研究區(qū)降水年內(nèi)分配不均勻。10月至次年4月降水量偏少，5—9月降水量偏多。祁連、野牛溝和托勒氣象站12月降水量為全年最小，降水量分別為0.6 mm，0.9 mm和0.7 mm，僅占全年降水的0.14%，0.21%和0.22%；門(mén)源氣象站1月降水量為全年最小，降水量為1.8 mm，僅占全年降水的0.34%。祁連、野牛溝和托勒氣象站的7月降水量達(dá)全年最大值，降水量分別為99.9 mm，110.9 mm和89.6 mm，占全年降水的23.64%，25.54%和28.64%；門(mén)源氣象站8月降水量達(dá)全年最大值，降水量為107.8 mm，占全年降水量的20.56%。四站多年平均降水量分別為422.7 mm，434.3 mm，312.7 mm和524.1 mm。

四站全年降水變化趨勢(shì)幾乎一致，均呈現(xiàn)單峰值(圖1)。1—4月降水量增加緩慢，5月降水量開(kāi)始大幅度增加；祁連、野牛溝和托勒氣象站于7月達(dá)到降水量峰值，門(mén)源氣象站于8月達(dá)到降水量峰值；峰值后降水量大幅度減少，10—12月降水量減少緩慢。

表1 研究區(qū)近30年降水年內(nèi)分配

圖1 研究區(qū)近30年降水年內(nèi)分配

3.2 降水年際變化特征

從表2可知，1986—2015年年降水量中，祁連、野牛溝和托勒氣象站均在1998年出現(xiàn)最大降水量，分別為573.1 mm，602.3 mm和404.4 mm；門(mén)源氣象站于1989年出現(xiàn)最大降水量，為730.7 mm。祁連氣象站于2010年出現(xiàn)最小降水量，為332.9 mm；野牛溝氣象站于1991年出現(xiàn)最小降水量，為274.9 mm；托勒氣象站于1997年出現(xiàn)最小降水量，為180.7 mm；門(mén)源氣象站于1999年出現(xiàn)最小降水量，為404 mm。祁連、野牛溝、托勒和門(mén)源氣象站降水極值比分別為1.72，2.19，2.24，1.81；極值比較小，均在2左右，說(shuō)明降水量年際變化較為均勻。四站降水量的變差系數(shù)均較小，分別為0.15，0.18，0.18，0.14，因此各年的降水量相差不大。

3.3 汛期降水量特征

四站5—9月降水量分別為379.3 mm，383.7 mm，287.9 mm和437.2 mm，占全年降水量的83.42%～92.08%。汛期降水量與全年降水量具有良好的線性相關(guān)關(guān)系(圖2)，相關(guān)系數(shù)值均在0.9以上，分別為0.94，0.95，0.96，0.91?？梢?jiàn)，祁連山南坡四站汛期降水量的大小決定了全年降水量的大小。汛期祁連氣象站最大降水量出現(xiàn)在1998年7月，為162.4 mm；汛期最小降水量出現(xiàn)在1995年5月，為9.2 mm。汛期野牛溝氣象站最大降水量出現(xiàn)在2013年7月，為168.4 mm；汛期最小降水量出現(xiàn)在1997年9月，為6.6 mm。汛期托勒氣象站最大降水量出現(xiàn)在2008年7月，為152.4 mm；汛期最小降水量出現(xiàn)在1986年9月，為0.5 mm。門(mén)源氣象站汛期最大降水量出現(xiàn)在1989年7月，為201.2 mm；汛期最小降水量出現(xiàn)在1991年9月，為15.2 mm。

表2 1986-2015年降水量年際變化特征值

由圖3可以看出，祁連山南坡研究區(qū)四站汛期降水量與全年降水量在趨勢(shì)和數(shù)值上均呈現(xiàn)出較大的一致性。祁連、野牛溝和托勒氣象站均在1998年出現(xiàn)峰值。祁連氣象站1998年年降水量為573.1 mm，其汛期降水為507.6 mm；野牛溝氣象站1998年年降水量為602.3 mm，其汛期降水量為530.3 mm；托勒氣象站1998年年降水量為404.4 mm，其汛期降水量為375 mm。門(mén)源氣象站于1989年出現(xiàn)峰值，降水量為730.7 mm，其汛期降水量為583.1 mm。這一結(jié)果說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)降水主要集中在5—9月，為全年汛期。

圖2 全年降水量與汛期降水量相關(guān)關(guān)系

圖3 1986-2015年祁連山南坡全年及汛期降水量

3.4 降水量季節(jié)變化特征

圖4為祁連氣象站1986—2015年降水量季節(jié)變化。由線性趨勢(shì)可以看出，近30 a來(lái)，祁連氣象站春、秋兩季降水量呈增加趨勢(shì)，增加速率分別為3.9 mm/10 a和16.4 mm/10 a；夏、冬兩季降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，減少速率分別為5.5 mm/10 a和0.7 mm/10 a。由5 a滑動(dòng)平均結(jié)果來(lái)看，春、夏、秋三季降水量均有4次波動(dòng)：春季，1986—1995年、2000—2006年呈減少趨勢(shì)，1995—2000年、2006—2015年呈增加趨勢(shì)；夏季，1986—1993年、1996—2002年呈減少趨勢(shì)，1993—1996年、2002—2015年呈增加趨勢(shì)；秋季，1986—1992年、2007—2011年呈減少趨勢(shì)，1992—2007年、2011—2015年呈增加趨勢(shì)；冬季，1986—1991年、1996—1999年、2010—2015年呈減少趨勢(shì)；1991—1996年、1999—2010年呈增加趨勢(shì)。

圖4 祁連氣象站降水量季節(jié)變化

從線性趨勢(shì)看，野牛溝氣象站春、夏、秋、冬四季降水量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖5)，增加速率分別為6.8 mm/10 a，8.7 mm/10 a，15.0 mm/10 a和0.1 mm/10 a；其中，春、夏、秋三季增加較為明顯。5 a滑動(dòng)平均結(jié)果顯示，春季降水量，1986—1993年、2009—2013年呈減少趨勢(shì)；1993—2000年、2006—2009年呈增加趨勢(shì)；2000—2001年小幅度減少，2001—2006年無(wú)較大波動(dòng)。夏季降水量，1986—1993年、1996—2002年呈減少趨勢(shì)；1993—1996年、2002—2015年呈增加趨勢(shì)。秋季降水量整體來(lái)看有2次較大波動(dòng)，1986—2007年呈增加趨勢(shì)；1997—2015年為減少趨勢(shì)。冬季降水量有3次較大波動(dòng)，1986—1992年、2010—2015年呈減少趨勢(shì)；1992—2010年呈增加趨勢(shì)。

托勒氣象站春、夏、秋三季降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖6)，增加速率分別為1.7 mm/10 a，19.0 mm/10 a和11.0 mm/10 a，夏季和秋季降水量增加明顯；冬季降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，速率為0.4 mm/10 a。5 a滑動(dòng)平均結(jié)果顯示，春季降水量，1986—1995年、2000—2006年呈減少趨勢(shì)；1995—2000年、2006—2015年呈增加趨勢(shì)。夏季降水量，1986—1989年、1991—1996年呈減少趨勢(shì)；1989—1991年、1995—2015年呈增加趨勢(shì)。秋季降水量，1986—1992年、2009—2015年呈減少趨勢(shì)；1992—2009年呈增加趨勢(shì)。冬季降水量，1986—1999年、2008—2015年呈減少趨勢(shì)；1999—2008年呈增加趨勢(shì)。

門(mén)源氣象站春、夏季降水量呈減少趨勢(shì)(圖7)，減少速率分別為6.4 mm/10 a和16.1 mm/10 a；秋、冬季降水量呈增加趨勢(shì)，增加速率分別為11.6 mm/10 a和0.3 mm/10 a。5 a滑動(dòng)平均結(jié)果顯示，春季降水量，1986—1990年、1999—2004年呈增加趨勢(shì)；1990—1999年、2004—2015年呈減少趨勢(shì)。夏季降水量，1986—2000年、2005—2015年呈減少趨勢(shì)；2000—2005年、2010—2015年呈增加趨勢(shì)。秋季降水量，1986—1992年、1994—1998年、2006—2011年呈減少趨勢(shì)；1992—1994年、1998—2006年、2011—2015年呈增加趨勢(shì)。冬季降水量，1986—1993年、1996—2008年呈增加趨勢(shì)，1993—1996年、2008—2015年呈減少趨勢(shì)。

圖5 野牛溝氣象站降水量季節(jié)變化

圖6 托勒氣象站降水量季節(jié)變化

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

全球預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)，全球平均降水量會(huì)增加7%[20-21]。祁連山區(qū)近30 a降水量總體呈波動(dòng)變化，沒(méi)有出現(xiàn)大的突變特征，降水量有逐漸增加的趨勢(shì)[8]。本文對(duì)祁連山南坡研究區(qū)內(nèi)降水量特征進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)4個(gè)氣象站降水量變化趨勢(shì)不同，其中，祁連、野牛溝和托勒氣象站的降水量均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其線性公式分別為y=1.3243x+402.19，y=3.0592x+386.84和y=3.127x+264.19，從中可以看出野牛溝、托勒氣象站的增加速率相差不大，分別為30.6 mm/10 a和31.3 mm/10 a；祁連氣象站增加速率為13.1 mm/10 a，相對(duì)較小。而門(mén)源氣象站降水量則呈減少趨勢(shì)，其線性公式為y=-1.0459x+540.32，減少速率為10.5 mm/10 a，這一結(jié)果與楊珍的研究結(jié)果一致[22]。

研究區(qū)內(nèi)4個(gè)氣象站中，門(mén)源氣象站全年降水量最大，為524.1 mm。這是因?yàn)殚T(mén)源處于東南季風(fēng)影響區(qū)的邊緣，因而降水量相對(duì)較多；祁連、野牛溝和托勒氣象站主要受高原季風(fēng)和西風(fēng)槽的影響，導(dǎo)致全年降水量較門(mén)源氣象站少[23]。研究區(qū)不僅受東南季風(fēng)輸送來(lái)的暖濕氣流影響，而且還受西風(fēng)環(huán)流帶來(lái)的大西洋冷濕氣流的影響，在盛夏期間一定程度上還受到翻越青藏高原的印度洋暖濕氣團(tuán)的影響，水汽來(lái)源較為復(fù)雜，加上山區(qū)夏季對(duì)流性降水的影響，使得祁連山南坡降水年內(nèi)分配存在很大差異[24-25]，但年際差異不大。年內(nèi)11月至次年2月降水量均在10 mm以下；6月、7月和8月降水量偏大，降水量幾乎在50 mm以上，最大降水量可達(dá)130 mm。祁連、野牛溝、托勒和門(mén)源氣象站降水量變化趨勢(shì)雖然不同，但四站秋季降水量均呈增加趨勢(shì)。

圖7 門(mén)源氣象站降水量季節(jié)變化

4.2 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)內(nèi)，降水量年內(nèi)分配極不均勻；11月至次年2月降水量0～10 mm，6—8月降水量在50 mm以上，最大降水量可達(dá)130 mm。四站1986—2015年多年平均降水量分別為422.7 mm，434.3 mm，312.7 mm和524.1 mm，變差系數(shù)分別為0.15，0.18，0.18，0.14，各年降水量圍繞平均值上下波動(dòng)，年際變化不大。四站降水年內(nèi)分配均呈單峰值，7月或8月為全年降水峰值期。

(2) 汛期(5—9月)為全年降水集中期。四站汛期降水量分別為379.3 mm，383.7 mm，287.9 mm和437.2 mm，占全年降水量的83.42%～92.08%。汛期降水量與全年降水量呈現(xiàn)出較大的一致性，并有良好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。

(3) 研究區(qū)內(nèi)，降水量主要集中在夏季，降水量最高可達(dá)300 mm；春、秋兩季降水量相差不大，降水量在80 mm左右；冬季降水量最小(<10 mm)。雖然四站降水量變化趨勢(shì)不同，但秋季降水量變化趨勢(shì)相同，均為增加趨勢(shì)。

(4) 降水年內(nèi)分配不均勻，5—9月降水量偏多。主要因?yàn)?月之后氣溫逐漸升高，地表接受的熱量增多，上升氣流加強(qiáng)，加上地形的影響，所以局地大氣受熱膨脹上升，帶來(lái)降水。之后受到東南季風(fēng)影響逐漸加強(qiáng)，受到地形的抬升作用，地形雨形成，使得5—9月降水偏多。祁連、野牛溝和托勒氣象站均在1998年出現(xiàn)最大降水量，這與全國(guó)降水的時(shí)間分布規(guī)律一致。