柴達木盆地降水的時空分布特征

韓廷芳，祁棟林，陳宏松，相守貴，石秀云，劉成豐，李妮燕，吳雙桂

（1.格爾木市氣象局，青海 格爾木816099；2.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧810001；3.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001；4.茫崖氣象局，青海 花土溝 816499）

柴達木盆地位于青海省西北部，界于35°00′～39°20′N，90°16′～99°16′E，其西北、東北和南面分別被阿爾金山、祁連山和昆侖山所環(huán)繞，為一封閉的內(nèi)陸盆地。盆地內(nèi)蘊藏著豐富的鹽湖、石油天然氣、有色金屬資源及寬廣的草原、肥沃的綠洲農(nóng)田，素有“聚寶盆”之稱[1]。氣候兼有大陸性的高原性氣候的基本特征，國內(nèi)不少學者對柴達木盆地的降水做過分析研究，如李燕[2]等利用1956—2010年柴達木盆地10個水文氣象觀測站點降水量資料，分析了柴達木盆地降水量變化趨勢的時空特征；傅小城等[3]對柴達木盆地氣溫、降水的長序列變化與水資源變化的相關(guān)關(guān)系進行了研究；時興合等[4]對柴達木盆地氣溫、降水和地表蒸發(fā)等氣候要素進行了研究。朱海濤[1]研究指出：柴達木盆地降水分布特征是由東南向西北、由四周山區(qū)向盆地中心地帶逐漸減少，降水量年內(nèi)分配比較集中，年際變化大；王發(fā)科等[5]研究也得出：柴達木盆地降水量由盆地東南部向西北部遞減，且年降水量相差較大。以上研究由于選取的站點不同或研究時間長短的不同，降水量大值和低值中心出現(xiàn)的地區(qū)略有不同，但以往的研究都是利用柴達木盆地國家氣象站或水文站的降水資料進行分析研究，未見利用區(qū)域氣象站的降水資料進行分析研究。

隨著全球變暖，局地強降水頻繁發(fā)生。據(jù)格爾木氣象臺災情公報記載，2010年主汛期（6月—7月上旬）和2016年8月23日，格爾木及其南部昆侖山區(qū)出現(xiàn)了長時間的降水天氣過程，格爾木河流域發(fā)生大洪水，其中支流雪水河發(fā)生特大洪水，致使雪水河干流上的溫泉水庫及格爾木河水量猛增出現(xiàn)險情，給人民生命財產(chǎn)造成了巨大損失，上述2次強降水天氣過程因柴達木盆地氣象站點稀疏沒有準確預報而造成重大損失。近幾年隨著柴達木盆地區(qū)域氣象站的逐步建設，站點分布明顯密集，區(qū)域氣象站降水資料對研究柴達木盆地降水特征研究和精密天氣預報顯得尤為寶貴。本文利用11個國家氣象站（有人值守）和28個區(qū)域氣象站（無人值守）的月降水量資料，分析柴達木盆地降水的時空分布特征，對進一步認識柴達木盆地的降水特征，為后期降水預報和氣象服務提供新的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用資料是柴達木盆地11個國家氣象站1961—2018年58 a和28個區(qū)域氣象站（2017年6—8月）月降水量，資料來源于青海省氣象信息中心。由于大部分區(qū)域氣象站僅在汛期（5—9月）期間進行觀測（其他月份因氣溫低于0℃，降水相態(tài)以固態(tài)或混合為主而封蓋停止觀測），5月和9月區(qū)域氣象站雨量桶開（封）蓋時間不統(tǒng)一，造成當月降水資料不完整，故本文僅僅利用6—8月完整的降水量資料。季節(jié)劃分采用：春季（3—5月），夏季（6—8月），秋季（9—11月）和冬季（12—2月）。柴達木盆地國家氣象站和區(qū)域氣象站點分布見圖1。

圖1 柴達木盆地氣象站分布

1.2 研究方法

利用線性回歸方法[6]和比值訂正法[6]進行降水量的推算。利用ArcGis軟件制作柴達木盆地降水量空間分布圖，空間差值采用反距離權(quán)重插值法（IDW）。

2 結(jié)果與分析

2.1 線性回歸法和比值訂正法方程的建立和檢驗

2.1.1 線性回歸方程和比值訂正方程的建立

線性回歸方程建立：用11個國家氣象站2011—2017年6—8月降水量R6-8和年降水量R年作線性擬合方程（圖2a），得到方程：

式中相關(guān)系數(shù)是0.99，方程通過了0.001的顯著性水平檢驗。利用國家氣象站和區(qū)域氣象站6—8月的降水量來推算各氣象站的年降水量。比值訂正方程建立：

式中，K為訂正系數(shù)。11個國家氣象站2011—2017年6—8月降水量R6-8占年降水量R年的比值各有差異（圖2b），最大比值在諾木洪（0.79），最小比值在格爾木（0.50），平均值為0.70，利用國家氣象站和區(qū)域氣象站6—8月降水量R6-8和平均訂正系數(shù)來推算各氣象站的年降水量R年。

圖2 柴達木盆地國家氣象站6—8月降水量與年降水量擬合曲線（a）及比值（b）

2.1.2 線性回歸法和比值訂正法的檢驗

圖3給出了柴達木盆地11個國家氣象站實測年降水量與分別用線性回歸法和比值訂正法計算年降水量值的相關(guān)分析?？梢姡€性回歸法和比值訂正法計算出的年降水量與實測年降水量擬合結(jié)果非常好，相關(guān)系數(shù)均達到0.995，通過了0.001的顯著性水平檢驗。

圖3 柴達木盆地國家氣象站年降水量觀測值與計算值相關(guān)分析

進一步分析柴達木盆地11個國家氣象站線性回歸法和比值訂正法計算年降水量的絕對誤差和相對誤差（表1）。由表1可見，線性回歸法和比值訂正法絕對誤差的平均值分別為10.7 mm和10.4 mm，相對誤差的平均值分別為11.2%和11.8%。兩種方法中絕對誤差的大值均出現(xiàn)在德令哈和烏蘭，相對誤差的大值均出現(xiàn)在茫崖和格爾木，就整個柴達木盆地年平均降水量來說2種方法的絕對誤差和相對誤差都比較小，因此用2種方法推算柴達木盆地的年降水量均可行有效。

表1 柴達木盆地線性回歸法和比值訂正法計算年降水量的絕對誤差與相對誤差

2.2 柴達木盆地降水的月際和季節(jié)變化特征

從柴達木盆地國家氣象站1961—2017年月平均降水量分布來看（圖4），降水高度集中，年內(nèi)分配極不均勻，月降水量呈單峰性，峰值出現(xiàn)在7月（29.8 mm），最小值出現(xiàn)在12月（0.8 mm），其中 6—8月（夏季）和5—9月（汛期）降水量分別占全年的64.1%和87.4%。

從國家氣象站1961—2017年降水的季節(jié)分布來看，季節(jié)差異非常明顯，降水主要集中在夏季（79.5 mm），春秋兩季降水量分別是22.9 mm和17.8 mm，冬季降水則較少（3.8 mm），四季降水量占年降水的比例分別為64.1%、18.4%、14.3%和3.1%。

2.3 柴達木盆地降水的空間分布特征

圖4 柴達木盆地國家氣象站1961—2017年降水量的月際（a）和季節(jié)（b）變化

利用柴達木盆地11個國家氣象站實測年降水量、線性回歸法和比值訂正法推算出來的區(qū)域氣象站年降水量，分別制作柴達木盆地年降水量空間分布圖（圖5），由圖5a可見，柴達木盆地年降水量各地差異極為顯著，降水量整體表現(xiàn)為從東向西逐漸減少，年降水量在9.5～444.4 mm，最大值中心在天峻站（444.4 mm），次大值中心在德令哈、都蘭和大柴旦，最小值中心在冷湖站（9.5 mm），次小值中心在諾木洪、格爾木、小灶火和茫崖。進一步分析發(fā)現(xiàn)，年降水量空間分布可分為3個區(qū)域：德令哈（97°E）以東年降水量呈現(xiàn)出從西向東逐漸增加，小灶火（93°E）以西則表現(xiàn)為南向北逐漸減少。中間區(qū)域（93°～97°E）則表現(xiàn)為由四周山區(qū)向盆地中心逐漸減少。中間區(qū)域（93°～97°E）降水量的變化特征與朱海濤[1]研究的柴達木盆的降水量由四周山區(qū)向盆地中心地帶逐漸減少的結(jié)論相同，而德令哈以東及小灶火以西有所差異。

由圖5b、5c可見，線性回歸法和比值訂正法年降水量的空間分布基本一致，整體表現(xiàn)為從東向西逐漸減少，且與國家氣象站3個區(qū)域的變化情況大致相同。不同的是：2種方法年降水量最大值出現(xiàn)在柴達木盆地東北部祁連山南麓的木里鎮(zhèn)，降水量分別是533.6 mm和542.6 mm，比國家氣象站確定的降水大值中心向東北方向發(fā)生偏移，其次在格爾木和諾木洪西南部出現(xiàn)2個相對的降水大值區(qū)，降水量中心在玉珠峰站和大格勒鄉(xiāng)五龍溝站，降水量分別為292.4～297.0 mm和246.4～250.1 mm。中間區(qū)域（93°～97°E）由四周山區(qū)向盆地中心逐漸減少的形勢表現(xiàn)得更加清晰。南部出現(xiàn)降水量相對大值中心的結(jié)論對柴達木盆地特別是格爾木汛期降水預報服務及防災減災工作顯得尤其重要。

由此可見，利用區(qū)域氣象站的資料后，柴達木盆地年降水量最大值的中心位置改變、量級增大，且南部出現(xiàn)2個相對的降水大值區(qū)，最小值的中心和量級并沒有發(fā)生變化。

利用柴達木盆地11個國家氣象站和28個區(qū)域氣象站夏季實測降水量，制作柴達木盆地夏季國家站和全部氣象站降水量空間分布圖（圖6）。柴達木盆地國家氣象站（圖6a）夏季降水量的空間分布與年降水量空間分布完全一致；全部氣象站夏季降水量空間分布（圖6b）與線性回歸法及比值訂正法推算出的年降水量空間分布也完全一致。

圖5 柴達木盆地年降水量空間分布

圖6 柴達木盆地夏季降水量空間分布

2.4 柴達木盆地降水分布與經(jīng)度、緯度和海拔高度的回歸分析

為進一步直觀反映各地理單元和地形對柴達木盆地降水量分布的影響，利用多元回歸線性分析[7]年降水量與經(jīng)度、緯度和海拔高度的關(guān)系（表2），由表2可見，3個線性回歸模型方程均通過了0.01的顯著性水平檢驗。國家氣象站模型中，年降水量與經(jīng)度、緯度和海拔高度的偏相關(guān)系數(shù)分別為0.723、0.205和0.774，經(jīng)度和海拔高度均通過了0.05的顯著性水平檢驗，緯度沒有通過0.05的顯著性檢驗，表明三者對年降水量分布的影響大小依次為海拔高度、經(jīng)度和緯度。線性回歸法和比值訂正法模型中，年降水量與經(jīng)度、緯度和海拔高度的偏相關(guān)系數(shù)分別為0.854、0.504和0.835，經(jīng)度、緯度和海拔高度均通過了0.01以上的顯著性檢驗。國家氣象站模型中經(jīng)度每增加1°，降水量增加28.5 mm，海拔高度每升高100 m，降水增加36.0 mm；線性回歸法和比值訂正法模型中經(jīng)度每增加1°，降水量分別增加36.9 mm和37.5 mm，緯度每增加1°，降水分別增加35.8 mm和36.4 mm，海拔高度每升高100 m，降水量均增加約20.0 mm。從回歸標準系數(shù)來看，國家氣象站模型中經(jīng)度和海拔高度對降水量分布的貢獻率大致相同（0.54～0.55）；線性回歸法和比值訂正法模型中經(jīng)度、緯度和海拔高度對降水量分布的貢獻率從大到小的排序是：經(jīng)度＞海拔高度＞緯度，而且兩方法的貢獻率大小完全相同。線性回歸法和比值訂正法模型中降水量隨經(jīng)度、緯度增加而增加的量值比國家氣象站偏大，而隨海拔高度增加而增加的值略偏小國家氣象站。由此可見2種方法推算的年降水量不僅受經(jīng)度、海拔高度的影響，還受緯度的影響。此結(jié)論在以后的降水精細化預報工作中更應參考利用。

3 結(jié)論

本文利用柴達木盆地11個國家氣象站（2017年3月—2018年2月）及28個區(qū)域氣象站（2017年6—8月）月降水量資料，運用線性回歸訂正法和比值訂正法推算柴達木盆地的年降水量，進一步分析柴達木盆地降水量季節(jié)變化及空間分布特征，得出的結(jié)論對柴達木盆地特別是格爾木汛期降水天氣預報、氣象服務及防災減災工作顯得尤其重要。

（1）利用線性回歸法和比值訂正法分別建立了柴達木盆地國家氣象站夏季降水量與年降水量的回歸方程，2種方法均可行有效，從而可以推算出柴達木盆地區(qū)域氣象站的年降水量。

表2 柴達木盆地年降水量分布與經(jīng)度、緯度及海拔高度的回歸分析

（2）柴達木盆地降水量年內(nèi)分配極不均勻，呈單峰性，峰值出現(xiàn)在7月，最小值出現(xiàn)在12月，5—9月（汛期）降水量占全年的87.4%。季節(jié)差異非常明顯，降水主要集中在夏季，其次是春季和秋季，冬季降水則較少。

（3）國家氣象站年降水空間分布特征。柴達木盆地年降水量各地差異極為顯著，降水量整體表現(xiàn)為從東向西逐漸減少。最大值出現(xiàn)在天峻，最小值出現(xiàn)在冷湖。線性回歸法和比值訂正法推算出的年降水量空間分布基本一致，且與國家氣象站降水空間分布的特征基本相同。2種方法年降水量最大值出現(xiàn)在柴達木盆地東北部祁連山南麓的木里鎮(zhèn)，其次在格爾木市南部出現(xiàn)了2個相對的大值中心，中間區(qū)域（93°～97°E）由四周山區(qū)向盆地中心逐漸減少的形勢表現(xiàn)得更加清晰。夏季降水量的空間分布與年降水量的空間分布完全一致。

（4）國家氣象站模型中降水量的分布只受經(jīng)度和海拔高度的影響，而線性回歸法和比值訂正法模型中降水量的分布不僅受經(jīng)度和海拔高度的影響，還受緯度的影響，三者的貢獻率由大到小的排序是經(jīng)度＞海拔高度＞緯度。

（5）本文選取柴達木盆地11個國家氣象站1 a和28個區(qū)域氣象站6—8月的月降水資料，統(tǒng)計分析了柴達木盆地降水量的年內(nèi)變化和空間分布特征，獲取的資料序列較短，應在以后積累長序列的區(qū)域氣象站資料對柴達木盆地的降水及其他氣候要素進行更加詳細的分析研究。