1967—2016年黃河上游河曲地區(qū)降水變化特征研究

楊春華，燕振寧，周 丹，保廣裕，劉 瑋

（青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧810001）

黃河上游河曲地區(qū)位于青藏高原東南部， 黃河從阿尼瑪卿山南側(cè)自青海省流到甘肅省、 四川省交界處轉(zhuǎn)彎后向北，再由阿尼瑪卿山北側(cè)進(jìn)入青海省，形成U 形走向，流域面積約為2 萬km2，流域境內(nèi)多為東向西的高山峽谷[1]。 黃河上游河曲地區(qū)位于33.2°~34.4°N，90.4°~102.3°E，為青海、甘肅、四川三省的交界區(qū)。 青藏高原年降水量最多的區(qū)域是黃河上游河曲地區(qū)，黃河匯水量53%來自這一區(qū)域[2]。

近年來研究結(jié)果表明， 在全球變暖趨勢的大背景下，黃河上游地區(qū)的氣溫增加顯著，年降水量呈減少趨勢[3~6]。 李林等[3]利用正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)方法（EOF）通過近40 a 來三江源地區(qū)16 個氣象臺站氣溫、 降水、蒸發(fā)資料， 分析了三江源地區(qū)近40 a 來氣候變化的異常特征及其對生態(tài)環(huán)境的影響， 結(jié)果表明三江源地區(qū)氣候變化表現(xiàn)出氣溫升高、 降水減少和蒸發(fā)增大的干旱化氣候變化趨勢；楊建平等[5]利用月氣象資料，對過去40 a 江河源氣候變化特征進(jìn)行分析，并與全球、全國、青藏高原進(jìn)行了比較。 結(jié)果表明：江河源區(qū)氣溫具有增暖趨勢， 近40 a 兩地年平均氣溫分別增加約0.8 ℃和0.7 ℃，為高原異常變暖區(qū)。

目前， 針對氣候變暖背景下黃河上游河曲地區(qū)各等級降水量和降水日數(shù)的全面研究較少， 本文選擇有一定研究基礎(chǔ)的黃河上游河曲地區(qū)作為研究對象， 通過對該地區(qū)不同類型各等級降水的氣候特征進(jìn)行研究， 以便更深入地了解黃河上游河曲地區(qū)氣溫和降水的變化情況。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況及資料來源

黃河上游河曲地區(qū)位于青藏高原東南部， 橫貫該地區(qū)的巴顏喀拉山脈，南滋長江，北養(yǎng)黃河。 從久治—若爾蓋—紅原—瑪曲—河南縣一帶是降水量最大、地面匯水面積集中和徑流量最大的地區(qū)。 因此，本文選取的黃河上游河曲地區(qū)的四川省若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省瑪曲縣及青海省的久治縣、河南縣為研究范圍（圖1）。 河曲地區(qū)屬于高原寒溫帶—亞寒帶氣候， 年均溫度0.6~1.2 ℃， 年均降水量約為590.4~762.2 mm。 研究區(qū)的地貌類型主要為丘陵、低山、 河谷階地、 丘陵和寬谷相間分布， 谷底海拔3500 m 左右，丘頂海拔3800 m 上下，周圍山地海拔達(dá)4000 m[7]。 研究區(qū)青海省的久治縣和河南縣1967—2016 年的年、月及逐日雨量和氣溫資料來自青海省氣候中心；四川省若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省瑪曲縣1967—2016 年的年、月及逐日雨量和氣溫資料由上述各縣氣象局提供。氣象規(guī)范規(guī)定，降水量分為降雨量和降雪量兩部分，降水日定義為日降水量≥0.1 mm，由降雨日和降雪日組成。日雨量在10 mm 以下為小雨，10.0～24.9 mm 為中雨，25～50 mm 為暴雨。 大中小雪的標(biāo)準(zhǔn)：＜2.5 mm 為小雪，5.0～9.9 mm 為中雪，超過10 mm 為暴雪。四季劃分標(biāo)準(zhǔn)：3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月—次年2 月為冬季。由于研究區(qū)域范圍較小，各站海拔高度相差不大，區(qū)域平均氣溫和降水量采用算術(shù)平均值。各等級降水貢獻(xiàn)定義為各等級降水量除以總降水量。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 方法介紹

1.2.1 Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)法

Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)是一種分析變化特征的檢驗(yàn)方法[11-13]，利用該方法檢驗(yàn)黃河上游河曲地區(qū)年平均氣溫和年降水的突變性。 非參數(shù)Mann-Kendall 法數(shù)據(jù)不要求遵循正態(tài)分布，但需要時間序列平穩(wěn)獨(dú)立。

設(shè)原假設(shè)H0，數(shù)據(jù)序列為xn（t=1，2，，n），以ni表示樣本xi＞xj（1≤j≤i）的累計(jì)數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量dk：

若xi＞xj時，ni為1，若xi≤xj時，ni為0。

dk的均值E（dk）和方差var（dk）分別為：

定義統(tǒng)計(jì)量UF（dk）：

給定顯著性水平α，當(dāng)|UF（dk）|＜Uα/2時，接受原假設(shè)H0，即無顯著上升或下降趨勢；當(dāng)|UF（dk）|＞Uα/2時，拒絕原假設(shè)H0，即存在顯著上升或下降趨勢，且UF（dk）＞0 表明具有上升趨勢，UF（dk）＜0 表明具有下降趨勢。 對于逆序列UB（dk）重復(fù)上述公式步驟，使得UB（dk）=-UF（dk），UB1=0，若其與UF（dk）存在交點(diǎn)且位于兩條臨界線內(nèi)，則交點(diǎn)為突變點(diǎn)。

1.2.2 氣候傾向率

用xi表示樣本量為n 的某一氣候變量，用ti表示xi所對應(yīng)的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸[14]：

式中，a 為回歸常數(shù)；b 為回歸系數(shù)。 a 和b 可以用最小二乘法估計(jì)。

對觀測數(shù)據(jù)xi及相應(yīng)的時間ti， 回歸系數(shù)b 和常數(shù)a 的最小二乘估計(jì)為：

利用回歸系數(shù)b 與相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系， 求出時間ti與變量xi之間的相關(guān)系數(shù)：

b 又稱線性趨勢項(xiàng)， 把b×10 稱為氣候變量x 每10 a 的氣候傾向率。b 的符號表示氣候變量x 的趨勢傾向。 b＞0 時，說明隨時間t 增加，x 呈上升趨勢；b＜0時，說明隨時間t 增加，x 呈下降趨勢。 b 的絕對值反映了上升或下降的速率， 即表示上升或下降的傾向程度。 相關(guān)系數(shù)r 表示變量x 與時間t 之間線性相關(guān)的密切程度，通過對相關(guān)系數(shù)r 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)來判斷氣候變量x 變化趨勢的程度是否顯著。 確定顯著性水平α，若＞rα，表明x 隨時間t 的變化趨勢是顯著的，否則表明變化趨勢是不顯著的。

1.2.3 變異系數(shù)

統(tǒng)計(jì)量在不同年代的相對變化可以用變異系數(shù)來描述。 氣象要素的穩(wěn)定性和均勻性特征可以通過變異系數(shù)來反映[15-16]。 變異系數(shù)的公式為：

2 黃河上游河曲地區(qū)降水量的變化特征

2.1 黃河上游河曲地區(qū)年氣溫和年降水量的時間變化

近100 a 中國升溫趨勢十分明顯，20 世紀(jì)90年代升溫尤為明顯[17]，氣溫上升了0.4~0.5 ℃，華北、東北和西北是主要的增暖區(qū)域[18-22]。 從圖2 可以看出，近50 a 黃河上游河曲地區(qū)年平均氣溫上升趨勢明顯，上升速率為0.315 ℃/10 a，通過0.001 的顯著性水平檢驗(yàn)。其中，近20 a 增溫更為明顯，年均氣溫以0.53 ℃/10 a 的速度增加，比全國其它地區(qū)增溫幅度明顯高[22-23]，且在2002 年后年均氣溫距平由負(fù)值轉(zhuǎn)正值。由此可見，黃河上游河曲地區(qū)目前處在氣溫明顯上升的階段，變暖趨勢顯著。

圖2 1967—2016 年河曲地區(qū)年平均氣溫曲線

應(yīng)用Mann-kendall 檢驗(yàn)法對黃河上游河曲地區(qū)氣溫序列的突變點(diǎn)和趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)（圖3）。 由圖3 可以看出，在0.05 的顯著性水平下，黃河上游河曲地區(qū)1996 年以前氣溫變化較為平穩(wěn)，之后氣溫迅速上升并在2002 年發(fā)生突變，氣溫經(jīng)歷了“平穩(wěn)—增加”的過程。

圖3 1967—2016 年河曲地區(qū)氣溫突變檢驗(yàn)

由圖4 可知，1967—2016 年黃河上游河曲地區(qū)年降水量總體呈下降趨勢， 速率為-13.249 mm/10 a，未通過顯著性水平檢驗(yàn)。

圖4 1967—2016 年河曲地區(qū)降水量曲線

采用Mann-Kendall 法對黃河上游河曲地區(qū)降水量序列進(jìn)行檢驗(yàn)（圖5）。 結(jié)果顯示自20 世紀(jì)60年代末降水量呈減少趨勢，70—80 年代中期降水量呈明顯的增加趨勢，80 年代后期至90 年代末呈下降趨勢，從90 年代末至今較穩(wěn)定，降水量經(jīng)歷了“減少—增加—減少—平穩(wěn)”的過程，且在2001—2004年超過0.05 顯著水平臨界線。 根據(jù)UF 和UB 曲線的交點(diǎn)位置， 確定黃河上游河曲地區(qū)降水量下降趨勢突變出現(xiàn)在1986 年（圖5）。

圖5 1967—2016 年河曲地區(qū)降水突變檢驗(yàn)

2.2 黃河上游河曲地區(qū)降水量季節(jié)變化趨勢

從圖6 可以看出，黃河上游河曲地區(qū)降水量在季節(jié)上分布不均衡。夏季降水量最大，冬季最小。圖6 中變化率為氣候趨勢率，黃河上游河曲地區(qū)各季降水量的變化趨勢不相同，夏季和秋季降水量整體均呈逐年下降趨勢，而春季和冬季呈上升趨勢。

圖6 河曲地區(qū)降水量的季節(jié)分布特征

通過分析季節(jié)降水量的變化可知， 黃河上游河曲地區(qū)1967—2016 年夏季和秋季降水量分別以27.89 mm/10 a、33.81 mm/10 a 的傾向率在減少，而春季降水量以11.53 mm/10 a 的傾向率增加， 冬季以0.673 mm/10 a 的傾向率在增加， 且冬季達(dá)通過了0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)，表明冬季是黃河上游河曲地區(qū)降水量增加的主要時段。 通過6 階多項(xiàng)式擬合來分析年代際的變化趨勢，黃河上游河曲地區(qū)20世紀(jì)70 年代春季和夏季降水量比歷史均值偏多；20世紀(jì)80 年代各季節(jié)的降水量均在減少；20 世紀(jì)90年代夏季和秋季降水量偏少， 而春季和冬季降水量偏多；而進(jìn)入21 世紀(jì)，夏季和秋季降水量均呈增加趨勢。

2.3 黃河上游河曲地區(qū)年降水量時間變化

由表1 中可知，1967—2016 年河曲地區(qū)春季總降水量呈增加趨勢，且中雨量通過了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)， 小雨量通過了0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)；夏季和秋季總降雨量分別以-27.89 mm/10 a 和-33.81 mm/10 a 的速率呈減少趨勢， 夏季小雨量的減少通過了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)，秋季各等級降水量和降雪量的氣候傾向率均為負(fù)值； 冬季各等級降水（雪）量的氣候傾向率均為正值，且暴雪量增加通過了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)，總降水量過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。 除暴雨量外黃河上游河曲地區(qū)平均年降水量均呈逐漸下降趨勢， 但均未通過顯著性水平檢驗(yàn)。

貢獻(xiàn)率是反映不同要素占總要素的百分比，表2 中降水貢獻(xiàn)率定義為各等級降水量除以總降水量。 由表2 可知，近50 a 對黃河上游河曲地區(qū)降水量的貢獻(xiàn)最大的是小雨量，其次是中雨量，它們的貢獻(xiàn)率之和為75.3%。 2002 年氣溫突變后，各等級降雨量的貢獻(xiàn)率呈增加趨勢， 降雪量的貢獻(xiàn)率呈減少趨勢；各等級降水量的貢獻(xiàn)率有一定的變化，暴雨量貢獻(xiàn)率增加了1.1%， 這表明近50 a 黃河上游河曲地區(qū)強(qiáng)降水事件在氣溫突變后對年降水量的貢獻(xiàn)變大。

表1 1967—2016 年河曲地區(qū)四季各等級降水量氣候傾向率/（mm/10 a）

表2 1967—2016 年河曲地區(qū)各等級降水量對不同尺度總降水量的貢獻(xiàn)率/（mm/10 a）

綜上所述，近50 a 降雨量的減少是黃河上游河曲地區(qū)年降水減少的主要原因， 降雨量的減少是由小雨量和中雨量的減少引起的， 小雨量和中雨量的減少主要體現(xiàn)在夏季和秋季小雨量的減少上。

2.4 黃河上游河曲地區(qū)各等級降水日數(shù)的的時間變化

從圖7 可知，近50 a 河曲地區(qū)年降水日數(shù)有明顯的年際變化， 從長期變化趨勢看以2.347 d/10 a的速率減少，通過了0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)。 20 世紀(jì)70—80 年代為降水日數(shù)的較多期，20 世紀(jì)90 年代之后呈減少趨勢。利用Mann-Kendall 法檢驗(yàn)對黃河上游河曲地區(qū)降水日數(shù)進(jìn)行了突變性分析， 發(fā)現(xiàn)沒有突變點(diǎn)， 降水日數(shù)的增減趨勢沒有達(dá)到顯著程度。

圖7 1967—2016 年河曲地區(qū)降水日數(shù)的年際變化

1967—2016 年河曲地區(qū)四季降水日數(shù)的變化與降水量變化極為相似（表3）。 春季總降水日數(shù)氣候傾向率均為負(fù)值，中雨日數(shù)增加通過了0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)；夏季中雨日數(shù)、小雨日數(shù)、暴雪日數(shù)和大雪日數(shù)呈減少趨勢， 小雨日數(shù)減少通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)； 各等級的降水日數(shù)在秋季呈減少趨勢； 除小雨和小雪日數(shù)外冬季各等級降水日數(shù)氣候傾向率均為正值， 暴雪日數(shù)的增加通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。從全年看，黃河上游河曲地區(qū)各等級降水日數(shù)除暴雨外呈減少趨勢， 其中小雨日數(shù)減少通過了0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)，這說明年降水日數(shù)減少的主要原因是由小雨日數(shù)的減少引起。

表3 1967—2016 年河曲地區(qū)各等級降水日數(shù)氣候傾向率/（mm/10 a）

從表4 可以看到， 近50 a 對黃河上游河曲地區(qū)年降水日數(shù)貢獻(xiàn)最大的是小雨日數(shù)，其次是小雪日數(shù)， 小雨日數(shù)和小雪日數(shù)貢獻(xiàn)率之和達(dá)到了81%。 春季、夏季和秋季降水日數(shù)主要以小雨日數(shù)為主，冬季以小雪日數(shù)為主，貢獻(xiàn)率為52.1%。分析各等級降水日數(shù)在2002 年氣溫突變后的貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)降雪日數(shù)貢獻(xiàn)率降低， 降水日數(shù)的貢獻(xiàn)率增加，增加較大的是中雨日數(shù)和小雨日數(shù)，分別增加了1.1%和1.7%。

表4 1967—2016 年河曲地區(qū)各等級降水日數(shù)對不同尺度總降水日數(shù)的貢獻(xiàn)率/%

2.5 降水量、降水日數(shù)的穩(wěn)定性特征分析

圖8 給出了1967—2016 年河曲地區(qū)降水量變異系數(shù)的時間變化。 黃河上游河曲地區(qū)降水量在月際尺度上變化相對比較小（絕大多數(shù)CV<1.0），表明黃河上游河曲地區(qū)四季間降水差異不明顯。 降水量變異系數(shù)有年代際振蕩周期，降水量變異系數(shù)在20世紀(jì)70 年代末至80 年代呈上升趨勢，90 年代呈下降趨勢，21 世紀(jì)以來又呈上升趨勢。

圖8 1967—2016 年河曲地區(qū)降水量變異系數(shù)CV 的時間變化曲線

以2002 年為節(jié)點(diǎn)，計(jì)算該兩氣候的變異系數(shù)來分析黃河上游河曲地區(qū)降水量、 降水日數(shù)的變化特征。 從表5、表6 可以看出，近50 a 來黃河上游河曲地區(qū)降水量和降水日數(shù)變化特征相似， 但各時期的降水量變異系數(shù)均大于降水日數(shù)變異系數(shù)， 表明黃河上游河曲地區(qū)降水日數(shù)的年際分布比降水量的年際分布更均勻。

表5 氣溫突變前后黃河上游河曲地區(qū)各等級降水量CV 值

表6 氣溫突變前后黃河上游河曲地區(qū)各降水日數(shù)CV 值

3 結(jié)論與討論

（1）近50 a 來，黃河上游河曲地區(qū)年平均氣溫以0.315 ℃/10 a 增加， 通過0.001 的顯著性水平檢驗(yàn)；年降水量以-9.48 mm/10 a 呈下降趨勢，年降水日數(shù)也呈顯著減少趨勢，減少率為-15.26 d/10 a。

（2）黃河上游河曲地區(qū)年降水量的減少主要是由夏季小雨量減少引起的，2002 年氣溫突變年后，對年降水量的貢獻(xiàn)率增加的是暴雨量， 各等級降雨量的貢獻(xiàn)率呈增加趨勢， 降雪量的貢獻(xiàn)率呈減少趨勢。

（3）近50 a 黃河上游河曲地區(qū)各等級降雨和降雪日數(shù)呈減少趨勢， 其中夏季小雨日數(shù)的減少是造成年降水日數(shù)減少的主要原因，通過0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)；在氣溫突變后，降雪日數(shù)貢獻(xiàn)率降低，降水日數(shù)的貢獻(xiàn)率均增加， 增加較大的是中雨日數(shù)和小雨日數(shù)，分別增加了1.1%和1.7%。

黃河上游河曲地區(qū)是黃河流域重要的匯水區(qū)域，是維系黃河中下游生態(tài)安全的重要保障，因此分析黃河上游河曲地區(qū)降水變化特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文研究發(fā)現(xiàn)，黃河上游河曲地區(qū)年降水量呈減少趨勢， 該變化顯著增加了黃河中下游流域水生態(tài)安全風(fēng)險，應(yīng)該引起相關(guān)部門重視與關(guān)注。研究同時也發(fā)現(xiàn)近50 a 黃河上游河曲地區(qū)冬季暴雪日數(shù)呈增加趨勢， 該變化一方面可以為該地區(qū)冬季流域水源供給提供有效保障， 但另一方面限制了該地區(qū)冬季畜牧業(yè)發(fā)展，且增加了冬季雪災(zāi)發(fā)生的概率，有利有弊。 縱觀全文，因資料和篇幅的限制，本研究只選取了黃河上游河曲地區(qū)5 個國家級氣象站點(diǎn)觀測資料進(jìn)行了分析研究，未達(dá)到百分比的代表性。文章所選用分析方法過于常規(guī)， 雖能準(zhǔn)確表征其基本特征，但對于深入分析缺乏支撐。文章在進(jìn)行變化特征分析的過程中，重點(diǎn)考慮了不同等級降水變化特征，未能對各等級降水之間的聯(lián)系進(jìn)行深入的分析，也未對各等級降水量出現(xiàn)所產(chǎn)生的影響做分析。 未來隨著科學(xué)數(shù)據(jù)共享范圍的擴(kuò)大， 許多內(nèi)部使用的氣象數(shù)據(jù)有望獲得， 全面的數(shù)據(jù)加深入的分析研究方法， 未來將對黃河上游河曲地區(qū)降水變化特征進(jìn)行更加深入的分析研究。