青海省西北諸河61 a來降水演變特征及空間分布研究

楊 陽，時(shí) 璐，劉 弢，孫永壽，李 燕

(青海省水文水資源勘測局，西寧 810001)

0 引 言

青海省西北諸河地域遼闊，地形復(fù)雜，自然氣候條件嚴(yán)酷，生態(tài)環(huán)境脆弱，對人類的社會發(fā)展、生產(chǎn)生活以及環(huán)境保護(hù)等都提出了巨大挑戰(zhàn)。尤其是在大氣候轉(zhuǎn)變，極端天氣頻發(fā)的事實(shí)背景下，對該地區(qū)降水時(shí)空分布規(guī)律地探討和研究就具有十分重要的意義，其可以更好地為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等領(lǐng)域提供服務(wù)。目前，專門針對青海省西北諸河地區(qū)降水時(shí)空分布規(guī)律的研究還相對甚少，本文在青海省第三次評價(jià)的基礎(chǔ)上，分析研究了青海省典型區(qū)域降水量評價(jià)方法、降水量分布特征、時(shí)空變化規(guī)律及未來變化趨勢，為今后水資源評價(jià)特別是無資料地區(qū)的降水分析評價(jià)提供借鑒，也為水資源管理提供應(yīng)用基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 區(qū)域概況

青海省的西北諸河流域(以下簡稱西北諸河)是省內(nèi)四大一級流域之一，其位于青海省的西北部，主要是由阿爾金山、疏勒南山、祁連山、昆侖山及青海南山環(huán)抱柴達(dá)木盆地、青海湖盆地以及羌塘高原區(qū)組成，地貌復(fù)雜多樣，垂直分布差異明顯。從區(qū)域內(nèi)四周邊緣到盆地中心依次為高山、戈壁、固定半固定沙丘和風(fēng)蝕丘陵、細(xì)土平原帶、沼澤、鹽沼、湖泊等地貌類型[1]，該區(qū)域由于地處大陸腹地，海拔較低，四周高山環(huán)繞，西南暖濕氣流難以進(jìn)入，所以降水稀少，氣候干燥，相對濕度低，水汽含量少，大氣透明度好，日照時(shí)間長，太陽輻射強(qiáng)，氣溫較高，無霜期較短。盆地四周為高寒山地，該區(qū)地勢高峻、氣候寒冷，海拔在3 500～6 860 m之間，年均氣溫在0 ℃以下的時(shí)間長達(dá)6個(gè)月以上。因海拔較高，空氣干潔稀薄，造成日照時(shí)間較長，太陽輻射較強(qiáng)[2]。

2 西北諸河61 a來降水分析

本文數(shù)據(jù)基于全國第三次水資源調(diào)查評價(jià)，收集了甘肅省水文和青海省水文、氣象、農(nóng)牧等部門的實(shí)測數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)經(jīng)整編后刊布，符合客觀事實(shí)，精度滿足分析要求。地形數(shù)據(jù)采用美國SRTM90 m DEM數(shù)據(jù)。

2.1 降水量時(shí)間序列變化特征分析

收集該區(qū)168個(gè)站點(diǎn)系列不一的降水資料，對具有30 a以上實(shí)測資料的站點(diǎn)，經(jīng)預(yù)處理后插補(bǔ)延長至1956-2016系列。選取該區(qū)14個(gè)典型雨量代表站1956-2016系列年完整月年資料，統(tǒng)計(jì)降水量年內(nèi)分配比例，利用泰森多邊形獲取西北諸河流域降水量月年值,并分析降水的集中度、集中期[3]，以反映其年內(nèi)分配特征；利用趨勢檢驗(yàn)、滑動(dòng)T、有序聚類、Lee-Heghinan(里-海哈林)、滑動(dòng)秩和[4]、去趨勢波動(dòng)(DFA)[5-7]、R/S[8,9]、連續(xù)morlet復(fù)小波變換[10,11]等多種方法，分別對年際變化的年代際、趨勢、突變時(shí)期及周期變化進(jìn)行分析，并對未來的趨勢變化進(jìn)行預(yù)測。

2.2 降水量年內(nèi)變化特征分析

青海省西北諸河1956-2016系列年多年平均降水為668.8 億m3，占全省的30.3%，根據(jù)各代表站年內(nèi)降水分配統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，西北諸河降水量年內(nèi)分配極為不均，主要集中在5-9月，占全年降水量的80.1%～92.2%，形成干濕季分明的單峰式特點(diǎn)；年內(nèi)最大降水量多出現(xiàn)在6-8月，占全年降水量的21.6%～29.6%；年內(nèi)最小降水量多出現(xiàn)在11至翌年2月，僅占全年降水量的0.12%～1.48%(見表1)。

西北諸河降水年內(nèi)分配不均勻程度變幅較大，集中度在0.59～0.77之間，呈微弱上升趨勢，表明趨于不均勻化；集中期為179.20°～212.85°之間，呈微弱下降趨勢，表明降水集中期有提前表現(xiàn)；不均勻系數(shù)有所增加；5-9月降水，呈上升趨勢；從年內(nèi)變化指標(biāo)的發(fā)展趨勢看，總體表現(xiàn)穩(wěn)健(見圖1)。

表1 西北諸河代表站年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)表 mm

圖1 西北諸河降水年內(nèi)變化指標(biāo)過程圖Fig.1 Annual variation index process of precipitation in northwest region

2.3 降水量年際變化特征分析

2.3.1 降水量年際變化

1956-2016年西北諸河年降水增加速率9.3 mm/10 a，降水量增加了55.7 mm，全流域內(nèi)所有代表站年降水量呈上升趨勢，且總體呈現(xiàn)東、南部降水量增長速率大于西部增長速率，東、南部地區(qū)大部分站點(diǎn)通過了0.05顯著水平的檢驗(yàn)，降水量顯著增加。Cv值隨著降水量的減少而增加，最大值出現(xiàn)在最西北的冷湖站為0.80(表2)。

2.3.2 降水量年代際變化

從西北諸河降水量年代統(tǒng)計(jì)表看出，西北諸河1956-2016年降水歷經(jīng)了“枯-豐-枯-豐”過程，20世紀(jì)50年代末期至70年代降水量偏少9.5%～6.2%，80年代降水量偏多2.4%，90年代降水量偏少4.1%，進(jìn)入新世紀(jì)以來，流域進(jìn)入豐水期，降水量持續(xù)偏多多達(dá)15.5%(表3)。

表2 西北諸河年降水量趨勢檢驗(yàn)表Tab.2 Test table of annual precipitation trend in northwest region

2.3.3 降水量年際變化趨勢預(yù)測

一階去趨勢波動(dòng)分析(DFA)法，著重體現(xiàn)時(shí)間序列的長程相關(guān)性的強(qiáng)弱，而R/S法是對時(shí)間序列過去與將來是否存在持續(xù)性和反持續(xù)性進(jìn)行分析[5-7]。結(jié)合DFA和R/S綜合分析和預(yù)測，西北諸河降水DAF分析法標(biāo)度指數(shù)約為0.74，R/S分析法Hurst指數(shù)都約為0.67，都在0.5～1之間，表明降水時(shí)間序列具有長程相關(guān)性，呈現(xiàn)趨勢增強(qiáng)的狀態(tài)，降水將來的變化趨勢與過去的變化趨勢相同，預(yù)測將保持持續(xù)增加的趨勢，持續(xù)性較強(qiáng)(圖2)。

表3 西北諸河降水量年代際變化統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistic table of interdecadal variation of precipitation in northwest region

圖2 西北諸河降水未來趨勢分析預(yù)測圖Fig.2 Analysis and forecast of the future trend of precipitation in northwest region

2.3.4 突變分析

分別采用滑動(dòng)T(n1=n2=8)、有序聚類、里-海哈林及滑動(dòng)秩和四種方法對西北諸河年降水時(shí)序進(jìn)行突變分析。從圖3可知，4種方法都檢測到年降水系列突變年份為2001年，結(jié)合西北諸河降水過程綜合判斷，認(rèn)為西北諸河年降水量在2001年前后，發(fā)生由枯到豐的突變。

圖3 突變檢驗(yàn)圖Fig.3 Chart of abrupt change detection

2.3.5 周期分析

經(jīng)morlet復(fù)小波連續(xù)變換分析[7，10,11]，西北諸河降水量全時(shí)域存在時(shí)間尺度為2、5、9、15和31 a的周期分布，以31 a尺度為主要周期，周期震蕩的能量較強(qiáng)，全時(shí)域震蕩了2.5個(gè)周期；5～15 a中等時(shí)間尺度周期范圍內(nèi)，尺度的中心在1990年后有所上移(圖4)。

圖4 西北諸河降水小波周期及小波方差圖Fig.4 Wavelet period and wavelet variance of precipitation in northwest region

2.4 降水量空間分布特征及研究

根據(jù)所收集的降水資料，對具有30年以上實(shí)測資料的站點(diǎn)，經(jīng)預(yù)處理后插補(bǔ)延長至1956-2016系列，對短系列采用比值法給出1956-2016系列降水均值后，依據(jù)平面、垂直分布規(guī)律定量繪制了降水等值線(圖5)。

圖5 西北諸河多年平均降水等值線及空間分布圖Fig.5 Isograms and spatial distribution of perennial mean precipitation in northwest region

2.4.1 平面分布規(guī)律

西北諸河流域地形以山區(qū)、縱谷、盆地為主，從降水多年平均等值線圖獲悉，年降水在地區(qū)平面分布上極不均勻，東部多雨，西北干旱，山區(qū)降水大于盆地谷地，年降水量亦有東、南部山區(qū)向西北盆地遞減，年降水變化在18～700 mm之間，最大值出現(xiàn)在石羊河源的冷龍嶺，最小值出現(xiàn)在冷湖地區(qū)；依據(jù)我國年降水量類型帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]，流域由干旱帶和嚴(yán)重干旱帶組成，其中祁連山西段、哈拉湖盆地、青海湖盆地、茶卡﹣沙珠玉環(huán)山地帶、可可西里地區(qū)以及環(huán)柴達(dá)木盆地東部、南部山區(qū)地帶，年降水量較少，在200～400 mm之間，屬于干旱區(qū)；柴達(dá)木盆地和茶卡—沙珠玉盆地腹地，降水量稀少，在200 mm以下，屬于嚴(yán)重干旱區(qū)(圖5)。

2.4.2 垂直分布規(guī)律探索

西北諸河地形對水汽的抬升作用明顯，降水多以地形雨為主，降水量的垂直差異明顯[13-16]，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。流域東北部的祁連山地區(qū)和西部柴達(dá)木盆地較為典型。

流域東北部的祁連山地區(qū)地貌特征十分復(fù)雜具有高山、積雪、冰川、山谷、盆地等，降水量的垂直帶特性表現(xiàn)明顯，山地降水高于平原、河谷。結(jié)合祁連山地區(qū)省外資料情況，針對該區(qū)選取具有代表性的洪水河、西大河和雜木河三條河流，根據(jù)各河流沿線不同高程的降水站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，三條河沿河流不同高程站點(diǎn)的降水與高程變率，海拔每升高100 m，降水量分別增加21、17和18 mm。綜合分析，祁連山地區(qū)海拔平均升高100 m，降水量平均增加19 mm左右(圖6)。

圖6 西北諸河?xùn)|北部祁連山地區(qū)降水站點(diǎn)分布及降水-高程曲線圖Fig.6 Distribution of precipitation stations and precipitation - elevation curve of Qilian mountains in northwest region

流域西北柴達(dá)木盆地四周有阿爾金山、昆侖山和祁連山包圍，山體較高，對氣流有阻擋和抬升作用，加強(qiáng)了氣流的垂直和水平運(yùn)動(dòng)，影響氣團(tuán)和鋒面活動(dòng)，使山區(qū)降水時(shí)間延長，總量增加。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)所在地區(qū)與河流片區(qū)，將盆地分為三大片區(qū)，分別為柴達(dá)木盆地東、南、北部。

降水在垂直變化上隨海拔升高而增加，并且多雨區(qū)降水隨海拔升高的增率大于少雨區(qū)。柴達(dá)木盆地東、南、北部地區(qū)，海拔每升高100 m，降水分別增加35、23和12 mm，降水隨海拔升高的增率，盆地東部>南部>北部,與降水量的分布、排序一致(圖7)。

圖7 西北諸河西部柴達(dá)木盆地降水站點(diǎn)分布圖及降水-高程曲線圖Fig.7 Distribution of precipitation stations and precipitation - elevation curve of Qaidam Basin in northwest region

2.4.3 降水空間分布變化分析

從降水突變時(shí)間部分地分析得出，該區(qū)域降水突變年份為2001年左右，青海省二次評價(jià)系列正好為1956-2000年，選擇與二次評價(jià)多年平均降水等值線對比，能夠更直觀地反映，降水在空間上變化。

從圖5與第二次評價(jià)成果對比看出，降水等值線在空間上分布呈現(xiàn)兩點(diǎn)變化：①整體上，降水等值線由四周山區(qū)高值向柴達(dá)木盆地低值中心遞進(jìn)，猶如“漏斗”形狀，降水低值區(qū)域的面積在縮減；主要原因是在西北諸河地域的尺度范圍內(nèi)，降水量普遍增加，尤其是進(jìn)入新世紀(jì)以來降水有少轉(zhuǎn)多，進(jìn)入豐水期。②局部上，山區(qū)降水高值區(qū)域的增加，例如祁連山-疏勒南山地區(qū)、青海南山地區(qū)、東南部鄂拉山地區(qū)；主要是因?yàn)榻陙黼S著降水監(jiān)測站點(diǎn)的增多、降水垂向規(guī)律的探尋，為山區(qū)的高值區(qū)判斷和繪制提供定性定量依據(jù)。

3 結(jié) 論

通過對青海省內(nèi)西北諸河流域1956-2016系列年降水?dāng)?shù)據(jù)分析，得以下結(jié)論：

(1)西北諸河降水量年內(nèi)分配極為不均，主要集中在5-9月，占全年降水量的80.1%～92.2%，形成干濕季分明的單峰式特點(diǎn)。集中度在0.59～0.77之間與5-9月降水呈微弱上升趨勢，表明趨于不均勻化；集中期為179.20°～212.85°，呈微弱下降趨勢，降水集中期有提前表現(xiàn)。

(2)1956-2016年西北諸河年降水增加速率9.3 mm/10 a，降水量增加了55.7 mm，1956-2016年降水歷經(jīng)了“枯-豐-枯-豐”過程，降水量時(shí)序具有長程相關(guān)性，將來的變化趨勢與過去的變化趨勢相同，將保持持續(xù)增加的趨勢，持續(xù)性較強(qiáng)。

(3)西北諸河年降水量在2001年前后，發(fā)生由枯到豐的突變；降水量全時(shí)域存在時(shí)間尺度為2、5、9、15和31 a的周期分布，以31年尺度為主要周期，周期震蕩的能量較強(qiáng)，全時(shí)域震蕩了2.5個(gè)周期。

(4)西北諸河年降水在地區(qū)平面分布上極不均勻，年降水量亦有東、南部山區(qū)向西北盆地遞減，年降水變化在18～700 mm之間；降水量的垂直差異明顯，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，流域祁連山地區(qū)海拔平均升高100 m，降水量平均增加19 mm左右；柴達(dá)木盆地東、南、北部地區(qū)，海拔每升高100 m，降水分別增加35、23和12 mm，降水隨海拔升高的增率，盆地東部>南部>北部,與降水量的分布、排序一致。

(5)西北諸河多年平均降水等值線整體上發(fā)生由四周山區(qū)高值區(qū)域向柴達(dá)木盆地低值中心遞進(jìn)，降水低值區(qū)域縮減的空間變化。

本文僅對青海省西北諸河流域降水時(shí)間演變特征和空間分布規(guī)律進(jìn)行了分析，并對未來的趨勢變化進(jìn)行預(yù)測，對其影響成因還有待今后進(jìn)一步分析。

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