高寒內(nèi)流區(qū)極端降水的氣候變化特征分析

高文德， 王 昱， 李宗省， 王文勝， 楊盛梅

（1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050； 2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000； 3.西藏自治區(qū)水文水資源勘測(cè)局昌都水文分局，西藏昌都 854000）

0 引言

20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，全球平均地表溫度以0.12 ℃·（10a）-1的速度增長(zhǎng)［1］。隨著全球氣候變暖，熱浪、強(qiáng)降水、干旱等極端氣候事件頻繁發(fā)生，地表水循環(huán)加速，極端降水強(qiáng)度和頻率發(fā)生改變，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了許多負(fù)面影響［2-8］。Alexander 等［9］指出20世紀(jì)以來(lái)全球降水日數(shù)有顯著增加趨勢(shì)，特別在北半球的中高緯度區(qū)域。同時(shí)，在未來(lái)溫室氣體濃度持續(xù)升高背景下，極端降水事件的發(fā)生會(huì)更加頻繁［2，9-10］。極端降水帶來(lái)的危害主要在三方面，第一，極端降水的發(fā)生常與洪水、干旱、山體滑坡及泥石流等自然災(zāi)害有關(guān)，對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成了重大影響［9，11-17］；第二，極端強(qiáng)降水事件會(huì)導(dǎo)致土壤過(guò)濕，不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，同時(shí)還會(huì)引發(fā)病蟲(chóng)災(zāi)害［18］；第三，極端降水事件趨于頻繁，水資源的不確定性會(huì)趨于嚴(yán)峻，進(jìn)一步導(dǎo)致水資源的時(shí)空配置調(diào)度趨于困難［2，19］。因此，極端降水事件的變化規(guī)律及其發(fā)生機(jī)制備受學(xué)者關(guān)注［20-23］。

中國(guó)極端強(qiáng)降水事件在20世紀(jì)60年代以來(lái)整體上呈增多趨勢(shì)［24-25］。極端降水在不同流域上存在顯著的區(qū)域差異［26-30］，例如，20世紀(jì)60年代以來(lái)，西北地區(qū)［31-32］、長(zhǎng)江流域［33］極端降水事件強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，極端降水頻率呈減少趨勢(shì)；西南地區(qū)總降水量略有減少，但極端降水頻率和強(qiáng)度均增加［34-35］；華北地區(qū)極端降水強(qiáng)度和頻率均呈減少趨勢(shì)，極端降水量減少［36］。

高寒內(nèi)流區(qū)位于青藏高原腹地，是中國(guó)寒區(qū)內(nèi)陸河的聚集地，受東亞季風(fēng)、高原季風(fēng)和西風(fēng)環(huán)流的交匯影響，對(duì)區(qū)域及全球性的氣候變化較為敏感。研究指出，1960—2014 年柴達(dá)木盆地極端降水頻率和強(qiáng)度均有所增加［37］，1961—2015 年間青海湖流域降水量快速增加，波動(dòng)快速增強(qiáng)，極端降水的強(qiáng)度與頻數(shù)亦快速增加，極端降水事件可能性大大增加［38］。然而作為中國(guó)重要生態(tài)屏障，對(duì)整個(gè)高寒內(nèi)流區(qū)極端降水特征的研究處于空白，此外，作為一個(gè)獨(dú)立的水文單元，其下墊面條件復(fù)雜多樣，水資源調(diào)控困難，因而有必要采用最新的資料和統(tǒng)一的極端降水指數(shù)，對(duì)高寒內(nèi)流區(qū)極端降水事件變化特征及其演變規(guī)律進(jìn)行全面深入的分析。本文在以往研究基礎(chǔ)上選取由氣候變化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和指數(shù)專家小組（http://cccma.seos.uvic.ca/etccdmi/index.shtml）推薦的12 個(gè)極端降水指數(shù)中與本研究區(qū)生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的8個(gè)極端降水指數(shù)來(lái)研究極端降水變化的規(guī)律和原因，為適應(yīng)氣候變化制訂具有針對(duì)性的防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策，同時(shí)為高寒內(nèi)流區(qū)水資源調(diào)控及未來(lái)氣候預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

高寒內(nèi)流區(qū)位于青藏高原腹地，總占地面積1 025 163.28 km2，占據(jù)青藏高原約45% 的面積，地理位置為78.46°～101.45° E，29.52°～39.42° N，主要包括青海湖流域分區(qū)、柴達(dá)木盆地分區(qū)和羌塘盆地分區(qū)，行政區(qū)包括青海省、西藏和新疆，是內(nèi)陸河區(qū)湖泊較為集中的地區(qū)（圖1）。高寒內(nèi)流區(qū)平均海拔4 000 m 以上，氣候寒冷干燥，全年降水量相較于全國(guó)大部分地區(qū)偏少，主要集中在5—9月［39-45］。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

選取由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.nimc.cn/home.do）提供的，符合條件的25 個(gè)氣象站點(diǎn)1969 年1月1日至2017年12月31日共49年日降水資料，利用基于R 編輯器開(kāi)發(fā)的RClimDex軟件計(jì)算8 個(gè)極端降水指數(shù)（表1）；采用線性趨勢(shì)法，5 年滑動(dòng)平均等分析高寒內(nèi)流區(qū)極端降水的變化趨勢(shì)；其中季節(jié)劃分按照當(dāng)?shù)靥厥庾匀坏乩憝h(huán)境，以4—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—10 月為秋季，11月至次年2月為冬季。

表1 極端降水指數(shù)的定義Table1 Definition of extreme precipitation indices

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量時(shí)空變化特征

3.1.1 時(shí)間變化

高寒內(nèi)流區(qū)1969—2017年平均降水量為270 mm，年最大降水量出現(xiàn)在1989 年，年降水量為331 mm；年最小降水量出現(xiàn)在1972 年，年降水量為224 mm（圖2）。1969—2017 年年平均降水以11.1 mm·（10a）-1的趨勢(shì)顯著增加。1969—1995 年保持穩(wěn)定，20 世紀(jì)90 年代到21 世紀(jì)前10 年顯著增加，之后波動(dòng)下降。從季節(jié)變化上來(lái)看四季降水都呈明顯增加趨勢(shì)，其中夏季降水增加趨勢(shì)最為明顯，其增加值達(dá)到了6.11 mm·（10a）-1。春季降水在70 年代中期到80 年代中期上升，80 年代中期到90 年代初下降，90 年代以后30 年里呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。夏、秋季降水年際上與全年變化相似，在波動(dòng)中呈上升趨勢(shì)；冬季降水在90 年代之前上升，90 年代之后波動(dòng)下降。

圖2 1961—2017年高寒內(nèi)流區(qū)降水年際變化趨勢(shì)Fig.2 The temporal variation of precipitation in the endorheic area in alpine region during 1969—2017

3.1.2 空間變化

我國(guó)高寒內(nèi)流區(qū)約有88% 的臺(tái)站年降水量呈增加趨勢(shì)（圖3），有56% 的臺(tái)站增加趨勢(shì)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，顯著增加的區(qū)域主要分布在青海湖流域，羌塘盆地南部地區(qū)也有較大增加趨勢(shì)，表現(xiàn)降低的臺(tái)站分布在柴達(dá)木中部北部地區(qū)。約92% 的臺(tái)站春季降水表現(xiàn)增加勢(shì)頭，但僅有43% 的臺(tái)站增加趨勢(shì)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)且主要分布在羌塘盆地大部分臺(tái)站及青海湖流域，增加幅度呈現(xiàn)自北向南遞增的趨勢(shì)。夏季降水顯著增加的臺(tái)站分布在高寒內(nèi)流區(qū)東部地區(qū)，表現(xiàn)降低趨勢(shì)的臺(tái)站分布在柴達(dá)木盆地腹地。秋季降水量約有80% 的臺(tái)站表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，但僅有30% 的臺(tái)站通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，主要分布在高寒內(nèi)流區(qū)東部地區(qū)。冬季降水呈上升趨勢(shì)的站點(diǎn)占76%，均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，總體上呈由北向南增大的趨勢(shì)，增幅最大值出現(xiàn)在羌塘盆地南部地區(qū)。

圖3 1961—2017年高寒內(nèi)流區(qū)降水量的空間分布Fig.3 Spatial variation of precipitation variations in the endorheic area in alpine region during 1969—2017

3.2 極端降水時(shí)空變化特征

3.2.1 時(shí)間變化

由高寒內(nèi)流區(qū)極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)來(lái)看（圖4），CDD（連續(xù)干旱日數(shù)）除20世紀(jì)90年代表現(xiàn)增加趨勢(shì)外，其余時(shí)段均呈不同程度的降低趨勢(shì)，總體以-3.54 d·（10a）-1的速率顯著降低，表明高寒內(nèi)流區(qū)降水年內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。研究段內(nèi)CWD（連續(xù)濕潤(rùn)日數(shù)）在1969—1985 年呈增加趨勢(shì)，此后微弱降低，2000 年以后又開(kāi)始緩慢增加，總體上以0.06 d·（10a）-1的趨勢(shì)上升，但沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1961—2017年高寒內(nèi)流區(qū)極端降水指數(shù)年際變化曲線Fig.4 The annual variation curves of extreme precipitation index in the endorheic area in alpine region during 1969—2017

1969—2017 年P(guān)RCPTOT（雨日降水總量）在1969—1990 年增加趨勢(shì)緩慢，1990 年之后劇烈增加，總體上呈上升趨勢(shì)，變化幅度為11.06 mm·（10a）-1。研究段內(nèi)SDII（雨日降水強(qiáng)度）展現(xiàn)出以10 年為周期的波動(dòng)變化，總體上以0.06 mm·d·（10a）-1的速率顯上升。

RX1day（單日最大降水量）和RX5day（五日最大降水量）在研究段內(nèi)均為顯著增加趨勢(shì)，增濕幅度分別為1.06 mm·（10a）-1和3.07 mm·（10a）-1。RX1day 在1969—1980 年呈降低趨勢(shì)，1980 年以后緩慢增加，21 世紀(jì)呈現(xiàn)出更大的增加趨勢(shì)。RX5day 在研究段內(nèi)均呈增加趨勢(shì)，同樣在21 世紀(jì)呈現(xiàn)出更大的增加趨勢(shì)，表明新世紀(jì)以來(lái)高寒內(nèi)流區(qū)氣候向濕化發(fā)展。

研究區(qū)R95（極端降水量）在1969—1980 年下降，之后表現(xiàn)出增加勢(shì)頭，2000 年以后劇烈增加，總體上以4.35 mm·（10a）-1速率增加。R10 mm（日降水大于10 mm 日數(shù)）以0.43 d·（10a）-1的傾向率顯著增加；在1990年之后表現(xiàn)出更劇烈的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.2.2 空間變化

我國(guó)高寒內(nèi)流區(qū)極端降水指數(shù)空間差異明顯，PRCPTOT 約有88% 臺(tái)站為增加趨勢(shì)，約有64% 的臺(tái)站的增加趨勢(shì)通過(guò)了顯著性水平檢驗(yàn)（圖5），表現(xiàn)增加趨勢(shì)的臺(tái)站主要分布在東部等高海拔地區(qū)（圖6），這一結(jié)論證實(shí)該地區(qū)降水增加主要發(fā)生在高海拔地區(qū)。研究區(qū)內(nèi)SDII 有76% 的臺(tái)站表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，但只有42% 的臺(tái)站增加趨勢(shì)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，大部分SDII 增加的臺(tái)站與PRCPTOT 呈增加趨勢(shì)的臺(tái)站相同，表明PRCPTOT 與SDII 在區(qū)域上表現(xiàn)出相同的分布規(guī)律，You 等［46］對(duì)青藏高原極端降水的研究也得到了這一結(jié)論。

圖5 極端降水指數(shù)顯示正趨勢(shì)和負(fù)趨勢(shì)的氣象臺(tái)站百分比Fig.5 Percentage of stations showing positive and negative trends for indices of precipitation index

圖6 1961—2017年高寒內(nèi)流區(qū)極端降水指數(shù)變化幅度的空間分布Fig.6 Spatial distribution of change ranges of extreme precipitation index in the endorheic area in alpine region during 1969—2017

RX1DAY 和RX5day 的變化趨勢(shì)區(qū)域差異性明顯，RX1day 有76.92% 的站臺(tái)呈增加趨勢(shì)，有60%的臺(tái)站通過(guò)了顯著性水平檢驗(yàn)，這些站臺(tái)主要分布高寒內(nèi)流區(qū)東南部地區(qū)；RX5day 有73.08% 臺(tái)站呈增加趨勢(shì)，有32% 的臺(tái)站通過(guò)了顯著性水平檢驗(yàn)，變化趨勢(shì)由東到西逐漸遞增。

參與統(tǒng)計(jì)的25 個(gè)臺(tái)站中CDD 有80% 的臺(tái)站呈降低趨勢(shì)，但只有10% 的臺(tái)站降低趨勢(shì)通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)（圖5），呈現(xiàn)增加趨勢(shì)的臺(tái)站主要分布在柴達(dá)木盆地（圖6），反映了這一區(qū)域雨日天數(shù)的增加。整個(gè)研究區(qū)約72% 的臺(tái)站CWD 上升，只有德令哈站通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，表現(xiàn)增加趨勢(shì)的臺(tái)站主要分布柴達(dá)木盆地東部，表現(xiàn)降低趨勢(shì)的臺(tái)站主要分布在羌塘盆地南部。

R95 約有80% 的站臺(tái)呈增加趨勢(shì)，但只有35%的站點(diǎn)通過(guò)了顯著性水平檢驗(yàn)，主要集中在青海湖流域；降低的臺(tái)站主要分布在柴達(dá)木盆地中部以及羌塘盆地南部。25個(gè)臺(tái)站中有86% 的臺(tái)站R10 mm為增加趨勢(shì)，約有43% 的臺(tái)站增加趨勢(shì)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，這一結(jié)果表明小雨日數(shù)的增加是引起研究區(qū)降水量增加的因素之一。

3.3 極端降水指數(shù)之間的相關(guān)性及其與海拔的聯(lián)系

有學(xué)者研究表明降水與極端降水指數(shù)之間存在密切的聯(lián)系［26，46］，對(duì)高寒內(nèi)流區(qū)極端降水指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），結(jié)果表明：在0.01顯著性水平上，除CDD外，極端降水指數(shù)均與降水量呈正相關(guān)，降水量與R10 mm和R95的相關(guān)系數(shù)分別為0.91和0.81，這一結(jié)果同樣表明小雨日數(shù)及極端降水的增加是引起研究區(qū)降水量增加的因素之一。

表2 高寒內(nèi)流區(qū)極端降水指數(shù)與降水量的相關(guān)性分析Table 2 Correlation coefficients between extremes precipitation in the endorheic area in alpine region and precipitation

極端降水指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系可以較為直觀的反映極端降水［26，46］，CWD 與RX1day、SDII、R95、R10 mm，CDD 與各極端降水指數(shù)的相關(guān)性不顯著，其余大部分指數(shù)之間均呈顯著的正相關(guān)。其中PRCPTOT 與R10 mm、R95、RX5day 的相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.82、0.73，表明極端降水事件具有一致性，總降水量增加，極端降水的頻率、強(qiáng)度、極值也增加。

8個(gè)極端降水指數(shù)中只有PCRPTOT 和R10 mm的變化幅度表現(xiàn)出隨海拔升高而顯著的增加趨勢(shì)（圖7），反映出高海拔區(qū)雨日降水量和雨日天數(shù)的增加，除CWD、RX1day 和RX5day 外其余極端降水指數(shù)均呈隨海拔升高而變化幅度增大的趨勢(shì)，反映了降水量隨海拔上升而增大。CDD最大降低幅度出現(xiàn)在海拔4 500～5 000 m（表3），表明高海拔區(qū)降水量增加，RX1DAY、RX5day、SDII、R95最高的變化幅度發(fā)生在3 000～4 000 m。PCRPTOT 和R10 mm 的最大增加幅度發(fā)生在海拔4 500～5 000 m 之間，且這兩個(gè)指數(shù)的變化幅度均隨海拔上升而顯著增大，表明高海拔區(qū)PCRPTOT 的增加主要是R10 mm 增加的結(jié)果。

表3 不同海拔區(qū)極端降水指數(shù)的變化幅度Table 3 The mean trends per decade of precipitation extremes in categorized elevation ranks

圖7 1961—2017年高寒內(nèi)流區(qū)極端降水指數(shù)變化幅度與海拔的相關(guān)性（R為相關(guān)系數(shù)，P為顯著性）Fig.7 Correlation between elevations and linear trends of extreme precipitation indices in the endorheic area in alpine region during 1969—2017

4 結(jié)論

利用高寒內(nèi)流區(qū)近57 a 逐日降水資料，采用國(guó)際通用的極端氣候指數(shù)，分析極端降水的變化特征及其原因，結(jié)果表明：

（1）1969—2017 年間年均降水量以11.1 mm·（10a）-1的趨勢(shì)顯著增加，在20 世紀(jì)90 年代以后增加趨勢(shì)更加明顯。季節(jié)降水量均呈增加趨勢(shì)，以冬季上升最明顯，變化幅度為6.11 mm·（10a）-1?？臻g上年均降水量呈現(xiàn)出東多西少、南多北少的特征。

（2）極端降水指數(shù)除CDD 外，均呈不同程度的增加趨勢(shì)，其年際變化反映出在進(jìn)入21世紀(jì)后高寒內(nèi)流區(qū)降水向強(qiáng)降水量和日數(shù)更多、強(qiáng)度更強(qiáng)、極值更大、時(shí)間更集中的方向發(fā)展。

（3）極端降水指數(shù)變化的顯著型水平較低且極端降水空間差異性明顯，CWD、PRCPTOT、SDII、RX1DAY、RX5DAY、R95、R10 表現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)的臺(tái)站百分率為5%、64%、42%、60%、32%、35% 和43%，CDD 表現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)的臺(tái)站百分率為5%，極端降水的空間分布反映出高海拔區(qū)雨日天數(shù)的明顯增加。

（4）極端降水事件具有一致性，總降水量增加，極端降水的頻率、強(qiáng)度、極值也增加，小雨日數(shù)增加是降水總量增加的因素之一。高寒內(nèi)流區(qū)極端降水增濕幅度隨海拔升高有增大趨勢(shì)，高海拔區(qū)雨日降水量和雨日天數(shù)的增加是極端降水總量增加的主要因素。

由于利用站點(diǎn)觀測(cè)資料很難獲取高時(shí)空分辨率、時(shí)間一致和空間連續(xù)的降水資料，尤其是高原西部地區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)稀疏，使得高寒內(nèi)流區(qū)極端降水的研究受到很大制約。IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告也指出，降水資料的缺乏會(huì)使評(píng)估結(jié)果存在一定的偏差和不確定性，未來(lái)需要用更長(zhǎng)的時(shí)間序列、更多的數(shù)據(jù)源對(duì)其進(jìn)行全面系統(tǒng)的機(jī)理性研究。