蔡永祥,羅少輝,王 軍,祁棟林,胡馨月
(1.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,青海 西寧 810000;2.西寧市湟中區(qū)氣象局,青海 西寧 811600)
三江源地區(qū)是我國重要的淡水之源,其獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境,營造出獨(dú)有的高海拔、大面積濕地生態(tài)系統(tǒng)[1]。源區(qū)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣影響青海省的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展,也嚴(yán)重制約著江河中下游廣大地區(qū)乃至全國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。同時(shí),三江源區(qū)擁有極脆弱的自然生態(tài)系統(tǒng),是東亞甚至全球氣候變化的“啟動(dòng)區(qū)”和“敏感區(qū)”[3-4]。受全球變暖影響,中國氣候不同年代間也在發(fā)生顯著變化。研究表明,1956-2004年,三江源區(qū)降水量以6.73 mm·10 a-1的幅度減少,降水日數(shù)也呈現(xiàn)減少趨勢[5],但降水強(qiáng)度增加;1960-2010年降水量總體卻表現(xiàn)為增加態(tài)勢,不同源區(qū)季節(jié)降水量也存在顯著差異[6];1961-2012年中國區(qū)域平均降水呈減少趨勢,而高海拔地區(qū)呈增加趨勢[7]。青藏高原氣候自1960年至80年代中后期,為相對(duì)暖干時(shí)期,80年代后期變?yōu)橄鄬?duì)暖濕時(shí)期[8],而三江源區(qū)氣候于1990年后趨于濕潤化[9]。上述結(jié)果的差異可能受選取序列長短、觀測臺(tái)站數(shù)量和研究方法等因素的影響,對(duì)三江源地區(qū)降水量更長序列的時(shí)空演變特征與區(qū)域分布的多方法集成分析尚待進(jìn)一步精準(zhǔn)辨識(shí)。近些年來,人類活動(dòng)和極端氣候出現(xiàn)頻率的增加,深刻影響了源區(qū)生態(tài)環(huán)境。其中,降水量的變化對(duì)三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等諸多方面產(chǎn)生的影響尤為顯著[10]。因此,研究更長序列的降水量時(shí)空演變特征、診斷降水序列突變點(diǎn)、辨識(shí)源區(qū)年、季降水量的變化趨勢,能夠反映三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境對(duì)氣候變化的響應(yīng)。本研究基于線性回歸、氣候傾向率和重標(biāo)極差分析等方法,運(yùn)用最新的降水資料研究源區(qū)降水時(shí)空特征差異及未來變化趨勢,可為三江源地區(qū)水資源可持續(xù)利用和生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性研究提供科學(xué)依據(jù),也為預(yù)測源區(qū)乃至全國的未來氣候變化提供參考。
三江源流域是長江、瀾滄江和黃河源頭區(qū),地處青藏高原腹地,位于31°39′~36°16′N 和89°24′~102°23′E,海拔為3 450~6 621 m,流域面積為36萬km2[11],為典型的高原大陸性氣候。中國氣象局在該地區(qū)現(xiàn)設(shè)氣象臺(tái)站19 個(gè),受各站臺(tái)建站時(shí)間及個(gè)別臺(tái)站遷站影響,有些臺(tái)站氣象數(shù)據(jù)不連續(xù)。為獲取連續(xù)長時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù),將缺測10年以上的臺(tái)站剔除,最終本研究數(shù)據(jù)選用位于該區(qū)域的13 個(gè)氣象臺(tái)站(圖1)。本研究采用唐敏等[4]的區(qū)域劃分方法,將三江源源區(qū)細(xì)劃分為長江源區(qū)(包括曲麻萊、玉樹、五道梁、清水河和沱沱河5 個(gè)站點(diǎn)),瀾滄江源區(qū)(包括囊謙和雜多2 個(gè)站點(diǎn)),黃河源區(qū)(包括興海、達(dá)日、瑪多、久治、瑪沁和澤庫6 個(gè)站點(diǎn))。降水量觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為59年(1961-2019年),為保證降水資料的穩(wěn)定和均一性,所有數(shù)據(jù)經(jīng)過時(shí)間一致性檢驗(yàn)和極值檢驗(yàn)。對(duì)于個(gè)別臺(tái)站的缺測值,以缺測時(shí)刻前后相鄰時(shí)段的值進(jìn)行線性回歸插值代替,且通過了0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)。
圖1 三江源區(qū)氣象站點(diǎn)的地理位置分布Figure 1 Distribution of meteorological stations across the Three-River Headwater region
采用氣象學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行季節(jié)劃分:3月 -5月為 春季,6月 -8月為 夏季,9月 -11月 為秋 季,12月份 -翌年2月為冬季。采用一元線性回歸和滑動(dòng)平均法,擬合三江源流域及各源區(qū)降水序列年際、季節(jié)和月際變化趨勢。序列相對(duì)于時(shí)間變化的相關(guān)性變動(dòng)通過線性回歸進(jìn)行求解[12]?;瑒?dòng)平均采用低通濾波的方式來確定變化趨勢,時(shí)間周期選為5年。采用變異系數(shù)和累積距平來衡量三江源地區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)波動(dòng)特征[13],累積距平分析可通過距平累積值變動(dòng)情況,直觀判斷序列突變點(diǎn)。
累積距平計(jì)算公式為[14]:
式中:xi為某一年或年代的降水量,為某一時(shí)段內(nèi)的平均降水量。各年份累積距平值計(jì)算后,繪制曲線,從其起伏狀況判斷降水量長期演變趨勢,呈上升趨勢,表示增加,反之減少。
運(yùn)用重標(biāo)極差分析計(jì)算H 值(Hurst 指數(shù)),預(yù)測未來三江源地區(qū)降水量變化情形[15-16]。考慮一個(gè)時(shí)間序列,對(duì)于任意正整數(shù)τ ≥ 1,H 值可根據(jù)計(jì)算出的τ 值和極差/標(biāo)準(zhǔn)差的比值,在雙坐標(biāo)系(lnτ,ln R/S)中用最小二乘法擬合式R/S∞τH 得到,根據(jù)該原理可由Matlab 語言直接輸出H 值。計(jì)算相對(duì)簡單,其值可以有效探索非線性系統(tǒng)趨勢變化。H 值為0.5 表示降水序列有隨機(jī)性不存在趨勢變動(dòng),且數(shù)據(jù)相互獨(dú)立;0 ≤ H<0.5 表明具有反持續(xù)性的序列變化,即未來降水變化與過去相反;0.5<H ≤ 1 表示正持續(xù)性。
降水量和降水日數(shù)原數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行預(yù)處理,變異系數(shù)和趨勢顯著性檢驗(yàn)采用SAS 9.0 (SAS Institute,Cary,NC,2010)軟件分析,用最小差異顯著法進(jìn)行多重比較,并進(jìn)行P≤ 0.05 水平的差異顯著性分析及方差分析。在ArcGIS (Esri,Arcgis Server 10.2)下通過反距離加權(quán)插值法繪制降水量的空間分布圖,進(jìn)行流域各季節(jié)降水量和年降水量的空間差異分析,并采用SigmaPlot 10.0 (MMIV Systat Software,Inc.,San Jose,CA)繪制圖。
近59年三江源區(qū)降水量季節(jié)變化較大,降水主要集中在夏、秋兩季,冬季最少,四季的降水量均呈上升趨勢(圖2)。具體而言,春季的平均降水量為76.3 mm,遠(yuǎn)低于夏季(281.0 mm)和秋季(103.2 mm),但是春季降水傾向率最大,達(dá)到5.27 mm·10 a-1,且通過了P<0.05 顯著性水平檢驗(yàn),夏季、秋季、冬季均未通過P<0.05 顯著性水平檢驗(yàn);歷年春季降水波動(dòng)幅度相比其他三季比較平穩(wěn),1995年之前,除1989年降水出現(xiàn)峰值(104.8 mm),其余年份基本低于平均值,1966年僅為45.9 mm,為歷年最低值,但自1997年始,降水呈增加趨勢,基本在平均值以上。夏季的最大和最小值出現(xiàn)在2012年和1978年,極差為113.1 mm,且年份之間浮動(dòng)頻率較大。秋季歷年間多寡交替變化顯著(P<0.05),而冬季降水量最低,平均為10.2 mm,最小年份降水量僅為2.7 mm(1962年)。
圖2 三江源流域1961-2019年降水的季節(jié)變化Figure 2 Seasonal variation in precipitation in the Three-River Headwater region during the period 1961-2019
各源區(qū)降水集中在夏、秋兩季,不同源區(qū)之間的降水略有差異,黃河源區(qū)春季降水量最大,其余三季以瀾滄江源區(qū)最高,而長江源區(qū)四季基本均處于最低值(圖3)。長江源區(qū)、黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū)春季的平均降水量分別為58.89、91.52 和76.23 mm,僅比冬季高,但是該季節(jié)降水傾向率最大(表1),尤
表1 長江源區(qū)、黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū)季節(jié)降水傾向率Table 1 Climatic trends in the rate of seasonal precipitation in the Yangtze River,Yellow River,and Lantsang Headwater region during the period 1961-2019
圖3 三江源區(qū)1961-2019年降水的季節(jié)變化Figure 3 Seasonal precipitation in the Three-River Headwater region during 1961-2019
其是長江和瀾滄江源區(qū)達(dá)到了2.69 和2.80 mm·10 a-1,增濕現(xiàn)象最顯著(P<0.05)。夏季3 個(gè)源區(qū)歷年的降水量多寡交替出現(xiàn),變化趨勢基本一致,降水量最大的瀾滄江源區(qū)達(dá)到了333.62 mm,但是夏季降水傾向率為四季最低的季節(jié)。長江源區(qū)秋季平均降水量為85.51 mm,黃河和瀾滄江源區(qū)平均降水量分別為113.18 和119.03 mm,且呈不顯著上升趨勢(P>0.05),降水傾向率僅為0.01 和0.09 mm·10 a-1。冬季3 個(gè)源區(qū)的平均降水量分別為8.7、10.47 和12.53 mm,降水增速最大的年份為2016-2019年,其中僅黃河源區(qū)通過了顯著性水平檢驗(yàn)(P<0.05)。
三江源區(qū)1961-2019年平均降水量為470.7 mm,多寡交替的波動(dòng)狀變化明顯(圖4),降水傾向率為10.31 mm·10 a-1,呈現(xiàn)上升的趨勢。M-K 檢測結(jié)果表明,年份降水量在95%置信區(qū)間未通過顯著性檢驗(yàn),年份降水系列變化趨勢不顯著(P>0.05)。降水量的最大和最小值年份出現(xiàn)在1969 和2018年,分別為399.3 和589.1 mm,極差值為189.8 mm,為平均降水量的40.2%,年際間振幅變化較大。1961-1966年降水量波動(dòng)較小,在1967年顯著增加,隨后呈波動(dòng)下降趨勢;1971-1989年波動(dòng)幅度較大,1990-2005年降水量小于平均值(除1999 和2003年),自2005年之后呈波動(dòng)上升趨勢。1961-2002年降水量累積距平大致呈下降趨勢,2003-2019年呈上升趨勢,2002年為降水增加突變點(diǎn)。
圖4 三江源區(qū)1961-2019年降水量的年份變化及其累積距平Figure 4 Interannual variation in precipitation and the cumulative change therefrom during the period 1961-2019 in the Three-River Headwater region
不同源區(qū)年均降水量由多到少依次為瀾滄江源區(qū)、黃河源區(qū)和長江源區(qū),多年平均降水量分別為541.4、503.2 和404.4 mm (圖5)。長江源區(qū)最大和最小降水量出現(xiàn)在1984年 (289.9 mm)和2009年(535.3 mm),極差為250.4 mm,屬于相對(duì)少雨地區(qū),但是該源區(qū)的降水傾向率達(dá)到11.6 mm·10 a-1,高于黃河源區(qū)(10.1 mm·10 a-1)和瀾滄江源區(qū)(6.3 mm·10 a-1),增濕效應(yīng)顯著(P<0.05)。黃河源區(qū)最大和最小降水量分別為378.0 mm (1962年)和656.9 mm (2019年),極差278.9 mm,而瀾滄江源區(qū)降水量多寡交替現(xiàn)象最為顯著(P<0.05)。從累積距平上來看,1961-1966年瀾滄江源區(qū)降水量顯著上升(P<0.05),隨后下降,而黃河源區(qū)和長江源區(qū)則變動(dòng)振幅相對(duì)較小,自1966年后,各源區(qū)變化趨勢基本一致,1967-1973年下降,1974-1976年短暫上升后又下降,1979年出現(xiàn)低谷值,1980-1985年降水量增多,90年代初到21 世紀(jì)初期則明顯減少,之后呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。
圖5 三江源區(qū)歷年降水量變化和累積距平Figure 5 Annual precipitation levels and the cumulative departure therefrom of the Three-River Headwater region
表2 三江源區(qū)1961-2019年的年代際降水量Table 2 Chronological characteristics of precipitation during the period 1961-2019 in the Three-River Headwater region
三江源流域每10年的降水量呈現(xiàn)波動(dòng)變化(表2),自1960-1990年降水量呈上升趨勢,在1991-2000年下降,隨后又上升,在2011-2019年達(dá)到了最大值512.82 mm,增濕現(xiàn)象顯著。春、秋兩季的年代際降水量變化與全年趨勢一致;而夏季則為上升、下降交替出現(xiàn)的趨勢,最大降水量在2001-2010年達(dá)到295.45 mm;冬季在1960-1990年表現(xiàn)為上升,2001-2010年下降,隨后又上升至13.17 mm。
三江源流域1961-2019年降水量變化的空間分布(圖6),源區(qū)降水量表現(xiàn)出顯著的空間差異,大致呈現(xiàn)出自東南向西北減少的趨勢。東南部地區(qū)的久治降水量最大,達(dá)到751.0 mm,是三江源平均降水量的1.6 倍;其次為南部的囊謙(538.7 mm)和雜多地區(qū)(536.9 mm);而西北地區(qū)的五道梁和沱沱河僅為299.9 和295.8 mm;黃河源區(qū)各站點(diǎn)降水量變化幅度最大,在327.6~751.0 mm。
圖6 三江源區(qū)1961-2019年降水量的空間特征Figure 6 Spatial characteristics of interannual precipitation during the period 1961-2019 in the Three-River Headwater region
三江源區(qū)不同季節(jié)的降水傾向率在空間上差異較大(圖7),但不同源區(qū)各站點(diǎn)降水量均呈現(xiàn)增加的趨勢,且春、冬兩季的增加量大于秋、夏兩季。春季降水傾向率表現(xiàn)為瀾滄江源區(qū)>長江源區(qū)>黃河源區(qū),最大和最小值分別為五道梁(2.97 mm·10 a-1)與興海(0.28 mm·10 a-1),曲麻萊站點(diǎn)降水傾向率為0.57 mm·10 a-1,為長江源區(qū)最低站點(diǎn),達(dá)日站點(diǎn)降水傾向率為2.52 mm·10 a-1,為黃河源區(qū)最高站點(diǎn)。夏、秋兩季的降水傾向率表現(xiàn)為由西北向東南減少的趨勢,降水增加量夏季小于秋季,但最大值均出現(xiàn)在五道梁地區(qū)。冬季降水量變化的空間分布與其他三季相反,由西北向東南增加,黃河源區(qū)降水傾向率最大。
圖7 三江源區(qū)1961-2019年降水傾向率的四季變化空間特征Figure 7 Spatial characteristics of seasonal precipitation in the Three-River Headwater region during the period 1961-2019
三江源流域年均降水日數(shù)為139.61 d,變異系數(shù)為0.07,呈不顯著性降低趨勢(P>0.05),降水日數(shù)傾向率為-0.01 d·10 a-1(表3);降水日數(shù)以夏天最多,冬天最少,整體上春、冬兩季呈上升趨勢,尤其是春天降水日數(shù)傾向率最大,達(dá)到0.67 d·10 a-1,夏、秋兩季逐漸減少。長江源區(qū)降水日數(shù)小于三江源流域平均值,瀾滄江源區(qū)最大(144.12 d),且該區(qū)降水日數(shù)傾向率也最大,為1.27 d·10 a-1,黃河源區(qū)變異系數(shù)為0.1,降水日數(shù)呈減少趨勢。
表3 三江源區(qū)1961-2019年降水日數(shù)變化特征Table 3 Change in the characteristics of precipitation days during the period 1961-2019 in the Three-River Headwater region
運(yùn)用重標(biāo)極差分析法對(duì)三江源流域近59年的年際和季節(jié)降水量的Hurst 值進(jìn)行計(jì)算 (圖8)。三江源流域年份Hurst 值為0.701 2,四季中最高值為冬季,達(dá)到0.735 4,最低值出現(xiàn)在春季,Hurst 值為0.632 4。各源區(qū)年份Hurst 值表現(xiàn)為長江源區(qū)<黃河源區(qū)<瀾滄江源區(qū),春、夏季長江源區(qū)Hurst 值最大,而秋、冬季Hurst 值最大分別出現(xiàn)在瀾滄江源區(qū)和黃河源區(qū),但是所有值均大于0.5,具有顯著Hurst 現(xiàn)象,表現(xiàn)為正持續(xù)性,未來降水變化呈增加趨勢。
圖8 三江源區(qū)年際和季節(jié)降水量的 Hurst 指數(shù)Figure 8 Hurst indexes of yearly and seasonal precipitation in the Three-River Headwater region
降水時(shí)空演變反映區(qū)域氣候與生態(tài)環(huán)境變動(dòng),可指導(dǎo)人類的生活生產(chǎn)[17-18]。三江源地區(qū)是全球氣候變化的關(guān)鍵區(qū)和敏感區(qū),對(duì)全球氣候有重要的影響和指示作用[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)1961-2019年三江源地區(qū)降水量以10.31 mm·10 a-1的速率增加,這與Deng 等[21]研究結(jié)果一致,表明近年來三江源區(qū)暖濕化增強(qiáng),并且2002年降水量年份累積距平達(dá)到最低值,隨后距平值上升,表明2002年為降水增加突變點(diǎn);但是這與唐紅玉等[5]得出的三江源區(qū)降水量以6.73 mm·10 a-1的幅度減少的結(jié)論相反。降水變化特征存在差異是由于采用的降水?dāng)?shù)據(jù)系列長短不同造成的[22],唐紅玉等[5]的數(shù)據(jù)年代為1956-2004年,而2002年為降水增加突變點(diǎn),2003-2019年降水量累積距平逐漸上升,增濕顯著。因此本研究更能反映近期三江源區(qū)對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)趨勢。三江源地區(qū)草地面積占我國草地總面積的30%,草地植被深刻影響著源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)平衡[23],降水量變化趨勢的研究,可為牧草地的合理布局提供理論基礎(chǔ)。
受經(jīng)緯度、地形起伏和不同季風(fēng)環(huán)流的交替等因素影響,降水量呈現(xiàn)出明顯差異且變化復(fù)雜的區(qū)域特性[24]。不同源區(qū)降水量由小到大表現(xiàn)為長江源區(qū)、黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū),降水與海拔呈反比關(guān)系,但不表現(xiàn)為線性相關(guān),這與強(qiáng)安豐等[13]研究結(jié)果類似。不同源區(qū)降水量多寡交替現(xiàn)象顯著,年極差均超250 mm,大于源區(qū)平均年降水量(470.7 mm)的50%,尤其是2002年之后,降水整體增多,但極差現(xiàn)象也表現(xiàn)出顯著趨勢。由于受南方濤動(dòng)-厄爾尼諾與北大西洋濤動(dòng)因素綜合影響,自西南方向輸送的水汽在近30年增強(qiáng),引起更多的降水[25],也造成了三江源區(qū)極端降水年際波動(dòng)劇烈[26]。三江源區(qū)降水主要集中在夏、秋兩季,春、冬季較少,具有典型的高原大陸性氣候特征;春季平均降水量為76.3 mm,僅較冬季降水量高,但是春季降水傾向率達(dá)到5.27 mm·10 a-1,增濕速率最快。年降水傾向率的增加,與春、冬季增濕密切相關(guān)。春季降水量的增加,可能與我國西北地區(qū)西風(fēng)偏弱,南風(fēng)偏強(qiáng)有關(guān),利于源自西太平洋及印度洋的南方水汽向北輸送[27],并且降水強(qiáng)度也呈增強(qiáng)趨勢。
三江源地區(qū)地形復(fù)雜,氣候條件和氣候變化帶有明顯的空間屬性差異[28]。本研究表明源區(qū)的降水量空間變化表現(xiàn)為自東南向西北減少趨勢,這與郭佩佩等[29]研究結(jié)果一致,與青藏高原整體的降水特征分布相同,可能是由于高原的阻擋,導(dǎo)致西南季風(fēng)無法深入以及東部降水充沛等因素的綜合作用。黃河源區(qū)、瀾滄江源區(qū)和長江源區(qū)的降水量依次減少,但長江源區(qū)降水傾向率最高,說明源區(qū)越干燥的地區(qū)增濕現(xiàn)象越明顯。長江源區(qū)地處高原腹地,受地勢與氣流輸送變化的影響,該區(qū)年、季降水傾向率周期等與黃河、瀾滄江兩源區(qū)差異性較大,降水量變化特征更趨同于青藏高原的降水變化[7],高原氣候特征更顯著。
地形是降水量存在空間差異的主要影響因素,另一方面,全球變暖背景下,不同流域的海拔和下墊面導(dǎo)致各源區(qū)增溫幅度不同,冰川和積雪反饋?zhàn)饔玫乃俾蚀嬖诓町?,也可能間接影響降水[30]。各源區(qū)降水總量呈增加態(tài)勢,但降水日數(shù)呈不顯著性降低趨勢,表明雨強(qiáng)增加,雨水的濺蝕作用可能會(huì)對(duì)土壤造成一定的破壞。運(yùn)用重標(biāo)極差分析得到的Hurst 值均大于0.5,表明未來降水量與過去變化趨勢一致,降水量持續(xù)增加。而源區(qū)降水量的增加可提高淺層土壤含水量[31],利于源區(qū)植被生長發(fā)育。但三江源地區(qū)降水也受控于全球氣候變化[32],作為敏感、脆弱的高原生態(tài)系統(tǒng),微小波動(dòng)的氣候變化也可能導(dǎo)致三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)烈響應(yīng)[19],降水量的變化對(duì)源區(qū)系統(tǒng)的影響(諸如植被、大氣環(huán)流、徑流等)需進(jìn)一步研究。三江源區(qū)地處高原,氣象站點(diǎn)較少,本研究通過反距離加權(quán)插值法,繪制的降水量的空間分布圖,可能存在一定誤差,隨著中國氣象局在三江源區(qū)布置站點(diǎn)的增加,在后續(xù)研究中會(huì)增加更多、更新觀測資料,以準(zhǔn)確地反映該區(qū)降水的時(shí)空分布規(guī)律。
時(shí)間尺度上,1961-2019年三江源區(qū)年平均降水量為470.7 mm,多寡交替的波動(dòng)狀變化明顯,整體呈現(xiàn)逐增趨勢,但降水日數(shù)呈不顯著性降低趨勢。1961-2002年降水量累積距平大致呈下降趨勢,2003-2019年呈上升趨勢,2002年為降水增加突變點(diǎn)。不同源區(qū)間,黃河源區(qū)春季降水量最大,其余三季以瀾滄江源區(qū)最高,長江源區(qū)四季均處于最低值??臻g尺度上,三江源區(qū)年降水量自西北向東南遞增,黃河源區(qū)各站點(diǎn)降水量空間變化幅度最大;春、夏、秋三季的降水傾向率表現(xiàn)為由西北向東南減少的趨勢,但冬季降水傾向率變化相反。降水量長程變化Hurst 值大于0.5,預(yù)測未來降水量變化亦呈增加趨勢。