1961～2020年三江源地區(qū)候降水變化特征分析

張 青，陳 丹，唐忠濤，白延暉，祁棟林

(1.青海省玉樹藏族自治州氣象局，青海 結(jié)古 815000；2.青海省玉樹藏族自治州雜多縣氣象局，青海 薩呼騰 815300；3.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001；4.青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810001)

降水作為水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)之一，是氣候變化研究的主要對(duì)象，降水變化的研究對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況、植被恢復(fù)狀況、水資源利用及管理具有重要意義。中國區(qū)域的降水以年代際變化為主，西北西部的降水從上世紀(jì)80年代中開始明顯增多，青藏高原地區(qū)屬于季風(fēng)降雨區(qū)，在東亞季風(fēng)、印度季風(fēng)、高原季風(fēng)和西風(fēng)帶系統(tǒng)的共同影響下，降水的局部特征顯著，20世紀(jì)70年代到90年代初期降水變化不大，90年代中后期開始明顯增加，并且青藏高原降水區(qū)域性分布明顯，受地理因素影響較強(qiáng)[1～4]。青藏高原三江源地區(qū)素有“江河源”、“中華水塔”、“亞洲水塔”之稱，是亞洲、北半球乃至全球氣候變化的敏感區(qū)，也是中國乃至世界生態(tài)安全屏障極為重要的組成部分，具有不可替代的生態(tài)戰(zhàn)略地位[5]。

以往的研究大多采用月降水量、季降水量、年降水量來分析降水季節(jié)性特征以及影響因素的關(guān)系，在一定程度上反映出較大區(qū)域內(nèi)降水的基本氣候狀態(tài)和長(zhǎng)期變化特點(diǎn)，但在反映較小功能區(qū)或局部區(qū)域的變化特征研究上還是不夠具體和細(xì)致[6～8]；雖然李曉英等[9]利用近50 a青藏高原69個(gè)氣象臺(tái)站降水資料，得到近50 a來青藏高原降水量總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，并且得到青藏高原降水由東南向西北遞減；黃露等[10]利用ERA-Interim再分析資料，計(jì)算了1979～2015年青藏高原上空大氣可降水量，并分層分析了其空間分布、氣候傾向率及年際和年內(nèi)變化特征；校瑞香等[11]利用青海43個(gè)氣象站的降水和水汽壓資料，計(jì)算了不同功能區(qū)的大氣可降水量和降水轉(zhuǎn)化率，得到可降水量自西向東呈逐漸增加趨勢(shì)，降水轉(zhuǎn)化率形成以青海湖區(qū)為中心的馬鞍型場(chǎng)。

目前對(duì)三江源地區(qū)氣候研究主要在氣候和生態(tài)方面的研究，三江源地區(qū)在過去60 a增溫顯著并且增暖速率是全球平均水平(0.16℃/10a)的2倍以上，同時(shí)大幅高于同緯度及中國區(qū)域，在全球變暖背景下，三江源地區(qū)大部分極端氣候指標(biāo)上升[12]。李林等[13]早期研究表明三江源地區(qū)在21世紀(jì)前表現(xiàn)為氣溫升高、降水減少和蒸發(fā)增大出現(xiàn)干旱化氣候變化趨勢(shì)，在氣候干旱化和人為活動(dòng)的影響下出現(xiàn)了草場(chǎng)退化、湖泊萎縮、河流流量減少、土壤沙化和水土流失等生態(tài)環(huán)境荒漠化問題。從三江源地區(qū)雨季水汽輸送特征來看[14]主要水汽輸入邊界的水汽通量1965～2004年來呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，影響三江源地區(qū)21世紀(jì)前的降水量，對(duì)生態(tài)恢復(fù)不利。進(jìn)入21世紀(jì)后少有對(duì)三江源地區(qū)降水的變化研究分析，隨著國家生態(tài)戰(zhàn)略的布局、青海生態(tài)文明大省的建設(shè)、人工影響天氣的布局，三江源地區(qū)生態(tài)恢復(fù)改觀顯著，本文就三江源地區(qū)著重分析候尺度上降水量的變化特征，為三江源生態(tài)恢復(fù)建設(shè)工程提供技術(shù)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

青藏高原為亞洲內(nèi)陸高原，是中國最大、世界海拔最高的高原，被稱為“世界屋脊”、“第三極”。三江源地區(qū)是青藏高原的腹地和主體，可可西里山及唐古拉山脈橫貫其間，海拔為3335～6564 m，地理位置為北緯31°39′～36°12′，東經(jīng)89°45′～102°23′，總面積為30.25×104km2，約占青海省總面積的43%，高大山脈的雪線以上分布有終年不化的積雪，雪山冰川廣布，是中國雪山、冰川集中分布地之一(圖1)。河流密布，湖泊、沼澤眾多，是世界上海拔最高、面積最大、濕地類型最豐富的地區(qū)。也是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的源頭匯水區(qū)，面積按流域分為：黃河源區(qū)面積16.7×104km2，占三江源地區(qū)總面積的46%；長(zhǎng)江源區(qū)面積15.9×104km2，占44%；瀾滄江源區(qū)面積3.7×104km2，占10%。長(zhǎng)江總水量的25%，黃河總水量的49%和瀾滄江總水量的15%都來自于三江源地區(qū)，使這里成為我國乃至亞洲的重要水源地，素有“江河源”、“中華水塔”、“亞洲水塔”之稱。區(qū)內(nèi)氣候?qū)偾嗖馗咴瓪夂蛳到y(tǒng)，為典型的高原大陸性氣候，在自然地理上占有非常重要的地位。

圖1 三江源地區(qū)高程及氣象站點(diǎn)分布圖

2 資料與方法

2.1 資料

本文選取了三江源地區(qū)興海、同德、澤庫、雜多、囊謙、曲麻萊、玉樹、清水河、瑪多、大武、達(dá)日、久治、五道梁和沱沱河等14個(gè)氣象觀測(cè)站，1961～2020年逐日降水量數(shù)據(jù)。1981～2010年為歷史氣候。

2.2 方法

2.2.1 線性傾向估計(jì) 用xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程：

(1)

方程(1)可以看做一種特殊的、最簡(jiǎn)單的線性回歸形式。它的含義是用一條合理的直線表示x與其時(shí)間t之間的關(guān)系。方程中a為常數(shù)，b為回歸系數(shù)。a和b可以用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。

(2)

其中

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析。

2.2.3 變異系數(shù) 變異系數(shù)反映數(shù)據(jù)離散程度，當(dāng)需要比較兩組數(shù)據(jù)離散程度大小的時(shí)候，如果兩組數(shù)據(jù)的測(cè)量尺度相差太大，或者數(shù)據(jù)量綱的不同，直接使用標(biāo)準(zhǔn)差來進(jìn)行比較不合適，此時(shí)就應(yīng)當(dāng)消除測(cè)量尺度和量綱的影響。

變異系數(shù) C·V=(標(biāo)準(zhǔn)偏差SD / 平均值Mean)×100%

變異系數(shù)小于15%，表示數(shù)據(jù)波動(dòng)穩(wěn)定，屬低變異，變異系數(shù)在15%～80%之間為中等變異，大于80%為高變異。

3 結(jié)果分析

3.1 候降水量的氣候狀態(tài)

三江源地區(qū)1961～2020年候平均降水量總體呈正態(tài)分布(圖2)。候平均降水量最大出現(xiàn)在38候(20.19mm)，約占全年4.3%，候平均降水量最小出現(xiàn)在68候(0.22mm)約占全年0.05%；62候至次年12候(除10候外)候平均降水量基本低于1.0 mm，降水較少且氣候干燥；13候至61候候平均降水量≥1.0 mm，其中降水集中分布在30候至53候(跨越候數(shù)為24候，期間降水約占全年75.9%，各候降水量≥10 mm，這與青海省主汛期在6、7、8月份降水集中情況和全年占比一致。從變異系數(shù)來看，變異系數(shù)呈兩峰一谷分布，5候最高(215.9%)，68候次之(200.4%)，最低為32候(40.0%)；其中27候至54候變異系數(shù)緩慢波動(dòng)變化，54候至68候開始變異系數(shù)逐漸增大，68候至次年27候轉(zhuǎn)入變異系數(shù)減小階段，說明27候至54候期間候平均降水歷年變化不明顯，呈常年穩(wěn)定狀態(tài)，而54候至68候和68候至次年27候變異系數(shù)較大，期間候平均降水變化波動(dòng)較大。

圖2 三江源地區(qū)候降水量變化及候變異系數(shù)

3.2 候平均降水量年際變化

三江源地區(qū)1961～2020年候平均降水量總體呈上升趨勢(shì)(圖3和表1)，氣候傾向率為0.16 mm/10 a，并通過了0.01顯著性檢驗(yàn)，多年候平均降水量為6.5 mm，候平均降水量最多是2018年為8.3 mm，1969年最少為5.5 mm。從9年滑動(dòng)曲線來看，近60年來三江源地區(qū)候平均降水量變化大致為3階段：1961～1988年候平均降水緩慢上升，氣候傾向率為0.05 mm/10 a，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)，1989～2002年候平均降水量呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.57 mm/10 a，通過0.05顯著性檢驗(yàn)；2003年候平均降水量開始轉(zhuǎn)入上升階段，氣候傾向率為0.39 mm/10 a，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)。

圖3 三江源地區(qū)候平均降水量年際變化

從累積曲線變化來看，20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)00年代初期，累積距平曲線呈下降趨勢(shì)，期間候平均降水量比歷年候平均降水量偏少的年份有28 a，占比66.7%，比歷年候平均降水量偏多的年份有14 a，占比只有33.3%，說明該階段為降水偏少期，三江源地區(qū)氣候偏干；21世紀(jì)00年代初期以后，累積距平曲線呈上升趨勢(shì)，期間候平均將水量比歷年候平均降水量偏多的年份有15 a，占比83.3%，比歷年候平均降水量偏少的年份只有3 a，占比16.7%，表明該期間為降水偏多期，說明進(jìn)入21世紀(jì)初期三江源地區(qū)氣候由偏干轉(zhuǎn)入偏濕。

6、液壓油管疲勞折損。液壓油管由于油壓變化頻繁和油溫高，致使管壁張馳頻繁，極易出現(xiàn)疲勞折損釀成事故。為有效延長(zhǎng)液壓油管的使用壽命，最好是用細(xì)鐵絲燒成彈簧放入油管內(nèi)作支撐。

表1 三江源地區(qū)候平均降水的階段趨勢(shì)變化

表2給出了三江源地區(qū)候平均降水量的年代際距平變化。可以看出，三江源地區(qū)20世紀(jì)60年代、70年代和90年代距平均為負(fù)，表明候降水量比歷史氣候值偏少，20世紀(jì)80年代、21世紀(jì)00年代和10年代距平為正，表明候降水量比歷史氣候值偏多。

表2 三江源地區(qū)候平均降水的年代際距平變化

圖4給出了三江源地區(qū)各候降水量氣候傾向率。三江源地區(qū)1961～2020年各候中降水量為正的候數(shù)有56候(約占77.8%)，氣候傾向率為負(fù)的候數(shù)有16候(約占22.2%)，說明1961～2020年三江源地區(qū)各候降水量總體呈增加趨勢(shì)。分段來看候降水量氣候變化率大致可分為兩個(gè)階段：39候至55候氣候傾向率波動(dòng)變化降水有增有減，降水增加的候有7候(約占41.2%)，降水減少的候有10候(約占58.8%)，說明近60年期間候降水量整體持平，無明顯增多或減少；56候至次年38候除6個(gè)候(約占10.9%)呈減少趨勢(shì)外，其他49個(gè)候(約占89.1%)降水呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，說明該期間1961～2020年候降水量整體增多明顯。候降水變化增加最明顯的候?yàn)?3候(1.15mm/10a)，其次是53候(1.00mm/10a)，30候次之(0.96mm/10a)，減少最明顯的候是49候(-0.68mm/10a)，其次是42候(-0.66mm/10a)，28候次之(-0.42mm/10a)。

圖4 三江源地區(qū)降水量候氣候傾向率

3.3 氣候突變前后差異

青海省平均氣溫在1997年發(fā)生突變[12]，以1997年為界來分析三江源地區(qū)降水在氣溫突變前后的變化關(guān)系。從候平均降水量在突變前后差值來看(圖5a)，候平均降水量差值為正值的候有51個(gè)候，占候總數(shù)的70.8%，突變后第30候降水增加最多，增加了4.6 mm，53候次之增加3.7 mm；候平均降水量差值為負(fù)值的候有21個(gè)候，占候總數(shù)的29.2%，突變后降水減少最多的候?yàn)?2候和50候，分別減少5.2 mm和5.1 mm；總體來說氣溫突變后候平均降水量增加明顯。變異系數(shù)在氣溫突變前后差值來看(圖5b)，變異系數(shù)差值為正值的候有34個(gè)候，占候總數(shù)的47.2%；變異系數(shù)差值為負(fù)值的候有38個(gè)候，占候總數(shù)的52.8%，總體來說降水候變異系數(shù)在氣溫突變前后無明顯變化規(guī)律。

從降水量氣候傾向率在氣溫突變前后的變化關(guān)系來看(圖6)，氣溫突變前氣候傾向率呈增加趨勢(shì)的候有40候，占總候數(shù)的55.6%，呈減少趨勢(shì)的候有32候，占總候數(shù)的44.4%；氣溫突變后氣候傾向率呈增加趨勢(shì)的候有49候，占總候數(shù)的68.1%，呈減少趨勢(shì)的候有23候，占總候數(shù)的31.9%；說明氣溫突變后，降水量增加趨勢(shì)的候數(shù)明顯增多；并且候降水量增加速率明顯大于突變前；表明三江源地區(qū)候降水量在1997年氣溫突變后降水增加趨勢(shì)顯著，有利于三江源地區(qū)生態(tài)的恢復(fù)。

圖5 突變前后降水量與變異系數(shù)差異

圖6 降水量氣候傾向率突變前后關(guān)系

3.4 雨季開始結(jié)束時(shí)間確定

以降水相對(duì)系數(shù)的大小來衡量雨季開始和結(jié)束[15]，通過計(jì)算各站確定候平均降水相對(duì)系數(shù)達(dá)到1.5，并且連續(xù)兩候以上，則前面一候確定為雨季開始候，反之為雨季結(jié)束候。按此標(biāo)準(zhǔn)求得三江源地區(qū)降水起止候與持續(xù)候數(shù)(表3)。

從整體來看，三江源地區(qū)雨季開始候?yàn)榈?0候，雨季結(jié)束候?yàn)榈?3候，雨季持續(xù)了24個(gè)候，充分驗(yàn)證了3.1中降水集中分布在30～53候，可以判識(shí)三江源地區(qū)自5月31日起全面進(jìn)入雨季，維持約118 d，于9月25日結(jié)束。

從各站來看雨季開始時(shí)間在第26～34候之間，最早進(jìn)入雨季的是果洛久治地區(qū)(5月10日)，最晚進(jìn)入雨季的是可可西里的五道梁與沱沱河(6月20日)；雨季結(jié)束時(shí)間在第46～57候之間，雨季結(jié)束最早的是果洛瑪多地區(qū)(8月20日)，雨季結(jié)束最晚的是果洛久治地區(qū)(10月15日)；雨季持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的是久治，持續(xù)32候(約159d)，雨季持續(xù)最短的是瑪多，持續(xù)14候(約67d)。

表3 三江源地區(qū)降水起止與持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

利用1961～2020年60 a三江源地區(qū)14個(gè)氣象站點(diǎn)的候降水資料，分析降水量變化特征得到以下結(jié)論：

(1)三江源地區(qū)候降水量的氣候狀態(tài)呈正態(tài)分布，其中降水集中分布在30～53候(持續(xù)候數(shù)為24候，約占全年33.3%)，各候平均降水量≥10 mm，期間候變異系數(shù)緩慢波動(dòng)變化，說明期間降水常年保持平穩(wěn)狀態(tài)，54候至次年29候變異波動(dòng)先增后減形成雙峰狀態(tài)，期間候降水變化降水變異波動(dòng)最大的是第5候(215.9%)，68候次之(200.4%)。

(2)三江源地區(qū)候降水年際變化呈顯著增加趨勢(shì)，候平均降水量以0.16 mm/10 a的速率增加，各候降水量的氣候傾向率為正的候數(shù)有56個(gè)候(約占77.8%)，增加最明顯的候?yàn)榈?3候(1.15mm/10a)。三江源地區(qū)20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)00年代初期，為降水偏少期；進(jìn)入21世紀(jì)后，降水明顯增多，說明進(jìn)入21世紀(jì)三江源地區(qū)氣候轉(zhuǎn)濕。

(3)三江源地區(qū)候平均降水量在1996年氣溫突變前后降水變化明顯，氣溫突變后候平均降水量差值為正值的候有51個(gè)候，占候總數(shù)的70.8%；氣溫突變后氣候傾向率呈增加趨勢(shì)的候有49候，占總候數(shù)的68.1%，并且候降水量增加速率明顯大于氣溫突變前，表明三江源地區(qū)候降水量在氣溫突變后降水增加趨勢(shì)顯著，有利于三江源地區(qū)生態(tài)的恢復(fù)。

(4)三江源地區(qū)最早進(jìn)入雨季的是果洛久治、最晚是五道梁與沱沱河，雨季結(jié)束最早的是果洛瑪多、結(jié)束最晚的是果洛久治；雨季持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的是久治、最短的是瑪多；三江源地區(qū)雨季開始候?yàn)榈?0候(5月31日)，雨季結(jié)束候?yàn)榈?3候(9月25日)，雨季持續(xù)了24個(gè)候，持續(xù)約118 d。