近60年青海省極端降水時(shí)空分布特征分析

白 大 勇，曹 矞，張 勇

(1.西藏青藏石油管道有限公司，西藏 拉薩 850000； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430010)

0 引 言

20世紀(jì)中葉以來(lái)，氣候變暖導(dǎo)致極端氣候事件變得更頻繁、更強(qiáng)和更持久，其中極端降水是氣候變暖最具影響的后果之一[1]。大量的研究表明，極端降水會(huì)導(dǎo)致洪澇、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，風(fēng)險(xiǎn)增加，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民安全，已成為全球最受關(guān)注和影響最大的災(zāi)害之一[2-3]。因此，研究極端降水事件是關(guān)系全球政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各方面的重要工作。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注極端降水，針對(duì)極端降水時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因素做了大量的探索性研究。已有研究表明，中國(guó)極端降水具有復(fù)雜的時(shí)空分布特征，夏季旱澇頻發(fā)，南方地區(qū)洪澇嚴(yán)重且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，西北地區(qū)極端降雨顯著增加，華北、東北和西南地區(qū)減少，且極端降水存在年代際差異[4-5]。青海省位于中國(guó)西北高原地帶，是全球氣候變化的敏感區(qū)和關(guān)鍵區(qū)，在全球氣候變暖的背景下，受西風(fēng)帶氣候、高原季風(fēng)和東亞季風(fēng)氣候的影響，青海省降水時(shí)空特征發(fā)生了顯著變化[3，6]。近年來(lái)，該地區(qū)氣象及其引發(fā)的災(zāi)害損失越發(fā)嚴(yán)重，其中尤以極端氣候事件影響最為嚴(yán)重[5]。

江志紅等[7]在對(duì)中國(guó)的氣候模擬場(chǎng)以及極端降水的實(shí)際情況進(jìn)行研究后，預(yù)測(cè)21世紀(jì)的中國(guó)不僅極端降水事件將增多，同時(shí)極端降水強(qiáng)度將進(jìn)一步增強(qiáng)。對(duì)于青海省極端降水的研究中，白淑英等[8]采用 Mann-Kendall 檢驗(yàn)法研究了青海省近50 a的降水時(shí)空格局變化；汪寶龍等[9]采用線性傾向估計(jì)法等方法研究了青海省極端降水事件的變化特征。目前采用累積距平分析法和GIS空間分析法對(duì)青海省進(jìn)行極端降水事件和突變分析的研究較少。因此，本文選取世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)推薦的10個(gè)極端降水指數(shù)，以青海省25個(gè)氣象站1961～2020年逐日降水資料為基礎(chǔ)，采用累積距平、線性傾向估計(jì)及GIS反距離插值，系統(tǒng)分析了青海省近60 a極端降水時(shí)間變化及空間分布格局，以期為區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

青海省位于青藏高原東北部，總面積約72.23萬(wàn)km2。位于31°36′N～39°19′N，89°35′E～103°04′E，地理位置上處于中國(guó)地勢(shì)“三大階梯”的一級(jí)階梯，平均海拔3 000 m以上，總體上呈現(xiàn)東南低西北高的地勢(shì)，其東部地區(qū)為青藏高原與黃土高原過(guò)渡地帶，整體山脈縱橫兼有高原、盆地地形。高壓氣團(tuán)影響顯著，帶有顯著的高原大陸性氣候特征，平均氣溫低，降水較少，日照時(shí)間長(zhǎng)。降水量由東南向西北遞減，因此東部河谷地區(qū)由于氣候相對(duì)濕潤(rùn)海拔較低，成為人口農(nóng)業(yè)集中發(fā)展區(qū)域，而西部地區(qū)人口相對(duì)較少。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：∥data.cma.cn/)。依據(jù)資料的連續(xù)性及各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)等，共選取了符合條件的25個(gè)氣象站(32°N～39°N，92°E～102°E)1961～2020年共60 a逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，并對(duì)青海省內(nèi)各項(xiàng)降水指數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析(見(jiàn)圖1)。

2 研究方法

研究采用推薦的10個(gè)極端降水指數(shù)[7]，包括降水量、降水強(qiáng)度、強(qiáng)降水量等(見(jiàn)表1)，從不同角度反映青海省近60 a的極端降水變化。在極端降水特征研究中，常常使用上述10個(gè)指數(shù)或者以上述指數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行針對(duì)性分析。利用累積距平法探討各降水指數(shù)年際間變化情況，利用ArcGIS繪制不同極端降水指數(shù)均值和傾向率的空間分布圖。

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

2.1 線性傾向估計(jì)法

不同站點(diǎn)研究時(shí)序內(nèi)降水變化趨勢(shì)可以通過(guò)降水量線性傾向率表示[10]，擬合公式如下：

X=a0+a1t

(1)

式中：a0為年際降水量擬合曲線的常數(shù)項(xiàng)；a1為年際降水量擬合曲線的斜率，即線性趨勢(shì)項(xiàng)；t為降水年份。

2.2 累積距平分析法

本研究以青海省內(nèi)各自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的逐日降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算相關(guān)降水指數(shù)并分析其在時(shí)空上的分布特征。對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行距平分析[10]，探討各降水指數(shù)年際間變化情況，以此反映60 a來(lái)青海省地區(qū)極端降水事件的發(fā)生頻率、峰值以及總體數(shù)值的變化趨勢(shì)。

2.3 空間插值

通過(guò)ArcGIS等地理信息處理軟件對(duì)各個(gè)站點(diǎn)1961～2020年各降水指數(shù)平均值進(jìn)行空間插值，繪制等值線圖與趨勢(shì)圖，直觀反映研究區(qū)域60 a間極端降水事件在空間上的分布情況?？紤]研究區(qū)域站點(diǎn)分布與數(shù)量情況，空間插值方法采用以站點(diǎn)間空間距離為主要權(quán)重因子的反距離加權(quán)模型[5]，公式為

(2)

3 結(jié)果與討論

3.1 青海省降水時(shí)空分布特征

3.1.1降水時(shí)間變化特征

1961～2020年青海省年內(nèi)降水分配平均值為365.9 mm，最大值為2018年489.6 mm，最小值為1965年229.9 mm(見(jiàn)圖2)。分析表明，近60 a青海省年降水量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，以1.16 mm/a的速率增加。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，青海省月降水量一般情況為：1～6月降水量逐漸增加，6月的降水量最多，平均值達(dá)到87.5 mm，之后降水量逐漸減小，12月份最小，平均僅3.0 mm?？傮w看來(lái)，全年降水量在時(shí)間上分布極其不均勻，明顯分為干、濕兩季，5～9月為雨季，10月至次年4月為干季。

3.1.2降水空間分布特征

圖3為1961～2020年青海省降水量空間分布圖。由圖可知，有8個(gè)站點(diǎn)的年降水量超過(guò)500.0 mm，集中分布在青海省南部以及東南部，降水量最大值為久治站，多年平均降水量為736.6 mm。降水量在300.0～500.0 mm范圍的主要分布在東部偏北地區(qū)，共計(jì)9個(gè)站點(diǎn)。降水量在300.0 mm以下的站點(diǎn)分布于北部和西部地區(qū)，共計(jì)8個(gè)；降水量最小值為冷湖站，位于青海省西北部，多年平均降水量為16.3 mm。由圖3可以看出，青海省1961～2020年降水表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，降水量從北至南、從西至東逐漸增大。

3.2 青海省極端降水時(shí)空分布特征

3.2.1極端降水時(shí)間變化特征

1961～2020年青海省10個(gè)極端降水指數(shù)的時(shí)間變化如圖4所示。從距平線性分析可知，除SDII、CDD、CWD呈現(xiàn)下降趨勢(shì)外，其余7個(gè)指數(shù)均表現(xiàn)為不同程度的上升趨勢(shì)。其中PRE與R95P增加顯著，說(shuō)明近60 a來(lái)青海省降水總量逐漸增大。從各極端降水指數(shù)的累積距平曲線來(lái)看，各指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)式變化。其中，PRE、R95P年變化相似，自2000年以來(lái)，逐漸增大，由偏少期轉(zhuǎn)為偏多期。R99P、RX1、RX5變化趨勢(shì)相似，近60 a呈現(xiàn)先減少、后增加的趨勢(shì)。從各極端降水指數(shù)的距平圖可知，PRE在1965，1967，1988，2018年發(fā)生4次突變，1967，1988，2018年為降水典型異常偏高年份，1965年為降水典型異常偏低年份。R10和R25變化趨勢(shì)相近，中雨及大雨以上天數(shù)典型異常偏高年份較多，2018年R10和R25為60 a來(lái)最大值。

3.2.2極端降水空間分布特征

從各極端降水指數(shù)的空間插值結(jié)果來(lái)看，表示濕潤(rùn)程度的降水指數(shù)如PRE、SDII等在青海省內(nèi)空間分布大體上呈現(xiàn)自東向西、自南向北遞減的趨勢(shì)，而表示干旱程度的降水指數(shù)如CDD，其空間分布趨勢(shì)正好相反(見(jiàn)圖5)。與PRE指數(shù)的極值區(qū)域在空間上分布于青海省的最東南端與西北端，各個(gè)站點(diǎn)的多年平均總降水量在20.0～750.0 mm之間，多年降水均值為367.5 mm。全省各個(gè)站點(diǎn)中，有56%的站點(diǎn)降水量高于均值，這些站點(diǎn)多分布于青海省東南方，最大值出現(xiàn)在久治站點(diǎn)，位于青海省最東南端的黃南藏族自治州內(nèi)；另外44%的站點(diǎn)位于青海省西北部，其中最小值出現(xiàn)在冷湖站點(diǎn)，位于青海省最西北端的海西蒙古藏族自治州。

與PRE相比，SDII指數(shù)的極值出現(xiàn)區(qū)域更為靠近青海省中心區(qū)域，說(shuō)明兩個(gè)降水指數(shù)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，同時(shí)也受其他氣候環(huán)境因子如海拔、地形及降水天數(shù)等的影響。由圖5可以看出：隨著海拔的升高，PRE和SDII指數(shù)都逐漸降低，而在海拔較低的柴達(dá)木盆地其PRE和SDII指數(shù)反而低于東南部高原區(qū)域，說(shuō)明在該區(qū)域主導(dǎo)降水量的環(huán)境影響因子并非海拔，有可能是因?yàn)椴襁_(dá)木盆地深處內(nèi)陸，東南部的青藏高原以及黃土高原阻擋了海洋暖濕氣流吹入，使得大陸西北方西伯利亞高壓氣團(tuán)成為主導(dǎo)該區(qū)域降水的環(huán)境影響因子。

RX1指數(shù)整體表現(xiàn)為自南向北逐漸遞減，并出現(xiàn)明顯的分級(jí)情況，與其他降水指數(shù)自東南向西北遞減的趨勢(shì)略有差異，其中最小值出現(xiàn)在冷湖站點(diǎn)，與PRE指數(shù)最小值站點(diǎn)一致，而最大值站點(diǎn)出現(xiàn)在青海省最南端的囊謙站點(diǎn)，位于玉樹(shù)藏族自治州；而RX5指數(shù)的最大值出現(xiàn)在曲麻萊站點(diǎn)，相對(duì)于RX1指數(shù)，最大值站點(diǎn)更為靠近青海省中部，同時(shí)也位于青藏高原東北部。其他降水指標(biāo)在大體上與降水量保持相似的分布情況，除最長(zhǎng)無(wú)降水日數(shù)外，大致呈現(xiàn)自東南向西北減少的趨勢(shì)。

綜上所述，青海省的各極端降水指數(shù)會(huì)因海拔的變化受到一定的影響，但在多種影響因素中，極端降水指數(shù)對(duì)于海拔的響應(yīng)程度并不是最突出的，青海省降水指數(shù)的空間分布情況是多種環(huán)境因子如海拔、地形、地理位置等綜合作用的結(jié)果。

3.3 極端降水指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布特征

青海省各站點(diǎn)60 a間總降水量?jī)A向率變化趨勢(shì)如圖6所示，降水傾向率變化范圍在-4.6～27.8 mm/10 a之間，其中降水量減少最快的站點(diǎn)是河南站，年降水量減少速率是4.6 mm/10 a，是唯一呈減小趨勢(shì)的站點(diǎn)。降水量增長(zhǎng)最快的站點(diǎn)是五道梁站，年降水量增長(zhǎng)速率是27.8 mm/10 a。除河南站外，其余站點(diǎn)降水量均逐漸增加，說(shuō)明60 a間青海省地區(qū)降水量整體呈增加趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

本次研究基于青海省逐日降水資料，借助10個(gè)極端降水指數(shù)，分析了1961～2020年青海省降水時(shí)空變化特征，主要得到以下結(jié)論：

(1) 1961～2020年，青海省年降水量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。1～6月降水量逐漸增加，6月的降水量最多，隨后降水量逐漸減小，12月份最小。全年降水量在時(shí)間上分布極其不均勻，明顯分為干、濕兩季，5～9月為雨季，10月至次年4月為干季；青海省降水量空間分布呈現(xiàn)從北至南、從西至東逐漸增大的趨勢(shì)。

(2) 從累積距平分析可知，除SDII、CDD、CWD呈現(xiàn)下降趨勢(shì)外，其余7個(gè)指數(shù)均表現(xiàn)為不同程度的上升趨勢(shì)，說(shuō)明近60 a來(lái)青海省降水總量逐漸增大。PRE在1967，1988，2018年為降水典型異常偏高年份，1965年為降水典型異常偏低年份。R10和R25變化趨勢(shì)相近，中雨及大雨以上天數(shù)典型異常偏高年份較多，2018年為來(lái)最大值。

(3) 根據(jù)ArcGIS空間分析，由青海省各項(xiàng)降水指數(shù)的反距離權(quán)重空間插值結(jié)果可知，除最長(zhǎng)無(wú)降水日數(shù)外，其余降水指數(shù)在青海省內(nèi)空間分布大體上均呈自東向西、自南向北遞減的趨勢(shì)。

(4) 由線性傾向估計(jì)法分析可知，青海省各站點(diǎn)降水傾向率變化范圍在-0.46～2.78 mm/10 a之間，傾向率小于零的站點(diǎn)僅為青海省東南部的河南站，說(shuō)明60 a間青海省地區(qū)降水量整體呈增加趨勢(shì)。