三江源區(qū)近50年降水量變化特征分析

丁生祥, 郭連云

(1.青海省同德縣氣象局, 青海 同德 813201; 2.青海省海南州氣象局, 青海 共和 813099)

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三江源區(qū)近50年降水量變化特征分析

丁生祥1, 郭連云2

(1.青海省同德縣氣象局, 青海 同德 813201; 2.青海省海南州氣象局, 青海 共和 813099)

利用三江源同德地區(qū)1961—2010年的逐月降水資料，采用線性回歸、滑動(dòng)平均、距平分析等方法，分析了該地區(qū)降水的變化特征。結(jié)果表明：三江源同德地區(qū)年降水量總體呈不顯著減少趨勢，具體表現(xiàn)為20世紀(jì)60—80年代和21世紀(jì)10年代降水量偏多，80年代明顯偏高，2000年以后顯著增多；從季節(jié)變化來看，秋、冬季降水量呈不顯著增多趨勢，春、夏季降水量呈不顯著減少趨勢。降水量年內(nèi)分配十分不均，主要集中在5—9月。年降水量在1985年發(fā)生了由多到少的一個(gè)躍變；春季在1970年附近，夏季在1990年附近，秋季在1983年附近發(fā)生了由多到少轉(zhuǎn)折；冬季降水量在1962年發(fā)生了由少到多的突變。

降水; 氣候變化; 變化趨勢; 三江源

氣候是人類賴以生存的重要自然環(huán)境之一，氣候變化在很大程度上制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1-3]。在全球氣候變暖的背景下，近百年來，我國氣溫上升了0.4～0.5℃，且以西北、華北、東北地區(qū)最為明顯[4]。在氣溫升高的同時(shí)，降水量也發(fā)生了變化，但存在著區(qū)域性和不確定性[5-6]。降水是影響水資源利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)管理等的必要因素，還是表征水循環(huán)的重要要素之一，其年際和長期變化對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活有著重要影響，因此研究區(qū)域及全球降水量的分布和變化規(guī)律，對(duì)于分析氣候變化背景下的水循環(huán)以及氣候預(yù)測等具有非常重要的意義[7-9]。近幾十年來,隨著全球氣候變暖,人類活動(dòng)的影響及水循環(huán)加快,降雨特征也隨之發(fā)生了變化,導(dǎo)致了河川地表徑流和洪水的增加[10]。許多研究表明,我國年降水量以12.66 mm/10 a的速率顯著減少[11-12]。近幾十年來青藏高原氣候變化的總體特征表現(xiàn)為氣溫呈上升趨勢[13-16]，黃河源區(qū)的降水量呈減少趨勢[17-18]。降水量的變化對(duì)青海三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境、水資源及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等諸多方面已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的影響[19]。水分是制約其蓄積量和生物量變化的主要因子[20]；而植物的初級(jí)生產(chǎn)量幾乎與降水量存在線性關(guān)系，即隨著降水量的增加，植物生產(chǎn)也隨之增加[21]?？梢娫摰貐^(qū)降水的變化對(duì)生物的生長尤為重要。同德縣地處黃河上游,是青海環(huán)湖牧區(qū)與青南高寒牧區(qū)的過渡地帶,屬于“三江源”自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境較脆弱的地區(qū)，具有典型的高原大陸性氣候特征。對(duì)于氣候變化特別是氣溫和降水的變化對(duì)同德縣生態(tài)環(huán)境、畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響已有一些報(bào)道[22-26]，但是目前專門針對(duì)三江源同德地區(qū)降水變化的研究報(bào)道鮮見。本文利用三江源同德地區(qū)1961—2010年的逐月降水資料，采用線性回歸、滑動(dòng)平均、距平分析等方法，分析該地區(qū)降水的變化特征，以便更好地了解三江源同德地區(qū)降水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)，為脆弱的三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的維系及區(qū)域水資源合理開發(fā)利用提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

1　研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

青海三江源地區(qū)位于中國的西部、青藏高原的腹地、青海省南部三江源自然保護(hù)區(qū)，為長江、黃河和瀾滄江的源頭匯水區(qū)，平均海拔3 500～4 800 m。地理位置為北緯31°39′—36°12′,東經(jīng)89°45′—102°23′，行政區(qū)域涉及包括玉樹、果洛、海南、黃南四個(gè)藏族自治州的16個(gè)縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)，總面積為30.25萬km2，約占青海省總面積的43%。該區(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，表現(xiàn)為冷熱兩季交替、干濕兩季分明、年溫差小、日濕差大、日照時(shí)間長、輻射強(qiáng)烈、無四季區(qū)分的氣候特征。

1.2資料來源

選用三江源同德地區(qū)1961—2010年的逐月降水資料，根據(jù)該地區(qū)氣候特征，按3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—翌年2月為冬季，生成逐季氣象要素序列。30 a平均值按世界氣象組織(WMO)規(guī)定為1981—2010年平均值。

1.3研究方法

1.3.1線性趨勢分析法[27]線性趨勢分析利用計(jì)算氣象要素的時(shí)間序列，以時(shí)間(x)為自變量，要素(y)為因變量，建立一元回歸方程y(x)=a+bx，其中b表示變化傾向率，b值符號(hào)反映上升或下降的變化趨勢。

1.3.2累積距平[28]累積距平也是一種常用的,由曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對(duì)于序列x其某一時(shí)刻t的累積距平表示為：

1.3.3M-K突變檢測利用Mann-KendallRankStatistic方法[27]對(duì)年及四季降水量變化情況進(jìn)行突變檢測。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于檢測范圍寬、人為性少，定量程度高，計(jì)算也比較簡便[28]，可以明確突變開始的時(shí)間，并指出突變區(qū)域。

2　結(jié)果與分析

2.1降水的年際變化特征

由圖1的線性擬合趨勢可以看出，1961—2010年同德地區(qū)的降水幅度大，總體上呈下降趨勢，其年際變化傾向率為-5.0mm/10a，線性相關(guān)系數(shù)為0.096，下降趨勢不顯著，未通過90%的置信水平。同德地區(qū)50a來的年降水量在267.4～598.7mm間變化。年降水量極大值598.7mm出現(xiàn)在1989年，極小值267.4mm出現(xiàn)在2000年，最大、最小降水量相差331.3mm，30a平均降水量為424.8mm。1990—2002年時(shí)間段出現(xiàn)13a降水量低于多年平均降水量。1974—1976年、1983—1985年、2003—2005年和2007—2009年四個(gè)時(shí)間段年降水量多于平均降水量，其中以1974—1976年降水量最多。由五年滑動(dòng)平均趨勢曲線來看，降水量呈下降趨勢，變化幅度不顯著，年降水量隨機(jī)波動(dòng)，2003年開始降水量又呈增多趨勢。

圖11961-2010年同德年降水量逐年變化

由表1可以看出，20世紀(jì)60—80年代降水量波動(dòng)幅度較大，波動(dòng)增長顯著，平均降水量由60年代的426.6mm增加到80年代的459.4mm，同時(shí)，相對(duì)變化率很大，最多降水量和最少降水量之間相差1.87倍。20世紀(jì)90年代降水量最少，較多年值偏少12.59%，期間最多降水量為422.1mm,最少降水量為267.4mm,最多與最少相差154.7mm。進(jìn)入21世紀(jì)10年代，降水量又明顯增多，為各年代第二多值，2008年最多為557.1mm,2006年最少為331.7mm，兩者相差225.4mm。年降水量變化幅度較四季最大，絕對(duì)變率為62.0mm，而相對(duì)變率小于四季，僅為14.6%。

表1　同德地區(qū)年代際平均降水及其與30 a均值相比較的距平值

2.2四季降水的年際、年代際變化特征

從表1可見，20世紀(jì)60年代以來，四季多年平均降水量分別為81.3 mm(春)、246.7 mm(夏)、89.5 mm(秋)和7.2 mm(冬)。

四季降水的貢獻(xiàn)率分別為：春季19.1%，夏季58.1%，秋季21.1%，冬季1.7%，可以看出降水的季節(jié)分配極不均勻，降水量主要集中在5—9月，占全年降水量的86%。四個(gè)季節(jié)降水極端值分別出現(xiàn)在1963年(180.6 mm)和2000年(19.1 mm)、1976年(398.8 mm)和2000年(178.1 mm)、2001年(151.7 mm)和1991年(28.7 mm)、1989年(22.5 mm)和1963年(0.2 mm)。

從表1還可看出，同德地區(qū)夏季降水變化幅度在四季中最大，絕對(duì)變率為42.6 mm，而相對(duì)變率最小，僅為17.3%；冬季則相反，相對(duì)變率最大，為44.4%，而絕對(duì)變率最小，只有3.2 mm，這與冬季降水較小有關(guān)；春、秋季降水變化幅度基本一致，而相對(duì)變率春季略大于秋季。

同德春季(圖2a)降水量呈減少趨勢，線性傾向率為4.15 mm/10 a(R=0.189，p>0.10)。20世紀(jì)60年代春季降水波動(dòng)較大，且在波動(dòng)中明顯增加。1976—1981年和1990—1995年春季降水量低于多年平均值，其余各年在平均值附近上下波動(dòng)。年代際變化(見表1)，春季降水量在20世紀(jì)60，80年代和21世紀(jì)10年代為多雨期，其中以20世紀(jì)60年代為最多。20世紀(jì)70，90年代春季為相對(duì)干旱期，春季平均降水量比60年代分別減少27.0 mm和37.7 mm，其中以90年代干旱最重。21世紀(jì)10年代春季平均降水量大幅度增加，平均降水量(87.1 mm)明顯高于多年平均值(81.3 mm)。

圖2　同德地區(qū)降水季節(jié)變化

夏季(圖2b)降水也呈減少趨勢，線性傾向率為1.74 mm/10 a(R=0.048，p>0.10)。1961—1978年降水量波動(dòng)中上升，1979—2002年在波動(dòng)中持續(xù)減少，2003年后又在波動(dòng)中持續(xù)上升。年代變化特征為：20世紀(jì)60，90年代為少雨期，70，80年代為相對(duì)多雨期，21世紀(jì)10年代與多年值基本持平。在50 a中，夏季最大降水出現(xiàn)在1976年(398.8 mm)，最少降水出現(xiàn)在2000年(178.1 mm)，最大降水量較最少降水量多2.24倍。

秋季降水(圖2c)呈略有增長趨勢，線性傾向率為0.63 mm/10 a(R=0.032，p>0.10)。1990—2000年降水量在平均值以下，1961—1973年呈減少趨勢，1974—1985年、2003年以后在波動(dòng)中增多。從5 a滑動(dòng)平均來看，1981—1989年、2007—2010年為多雨期。從年代際降水量來看，20世紀(jì)60，70，90年代為少雨期，以90年代最旱。20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)10年代為多雨期，比多年平均值偏多10.4 mm和13.8 mm。

冬季降水(圖2d)較秋季降水量增長幅度小，線性傾向率為0.265 mm/10 a (R=0.096，p>0.10)。1961—1973年和1998—2006年期間降水量在多年值平均線以下，1988—1997年冬季降水量最多。年代際變化中，20世紀(jì)70，80年代降水量最多，其他年代降水量少于多年值，尤以60年代最少，較多年值偏少2.8 mm?？傊?三江源同德地區(qū)秋、冬季降水以增加為主要趨勢,但增加幅度較小；而夏、春季降水量主要呈現(xiàn)減少趨勢，四季降水量增加或減少的整體趨勢都不顯著。降水量的增加，主要是受全球氣候變暖，加強(qiáng)了海洋蒸發(fā)和陸地上的蒸散，進(jìn)而促進(jìn)地氣水分循環(huán)加快[29]。該地降水主要源于孟加拉灣暖濕氣流帶來的印度洋水汽，在西南季風(fēng)和地形作用的影響下，水汽輸送過程中補(bǔ)充很少，因而氣流抵達(dá)時(shí)水汽含量甚微，降水量隨之減少[30]。

2.3降水量突變分析

2.3.1降水的階段性趨勢采用了累積距平法來進(jìn)行降水的趨勢分析，計(jì)算同德地區(qū)年、季降水序列的累積距平曲線，從圖3可看出年降水量呈多—少—多—少的趨勢，轉(zhuǎn)折年為1976年，1980年，1989年，2002年。

圖3　同德地區(qū)年降水量累積距平

圖4a春季降水量呈現(xiàn)明顯的多—少—多—少的趨勢，轉(zhuǎn)折年為1975年，1981年，1989年，2001年。從圖4b上可以看出，夏季降水量呈多—少—多—少的趨勢，轉(zhuǎn)折年為1970年，1989年，2002年，2008年。圖4c秋季降水量呈多—少—多—少的趨勢，轉(zhuǎn)折年為1968年，1980年，1985年，2000年。圖4d冬季降水量呈現(xiàn)多—少—多—少的趨勢，轉(zhuǎn)折年為1973年，1978年，1988年，1997年，2003年。

圖4　同德地區(qū)春、夏、秋、冬季降水量累積距平

2.3.2年降水量突變分析對(duì)同德地區(qū)年降水量進(jìn)行突變分析，繪制出正向序列(UF)和反向序列(UB)曲線，并給定顯著水平：a=0.05,臨界值為±1.96(圖5中兩條虛線)。當(dāng)統(tǒng)計(jì)曲線超過臨界值時(shí)，表明上升或下降趨勢顯著，如果統(tǒng)計(jì)曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)間。

圖5　同德地區(qū)年降水量M-K曲線

同德地區(qū)年降水量M-K曲線(圖5)，正向序列(UF)曲線表明年降水量在1976年之前呈現(xiàn)一個(gè)周期性波動(dòng)，1975—1979年和1983—1990年UF曲線大于0，表明這一時(shí)期，年降水量呈上升趨勢，1969—1974年和1991年以后呈下降趨勢，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)干旱時(shí)期。在1962—1964年、1971—1979年和1983—1990年有一個(gè)短暫的上升趨勢，1965—1966年、1968—1970年和1977—1980年有一個(gè)短暫的下降趨勢。雖然在±1.96臨界線之間UF和UB曲線相交于1962年，1969年，1971年，1979年，1980年，1985年附近，但是UF未超過信度線，說明降水量的增加或減少趨勢并不顯著。年降水量在1985年是一個(gè)由多到少的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2.3.3四季降水量的突變分析在春季降水M-K曲線圖6a中，UF曲線和UB曲線存在多個(gè)交點(diǎn)。UF和UB在±1.96臨界線之間相交于1969年，1970年，1972年，2009年，春季降水量在1970年附近發(fā)生由多到少轉(zhuǎn)折，但沒有明顯的突變點(diǎn)。在夏季M-K曲線圖6b中，UF曲線和UB曲線相交于8個(gè)點(diǎn)，分別在1962，1963，1965年，1988年，1990年，1992年，1995年，2003年，2007年左右，1990年是同德夏季降水量由多到少的一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折年。秋季M-K曲線圖6c中，UF曲線和UB曲線相交于6個(gè)點(diǎn)，分別在1963年，1968年，1974年，1976年，1983年，2007年左右，UF曲線在2000年接近信度線，但未超過信度線，1983年是秋季降水量由多到少的一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折年。冬季M-K曲線圖6d中，UF曲線和UB曲線相交于1962年，1963年，1964年，UF曲線在1977年超過信度線，表明冬季降水量在1962年發(fā)生了由少到多的突變，1997年以后冬季降水量持續(xù)減少。

圖6　同德地區(qū)春、夏、秋、冬季降水量M-K曲線

3　討論與結(jié)論

(1) 三江源同德地區(qū)1961—2010年降水量總體上呈減少趨勢，但趨勢不顯著。20世紀(jì)90年代降水量減少最多，但在20世紀(jì)60—80年代和21世紀(jì)10年代降水量總體呈偏多之勢。降水量自20世紀(jì)60年代以來表現(xiàn)為大幅增多，80年代明顯偏高，之后逐漸減少，2000年以后則又顯著增多；從季節(jié)變化來看，春季和夏季降水呈減少趨勢，秋季和冬季降水量則呈增多趨勢，但減少或增多的趨勢均不顯著。春、夏、秋和冬季降水的貢獻(xiàn)率分別為19.1%，58.1%，21.1%和1.7%，可以看出降水的季節(jié)分配極不均勻，降水量主要集中在5—9月，占全年降水量的86%。相關(guān)研究認(rèn)為[18]，近51 a三江源區(qū)年和四季降水量未來變化趨勢，黃河源區(qū)過去降水量為下降趨勢，未來將繼續(xù)下降，但強(qiáng)度不大；夏、秋和冬季降水量過去呈上升趨勢，預(yù)示未來將繼續(xù)上升，以冬季持續(xù)性最強(qiáng)。

(2) 利用累積距平、M-K突變分析對(duì)三江源同德地區(qū)年降水、四季降水的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明，年降水量在1985年是一個(gè)由多到少的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；春季降水量在1970年附近發(fā)生由多到少轉(zhuǎn)折；1990年是同德夏季降水量由多到少的一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折年；1983年是秋季降水量由多到少的一個(gè)明顯轉(zhuǎn)折年；冬季降水量在1962年發(fā)生了由少到多的突變。

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Analysis of Precipitation Variation Characteristics in Three-River Headwaters Region of China in Recent 50 Years

DING Shengxiang1, GUO Lianyun2

(1.Tongde Meteorological Bureau of Qinghai, Tongde, Qinghai 813201, China;2.MeteorologicalBureauinHainanPrefectureofQinghaiProvince,Gonghe,Qinghai813099,China)

Based on the precipitation data form Tongde meteorological station in the Three-River headwaters region during the period from 1961 to 2010, and using the methods of climatic linear regression, 5-year moving average, anomaly analysis, we analyzed the change characteristics of precipitation. The results showed that the annual precipitation in this region presented an overall decreasing trend, which was higher during the period from 1960s to 1980s, and in the 2010s, and which was much higher in the 1980s, and significantly increased after 2000.The precipitation in autumn, and winter did not significantly increase, precipitation trend of spring and summer did not significantly reduce. Annual distribution of precipitation in Tongde area was very uneventful, the precipitation mainly occurred from May to September; annual precipitation had an obvious abrupt change point in 1985, from then on, the annual precipitation began to decline evidently. The abrupt change time occurred in spring is early 1970, and in summer in early 1990, and in autumn in early 1983; winter precipitation abrupt change occurred in 1962.

precipitation; climate change; change trend; the Three-River headwaters region.

2014-09-15

2014-10-09

丁生祥(1972—),男,青海湟中人,工程師,從事氣象業(yè)務(wù)工作。E-mail:453991855@qq.com

P468

A

1005-3409(2015)04-0310-06