祁連山南麓汛期降水時空分布特征研究

何生錄，嚴應存，張亞珍，韓忠全，，許學蓮張 娟

（1.格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001；3.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001；4.久治縣氣象局，青海 久治 814499）

中國國家氣候變化評估報告新近結果顯示，1990年以來中國氣溫升高趨勢為1.3～1.7℃/（100 a），遠高于早期的評估結果[1]，氣候變暖已成不爭的事實。降水是天氣、氣候變化中的一個重要氣象要素，是水循環(huán)調(diào)節(jié)的重要環(huán)節(jié)[2-3]，降水對全球變暖的響應尤為突出，降水事件的時空分布特征隨著全球氣候變暖發(fā)生了改變[4-6]，致使干旱、洪澇等自然災害頻發(fā)。鑒于此，國內(nèi)諸多學者進行了大量相關研究，申莉莉、李海英等[7-8]對華北地區(qū)不同等級降水特征做了細致分析；張婷等[9-11]分析了華南地區(qū)不同等級降水氣候變化特征及對農(nóng)業(yè)的影響，發(fā)現(xiàn)廣東降水量增加主要由降水日數(shù)的增加引起；李廣霞等[12-14]針對東北地區(qū)降水資源變化進行了多方面的探討；孟麗霞等[15-16]深入分析了西北地區(qū)降水特征及貢獻，得出寧夏六盤山區(qū)降水存在不同的變化規(guī)律，年降水均呈減少趨勢，且存在準14、11 a等變化周期，并發(fā)生了多次突變。學者們對青藏高原[17-19]、新疆[20-21]等復雜地形不同等級降水、極端降水展開了廣泛研究，結果表明青藏高原降水量分布自東南向西北遞減，全區(qū)降水集中度（precipitation concentration degree，PCD）介于0.61～0.71。

祁連山是青藏高原的重要組成部分，其巨大的山體減緩了西風環(huán)流對東部黃河谷地和黃土高原的直接影響[22]，形成中國西北地區(qū)重要生態(tài)保護安全屏障，是黃河流域極為重要的水源補給地，具有特殊的生態(tài)地位。祁連山南麓位于青海省境內(nèi)柴達木盆地北緣，西起當金山口，東、北至青海省界，東西總長800 km，屬大陸性高寒半濕潤山地氣候，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，是祁連山生態(tài)環(huán)境整治、保護和修復的“主戰(zhàn)場”。國內(nèi)學者對祁連山降水的分析研究越來越多，張耀宗等[23]研究發(fā)現(xiàn)，祁連山區(qū)的降水呈明顯的上升趨勢，但區(qū)域差異性很明顯，西段增加最為顯著，且增加開始時間早于西北其他地區(qū)；賈文雄[24]研究表明，降水與地理位置的相關性非常顯著，從東到西降水量逐漸減少，降水的變差逐漸增大；陳志昆等[25]分析祁連山區(qū)降水氣候特征發(fā)現(xiàn)，海拔高度對該地區(qū)降水有較大影響，降水主要發(fā)生在午后和夜間。

對祁連山南麓降水的研究多側重于降水量、降水日數(shù)等降水特征，針對汛期降水強度及降水集中度的研究較為少見。因此，本文通過祁連山南麓長序列汛期降水精細化分析研究，進一步明確祁連山南麓汛期降水時空分布及降水集中期變化規(guī)律，對祁連山南麓水生態(tài)修復、水環(huán)境治理、生態(tài)保護及提升氣象防災減災能力具有極為重要的意義。

1 資料與方法

1.1 資料

選用1961—2019年汛期（5—9月）祁連山南麓大柴旦、德令哈、天峻、托勒、野牛溝、祁連、剛察、門源、大通、互助、樂都、民和等12個國家氣象站逐日降水量資料。資料來自青海省氣象信息中心，其同質(zhì)性和可靠性已經(jīng)過嚴格檢查和質(zhì)量控制。因祁連山南麓特殊的地理和氣候環(huán)境，降雨達到暴雨及以上量級的日數(shù)較少，故結合國家標準《降水量等級》（GB/T 28592-2012），降雨量級按照24 h內(nèi)出現(xiàn)的降水量進行分級，小雨降水量為0.1～9.9 mm、中雨降水量為10.0～24.9 mm、大雨及以上降水量≥25.0 mm。

1.2 方法

采用線性趨勢[26-27]、相關分析、ArcGIS插值分析中反距離權重法和Morlet小波分析，對祁連山南麓汛期降水量、降水日數(shù)、降水強度（降水量除以降水日數(shù)）、降水氣候傾向率及降水集中度等降水表征量的時空分布特征進行分析研究。

降水集中度是對一定時間段產(chǎn)生的降水集中程度的表述，其取值范圍為0～1。降水越集中，則PCD值越接近于1，降水越均勻，則PCD值越靠近于0，其計算公式為[28]：

式中，PCD為降水集中度，Rxi與Ryi分別代表研究站點在研究時段垂直與水平方向的降水量，i為研究時段序列年份，j為研究采用的時間尺度（旬），Ri代表研究時段內(nèi)總降水量，rij為每旬產(chǎn)生的降水量，θj為各旬對應的方位角。

2 結果與分析

2.1 汛期降水量時空變化特征

祁連山南麓汛期降水量為319.2 mm（圖1），占全年降水量的86%，降水以9.5 mm·（10 a）-1的速率呈顯著增加趨勢（P＜0.01）；1967和2019年出現(xiàn)降水量最大值399.5 mm，1991年出現(xiàn)降水量最小值239.0 mm，降水量最大值和最小值相差106.6 mm。從年代際變化來看，除20世紀90年代降水量減少外，其它年代均在增加；2011—2019年降水量最多，為356.3 mm，20世紀60年代降水量最少，為303.0 mm。分析降水量月變化可知，汛期降水量氣候傾向率為1.0～3.3 mm·（10 a）-1，呈增加趨勢，但未通過顯著性檢驗；降水量7月份最多，為81.7 mm，5月份最少，為43.7 mm。

圖1 祁連山南麓汛期降水量和降水日數(shù)變化

空間分布上，汛期降水量為80.0～440.0 mm，呈自西向東逐漸增加趨勢（圖2a）。門源、大通及互助大部是降水高值區(qū)，降水量＞400 mm，其中門源最多，為437.8 mm；大柴旦、德令哈大部是降水低值區(qū)，降水量＜170 mm，其中大柴旦最少，為79.8 mm。分析降水量氣候傾向率發(fā)現(xiàn)，互助、民和降水量分別以-5.9、-0.6 mm·（10 a）-1的氣候傾向率減少，其它站點均增加，其中德令哈、托勒、天峻、野牛溝、祁連、剛察降水氣候傾向率為12.1～24.2 mm·（10 a）-1，均通過0.01的顯著性檢驗。

2.2 汛期降水日數(shù)時空變化特征

祁連山南麓汛期降水日數(shù)為70.2 d（圖1），占全年降水日數(shù)的71%，降水日數(shù)以0.4 d·（10 a）-1呈弱減少趨勢（P＞0.1）；1967年降水日數(shù)最多，為86.1 d，1997年降水日數(shù)最少，為57.3 d，兩者相差28.8 d。從降水日數(shù)年代際變化來看，20世紀80年代降水日數(shù)最多，為72.6 d，20世紀90年代降水日數(shù)最少，為65.3 d，進入21世紀后，降水日數(shù)為71.5 d，呈持續(xù)增加趨勢。汛期降水日數(shù)氣候傾向率為-0.3～0.2 d·（10 a）-1，增減趨勢較小，表明汛期各月降水日數(shù)無明顯變化；降水日數(shù)7月份最多，為16.5 d，5月最少，為11.1 d，這與降水量月變化相一致。

空間分布上，汛期降水日數(shù)為25.7～89.4 d，呈由西向東逐漸增加趨勢，這與降水量分布格局一致。以天峻為分界線，其東部地區(qū)為降水日數(shù)高值區(qū)，除樂都、民和降水日數(shù)為62.8、60.3 d外，野牛溝、祁連、剛察、門源、大通、互助降水日數(shù)均＞80 d；天峻以西是降水日數(shù)低值區(qū)，天峻、托勒降水日數(shù)＞67 d，其余地區(qū)＜60 d。德令哈、大柴旦、天峻降水日數(shù)分別以3.1、1.4、2.1 d·（10 a）-1的氣候傾向率增加，其它站點以-0.3～-3.1 d·（10 a）-1的氣候傾向率減少，門源、大通、互助通過0.01的顯著性檢驗。

2.3 汛期降水強度時空變化特征

祁連山南麓汛期降水強度為4.4 mm·d-1，呈顯著增加趨勢（P＜0.001），2017年降水強度最大，為5.5 mm·d-1，1965年降水強度最小，為3.4 mm·d-1。20世紀60年代降水強度最小，為4.1 mm·d-1，2011—2019年降水強度最大，為4.9 mm·d-1。8月份降水強度最大，為5.1 mm·d-1，5月份最小，為3.8 mm·d-1。

汛期降水強度為3.1～5.2 mm·d-1（圖2b），呈自西向東增加趨勢。德令哈、大柴旦、托勒、野牛溝降水強度均＜4.3 mm·d-1，門源、民和、大通、互助降水強度＞4.7 mm·d-1。祁連山南麓汛期降水強度氣候傾向率呈增加趨勢，大柴旦、民和、樂都、互助增加較小，為0.0～0.1 mm·d-1·（10 a）-1，其余地區(qū)增加明顯，增值均＞0.2 mm·d-1·（10 a）-1。

圖2 祁連山南麓汛期降水量（a）和降水強度（b）空間變化

2.4 汛期降水集中度時空變化特征

由圖3a可知，祁連山南麓汛期PCD氣候傾向率為-0.005·（10 a）-1，呈微弱下降趨勢，PCD多年平均值為0.23，若PCD值小于多年平均值，表明該年降水比較均勻，反之，表明該年降水比較集中。PCD最大值出現(xiàn)在1979和1990年，為0.35，說明這2 a降水最為集中，PCD最小值出現(xiàn)在1988年，為0.13，表明1988年降水最為均勻。PCD在20世紀60—80年代波動較大，30 a中大于和小于PCD平均值的年份交替出現(xiàn)15 a，說明降水集中期和降水均勻期規(guī)律不明顯；進入21世紀后，PCD波動較小，PCD大于平均值的年份有3 a，占比為16%，小于或等于平均值的年份有16 a，占比達84%，表明21世紀后在降水量整體增加的情況下，降水集中程度在減弱處于均勻化，出現(xiàn)極端干旱或極端洪澇災害的可能性減小。

圖3 祁連山南麓汛期降水集中度時間（a）和空間變化（b）

汛期小雨、中雨、大雨及以上量級年平均降水量和降水日數(shù)分別為163.8、126.0、29.4 mm和60.7、8.6、0.9 d，對汛期降水的貢獻率分別為51.3%、39.5%、9.2%和86.5%、12.2%、1.3%，小雨占比最大，對汛期降水起到主導作用，中雨次之，大雨及以上貢獻最小。汛期小雨和中雨的PCD平均值分別為0.21、0.39，氣候傾向率分別為-0.005·（10 a）-1、-0.007·（10 a）-1，均呈微弱下降趨勢；20世紀60年代—21世紀前10 a小雨和中雨的PCD波動較大，PCD大于平均值的年份分別有23和24 a，小于平均值的年份分別有17和16 a，說明小雨降水比較集中，進入21世紀后，小雨和中雨的PCD波動變小，PCD大于平均值的年份各有6 a，小于平均值的年份各有13 a，表明21世紀以來降水比較均勻。

為進一步研究祁連山南麓PCD周期變化特征，對其時間序列進行Morlet小波分析。從圖4a可看出，祁連山南麓汛期PCD存在多時間尺度特征，其中1960—2010年存在5 a左右的周期，低—高交替的震蕩變化較為穩(wěn)定，是汛期PCD變化的第一主周期；在1990年前存在10 a左右的周期變化，出現(xiàn)了低—高交替的準3次震蕩；整個研究時段存在20 a左右的全域性長周期，低—高交替震蕩變化非常穩(wěn)定。分析汛期小雨和中雨的PCD周期變化發(fā)現(xiàn)，小雨PCD在2010年以前存在3～5 a的短周期，1970年—21世紀初存在7～8 a的周期變化，1970—1990年存在13～15 a的長周期。由圖4b可知，中雨PCD在2010年以前存在4～5 a的短周期，1980年以前存在11 a左右的周期變化，還存在21 a左右的全域性長周期變化，2010年中雨PCD增大，曲線至今仍未閉合，預計未來祁連山南麓PCD逐漸趨于集中的現(xiàn)象將會持續(xù)。

圖4 祁連山南麓汛期總雨量（a）、中雨量（b）小波分析

從空間分布來看，汛期PCD平均值為0.15～0.42（圖3b），說明祁連山南麓汛期降水集中度較為均勻；PCD空間分布呈現(xiàn)出明顯的由東向西增加趨勢，這表明祁連山南麓降水由東向西集中度增高。德令哈以西地區(qū)降水集中度較高，PCD值＞0.33，大柴旦出現(xiàn)PCD高值中心，德令哈以東地區(qū)降水集中度較低，門源、大通一帶出現(xiàn)PCD低值中心。PCD空間分布和年降水量空間分布剛好相反，年降水量多的地區(qū)PCD值小，年降水量少的地區(qū)PCD值大。

2.5 汛期降水與坡向、海拔高度的關系

祁連山南麓降水特征不但受海拔高度的影響，而且受所處特殊地形坡向、坡度的影響。將祁連山南麓以托勒為界分成東、西兩段，東段主要受偏南季風暖濕氣流及西太平洋副熱帶高壓的影響，其西南氣流不斷輸送水汽，形成降水，故祁連山南麓東段降水量最多，如門源、大通降水量＞400 mm；西段主要由西風帶天氣系統(tǒng)影響，降水需要的水汽主要來自西風環(huán)流帶來的大西洋冷濕氣流以及山區(qū)對流水汽輸送等，但西風環(huán)流遠程輸送的水汽到達祁連山南麓前不斷減少變干，故祁連山南麓西段降水量最少，如德令哈、大柴旦降水量分別為162.1、79.7 mm。祁連山南麓相對高原季風及偏南季風來說是迎風坡，隨著氣流在迎風坡的抬升形成降水，而北坡為背風坡，在背風坡一面由于山體遮擋，水汽不能越過或者水汽翻越山體而在背風坡形成焚風使水汽銳減，故降水少于南坡。同在祁連山東段南坡的野牛溝、祁連、門源、互助、樂都5站汛期降水量均＞250 mm，而北坡的高臺、張掖、永昌、山丹、武威5站汛期降水量＜170 mm，其中高臺站降水量最少[29]，僅為87 mm。因此，祁連山西段降水少于東段，南坡多于北坡。

進一步對祁連山南麓汛期降水量與海拔高度進行線性擬合，總降水量及各量級雨量均與海拔高度呈非線性關系（圖5），其中大雨及以上雨量與海拔高度的相關性最好，相關系數(shù)達0.67，其余量級降雨量與海拔高度呈弱相關，相關系數(shù)為0.21～0.35。總雨量、小雨量、中雨量和大雨及以上雨量均隨海拔高度的升高而逐漸增加，達到一定高度后又開始減少，其最大值出現(xiàn)的高度分別為：2 534.6、2 751.1、2 528.8和1 977.4 m，對應的最大降雨量分別為360.3、175.7、146.1和45.5 mm，隨著降雨量級的增加，出現(xiàn)極值的海拔高度降低。分析降水隨海拔高度先升后降的原因，是由于隨著海拔高度的上升氣溫逐漸降低，造成上升空氣中飽和水汽壓降低，加強水汽凝結形成降雨，當超過一定的海拔高度后，上升空氣中水汽減少，不易形成降雨。

圖5 總雨量（a）、中雨量（b）和大雨及以上雨量（c）與海拔高度的關系

3 結論

（1）祁連山南麓汛期降水量呈顯著增加趨勢，降水日數(shù)呈弱減少趨勢，降水量和降水日數(shù)均呈自西向東逐漸增加趨勢。降水量高值區(qū)在門源，低值區(qū)在大柴旦；降水日數(shù)野牛溝最多，大柴旦最少；7月降水量和降水日數(shù)最多。

（2）汛期降水強度呈顯著增加趨勢，且由西向東逐漸增加。8月降水強度最大，出現(xiàn)在大通。

（3）汛期PCD呈弱下降趨勢，21世紀后PCD處于均勻化狀態(tài)，PCD存在5 a左右的短周期和20 a左右的全域性長周期變化；空間分布PCD呈明顯的由東向西增加趨勢，年降水量多的地區(qū)PCD值小，年降水量少的地區(qū)PCD值大。

（4）小雨、中雨和大雨及以上雨量隨海拔高度的升高而增加，雨量分別在2 751.1、2 528.8和1 977.4 m高度達到最大值，降雨量級越高，出現(xiàn)雨量最大值的海拔高度越低。