1964—2014年青海省三江源地区日降水格局分析

李　璠，肖建设，颜亮东

(青海省气象科学研究所， 青海 西宁 810001)



1964—2014年青海省三江源地区日降水格局分析

李璠，肖建设，颜亮东

(青海省气象科学研究所， 青海 西宁 810001)

三江源位于青藏高原腹地，是气候变化敏感区，尤其对降水变化十分敏感。利用1964—2014年三江源地区13个气象站的日降水资料，对三江源地区降水量、降水日数、降水间隔期分等级探讨。结果表明:1964—2014年三江源地区年均降水量为467.48 mm，自2000年起呈现显著增加趋势，降水量以中等强度以上的降水为主，导致年降水量发生变化的主要原因是强降水量的影响；年均降水日数为137.83 d，以中等强度以下的降水日数为主；每年降水间隔期次数为40.06次，以≤5 d的间隔期为主，占总间隔次数的83.55%；三江源13个气象站降水量资料显示，久治县降水最稳定，沱沱河最不稳定。同时，以历年降水量与生产力研究为基础，降水是三江源西部地区生产力变化的主要限制因子之一。三江源地区干旱年份与极端弱降水量年份吻合，可初步断定年降水量和降水日数增加，>5 d间隔次数减少可减缓三江源地区干旱发生及干旱化程度。

三江源；降水量；降水日数；降水等级；间隔期

青海省地处青藏高原东北部，其气候变化具有明显的高原特色[1]，干旱少雨，植被稀疏，对全球气候变化响应十分敏感[2]。位于青藏高原腹地、青海省南部的三江源以其独特的自然地理和气候条件孕育出具有丰富动植物资源的天然“宝库”，一直以来，备受众科学家的青睐。然而，进入20世纪80年代以来，随着全球性气候变化的暖干化趋势，三江源地区冰川萎缩、雪线上升、湖泊湿地面积缩小、草地面积退化、土地沙化等一系列环境问题严重影响农牧民的生产生活，也导致长江、黄河等河流中下游地区旱涝灾害频发[3]。导致这些问题的原因归结起来包括全球气候变化和人类活动频繁。其中降水是影响三江源地区水资源和生态环境的主要气候因子之一。

IPCC第五次指出，全球平均地表气温上升，全球降水将会增加，气温每升1℃全球平均降水的增长率将低于大气水汽的增长率，降水可能增加1%·℃-1～3%·℃-1。前期研究结果认为降水没有明显的变化特征[4]，但全球和区域降水由于人类活动发生显著的变化[5]。尽管如此，研究均显示不同地区对全球变化的响应不尽相同。对降水而言，不同区域甚至会出现完全不同的响应格局[6]。许多低纬度地区的降水在增加，中纬度大部分地区降水量在减少，高纬度地区的降水量在增多[7]。我国年降水量趋势变化存在明显的区域差异[8]。西北大部分地区的年降水量变化存在差异，西北东部降水减少、西部降水增加[9]，且出现干湿转型。长江中下游地区年降水量呈正的趋势[10]。华北平原年降水量无明显变化趋势，从20世纪80年代中后期开始，由多雨期转为少雨期，2000年以后，降水量恢复到多年平均水平[11]。青海省年降水量总体上呈现小幅增加趋势[12]。

目前关于三江源地区降水变化的研究主要集中在年、季和月等较长时间尺度上[13-15]，唐红玉等[16]对三江源地区降水变化做了较深入的研究，利用1956—2004年这50年的降水资料分析了年降水量、降水日数和降水强度的变化。基于以上研究，本文利用1964—2014年的日降水资料对近51年的降水量、降水事件、降水间隔期等内容展开研究，分析三江源地区日降水格局及其时间变化特征，阐明降水变化与草地生产力、干旱灾害以及湖泊变化的关系，可提高对三江源地区生态环境保护和建设工作的认识。因此，对三江源地区日降水格局变化方面的研究有重要的理论意义与实际应用价值。

1　材料与方法

1.1研究区概况

三江源地区位于青藏高原腹地，介于31°39′～36°16′N、89°24′～102°23′E[17]，海拔3 450～6 621 m，是我国长江、黄河及澜沧江的发源地，其南北边缘分别为唐古拉山脉和昆仑山脉，南缘为唐古拉山脉西段，最高峰为长江源头的格拉丹东，北缘为中昆仑山脉东段，山地之间为宽阔的宽谷湖盆带，区内气候具有气温低、降水少、风速大的特点[18]。

图1三江源气象台站分布

Fig.1Distribution of meteorological stations in Three-River Source Area

1.2资料方法

本文所用资料采用1964—2014年三江源地区13个地面气象台站的逐日降水数据(图1)。结合站点日降水资料对青海省各功能区降水变化特征进行分析。同时利用各功能区年降水量时间序列，以时间为自变量，以年降水量为因变量，建立一元回归方程[19]：

y=b1x+b0

(1)

式中，b0为截距，b1为斜率。b1×10称为变化倾向率，并通过检验方程的显著性判断年降水量变化趋势的显著与否。此外，利用近51年的年降水日数和不同等级降水情况作为自变量，年降水量为因变量，其中有的自变量对因变量的影响不是很大，而且自变量之间可能不完全独立，采用逐步回归分析，判断各降水因子对年降水量的影响大小。另外，本文采用相对变率来说明该地区降水量的稳定程度，即变率大的地区，年际降水不稳定，公式如下：

(2)

用M-K检验检测1964—2014年三江源地区年平均降水量的突变，给定显著性水平α=0.05，即u0.05=1.96。

1.3降水强度的分级

本文采用气象因子分析中适合干旱、半干旱地区的降水强度分级Zhang等[20]的非参数化方案进行降水强度分级。如果某个气象要素有n个值，将这n个值按升序排列X1，X2，…，Xm，…，Xn，某个小于或等于Xm的概率P为：

P=(m-0.31)/(n+0.38)

(3)

式中，m为Xm的序号。参考西北地区日降水量强度分级[21]，探讨青海省三江源地区各强度降水的特征。本文考虑到三江源区降水特征为雨热同季，降水期日降水量为3.82mm·d-1，均衡描述各等级降水事件，故对该地区日降水量进行5个强度的分级，如表1划分。

表1　青海省日降水强度分级

2　结果与分析

2.1三江源地区季节降水特征

1964—2014年三江源地区月降水量和月降水日数呈正态分布(图2)，月均降水量为38.96 mm，主要在5—9月，7月达到高峰(图2(a))，这5个月的降水量占年降水量的86.12%。月均降水日数为18.03 d，1—7月表现为缓慢上升，9—12月明显下降，5—9月的降水日数表现为平稳且较高(图2(b))。该时段是三江源地区牧草生长的关键时期，因此，5—9月降水量和降水日数的多少直接影响牧草产量。

图2降水的季节分配

Fig.2Seasonal distribution of precipitation

2.2降水量年际变化特征

青海省三江源地区1964—2014年降水资料表明，年均降水量为467.48 mm，变异系数10.21%，最大降水量为578.97 mm，最小降水量为404.79 mm，变化倾向率为10.29 mm·10a-1，且这一变化趋势显著(图3)。年降水量主要集中在中等强度以上的降水范围内，较强降水量占年均降水量的26.58%，强降水量占年均降水量的47.61%，其次是较弱>中等>弱(图4)，依次占年均降水量的12.05%、10.81%、2.95%。

对近51年三江源地区年均降水量的检测发现，自1996年起年降水量有一明显的增加趋势，2000年这种增加趋势超过显著性水平0.05临界线，表明三江源地区年降水量的增加趋势十分显著(图5)。

图3　青海省降水量的年际变化

图4　青海省不同等级降水量及降水日数的变化

图5降水量的M-K突变检验

Fig.5M-K mutation test of precipitation

2.3降水日数

近51年来，青海省三江源地区降水日数呈上升趋势(图3)。年降水日数为137.83 d，变异系数7.46%，年降水日数最多为167.23 d，年降水日数最少为118.00 d，变化倾向率为1.16 d·10a-1，降水日数以中等强度以下的降水日数为主，弱降水日数最多，达46.73 d，占总降水日数的33.90%，其次是较弱>较强>强>中等(图4)，依次占年均降水日数的27.04%、15.60%、12.21%、11.25%。

2.4降水间隔期

近51年来，三江源地区每年降水间隔期发生次数为40.06次，变异系数为12.62%，其中间隔期≤5 d的次数最多，每年达33.47次，占总间隔次数的83.55%，>5 d的次数占总间隔次数的16.45%。随着间隔期时间的增大，其每年频次呈下降趋势(图6(a))。1964—2014年，间隔期≤5 d的次数呈波动性变化，变异系数为16.42%，1964—1979年呈上升趋势，1980—1988年、2000—2014年呈下降趋势；间隔期>5 d的次数基本呈平稳变化，变异系数为24.70%(图6(b))。

2.5不同强度等级降水的变化特征

从不同强度降水比例可知(表2)，中等强度以上的降水(较强降水和强降水)占降水日数的27.81%，但在该时间内所产生的降水量占全年降水总量的74.18%。其中，强降水日数占总降水日数的12.21%，降水量占总降水量的47.61%，同时强降水日期主要集中在6—9月，这说明三江源地区降水在时间上较为集中，也进一步反映三江源地区雨热同期的特征。

图6降水间隔期分布及年变化

Fig.6The frequency distribution and inter-annual variability of interval period

降水量以中等强度以上的降水为主，降水日数以中等强度以下的降水为主，且中等强度以上的降水较为集中。近51年来，弱强度的降水日数呈下降趋势，其余强度的降水日数呈上升趋势，其中，较强等级和强等级降水日数的趋势变化显著，其余等级降水日数变化趋势不显著。各等级降水量除了弱降水量呈下降趋势外，其余各等级降水和年降水量均呈上升趋势，中等强度以上的降水量和年降水量的上升趋势通过0.05显著性检验，其余均不显著(图7)。

根据1964—2014年三江源地区13个县的降水资料，对各县降水相对变化率进行分析，三江源地区降水变化率在8.44%～20.00%之间(图8)，分布规律呈现出沱沱河>五道梁>兴海>玛多>泽库>曲麻莱>玉树>囊谦 >玛沁>杂多>清水河>达日>久治，表明久治县年降水较稳定，而沱沱河年际间降水总量变化相对不稳定。

注：*表示达到显著性水平(P<0.05)。下同。

Note: * means significant differences at the 0.05 level. The same below.

图7不同等级降水的变化趋势

Fig.7Trend of precipitation for different precipitation types

2.6年降水量与各降水因子的关系

近51年来青海省三江源地区年降水量呈缓慢增加趋势(图3)。降水量的多少对该地区旱作农业和牧草生长具有重要意义[22]。逐步回归分析剔除对年降水量影响较小的因素，并通过标准化回归系数(去除量纲因素)的大小可判断其影响程度，即Beta值越大，对年降水量的影响越大。以不同等级降水量、不同等级降水日数、>5 d的间隔次数和≤5 d的间隔次数为自变量，年降水量为因变量进行逐步回归分析。结果显示，以较强降水量、较弱降水量、强降水量、中等降水量、弱降水量和弱降水日数为自变量，模拟出的模型效果最好。根据标准化回归系数(表3)，判断出三江源地区年降水量发生变化的主要原因是强降水量的影响，其次是较强降水量，其余各因子的影响依次为中等强度降水量>较弱强度降水量>弱降水量>弱降水日数。

表2　不同等级降水比例

表3　年降水量与降水因子的标准化回归系数

注：**表示达到极显著性水平(P<0.01)。

Note: ** means extremely significant differences at the 0.01 level.

3　讨　论

三江源地区水汽主要来源于孟加拉湾，受西南季风和地形因素双重作用的影响，年降水量的空间分布由东南向西北方逐渐减少，自然降水是该地区地下水、土壤水和地表水的主要来源[18]。本文基于气象观测数据，分析了1964—2014年三江源地区日降水分布的变化规律。

1) 三江源地区年降水量的空间分布为果洛东南部最大，极大值出现在久治县，年降水量达749.71 mm，其次是玉树南部，降水较少的是玉树西北部的五道梁地区，极小值出现在沱沱河地区，年降水量仅为290.02 mm。 1964—2014年年降水资料表明，年均降水量为467.48 mm。同时，该地区以中等强度以上(较强降水和强降水)的降水为主，且近50年来，这两个强度等级的降水日数和降水量呈显著增加趋势。降水量与气温是影响三江源地区径流变化的最主要的两个气候因素，张士锋等[23]利用1965—2004年三江源区径流资料研究发现，径流在1994年突变减少。易湘生等[24]基于1961—2010年月气温资料研究发下，三江源地区年平均气温在1997年后显著增温，本文研究表明，降水量在2000年发生显著增加。

图8各县降水相对变化率

Fig.8Relative change rates of precipitation in every county

张士锋的研究结果表明，三江源的降水对径流的驱动作用为正值，降水增加则径流增加，降水减少则径流减少，但随着气温的变化其对径流的驱动作用会发生变化。气温通过潜在蒸发改变径流的输出，降水直接改变径流的输入。1964—2014年年降水量以10.29 mm·10a-1的速率发生着显著变化(P<0.05)，考虑到三江源地区气温明显增加，降水增加后径流量是否能增加，还需要从气候因子综合作用的角度下对该问题进一步论证。

2) 降水量与三江源地区气候生产力具有正相关性，即随年均降水量的增加，三江源地区由气候因素所决定的产量增加[25]。位于三江源西部的唐古拉山镇中西部和治多西部是典型的干旱半干旱区，降水是该地区主要的限制因子之一。降水量的增加有助于三江源西部生态系统生产力的增加。同时，降水量的多少与旱涝灾害和雪灾的程度密切相关。春、夏、秋季偏旱出现的频率在20.8%～27.8%之间，干旱出现的频率在5.3%～0.3%之间，大旱出现的频率在1.7%～4.8%之间[18]。另外，北方很多地区微量降水日数减少，是近年来干旱化趋势的一个重要特点[26]。1984年是三江源地区最为典型的干旱年份，1989年是最为典型的大涝年份[18]，从图3中显示，1984年的降水日数为近50年的极小值，1989年的降水日数为极大值。由此可见，降水日数的增加可以减缓三江源地区的干旱程度。从引起干旱的时间考虑，较长的降水间隔期影响干旱程度，图6(b)反映无降水日数>5 d的次数有所减少。因此，本研究表明，三江源地区年均降水量和降水日数增加，>5 d的间隔期次数减少，均可以减缓三江源地区干旱发生及干旱化程度。

4　结　论

与以往研究不同，三江源地区年降水量以9.38 mm·10a-1的速度呈显著增加趋势。年降水量主要集中在中等强度以上的降水范围内；年内降水分布不均，主要集中在5—9月份；降水日数以中等强度以下的降水日数为主；沱沱河-五道梁地区年际降水不稳定；年降水量增加主要受强降水日数增加的影响。

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Precipitation pattern of Three-River Source Area in Qinghai from 1964 to 2014

LI Fan, XIAO Jian-she, YAN Liang-dong

(Institute of Qinghai Meteorological Science Research, Xining, Qinghai 810001, China)

Three-River Source Area is situated on Tibet Plateau, which is very sensitive to climate change, especially to precipitation. Based daily precipitation data from 1964 to 2014 in Three-River Source Area, precipitation amounts, precipitation days, inter-precipitation periods at different levels were analyzed. The results showed that annual precipitation amount was 467.48 mm in Three-River Source Area, increased significantly since 2000. The amount was dominated by high/moderate precipitation amounts, mainly due to changes from heavy precipitation. Annual precipitation day was 137.83d, dominated by low/moderate precipitation days. The inter-precipitation period was 40.06 times, dominated by inter-precipitation period of ≤5 d, accounting for 83.55%. Data from 13 meteorological stations were collected, suggesting that the precipitation of Jiuzhi was most stable, rather not Tuotuohe. In addition, precipitation was one of primary limiting factors, according to the study of precipitation and production in Three-River Source Area. Occurrence periods of drought and light precipitation were consistent, indicating annual precipitation amounts and days were increased and >5 d inter-precipitation period were decreased, relieving the occurrence of drought and its severity.

Three-River source area; precipitation amount; precipitation days; precipitation grade; inter-precipitation period

1000-7601(2016)05-0282-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.43

2015-06-20

青海省科技厅重点项目“青海牧区轮牧的精细规划与管理模式研究”(2012-n-529); 中国气象局行业专项“气候变化背景下农业气象灾害对我国农业生产影响的评估技术”(GYHY201106021)

李璠(1987—)，女，甘肃陇南人，工程师，主要从事遥感监测与农牧业气象方面的研究工作。E-mail：fanwacai@163.com。

S162.3

A