青藏高原东南缘阿坝州降水变化时空特征及突变性分析

甄 英, 何 静

(1.内江师范学院 地理与资源科学学院, 四川 内江 641199; 2.成都信息工程大学 大气科学学院, 成都 610225)

近百年来,随着全球气候逐渐变暖，导致降水量的时空分布出现变化，同时对局部地区的景观格局及其演变、农林生态系统等产生了深刻影响[1]，局地降水时空变化、效应以及其驱动力研究是近年来学术界的重要方向之一[2]。降水集中度和集中期作为度量降水的非均匀分配指标之一，能够很好地反映过程内降水的时空非均匀性分布特征及其演变过程[3]，很多学者对此进行了研究[4-9]，只是这些研究通常针对非常大区域范围的降水量进行分析，而对局部地区的降水量的时空分布特征及其演变过程进行分析则更能够反映当地的实际状况。阿坝藏族羌族自治州(简称“阿坝州”)位于四川省西北部，地处青藏高原东南缘，地貌以高原和高山峡谷为主，东南部为高山峡谷区，中部为山原区，西北部为高山区。黄河上游、岷江贯穿全境。阿坝州复杂的地形地貌、多样的气候造就了州内丰富的旅游资源、水能资源、生物资源、矿产资源等，同时也带来了干旱、滑坡、泥石流等自然灾害，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。很多学者对不同时间尺度的四川省及省内部分地市州降水进行了研究[10-13]，但对阿坝州的降水研究还尚未见报到。因此，研究分析阿坝州降水的变化趋势及分配规律，对进一步认识研究区内气候的变化和水资源科学利用，及其对区内不同地貌的自然灾害的影响有很好的实际意义。

1 资料和方法

1.1 资料来源

本文选取阿坝州境内的若尔盖(33°35′N，102°58′E)、阿坝(32°54′N，101°42′E)、红原(32°48′N，102°33′E)、松潘(32°39′N，103°34′E)、马尔康(31°54′N，102°14′E)、小金(31°00′N，102°21′E)6个气象站点的1961—2010年逐月、逐年降水实测资料，数据均来源于中国国家气象数据服务网。

1.2 研究方法

1.2.1 年内分配不均匀系数 对于研究区降水的不均匀性分析采用年内分配不均匀系数Cut[1,9]描述，其公式表示为:

(1)

(2)

1.2.2 集中度与集中期 降水集中度(PCD)和集中期(PCP)是利用向量分析的原理定义区域降水量时间分配特征的参数[14-20]，其中PCD能够反映研究时段内降水的集中程度，PCP则可以反映一年中的最大降水量出现的时段，具体计算方法为[21]：

(3)

PCP=arctan(Rxi/Ryi)

(4)

1.2.3 Mann-Kendall非参数检验 Mann-Kendall非参数检验(简称M-K检验法)是一种广泛应用于气温、降水、径流等水文现象的非参数统计检验方法，能很好地揭示时间序列的趋势变化及突变特征[22]。

2 结果与分析

2.1 年降水量整体特征

由图1可以看出，近50 a降水变化范围为400～750 mm，变幅不大，整体呈轻微上升趋势，倾向率为4.25 mm/10 a，这与李川等[11]得出的川西高原降水略有增加结论一致。近50 a内降水量，最大值出现在1993年(685.7 mm)，最小值出现在2002年(461.5 mm)，其多年平均值是571.0 mm。在1961—1974年降水量靠近均值附近，说明变幅整体较小；1975—2010年降水变幅加大，出现旱涝灾害的可能性加大。

阿坝州近50 a降水量在空间上表现出明显的区域差异，呈现出中部最多，向东北部和南部减少的趋势。年降水量最大值中心位于马尔康市，年降水量为648.4 mm，最小值中心为位于南部的小金县，年降水量为514.9 mm，两者相差近134.4 mm。马尔康市和小金县均属于暖温带、温带亚区，海拔均在2 800 m以下，但马尔康市属于高山峡谷地区，受东南部高山峡谷过渡平原迎风坡气流(四川盆地回流天气系统)影响，降水较多；小金县属于干旱河谷地区，受青藏高原背风坡气流(西风带天气系统)影响，降水较少，蒸发强，气候干燥。

2.2 年内分配不均匀性特征

阿坝州降水Cut的时空变化趋势见图2。可以看出Cut整体上呈轻微下降趋势，表明年内降水分配差异逐渐趋于均匀状态。研究区Cut最大值为1.06(1987年)，次大值为1.05(1983年)，最小值为0.79(1991年)，次小值为0.81(1961年)，由于Cut年际变化较大，表明各月降水量相差悬殊，即年内分配很不均匀，这主要是由于阿坝州东南部为高山峡谷区，中部为山原区，西北部为高原区，降水分布不均引起的。降水过多的地方容易出现洪涝灾害，降水过少的地方则容易出现旱情。

图1 阿坝州近50 a降水量时空变化趋势

从Cut的区域分布情况来看，整体呈现出从东部向西北部递增的趋势。Cut最小值中心位于松潘县，海拔在3 000 m以下，最大值位于若尔盖县和阿坝县，海拔在4 000 m以下，它们均属于寒温带气候亚区，所在为丘状高原地区，Cut由0.70增加到1.08，两者相差0.38。从Cut的年代际来看，整体也呈下降趋势，表明降水分配逐渐均匀，其中20世纪60年代不均匀性差异最为悬殊，21世纪以来不均匀性差异最小。

2.3 年降水集中度与集中期分析

2.3.1 集中度变化 阿坝州近50 a的PCD在0.45～0.75变化(图3)，整体呈轻微下降状态。降水PCD多年均值为0.57，最大值出现在1987年，最小值出现在1997年。若PCD值多于多年平均值说明降水集中，反之，则说明不集中。在这50 a中，1978—1994年的PCD值均大于多年平均值，而其他年份的PCD值基本上是小于多年平均值的。同时，PCD值的趋势是逐渐减小，说明在年降水量整体减少的情况下，降水趋于集中分布，出现极端洪涝灾害和极端干旱的可能性增大。

50 a来阿坝州降水集中度在空间上表现为从东向南递增，分别存在一个大值中心和一个小值中心，大值中心位于南部的小金县，小值中心位于东部的松潘县和中部红原县。PCD的空间分布与年降水量的空间分布并不一致，年降水量多的马尔康、PCD值却较小，降水不集中，由此说明年降水量尽管很少但也有可能出现旱涝灾害。

图2 阿坝州降水不均匀系数时空变化趋势

2.3.2 集中期变化 阿坝州近50 a来PCP在0～30候变化(图4)，多年平均值为13.43候(3月初)，最早是0.06候(1月初)，出现在2002年，最晚是26.17候(5月初)，出现在1964年，两者相差26候(131 d左右)。1961—1987年研究区降水量PCP主要呈下降趋势，降水集中期前移；1988—2010年降水量PCP呈稳定变化趋势，23 a中有15 a的PCP小于等于多年均值，说明此阶段降水多出现在3月前。

近50 a来阿坝州降水PCP在空间上表现为从南部、东部向西北部递增的格局，呈现出“南早北晚”的差异。分别存在两个大值中心和一个小值中心，大值中心位于西北部的若尔盖县(21.60候)和阿坝县(20.66候)，小值中心位于南部的小金县(0.61候)。

2.4 集中度与集中期的年代际特征

通过降水PCD与PCP年际变化M-K曲线分析PCD，PCP年际变化特征。PCD整体表现为“升降交替和平稳”5个阶段(图5A)，各阶段变化的时间范围见表1。降水PCD的UF曲线在1961—1989年值大于0，表明序列整体呈上升趋势，1990—2010年值小于0，表明序列整体呈下降趋势，这与图3分析的结果一致。UF与UB曲线交于1986年，但交点在临界线(±1.96)外，那么突变时间就应该是UF曲线超过临界线的时间范围。

图3 阿坝州年降水PCD时空变化趋势

PCP值M-K曲线整体以降为主(图5B)，各阶段变化的时间范围见表1。降水PCP的UF曲线在1961—1975年值大于0，表明序列整体呈上升趋势，1976—2010年值小于0，表明序列呈下降趋势，并且分别在2006年、2008年超过临界值，表明下降趋势显著。UF与UB曲线交于1986年，且交点在临界线之间，那么此交点就应该是突变开始的时间，这与李晓英等[23]研究青藏高原降水得出的时间转折点结论一致。

图4 阿坝州年降水PCP时空变化趋势

图5 降水PCD与PCP年际变化M-K曲线

2.5 降水集中度与集中期的合成分析

采用合成分析法，分别对阿坝州近50 a降水量最多和最少的前5 a进行合成。多水年分别为1993年、1975年、2007年、1983年和1998年；少水年分别为2002年、1997年、1970年、1972年和1986年。分析发现：(1) 多水年的PCD整体比少水年的略大，并且南部地区大于北部地区。PCD大值中心均在小金县，需要特别注意的是降水虽少但集中度高的地方发生局地强降水和干旱的可能性就大；PCD小值中心均在松潘县，降水虽较多但不集中，发生局地强降水和干旱的可能性不大。(2) 多水年的PCP比少水年偏晚。多水年的PCP平均在14.99候，少水年的PCP平均在6.34候，偏晚8.65。PCP最大值中心在阿坝县，其次为若尔盖，最小值中心为松潘，其次为小金。无论是多水年还是少水年阿坝州降水西北部的PCP比其他地方都偏晚。

表1 降水PCD与PCP升降变化趋势表

3 讨论与结论

(1) 趋势变化。年降水量整体呈轻微上升趋势，倾向率为4.25 mm/10 a，50 a增加了21.25 mm。PCD和PCP整体呈下降趋势，年际差异较大；PCD多年均值为0.57，在0.45～0.75变化，PCP多年平均值为13.43候，最早是0.06候，最晚是26.17候，两者相差26候。Mann-Kendall曲线PCD和PCP分别表现为“升降交替和平稳”以及“降升降升”几个阶段。

(2) 空间变化。年降水量表现为从中南部向东北部和南部减少的趋势，最大值中心位于中南部的马尔康县，年降水量为648.4 mm，最小值中心为位于南部的小金县，年降水量为514.9 mm，两者相差近134.4 mm。PCD在空间上表现为从东向南递增，存在一个大值中心和一个小值中心；PCP表现为从东部、南部向西北部递增的格局，呈现出“南早北晚”的差异，存在两个大值中心和一个小值中心。

(3) 合成分析。多水年的PCD比少水年的略大，并且南部地区大于北部地区。PCD大值中心均在小金县，小值中心均在松潘县。多水年的PCP比少水年偏晚，并且西北部的PCP比其他地方都偏晚。PCP最大值中心在阿坝县，其次为若尔盖，最小值中心为松潘，其次为小金。

本文只是初步探讨了阿坝州降水的变化趋势、时空分布特征及突变性分析，关于对其特征的形成机理及影响因素还有待进一步研究。

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