1967—2016年黄河上游河曲地区降水变化特征研究

杨春华，燕振宁，周 丹，保广裕，刘 玮

（青海省气象服务中心，青海 西宁810001）

黄河上游河曲地区位于青藏高原东南部， 黄河从阿尼玛卿山南侧自青海省流到甘肃省、 四川省交界处转弯后向北，再由阿尼玛卿山北侧进入青海省，形成U 形走向，流域面积约为2 万km2，流域境内多为东向西的高山峡谷[1]。 黄河上游河曲地区位于33.2°~34.4°N，90.4°~102.3°E，为青海、甘肃、四川三省的交界区。 青藏高原年降水量最多的区域是黄河上游河曲地区，黄河汇水量53%来自这一区域[2]。

近年来研究结果表明， 在全球变暖趋势的大背景下，黄河上游地区的气温增加显著，年降水量呈减少趋势[3~6]。 李林等[3]利用正交经验函数方法（EOF）通过近40 a 来三江源地区16 个气象台站气温、 降水、蒸发资料， 分析了三江源地区近40 a 来气候变化的异常特征及其对生态环境的影响， 结果表明三江源地区气候变化表现出气温升高、 降水减少和蒸发增大的干旱化气候变化趋势；杨建平等[5]利用月气象资料，对过去40 a 江河源气候变化特征进行分析，并与全球、全国、青藏高原进行了比较。 结果表明：江河源区气温具有增暖趋势， 近40 a 两地年平均气温分别增加约0.8 ℃和0.7 ℃，为高原异常变暖区。

目前， 针对气候变暖背景下黄河上游河曲地区各等级降水量和降水日数的全面研究较少， 本文选择有一定研究基础的黄河上游河曲地区作为研究对象， 通过对该地区不同类型各等级降水的气候特征进行研究， 以便更深入地了解黄河上游河曲地区气温和降水的变化情况。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况及资料来源

黄河上游河曲地区位于青藏高原东南部， 横贯该地区的巴颜喀拉山脉，南滋长江，北养黄河。 从久治—若尔盖—红原—玛曲—河南县一带是降水量最大、地面汇水面积集中和径流量最大的地区。 因此，本文选取的黄河上游河曲地区的四川省若尔盖县、红原县和甘肃省玛曲县及青海省的久治县、河南县为研究范围（图1）。 河曲地区属于高原寒温带—亚寒带气候， 年均温度0.6~1.2 ℃， 年均降水量约为590.4~762.2 mm。 研究区的地貌类型主要为丘陵、低山、 河谷阶地、 丘陵和宽谷相间分布， 谷底海拔3500 m 左右，丘顶海拔3800 m 上下，周围山地海拔达4000 m[7]。 研究区青海省的久治县和河南县1967—2016 年的年、月及逐日雨量和气温资料来自青海省气候中心；四川省若尔盖县、红原县和甘肃省玛曲县1967—2016 年的年、月及逐日雨量和气温资料由上述各县气象局提供。气象规范规定，降水量分为降雨量和降雪量两部分，降水日定义为日降水量≥0.1 mm，由降雨日和降雪日组成。日雨量在10 mm 以下为小雨，10.0～24.9 mm 为中雨，25～50 mm 为暴雨。 大中小雪的标准：＜2.5 mm 为小雪，5.0～9.9 mm 为中雪，超过10 mm 为暴雪。四季划分标准：3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12 月—次年2 月为冬季。由于研究区域范围较小，各站海拔高度相差不大，区域平均气温和降水量采用算术平均值。各等级降水贡献定义为各等级降水量除以总降水量。

图1 研究区概况

1.2 方法介绍

1.2.1 Mann-Kendall 趋势检验法

Mann-Kendall 趋势检验是一种分析变化特征的检验方法[11-13]，利用该方法检验黄河上游河曲地区年平均气温和年降水的突变性。 非参数Mann-Kendall 法数据不要求遵循正态分布，但需要时间序列平稳独立。

设原假设H0，数据序列为xn（t=1，2，，n），以ni表示样本xi＞xj（1≤j≤i）的累计数，定义统计量dk：

若xi＞xj时，ni为1，若xi≤xj时，ni为0。

dk的均值E（dk）和方差var（dk）分别为：

定义统计量UF（dk）：

给定显著性水平α，当|UF（dk）|＜Uα/2时，接受原假设H0，即无显著上升或下降趋势；当|UF（dk）|＞Uα/2时，拒绝原假设H0，即存在显著上升或下降趋势，且UF（dk）＞0 表明具有上升趋势，UF（dk）＜0 表明具有下降趋势。 对于逆序列UB（dk）重复上述公式步骤，使得UB（dk）=-UF（dk），UB1=0，若其与UF（dk）存在交点且位于两条临界线内，则交点为突变点。

1.2.2 气候倾向率

用xi表示样本量为n 的某一气候变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归[14]：

式中，a 为回归常数；b 为回归系数。 a 和b 可以用最小二乘法估计。

对观测数据xi及相应的时间ti， 回归系数b 和常数a 的最小二乘估计为：

利用回归系数b 与相关系数之间的关系， 求出时间ti与变量xi之间的相关系数：

b 又称线性趋势项， 把b×10 称为气候变量x 每10 a 的气候倾向率。b 的符号表示气候变量x 的趋势倾向。 b＞0 时，说明随时间t 增加，x 呈上升趋势；b＜0时，说明随时间t 增加，x 呈下降趋势。 b 的绝对值反映了上升或下降的速率， 即表示上升或下降的倾向程度。 相关系数r 表示变量x 与时间t 之间线性相关的密切程度，通过对相关系数r 进行显著性检验来判断气候变量x 变化趋势的程度是否显著。 确定显著性水平α，若＞rα，表明x 随时间t 的变化趋势是显著的，否则表明变化趋势是不显著的。

1.2.3 变异系数

统计量在不同年代的相对变化可以用变异系数来描述。 气象要素的稳定性和均匀性特征可以通过变异系数来反映[15-16]。 变异系数的公式为：

2 黄河上游河曲地区降水量的变化特征

2.1 黄河上游河曲地区年气温和年降水量的时间变化

近100 a 中国升温趋势十分明显，20 世纪90年代升温尤为明显[17]，气温上升了0.4~0.5 ℃，华北、东北和西北是主要的增暖区域[18-22]。 从图2 可以看出，近50 a 黄河上游河曲地区年平均气温上升趋势明显，上升速率为0.315 ℃/10 a，通过0.001 的显著性水平检验。其中，近20 a 增温更为明显，年均气温以0.53 ℃/10 a 的速度增加，比全国其它地区增温幅度明显高[22-23]，且在2002 年后年均气温距平由负值转正值。由此可见，黄河上游河曲地区目前处在气温明显上升的阶段，变暖趋势显著。

图2 1967—2016 年河曲地区年平均气温曲线

应用Mann-kendall 检验法对黄河上游河曲地区气温序列的突变点和趋势进行检验（图3）。 由图3 可以看出，在0.05 的显著性水平下，黄河上游河曲地区1996 年以前气温变化较为平稳，之后气温迅速上升并在2002 年发生突变，气温经历了“平稳—增加”的过程。

图3 1967—2016 年河曲地区气温突变检验

由图4 可知，1967—2016 年黄河上游河曲地区年降水量总体呈下降趋势， 速率为-13.249 mm/10 a，未通过显著性水平检验。

图4 1967—2016 年河曲地区降水量曲线

采用Mann-Kendall 法对黄河上游河曲地区降水量序列进行检验（图5）。 结果显示自20 世纪60年代末降水量呈减少趋势，70—80 年代中期降水量呈明显的增加趋势，80 年代后期至90 年代末呈下降趋势，从90 年代末至今较稳定，降水量经历了“减少—增加—减少—平稳”的过程，且在2001—2004年超过0.05 显著水平临界线。 根据UF 和UB 曲线的交点位置， 确定黄河上游河曲地区降水量下降趋势突变出现在1986 年（图5）。

图5 1967—2016 年河曲地区降水突变检验

2.2 黄河上游河曲地区降水量季节变化趋势

从图6 可以看出，黄河上游河曲地区降水量在季节上分布不均衡。夏季降水量最大，冬季最小。图6 中变化率为气候趋势率，黄河上游河曲地区各季降水量的变化趋势不相同，夏季和秋季降水量整体均呈逐年下降趋势，而春季和冬季呈上升趋势。

图6 河曲地区降水量的季节分布特征

通过分析季节降水量的变化可知， 黄河上游河曲地区1967—2016 年夏季和秋季降水量分别以27.89 mm/10 a、33.81 mm/10 a 的倾向率在减少，而春季降水量以11.53 mm/10 a 的倾向率增加， 冬季以0.673 mm/10 a 的倾向率在增加， 且冬季达通过了0.05 的显著性水平检验，表明冬季是黄河上游河曲地区降水量增加的主要时段。 通过6 阶多项式拟合来分析年代际的变化趋势，黄河上游河曲地区20世纪70 年代春季和夏季降水量比历史均值偏多；20世纪80 年代各季节的降水量均在减少；20 世纪90年代夏季和秋季降水量偏少， 而春季和冬季降水量偏多；而进入21 世纪，夏季和秋季降水量均呈增加趋势。

2.3 黄河上游河曲地区年降水量时间变化

由表1 中可知，1967—2016 年河曲地区春季总降水量呈增加趋势，且中雨量通过了0.01 的显著性水平检验， 小雨量通过了0.05 的显著性水平检验；夏季和秋季总降雨量分别以-27.89 mm/10 a 和-33.81 mm/10 a 的速率呈减少趋势， 夏季小雨量的减少通过了0.01 的显著性水平检验，秋季各等级降水量和降雪量的气候倾向率均为负值； 冬季各等级降水（雪）量的气候倾向率均为正值，且暴雪量增加通过了0.01 的显著性水平检验，总降水量过了0.05的显著性水平检验。 除暴雨量外黄河上游河曲地区平均年降水量均呈逐渐下降趋势， 但均未通过显著性水平检验。

贡献率是反映不同要素占总要素的百分比，表2 中降水贡献率定义为各等级降水量除以总降水量。 由表2 可知，近50 a 对黄河上游河曲地区降水量的贡献最大的是小雨量，其次是中雨量，它们的贡献率之和为75.3%。 2002 年气温突变后，各等级降雨量的贡献率呈增加趋势， 降雪量的贡献率呈减少趋势；各等级降水量的贡献率有一定的变化，暴雨量贡献率增加了1.1%， 这表明近50 a 黄河上游河曲地区强降水事件在气温突变后对年降水量的贡献变大。

表1 1967—2016 年河曲地区四季各等级降水量气候倾向率/（mm/10 a）

表2 1967—2016 年河曲地区各等级降水量对不同尺度总降水量的贡献率/（mm/10 a）

综上所述，近50 a 降雨量的减少是黄河上游河曲地区年降水减少的主要原因， 降雨量的减少是由小雨量和中雨量的减少引起的， 小雨量和中雨量的减少主要体现在夏季和秋季小雨量的减少上。

2.4 黄河上游河曲地区各等级降水日数的的时间变化

从图7 可知，近50 a 河曲地区年降水日数有明显的年际变化， 从长期变化趋势看以2.347 d/10 a的速率减少，通过了0.05 的显著性水平检验。 20 世纪70—80 年代为降水日数的较多期，20 世纪90 年代之后呈减少趋势。利用Mann-Kendall 法检验对黄河上游河曲地区降水日数进行了突变性分析， 发现没有突变点， 降水日数的增减趋势没有达到显著程度。

图7 1967—2016 年河曲地区降水日数的年际变化

1967—2016 年河曲地区四季降水日数的变化与降水量变化极为相似（表3）。 春季总降水日数气候倾向率均为负值，中雨日数增加通过了0.05 的显著性水平检验；夏季中雨日数、小雨日数、暴雪日数和大雪日数呈减少趋势， 小雨日数减少通过了0.05的显著性水平检验； 各等级的降水日数在秋季呈减少趋势； 除小雨和小雪日数外冬季各等级降水日数气候倾向率均为正值， 暴雪日数的增加通过了0.01的显著性水平检验。从全年看，黄河上游河曲地区各等级降水日数除暴雨外呈减少趋势， 其中小雨日数减少通过了0.05 的显著性水平检验，这说明年降水日数减少的主要原因是由小雨日数的减少引起。

表3 1967—2016 年河曲地区各等级降水日数气候倾向率/（mm/10 a）

从表4 可以看到， 近50 a 对黄河上游河曲地区年降水日数贡献最大的是小雨日数，其次是小雪日数， 小雨日数和小雪日数贡献率之和达到了81%。 春季、夏季和秋季降水日数主要以小雨日数为主，冬季以小雪日数为主，贡献率为52.1%。分析各等级降水日数在2002 年气温突变后的贡献率，发现降雪日数贡献率降低， 降水日数的贡献率增加，增加较大的是中雨日数和小雨日数，分别增加了1.1%和1.7%。

表4 1967—2016 年河曲地区各等级降水日数对不同尺度总降水日数的贡献率/%

2.5 降水量、降水日数的稳定性特征分析

图8 给出了1967—2016 年河曲地区降水量变异系数的时间变化。 黄河上游河曲地区降水量在月际尺度上变化相对比较小（绝大多数CV<1.0），表明黄河上游河曲地区四季间降水差异不明显。 降水量变异系数有年代际振荡周期，降水量变异系数在20世纪70 年代末至80 年代呈上升趋势，90 年代呈下降趋势，21 世纪以来又呈上升趋势。

图8 1967—2016 年河曲地区降水量变异系数CV 的时间变化曲线

以2002 年为节点，计算该两气候的变异系数来分析黄河上游河曲地区降水量、 降水日数的变化特征。 从表5、表6 可以看出，近50 a 来黄河上游河曲地区降水量和降水日数变化特征相似， 但各时期的降水量变异系数均大于降水日数变异系数， 表明黄河上游河曲地区降水日数的年际分布比降水量的年际分布更均匀。

表5 气温突变前后黄河上游河曲地区各等级降水量CV 值

表6 气温突变前后黄河上游河曲地区各降水日数CV 值

3 结论与讨论

（1）近50 a 来，黄河上游河曲地区年平均气温以0.315 ℃/10 a 增加， 通过0.001 的显著性水平检验；年降水量以-9.48 mm/10 a 呈下降趋势，年降水日数也呈显著减少趋势，减少率为-15.26 d/10 a。

（2）黄河上游河曲地区年降水量的减少主要是由夏季小雨量减少引起的，2002 年气温突变年后，对年降水量的贡献率增加的是暴雨量， 各等级降雨量的贡献率呈增加趋势， 降雪量的贡献率呈减少趋势。

（3）近50 a 黄河上游河曲地区各等级降雨和降雪日数呈减少趋势， 其中夏季小雨日数的减少是造成年降水日数减少的主要原因，通过0.05 的显著性水平检验；在气温突变后，降雪日数贡献率降低，降水日数的贡献率均增加， 增加较大的是中雨日数和小雨日数，分别增加了1.1%和1.7%。

黄河上游河曲地区是黄河流域重要的汇水区域，是维系黄河中下游生态安全的重要保障，因此分析黄河上游河曲地区降水变化特征具有重要的现实意义。本文研究发现，黄河上游河曲地区年降水量呈减少趋势， 该变化显著增加了黄河中下游流域水生态安全风险，应该引起相关部门重视与关注。研究同时也发现近50 a 黄河上游河曲地区冬季暴雪日数呈增加趋势， 该变化一方面可以为该地区冬季流域水源供给提供有效保障， 但另一方面限制了该地区冬季畜牧业发展，且增加了冬季雪灾发生的概率，有利有弊。 纵观全文，因资料和篇幅的限制，本研究只选取了黄河上游河曲地区5 个国家级气象站点观测资料进行了分析研究，未达到百分比的代表性。文章所选用分析方法过于常规， 虽能准确表征其基本特征，但对于深入分析缺乏支撑。文章在进行变化特征分析的过程中，重点考虑了不同等级降水变化特征，未能对各等级降水之间的联系进行深入的分析，也未对各等级降水量出现所产生的影响做分析。 未来随着科学数据共享范围的扩大， 许多内部使用的气象数据有望获得， 全面的数据加深入的分析研究方法， 未来将对黄河上游河曲地区降水变化特征进行更加深入的分析研究。