青海省西北诸河61 a来降水演变特征及空间分布研究

杨 阳，时 璐，刘 弢，孙永寿，李 燕

(青海省水文水资源勘测局，西宁 810001)

0 引 言

青海省西北诸河地域辽阔，地形复杂，自然气候条件严酷，生态环境脆弱，对人类的社会发展、生产生活以及环境保护等都提出了巨大挑战。尤其是在大气候转变，极端天气频发的事实背景下，对该地区降水时空分布规律地探讨和研究就具有十分重要的意义，其可以更好地为区域生态环境保护、经济社会发展等领域提供服务。目前，专门针对青海省西北诸河地区降水时空分布规律的研究还相对甚少，本文在青海省第三次评价的基础上，分析研究了青海省典型区域降水量评价方法、降水量分布特征、时空变化规律及未来变化趋势，为今后水资源评价特别是无资料地区的降水分析评价提供借鉴，也为水资源管理提供应用基础和数据支撑。

1 区域概况

青海省的西北诸河流域(以下简称西北诸河)是省内四大一级流域之一，其位于青海省的西北部，主要是由阿尔金山、疏勒南山、祁连山、昆仑山及青海南山环抱柴达木盆地、青海湖盆地以及羌塘高原区组成，地貌复杂多样，垂直分布差异明显。从区域内四周边缘到盆地中心依次为高山、戈壁、固定半固定沙丘和风蚀丘陵、细土平原带、沼泽、盐沼、湖泊等地貌类型[1]，该区域由于地处大陆腹地，海拔较低，四周高山环绕，西南暖湿气流难以进入，所以降水稀少，气候干燥，相对湿度低，水汽含量少，大气透明度好，日照时间长，太阳辐射强，气温较高，无霜期较短。盆地四周为高寒山地，该区地势高峻、气候寒冷，海拔在3 500～6 860 m之间，年均气温在0 ℃以下的时间长达6个月以上。因海拔较高，空气干洁稀薄，造成日照时间较长，太阳辐射较强[2]。

2 西北诸河61 a来降水分析

本文数据基于全国第三次水资源调查评价，收集了甘肃省水文和青海省水文、气象、农牧等部门的实测数据，其数据经整编后刊布，符合客观事实，精度满足分析要求。地形数据采用美国SRTM90 m DEM数据。

2.1 降水量时间序列变化特征分析

收集该区168个站点系列不一的降水资料，对具有30 a以上实测资料的站点，经预处理后插补延长至1956-2016系列。选取该区14个典型雨量代表站1956-2016系列年完整月年资料，统计降水量年内分配比例，利用泰森多边形获取西北诸河流域降水量月年值,并分析降水的集中度、集中期[3]，以反映其年内分配特征；利用趋势检验、滑动T、有序聚类、Lee-Heghinan(里-海哈林)、滑动秩和[4]、去趋势波动(DFA)[5-7]、R/S[8,9]、连续morlet复小波变换[10,11]等多种方法，分别对年际变化的年代际、趋势、突变时期及周期变化进行分析，并对未来的趋势变化进行预测。

2.2 降水量年内变化特征分析

青海省西北诸河1956-2016系列年多年平均降水为668.8 亿m3，占全省的30.3%，根据各代表站年内降水分配统计结果显示，西北诸河降水量年内分配极为不均，主要集中在5-9月，占全年降水量的80.1%～92.2%，形成干湿季分明的单峰式特点；年内最大降水量多出现在6-8月，占全年降水量的21.6%～29.6%；年内最小降水量多出现在11至翌年2月，仅占全年降水量的0.12%～1.48%(见表1)。

西北诸河降水年内分配不均匀程度变幅较大，集中度在0.59～0.77之间，呈微弱上升趋势，表明趋于不均匀化；集中期为179.20°～212.85°之间，呈微弱下降趋势，表明降水集中期有提前表现；不均匀系数有所增加；5-9月降水，呈上升趋势；从年内变化指标的发展趋势看，总体表现稳健(见图1)。

表1 西北诸河代表站年内分配统计表 mm

图1 西北诸河降水年内变化指标过程图Fig.1 Annual variation index process of precipitation in northwest region

2.3 降水量年际变化特征分析

2.3.1 降水量年际变化

1956-2016年西北诸河年降水增加速率9.3 mm/10 a，降水量增加了55.7 mm，全流域内所有代表站年降水量呈上升趋势，且总体呈现东、南部降水量增长速率大于西部增长速率，东、南部地区大部分站点通过了0.05显著水平的检验，降水量显著增加。Cv值随着降水量的减少而增加，最大值出现在最西北的冷湖站为0.80(表2)。

2.3.2 降水量年代际变化

从西北诸河降水量年代统计表看出，西北诸河1956-2016年降水历经了“枯-丰-枯-丰”过程，20世纪50年代末期至70年代降水量偏少9.5%～6.2%，80年代降水量偏多2.4%，90年代降水量偏少4.1%，进入新世纪以来，流域进入丰水期，降水量持续偏多多达15.5%(表3)。

表2 西北诸河年降水量趋势检验表Tab.2 Test table of annual precipitation trend in northwest region

2.3.3 降水量年际变化趋势预测

一阶去趋势波动分析(DFA)法，着重体现时间序列的长程相关性的强弱，而R/S法是对时间序列过去与将来是否存在持续性和反持续性进行分析[5-7]。结合DFA和R/S综合分析和预测，西北诸河降水DAF分析法标度指数约为0.74，R/S分析法Hurst指数都约为0.67，都在0.5～1之间，表明降水时间序列具有长程相关性，呈现趋势增强的状态，降水将来的变化趋势与过去的变化趋势相同，预测将保持持续增加的趋势，持续性较强(图2)。

表3 西北诸河降水量年代际变化统计表Tab.3 Statistic table of interdecadal variation of precipitation in northwest region

图2 西北诸河降水未来趋势分析预测图Fig.2 Analysis and forecast of the future trend of precipitation in northwest region

2.3.4 突变分析

分别采用滑动T(n1=n2=8)、有序聚类、里-海哈林及滑动秩和四种方法对西北诸河年降水时序进行突变分析。从图3可知，4种方法都检测到年降水系列突变年份为2001年，结合西北诸河降水过程综合判断，认为西北诸河年降水量在2001年前后，发生由枯到丰的突变。

图3 突变检验图Fig.3 Chart of abrupt change detection

2.3.5 周期分析

经morlet复小波连续变换分析[7，10,11]，西北诸河降水量全时域存在时间尺度为2、5、9、15和31 a的周期分布，以31 a尺度为主要周期，周期震荡的能量较强，全时域震荡了2.5个周期；5～15 a中等时间尺度周期范围内，尺度的中心在1990年后有所上移(图4)。

图4 西北诸河降水小波周期及小波方差图Fig.4 Wavelet period and wavelet variance of precipitation in northwest region

2.4 降水量空间分布特征及研究

根据所收集的降水资料，对具有30年以上实测资料的站点，经预处理后插补延长至1956-2016系列，对短系列采用比值法给出1956-2016系列降水均值后，依据平面、垂直分布规律定量绘制了降水等值线(图5)。

图5 西北诸河多年平均降水等值线及空间分布图Fig.5 Isograms and spatial distribution of perennial mean precipitation in northwest region

2.4.1 平面分布规律

西北诸河流域地形以山区、纵谷、盆地为主，从降水多年平均等值线图获悉，年降水在地区平面分布上极不均匀，东部多雨，西北干旱，山区降水大于盆地谷地，年降水量亦有东、南部山区向西北盆地递减，年降水变化在18～700 mm之间，最大值出现在石羊河源的冷龙岭，最小值出现在冷湖地区；依据我国年降水量类型带的划分标准[12]，流域由干旱带和严重干旱带组成，其中祁连山西段、哈拉湖盆地、青海湖盆地、茶卡﹣沙珠玉环山地带、可可西里地区以及环柴达木盆地东部、南部山区地带，年降水量较少，在200～400 mm之间，属于干旱区；柴达木盆地和茶卡—沙珠玉盆地腹地，降水量稀少，在200 mm以下，属于严重干旱区(图5)。

2.4.2 垂直分布规律探索

西北诸河地形对水汽的抬升作用明显，降水多以地形雨为主，降水量的垂直差异明显[13-16]，并呈现一定的规律性。流域东北部的祁连山地区和西部柴达木盆地较为典型。

流域东北部的祁连山地区地貌特征十分复杂具有高山、积雪、冰川、山谷、盆地等，降水量的垂直带特性表现明显，山地降水高于平原、河谷。结合祁连山地区省外资料情况，针对该区选取具有代表性的洪水河、西大河和杂木河三条河流，根据各河流沿线不同高程的降水站点观测数据呈现，三条河沿河流不同高程站点的降水与高程变率，海拔每升高100 m，降水量分别增加21、17和18 mm。综合分析，祁连山地区海拔平均升高100 m，降水量平均增加19 mm左右(图6)。

图6 西北诸河东北部祁连山地区降水站点分布及降水-高程曲线图Fig.6 Distribution of precipitation stations and precipitation - elevation curve of Qilian mountains in northwest region

流域西北柴达木盆地四周有阿尔金山、昆仑山和祁连山包围，山体较高，对气流有阻挡和抬升作用，加强了气流的垂直和水平运动，影响气团和锋面活动，使山区降水时间延长，总量增加。结合监测数据所在地区与河流片区，将盆地分为三大片区，分别为柴达木盆地东、南、北部。

降水在垂直变化上随海拔升高而增加，并且多雨区降水随海拔升高的增率大于少雨区。柴达木盆地东、南、北部地区，海拔每升高100 m，降水分别增加35、23和12 mm，降水随海拔升高的增率，盆地东部>南部>北部,与降水量的分布、排序一致(图7)。

图7 西北诸河西部柴达木盆地降水站点分布图及降水-高程曲线图Fig.7 Distribution of precipitation stations and precipitation - elevation curve of Qaidam Basin in northwest region

2.4.3 降水空间分布变化分析

从降水突变时间部分地分析得出，该区域降水突变年份为2001年左右，青海省二次评价系列正好为1956-2000年，选择与二次评价多年平均降水等值线对比，能够更直观地反映，降水在空间上变化。

从图5与第二次评价成果对比看出，降水等值线在空间上分布呈现两点变化：①整体上，降水等值线由四周山区高值向柴达木盆地低值中心递进，犹如“漏斗”形状，降水低值区域的面积在缩减；主要原因是在西北诸河地域的尺度范围内，降水量普遍增加，尤其是进入新世纪以来降水有少转多，进入丰水期。②局部上，山区降水高值区域的增加，例如祁连山-疏勒南山地区、青海南山地区、东南部鄂拉山地区；主要是因为近年来随着降水监测站点的增多、降水垂向规律的探寻，为山区的高值区判断和绘制提供定性定量依据。

3 结 论

通过对青海省内西北诸河流域1956-2016系列年降水数据分析，得以下结论：

(1)西北诸河降水量年内分配极为不均，主要集中在5-9月，占全年降水量的80.1%～92.2%，形成干湿季分明的单峰式特点。集中度在0.59～0.77之间与5-9月降水呈微弱上升趋势，表明趋于不均匀化；集中期为179.20°～212.85°，呈微弱下降趋势，降水集中期有提前表现。

(2)1956-2016年西北诸河年降水增加速率9.3 mm/10 a，降水量增加了55.7 mm，1956-2016年降水历经了“枯-丰-枯-丰”过程，降水量时序具有长程相关性，将来的变化趋势与过去的变化趋势相同，将保持持续增加的趋势，持续性较强。

(3)西北诸河年降水量在2001年前后，发生由枯到丰的突变；降水量全时域存在时间尺度为2、5、9、15和31 a的周期分布，以31年尺度为主要周期，周期震荡的能量较强，全时域震荡了2.5个周期。

(4)西北诸河年降水在地区平面分布上极不均匀，年降水量亦有东、南部山区向西北盆地递减，年降水变化在18～700 mm之间；降水量的垂直差异明显，并呈现一定的规律性，流域祁连山地区海拔平均升高100 m，降水量平均增加19 mm左右；柴达木盆地东、南、北部地区，海拔每升高100 m，降水分别增加35、23和12 mm，降水随海拔升高的增率，盆地东部>南部>北部,与降水量的分布、排序一致。

(5)西北诸河多年平均降水等值线整体上发生由四周山区高值区域向柴达木盆地低值中心递进，降水低值区域缩减的空间变化。

本文仅对青海省西北诸河流域降水时间演变特征和空间分布规律进行了分析，并对未来的趋势变化进行预测，对其影响成因还有待今后进一步分析。

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