祁连山南麓汛期降水时空分布特征研究

2022-05-28何生录严应存张亚珍韩忠全许学莲张

沙漠与绿洲气象 2022年2期

何生录，严应存，张亚珍，韩忠全，，许学莲张娟

（1.格尔木市气象局，青海格尔木 816099；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海西宁 810001；3.青海省气象科学研究所，青海西宁 810001；4.久治县气象局，青海久治 814499）

中国国家气候变化评估报告新近结果显示，1990年以来中国气温升高趋势为1.3～1.7℃/（100 a），远高于早期的评估结果[1]，气候变暖已成不争的事实。降水是天气、气候变化中的一个重要气象要素，是水循环调节的重要环节[2-3]，降水对全球变暖的响应尤为突出，降水事件的时空分布特征随着全球气候变暖发生了改变[4-6]，致使干旱、洪涝等自然灾害频发。鉴于此，国内诸多学者进行了大量相关研究，申莉莉、李海英等[7-8]对华北地区不同等级降水特征做了细致分析；张婷等[9-11]分析了华南地区不同等级降水气候变化特征及对农业的影响，发现广东降水量增加主要由降水日数的增加引起；李广霞等[12-14]针对东北地区降水资源变化进行了多方面的探讨；孟丽霞等[15-16]深入分析了西北地区降水特征及贡献，得出宁夏六盘山区降水存在不同的变化规律，年降水均呈减少趋势，且存在准14、11 a等变化周期，并发生了多次突变。学者们对青藏高原[17-19]、新疆[20-21]等复杂地形不同等级降水、极端降水展开了广泛研究，结果表明青藏高原降水量分布自东南向西北递减，全区降水集中度（precipitation concentration degree，PCD）介于0.61～0.71。

祁连山是青藏高原的重要组成部分，其巨大的山体减缓了西风环流对东部黄河谷地和黄土高原的直接影响[22]，形成中国西北地区重要生态保护安全屏障，是黄河流域极为重要的水源补给地，具有特殊的生态地位。祁连山南麓位于青海省境内柴达木盆地北缘，西起当金山口，东、北至青海省界，东西总长800 km，属大陆性高寒半湿润山地气候，生态系统脆弱，是祁连山生态环境整治、保护和修复的“主战场”。国内学者对祁连山降水的分析研究越来越多，张耀宗等[23]研究发现，祁连山区的降水呈明显的上升趋势，但区域差异性很明显，西段增加最为显著，且增加开始时间早于西北其他地区；贾文雄[24]研究表明，降水与地理位置的相关性非常显著，从东到西降水量逐渐减少，降水的变差逐渐增大；陈志昆等[25]分析祁连山区降水气候特征发现，海拔高度对该地区降水有较大影响，降水主要发生在午后和夜间。

对祁连山南麓降水的研究多侧重于降水量、降水日数等降水特征，针对汛期降水强度及降水集中度的研究较为少见。因此，本文通过祁连山南麓长序列汛期降水精细化分析研究，进一步明确祁连山南麓汛期降水时空分布及降水集中期变化规律，对祁连山南麓水生态修复、水环境治理、生态保护及提升气象防灾减灾能力具有极为重要的意义。

1 资料与方法

1.1 资料

选用1961—2019年汛期（5—9月）祁连山南麓大柴旦、德令哈、天峻、托勒、野牛沟、祁连、刚察、门源、大通、互助、乐都、民和等12个国家气象站逐日降水量资料。资料来自青海省气象信息中心，其同质性和可靠性已经过严格检查和质量控制。因祁连山南麓特殊的地理和气候环境，降雨达到暴雨及以上量级的日数较少，故结合国家标准《降水量等级》（GB/T 28592-2012），降雨量级按照24 h内出现的降水量进行分级，小雨降水量为0.1～9.9 mm、中雨降水量为10.0～24.9 mm、大雨及以上降水量≥25.0 mm。

1.2 方法

采用线性趋势[26-27]、相关分析、ArcGIS插值分析中反距离权重法和Morlet小波分析，对祁连山南麓汛期降水量、降水日数、降水强度（降水量除以降水日数）、降水气候倾向率及降水集中度等降水表征量的时空分布特征进行分析研究。

降水集中度是对一定时间段产生的降水集中程度的表述，其取值范围为0～1。降水越集中，则PCD值越接近于1，降水越均匀，则PCD值越靠近于0，其计算公式为[28]：

式中，PCD为降水集中度，Rxi与Ryi分别代表研究站点在研究时段垂直与水平方向的降水量，i为研究时段序列年份，j为研究采用的时间尺度（旬），Ri代表研究时段内总降水量，rij为每旬产生的降水量，θj为各旬对应的方位角。

2 结果与分析

2.1 汛期降水量时空变化特征

祁连山南麓汛期降水量为319.2 mm（图1），占全年降水量的86%，降水以9.5 mm·（10 a）-1的速率呈显著增加趋势（P＜0.01）；1967和2019年出现降水量最大值399.5 mm，1991年出现降水量最小值239.0 mm，降水量最大值和最小值相差106.6 mm。从年代际变化来看，除20世纪90年代降水量减少外，其它年代均在增加；2011—2019年降水量最多，为356.3 mm，20世纪60年代降水量最少，为303.0 mm。分析降水量月变化可知，汛期降水量气候倾向率为1.0～3.3 mm·（10 a）-1，呈增加趋势，但未通过显著性检验；降水量7月份最多，为81.7 mm，5月份最少，为43.7 mm。

图1 祁连山南麓汛期降水量和降水日数变化

空间分布上，汛期降水量为80.0～440.0 mm，呈自西向东逐渐增加趋势（图2a）。门源、大通及互助大部是降水高值区，降水量＞400 mm，其中门源最多，为437.8 mm；大柴旦、德令哈大部是降水低值区，降水量＜170 mm，其中大柴旦最少，为79.8 mm。分析降水量气候倾向率发现，互助、民和降水量分别以-5.9、-0.6 mm·（10 a）-1的气候倾向率减少，其它站点均增加，其中德令哈、托勒、天峻、野牛沟、祁连、刚察降水气候倾向率为12.1～24.2 mm·（10 a）-1，均通过0.01的显著性检验。

2.2 汛期降水日数时空变化特征

祁连山南麓汛期降水日数为70.2 d（图1），占全年降水日数的71%，降水日数以0.4 d·（10 a）-1呈弱减少趋势（P＞0.1）；1967年降水日数最多，为86.1 d，1997年降水日数最少，为57.3 d，两者相差28.8 d。从降水日数年代际变化来看，20世纪80年代降水日数最多，为72.6 d，20世纪90年代降水日数最少，为65.3 d，进入21世纪后，降水日数为71.5 d，呈持续增加趋势。汛期降水日数气候倾向率为-0.3～0.2 d·（10 a）-1，增减趋势较小，表明汛期各月降水日数无明显变化；降水日数7月份最多，为16.5 d，5月最少，为11.1 d，这与降水量月变化相一致。

空间分布上，汛期降水日数为25.7～89.4 d，呈由西向东逐渐增加趋势，这与降水量分布格局一致。以天峻为分界线，其东部地区为降水日数高值区，除乐都、民和降水日数为62.8、60.3 d外，野牛沟、祁连、刚察、门源、大通、互助降水日数均＞80 d；天峻以西是降水日数低值区，天峻、托勒降水日数＞67 d，其余地区＜60 d。德令哈、大柴旦、天峻降水日数分别以3.1、1.4、2.1 d·（10 a）-1的气候倾向率增加，其它站点以-0.3～-3.1 d·（10 a）-1的气候倾向率减少，门源、大通、互助通过0.01的显著性检验。

2.3 汛期降水强度时空变化特征

祁连山南麓汛期降水强度为4.4 mm·d-1，呈显著增加趋势（P＜0.001），2017年降水强度最大，为5.5 mm·d-1，1965年降水强度最小，为3.4 mm·d-1。20世纪60年代降水强度最小，为4.1 mm·d-1，2011—2019年降水强度最大，为4.9 mm·d-1。8月份降水强度最大，为5.1 mm·d-1，5月份最小，为3.8 mm·d-1。

汛期降水强度为3.1～5.2 mm·d-1（图2b），呈自西向东增加趋势。德令哈、大柴旦、托勒、野牛沟降水强度均＜4.3 mm·d-1，门源、民和、大通、互助降水强度＞4.7 mm·d-1。祁连山南麓汛期降水强度气候倾向率呈增加趋势，大柴旦、民和、乐都、互助增加较小，为0.0～0.1 mm·d-1·（10 a）-1，其余地区增加明显，增值均＞0.2 mm·d-1·（10 a）-1。

图2 祁连山南麓汛期降水量（a）和降水强度（b）空间变化

2.4 汛期降水集中度时空变化特征

由图3a可知，祁连山南麓汛期PCD气候倾向率为-0.005·（10 a）-1，呈微弱下降趋势，PCD多年平均值为0.23，若PCD值小于多年平均值，表明该年降水比较均匀，反之，表明该年降水比较集中。PCD最大值出现在1979和1990年，为0.35，说明这2 a降水最为集中，PCD最小值出现在1988年，为0.13，表明1988年降水最为均匀。PCD在20世纪60—80年代波动较大，30 a中大于和小于PCD平均值的年份交替出现15 a，说明降水集中期和降水均匀期规律不明显；进入21世纪后，PCD波动较小，PCD大于平均值的年份有3 a，占比为16%，小于或等于平均值的年份有16 a，占比达84%，表明21世纪后在降水量整体增加的情况下，降水集中程度在减弱处于均匀化，出现极端干旱或极端洪涝灾害的可能性减小。

图3 祁连山南麓汛期降水集中度时间（a）和空间变化（b）

汛期小雨、中雨、大雨及以上量级年平均降水量和降水日数分别为163.8、126.0、29.4 mm和60.7、8.6、0.9 d，对汛期降水的贡献率分别为51.3%、39.5%、9.2%和86.5%、12.2%、1.3%，小雨占比最大，对汛期降水起到主导作用，中雨次之，大雨及以上贡献最小。汛期小雨和中雨的PCD平均值分别为0.21、0.39，气候倾向率分别为-0.005·（10 a）-1、-0.007·（10 a）-1，均呈微弱下降趋势；20世纪60年代—21世纪前10 a小雨和中雨的PCD波动较大，PCD大于平均值的年份分别有23和24 a，小于平均值的年份分别有17和16 a，说明小雨降水比较集中，进入21世纪后，小雨和中雨的PCD波动变小，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世纪以来降水比较均匀。

为进一步研究祁连山南麓PCD周期变化特征，对其时间序列进行Morlet小波分析。从图4a可看出，祁连山南麓汛期PCD存在多时间尺度特征，其中1960—2010年存在5 a左右的周期，低—高交替的震荡变化较为稳定，是汛期PCD变化的第一主周期；在1990年前存在10 a左右的周期变化，出现了低—高交替的准3次震荡；整个研究时段存在20 a左右的全域性长周期，低—高交替震荡变化非常稳定。分析汛期小雨和中雨的PCD周期变化发现，小雨PCD在2010年以前存在3～5 a的短周期，1970年—21世纪初存在7～8 a的周期变化，1970—1990年存在13～15 a的长周期。由图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左右的周期变化，还存在21 a左右的全域性长周期变化，2010年中雨PCD增大，曲线至今仍未闭合，预计未来祁连山南麓PCD逐渐趋于集中的现象将会持续。

图4 祁连山南麓汛期总雨量（a）、中雨量（b）小波分析

从空间分布来看，汛期PCD平均值为0.15～0.42（图3b），说明祁连山南麓汛期降水集中度较为均匀；PCD空间分布呈现出明显的由东向西增加趋势，这表明祁连山南麓降水由东向西集中度增高。德令哈以西地区降水集中度较高，PCD值＞0.33，大柴旦出现PCD高值中心，德令哈以东地区降水集中度较低，门源、大通一带出现PCD低值中心。PCD空间分布和年降水量空间分布刚好相反，年降水量多的地区PCD值小，年降水量少的地区PCD值大。

2.5 汛期降水与坡向、海拔高度的关系

祁连山南麓降水特征不但受海拔高度的影响，而且受所处特殊地形坡向、坡度的影响。将祁连山南麓以托勒为界分成东、西两段，东段主要受偏南季风暖湿气流及西太平洋副热带高压的影响，其西南气流不断输送水汽，形成降水，故祁连山南麓东段降水量最多，如门源、大通降水量＞400 mm；西段主要由西风带天气系统影响，降水需要的水汽主要来自西风环流带来的大西洋冷湿气流以及山区对流水汽输送等，但西风环流远程输送的水汽到达祁连山南麓前不断减少变干，故祁连山南麓西段降水量最少，如德令哈、大柴旦降水量分别为162.1、79.7 mm。祁连山南麓相对高原季风及偏南季风来说是迎风坡，随着气流在迎风坡的抬升形成降水，而北坡为背风坡，在背风坡一面由于山体遮挡，水汽不能越过或者水汽翻越山体而在背风坡形成焚风使水汽锐减，故降水少于南坡。同在祁连山东段南坡的野牛沟、祁连、门源、互助、乐都5站汛期降水量均＞250 mm，而北坡的高台、张掖、永昌、山丹、武威5站汛期降水量＜170 mm，其中高台站降水量最少[29]，仅为87 mm。因此，祁连山西段降水少于东段，南坡多于北坡。

进一步对祁连山南麓汛期降水量与海拔高度进行线性拟合，总降水量及各量级雨量均与海拔高度呈非线性关系（图5），其中大雨及以上雨量与海拔高度的相关性最好，相关系数达0.67，其余量级降雨量与海拔高度呈弱相关，相关系数为0.21～0.35。总雨量、小雨量、中雨量和大雨及以上雨量均随海拔高度的升高而逐渐增加，达到一定高度后又开始减少，其最大值出现的高度分别为：2 534.6、2 751.1、2 528.8和1 977.4 m，对应的最大降雨量分别为360.3、175.7、146.1和45.5 mm，随着降雨量级的增加，出现极值的海拔高度降低。分析降水随海拔高度先升后降的原因，是由于随着海拔高度的上升气温逐渐降低，造成上升空气中饱和水汽压降低，加强水汽凝结形成降雨，当超过一定的海拔高度后，上升空气中水汽减少，不易形成降雨。