青海省1961—2018 年侵蚀性降水时空变化特征

霍金虎，向艳平，祁栋林，高贵生，陈 奇

（1.海北州气象局，青海 西海 810299；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）

青藏高原是我国重要的水源涵养地，也是我国生态环境保护尤为关键的地区，被称为我国的“中华水塔”。侵蚀性降水是剧烈土壤水蚀的原动力，也是洪涝灾害的直接致灾因子。因此，保护好三江源直接关系到长江及黄河中下游流域的社会经济发展和生态环境。青海省水土流失严重，全省水土流失面积达16.16 万km2（不含冻融侵蚀），占总面积的23.2%，其中，水力侵蚀面积为3.71 万km2。祁连山—黑河重点预防区水土流失面积达4 364.76 km2，侵蚀性类型全部为水力侵蚀。三江源国家级重点预防区水土流失面积为59 632.03 km2，柴达木盆地水土流失面积为77 522.89 km2，青海湖水土流失面积为10 083.01 km2[1]。

降水是导致土壤侵蚀的主要动力，是引起水土流失的第一主导因子，降水特征直接影响土壤侵蚀过程和强度[2-3]。然而自然界中，不是所有的降水都能引起土壤侵蚀。1978 年，USLE 第2 版中第1 次提出侵蚀性降水标准，认为一次降水如果<12.7 mm 或一次降水<15 min，且降水量<6.5 mm，则在降水侵蚀力计算中剔除，但并没有交代确定该标准的方法，只是指出小于该标准的降水引起的土壤流失量很小[4]。国内外学者建立了以次降水量[5-6]、日降水量[7-11]、月降水量[12-14]等来估算降水侵蚀的简易模型。章文波等[15]提出的采用日降水量计算降水侵蚀的简易模型适用于全国大部分地区。我国学者在应用日降水量计算侵蚀性降水时，通常采用12 mm 作为侵蚀性降水标准[16]。

目前，针对青海省侵蚀性降水的时空特征、动态变化的系统研究比较缺乏。本文基于青海省逐日降水数据，深入研究了近60 年青海省及4 个生态功能区[17]年降水量和侵蚀性降水量的时空变化特征。

1 数据与方法

1.1 研究区域简介

青海省位于89°35′～103°04′E，31°36′～39°19′N，地势总体呈西高东低、南北高中部低的态势，地貌复杂多样，五分之四以上的地区为高原，东部多山，西部为高原和盆地，总面积为72.23 万km2。属于大陆性高原气候，夏季最热月（7 月）平均气温为5.8～20.2 ℃，冬季最冷月（1 月）平均气温为-17.4～-4.7 ℃。降水集中在5—9 月，占年降水量的79.7%[18]。

1.2 研究资料及方法

鉴于各气象台站建站时间及气象数据的规范及完整性，本研究选取青海省的柴达木盆地、环青海湖区、东部农业区、三江源地区4 个生态功能区共41个气象站点作为研究区域。选择1961—2018 年共58 a 的逐日降水资料，得到各站的逐年降水量和降水日数（≥0.1 mm）。分别以日降水量≥12mm 为侵蚀性降水划分标准[19]，得到41 站逐年侵蚀性降水量及相应的降水日数。

以所属台站算术平均代表青海省和各生态功能区平均。由于各站降水气候态不同，为使研究严谨，采用变异系数（Cv=标准差/平均值）表示降水的年际波动特征（离散化程度），Cv值越大，说明研究区降水指标变幅越明显，Cv<0.1 为离散化程度很小，0.1≤Cv≤1.0 为离散化程度较大，Cv＞1.0 为高度离散。采用线性倾向估计法对青海省1961—2018 年降水量（降水日数）和侵蚀性降水量（降水日数）进行线性趋势分析，当线性趋势系数为正（负）时，表示气象要素在统计年份内有上升（下降）趋势，并进行线性趋势的显著性检验。应用Mann-Kendall 法[20]对青海省侵蚀性降水量（降水日数）长时间序列进行突变检测。

2 结果与分析

2.1 年降水量和侵蚀性降水量的关系

基于青海省41 个站点近60 年的日降水资料，得到期间每个站点年降水量（降水日数）和侵蚀性降水量（降水日数）的多年平均值。青海省年降水量、降水日数、侵蚀性降水量、侵蚀性降水日数之间呈显著的幂函数关系（图1）。随年降水量（日数）的增加，侵蚀性降水量（日数）遵循幂函数关系迅速增加，其中年降水量（日数）和侵蚀性降水量（日数）的指数为1.49、2.04、1.46、2.01；指数均＞1，说明增加速率有加速的趋势。

图1 青海省年降水量、降水日数与年侵蚀性降水量（a、b）、年侵蚀性降水日数（c、d）的关系

2.2 空间分布格局

由青海省4 个生态功能区的（侵蚀性）降水年际变化（表1）可知，三江源地区年均降水量最高，为469.3 mm；东部农业区和环青海湖区次之，分别为403.0、397.0 mm，柴达木盆地最低，为99.4 mm；年降水日数分布与年降水量分布一致，三江源地区年均降水日数最多（139.3 d），环青海湖区和东部农业区次之（106.5、102.5 d），柴达木盆地最少（38.3 d）。

侵蚀性降水量与侵蚀性降水日数分布特征基本一致，侵蚀性降水量、降水日数均总体呈现从东南向西北逐步减少的趋势（图2），极值出现站点略有不同。其中，东部农业区的湟中、大通、互助、环青海湖区的门源以及三江源的久治县年侵蚀性降水量在200 mm 以上，最大值在三江源地区的久治（267.5 mm）；柴达木盆地的冷湖、茫崖、小灶火、格尔木年侵蚀性降水量在10 mm 以下，最小值在柴达木盆地的小灶火（1.3 mm）。三江源地区的久治、囊谦、达日和东部农业区的互助、大通、湟中侵蚀性降水日数在10 d 以上，最多出现在果洛州的久治（14.8 d）；柴达木盆地的冷湖、茫崖、格尔木、小灶火、诺木洪侵蚀性降水日数在1 d 以下，年均侵蚀性降水日数的最小值在柴达木盆地小灶火（0.1 d）。总体呈现西北少、东南多的分布。

从4 个生态功能区侵蚀性降水可知，侵蚀性降水量排序为东部农业区（158.3 mm）＞环青海湖区（134.2 mm）＞三江源地区（134.4 mm）＞柴达木盆地（24.8 mm），侵蚀性降水日数排序为东部农业区（8.4 d）＞三江源地区（7.8 d）＞环青海湖区（7.6 d）＞柴达木盆地（1.4 d）。

2.3 时间变化趋势

2.3.1 年代变化

从年代尺度统计结果可知，年降水和年侵蚀性降水存在较大的差异。降水量在20 世纪60—70 年代和90 年代为负距平，80 年代基本持平。21 世纪00 年代和10 年代为正距平，侵蚀性降水量20 世纪60—90 年代均为负距平，21 世纪00 年代和10 年代为正距平，降水日数20 世纪70、90 年代和21 世纪00 年代为负距平，21 世纪60 和80 年代为正距平，侵蚀性降水日数在20 世纪60—70 年代和90 年代为负距平，80 年代基本持平，21 世纪00 年代和10年代为正距平，降水和侵蚀性降水均从20 世纪90年代开始逐步增加。需要指出的是，年代尺度分析会由于极端降水现象掩盖一些事实。侵蚀性降水年代变化不明显，但从21 世纪初开始表现出缓慢的增加趋势（表2）。

2.3.2 年际变化

1961—2018年青海省年降水量呈增加趋势（图3a），增加速率为8.1 mm/10 a，通过0.05 的显著性检验。全省多年平均降水量为357.3 mm，最大值出现在2018 年，为470.5 mm，最小值出现在1962 年，为283.7 mm，年际间波动较大（变异系数Cv=0.11），属弱变异。累积距平曲线显示年平均降水量在1961—2002 年呈下降趋势，处于少雨期 ；2003—2018 年呈上升趋势，处于多雨期。年代际距平变化趋势显示，1960—1970 年和20 世纪90 年代平均降水量低于气候平均值，20 世纪80 年代与气候平均值基本持平，2000—2018 年明显增多。从9 a 滑动平均曲线可以看出，20 世纪70—80 年代末青海省平均降水量波动变化，20 世纪90 年代初—21 世纪初呈下降趋势，21 世纪初至10 年代呈波动增加趋势。

图3 1961—2018 年青海省年（侵蚀性）降水量/降水日数年际变化（a 为年降水量，b 为侵蚀性降水量，c 为年降水日数，d 为侵蚀性降水日数）

1961—2018年青海省年平均侵蚀性降水量呈增加趋势（图3b），增加速率为4.7 mm/10 a，通过0.05 的显著性检验。多年平均侵蚀性降水量为117.7 mm，最大值和最小值出现年份与年降水量一致，分别为190.7、71.8 mm，年际间波动较大（变异系数Cv=0.20），属中等变异。累积距平曲线显示年平均降水量在1961—2002 年呈下降趋势，处于侵蚀性降水偏少期 ；2003—2018 年呈上升趋势，处于侵蚀性降水偏多期。年代际距平变化趋势显示，1960 年—20 世纪90 年代均低于气候平均值，21 世纪00 年代和10 年代明显增多。从9 a 滑动平均曲线可以看出，20 世纪70 年代—21 世纪00 年代初平均年侵蚀性降水量缓慢波动上升，21 世纪00 年代中期—10年代初呈快速增加趋势，进入21 世纪10 年代呈持续波动增加阶段。

1961—2018年青海省年平均降水日数（图3c）为不显著的减少趋势，侵蚀性降水日数（图3d）呈显著的增加趋势，变化速率分别为-0.5 和0.2 d/10 a。多年平均降水日数和侵蚀性降水日数分别为100.7和6.5 d，降水日数最大值和最小值分别在1989 和2013 年，分别为123.1 和88.6 d，侵蚀性降水日数最大值在1961 和1967 年（8.5 d），最小值在1962 年（4.2 d），降水日数和侵蚀性降水日数变异分别为0.07 和0.17。累积距平曲线显示，年降水日数在1961—1990 年和2002—2018 年呈波动变化趋势，1991—2001 年曲线呈减少趋势，年侵蚀性降水日数在1961—1975 年和1990—2001 年曲线呈减少趋势，1976—1989 年曲线呈波动变化，2002—2018 年曲线呈增加趋势。从9 a 滑动平均曲线可以看出，年降水日数表现为缓慢减少和增加2 个阶段，20 世纪70 年代—90 年代末平均年降水日数缓慢波动减少，21 世纪00 年代初—10 年代呈增加趋势，年侵蚀性降水日数表现为缓慢波动增加—减少—增加，20 世纪70 年代—80 年代末年侵蚀性降水日数缓慢波动增加，90 年代呈减少趋势，21 世纪10 年代转为增加阶段。

近58 年4 个生态功能区侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数均呈增加趋势（表1），侵蚀性降水量气候倾向率依次为环青海湖地区（11.36 mm/10 a）＞柴达木盆地（3.99 mm/10 a ＞东部农业区（3.20 mm/10 a）＞三江源地区（2.36 mm/10 a），侵蚀性降水日数气候倾向率排序与侵蚀性降水量气候倾向率排序一致，气候倾向率分别为0.57、0.20、0.18 和0.13 d/10 a。柴达木盆地和环青海湖区侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数通过0.05 的显著性检验。

图4 为青海省侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数的MK 突变分析。青海省侵蚀性降水增加趋势明显，UF 曲线分别于2010 和2008 年超过了0.05 的显著性检验，可以确定21 世纪00 年代前期侵蚀性降水增加是一个突变现象，突变分别发生在2004 和2001 年，突变后侵蚀性降水量和降水日数较突变前分别增加22.4 mm 和0.7 d。

图4 1961—2018 年青海省年侵蚀性降水MK 突变分析（a 为年侵蚀性降水量，b 为侵蚀性降水日数）

2.3.3 年内变化

由青海省多年平均降水年内分布（表3）可知，青海省多年平均降水量的最大值、最小值、平均值均呈现先增大后减小的变化趋势，为单峰式分布型，多年平均降水量主要分布在5—9 月，占全年降水量的79.72%，降水量最大值出现在7 月，为171.46 mm，占全年降水量的18.61%，最小值出现在12 月，为7.06 mm，占全年降水量的0.77%。由多年平均降水量极差（最大值、最小值）可知，各个月比值在2.31～15.13，平均为6.18，3—10 月降水量的比值波动相对较小，最大值出现在12 月，说明青海省降水量年内变化明显，降水量分布不均匀。青海省多年平均降水日数的年内变化与多年平均降水量相一致，即先增大再减小，5—9 月降水日数占全年的69.6%，其中最大值出现在7 月，为15.9 d。

由青海省多年侵蚀性降水分布（图5）可知，多年平均侵蚀性降水量先增大后减小的趋势，最大值为32.2 mm，出现在7 月，12 月—翌年2 月基本没有出现侵蚀性降水。从侵蚀性降水量占多年平均降水量和当月降水量的比例可知，两者的变化特征与侵蚀性降水量一致，其中7、8 月侵蚀性降水量为32.2和32.1 mm，分别占当月降水量的18.8%和19.0%，该时段侵蚀性降水发生的程度和频率较高，容易形成侵蚀性降水。青海省发生侵蚀性降水的天数呈先增大后减小的趋势，具有明显的峰值，7、8 月发生侵蚀性降水天数为1.7 d。从侵蚀性降水天数占多年平均降水天数和当月降水天数的比例可知，7、8 月侵蚀性降水天数占多年平均降水天数的1.7%，占当月降水天数的11%和11.7%，三者具有较好的相关性。

2.4 侵蚀性降水的贡献率

通过计算每年侵蚀性降水量（日数）占年降水量（日数）的比重，揭示侵蚀性降水量（日数）对年降水量（日数）贡献率以及其变化规律（图6）。1961—2018 年青海省侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数的贡献率平均为32.7%和6.5%，最大值分别为42.4%和8.2%，均出现在1961 年，最小值分别为23.5%和4.2%，均出现在1982 年，且青海省侵蚀性降水的贡献率并非稳定不变，而是随着年份的增加缓慢上升，侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数贡献率的气候倾向率分别为0.59%/10 a 和0.21%/10 a，均通过0.05 的显著性检验，说明侵蚀性降水的贡献率呈现显著增加趋势。

图6 青海省侵蚀性降水贡献率的年际变化（a 为侵蚀性降水量，b 为侵蚀性降水日数）

由青海省4 个生态功能区侵蚀性降水的贡献率变化（表4）可知，侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数多年平均贡献率排序均为东部农业区（38.5%和8.2%）＞环青海湖区（33.5%和7.1%）＞三江源地区（28.5%和5.6%）＞柴达木盆地（23.9%和3.6%）；近58 年4 个生态功能区侵蚀性降水量（除三江源地区减少外）和侵蚀性降水日数贡献率均呈增大趋势，侵蚀性降水量贡献率气候倾向率排序为柴达木盆地（2.07%/10 a）＞环青海湖区（1.61%/10 a）＞东部农业区（0.69%/10 a）＞三江源地区（-0.06%/10 a），而侵蚀性降水日数贡献率气候倾向率排序为环青海湖区（0.56%/10 a）＞柴达木盆地（0.39%/10 a）＞东部农业区（0.31%/10 a）＞三江源地区（0.10%/10 a）。柴达木盆地和环青海湖区侵蚀性降水量贡献率和侵蚀性降水日数贡献率通过0.05 的显著性检验。

表4 生态功能区侵蚀性降水的贡献率多年平均值和变化速率 %/10 a

3 结论和讨论

利用青海省1961—2018 年41 个站点逐日降水观测资料，分析了青海省及4 个生态功能降水量、侵蚀性降水量的变化趋势和空间特征。得到以下主要结论：

（1）青海省年降水量、降水日数、侵蚀性降水量、侵蚀性降水日数之间呈显著的幂函数关系。随年降水量（日数）的增加，侵蚀性降水量（日数）遵循幂函数关系迅速增加。

（2）青海省年降水量、降水日数、侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数均从东南向西北逐步减少。三江源地区年降水量最高，为469.3 mm；柴达木盆地最低，为99.4 mm；侵蚀性降水量柴达木盆地最低，为25.1 mm，东部农业区最高，为155.5 mm。

（3）青海省年降水量和侵蚀性降水量分别以8.1和4.7 mm/10 a 的速率增加，年降水日数表现为不显著的减少趋势，侵蚀性降水日数呈显著的增加趋势，变化速率分别为-0.5 和0.2 d/10 a。侵蚀性降水量和侵蚀性日数突变分别发生在2004 和2001 年，突变后侵蚀性降水量和降水日数较突变前分别增加22.4 mm 和0.7 d。

（4）青海省侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数的贡献率平均为32.7%和6.5%，侵蚀性降水量和侵蚀性降水日数的贡献率分别以0.59%/10 a 和0.21%/10 a 的速率增加。

（5）青海省为我国水土流失较为严重的省份之一，东部农业区地区是本省水土流失最为严重的地区，7、8 月容易形成侵蚀性降水，这与刘斌涛等[24]的研究结果基本一致。年降水和年侵蚀性降水存在较大的差异与郭素荣[21]分析结果一致，其中青海省年际降水波动变化趋势与白淑英等[22]和张晓等[23]对青海省降水分析研究结论基本一致。水力侵蚀主要分布在西宁市、海东地区、海南州、黄南州和海北州。青海侵蚀性降水的增加是伴随着降水量的增加而增加的，降水量的增加有利于干旱地区植被的恢复与生长，有利于植被对土壤的保护作用。对此，如何评估该区域的土壤侵蚀动态变化形式还需要进一步的深入研究[24]。