近六十年青海长江源区降水变化特征分析

陈宏松，何生录，李兴，祁玉佳

(青海省格尔木市气象局，青海 格尔木 816099)

引言

《中国气候变化蓝皮书(2021)》指出全球变暖趋势仍在持续，全球平均温度较工业化前水平(1850—1900年平均值)高出1.2℃，是有完整气象观测记录以来的三个最暖年份之一，中国仍是全球气候变化的敏感区和影响显著区，升温速率明显高于同期全球平均水平。这种以全球气温升高为主导的气候变化背景下，降水也存在多种时间、空间尺度的变化。中国平均年降水量呈增加趋势，降水变化区域间差异明显，1961—2020年，中国平均年降水量呈增加趋势，平均每10年增加5.1mm。已有研究表明，1961—2010 年中国降水强度总体加大，各区年代际降水强度变化也存在明显的差异[1]。降水总量、频率、持续性以及极端降水事件都存在明显的区域性和季节性差异[2]。

本文所选取的长江源区位于青藏高原中东部地区，地处昆仑山脉与唐古拉山脉之间，是三江源区的重要组成部分。其降水变化与其下游的黄河源区和澜沧江源区不尽相同[3]，不仅影响青藏高原腹地旱涝情况，也将直接影响长江流域整体的旱涝状况[4]。有关长江源区降水量变化的研究成果，主要包括降水量的时空分布特征、降水日数变化特征、平均降水强度[5]。同时刘晓琼等[3]研究了1960—2015年青海三江源区降水量序列的时空特征，表明降水量总体呈现弱增趋势，21世纪以来降水量显著增加，各子源区气候倾向率不尽相同，长江源区季增湿率变化次序依次为春、夏、冬、秋，且均为正值。许学莲等[6]根据长江源头沱沱河气象站和曲麻莱气象站1961—2017年气象资料分析了长江源头气候变化特征，研究表明，57 年来长江源头降水量和降水日数增加趋势不显著，气候倾向率分别为 9.1 mm/10 a 和 2.3 d/10 a。蔡玉琴等[7]基于长江源沱沱河气象站逐日降水资料，对不同等级降水量、降水日数和降水强度的变化特征进行了分析。

综合上述研究成果，对于长江源区更多代表站点、更长序列降水量的时空变化特征、降水百分率、不同量级降水变化特征及降水变化趋势主要原因分析尚待进一步开展深入研究。本文基于长江源区5个气象台站的降水量、降水日数等资料，从时空变化特征、降水百分率、不同量级降水变化特征及影响降水变化的主要原因等方面进行分析，以期全面认识长江源区降水变化特征，试图揭示长江源区的降水性质的变化特征，为提高青海长江源区降水预测能力和合理应对旱涝灾害提供科学依据。

1 资料与方法

青海长江源区设玉树、曲麻莱、清水河、五道梁、沱沱河和班玛6个国家级自动气象观测站，考虑到各台站起始时间不一致(如班玛建站较晚)的实际情况，本文降水量数据尽可能选择最长时间序列，最终选取了玉树、曲麻莱、清水河、五道梁、沱沱河5个气象台站1961—2020年逐日降水资料，分别统计不同等级降水量和降水日数。季节定义是3～5月为春季、6～8月为夏季、9～11月为秋季、12月至次年2月为冬季。

根据中国气象局降水等级划分标准[8]，采用小雨、中雨、大到暴雨建立降水指数分析(表1)，研究长江源区降水量分布及变化趋势、降水百分率的变化趋势、气候突变及变率的变化趋势、降水日数变化和降水强度等。利用线性趋势[9]的回归系数作为变化趋势作信度检验。利用Mann-Kendall检验[10]作气候突变检验。在变率的研究中应用时间序列的标准差来研究；通过建立9点滑动标准差的时间序列作为参考点所处时刻的变率，并利用9点滑动标准差的时间序列的一元线性回归系数讨论变率的变化趋势[11]。

表1 降水指数定义

2 长江源区降水量变化特征

2.1 长江源区年降水量的空间分布特征

图1为长江源区年平均降水量的空间分布图。从图中可以看出长江源区年降水量各地差异较为明显，降水整体表现为由东向西逐渐减少的趋势，年降水量在296.9～522.9 mm之间，降水低值中心位于沱沱河站(296.9 mm)，高值中心位于清水河站(522.9 mm)。长江源区年平均降水量的空间分布形式与刘凯等[12]提出的中国多年平均降水呈现出经度和纬度方向的差异，经度自西向东呈现显著的增加趋势的研究结果一致；与徐丽娇等[13]对于青藏高原降水量空间分布上表现为从东南向西北逐级减少的研究结果大体一致。由长江源区年平均降水日数的空间分布(图2)可以看出降水日数的空间分布与降水量空间分布基本一致，说明各地总体日降水量级差别不大。

图1 长江源区年平均降水量空间分布

图2 长江源区年平均降水日数空间分布

2.2 长江源区降水的年变化特征

图3(a)、图3(b)、图3(c)为长江源区年降水量、年降水日数及年降水强度的变化趋势，由图可知，近60年长江源区降水量、降水日数和降水强度均呈波动增加趋势，气候倾向率分别为12.34 mm/10 a、0.62 d/10 a和0.08 (mm/d)/10 a，降水量和降水强度均通过了0.05水平的显著性检验，降水日数没有通过显著性检验，说明长江源区年降水量和年降水强度以12.34 mm/10 a、0.08 d/10 a的速度增加，且表现显著。长江源区年平均降水量在284.9～535.3 mm之间，多年降水量平均值为406 mm，降水量最多的年份是2009年，年降水量最少年份是1984年，2009年降水量约为1984年的2倍；年降水日数在103～163.2 d之间，降水日数多年平均为135.2 d，最多的年份是2012年，最少年份是1984年；降水强度在2.4～3.8 mm/d之间，年降水强度多年平均为3.0 mm/d，降水强度最强的年份是2009年，最弱的年份是1997年。从长江源区降水量、降水日数、降水强度的5年滑动平均变化曲线来看，降水量在1966—1978年、1996—2015年为明显增加期；降水日数在2009—2020年为明显增加期；降水强度在1967—1980年、1994—2014年为明显增加期。

图3 1961—2020年长江源区年降水量、年降水日数及年降水强度变化

2.3 长江源区降水量突变检验

为研究长江源区降水是否存在突变现象，采用Mann-Kendall(M-K)非秩次检验方法对降水相关要素的时间序列进行突变检验分析，图4(a)、图4(b)、图4(c)为长江源区年降水量、年降水日数及年降水强度的M-K突变检验。由图4(a)可以看出近60年长江源区年降水量呈现增加的趋势，且增加趋势在2017年以后超过0.05的显著性水平检验，即2017年开始长江源区的年降水量呈现显著增加趋势。UF与UB两条曲线在2007年出现交点，对应的检验值在显著性水平临界值-1.96～1.96之间，长江源区降水量的突变时间在2007年。综上所述，年降水量在2007年发生了突变，即从2007年后降水量增加的趋势是一种突变现象。由图4(b)可以看出近60年长江源区年降水日数无显著变化，1985年以前UF与UB两条曲线有多个交点，无明显突变现象，1988年以后降水日数波动幅度减小。由图4(c)可以看出近60年长江源区年降水强度整体呈现增加的趋势，且增加趋势在2006年以后超过0.05的显著性水平检验，即2006年开始长江源区的降水强度呈现显著增加趋势，UF与UB两条曲线在2001年出现交点，对应的检验值在显著性水平临界值-1.96～1.96之间，长江源区降水强度的突变时间在2001年。综上所述，年降水强度在2001年发生了突变，即从2001年后降水强度增加的趋势是一种突变现象。

图4 长江源区年降水量、年降水日数及年降水强度M-K突变检验

2.4 长江源区降水量季节变化特征

2.4.1降水百分率季节气候态及趋势

对于1961—2020年长江源区气候平均态而言，季节降水百分率最大是在夏季，占全年降水的62.3%，其次是秋季21.0%、春季14.6%，冬季最少只有2.2%(表2)。为了讨论各季节降水百分率的变化，计算了1961—2020年长江源区各季降水百分率区域平均的时间序列变化趋势(表2)，显示各季节降水百分率存在明显的年际变化。春、夏季的降水百分率有明显的上升趋势，分别为0.79% (10a)-1和1.02(10a)-1，通过0.05的显著性检验，秋季和冬季表现为弱的上升趋势，均未能通过显著性检验。

表2 1961—2020年长江源区各季节降水百分比的气候态与变化趋势

2.4.2降水百分率季节变率及趋势

1961—2020年长江源区的降水百分率变率最大的是夏季，为5.43%；其次是秋季和春季，两个季节数值较为接近，分别是4.13%和3.35%，冬季最小，其变率仅为0.9%(表3)。由于长江源区不同季节降水百分率的气候态不同，季节间的变率并无直接可比性。为更严谨的讨论，增加计算了降水百分率的相对变率(表3)，即用降水百分率标准差除以各季节降水百分率的气候态相对变率[11]，相对变率不再受气候态不同的影响，可分不同季节进行比较。长江源区夏季的相对变率最小，冬季最大，其次为秋季和春季。

表3 1961—2020年长江源区各季节降水标准差和相对变率

3 长江源区不同量级降水对总降水的贡献

不同量级降水量、降水日数及降水强度间关系密切且复杂，不同量级降水量(降水日数)与总降水量(降水日数)的百分比，能反映不同量级降水对总降水的贡献。本文分别计算出小雨(雪)、中雨(雪)及大雨(雪)以上量级降水的降水量及降水日数对总降水量及降水日数的贡献率，进而揭示不同量级降水对总降水的影响(表4)。

由表 4可以看出，近60年长江源区小雨(雪)的降水量对年降水量的贡献率最大，为62.4%；中雨(雪)降水量贡献率次之，为31.1%，但明显小于小雨(雪)降水量的贡献率；大雨(雪)以上量级降水贡献率最低仅为6.5%。进一步分析不同量级降水日数对年总降水日数的贡献率，近60年长江源区小雨(雪)降水日数的贡献率最大，为89.5%；中雨(雪)降水及大雨(雪)以上量级降水日数贡献率明显小于小雨(雪)降水日数贡献率，分别为8.8%和1.7%。综上可知，长江源区降水量及降水日数的变化主要原因是小雨(雪)降水量和日数的变化影响，这与蔡玉琴等[7]利用沱沱河单站降水数据的研究结论基本一致。

表4 1961—2020年长江源区降水量、降水日数及贡献率

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)长江源区年降水量表现为由东向西逐渐减少的趋势，年降水量在296.9～522.9 mm之间，年平均降水日数与降水量分布形式基本一致；长江源区降水量、降水日数和降水强度均呈波动增加趋势，年降水量和年降水强度以12.34 mm/10 a、0.08 d/10 a的速度增加。

(2)长江源区降水量的突变时间在2007年，从2007年后降水量的增加趋势是一种突变现象；年降水日数无明显突变现象；降水强度的突变时间在2001年，从2001年后降水强度增加的趋势是一种突变现象。

(3)长江源区气候平均态而言，季节降水百分率夏季最大，占全年降水量的62.3%，其次是秋季21.0%、春季14.6%，冬季最小为2.2%，四季降水百分率均呈增加趋势。降水百分率变率最大的是夏季，为 5.43%，其次是秋季和春季，分别是4.13%和3.35%，冬季最小仅为0.9%；夏季的相对变率最小，冬季最大，其次为秋季和春季。

(4)近60年长江源区小雨(雪)的降水量贡献率最大，其次为中雨(雪)，大雨(雪)以上量级降水贡献率最低；小雨(雪)降水日数的贡献率最大，中雨(雪)次之，大雨(雪)以上量级降水日数贡献率最小；降水量及降水日数的变化主要是受小雨(雪)降水量级和日数的变化影响。

4.2 讨论

利用玉树、曲麻莱、清水河、五道梁、沱沱河5个气象台站1961—2020年降水量数据研究长江源区降水的时空分布，年平均降水量的空间分布形式与文献[12-13]的研究结果基本一致，说明近几年长江源区降水空间分布与常年一致；在延长研究资料年限和增加代表站后长江源区年降水量、降水日数、降水强度变化气候倾向率及显著性检验的结果的代表性会优于前人[7]的研究结论，同时长江源区降水量变化与青藏高原降水变化基本一致[13，15]，说明长江源区降水变化能够大体代表高原降水变化。文中只用了Mann-Kendall方法进行突变检验，丁一汇等[14]提出滑动t检验、累计距平和M-K检测气候序列突变时会有一定差异。综合来看，M-K突变检验分析结果相对精准，多方法综合诊断可有效提高气候序列突变点判断结果的准确性。线性倾向估算相对简捷，但M-K法同样作为非参数时间序列变化趋势的检验方法，能直观判断原时间序列走势的同时，又可借助统计检验值的显著性水平判断其走向，仅就文中比对结果来看，M-K法分析结果的可信度高于简单的线性倾向估算法。