青藏高原東南緣阿壩州降水變化時空特征及突變性分析

甄 英, 何 靜

(1.內江師范學院 地理與資源科學學院, 四川 內江 641199; 2.成都信息工程大學 大氣科學學院, 成都 610225)

近百年來,隨著全球氣候逐漸變暖，導致降水量的時空分布出現變化，同時對局部地區的景觀格局及其演變、農林生態系統等產生了深刻影響[1]，局地降水時空變化、效應以及其驅動力研究是近年來學術界的重要方向之一[2]。降水集中度和集中期作為度量降水的非均勻分配指標之一，能夠很好地反映過程內降水的時空非均勻性分布特征及其演變過程[3]，很多學者對此進行了研究[4-9]，只是這些研究通常針對非常大區域范圍的降水量進行分析，而對局部地區的降水量的時空分布特征及其演變過程進行分析則更能夠反映當地的實際狀況。阿壩藏族羌族自治州(簡稱“阿壩州”)位于四川省西北部，地處青藏高原東南緣，地貌以高原和高山峽谷為主，東南部為高山峽谷區，中部為山原區，西北部為高山區。黃河上游、岷江貫穿全境。阿壩州復雜的地形地貌、多樣的氣候造就了州內豐富的旅游資源、水能資源、生物資源、礦產資源等，同時也帶來了干旱、滑坡、泥石流等自然災害，造成了巨大的經濟損失和不良的社會影響。很多學者對不同時間尺度的四川省及省內部分地市州降水進行了研究[10-13]，但對阿壩州的降水研究還尚未見報到。因此，研究分析阿壩州降水的變化趨勢及分配規律，對進一步認識研究區內氣候的變化和水資源科學利用，及其對區內不同地貌的自然災害的影響有很好的實際意義。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本文選取阿壩州境內的若爾蓋(33°35′N，102°58′E)、阿壩(32°54′N，101°42′E)、紅原(32°48′N，102°33′E)、松潘(32°39′N，103°34′E)、馬爾康(31°54′N，102°14′E)、小金(31°00′N，102°21′E)6個氣象站點的1961—2010年逐月、逐年降水實測資料，數據均來源于中國國家氣象數據服務網。

1.2 研究方法

1.2.1 年內分配不均勻系數 對于研究區降水的不均勻性分析采用年內分配不均勻系數Cut[1,9]描述，其公式表示為:

(1)

(2)

1.2.2 集中度與集中期 降水集中度(PCD)和集中期(PCP)是利用向量分析的原理定義區域降水量時間分配特征的參數[14-20]，其中PCD能夠反映研究時段內降水的集中程度，PCP則可以反映一年中的最大降水量出現的時段，具體計算方法為[21]：

(3)

PCP=arctan(Rxi/Ryi)

(4)

1.2.3 Mann-Kendall非參數檢驗 Mann-Kendall非參數檢驗(簡稱M-K檢驗法)是一種廣泛應用于氣溫、降水、徑流等水文現象的非參數統計檢驗方法，能很好地揭示時間序列的趨勢變化及突變特征[22]。

2 結果與分析

2.1 年降水量整體特征

由圖1可以看出，近50 a降水變化范圍為400～750 mm，變幅不大，整體呈輕微上升趨勢，傾向率為4.25 mm/10 a，這與李川等[11]得出的川西高原降水略有增加結論一致。近50 a內降水量，最大值出現在1993年(685.7 mm)，最小值出現在2002年(461.5 mm)，其多年平均值是571.0 mm。在1961—1974年降水量靠近均值附近，說明變幅整體較小；1975—2010年降水變幅加大，出現旱澇災害的可能性加大。

阿壩州近50 a降水量在空間上表現出明顯的區域差異，呈現出中部最多，向東北部和南部減少的趨勢。年降水量最大值中心位于馬爾康市，年降水量為648.4 mm，最小值中心為位于南部的小金縣，年降水量為514.9 mm，兩者相差近134.4 mm。馬爾康市和小金縣均屬于暖溫帶、溫帶亞區，海拔均在2 800 m以下，但馬爾康市屬于高山峽谷地區，受東南部高山峽谷過渡平原迎風坡氣流(四川盆地回流天氣系統)影響，降水較多；小金縣屬于干旱河谷地區，受青藏高原背風坡氣流(西風帶天氣系統)影響，降水較少，蒸發強，氣候干燥。

2.2 年內分配不均勻性特征

阿壩州降水Cut的時空變化趨勢見圖2。可以看出Cut整體上呈輕微下降趨勢，表明年內降水分配差異逐漸趨于均勻狀態。研究區Cut最大值為1.06(1987年)，次大值為1.05(1983年)，最小值為0.79(1991年)，次小值為0.81(1961年)，由于Cut年際變化較大，表明各月降水量相差懸殊，即年內分配很不均勻，這主要是由于阿壩州東南部為高山峽谷區，中部為山原區，西北部為高原區，降水分布不均引起的。降水過多的地方容易出現洪澇災害，降水過少的地方則容易出現旱情。

圖1 阿壩州近50 a降水量時空變化趨勢

從Cut的區域分布情況來看，整體呈現出從東部向西北部遞增的趨勢。Cut最小值中心位于松潘縣，海拔在3 000 m以下，最大值位于若爾蓋縣和阿壩縣，海拔在4 000 m以下，它們均屬于寒溫帶氣候亞區，所在為丘狀高原地區，Cut由0.70增加到1.08，兩者相差0.38。從Cut的年代際來看，整體也呈下降趨勢，表明降水分配逐漸均勻，其中20世紀60年代不均勻性差異最為懸殊，21世紀以來不均勻性差異最小。

2.3 年降水集中度與集中期分析

2.3.1 集中度變化 阿壩州近50 a的PCD在0.45～0.75變化(圖3)，整體呈輕微下降狀態。降水PCD多年均值為0.57，最大值出現在1987年，最小值出現在1997年。若PCD值多于多年平均值說明降水集中，反之，則說明不集中。在這50 a中，1978—1994年的PCD值均大于多年平均值，而其他年份的PCD值基本上是小于多年平均值的。同時，PCD值的趨勢是逐漸減小，說明在年降水量整體減少的情況下，降水趨于集中分布，出現極端洪澇災害和極端干旱的可能性增大。

50 a來阿壩州降水集中度在空間上表現為從東向南遞增，分別存在一個大值中心和一個小值中心，大值中心位于南部的小金縣，小值中心位于東部的松潘縣和中部紅原縣。PCD的空間分布與年降水量的空間分布并不一致，年降水量多的馬爾康、PCD值卻較小，降水不集中，由此說明年降水量盡管很少但也有可能出現旱澇災害。

圖2 阿壩州降水不均勻系數時空變化趨勢

2.3.2 集中期變化 阿壩州近50 a來PCP在0～30候變化(圖4)，多年平均值為13.43候(3月初)，最早是0.06候(1月初)，出現在2002年，最晚是26.17候(5月初)，出現在1964年，兩者相差26候(131 d左右)。1961—1987年研究區降水量PCP主要呈下降趨勢，降水集中期前移；1988—2010年降水量PCP呈穩定變化趨勢，23 a中有15 a的PCP小于等于多年均值，說明此階段降水多出現在3月前。

近50 a來阿壩州降水PCP在空間上表現為從南部、東部向西北部遞增的格局，呈現出“南早北晚”的差異。分別存在兩個大值中心和一個小值中心，大值中心位于西北部的若爾蓋縣(21.60候)和阿壩縣(20.66候)，小值中心位于南部的小金縣(0.61候)。

2.4 集中度與集中期的年代際特征

通過降水PCD與PCP年際變化M-K曲線分析PCD，PCP年際變化特征。PCD整體表現為“升降交替和平穩”5個階段(圖5A)，各階段變化的時間范圍見表1。降水PCD的UF曲線在1961—1989年值大于0，表明序列整體呈上升趨勢，1990—2010年值小于0，表明序列整體呈下降趨勢，這與圖3分析的結果一致。UF與UB曲線交于1986年，但交點在臨界線(±1.96)外，那么突變時間就應該是UF曲線超過臨界線的時間范圍。

圖3 阿壩州年降水PCD時空變化趨勢

PCP值M-K曲線整體以降為主(圖5B)，各階段變化的時間范圍見表1。降水PCP的UF曲線在1961—1975年值大于0，表明序列整體呈上升趨勢，1976—2010年值小于0，表明序列呈下降趨勢，并且分別在2006年、2008年超過臨界值，表明下降趨勢顯著。UF與UB曲線交于1986年，且交點在臨界線之間，那么此交點就應該是突變開始的時間，這與李曉英等[23]研究青藏高原降水得出的時間轉折點結論一致。

圖4 阿壩州年降水PCP時空變化趨勢

圖5 降水PCD與PCP年際變化M-K曲線

2.5 降水集中度與集中期的合成分析

采用合成分析法，分別對阿壩州近50 a降水量最多和最少的前5 a進行合成。多水年分別為1993年、1975年、2007年、1983年和1998年；少水年分別為2002年、1997年、1970年、1972年和1986年。分析發現：(1) 多水年的PCD整體比少水年的略大，并且南部地區大于北部地區。PCD大值中心均在小金縣，需要特別注意的是降水雖少但集中度高的地方發生局地強降水和干旱的可能性就大；PCD小值中心均在松潘縣，降水雖較多但不集中，發生局地強降水和干旱的可能性不大。(2) 多水年的PCP比少水年偏晚。多水年的PCP平均在14.99候，少水年的PCP平均在6.34候，偏晚8.65。PCP最大值中心在阿壩縣，其次為若爾蓋，最小值中心為松潘，其次為小金。無論是多水年還是少水年阿壩州降水西北部的PCP比其他地方都偏晚。

表1 降水PCD與PCP升降變化趨勢表

3 討論與結論

(1) 趨勢變化。年降水量整體呈輕微上升趨勢，傾向率為4.25 mm/10 a，50 a增加了21.25 mm。PCD和PCP整體呈下降趨勢，年際差異較大；PCD多年均值為0.57，在0.45～0.75變化，PCP多年平均值為13.43候，最早是0.06候，最晚是26.17候，兩者相差26候。Mann-Kendall曲線PCD和PCP分別表現為“升降交替和平穩”以及“降升降升”幾個階段。

(2) 空間變化。年降水量表現為從中南部向東北部和南部減少的趨勢，最大值中心位于中南部的馬爾康縣，年降水量為648.4 mm，最小值中心為位于南部的小金縣，年降水量為514.9 mm，兩者相差近134.4 mm。PCD在空間上表現為從東向南遞增，存在一個大值中心和一個小值中心；PCP表現為從東部、南部向西北部遞增的格局，呈現出“南早北晚”的差異，存在兩個大值中心和一個小值中心。

(3) 合成分析。多水年的PCD比少水年的略大，并且南部地區大于北部地區。PCD大值中心均在小金縣，小值中心均在松潘縣。多水年的PCP比少水年偏晚，并且西北部的PCP比其他地方都偏晚。PCP最大值中心在阿壩縣，其次為若爾蓋，最小值中心為松潘，其次為小金。

本文只是初步探討了阿壩州降水的變化趨勢、時空分布特征及突變性分析，關于對其特征的形成機理及影響因素還有待進一步研究。

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