近30年祁連山南坡降水量變化特征分析

虞 敏, 曹廣超, 曹生奎, 張 航, 袁 杰

(1.青海師范大學 青海省自然地理與環境過程重點實驗室, 西寧 810008; 2.青海師范大學 地理科學學院, 西寧 810008)

祁連山位于青藏高原東北邊緣，由多條西北—東南走向的平行山脈和寬谷組成，是西北地區多條內陸河的發源地。祁連山區降水量主要集中在夏季，冬季降水量減少，年降水量由東向西逐漸減少；由于特殊的地形和上空豐富的水汽，山區降水量較大，最大年降水量可達600 mm，是河西走廊平原地區最大降水量的3～15倍[1-4]。該地區同時受東亞季風、中高位西風環流和青藏高原的共同影響，生態環境脆弱。自20世紀50年代起，在全球變化的影響下，祁連山區的氣候發生了重要變化，冰川退縮和雪線上升極為明顯，引起了河西水資源的危機。在該區域從事氣候變化研究具有重要的社會和科學意義[5]。

前人對祁連山的降水時間序列變化做了研究，年代際變化，20世紀60—70年代回落，80—90年代增加，呈現正拋物線型[6-7]，年際與季節變化，年際變化整體上為增加的趨勢，月變化、日變化，祁連山5—9月降水最多，祁連山日降水主要集中于午后與夜間[8]。空間變化特征主要為由東南向西北逐漸減少，馬學謙等從西北氣流、西南氣流、西風氣流3個角度分析了祁連山區降水的大氣特征[9]。

祁連山南坡是青海省主要的原始森林分布區，也是西北干旱區重要的水源涵養林區，生態地位極為重要[10]。降水作為生態系統水分的主要來源，其變化直接關系到祁連山南坡水源涵養量的變化，甚至可以改變祁連山南坡的生態環境。因此，了解祁連山南坡降水特征對于掌握水源涵養量和生態環境的變化就很有必要，故本文研究祁連山南坡近30 a的降水變化特征。

1 研究區概況

祁連山南坡研究區位于青海省東北部，與甘肅省相毗鄰，地理位置處于東經98°08′13″—102°38′16″，北緯37°03′17″—39°05′56″。行政區劃包含祁連縣、門源回族自治縣的大部分，天峻縣、剛察縣和海晏縣的部分地區，總面積約為2.4萬km2，海拔2 257～5 235 m。該區是典型的高原大陸性氣候，氣溫日較差大，年平均氣溫為-5.9℃，四季不明顯，年內無絕對無霜期[11-12]。年降水量約400 mm，主要集中在5—9月，7月、8月最為集中。研究區內地表徑流資源豐富，多數河流發源于祁連山冰川。主要河流有大通河、黑河和布哈河等，大通河在祁連、剛察縣邊界稱為默勒河，在門源回族自治縣境內稱浩門河，是黃河水系湟水的一級支流。黑河在祁連縣境內分為兩大支流，即托勒河和黑河，分別流入甘肅省酒泉、張掖北部后匯合[13-14]。

2 數據來源及研究方法

本研究降水數據主要為青海祁連、野牛溝、托勒和門源4個氣象站逐月降水量數據，來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)，起始時間為1986年1月1日—2015年12月31日。為了使得所用的降水數據適合本文研究，所以對降水數據進行一致性檢驗，對研究區降水數據的平均值序列與原始序列進行相關性檢測，相關系數均在0.798以上，二者表現出較高的相關性。研究區季節的劃分是：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至翌年2月為冬季[15]；降水主要集中在5—9月，其汛期時間也為5—9月[16-17]。年降水變差系數的大小反映了年降水量逐年變化的相對大小。值大，說明當地年降水量很不穩定；值小，則各年降水總量相差不多[18]。年際極值比反映了年降水量兩個極端值的倍數關系，顯示降水量的不均勻程度，極值比越大，降水量年際變化越不均勻[19]。本文通過降水年內分配特征、年際變化特征、汛期降水量特征以及降水量季節變化特征四方面來分析研究區內降水特征。

3 結果與分析

3.1 降水年內分配特征

表1列出了祁連山南坡研究區4個氣象站1986—2015年共30 a降水的平均結果。可以看出，研究區降水年內分配不均勻。10月至次年4月降水量偏少，5—9月降水量偏多。祁連、野牛溝和托勒氣象站12月降水量為全年最小，降水量分別為0.6 mm，0.9 mm和0.7 mm，僅占全年降水的0.14%，0.21%和0.22%；門源氣象站1月降水量為全年最小，降水量為1.8 mm，僅占全年降水的0.34%。祁連、野牛溝和托勒氣象站的7月降水量達全年最大值，降水量分別為99.9 mm，110.9 mm和89.6 mm，占全年降水的23.64%，25.54%和28.64%；門源氣象站8月降水量達全年最大值，降水量為107.8 mm，占全年降水量的20.56%。四站多年平均降水量分別為422.7 mm，434.3 mm，312.7 mm和524.1 mm。

四站全年降水變化趨勢幾乎一致，均呈現單峰值(圖1)。1—4月降水量增加緩慢，5月降水量開始大幅度增加；祁連、野牛溝和托勒氣象站于7月達到降水量峰值，門源氣象站于8月達到降水量峰值；峰值后降水量大幅度減少，10—12月降水量減少緩慢。

表1 研究區近30年降水年內分配

圖1 研究區近30年降水年內分配

3.2 降水年際變化特征

從表2可知，1986—2015年年降水量中，祁連、野牛溝和托勒氣象站均在1998年出現最大降水量，分別為573.1 mm，602.3 mm和404.4 mm；門源氣象站于1989年出現最大降水量，為730.7 mm。祁連氣象站于2010年出現最小降水量，為332.9 mm；野牛溝氣象站于1991年出現最小降水量，為274.9 mm；托勒氣象站于1997年出現最小降水量，為180.7 mm；門源氣象站于1999年出現最小降水量，為404 mm。祁連、野牛溝、托勒和門源氣象站降水極值比分別為1.72，2.19，2.24，1.81；極值比較小，均在2左右，說明降水量年際變化較為均勻。四站降水量的變差系數均較小，分別為0.15，0.18，0.18，0.14，因此各年的降水量相差不大。

3.3 汛期降水量特征

四站5—9月降水量分別為379.3 mm，383.7 mm，287.9 mm和437.2 mm，占全年降水量的83.42%～92.08%。汛期降水量與全年降水量具有良好的線性相關關系(圖2)，相關系數值均在0.9以上，分別為0.94，0.95，0.96，0.91。可見，祁連山南坡四站汛期降水量的大小決定了全年降水量的大小。汛期祁連氣象站最大降水量出現在1998年7月，為162.4 mm；汛期最小降水量出現在1995年5月，為9.2 mm。汛期野牛溝氣象站最大降水量出現在2013年7月，為168.4 mm；汛期最小降水量出現在1997年9月，為6.6 mm。汛期托勒氣象站最大降水量出現在2008年7月，為152.4 mm；汛期最小降水量出現在1986年9月，為0.5 mm。門源氣象站汛期最大降水量出現在1989年7月，為201.2 mm；汛期最小降水量出現在1991年9月，為15.2 mm。

表2 1986-2015年降水量年際變化特征值

由圖3可以看出，祁連山南坡研究區四站汛期降水量與全年降水量在趨勢和數值上均呈現出較大的一致性。祁連、野牛溝和托勒氣象站均在1998年出現峰值。祁連氣象站1998年年降水量為573.1 mm，其汛期降水為507.6 mm；野牛溝氣象站1998年年降水量為602.3 mm，其汛期降水量為530.3 mm；托勒氣象站1998年年降水量為404.4 mm，其汛期降水量為375 mm。門源氣象站于1989年出現峰值，降水量為730.7 mm，其汛期降水量為583.1 mm。這一結果說明研究區內降水主要集中在5—9月，為全年汛期。

圖2 全年降水量與汛期降水量相關關系

圖3 1986-2015年祁連山南坡全年及汛期降水量

3.4 降水量季節變化特征

圖4為祁連氣象站1986—2015年降水量季節變化。由線性趨勢可以看出，近30 a來，祁連氣象站春、秋兩季降水量呈增加趨勢，增加速率分別為3.9 mm/10 a和16.4 mm/10 a；夏、冬兩季降水量呈現減少趨勢，減少速率分別為5.5 mm/10 a和0.7 mm/10 a。由5 a滑動平均結果來看，春、夏、秋三季降水量均有4次波動：春季，1986—1995年、2000—2006年呈減少趨勢，1995—2000年、2006—2015年呈增加趨勢；夏季，1986—1993年、1996—2002年呈減少趨勢，1993—1996年、2002—2015年呈增加趨勢；秋季，1986—1992年、2007—2011年呈減少趨勢，1992—2007年、2011—2015年呈增加趨勢；冬季，1986—1991年、1996—1999年、2010—2015年呈減少趨勢；1991—1996年、1999—2010年呈增加趨勢。

圖4 祁連氣象站降水量季節變化

從線性趨勢看，野牛溝氣象站春、夏、秋、冬四季降水量均呈現增加趨勢(圖5)，增加速率分別為6.8 mm/10 a，8.7 mm/10 a，15.0 mm/10 a和0.1 mm/10 a；其中，春、夏、秋三季增加較為明顯。5 a滑動平均結果顯示，春季降水量，1986—1993年、2009—2013年呈減少趨勢；1993—2000年、2006—2009年呈增加趨勢；2000—2001年小幅度減少，2001—2006年無較大波動。夏季降水量，1986—1993年、1996—2002年呈減少趨勢；1993—1996年、2002—2015年呈增加趨勢。秋季降水量整體來看有2次較大波動，1986—2007年呈增加趨勢；1997—2015年為減少趨勢。冬季降水量有3次較大波動，1986—1992年、2010—2015年呈減少趨勢；1992—2010年呈增加趨勢。

托勒氣象站春、夏、秋三季降水量呈現增加趨勢(圖6)，增加速率分別為1.7 mm/10 a，19.0 mm/10 a和11.0 mm/10 a，夏季和秋季降水量增加明顯；冬季降水量呈現減少趨勢，速率為0.4 mm/10 a。5 a滑動平均結果顯示，春季降水量，1986—1995年、2000—2006年呈減少趨勢；1995—2000年、2006—2015年呈增加趨勢。夏季降水量，1986—1989年、1991—1996年呈減少趨勢；1989—1991年、1995—2015年呈增加趨勢。秋季降水量，1986—1992年、2009—2015年呈減少趨勢；1992—2009年呈增加趨勢。冬季降水量，1986—1999年、2008—2015年呈減少趨勢；1999—2008年呈增加趨勢。

門源氣象站春、夏季降水量呈減少趨勢(圖7)，減少速率分別為6.4 mm/10 a和16.1 mm/10 a；秋、冬季降水量呈增加趨勢，增加速率分別為11.6 mm/10 a和0.3 mm/10 a。5 a滑動平均結果顯示，春季降水量，1986—1990年、1999—2004年呈增加趨勢；1990—1999年、2004—2015年呈減少趨勢。夏季降水量，1986—2000年、2005—2015年呈減少趨勢；2000—2005年、2010—2015年呈增加趨勢。秋季降水量，1986—1992年、1994—1998年、2006—2011年呈減少趨勢；1992—1994年、1998—2006年、2011—2015年呈增加趨勢。冬季降水量，1986—1993年、1996—2008年呈增加趨勢，1993—1996年、2008—2015年呈減少趨勢。

圖5 野牛溝氣象站降水量季節變化

圖6 托勒氣象站降水量季節變化

4 討論與結論

4.1 討 論

全球預測模型預測，在21世紀，全球平均降水量會增加7%[20-21]。祁連山區近30 a降水量總體呈波動變化，沒有出現大的突變特征，降水量有逐漸增加的趨勢[8]。本文對祁連山南坡研究區內降水量特征進行分析后發現，研究區內4個氣象站降水量變化趨勢不同，其中，祁連、野牛溝和托勒氣象站的降水量均呈現增加的趨勢，其線性公式分別為y=1.3243x+402.19，y=3.0592x+386.84和y=3.127x+264.19，從中可以看出野牛溝、托勒氣象站的增加速率相差不大，分別為30.6 mm/10 a和31.3 mm/10 a；祁連氣象站增加速率為13.1 mm/10 a，相對較小。而門源氣象站降水量則呈減少趨勢，其線性公式為y=-1.0459x+540.32，減少速率為10.5 mm/10 a，這一結果與楊珍的研究結果一致[22]。

研究區內4個氣象站中，門源氣象站全年降水量最大，為524.1 mm。這是因為門源處于東南季風影響區的邊緣，因而降水量相對較多；祁連、野牛溝和托勒氣象站主要受高原季風和西風槽的影響，導致全年降水量較門源氣象站少[23]。研究區不僅受東南季風輸送來的暖濕氣流影響，而且還受西風環流帶來的大西洋冷濕氣流的影響，在盛夏期間一定程度上還受到翻越青藏高原的印度洋暖濕氣團的影響，水汽來源較為復雜，加上山區夏季對流性降水的影響，使得祁連山南坡降水年內分配存在很大差異[24-25]，但年際差異不大。年內11月至次年2月降水量均在10 mm以下；6月、7月和8月降水量偏大，降水量幾乎在50 mm以上，最大降水量可達130 mm。祁連、野牛溝、托勒和門源氣象站降水量變化趨勢雖然不同，但四站秋季降水量均呈增加趨勢。

圖7 門源氣象站降水量季節變化

4.2 結 論

(1) 研究區內，降水量年內分配極不均勻；11月至次年2月降水量0～10 mm，6—8月降水量在50 mm以上，最大降水量可達130 mm。四站1986—2015年多年平均降水量分別為422.7 mm，434.3 mm，312.7 mm和524.1 mm，變差系數分別為0.15，0.18，0.18，0.14，各年降水量圍繞平均值上下波動，年際變化不大。四站降水年內分配均呈單峰值，7月或8月為全年降水峰值期。

(2) 汛期(5—9月)為全年降水集中期。四站汛期降水量分別為379.3 mm，383.7 mm，287.9 mm和437.2 mm，占全年降水量的83.42%～92.08%。汛期降水量與全年降水量呈現出較大的一致性，并有良好的線性相關關系，相關系數均在0.9以上。

(3) 研究區內，降水量主要集中在夏季，降水量最高可達300 mm；春、秋兩季降水量相差不大，降水量在80 mm左右；冬季降水量最小(<10 mm)。雖然四站降水量變化趨勢不同，但秋季降水量變化趨勢相同，均為增加趨勢。

(4) 降水年內分配不均勻，5—9月降水量偏多。主要因為5月之后氣溫逐漸升高，地表接受的熱量增多，上升氣流加強，加上地形的影響，所以局地大氣受熱膨脹上升，帶來降水。之后受到東南季風影響逐漸加強，受到地形的抬升作用，地形雨形成，使得5—9月降水偏多。祁連、野牛溝和托勒氣象站均在1998年出現最大降水量，這與全國降水的時間分布規律一致。