1961—2015年青藏高原極端降水時(shí)空變化特征分析

旦增尼瑪 貢覺加布 洛桑多吉 尼瑪次仁

（1.西藏自治區(qū)阿里地區(qū)氣象局氣象臺；2.西藏自治區(qū)阿里地區(qū)氣象局大氣探測中心，西藏 阿里 859000）

1 青藏高原極端降水時(shí)空變化特征分析

為了進(jìn)一步深入地了解青藏高原極端降水的時(shí)空變化主模態(tài)特征，本文對連續(xù)無雨日數(shù)、總降水量、中雨日數(shù)、大雨日數(shù)、日降水量最大值、連續(xù)五日最大降水量進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)正交分解。

1.1 連續(xù)無雨日數(shù)指數(shù)時(shí)空變化特征

如圖1 所示為青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的EOF 分析結(jié)果，前三個(gè)載荷方差貢獻(xiàn)率分別為26.1%、9.3%、5.9%，累積方差貢獻(xiàn)率為41.3%.其中第一載荷向量的空間分布呈青藏高原東南部為負(fù)值，剩余的西藏、青海以及四川西北部，即高原的主體為正值，說明高原主體與高原東南部地帶連續(xù)無雨日數(shù)變化趨勢相反，當(dāng)高原主體連續(xù)無雨日數(shù)減少時(shí)，高原東南部地區(qū)增加。第一載荷向量的空間分布與圖3(a)中的氣候傾向率分布對應(yīng)較好，說明連續(xù)無雨日數(shù)變化主要受到第一載荷向量的影響。中心區(qū)域位于（80°E～90°E,33°N～36°N 和90°E～102°E,35°N～40°N)，說明青海北部和西藏西北部是連續(xù)無雨日數(shù)變化最敏感的地區(qū)。根據(jù)第一載荷的時(shí)間序列可以看出，在1961—1986年，連續(xù)無雨日數(shù)基本為正，極端降水偏低；在1986年后，連續(xù)無雨日數(shù)基本為負(fù)，極端降水增多，這說明連續(xù)無雨日數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)存在顯著的年代際減少。在1961—2015年間，高原主體連續(xù)無雨日數(shù)整體呈下降的趨勢，高原東南部地帶連續(xù)無雨日數(shù)呈上升趨勢。

圖1 1961—2015年青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的連續(xù)無雨日數(shù)EOF分析結(jié)果

第二載荷向量高原主體和西藏西北部地區(qū)連續(xù)無雨日數(shù)變化趨勢相反，中心區(qū)域位于西藏西部和唐古拉山脈地區(qū)。時(shí)間序列在1979年前后有突變，1979年前基本為負(fù)值，1979年后基本為正值。第三載荷向量高原主體和西藏西部、青海西北部地區(qū)連續(xù)無雨日數(shù)變化趨勢相反，中心區(qū)域位于西藏西部和唐古拉山脈地區(qū)。時(shí)間序列在20 世紀(jì)60 年代后期至20 世紀(jì)80年代初存在7～8年為周期的年代際震蕩，1980年后變?yōu)?～3年為周期的年際震蕩。

1.2 年總降水量時(shí)空變化特征

如圖2所示為青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的年總降水量EOF分析結(jié)果，前三個(gè)載荷方差貢獻(xiàn)率分別為24.5%、17.6%、12.3%，累積方差貢獻(xiàn)率為54.4%.三個(gè)載荷的貢獻(xiàn)率差別不是很大，因此年降水量的變化是三個(gè)載荷共同作用的結(jié)果。其中第一載荷向量的空間分布呈青藏高原東北部為負(fù)值，其余主體部分為正值，說明高原主體與高原東北部地帶年降水量變化趨勢相反，當(dāng)高原主體年降水量增加時(shí)，高原東北部地區(qū)減少。這樣的模態(tài)，可以認(rèn)為是“西南?東北”反向變化模態(tài)。中心區(qū)域位于（92°E～102°E,27°～31°N），說明西藏東部是年降水量變化最敏感的地區(qū)。根據(jù)第一載荷的時(shí)間序列可以看出，在1984 年前，年降水量基本為負(fù)，降水偏少，且存在2～3 年為周期的年際震蕩；在1984 年后，年降水量基本為正，降水偏多；2012—2015 年間，年降水量驟降。在1961—2015 年間，高原主體年降水量整體呈上升的趨勢，高原東北部地帶年降水量呈下降趨勢。

圖2 1961—2015年青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的年降水量EOF分析結(jié)果

第二載荷向量高原32°N以北和高原32°N以南地區(qū)年降水量變化趨勢相反，是一種“南?北”分型的模態(tài)，其中心區(qū)域位于察爾汗鹽湖附近和橫斷山脈地區(qū)。時(shí)間序列在20 世紀(jì)60 年代后期至20 世紀(jì)90 年代后期存在2～3年為周期的年際震蕩，20世紀(jì)90年代末開始變?yōu)?～10 年為周期的年代際震蕩。第三載荷向量變現(xiàn)為全區(qū)一致的負(fù)值。時(shí)間序列表現(xiàn)為8～15年為周期的年代際震蕩。

1.3 中雨日數(shù)時(shí)空變化特征

如圖3 所示為青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的中雨日數(shù)EOF分析結(jié)果，前三個(gè)載荷方差貢獻(xiàn)率分別為19.8%、12.0%、9.0%，累積方差貢獻(xiàn)率為40.8%.前兩個(gè)載荷的貢獻(xiàn)率相對較大，因此中雨日數(shù)的變化主要受前兩個(gè)載荷共同作用的結(jié)果。其中第一載荷向量的空間分布呈青藏高原南部為負(fù)值，高原東北部和西部為正值，說明高原南部與高原東北部和西部地帶中雨日數(shù)變化趨勢相反，當(dāng)高原東北部和西部中雨日數(shù)增加時(shí)，高原南部地區(qū)減少。中心區(qū)域位于（94°E，30°N和101°E～103°E，34N°～36°N)附近，說明西藏東部和高原東北部是中雨日數(shù)變化最敏感的地區(qū)。根據(jù)第一載荷的時(shí)間序列可以看出，在20 世紀(jì)60 年代至20 世紀(jì)90 年代中期，中雨日數(shù)呈3 年左右周期的年際震蕩；在20 世紀(jì)90 年代中期后，中雨日數(shù)基本呈10 年左右周期的年代際震蕩。

圖3 1961—2015年青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的中雨日數(shù)EOF分析結(jié)果

第二載荷向量高原東部和高原南部中雨日數(shù)變化趨勢相反，中心區(qū)域位于青海省和四川省交界處。時(shí)間序列在1987 年前，中雨日數(shù)基本為負(fù)，極端降水偏少；在1987 年后，中雨日數(shù)基本為正，極端降水偏多。在1961—2015年間，高原南部中雨日數(shù)整體呈上升的趨勢，高原東部地帶中雨日數(shù)呈下降趨勢。第三載荷向量高原中部、東部和高原西部中雨日數(shù)變化趨勢相反，中心區(qū)域位于青海省和四川省交界以南，時(shí)間序列表現(xiàn)為10～15年為周期的年代際震蕩。

1.4 大雨日數(shù)時(shí)空變化特征

如圖4 所示為青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的大雨日數(shù)EOF分析結(jié)果，前三個(gè)載荷方差貢獻(xiàn)率分別為20.1%、13.7%、8.4%，累積方差貢獻(xiàn)率為42.2%.前兩個(gè)載荷的貢獻(xiàn)率相對較大，因此大雨日數(shù)的變化主要受前兩個(gè)載荷共同作用的結(jié)果。其中第一載荷向量的空間分布呈青藏高原東部和南部為負(fù)值，高原西部和北部為正值，說明高原東部和南部與高原西部和北部地帶大雨日數(shù)變化趨勢相反，當(dāng)高原北部和西部大雨日數(shù)增加時(shí)，高原南部和東部地區(qū)減少。中心區(qū)域位于（92°E～96°E，28°N～32°N 和101°E～104°E，27°N～30°N）附近，說明西藏東部和橫斷山脈附近是大雨日數(shù)變化最敏感的地區(qū)。根據(jù)第一載荷的時(shí)間序列可以看出，大雨日數(shù)基本呈8～10年左右周期的年代際震蕩。

圖4 1961—2015年青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的大雨日數(shù)EOF分析結(jié)果

第二載荷向量高原東部和青海省東南部大雨日數(shù)變化趨勢相反，中心區(qū)域位于青海湖以南和金沙江以東。時(shí)間序列在1990 年前，大雨日數(shù)正值居多，極端降水偏多；在1990年后，大雨日數(shù)負(fù)值居多，極端降水偏少。在1961—2015年間，高原東部大雨日數(shù)整體呈下降的趨勢，青海東南部大雨日數(shù)呈上升趨勢。第三載荷向量西藏東部、四川西部和金沙江附近大雨日數(shù)變化趨勢相反，中心區(qū)域位于雅魯藏浦江下游和金沙江地帶。時(shí)間序列在1984 年前，大雨日數(shù)負(fù)值居多，極端降水偏少；在1984—2005年，大雨日數(shù)正值居多，極端降水偏多，2005—2015 年，大雨日數(shù)負(fù)值居多，極端降水偏少，整體呈現(xiàn)20～25 年左右周期的年代際震蕩。

1.5 日最大降水量時(shí)空變化特征

如圖5所示為青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的日最大降水量EOF 分析結(jié)果，前三個(gè)載荷方差貢獻(xiàn)率分別為16.0%、8.0%、6.6%，累積方差貢獻(xiàn)率為30.6%.第一個(gè)載荷的貢獻(xiàn)率相對較大，因此日最大降水量的變化主要受第一個(gè)載荷影響較大。第一個(gè)載荷向量的空間分布呈青藏高原東北部為負(fù)值，高原西北部和東部為正值，說明高原東北部與高原西北部、東部地帶日最大降水量變化趨勢相反，當(dāng)高原東北部日最大降水量減少時(shí)，高原西北部、東部地區(qū)減少。中心區(qū)域位于（102°E～104°E，29°N～32°N）附近，說明高原東部是日最大降水量變化最敏感的地區(qū)。根據(jù)第一載荷的時(shí)間序列可以看出，1998年以前，日最大降水量基本呈4年左右周期的年際震蕩，1998年以后日最大降水量負(fù)值居多。

圖5 1961—2015年青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的日最大降水量EOF分析結(jié)果

第二個(gè)載荷向量的空間分布從東南向西北呈負(fù)?正?負(fù)?正相互間隔的趨勢分布，時(shí)間序列呈20 年左右周期的年代際震蕩，日最大降水量在1982—2003年，高原東部地區(qū)日最大降水量較大，中、西部地區(qū)較小；而2003—2014 年，則高原東部地區(qū)日最大降水量較大，中、西部地區(qū)較大。第三個(gè)載荷向量的空間分布呈青藏高原東北部為負(fù)值，其余高原主體為正值的相反分布，時(shí)間序列呈3年左右周期的年際震蕩。

1.6 最大五日降水總量時(shí)空變化特征

如圖6所示為青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的最大五日降水總量EOF分析結(jié)果，前三個(gè)載荷方差貢獻(xiàn)率分別為18.2%、7.9%、6.6%，累積方差貢獻(xiàn)率為32.7%.第一個(gè)載荷的貢獻(xiàn)率相對較大，因此日最大五日降水總量的變化主要受第一個(gè)載荷影響較大。

圖6 1961—2015年青藏高原地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的最大五日降水總量的EOF分析結(jié)果

第一個(gè)載荷向量的空間自北向南呈正?負(fù)?正分布，說明高原最大五日降水總量自北向南變化趨勢呈負(fù)?正?負(fù)或正?負(fù)?正，當(dāng)高原北部最大五日降水總量增加時(shí)，高原中部減少，高原南部增加。中心區(qū)域位于（102°E～104°E，29°N～32°N)附近，說明高原東部是最大五日降水總量變化最敏感的地區(qū)。根據(jù)第一載荷的時(shí)間序列可以看出，1988 年以前，最大五日降水總量負(fù)值居多，1988 年以后日最大降水量正值居多。在1961—2015年間，高原北部和南部最大五日降水總量整體呈上升的趨勢，極端降水增多；高原中部地帶最大五日降水總量呈下降趨勢，極端降水減少。

第二個(gè)載荷向量的空間分布從東北向西南呈正?負(fù)?正相互間隔的趨勢分布，時(shí)間序列呈3 年左右周期的年際震蕩。第三個(gè)載荷向量的空間分布呈青藏高原東北部和中部為負(fù)值，其余北部、西部和南部為正值的相反分布，時(shí)間序列呈3～5 年左右周期的年際震蕩。

2 結(jié)論

筆者欲探尋極端降水的時(shí)空分布特征，即其主模態(tài)特征，因此對極端降水指數(shù)進(jìn)行了EOF 分析，結(jié)果顯示：(1)連續(xù)無雨日數(shù)主要特征是：在整個(gè)高原上變化趨勢是較為一致的，并在1985年之后存在年代際減少的趨勢，這與整體趨勢也是吻合的，而且除了整體的年代際減少，在高原的不同區(qū)域還疊加了不同的年代際變化。（2）而總降水量主要特征是：“西南?東北”反向變化的模態(tài)。高原西南部在1985—2010 年降水較多，而后降水減弱，相反高原東北角（青海省東部及川西地區(qū)東部）在2010 年以后降水量迅速增大。此外還存在“南?北”分型和整體變化的模態(tài)。（3）中雨日數(shù)的主要特征：以南北反向的模態(tài)及年代際變化為主導(dǎo)的變化。在1995—2002 年高原南部地區(qū)中雨日數(shù)較多，2002 年以后中雨日數(shù)較少；反之，在高原其他區(qū)域1995—2002 年中雨日數(shù)較少，2002 年之后中雨日數(shù)較多。（4）大雨日數(shù)的主要特征：以“東?西”反向模態(tài)及年際變化為主導(dǎo)的變化。大雨日數(shù)變化以青藏高原東部變化為主，且以2～3 年的年際震蕩為主，其中年極端變化（主成分序列大于2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差）尤為顯著。（5）日最大降水的主要特征：高原中、北部地區(qū)與其他地區(qū)變化相反的模態(tài)，且東部地區(qū)變化尤為顯著。從時(shí)間變化來看，不僅存在較強(qiáng)的年際反向（正、負(fù)值交替出現(xiàn)）變化，且存在一定的年代際變化：日最大降水量在1982—2003 年，高原東部地區(qū)日最大降水量較大，中、西部地區(qū)較小；而2003—2014 年，則高原東部地區(qū)日最大降水量較大，中、西部地區(qū)較大。（6）五日最大降水量的主要特征：大致呈帶狀變化，分成30°N 以南的南部地區(qū)，30°N～36°N 的中部地區(qū)和36°N 以北的北部地區(qū)，三個(gè)帶狀區(qū)域，其中最大變化位置位于川西地區(qū)東部。時(shí)間上存在年代際變化：1975—1988年，中部地區(qū)五日最大降水量較大，南、北部地區(qū)較小；1989—1997年，則反之。

當(dāng)然本文的工作還有很多不足，比如：很多對高原生態(tài)、氣候發(fā)生嚴(yán)重破壞的降水可能沒有達(dá)到大雨的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的絕對閾值法對高原上極端降水的評估可能存在缺陷，引入相對閾值或者綜合指數(shù)法對高原極端降水進(jìn)行評估是很有必要的。

通過本文的研究，我們可以對青藏高原地區(qū)極端降水的氣候態(tài)、年際變率、趨勢變化和時(shí)空變化的基本情況有更為清晰的認(rèn)識，可供對青藏高原極端降水進(jìn)行機(jī)理分析的研究參閱，且對未來我們對極端降水災(zāi)害預(yù)報(bào)和預(yù)警奠定了一定的基礎(chǔ)。