近60年青海省極端降水時空分布特征分析

白 大 勇，曹 矞，張 勇

(1.西藏青藏石油管道有限公司，西藏 拉薩 850000； 2.華中農業大學 資源與環境學院，湖北 武漢 430070；3.長江水利委員會 長江流域水土保持監測中心站，湖北 武漢 430010)

0 引 言

20世紀中葉以來，氣候變暖導致極端氣候事件變得更頻繁、更強和更持久，其中極端降水是氣候變暖最具影響的后果之一[1]。大量的研究表明，極端降水會導致洪澇、滑坡、泥石流等自然災害頻發，風險增加，嚴重影響經濟發展和人民安全，已成為全球最受關注和影響最大的災害之一[2-3]。因此，研究極端降水事件是關系全球政治、經濟、社會等各方面的重要工作。

國內外學者廣泛關注極端降水，針對極端降水時空變化及驅動因素做了大量的探索性研究。已有研究表明，中國極端降水具有復雜的時空分布特征，夏季旱澇頻發，南方地區洪澇嚴重且持續時間長，西北地區極端降雨顯著增加，華北、東北和西南地區減少，且極端降水存在年代際差異[4-5]。青海省位于中國西北高原地帶，是全球氣候變化的敏感區和關鍵區，在全球氣候變暖的背景下，受西風帶氣候、高原季風和東亞季風氣候的影響，青海省降水時空特征發生了顯著變化[3，6]。近年來，該地區氣象及其引發的災害損失越發嚴重，其中尤以極端氣候事件影響最為嚴重[5]。

江志紅等[7]在對中國的氣候模擬場以及極端降水的實際情況進行研究后，預測21世紀的中國不僅極端降水事件將增多，同時極端降水強度將進一步增強。對于青海省極端降水的研究中，白淑英等[8]采用 Mann-Kendall 檢驗法研究了青海省近50 a的降水時空格局變化；汪寶龍等[9]采用線性傾向估計法等方法研究了青海省極端降水事件的變化特征。目前采用累積距平分析法和GIS空間分析法對青海省進行極端降水事件和突變分析的研究較少。因此，本文選取世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)推薦的10個極端降水指數，以青海省25個氣象站1961～2020年逐日降水資料為基礎，采用累積距平、線性傾向估計及GIS反距離插值，系統分析了青海省近60 a極端降水時間變化及空間分布格局，以期為區域應對氣候變化、防災減災及生態環境建設提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

青海省位于青藏高原東北部，總面積約72.23萬km2。位于31°36′N～39°19′N，89°35′E～103°04′E，地理位置上處于中國地勢“三大階梯”的一級階梯，平均海拔3 000 m以上，總體上呈現東南低西北高的地勢，其東部地區為青藏高原與黃土高原過渡地帶，整體山脈縱橫兼有高原、盆地地形。高壓氣團影響顯著，帶有顯著的高原大陸性氣候特征，平均氣溫低，降水較少，日照時間長。降水量由東南向西北遞減，因此東部河谷地區由于氣候相對濕潤海拔較低，成為人口農業集中發展區域，而西部地區人口相對較少。

1.2 數據來源

氣象數據來源于中國氣象數據網(http：∥data.cma.cn/)。依據資料的連續性及各項標準等，共選取了符合條件的25個氣象站(32°N～39°N，92°E～102°E)1961～2020年共60 a逐日降水數據，并對青海省內各項降水指數進行計算分析(見圖1)。

2 研究方法

研究采用推薦的10個極端降水指數[7]，包括降水量、降水強度、強降水量等(見表1)，從不同角度反映青海省近60 a的極端降水變化。在極端降水特征研究中，常常使用上述10個指數或者以上述指數為基礎進行針對性分析。利用累積距平法探討各降水指數年際間變化情況，利用ArcGIS繪制不同極端降水指數均值和傾向率的空間分布圖。

表1 極端降水指數的定義Tab.1 Definition of the extreme precipitation indices

2.1 線性傾向估計法

不同站點研究時序內降水變化趨勢可以通過降水量線性傾向率表示[10]，擬合公式如下：

X=a0+a1t

(1)

式中：a0為年際降水量擬合曲線的常數項；a1為年際降水量擬合曲線的斜率，即線性趨勢項；t為降水年份。

2.2 累積距平分析法

本研究以青海省內各自動監測站點的逐日降水量數據為基礎，計算相關降水指數并分析其在時空上的分布特征。對獲取的數據進行距平分析[10]，探討各降水指數年際間變化情況，以此反映60 a來青海省地區極端降水事件的發生頻率、峰值以及總體數值的變化趨勢。

2.3 空間插值

通過ArcGIS等地理信息處理軟件對各個站點1961～2020年各降水指數平均值進行空間插值，繪制等值線圖與趨勢圖，直觀反映研究區域60 a間極端降水事件在空間上的分布情況?？紤]研究區域站點分布與數量情況，空間插值方法采用以站點間空間距離為主要權重因子的反距離加權模型[5]，公式為

(2)

3 結果與討論

3.1 青海省降水時空分布特征

3.1.1降水時間變化特征

1961～2020年青海省年內降水分配平均值為365.9 mm，最大值為2018年489.6 mm，最小值為1965年229.9 mm(見圖2)。分析表明，近60 a青海省年降水量總體呈現上升趨勢，以1.16 mm/a的速率增加。統計結果表明，青海省月降水量一般情況為：1～6月降水量逐漸增加，6月的降水量最多，平均值達到87.5 mm，之后降水量逐漸減小，12月份最小，平均僅3.0 mm?？傮w看來，全年降水量在時間上分布極其不均勻，明顯分為干、濕兩季，5～9月為雨季，10月至次年4月為干季。

3.1.2降水空間分布特征

圖3為1961～2020年青海省降水量空間分布圖。由圖可知，有8個站點的年降水量超過500.0 mm，集中分布在青海省南部以及東南部，降水量最大值為久治站，多年平均降水量為736.6 mm。降水量在300.0～500.0 mm范圍的主要分布在東部偏北地區，共計9個站點。降水量在300.0 mm以下的站點分布于北部和西部地區，共計8個；降水量最小值為冷湖站，位于青海省西北部，多年平均降水量為16.3 mm。由圖3可以看出，青海省1961～2020年降水表現出明顯的空間異質性，降水量從北至南、從西至東逐漸增大。

3.2 青海省極端降水時空分布特征

3.2.1極端降水時間變化特征

1961～2020年青海省10個極端降水指數的時間變化如圖4所示。從距平線性分析可知，除SDII、CDD、CWD呈現下降趨勢外，其余7個指數均表現為不同程度的上升趨勢。其中PRE與R95P增加顯著，說明近60 a來青海省降水總量逐漸增大。從各極端降水指數的累積距平曲線來看，各指數呈現波動式變化。其中，PRE、R95P年變化相似，自2000年以來，逐漸增大，由偏少期轉為偏多期。R99P、RX1、RX5變化趨勢相似，近60 a呈現先減少、后增加的趨勢。從各極端降水指數的距平圖可知，PRE在1965，1967，1988，2018年發生4次突變，1967，1988，2018年為降水典型異常偏高年份，1965年為降水典型異常偏低年份。R10和R25變化趨勢相近，中雨及大雨以上天數典型異常偏高年份較多，2018年R10和R25為60 a來最大值。

3.2.2極端降水空間分布特征

從各極端降水指數的空間插值結果來看，表示濕潤程度的降水指數如PRE、SDII等在青海省內空間分布大體上呈現自東向西、自南向北遞減的趨勢，而表示干旱程度的降水指數如CDD，其空間分布趨勢正好相反(見圖5)。與PRE指數的極值區域在空間上分布于青海省的最東南端與西北端，各個站點的多年平均總降水量在20.0～750.0 mm之間，多年降水均值為367.5 mm。全省各個站點中，有56%的站點降水量高于均值，這些站點多分布于青海省東南方，最大值出現在久治站點，位于青海省最東南端的黃南藏族自治州內；另外44%的站點位于青海省西北部，其中最小值出現在冷湖站點，位于青海省最西北端的海西蒙古藏族自治州。

與PRE相比，SDII指數的極值出現區域更為靠近青海省中心區域，說明兩個降水指數之間存在很強的相關性，同時也受其他氣候環境因子如海拔、地形及降水天數等的影響。由圖5可以看出：隨著海拔的升高，PRE和SDII指數都逐漸降低，而在海拔較低的柴達木盆地其PRE和SDII指數反而低于東南部高原區域，說明在該區域主導降水量的環境影響因子并非海拔，有可能是因為柴達木盆地深處內陸，東南部的青藏高原以及黃土高原阻擋了海洋暖濕氣流吹入，使得大陸西北方西伯利亞高壓氣團成為主導該區域降水的環境影響因子。

RX1指數整體表現為自南向北逐漸遞減，并出現明顯的分級情況，與其他降水指數自東南向西北遞減的趨勢略有差異，其中最小值出現在冷湖站點，與PRE指數最小值站點一致，而最大值站點出現在青海省最南端的囊謙站點，位于玉樹藏族自治州；而RX5指數的最大值出現在曲麻萊站點，相對于RX1指數，最大值站點更為靠近青海省中部，同時也位于青藏高原東北部。其他降水指標在大體上與降水量保持相似的分布情況，除最長無降水日數外，大致呈現自東南向西北減少的趨勢。

綜上所述，青海省的各極端降水指數會因海拔的變化受到一定的影響，但在多種影響因素中，極端降水指數對于海拔的響應程度并不是最突出的，青海省降水指數的空間分布情況是多種環境因子如海拔、地形、地理位置等綜合作用的結果。

3.3 極端降水指數變化趨勢空間分布特征

青海省各站點60 a間總降水量傾向率變化趨勢如圖6所示，降水傾向率變化范圍在-4.6～27.8 mm/10 a之間，其中降水量減少最快的站點是河南站，年降水量減少速率是4.6 mm/10 a，是唯一呈減小趨勢的站點。降水量增長最快的站點是五道梁站，年降水量增長速率是27.8 mm/10 a。除河南站外，其余站點降水量均逐漸增加，說明60 a間青海省地區降水量整體呈增加趨勢。

4 結 論

本次研究基于青海省逐日降水資料，借助10個極端降水指數，分析了1961～2020年青海省降水時空變化特征，主要得到以下結論：

(1) 1961～2020年，青海省年降水量總體呈現上升趨勢。1～6月降水量逐漸增加，6月的降水量最多，隨后降水量逐漸減小，12月份最小。全年降水量在時間上分布極其不均勻，明顯分為干、濕兩季，5～9月為雨季，10月至次年4月為干季；青海省降水量空間分布呈現從北至南、從西至東逐漸增大的趨勢。

(2) 從累積距平分析可知，除SDII、CDD、CWD呈現下降趨勢外，其余7個指數均表現為不同程度的上升趨勢，說明近60 a來青海省降水總量逐漸增大。PRE在1967，1988，2018年為降水典型異常偏高年份，1965年為降水典型異常偏低年份。R10和R25變化趨勢相近，中雨及大雨以上天數典型異常偏高年份較多，2018年為來最大值。

(3) 根據ArcGIS空間分析，由青海省各項降水指數的反距離權重空間插值結果可知，除最長無降水日數外，其余降水指數在青海省內空間分布大體上均呈自東向西、自南向北遞減的趨勢。

(4) 由線性傾向估計法分析可知，青海省各站點降水傾向率變化范圍在-0.46～2.78 mm/10 a之間，傾向率小于零的站點僅為青海省東南部的河南站，說明60 a間青海省地區降水量整體呈增加趨勢。