青藏高原暖濕復合事件時空變化特征及其對生態環境質量的影響

范智高 , 文 雯 , 史紅人 , 劉亞彬 , 譚光麗 , 呂 楊

（1.成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225；2.高原大氣與環境四川省重點實驗室，成都 610225；3.四川省氣象服務中心，成都 610072；4.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072；5.成都信息工程大學網絡空間安全學院，成都 610225）

引言

21 世紀以來，全球氣溫進一步升高，降水呈現更大的區域差異[1]，由此導致的冷暖事件、干濕事件以及暖濕復合事件變化是全球氣候變化的重要體現，也是氣候變化的重要指標。隨著人類用水加劇以及區域降水不平衡的加重，干濕事件對于人類生產生活的影響愈發凸顯，而水熱事件的復合相較于單一事件，對于區域乃至全球生態系統和人類生產生活的影響更大[2]。就我國而言，近年來冷暖事件、干濕事件以及暖濕復合事件變化的區域性差異及影響同樣十分顯著。多項研究[3-5]指出，北方地區冷事件減少而暖事件增多，其冷暖事件的發生與環流有較大關系，而西北地區暖季由暖干化向暖濕化轉變，當地干濕異常變化與同期的ENSO 事件密切相關。可見，研究區域冷暖事件、干濕事件和暖濕復合事件的發生頻率及其對生態系統的影響是十分必要的。

青藏高原位于亞洲大陸中部，作為全球海拔最高且地形最為復雜的高原，其對于亞洲乃至全球氣候具有重要影響，且對于氣候變化也異常敏感[6-7]。研究表明，青藏高原升溫幅度為全球平均值的1.5 倍，溫度的升高也導致了積雪的快速融化，顯著影響了亞洲水資源的平衡[8-9]，凍土退化、沙漠化加劇也嚴重破壞了高原地區的生態平衡[10-11]；整個青藏高原極端降水量、降水日數均呈上升趨勢[12]，特別是在東部地區[13]，這無疑會增加濕事件的發生；而區域及整個青藏高原的極端高溫也總體呈增加趨勢[14]，因此暖事件頻率會明顯增多；青藏高原在20 世紀80 年代后期進入相對暖濕時期，增溫、增濕事件主要發生在冬季[15]。

由于青藏高原對升溫的變化極為敏感，升溫后導致的積雪、冰川、凍土融化以及生態系統的關聯影響可能被放大[8]。李鵬等[16]研究指出，極端溫度事件中的暖指標與植被枯黃期具有明顯的正相關關系，而霜凍天數、冰凍天數與枯黃期呈負相關關系。因此，研究青藏高原暖、濕及暖濕復合事件的變化以及對生態環境的影響尤為必要，其對于亞洲水資源安全、生態環境保護、社會經濟穩定等具有重大的科學意義和應用價值。然而，目前對青藏高原暖濕復合事件的關注相對偏少。因此，本文利用青藏高原134 個氣象站觀測資料和MODIS 衛星數據，通過百分位閾值法和趨勢分析方法，分析了該地區近60 a 暖事件、濕事件、暖濕復合事件以及生態環境質量的時空變化特征，探究了暖濕復合事件與生態環境質量的關系，旨在加深對青藏高原地區氣候變化的認識。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

青藏高原位于亞洲中部，幅員遼闊，地理范圍為26°10′～39°30′N、73°20′～104°20′E，東起橫斷山脈，西至帕米爾高原，南抵喜馬拉雅山，北至昆侖山和祁連山[10]，平均海拔超過4000 m，素有“世界屋脊”和“世界第三極”之稱[10]。由于獨特的地理環境和地表特征，青藏高原氣候也較為復雜，東南地區為暖濕氣候，而西北地區呈現冷干氣候[17]。除南部谷地外，其余地區年均溫在5 ℃以下[18]。降水呈由東南向西北逐漸減少的空間分布特征，東南地區降水量可達2000 mm，西北地區降水在50 mm 以下，且降水主要發生在夏季[19]。青藏高原作為亞洲水塔[8]，影響亞洲季風環流[7]，進而改變亞洲水資源的分配，其對于亞洲生態系統的穩定以及社會經濟的發展有著重要作用[17]。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 MODIS 數據

中分辨率成像光譜儀（MODIS）因其覆蓋面積廣、監測周期短等優勢，被廣泛應用于大范圍的生態環境研究[20]。遙感生態指數的所有指標均來自2000—2019年MODIS 遙感產品，包括MOD13A2、MOD11A2 和MOD09A1。MOD13A2 中以BRDF 校正數據為基礎，同時進行了多種的掩膜處理，得到以16 d 為周期的500 m 分辨率的歸一化植被指數（NDVI）；MOD11A2以分裂窗算法得到8 d 為周期的1000 m 分辨率的地表溫度（LST）；MOD09A1 是在正弦投影的8 d 網格3L 產品中以500 m 的分辨率提供1～7 波段。

本研究借助Google Earth Engine 行星級云計算平臺完成MODIS 數據輻射和大氣校正、拼接、裁剪與計算等處理工作，并將MODIS 數據統一至1000 m 分辨率，坐標系為WGS84 地理坐標系。

1.2.2 氣象數據

本研究涉及到的氣象數據是由國家氣候中心提供的逐日降水和逐日平均氣溫站點數據，但事實上研究區各氣象站點建立的時間差異較大，并且各個站點記錄數據中的缺測時間也不一致，為了使研究結果更加準確可靠，將時間統一為1961—2019 年，篩選出134 個觀測記錄較為完整的氣象站點，具體站點分布如圖1 所示。

圖1 研究區概況

1.3 方 法

1.3.1 暖濕復合事件

針對1961—2019 年134 個氣象站點逐日降水和氣溫資料，參考已有研究[21]取每年的第75 個百分位所對應日降水（氣溫）多年均值作為最終的濕和暖事件臨界閾值。若某站某日氣溫（降水）大于等于臨界閾值則記為一次暖（濕）事件，若某站某日氣溫和降水同時達到對應的臨界閾值則記為暖濕復合事件。

1.3.2 遙感生態指數

遙感生態指數（Risk-Screening Environmental Indicators，RSEI）用主成分變換算法集成了綠度分量（NDVI）、熱度分量（LST）、濕度（WET）和干度分量（NDBSI）4 個表征生態質量的重要指標，來綜合反映某一區域的生態環境狀況，即：

式中：MOD13A2 中的NDVI作為綠度分量；MOD11A2中的LST表征熱度分量；WET濕度分量則采用多光譜影像經纓帽變換后的第三分量進行表征[22]；干度分量則利用Hu 等[23]構建的NDBSI來刻畫。基于MODIS數據計算得到4 個生態分量后，使用主成分分析實現多指標的合成，以避免人為主觀因素在權重設定過程中的偏差。由于4 個指標量級不同，因此，在主成分分析前需要將4 個指標進行歸一化處理。以上過程通過在Google Earth Engine 行星級云計算平臺得到最終的RSEI 值。通過重分類將RSEI 劃分為差、較差、中等、良好和優共5 個等級，數值分別對應[0，0.2）、[0.2，0.4）、[0.4，0.6）、[0.6，0.8）和[0.8，1.0）[24]。

1.3.3 統計分析

本文采用趨勢分析法研究暖事件、濕事件和暖濕復合事件發生頻次的年際變化趨勢和顯著性。Sen趨勢優點在于不需要數據服從一定的正態分布，對數據誤差具有較好的抵觸能力，計算結果較為可靠[25]。然而sen 趨勢只能判斷其變化率，不能夠對變化趨勢的顯著性進行判斷。因此，采用Mann—Kendall 檢驗方法判斷變化趨勢的顯著性，該方法也是一種非參數統計檢驗方法[26]，它無需樣本服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，選取α 為0.05、0.01 的顯著性檢驗水平，其對應的Z 值分別為1.960、2.576[27]，具體分類標準見表1。利用Pearson 相關系數分析不同事件對RSEI 的影響，然后通過T 檢驗來判斷相關系數的顯著性。當|T|＜2.10 時，則判斷不同事件與RSEI不顯著相關；當2.10≤|T|＜2.88 時，則判斷不同事件與RSEI 存在顯著相關；|T|≥2.88 時，則判斷不同事件與RSEI 存在極顯著相關。

表1 變化趨勢分類標準

2 結果分析

2.1 暖、濕及暖濕復合事件發生頻次及變化趨勢

圖2 給出了1961—2019 年青藏高原暖事件、濕事件以及暖濕復合事件發生頻次及其變化趨勢的空間分布。如圖2a～c 所示，暖事件發生頻次總體在90次以上，其中＞92 次的地區主要分布在青藏高原南部，而發生頻次相對較少的地區主要分布在高原東南部，部分地區暖事件發生頻次低于88 次；濕事件表現出明顯的南北差異，高原南部和東部濕事件發生頻次大多高于90 次，而北部濕事件發生頻次多在90 次以下；暖濕復合事件也存在明顯的南北差異，高原北部暖濕復合事件發生頻次超過44 次，而高原南部多數站點低于40 次。

圖2 近60 a 青藏高原暖（a、d）、濕（b、e）以及暖濕復合事件（c、f）發生頻次（上）及其變化趨勢（下）空間分布

如圖2d～f 所示，青藏高原暖、濕及暖濕復合事件發生頻次的變化趨勢均呈現出明顯的南北差異。暖事件在高原南部呈減少的變化趨勢，而在北部呈顯著的增加趨勢，其中增加趨勢極顯著的地區主要分布在東北部，而減少趨勢明顯的地區主要分布在東南和西南部的小片區域。濕事件在青藏高原大部分區域均呈極顯著增加的變化趨勢，具體表現為自西北向東南逐漸減小，東南部地區增加趨勢最弱。暖濕復合事件則表現出明顯的南北差異，其中東南部為顯著的減小趨勢，而西北部為顯著的增多趨勢。

圖3 給出了1961—2019 年青藏高原暖、濕及暖濕復合事件發生頻次的年際變化特征。如圖所示，暖事件呈明顯的波動趨勢，總體經歷了“上升—下降—上升”的變化過程，但其趨勢變化未通過顯著性檢驗（Z=0.752）。具體來看，1961—1972 年暖事件呈上升趨勢，而在1973—2000 年總體呈下降趨勢，在1998年出現極大值，2000 年后又呈上升趨勢。濕事件則表現出極顯著的上升趨勢，通過了99% 水平的顯著性檢驗（Sen 趨勢值為0.560 次/a，Z=7.167）。暖濕復合事件也表現出極顯著的上升趨勢，同樣通過了99% 水平的顯著性檢驗（Sen 趨勢值為0.117 次/a，Z=3.871）。

圖3 近60 a 青藏高原暖、濕及暖濕復合事件發生頻次年際變化（虛線表示Sen 趨勢分析）

2.2 生態環境質量時空變化

圖4 給出了2000—2019 年青藏高原生態環境質量時空變化特征。如圖4a 所示，青藏高原生態環境質量呈明顯的東南-西北空間分異格局；生態環境質量優秀和良好的區域主要分布在高原東部和南部，分別占全區總面積的2.59%和18.40%；生態環境適中的區域主要分布在高原中部，占全區總面積的17.97%；生態環境較差的區域占比最大，主要分布在高原中西部，占全區總面積的45.19%；生態環境差的區域主要分布在高原北部，占全區總面積的15.85%。從2000—2019 年青藏高原生態環境質量時間變化特征（圖4b）來看，研究區總體呈改善趨勢，其中北部和西部的改善趨勢更顯著，而南部地區變化不顯著；生態環境質量變差的地區主要分布在高原西北部，僅占全區總面積的1.77%。可見，近年來研究區生態環境質量較差，但總體上呈向好的發展趨勢。

圖4 2000—2019 年青藏高原生態環境質量時空變化特征（a.空間分布，b.時間變化）

如圖5 所示，青藏高原生態環境質量總體呈明顯的上升趨勢，通過了99% 水平的顯著性檢驗（Sen 趨勢值為0.003/a，Z=3.835）。從分段看，2000—2012 年生態環境質量呈波動的上升趨勢，且在2012 年有明顯提高；2012—2015 年生態環境質量呈連續的下降趨勢；2015 年之后，生態環境質量又表現出波動的上升趨勢。

圖5 2000—2019 年青藏高原生態環境質量年際變化（虛線表示Sen 趨勢分析）

2.3 暖、濕 及 暖 濕 復 合 事 件 對 生 態 環 境 質 量 的 脅 迫作用

分析2000—2019 年青藏高原暖、濕及暖濕復合事件與生態環境質量的相關性（圖6）可知：研究區134 個氣象站暖事件、濕事件和暖濕復合事件發生頻次與生態環境質量均呈正相關關系，區域平均的相關系數分別為0.26、0.13 和0.23；暖事件與生態環境質量的極顯著正相關主要分布在高原東部和南部，而極顯著負相關也零星分布在這一區域；濕事件與生態環境質量的相關性表現出明顯的南北差異，高原東北部呈顯著的正相關，高原中南部呈較明顯的負相關，而其余地區相關性總體偏弱；暖濕復合事件與生態環境質量的極顯著正相關主要分布在高原東北部和東南部，顯著負相關零星分布在高原南部。

圖6 2000—2019 年青藏高原暖（a）、濕（b）及暖濕復合（c）事件與生態環境質量相關性的空間分布

2.4 暖、濕 及 暖 濕 復 合 事 件 對 生 態 環 境 質 量 影 響 的海拔依賴性

如圖7 所示，青藏高原暖、濕及暖濕復合事件與生態環境質量的相關性隨海拔的變化具有明顯的差異。暖事件與生態環境質量的相關性隨著海拔的升高呈先增大后減小的變化趨勢，在低海拔地區（＜2000 m）總體呈負相關，在中、高海拔地區（＞2000 m）總體呈正相關。濕事件與生態環境質量的相關性在低海拔和高海拔地區總體呈負相關關系，而在中海拔地區總體呈正相關關系。暖濕復合事件與生態環境質量的相關性與濕事件類似，即在低海拔和高海拔地區相關性較低，而在中海拔地區正相關關系較顯著。由此可見，暖、濕及暖濕復合事件對生態環境的影響具有高度的海拔依賴性。

圖7 青藏高原暖（a）、濕（b）及暖濕復合（c）事件與生態環境質量相關性隨海拔的變化

3 結論與討論

3.1 結論

本文選取青藏高原134 個氣象站點觀測數據，通過百分位閾值和趨勢分析方法，研究了該地區近60 a暖事件、濕事件以及暖濕復合事件的時空演變，還利用MODIS 數據探究該地區生態環境質量的時空變化及其與不同事件的關系，得到以下主要結論：

（1）1961—2019 年青藏高原暖事件總體表現出“上升—下降—上升”的變化趨勢，而濕事件和暖濕復合事件總體呈極顯著的上升趨勢。暖事件發生頻次總體在90 次以上，其中大于92 次的地區主要分布在高原南部，而東南部發生頻次相對較少；濕事件在高原南部和東部發生頻次較高；暖濕復合事件在高原東北部發生頻次較高。暖事件、暖濕復合事件在高原南部呈減少趨勢，而在北部呈增多趨勢；濕事件在整個高原范圍內總體呈增加趨勢，其中南部地區增加趨勢較小，而北部地區增加趨勢較明顯。

（2）2000—2019 年青藏高原生態環境質量呈“東南高、西北低”的空間分異格局。從時間變化看，研究區總體呈改善趨勢，尤其是高原北部和西部的改善趨勢顯著，生態環境質量變差的地區主要分布在高原西北部，但僅占研究區總面積的1.77%。從年際變化看，青藏高原生態環境質量總體呈波動上升趨勢。

（3）2000—2019 年青藏高原暖事件、濕事件及暖濕復合事件與生態環境質量總體呈正相關關系，且具有明顯的南北差異，高原南部為較明顯的負相關關系，而高原中部和北部總體呈顯著的正相關關系。

（4）青藏高原暖、濕及暖濕復合事件與生態環境質量的相關性隨海拔的變化總體均呈先升高后降低的趨勢，中海拔地區（2500～4000 m）的正相關關系較為顯著。

3.2 討論

本文通過分析青藏高原地區暖、濕及暖濕復合事件的時空變化特征，發現近60 a 濕事件和暖事件均呈現增長的變化趨勢，這與周天財等[28]的研究結果一致，即氣候變暖導致了暖事件頻次的增加。馬曉波等[29]研究表明青藏高原降水增加主要表現為平均降水量的增加。此外，丁一匯等[30]指出年降水量在青藏高原有增加的趨勢但并不顯著，降水突變信號明顯比溫度突變信號弱，而本研究進一步證實了相較于暖事件，濕事件增加更顯著。此外，本文進一步揭示了暖濕復合事件的變化趨勢，表明氣候變化導致青藏高原暖濕復合事件越發嚴重，應予以重視。尤其是青藏高原暖濕復合事件頻繁發生，易引起冰川退縮、凍土消融、“水塔”功能不穩定性加大等現象，氣象災害及衍生災害增多，對基礎設施和當地及下游居民生產生活有著重大影響。

以往研究證實了氣溫和降水是影響生態環境質量的主要原因[31]，但很少有研究關注暖事件、濕事件和暖濕復合事件對生態環境質量的影響，本研究發現青藏高原暖濕復合事件與生態環境質量整體上呈正相關關系，氣候由暖干化向暖濕化轉型會對生態質量改善產生一定的促進作用。由于青藏高原的特殊地理位置，暖濕化不僅影響著湖面蒸發，還通過冰雪消融來調節徑流，在一定時期內會抬升湖泊水位和擴大湖泊面積，而從長遠看，強烈的冰雪消融會加速積雪消失和冰川退縮，而湖面降水對水位和面積的調節有限。因此，未來研究應注重暖濕化對冰雪消融及湖面演變的影響。

本文雖然獲得了若干有意義的初步結論，但仍有多個關鍵問題需要深入探討：（1）未考慮暖濕復合事件對生態環境質量影響的滯后效應，可能對相關性分析造成不確定性，需要進一步探究。（2）人類活動對生態環境質量也有著至關重要的影響，在后續研究中如何剔除人類活動干擾也是至關重要的。（3）僅分析了暖濕復合事件對生態環境質量的影響，后續研究可進一步考慮干濕、冷干和冷濕等復合事件。