1967—2016年黃河上游河曲地區降水變化特征研究

楊春華，燕振寧，周 丹，保廣裕，劉 瑋

（青海省氣象服務中心，青海 西寧810001）

黃河上游河曲地區位于青藏高原東南部， 黃河從阿尼瑪卿山南側自青海省流到甘肅省、 四川省交界處轉彎后向北，再由阿尼瑪卿山北側進入青海省，形成U 形走向，流域面積約為2 萬km2，流域境內多為東向西的高山峽谷[1]。 黃河上游河曲地區位于33.2°~34.4°N，90.4°~102.3°E，為青海、甘肅、四川三省的交界區。 青藏高原年降水量最多的區域是黃河上游河曲地區，黃河匯水量53%來自這一區域[2]。

近年來研究結果表明， 在全球變暖趨勢的大背景下，黃河上游地區的氣溫增加顯著，年降水量呈減少趨勢[3~6]。 李林等[3]利用正交經驗函數方法（EOF）通過近40 a 來三江源地區16 個氣象臺站氣溫、 降水、蒸發資料， 分析了三江源地區近40 a 來氣候變化的異常特征及其對生態環境的影響， 結果表明三江源地區氣候變化表現出氣溫升高、 降水減少和蒸發增大的干旱化氣候變化趨勢；楊建平等[5]利用月氣象資料，對過去40 a 江河源氣候變化特征進行分析，并與全球、全國、青藏高原進行了比較。 結果表明：江河源區氣溫具有增暖趨勢， 近40 a 兩地年平均氣溫分別增加約0.8 ℃和0.7 ℃，為高原異常變暖區。

目前， 針對氣候變暖背景下黃河上游河曲地區各等級降水量和降水日數的全面研究較少， 本文選擇有一定研究基礎的黃河上游河曲地區作為研究對象， 通過對該地區不同類型各等級降水的氣候特征進行研究， 以便更深入地了解黃河上游河曲地區氣溫和降水的變化情況。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況及資料來源

黃河上游河曲地區位于青藏高原東南部， 橫貫該地區的巴顏喀拉山脈，南滋長江，北養黃河。 從久治—若爾蓋—紅原—瑪曲—河南縣一帶是降水量最大、地面匯水面積集中和徑流量最大的地區。 因此，本文選取的黃河上游河曲地區的四川省若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省瑪曲縣及青海省的久治縣、河南縣為研究范圍（圖1）。 河曲地區屬于高原寒溫帶—亞寒帶氣候， 年均溫度0.6~1.2 ℃， 年均降水量約為590.4~762.2 mm。 研究區的地貌類型主要為丘陵、低山、 河谷階地、 丘陵和寬谷相間分布， 谷底海拔3500 m 左右，丘頂海拔3800 m 上下，周圍山地海拔達4000 m[7]。 研究區青海省的久治縣和河南縣1967—2016 年的年、月及逐日雨量和氣溫資料來自青海省氣候中心；四川省若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省瑪曲縣1967—2016 年的年、月及逐日雨量和氣溫資料由上述各縣氣象局提供。氣象規范規定，降水量分為降雨量和降雪量兩部分，降水日定義為日降水量≥0.1 mm，由降雨日和降雪日組成。日雨量在10 mm 以下為小雨，10.0～24.9 mm 為中雨，25～50 mm 為暴雨。 大中小雪的標準：＜2.5 mm 為小雪，5.0～9.9 mm 為中雪，超過10 mm 為暴雪。四季劃分標準：3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月—次年2 月為冬季。由于研究區域范圍較小，各站海拔高度相差不大，區域平均氣溫和降水量采用算術平均值。各等級降水貢獻定義為各等級降水量除以總降水量。

圖1 研究區概況

1.2 方法介紹

1.2.1 Mann-Kendall 趨勢檢驗法

Mann-Kendall 趨勢檢驗是一種分析變化特征的檢驗方法[11-13]，利用該方法檢驗黃河上游河曲地區年平均氣溫和年降水的突變性。 非參數Mann-Kendall 法數據不要求遵循正態分布，但需要時間序列平穩獨立。

設原假設H0，數據序列為xn（t=1，2，，n），以ni表示樣本xi＞xj（1≤j≤i）的累計數，定義統計量dk：

若xi＞xj時，ni為1，若xi≤xj時，ni為0。

dk的均值E（dk）和方差var（dk）分別為：

定義統計量UF（dk）：

給定顯著性水平α，當|UF（dk）|＜Uα/2時，接受原假設H0，即無顯著上升或下降趨勢；當|UF（dk）|＞Uα/2時，拒絕原假設H0，即存在顯著上升或下降趨勢，且UF（dk）＞0 表明具有上升趨勢，UF（dk）＜0 表明具有下降趨勢。 對于逆序列UB（dk）重復上述公式步驟，使得UB（dk）=-UF（dk），UB1=0，若其與UF（dk）存在交點且位于兩條臨界線內，則交點為突變點。

1.2.2 氣候傾向率

用xi表示樣本量為n 的某一氣候變量，用ti表示xi所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸[14]：

式中，a 為回歸常數；b 為回歸系數。 a 和b 可以用最小二乘法估計。

對觀測數據xi及相應的時間ti， 回歸系數b 和常數a 的最小二乘估計為：

利用回歸系數b 與相關系數之間的關系， 求出時間ti與變量xi之間的相關系數：

b 又稱線性趨勢項， 把b×10 稱為氣候變量x 每10 a 的氣候傾向率。b 的符號表示氣候變量x 的趨勢傾向。 b＞0 時，說明隨時間t 增加，x 呈上升趨勢；b＜0時，說明隨時間t 增加，x 呈下降趨勢。 b 的絕對值反映了上升或下降的速率， 即表示上升或下降的傾向程度。 相關系數r 表示變量x 與時間t 之間線性相關的密切程度，通過對相關系數r 進行顯著性檢驗來判斷氣候變量x 變化趨勢的程度是否顯著。 確定顯著性水平α，若＞rα，表明x 隨時間t 的變化趨勢是顯著的，否則表明變化趨勢是不顯著的。

1.2.3 變異系數

統計量在不同年代的相對變化可以用變異系數來描述。 氣象要素的穩定性和均勻性特征可以通過變異系數來反映[15-16]。 變異系數的公式為：

2 黃河上游河曲地區降水量的變化特征

2.1 黃河上游河曲地區年氣溫和年降水量的時間變化

近100 a 中國升溫趨勢十分明顯，20 世紀90年代升溫尤為明顯[17]，氣溫上升了0.4~0.5 ℃，華北、東北和西北是主要的增暖區域[18-22]。 從圖2 可以看出，近50 a 黃河上游河曲地區年平均氣溫上升趨勢明顯，上升速率為0.315 ℃/10 a，通過0.001 的顯著性水平檢驗。其中，近20 a 增溫更為明顯，年均氣溫以0.53 ℃/10 a 的速度增加，比全國其它地區增溫幅度明顯高[22-23]，且在2002 年后年均氣溫距平由負值轉正值。由此可見，黃河上游河曲地區目前處在氣溫明顯上升的階段，變暖趨勢顯著。

圖2 1967—2016 年河曲地區年平均氣溫曲線

應用Mann-kendall 檢驗法對黃河上游河曲地區氣溫序列的突變點和趨勢進行檢驗（圖3）。 由圖3 可以看出，在0.05 的顯著性水平下，黃河上游河曲地區1996 年以前氣溫變化較為平穩，之后氣溫迅速上升并在2002 年發生突變，氣溫經歷了“平穩—增加”的過程。

圖3 1967—2016 年河曲地區氣溫突變檢驗

由圖4 可知，1967—2016 年黃河上游河曲地區年降水量總體呈下降趨勢， 速率為-13.249 mm/10 a，未通過顯著性水平檢驗。

圖4 1967—2016 年河曲地區降水量曲線

采用Mann-Kendall 法對黃河上游河曲地區降水量序列進行檢驗（圖5）。 結果顯示自20 世紀60年代末降水量呈減少趨勢，70—80 年代中期降水量呈明顯的增加趨勢，80 年代后期至90 年代末呈下降趨勢，從90 年代末至今較穩定，降水量經歷了“減少—增加—減少—平穩”的過程，且在2001—2004年超過0.05 顯著水平臨界線。 根據UF 和UB 曲線的交點位置， 確定黃河上游河曲地區降水量下降趨勢突變出現在1986 年（圖5）。

圖5 1967—2016 年河曲地區降水突變檢驗

2.2 黃河上游河曲地區降水量季節變化趨勢

從圖6 可以看出，黃河上游河曲地區降水量在季節上分布不均衡。夏季降水量最大，冬季最小。圖6 中變化率為氣候趨勢率，黃河上游河曲地區各季降水量的變化趨勢不相同，夏季和秋季降水量整體均呈逐年下降趨勢，而春季和冬季呈上升趨勢。

圖6 河曲地區降水量的季節分布特征

通過分析季節降水量的變化可知， 黃河上游河曲地區1967—2016 年夏季和秋季降水量分別以27.89 mm/10 a、33.81 mm/10 a 的傾向率在減少，而春季降水量以11.53 mm/10 a 的傾向率增加， 冬季以0.673 mm/10 a 的傾向率在增加， 且冬季達通過了0.05 的顯著性水平檢驗，表明冬季是黃河上游河曲地區降水量增加的主要時段。 通過6 階多項式擬合來分析年代際的變化趨勢，黃河上游河曲地區20世紀70 年代春季和夏季降水量比歷史均值偏多；20世紀80 年代各季節的降水量均在減少；20 世紀90年代夏季和秋季降水量偏少， 而春季和冬季降水量偏多；而進入21 世紀，夏季和秋季降水量均呈增加趨勢。

2.3 黃河上游河曲地區年降水量時間變化

由表1 中可知，1967—2016 年河曲地區春季總降水量呈增加趨勢，且中雨量通過了0.01 的顯著性水平檢驗， 小雨量通過了0.05 的顯著性水平檢驗；夏季和秋季總降雨量分別以-27.89 mm/10 a 和-33.81 mm/10 a 的速率呈減少趨勢， 夏季小雨量的減少通過了0.01 的顯著性水平檢驗，秋季各等級降水量和降雪量的氣候傾向率均為負值； 冬季各等級降水（雪）量的氣候傾向率均為正值，且暴雪量增加通過了0.01 的顯著性水平檢驗，總降水量過了0.05的顯著性水平檢驗。 除暴雨量外黃河上游河曲地區平均年降水量均呈逐漸下降趨勢， 但均未通過顯著性水平檢驗。

貢獻率是反映不同要素占總要素的百分比，表2 中降水貢獻率定義為各等級降水量除以總降水量。 由表2 可知，近50 a 對黃河上游河曲地區降水量的貢獻最大的是小雨量，其次是中雨量，它們的貢獻率之和為75.3%。 2002 年氣溫突變后，各等級降雨量的貢獻率呈增加趨勢， 降雪量的貢獻率呈減少趨勢；各等級降水量的貢獻率有一定的變化，暴雨量貢獻率增加了1.1%， 這表明近50 a 黃河上游河曲地區強降水事件在氣溫突變后對年降水量的貢獻變大。

表1 1967—2016 年河曲地區四季各等級降水量氣候傾向率/（mm/10 a）

表2 1967—2016 年河曲地區各等級降水量對不同尺度總降水量的貢獻率/（mm/10 a）

綜上所述，近50 a 降雨量的減少是黃河上游河曲地區年降水減少的主要原因， 降雨量的減少是由小雨量和中雨量的減少引起的， 小雨量和中雨量的減少主要體現在夏季和秋季小雨量的減少上。

2.4 黃河上游河曲地區各等級降水日數的的時間變化

從圖7 可知，近50 a 河曲地區年降水日數有明顯的年際變化， 從長期變化趨勢看以2.347 d/10 a的速率減少，通過了0.05 的顯著性水平檢驗。 20 世紀70—80 年代為降水日數的較多期，20 世紀90 年代之后呈減少趨勢。利用Mann-Kendall 法檢驗對黃河上游河曲地區降水日數進行了突變性分析， 發現沒有突變點， 降水日數的增減趨勢沒有達到顯著程度。

圖7 1967—2016 年河曲地區降水日數的年際變化

1967—2016 年河曲地區四季降水日數的變化與降水量變化極為相似（表3）。 春季總降水日數氣候傾向率均為負值，中雨日數增加通過了0.05 的顯著性水平檢驗；夏季中雨日數、小雨日數、暴雪日數和大雪日數呈減少趨勢， 小雨日數減少通過了0.05的顯著性水平檢驗； 各等級的降水日數在秋季呈減少趨勢； 除小雨和小雪日數外冬季各等級降水日數氣候傾向率均為正值， 暴雪日數的增加通過了0.01的顯著性水平檢驗。從全年看，黃河上游河曲地區各等級降水日數除暴雨外呈減少趨勢， 其中小雨日數減少通過了0.05 的顯著性水平檢驗，這說明年降水日數減少的主要原因是由小雨日數的減少引起。

表3 1967—2016 年河曲地區各等級降水日數氣候傾向率/（mm/10 a）

從表4 可以看到， 近50 a 對黃河上游河曲地區年降水日數貢獻最大的是小雨日數，其次是小雪日數， 小雨日數和小雪日數貢獻率之和達到了81%。 春季、夏季和秋季降水日數主要以小雨日數為主，冬季以小雪日數為主，貢獻率為52.1%。分析各等級降水日數在2002 年氣溫突變后的貢獻率，發現降雪日數貢獻率降低， 降水日數的貢獻率增加，增加較大的是中雨日數和小雨日數，分別增加了1.1%和1.7%。

表4 1967—2016 年河曲地區各等級降水日數對不同尺度總降水日數的貢獻率/%

2.5 降水量、降水日數的穩定性特征分析

圖8 給出了1967—2016 年河曲地區降水量變異系數的時間變化。 黃河上游河曲地區降水量在月際尺度上變化相對比較小（絕大多數CV<1.0），表明黃河上游河曲地區四季間降水差異不明顯。 降水量變異系數有年代際振蕩周期，降水量變異系數在20世紀70 年代末至80 年代呈上升趨勢，90 年代呈下降趨勢，21 世紀以來又呈上升趨勢。

圖8 1967—2016 年河曲地區降水量變異系數CV 的時間變化曲線

以2002 年為節點，計算該兩氣候的變異系數來分析黃河上游河曲地區降水量、 降水日數的變化特征。 從表5、表6 可以看出，近50 a 來黃河上游河曲地區降水量和降水日數變化特征相似， 但各時期的降水量變異系數均大于降水日數變異系數， 表明黃河上游河曲地區降水日數的年際分布比降水量的年際分布更均勻。

表5 氣溫突變前后黃河上游河曲地區各等級降水量CV 值

表6 氣溫突變前后黃河上游河曲地區各降水日數CV 值

3 結論與討論

（1）近50 a 來，黃河上游河曲地區年平均氣溫以0.315 ℃/10 a 增加， 通過0.001 的顯著性水平檢驗；年降水量以-9.48 mm/10 a 呈下降趨勢，年降水日數也呈顯著減少趨勢，減少率為-15.26 d/10 a。

（2）黃河上游河曲地區年降水量的減少主要是由夏季小雨量減少引起的，2002 年氣溫突變年后，對年降水量的貢獻率增加的是暴雨量， 各等級降雨量的貢獻率呈增加趨勢， 降雪量的貢獻率呈減少趨勢。

（3）近50 a 黃河上游河曲地區各等級降雨和降雪日數呈減少趨勢， 其中夏季小雨日數的減少是造成年降水日數減少的主要原因，通過0.05 的顯著性水平檢驗；在氣溫突變后，降雪日數貢獻率降低，降水日數的貢獻率均增加， 增加較大的是中雨日數和小雨日數，分別增加了1.1%和1.7%。

黃河上游河曲地區是黃河流域重要的匯水區域，是維系黃河中下游生態安全的重要保障，因此分析黃河上游河曲地區降水變化特征具有重要的現實意義。本文研究發現，黃河上游河曲地區年降水量呈減少趨勢， 該變化顯著增加了黃河中下游流域水生態安全風險，應該引起相關部門重視與關注。研究同時也發現近50 a 黃河上游河曲地區冬季暴雪日數呈增加趨勢， 該變化一方面可以為該地區冬季流域水源供給提供有效保障， 但另一方面限制了該地區冬季畜牧業發展，且增加了冬季雪災發生的概率，有利有弊。 縱觀全文，因資料和篇幅的限制，本研究只選取了黃河上游河曲地區5 個國家級氣象站點觀測資料進行了分析研究，未達到百分比的代表性。文章所選用分析方法過于常規， 雖能準確表征其基本特征，但對于深入分析缺乏支撐。文章在進行變化特征分析的過程中，重點考慮了不同等級降水變化特征，未能對各等級降水之間的聯系進行深入的分析，也未對各等級降水量出現所產生的影響做分析。 未來隨著科學數據共享范圍的擴大， 許多內部使用的氣象數據有望獲得， 全面的數據加深入的分析研究方法， 未來將對黃河上游河曲地區降水變化特征進行更加深入的分析研究。