青海省西北諸河61 a來降水演變特征及空間分布研究

楊 陽，時 璐，劉 弢，孫永壽，李 燕

(青海省水文水資源勘測局，西寧 810001)

0 引 言

青海省西北諸河地域遼闊，地形復雜，自然氣候條件嚴酷，生態環境脆弱，對人類的社會發展、生產生活以及環境保護等都提出了巨大挑戰。尤其是在大氣候轉變，極端天氣頻發的事實背景下，對該地區降水時空分布規律地探討和研究就具有十分重要的意義，其可以更好地為區域生態環境保護、經濟社會發展等領域提供服務。目前，專門針對青海省西北諸河地區降水時空分布規律的研究還相對甚少，本文在青海省第三次評價的基礎上，分析研究了青海省典型區域降水量評價方法、降水量分布特征、時空變化規律及未來變化趨勢，為今后水資源評價特別是無資料地區的降水分析評價提供借鑒，也為水資源管理提供應用基礎和數據支撐。

1 區域概況

青海省的西北諸河流域(以下簡稱西北諸河)是省內四大一級流域之一，其位于青海省的西北部，主要是由阿爾金山、疏勒南山、祁連山、昆侖山及青海南山環抱柴達木盆地、青海湖盆地以及羌塘高原區組成，地貌復雜多樣，垂直分布差異明顯。從區域內四周邊緣到盆地中心依次為高山、戈壁、固定半固定沙丘和風蝕丘陵、細土平原帶、沼澤、鹽沼、湖泊等地貌類型[1]，該區域由于地處大陸腹地，海拔較低，四周高山環繞，西南暖濕氣流難以進入，所以降水稀少，氣候干燥，相對濕度低，水汽含量少，大氣透明度好，日照時間長，太陽輻射強，氣溫較高，無霜期較短。盆地四周為高寒山地，該區地勢高峻、氣候寒冷，海拔在3 500～6 860 m之間，年均氣溫在0 ℃以下的時間長達6個月以上。因海拔較高，空氣干潔稀薄，造成日照時間較長，太陽輻射較強[2]。

2 西北諸河61 a來降水分析

本文數據基于全國第三次水資源調查評價，收集了甘肅省水文和青海省水文、氣象、農牧等部門的實測數據，其數據經整編后刊布，符合客觀事實，精度滿足分析要求。地形數據采用美國SRTM90 m DEM數據。

2.1 降水量時間序列變化特征分析

收集該區168個站點系列不一的降水資料，對具有30 a以上實測資料的站點，經預處理后插補延長至1956-2016系列。選取該區14個典型雨量代表站1956-2016系列年完整月年資料，統計降水量年內分配比例，利用泰森多邊形獲取西北諸河流域降水量月年值,并分析降水的集中度、集中期[3]，以反映其年內分配特征；利用趨勢檢驗、滑動T、有序聚類、Lee-Heghinan(里-海哈林)、滑動秩和[4]、去趨勢波動(DFA)[5-7]、R/S[8,9]、連續morlet復小波變換[10,11]等多種方法，分別對年際變化的年代際、趨勢、突變時期及周期變化進行分析，并對未來的趨勢變化進行預測。

2.2 降水量年內變化特征分析

青海省西北諸河1956-2016系列年多年平均降水為668.8 億m3，占全省的30.3%，根據各代表站年內降水分配統計結果顯示，西北諸河降水量年內分配極為不均，主要集中在5-9月，占全年降水量的80.1%～92.2%，形成干濕季分明的單峰式特點；年內最大降水量多出現在6-8月，占全年降水量的21.6%～29.6%；年內最小降水量多出現在11至翌年2月，僅占全年降水量的0.12%～1.48%(見表1)。

西北諸河降水年內分配不均勻程度變幅較大，集中度在0.59～0.77之間，呈微弱上升趨勢，表明趨于不均勻化；集中期為179.20°～212.85°之間，呈微弱下降趨勢，表明降水集中期有提前表現；不均勻系數有所增加；5-9月降水，呈上升趨勢；從年內變化指標的發展趨勢看，總體表現穩健(見圖1)。

表1 西北諸河代表站年內分配統計表 mm

圖1 西北諸河降水年內變化指標過程圖Fig.1 Annual variation index process of precipitation in northwest region

2.3 降水量年際變化特征分析

2.3.1 降水量年際變化

1956-2016年西北諸河年降水增加速率9.3 mm/10 a，降水量增加了55.7 mm，全流域內所有代表站年降水量呈上升趨勢，且總體呈現東、南部降水量增長速率大于西部增長速率，東、南部地區大部分站點通過了0.05顯著水平的檢驗，降水量顯著增加。Cv值隨著降水量的減少而增加，最大值出現在最西北的冷湖站為0.80(表2)。

2.3.2 降水量年代際變化

從西北諸河降水量年代統計表看出，西北諸河1956-2016年降水歷經了“枯-豐-枯-豐”過程，20世紀50年代末期至70年代降水量偏少9.5%～6.2%，80年代降水量偏多2.4%，90年代降水量偏少4.1%，進入新世紀以來，流域進入豐水期，降水量持續偏多多達15.5%(表3)。

表2 西北諸河年降水量趨勢檢驗表Tab.2 Test table of annual precipitation trend in northwest region

2.3.3 降水量年際變化趨勢預測

一階去趨勢波動分析(DFA)法，著重體現時間序列的長程相關性的強弱，而R/S法是對時間序列過去與將來是否存在持續性和反持續性進行分析[5-7]。結合DFA和R/S綜合分析和預測，西北諸河降水DAF分析法標度指數約為0.74，R/S分析法Hurst指數都約為0.67，都在0.5～1之間，表明降水時間序列具有長程相關性，呈現趨勢增強的狀態，降水將來的變化趨勢與過去的變化趨勢相同，預測將保持持續增加的趨勢，持續性較強(圖2)。

表3 西北諸河降水量年代際變化統計表Tab.3 Statistic table of interdecadal variation of precipitation in northwest region

圖2 西北諸河降水未來趨勢分析預測圖Fig.2 Analysis and forecast of the future trend of precipitation in northwest region

2.3.4 突變分析

分別采用滑動T(n1=n2=8)、有序聚類、里-海哈林及滑動秩和四種方法對西北諸河年降水時序進行突變分析。從圖3可知，4種方法都檢測到年降水系列突變年份為2001年，結合西北諸河降水過程綜合判斷，認為西北諸河年降水量在2001年前后，發生由枯到豐的突變。

圖3 突變檢驗圖Fig.3 Chart of abrupt change detection

2.3.5 周期分析

經morlet復小波連續變換分析[7，10,11]，西北諸河降水量全時域存在時間尺度為2、5、9、15和31 a的周期分布，以31 a尺度為主要周期，周期震蕩的能量較強，全時域震蕩了2.5個周期；5～15 a中等時間尺度周期范圍內，尺度的中心在1990年后有所上移(圖4)。

圖4 西北諸河降水小波周期及小波方差圖Fig.4 Wavelet period and wavelet variance of precipitation in northwest region

2.4 降水量空間分布特征及研究

根據所收集的降水資料，對具有30年以上實測資料的站點，經預處理后插補延長至1956-2016系列，對短系列采用比值法給出1956-2016系列降水均值后，依據平面、垂直分布規律定量繪制了降水等值線(圖5)。

圖5 西北諸河多年平均降水等值線及空間分布圖Fig.5 Isograms and spatial distribution of perennial mean precipitation in northwest region

2.4.1 平面分布規律

西北諸河流域地形以山區、縱谷、盆地為主，從降水多年平均等值線圖獲悉，年降水在地區平面分布上極不均勻，東部多雨，西北干旱，山區降水大于盆地谷地，年降水量亦有東、南部山區向西北盆地遞減，年降水變化在18～700 mm之間，最大值出現在石羊河源的冷龍嶺，最小值出現在冷湖地區；依據我國年降水量類型帶的劃分標準[12]，流域由干旱帶和嚴重干旱帶組成，其中祁連山西段、哈拉湖盆地、青海湖盆地、茶卡﹣沙珠玉環山地帶、可可西里地區以及環柴達木盆地東部、南部山區地帶，年降水量較少，在200～400 mm之間，屬于干旱區；柴達木盆地和茶卡—沙珠玉盆地腹地，降水量稀少，在200 mm以下，屬于嚴重干旱區(圖5)。

2.4.2 垂直分布規律探索

西北諸河地形對水汽的抬升作用明顯，降水多以地形雨為主，降水量的垂直差異明顯[13-16]，并呈現一定的規律性。流域東北部的祁連山地區和西部柴達木盆地較為典型。

流域東北部的祁連山地區地貌特征十分復雜具有高山、積雪、冰川、山谷、盆地等，降水量的垂直帶特性表現明顯，山地降水高于平原、河谷。結合祁連山地區省外資料情況，針對該區選取具有代表性的洪水河、西大河和雜木河三條河流，根據各河流沿線不同高程的降水站點觀測數據呈現，三條河沿河流不同高程站點的降水與高程變率，海拔每升高100 m，降水量分別增加21、17和18 mm。綜合分析，祁連山地區海拔平均升高100 m，降水量平均增加19 mm左右(圖6)。

圖6 西北諸河東北部祁連山地區降水站點分布及降水-高程曲線圖Fig.6 Distribution of precipitation stations and precipitation - elevation curve of Qilian mountains in northwest region

流域西北柴達木盆地四周有阿爾金山、昆侖山和祁連山包圍，山體較高，對氣流有阻擋和抬升作用，加強了氣流的垂直和水平運動，影響氣團和鋒面活動，使山區降水時間延長，總量增加。結合監測數據所在地區與河流片區，將盆地分為三大片區，分別為柴達木盆地東、南、北部。

降水在垂直變化上隨海拔升高而增加，并且多雨區降水隨海拔升高的增率大于少雨區。柴達木盆地東、南、北部地區，海拔每升高100 m，降水分別增加35、23和12 mm，降水隨海拔升高的增率，盆地東部>南部>北部,與降水量的分布、排序一致(圖7)。

圖7 西北諸河西部柴達木盆地降水站點分布圖及降水-高程曲線圖Fig.7 Distribution of precipitation stations and precipitation - elevation curve of Qaidam Basin in northwest region

2.4.3 降水空間分布變化分析

從降水突變時間部分地分析得出，該區域降水突變年份為2001年左右，青海省二次評價系列正好為1956-2000年，選擇與二次評價多年平均降水等值線對比，能夠更直觀地反映，降水在空間上變化。

從圖5與第二次評價成果對比看出，降水等值線在空間上分布呈現兩點變化：①整體上，降水等值線由四周山區高值向柴達木盆地低值中心遞進，猶如“漏斗”形狀，降水低值區域的面積在縮減；主要原因是在西北諸河地域的尺度范圍內，降水量普遍增加，尤其是進入新世紀以來降水有少轉多，進入豐水期。②局部上，山區降水高值區域的增加，例如祁連山-疏勒南山地區、青海南山地區、東南部鄂拉山地區；主要是因為近年來隨著降水監測站點的增多、降水垂向規律的探尋，為山區的高值區判斷和繪制提供定性定量依據。

3 結 論

通過對青海省內西北諸河流域1956-2016系列年降水數據分析，得以下結論：

(1)西北諸河降水量年內分配極為不均，主要集中在5-9月，占全年降水量的80.1%～92.2%，形成干濕季分明的單峰式特點。集中度在0.59～0.77之間與5-9月降水呈微弱上升趨勢，表明趨于不均勻化；集中期為179.20°～212.85°，呈微弱下降趨勢，降水集中期有提前表現。

(2)1956-2016年西北諸河年降水增加速率9.3 mm/10 a，降水量增加了55.7 mm，1956-2016年降水歷經了“枯-豐-枯-豐”過程，降水量時序具有長程相關性，將來的變化趨勢與過去的變化趨勢相同，將保持持續增加的趨勢，持續性較強。

(3)西北諸河年降水量在2001年前后，發生由枯到豐的突變；降水量全時域存在時間尺度為2、5、9、15和31 a的周期分布，以31年尺度為主要周期，周期震蕩的能量較強，全時域震蕩了2.5個周期。

(4)西北諸河年降水在地區平面分布上極不均勻，年降水量亦有東、南部山區向西北盆地遞減，年降水變化在18～700 mm之間；降水量的垂直差異明顯，并呈現一定的規律性，流域祁連山地區海拔平均升高100 m，降水量平均增加19 mm左右；柴達木盆地東、南、北部地區，海拔每升高100 m，降水分別增加35、23和12 mm，降水隨海拔升高的增率，盆地東部>南部>北部,與降水量的分布、排序一致。

(5)西北諸河多年平均降水等值線整體上發生由四周山區高值區域向柴達木盆地低值中心遞進，降水低值區域縮減的空間變化。

本文僅對青海省西北諸河流域降水時間演變特征和空間分布規律進行了分析，并對未來的趨勢變化進行預測，對其影響成因還有待今后進一步分析。

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