1976—2019年甘南高原汛期不同等級降水時空變化特征

汪治桂，王興麗*，吉哲君，王素萍，付文睿

（1.甘南州氣象局，甘肅 合作 747000；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020）

中國幅員遼闊，降水具有明顯的區域性和季節性差異，不同區域的不同等級降水存在明顯的空間差異，對旱澇的貢獻也不盡相同。研究發現，近年來全球氣溫普遍升高，而全球總降水量存在一個增加趨勢，強降水量則以更大的比例增加[1]，有很多學者對我國汛期各地的降水氣候變化特征、降水強度、降水時空分布等方面的研究做了大量工作[2-6]，也對西部汛期不同等級降水日的變化、降水集中度的變化有過研究，并分別反映出各不相同的地域特點[7-11]，同時對青藏高原地區的汛期降水從不同角度進行了研究[12-17]。

甘南高原地處青藏高原東北邊緣與黃土高原西部過渡地帶，是黃河上游重要的生態屏障，在維護黃河流域水資源和生態安全方面具有十分重要的作用。眾多學者對甘南高原及臨近地區的氣候變化進行了研究，得出了很多重要結論[18-21]，不同強度的降水對一地區生態環境及氣象災害的影響也不盡相同[22-23]。但針對甘南高原汛期不同等級降水的分布和變化方面的研究較少。由于甘南高原地形地貌復雜，海拔高度為1 100～4 900 m，差異大，降水主要集中在汛期5—9月，大部分地區汛期降水量占全年總降水量的近三分之二以上。甘南高原特殊的地形地貌和生態環境條件極易形成強對流天氣和極端降水，由其引發的次生災害危害嚴重。夏季因降水、冰雹等造成的災害及引起的的次生災害在當地的氣象災害中占首位，如“舟曲8·8山洪、泥石流”特大災害事件發生在甘南高原東南部。因此，研究甘南高原汛期不同等級降水的變化特征，分析汛期不同等級降水時空分布規律，揭示汛期不同等級降水周期特征，可為甘南高原防災減災提供基礎科學信息，進一步提升防汛減災的科學性和高效性，同時為完善高原生態環境保護策略及黃河上游水資源的開發和利用提供科學參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料應用

采用甘南高原8個地面氣象觀測站1976—2019年5—9月逐日地面降水觀測值（20時—次日20時），資料選取時，在盡可能有足夠長的時間序列前提下，保證了資料的完整性和統一性，以此突出分析結果的可比性和準確性。降水量與降水日數的數據分析均運用8站算術平均值（文中的暴雨降水日數相對其他等級降水日數很少，其中逐多年份為零次，算術平均后全部為零，所以為合計值），在比較分析時歷史平均值使用了1981—2010年（5—9月）各站汛期降水量的30 a平均值。

1.2 研究方法

根據中國氣象局業務規定，小雨日降水量為0.0～9.9 mm，中雨日降水量為10.0～24.9 mm，大雨日降水量為25.0～49.9 mm，暴雨日降水量≥50.0 mm；雨日定義為20時—次日20時日降水量≥0.1 mm的日數。

文中分別采用統計方法和線性趨勢法對甘南高原汛期（5—9月）降水量和不同等級降水量及各等級降水日數的時空分布進行了分析，并用Morlet小波分析方法對高原汛期降水量在時間演變過程中的周期變化做了進一步分析。

2 汛期降水基本氣候特征

2.1 高原汛期降水量的空間分布

通過分析甘南高原1976—2019年汛期降水的空間分布發現，汛期甘南高原大部分地區降水量平均在400 mm以上，占全年總降水量的80%以上。降水量大值中心位于被稱為“黃河首曲”的瑪曲，44 a汛期平均降水量為504.3 mm；最小值中心則位于白龍江上游的舟曲，汛期平均降水量只有328.8 mm，次少中心位于高原最北端的夏河。由此看出甘南高原汛期降水的空間分布明顯呈中間多，南北兩端少的特征（圖1a）。

2.2 汛期降水日數的空間分布

圖1b為高原汛期平均降水日數的空間分布。高原西部高海拔地區是汛期降水多發區，降水日數明顯比東部多，最多在瑪曲，平均降水日數為108 d/a，次多在碌曲。東部的卓尼則是高原汛期降水日數最少的地區，平均每年只有82 d，而高原其他地區汛期降水日數相當。整個高原汛期的降水日數的空間分布大致呈西多東少的特點。由此看出，降水日數與降水量的分布不一樣。

圖1 甘南高原汛期降水量（a）和降水日數（b）的空間分布

將甘南高原各地海拔高度和汛期降水日數進行比對分析，發現降水日數與當地海拔高度有大致的匹配關系（表1），在西部高海拔地區汛期平均降水日數總體多于東部相對低海拔地區，降水日數的總體分布呈由西北到東南逐步減少的趨勢。但舟曲由于其地理位置和地形地貌的特殊性和復雜性等原因，降水日數略多，初步分析原因為：舟曲與高原其他地區的海拔高度差異較大，局地氣候特殊性有待以后進一步分析研究。

表1 甘南高原汛期各地降水日數和海拔高度的對比

2.3 汛期不同等級降水日數的空間分布

甘南高原汛期降水量和降水日數在空間分布上沒有完全的一致性，因此進一步分析汛期不同等級降水日數在高原各地的分布情況是十分必要的。圖2為不同等級降水日數在高原汛期的空間分布特征。44 a來小雨量級的降水日數在甘南高原的汛期占主導地位，汛期高原各地區小雨日數均占汛期總降水日數的80%～90%，中雨量級占9%～14%，大雨量級降水日數為1%～3%，而暴雨量級的降水日數只占整個汛期降水日數的0.1%左右。

小雨降水日數（圖2a）在空間分布上與整個高原汛期降水日數的分布大致相似，小雨日數主要分布在西部高海拔地區的瑪曲，最少則在東部卓尼一帶。小雨日數相對其他等級降水日數明顯較多，可見高原汛期降水日數主要以小雨為主。中雨日數次多，主要分布在高原西部的瑪曲和碌曲，北部的夏河和東南部的舟曲是中雨出現概率最小的地區，高原其他地方中雨降水日數相當。從圖2b可知，中雨日數的空間分布與整個高原汛期降水量的空間分布特征十分相似，說明在甘南高原汛期降水中，中雨的降水日數變化對本地區降水量的貢獻最為敏感，而且其空間分布也比較集中，其降水日數主要分布在高原中部，高原北部和東南部中雨日數明顯較少，所以汛期降水量也相對較小。大雨降水日數（圖2c）最多在迭部，其次在瑪曲，多分布在高原中部，舟曲大雨日數最少。暴雨量級的降水日數（圖2d）最多在瑪曲，其次碌曲和合作較易出現，分布明顯集中在高原中西部高海拔地區。而北部夏河則是整個甘南高原出現暴雨日數概率最小的地區。高原汛期的降水日數和降水量主要集中在西部瑪曲，也是高原容易出現較強降水的地方，而位于高原最北端的夏河是最不容易出現降水的地方。

圖2 甘南高原汛期不同等級降水日數的空間分布

3 汛期降水變化特征

3.1 降水量變化特征

3.1.1 高原汛期降水量的年際變化和不同等級降水量的年際變化

通過分析甘南高原44 a汛期降水量隨時間的變化趨勢（圖3），發現1976—2019年甘南高原汛期降水變化特征為波動式變化，但總趨勢在逐年減少，氣候傾向率為-2.2 mm/10 a，其中1984年高原汛期年均降水量達最大值，為569.7 mm，而1982年則是44 a中汛期降水量最少的年份，只有337.2 mm。汛期降水連續明顯減少期出現在20世紀90年代中末期和2003—2009年，而2009—2013年和2015—2018年則是高原汛期降水量的連續上升期。

圖3 甘南高原汛期降水量的變化趨勢

圖4為高原不同等級降水的年際變化趨勢，44 a來，除暴雨等級的降水有增加趨勢外，其他3個等級的降水均呈現不同程度的減少趨勢，尤其小雨的降水量逐年減少趨勢最為顯著，為-1.1 mm/10 a，中雨和大雨量級的降水減少趨勢不明顯。而暴雨降水量以1.2 mm/10 a的趨勢增加，其中在20世紀80年代近10 a高原汛期沒有出現暴雨，而從1988年開始出現階段性暴雨，從圖4d可以看出，暴雨降水量在不斷增加，最大降水量出現在2006年。

圖4 甘南高原汛期不同等級降水量的年際變化趨勢

3.1.2 汛期降水量年變化周期分析

為進一步分析44 a來甘南高原汛期降水量隨時間變化特征，運用Morlet小波分析對周期變化進行研究，發現44 a來高原汛期降水量的變化存在較為明顯的周期變化。20世紀70年代中期—90年代初期，周期變化不明顯。1992—2004、1984—1998、1998—2012年分別有5～7 a的短周期變化和11～12、14 a的長周期變化。2000年以后，降水隨時間變化的周期較為明顯，2004—2012年存在準8 a周期變化，2009—2015年有約6 a的周期變化。

3.2 高原汛期降水日數和不同等級降水日數的年變化特征

3.2.1 高原汛期年降水日數變化趨勢

對甘南高原汛期降水日數的年變化趨勢分析（圖5），整個高原汛期的降水日數44 a來呈減少趨勢，氣候傾向率為-1.9 d/10 a。1993年以前汛期降水日數相對較多，1984年是汛期平均降水日數最多的一年，為102 d，而1987—2008年屬于降水日數階段性減少較明顯期。2008年是44 a間汛期降水日數的最低谷期，降水日數平均只有78 d。2009—2019年汛期降水日數總體為逐年明顯上升期，降水日數減少的只有個別年份，波動不明顯。2016—2019年連續4 a為高原汛期降水日數上升期，所以從降水日數年變化總體趨勢來分析，高原汛期的降水日數減少主要出現在20世紀80年代后期—2008年。

圖5 高原汛期降水日數的年際變化趨勢

3.2.2 汛期不同等級降水日數變化趨勢

圖6為甘南高原汛期不同等級降水日數的年變化趨勢，可以看出，44 a來高原上小雨、中雨和大雨量級的降水日數均呈逐年減少趨勢，尤其是小雨量級降水日數的減少趨勢最明顯，平均約以-1.8 d/10 a的氣候傾向率在減少，其年變化趨勢與整個高原汛期降水日數的年變化趨勢十分相似，氣候傾向率也近似相等，這也是汛期降水量呈逐年下降趨勢的原因之一。圖6d顯示暴雨日數的變化趨勢與其他3個等級降水日數的年變化趨勢截然相反，從暴雨日數隨時間的演變特征來看，暴雨日數呈較明顯的逐年上升趨勢。

圖6 甘南高原汛期不同等級降水日數的年際變化趨勢

3.3 高原汛期不同等級降雨量占當年汛期降水量百分率的年變化趨勢

為進一步了解44 a來甘南高原汛期降水量變化過程中不同等級降水量對其貢獻的大小，對汛期不同等級降水量占當年總降水量百分率的年變化趨勢分析（圖7）。在高原汛期降水量逐年減少過程中，小雨（圖7a）、中雨（圖7b）和大雨（圖7c）的降水量對總降水量的貢獻率呈逐年減少趨勢，但是暴雨降水量（圖7d）在對當年汛期總降水量的貢獻率則有逐年增加趨勢，這與上文中高原汛期暴雨年降水量和年降水日數的變化趨勢是一致的。

圖7 甘南高原汛期不同等級降水量占總降水量百分率年變化趨勢

在長期氣候變化過程中高原汛期的降水量和降水日數逐年遞減的主要原因是汛期小雨、中雨和大雨等級的降水量和降水日數逐年減少所致。44 a來雖然暴雨等級的降水量和降水日數都有逐年增加趨勢，但由于在高原上汛期出現暴雨的概率相對其他量級的降水概率較低，所以整體上對整個高原汛期總降水量和降水日數的貢獻率變化不夠突出。

目前甘南高原汛期因降水變化對防汛工作和防災減災工作的壓力不可忽視。雖然高原汛期降水量和降水日數在減少，但是出現強降水和極端性降水的概率在逐年上升，相應地由此引發各方面次生災害風險也在不斷增加。

4 結論

通過對甘南高原汛期降水量及不同等級降水日數的時空分布特征進行分析，得出以下主要結論：

（1）甘南高原汛期降水量和降水日數各地分布不均，兩者在空間分布上并沒有完全的一致性。汛期降水量的最大值中心在瑪曲，小值中心在舟曲和夏河，降水量分布總體呈中間多、南北兩端少的特點。另外降水量的空間分布與高原不同地區海拔高度大致匹配，汛期大部分地方降水量基本隨海拔高度的降低而減少。

（2）汛期甘南高原各地降水主要以小雨日數為主，高原各地小雨日數占汛期總降水日數的80%～90%，其他等級降水日數相對明顯較少；不同等級降水日數的空間分布也不盡相同，小雨日數的空間分布特征與整個高原降水日數的空間分布大致相似，說明小雨日數的變化直接影響整個高原降水日數的多寡。中雨降水日數空間分布則與高原汛期降水量的分布基本吻合，說明中雨量級的降水對高原汛期總降水量的貢獻比較敏感和突出。而大雨的降水日數多集中于高原中部。暴雨日數在高原海拔相對較高的地區較容易出現。瑪曲不僅是整個甘南高原主要的降水中心，也是多強降水的大值中心。夏河和舟曲不容易出現降水，高原其他地區的降水日數相當且降水強度分布也相對比較穩定。

（3）44 a來甘南高原汛期降水量總體趨勢為逐年減少，并存在明顯的周期變化，尤其在2000年以后周期變化較明顯，有5～7，11～12，14 a的周期變化，而且2004—2012年有準8 a周期變化。高原上不同等級的降水量年變化趨勢除暴雨降水是呈逐年增加趨勢外，小雨、中雨和大雨降水量均呈逐年減少趨勢。

（4）在高原汛期降水量和降水日數均呈逐年減少趨勢下，小雨、中雨和大雨日數也在逐年減少，但暴雨日數卻有增加趨勢，因暴雨出現的頻次相對其他等級降水明顯較少，所以容易忽略暴雨在整個高原汛期降水量和降水日數變化中的影響，因此通過分析44 a長期氣候變化過程中，不同等級降水量所占當年汛期總降水量的百分率年變化，得出暴雨降水量對汛期總降水量的貢獻率呈逐年增加趨勢。暴雨日數和其對汛期年降水量的貢獻的增加說明高原汛期極端性強降水有逐年增多趨勢，隨之而引發的次生災害的風險會提高。

5 討論

通過對甘南高原汛期不同等級降水量和降水日數的時空分布變化分析，發現以下問題值得思考和探討：

（1）甘南高原汛期降水日數隨海拔高度的降低而減少，但是舟曲反比其他較高海拔地區的小雨日數偏多，其他等級降水日數少。隨著全國區域自動氣象站的逐步加密建設，自動站氣象觀測資料顯示，甘南高原東南部—白龍江上游一帶中雨以上量級的降水日數逐漸增多，尤其在主汛期6—8月暴雨量級降水日數明顯增加，但非舟曲本站出現。此現象的原因為：舟曲在地域劃分上雖屬甘南高原，但其海拔高度與甘南高原其他地區整體差異較大。另外舟曲在地理位置上處于白龍江上游，與甘肅隴南接壤，在地形地貌上屬于山大溝深的特征。是否大氣候背景變暖導致高原局地小氣候異常？有待以后進一步深入研究。

（2）在甘南高原汛期，小雨、中雨及大雨量級降水日數呈逐年減少趨勢，暴雨量級降水日數和暴雨對當年汛期的降水總量貢獻率呈逐年增加趨勢，和其他專家就我國較大范圍汛期降水的年變化趨勢所得結果有相似之處[24-26]：對于中國大多數區域而言，弱（強）量級降水出現的頻率趨于下降（增加），表明在我國強降水對總降水量的貢獻呈現增大的趨勢。李紅梅等[27]和艾卉等[28]對我國東部各強度降水變化特征進行分析得出結論：在我國東部各地區不同強度的降水具有不同的變化特征，但強（弱）降水普遍以增多（少）為主。結合本文所得結論進一步確定：44 a來甘南高原汛期降水量呈減少趨勢與西藏高原汛期的降水變化趨勢截然不同[14，16-17]，進而體現出降水變化的氣候特征與地域密切相關。雖然我國大氣候背景影響下的局地小氣候變化規律也在隨之呼應，但甘南高原汛期降水變化特征既表現了當地不同的地域環境氣候特色，又說明全球大氣候背景變化也會導致局地小氣候的改變。

（3）高原汛期降水量年變化有明顯的周期性，但是降水日數的年變化沒有明顯的周期特征，目前沒有可靠的資料分析其相關原因。

（4）甘南高原汛期降水量的減少會直接影響黃河上游水資源匱乏[29]，導致草地干旱，草場面積縮減，草地沙化加劇現象。當前甘南高原汛期降水量和降水日數均有減少趨勢，但值得注意的是高原暴雨降水日數在逐年上升，一旦出現暴雨，所造成影響相比其他等級降水的影響會較大，尤其甘南高原地形特殊，生態脆弱，加大了防災減災壓力。為進一步因地制宜保護生態環境，提高科學高效防汛，減少氣象災害損失，相關部門了解分辨當地汛期降水分布特征是十分有必要的。