環青海湖地區夏半年極端降水時空特征及其對大氣環流因子的響應

達鵬奎，白文娟，陳 晶，李曉東

（1.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001；2.玉樹藏族自治州氣象局，青海 玉樹 815099；3.海東市氣象局，青海海東 810699；4.黃南藏族自治州氣象局，青海 同仁 811300；5.青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001）

氣候變化導致的溫度增加和極端天氣氣候事件的頻發，是近年來氣候研究的重點。其中，隨著極端降水天氣事件的增多，降水量也呈現不同程度的增加態勢[1-5]。青藏高原作為全球氣候變化的敏感區和脆弱區，在全球氣候變化的影響下，極端降水天氣事件頻發，降水量在不同區域呈現出不同程度的增加[6-10]。青藏高原降水在年代際變化趨勢上表現為高原北部變化基本穩定，高原東南、青海東部及川西北明顯增減更替的變化特征[11]，而極端降水的各項指標表現出一定的增加趨勢[12-13]。青海省地處青藏高原東北部，氣候表現出暖濕化的態勢[14-15]。極端降水天數，極端降水強度和極端降水頻率呈上升趨勢[16-17]，汛期極端強降水發生的頻次增加、強度加重[18]。作為全球變暖敏感區的青海湖地區，降水量顯著增多[19]，夏季和冬季降水增加速率最為明顯，氣溫、降水變化特征表明青海湖流域目前正處于增溫增濕階段[20-21]。青海湖流域降水主要集中夏季，強降水量的增加是環青海湖地區夏半年降水量增加的主要來源[22-25]。氣候變化研究表明了氣候變化趨勢的同步性與區域氣候變化的異質性，但是針對環青海湖地區夏季極端降水量各項指標的研究報道相對較少，對青海湖流域夏季極端降水量的變化成因分析也不足。因此，準確分析環青海湖地區極端降水事件的變化特征，可以提升對高原地區極端降水時間變化特征的認識，也可為區域氣候變化和流域水資源變化歸因分析提供支持。本文利用環青海湖地區8 個國家氣象站1961—2018 年的日降水數據（20—20 時），統計分析了近60 a 極端降水事件各項指標的時空分布特征及極端降水變化成因，以便準確科學地認識環青海湖地區夏半年極端降水事件變化的影響因素和重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

“環青海湖地區”地處青藏高原東北部，位于96°56′～101°36′E，35°19′～39°11′N，包括青海湖流域及祁連山東部的海北藏族自治州的海晏縣、剛察縣、門源縣、祁連縣和海南藏族自治州的共和縣，貴南縣及海西蒙古族藏族自治州的天峻縣，區域面積達8.45×104km2，占青海省國土總面積的11.72%.該區域平均海拔3 000～4 000 m，處于蒙新荒漠、青藏高原和黃土高原交匯地帶.該區域中青海湖長105 km，寬63 km，既是中國最大的內陸湖泊，也是中國最大的咸水湖，處于青藏高原東北緣，由祁連山的大通山、日月山與青海南山之間的斷層陷落形成[26]。

圖1 環青海湖站點分布

1.2 研究數據

數據為青海省氣象信息中心1961—2018 年環青海湖地區夏半年（5—9 月）8 個國家站點逐日降水資料（20—20 時），8 個站點分別為托勒、野牛溝、祁連、貴南、共和、門源、天峻、剛察。

采用6 個大氣環流指數研究環青海湖地區夏半年極端降水指標的環流影響因素，選用指標包括北極濤動指數（Arctic Oscillation，AO）、南極濤動指數（Atlantic Oscillation，AAO）、北大西洋濤動指數（North Atlantic Oscillation，NAO）、西太平洋副高強度指數（Western Pacific Subtropical High Intensity Index，WPSH）、南方濤動指數（Southern Oscillation Index，SOI）、中熱帶太平洋海溫（Nino4）。環流指數的逐月數據來源于NOAA 地球系統研究實驗室（https：/www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。

1.3 研究方法

研究中極端降水事件的定義采用了百分位值作為極端值的閾值，超過閾值的事件定為極端事件。將環青海湖地區8 個國家氣象站1961—2018 年的日降水數據（20—20 時），按照百分位法計算出各站1981—2010 年序列長度下的第95 個百分位值的多年平均值作為極端降水事件閾值，將每年中日降水量大于總閾值的日數定義為極端降水天數[27]，并結合國家氣象行業標準[28]擬定了本研究中的降水極端值和極端降水指標（表1）。

表1 降水極端值和極端降水指標

研究采用線性傾向估計、曼—肯得爾（Mann-Kendall）法、滑動T檢驗、Pearson 相關性分析、小波分析、功率譜分析等統計診斷方法對各項指標進行了統計分析[29]，以便準確把握和認識環青海湖地區夏半年極端降水各項指標的變化特征和規律，探究各指標突變特征、振蕩周期特征等[30-35]；并用線性傾向估計分析1961—2018 年環青海湖地區夏半年極端降水各項指標的變化趨勢；利用Pearson 相關性分析對夏半年極端降水各項指標和北極濤動指數（AO）、南極濤動指數（AAO）、北大西洋濤動指數（NAO）、西太平洋副高強度指數（WPSH）、南方濤動指數（SOI）、Nino4 等作相關分析，以便闡述夏半年極端降水各項指標變化的成因。

2 結果與分析

2.1 環青海湖地區夏半年降水量特征

近60 a 環青海湖地區夏半年降水量呈顯著增加趨勢（P＜0.01），氣候傾向率為12.4 mm/10 a（圖2a）。夏半年降水量在20 世紀80 年代以前呈下降趨勢，80 年代為弱上升趨勢，90 年代為下降趨勢，21世紀初期又轉為顯著上升趨勢（表2b）。由UF曲線可知，21 世紀初期以來，環青海湖地區夏半年降水量有一明顯的增加趨勢，這種增加趨勢通過0.05 的顯著性檢驗，表明21 世紀以來環青海湖地區夏半年降水增加趨勢顯著。M—K 突變檢驗結果顯示，環青海湖地區夏半年降水量從21 世紀初期的2004 年發生了突變（圖2b）。

圖2 1961—2018 年夏半年降水量變化趨勢（a）和突變檢驗（b）

2.2 環青海湖地區夏半年極端降水事件變化特征

2.2.1 夏半年極端降水量變化特征

近60 a 環青海湖地區夏半年極端降水量呈顯著增加趨勢（P＜0.001），氣候傾向率為8.5 mm/10 a（圖3a）。夏半年極端降水量在20 世紀80 年代以前呈下降趨勢，80 年代表現出弱上升趨勢，90 年代呈下降趨勢，21 世紀開始轉為顯著上升趨勢（表2）。由UF曲線可知，90 年代呈增加趨勢但不顯著。M-K 突變檢驗曲線顯示，夏半年極端降水量在2004 年前后發生轉折（圖3b），結合滑動t檢驗結果表明環青海湖地區夏半年極端降水量在2004 年發生突變。

2.2.2 極端降水日數變化特征

近60 a 環青海湖地區夏半年極端降水日數呈顯著上升趨勢（P＜0.001），氣候傾向率達0.4 d/10 a（圖3c）。極端降水日數在20 世紀90 年代及以前呈下降趨勢，21 世紀以來呈顯著上升趨勢（表2）。由UF曲線可知，20 世紀90 年代以來，環青海湖地區夏半年極端降水日數增加趨勢明顯，21 世紀以來這種增加趨勢通過0.05 的顯著性檢驗，表明環青海湖地區夏半年極端降水日數增加趨勢顯著。M—K 突變檢驗曲線顯示，環青海湖地區夏半年極端降水日數從21 世紀初期2004 年開始發生突變（圖3d）。

表2 環青海湖地區夏半年的降水量和極端降水事件各項指標年代際距平

2.2.3 極端降水強度變化特征

近60 a 環青海湖地區夏半年極端降水強度呈緩慢增強態勢，氣候傾向率為（0.1 mm·d-1）/10 a（圖3e）。極端降水強度一直呈增強趨勢，僅在20 世紀80 年代表現為下降趨勢（表2）。由UF曲線可見，自20 世紀80 年代以來，環青海湖地區極端降水強度呈增強態勢。M—K 突變檢驗結果顯示，20 世紀初期極端降水強度的增強是一突變現象，具體突變時間是2015 年，但未通過顯著性檢驗（圖3f）。

2.2.4 日最大極端降水量變化特征

近60 a 環青海湖地區夏半年的日最大極端降水量呈顯著增加趨勢（P＜0.01），氣候傾向率達0.9 mm/10 a（圖3g）。日最大極端降水量在20 世紀80年代以前呈下降趨勢，90 年代轉為上升趨勢，進入21 世紀后上升趨勢顯著（表2）。由UF曲線可見，自20 世紀80 年代以來，環青海湖地區夏半年的日最大極端降水量增加趨勢明顯，21 世紀初期以來增加趨勢通過0.05 的顯著性檢驗，表明環青海湖地區夏半年的日最大極端降水量增加趨勢顯著。M-K 突變檢驗結果顯示，環青海湖地區夏半年的日最大極端降水量在21 世紀初期發生突變現象，具體突變年是2006 年（圖3h）。

2.2.5 極端降水事件頻率變化特征

近60 a 環青海湖地區夏半年極端降水事件頻率呈顯著上升趨勢（P＜0.001），氣候傾向率為0.01/10 a（圖3i）。極端降水事件頻率在20 世紀80 年代以前呈下降趨勢，90 年代轉為上升趨勢，21 世紀以來上升趨勢顯著（表2）。由UF曲線可見，20 世紀80年代以來，環青海湖地區夏半年極端降水事件頻率呈上升趨勢，20 世紀末這種增加趨勢通過0.05 的顯著性檢驗，表明環青海湖地區夏半年極端降水頻率增加趨勢顯著。M-K 突變檢驗結果顯示，環青海湖地區夏半年極端降水事件頻率在20 世紀90 年代—21 世紀初有多次突變現象，結合滑動t檢驗結果表明，21 世紀初環青海湖地區夏半年極端降水事件頻率發生了突變，具體突變的時間是2004 年（圖3j）。

圖3 夏半年極端降水指標的趨勢變化和M—K 突變檢驗

2.2.6 環青海湖地區降水周期特征

1961—2018年，環青海湖地區夏半年極端降水量和降水量的周期基本同步，夏半年極端降水量存在17 a 的主周期和6 a 的第二周期（圖4a），而降水量存在6 a 的主周期、16 a 的第二周期和24 a 的第三周期。20 世紀90 年代—21 世紀初，6 a 的第一周期和16 a 的第二周期顯著性逐漸發生變化，具體表現為6 a 的短周期顯著性降低而16 a 的長周期愈來愈顯著（圖4b）。

圖4 1961—2018 年環青海湖地區夏半年極端降水量（a）、夏半年降水量（b）的Morlet 小波實部分布和小波方差

2.3 環青海湖地區夏半年極端降水事件空間分布

從環青海湖地區夏半年極端降水事件各項指標的年代際距平變化可知（表3），各站極端降水事件指標在年代際整體變化趨勢上呈“先下降后上升”的趨勢，其中極端降水量、極端降水日數和日最大極端降水量3 個極端降水事件指標的年代際距平在整體變化趨勢上轉變明顯，而極端降水強度沒有明顯的年代際變化特征。因此，以極端降水量、極端降水日數和日最大極端降水量3 個指標的年代際距平變化，來反映環青海湖地區夏半年極端降水事件空間分布特征。從3 個指標的年代際距平研究結果來看，20 世紀90 年代—21 世紀初期是各站極端降水事件轉變期，20 世紀90 年代，野牛溝、祁連、貴南、天峻4個站點的極端降水量率先由減少轉為增多，其余站點在21 世紀初期才出現轉變；祁連、貴南、天峻3 站點的極端降水日數在20 世紀90 年代率先由減少轉為增多，其余站點在21 世紀初期才出現轉變；野牛溝、祁連、貴南3 站的日最大極端降水量在20 世紀90 年代率先由減少轉為增多，而門源、天峻2 站經歷了“減少—增加—減少—增加”的變化過程，其余站點在21 世紀初期向穩定增多轉變。

表3 極端降水事件指標年代際距平

從各站夏半年極端降水指標氣候傾向率及變化可知(表4），各站極端降水量傾向率呈增加趨勢，其中貴南、門源增加趨勢未通過顯著性檢驗，共和通過0.05 的顯著性檢驗，其余各站通過0.01 的顯著性檢驗，表明在空間分布上西部增加趨勢較東部顯著；各站點極端降水日數傾向率同樣呈增加趨勢，其中門源、共和增加趨勢未通過顯著性檢驗，貴南通過0.05的顯著性檢驗，其余各站通過0.01 的顯著性檢驗，表明西部極端降水日數增加趨勢較東部顯著；極端降水強度傾向率變化呈分化特征，東部地區呈降低態勢，西部呈增加態勢；日最大降水量傾向率，除天峻呈減少態勢外，其余各站均呈增加趨勢，剛察、門源、托勒增加趨勢通過顯著性檢驗。整體來看，極端降水日數、極端降水量、極端降水強度和日最大極端降水量均表現出環青海湖地區的西部區域增加趨勢比東部顯著的空間變化特征。

表4 夏半年極端降水指標氣候傾向率空間變化及顯著性統計

2.4 極端降水指標和大氣環流指數的關系

近60 a 環青海湖地區夏半年極端降水事件各項指標整體呈上升趨勢，20 世紀90 年代—21 世紀初期極端降水事件各項指標發生了明顯的突變，2005 年以來各項指標上升趨勢明顯。為進一步研究大氣環流指數對環青海湖地區夏半年極端降水指標變化的影響，采用Pearson 相關性分析方法分析AAO和WPSH等大氣環流指數與環青海湖地區夏半年極端降水指數相關性（表5）。

通過對環青海湖地區夏半年極端降水指標與AO、AAO、NAO、WPSH、SOI、Nino4 相關性研究發現（表5），各環流指數與環青海湖地區極端降水指標呈現不同程度的相關性，其中AAO與WPSH相關性最顯著（P＜0.05）。除夏半年極端降水強度外，其余指標均與AAO和WPSH呈顯著正相關。因此，可以說明環青海湖地區夏半年極端降水量、日最大極端降水量和極端降水日數受AAO和WPSH的影響最為明顯。

表5 環青海湖地區夏半年極端降水指標與大氣環流指數相關性分析

基于環青海湖地區夏半年極端降水指標均與AAO和WPSH的強相關性，分析AAO和WPSH變化特征，并結合其累積距平變化曲線可知：AAO呈顯著增長趨勢，具體表現為，1961—1965 年明顯下降，1966—2008 年波動變化，1996 年開始由下降轉為上升趨勢，且2009 年開始上升趨勢明顯（圖5a，表6）；WPSH呈顯著增長趨勢，具體表現為，1961—1977 年明顯下降，1978—2008 年平穩變化，2002 年開始由下降轉為上升，且2009 年開始明顯上升（圖5b，表6）。

表6 環青海湖地區夏半年極端降水量和AAO、WPSH 變化趨勢

1961—2006年，夏半年極端降水量氣候傾向率為5.3 mm/10 a，平均值為76.3 mm；2006—2018 年氣候傾向率為39.0 mm/10 a，平均值為107.2 mm，表明2006 年以來極端降水量增加明顯。1961—2006年，AAO每10 a 增加3.0，平均值為-3.6；2006—2018 年，AAO每10 a 增加9.3，平均值為6.3，表明2006 年以來AAO增強尤為明顯。1961—2006 年，WPSH 每10 a 增加23.3，平均值為-36.7；2006—2018 年每10 a 增加146.6，平均值為88.3，表明2006 年以來WPSH增強顯著（圖5，表6）。

圖5 南極濤動指數（a）和西太平洋副高強度指數（b）及其累積距平

3 討論

研究表明，近60 a 環青海湖地區夏半年降水量的顯著增加，伴隨著極端降水事件愈發顯著，尤其21 世紀以來，極端降水事件各項指標上升趨勢明顯，均在21 世紀初發生了突變。從極端降水指標和大氣環流指數的關系來看，南極濤動和西太平洋副高強度的增強，最終導致了環青海湖地區夏半年極端降水事件的增多。已有研究表明，區域氣候的突變及趨勢的變化與區域大氣環流指數的變化具有密切關系[36-37]。南半球中高緯度大氣異常會通過南極濤動影響到中低緯度馬斯克林高壓、澳大利亞高壓的異常，進一步通過越赤道氣流的作用影響東亞夏季風，從而影響北半球副高。南極濤動和西太平洋副高對高原降水的具體影響為，南極濤動增強，在“蹺蹺板”效應下影響西太平洋副高增強，而西太平洋副高變化與青藏高壓相互影響，進而引起高原地區降水模式的變化[38-39]。自1960 年以來，受全球氣候變暖影響，青海湖周邊年降水量上升趨勢顯著，2001—2010 年青海湖周邊年降水量上升趨勢顯著[40-41]，上述與本研究結果一致。本研究中，2006—2018 年AAO和WPSH顯著增強，相同時段環青海湖地區極端降水量顯著增加，表明AAO和WPSH增強對青藏高原北部地區的環青海湖地區極端降水增加有著一定的影響和聯系，但是AAO和WPSH對環青海湖地區極端降水增加的影響機制還需進一步研究。環青海湖地區作為全球氣候變化的敏感區，后續將在此基礎上對環青海湖地區大氣環流變化做進一步研究，以期對大氣環流變化對青藏高原降水增加的機理有明確的認識。

另外，研究結果表明環青海湖地區夏半年降水量、極端降水量及其各項指標整體呈顯著增加趨勢，這種近年來的增多趨勢一定程度上代表了區域氣候變化的特征且表現出短期和長期的周期性特征，但是研究結果具有一定的局限性。伴隨著近年來青海湖流域出現河流流量增多、水位抬升、湖泊面積增加以及湖泊水量增多的趨勢，在降水量、極端降水量、極端降水強度和極端降水日數均顯著增加的變化背景下，后期需要進一步開展極端降水量各項指標的變化與河流徑流量、湖泊水位等的關系研究，探索氣候變化背景降水量各項指標對青海湖水位和面積的影響以及對流域水資源可能帶來的影響。

4 結論

（1）環青海湖地區夏半年降水量呈顯著增加趨勢，極端降水事件各項指標整體呈上升趨勢。21 世紀初期是環青海湖地區的降水突變期，夏半年降水量（2004 年）、極端降水量（2004 年）、極端降水日數（2004 年）、日最大極端降水量（2006 年）和極端降水事件頻率（2004 年）在這一時期均發生了突變。

（2）環青海湖地區夏半年降水量和極端降水量的周期變化基本同步，均存在6 a 的短周期和16 a左右的長周期，21 世紀以來6 a 的短周期顯著性降低而16 a 的長周期日趨顯著。

（3）在空間分布上，環青海湖地區極端降水量、極端降水日數的增加趨勢西部較東部顯著；極端降水強度西部緩慢增強，東部緩慢降低；日最大降水量除天峻站減小外，其余各站均增加。

（4）南極濤動和西太平洋副高強度增強有利于高原地區降水形成，最終導致高原乃至環青海湖地區夏半年極端降水現象顯著增加。