1 引言
三江源位于地球“第三极”青藏高原腹地， 是长江、 黄河和澜沧江的发源地和中国淡水资源补给地， 这里孕育了世界上海拔最高、 面积最大、 类型最丰富的高原湿地生态系统， 是我国青藏高原生态安全屏障的重要组成部分， 在水源涵养、 气候调节和生物多样性维持等方面发挥重要作用。长江总水量的25%， 黄河总水量的49%和澜沧江总水量的15%都来自这一地区， 因此三江源区也被誉为“中华水塔”（刘纪远等， 2008； 李辉霞等， 2011； 刘晓琼等， 2019； 孟宪红等， 2020）， 在全国生态文明建设中具有至关重要的地位， 关系到全国的生态安全和中华民族的长远发展。由于其特殊的地理位置和气候条件， 三江源区生态系统极为脆弱， 也是东亚甚至全球气候变化的“敏感区”和“启动区”（马致远， 2004； 冯松等， 1998； Kang et al， 1998； 姚檀栋等， 2000； 吴国雄等， 2005； Lei et al， 2010； Yao et al， 2012； 张人禾等， 2015； Ma et al， 2013）。
在全球气候变暖背景下， 中国受全球气候变暖的影响更严重， 升温的幅度超出同期全球平均值（丁一汇等， 2006； 丁一汇， 2018）。三江源区作为气候变化的“敏感区”和生态环境的“脆弱区”， 近年来气候条件发生了显著变化， 由此对冰川冻土等产生了明显影响。综合前人对三江源区气温、 降水和极端气候事件等研究成果， 发现大多是针对某一气象要素进行分析， 例如气温、 降水量、 极端气温、 干旱指数等（刘晓琼等， 2019； 游庆龙等， 2008； 刘蕊蕊等， 2013； 强安丰等， 2018； 徐丽娇等， 2019）。受观测资料或者研究区域等因素的影响， 研究结论有所差异， 例如三江源降水量有所减少和呈现弱增趋势等结论不太一致（杨佳星和樊雨鑫， 2019； 刘晓琼等， 2019； 李林等， 2006； 张人禾等， 2015）。另外， 随着三江源自然保护区工作的不断完善， 三江源边界也有所扩大。本文利用三江源区1961 -2020年气象台站的观测气温、 降水、 冻土资料以及卫星遥感的冰川、 积雪及湖泊资料， 对该区域近60年来的气候变化特征及其对环境的影响进行分析， 以期为今后合理利用气候资源、 开展生态环境保护、 防灾减灾等工作提供基础。
2 资料来源与方法介绍
2.1 数据来源与处理
根据《青海省三江源生态保护和建设二期工程规划》（国家发展和改革委员会， 2014）规定， 三江源区位于31°39′N -37°10′N， 89°24′E -102°27′E， 占青海省总面积的54.6%， 共包括21个县和格尔木市的唐古拉山镇［图1 ， 该图及文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS（2019）3266的青海省地图制作， 底图无修改］。
气象数据来自三江源区22个气象观测站（图1 ）1961 -2020年逐日平均气温、 最高气温、 最低气温、 降水量、 最大冻土活动层厚度。为便于和二次冰川编目进行对比， 本文参照第二次冰川编目所使用的影像数据和处理方法， 冰川数据利用Landsat-TM/ETM+/OLI数据， 分辨率为30 m， 采用经典波段比值法和人工修正的方法提取。积雪日数数据利用MOD10A1 （V06）数据， 分辨率500 m， 使用青海省地方标准《高寒积雪遥感监测评估方法（DB63/T1565-2017）》（肖建设等， 2017）所提供的积雪遥感监测模型进行计算。湖泊面积利用MOD09GQ（V06）数据， 分辨率250 m， 使用《高原湖泊、 水库水体面积遥感监测规范（DB63/T1680-2018）》（刘宝康等， 2018）所提供的湖泊监测模型进行提取。
2.2 研究方法
逐日最高、 最低气温是一日内气温的最高值和最低值， 利用逐日最高、 最低气温的年平均值表示年平均最高、 最低气温。冻土活动层年最大深度为逐日冻土活动层深度的最大值。
冰储量计算方法采用Grinsted提出的冰储量计算公式：
式中： V为冰川储量（单位： km3）； A为冰川面积（单位： km2）。
根据世界气象组织规定， 选取最近1个30年平均值作为气候值， 本文在分析气象要素距平和距平百分率变化时以1991 -2020年平均值为气候值。
采用标准偏度系数和峰度系数描述气温概率分布形态特征（魏凤英， 2008）， 采用利氏（Lillifors）检验方法对样本进行正态性检验， 显著性水平为0.05， 通过检验的即认为此样本遵从正态分布。样本的概率密度分布采用核密度估计方法（何正风等， 2012）。
极端气候指数采用由WMO气候委员会等组织联合成立的气候变化监测和指标专家组定义的极端天气气候指数标准（翟盘茂和刘静， 2012）。
3 结果与分析
3.1 三江源气温多年变化特征
世界气象组织规定， 以30年气候平均值作为一个地区的气候态， 本文利用1961 -1990年和1991 -2020年平均气温值作为前、 当前两个气候态进行分析。
表1 极端气候指数定义Table 1 The definition of extreme climate indices |
| 指数 | 定义 |
|---|---|
| 冷夜日数 | 日最低气温小于10%分位值的日数 |
| 冷昼日数 | 日最高气温小于10%分位值的日数 |
| 暖夜日数 | 日最低气温大于90%分位值的日数 |
| 暖昼日数 | 日最高气温大于90%分位值的日数 |
| 中雨日数 | 日降水量大于等于10 mm的日数 |
| 强降水量 | 日降水量大于95%分位值的年累计降水量 |
| 1日最大降水量 | 每年1日最大降水量 |
| 降水强度 | 年降水总量与湿日日数（日降水量大于等于1.0 mm）的比值 |
受全球气候变化影响， 1961 -2020年三江源区呈一致的升温趋势， 区域东部的同仁、 泽库升温率最大， 达到0.48 ℃·（10a）-1， 而在玉树、 贵南等地升温率相对较小， 在0.30 ℃·（10a）-1以下［图2 （a）］。从1961 -1990年［图2 （b）］和1991 -2020年［图2 （c）］年平均气温气候平均态分布可以看出， 两个时段年平均气温均呈由东向西逐渐减小的趋势。对照两个气候平均态分布变化［图2 （b）， （c）］可以看出， 与前一个气候平均态相比， 1991 -2020年三江源东部区域尖扎、 贵德由前一个气候态的7.6 ℃和7.2 ℃分别升高到当前气候态的8.8 ℃和8.1 ℃。而西部年平均气温在-5.5~-4.7 ℃的气候太已全部升高至-4.6 ℃以上。整体来看， 三江源区前一气候态年平均气温为0.44 ℃， 而当前气候态上升至1.53 ℃， 60年来升高了1.09 ℃。
图2 1961 -2020年三江源年平均气温变率［a， 单位： ℃·（10a）-1］、 1961 -1990年（b）和1991 -2020年（c）年平均气温分布（单位： ℃）Fig.2 The distribution of annual average temperature variability from 1961 to 2020 ［a， unit： ℃·（10a）-1］， the annual average temperature （unit： ℃） from 1961 to 1990 （b） and from 1991 to 2020 （c） in the Three-River Regions |
由图3 可以看出， 1961 -2020年年平均、 最高和最低气温呈上升趋势， 升温率分别为0.37， 0.28和0.45 ℃·（10a）-1， 均通过0.01的显著性水平检验。三江源升温率明显高于1951 -2019年亚洲［0.23 ℃·（10a）-1］和全国［0.24 ℃·（10a）-1］的升温水平（中国气象局气候变化中心， 2020）。分年代际来看， 年平均气温和年平均最低气温呈持续升高趋势， 年平均最高气温呈波动式上升（在1971 -1980年、 1981 -1990年和2011 -2020年略有下降）。年平均、 最高和最低气温均在进入21世纪后快速升高（表2 ）， 与1961 -2000年平均值相比， 分别升高了1.28， 1.12和1.60 ℃。
图3 1961 -2020年三江源年平均气温（a）、 年平均最高气温（b）和年平均最低气温（c）变化Fig.3 The change of annual average temperature （a）， maximum temperature （b） and minimum temperature （c） in the Three-River Regions from 1961 to 2020 |
表2 三江源年平均气温、 年平均最高气温、 年平均最低气温平均值Table 2 The definition of extreme climate indices |
| 时段 | 年平均 气温/℃ | 与上一时段 差值/℃ | 年平均最高 气温/℃ | 与上一时段 差值/℃ | 年平均最低 气温/℃ | 与上一时段 差值/℃ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1961 -1970年 | 0.22 | 8.69 | -6.59 | |||
| 1971 -1980年 | 0.50 | 0.28 | 8.68 | -0.01 | -6.02 | 0.57 |
| 1981 -1990年 | 0.62 | 0.12 | 8.56 | -0.12 | -5.96 | 0.06 |
| 1991 -2000年 | 0.92 | 0.3 | 8.95 | 0.39 | -5.81 | 0.15 |
| 2001 -2010年 | 1.71 | 0.79 | 9.88 | 0.93 | -4.77 | 1.04 |
| 2011 -2020年 | 1.98 | 0.27 | 9.81 | -0.07 | -4.23 | 0.54 |
最高和最低气温通常分别发生在白天和夜晚， 因此年平均最高和最低气温变化在一定程度上可以代表白天和夜晚气温变化特征。年平均最低气温变化率［0.45 ℃·（10a）-1］远大于年平均最高气温变化率［0.28 ℃·（10a）-1］， 可以看出三江源地区气温变化存在昼夜不对称现象， 气温的升高主要是由夜晚气温的快速升高引起的。
3.2 三江源气温概率分布特征对比
表3 不同时段年平均、 最高和最低气温分布特征值Table 3 The characteristic value of annual average temperature， maximum temperature， and minimum temperature in different period |
| 特征值 | T avg | T max | T min | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1961 -1990年 | 1991 -2000年 | 1961 -1990年 | 1991 -2000年 | 1961 -1990年 | 1991 -2000年 | |
| 偏度 | 0.10 | -1.39 | -0.56 | -0.79 | -2.79 | -0.77 |
| 峰度 | -0.96 | -0.11 | -0.60 | -0.40 | 3.64 | -0.93 |
| 分布型 | 正态 | 正态 | 正态 | 正态 | 正态 | 非正态 |
| 均值 | 0.44 | 1.54 | 8.64 | 9.55 | -6.19 | -4.94 |
| 标准差 | 0.42 | 0.60 | 0.50 | 0.66 | 0.59 | 0.79 |
| 10%分位值 | -0.20 | 0.67 | 7.99 | 8.48 | -6.67 | -5.91 |
| 90%分位值 | 0.96 | 2.23 | 9.32 | 10.47 | -5.34 | -3.82 |
图4 1961 -1990年（黑线）和1991 -2020年（灰线）三江源区年平均气温（a）、 年平均最高气温（b）、 年平均最低气温（c）概率密度分布黑色区域表示≤10%分位值， 灰色区域表示≥90%分位值 Fig.4 The PDF of T avg （a）， T max （b）， T min （c） in the Three-River Regions from 1961 to 1990 （black lines） and from 1991 to 2020 （gray lines）.The value of black and gray area represents ≤10th percentile and ≥90th percentile， respectively |
与前一气候态相比， 当前气候态年平均（T mean）、 最高（T max）、 最低（T min）气温的第10和第90百分位值均出现了上升， 其中最低气温第10和第90百分位值的上升尤为明显， 分别达到0.76 ℃和1.68 ℃， 而最高气温的上升幅度相对较小， 从而也说明了最高、 最低气温变化的不对称性。
三江源区气温分布态发生明显变化， 在利用百分位法统计的极端气温指数中也有明显的反映。从1961 -2020年三江源年冷夜日数、 暖夜日数、 冷昼日数和暖昼日数变化（图5 ）可以看出， 近60年极端气温事件冷夜日数和冷昼日数均呈减少趋势， 变化率分别为-5.5 d·（10a）-1和3.8 d·（10a）-1， 近60年来极端气温暖事件包括暖夜日数和暖昼日数均呈增加趋势， 变化率分别为4.8 d·（10a）-1和3.8 d·（10a）-1， 以上4个指数变化趋势均通过了0.01的显著性水平检验。从各指数变化幅度（图5 ）也可以看出， 基于最低气温统计的冷夜和暖夜日数变化幅度要大于基于最高气温统计的冷昼和暖昼日数。
3.3 三江源区降水变化特征
近60年来， 三江源区降水量总体呈增加趋势［图6 （a）］， 平均每10年增加10.3 mm， 但没有通过显著性检验。从图6 （a）还可以看出， 大致从2003年以来降水量增加较多， 与1961 -2002年平均值相比增多12.3%。进一步分析发现三江源区年降水量在小雨（日降水量0.1~9.9 mm）以下的降水占总降水量的61%， 而中雨（日降水量10.0~24.9 mm）占34%， 大雨及以上（>25.0 mm）占5%， 因此在分析不同等级降水量变化时， 将10.0 mm以下的降水量分为3个等级， 中雨及以上等级降水量合计进行分析。
进一步统计了1961 -2020年极端降水变化趋势（图7 ）发现， 中雨日数、 强降水量、 日最大降水量和降水强度均发生一定变化， 变化率分别为每10年增加0.38 d、 9.67 mm、 0.38 mm和0.063 mm·d-1。除中雨日数变化趋势不显著外， 其余3个极端降水指数变化趋势均通过了0.01的显著性水平检验。同时， 从图7 也可以看出进入21世纪以来极端降水明显增多， 且降水强度增强。
3.4 气候变化对冰川、 冻土、 积雪及湖泊的影响
进入21世纪以来气温快速上升、 降水量增多， 对冰川面积、 冻土活动层深度、 积雪日数等产生了明显影响。与第二次冰川编目（2004 -2011年）相比， 2019 -2020年三江源地区格拉丹东冰川和阿尼玛卿冰川面积分别减少5.51%和4.96%， 冰储量分别减少23.43%和4.39%（图8 ）。
自20世纪80年代以来， 三江源区冻土活动层深度呈快速减小趋势， 年最大冻土活动层深度减小率为7.1 cm·（10a）-1， 开始冻结日期平均每10年推迟6.1天， 完全融化日期不断提前， 平均每10年提前5.9天， 冻结期不断缩短， 平均每10年缩短12.0天（图9 ）。
通过统计近15年来三江源地区积雪日数和积雪面积变化情况（图10 ）发现， 三江源区平均积雪日数在2016年以前变化趋势不明显， 但近4年积雪日数急剧增加， 尤其是2020年明显增加， 达到121天［图10 （a）］。2006年以来累计积雪面积呈先缓慢波动后急速增加的变化态势， 增幅为3.23×104 km2·a-1， 2019 -2020年明显增加［图10 （b）］。
受冰川冻土融水和降水量增多等多因素影响， 三江源地区近15年来大于50 km2的湖泊群面积呈增加态势， 增幅达60.95 km2·a-1， 2014年以后湖泊面积持续增长， 尤其是2018 -2020年增加明显， 2020年达到最大值6262.44 km2（图11 ）。
4 结论
利用1961 -2020年三江源区逐日气象数据、 2006 -2020年EOS/MODS监测资料， 基于概率密度分布函数、 线性趋势分析等方法， 分析了气温、 降水、 极端气候指数变化趋势及其对环境的影响， 得到的主要结论如下：
（1） 1961 -2020年， 三江源区气温显著上升， 升温率为0.38 ℃·（10a）-1（P<0.01）； 最高和最低气温升温幅度存在不对称现象， 升温率分别为0.28 ℃·（10a）-1和0.45 ℃·（10a）-1。同时从利用百分位法统计的极端气温指数变化趋势也可以发现， 基于最低气温统计的冷夜和暖夜日数变化幅度要大于基于最高气温统计的冷昼和暖昼日数变化。
（2） 对比1961 -1990年和1991 -2020年两个气温气候态变化特征， 与前一气候态（1961 -1990年）相比， 当前气候态（1991 -2020年）年平均、 最高和最低气温分别上升了1.28 ℃、 1.12 ℃和1.60 ℃， 且概率密度分布更加扁平， 说明气温向高温方向漂移， 气温离散程度更大， 气候更不稳定。
（3） 近60年来， 三江源区降水量总体呈增加趋势， 变化率为10.3 mm·（10a）-1， 且随着降水量等级的增加， 降水量变化趋势越明显。极端降水指数包括中雨日数、 强降水量、 1日最大降水量和降水强度均呈增加趋势， 变化率分别为每10年增加0.38 d、 9.67 mm、 0.38 mm和0.063 mm·d-1， 且进入21世纪以来， 强降水不断增多趋强表现更加明显。
（4） 在气温显著升高、 降水量增多影响下， 与第二次冰川编目相比， 2019 -2020年三江源地区格拉丹东冰川和阿尼玛卿冰川面积分别减少5.51%和4.96%， 冰储量分别减少23.43%和4.39%； 三江源区年最大冻土活动层深度迅速减小， 变化率为7.1 cm·（10a）-1， 冻结期平均每10年缩短12.0天； 积雪日数和累计积雪面积增多。受冰川冻土融水和降水量增多等因素的影响， 三江源区湖泊面积总体呈增大趋势。