1 引言

青藏高原(下称高原)以其独特的地形地貌闻名于世, 其特殊的天气气候特征, 复杂多变的环流形势以及水汽输送结构使其降水分布也具有复杂性。同时地广人稀的特征以及恶劣的自然条件使得高原地区气象站点分布极不规律, 主要分布于高原中部和东部, 从而导致降水资料匮乏。所有这些都对研究高原的降水特征造成一定的困难(黄一民等, 2007; 解承莹等, 2015)。现有研究表明, 高原雨季主要集中于夏季(冯蕾等, 2008), 且降水峰值在一年内主要有两种形式:喜马拉雅山脉南麓和雅鲁藏布江下游河谷地区呈现双峰值(前者高峰出现于7—8月, 次高峰出现于2—3月; 后者高峰出现于4月, 次高峰出现于7月), 而高原其他地区则为单峰值。降水峰值常出现于夏季7, 8月(张磊等, 2007; 罗四维, 1992; 乔全明等, 1994; 韦志刚等, 2003)。根据已有研究可知, 高原的年降水分布自雅鲁藏布江河谷向西北部逐渐递减, 其中雅鲁藏布江下游地区降水最多, 柴达木盆地西北部降水最少(韦志刚等, 2003; 戴加洗, 1990; 李亚琴, 2011)。因高原地区海拔较高, 自然环境复杂, 生态环境较脆弱, 而生态环境往往与降水情况相适应, 因此降水情况的异常将极大地影响当地生态环境的正常发展(谌芸等, 2006; 牛亚菲, 2011)。与气温的变化情况相比, 高原降水的变化情况则要复杂得多。高原北部和南部降水量的反相位关系是高原降水情况的一个重要特征(蔡英, 1998)。冯松(1999)利用1958—1996年高原地区及其周边的75个台站资料, 分季节研究了高原降水的变化趋势。结果表明, 绝大多数台站在这39年间冬季和春季降水量呈增加的趋势, 其中以高原中东部最为明显; 夏季高原大部分的降水量在逐年递减, 这一特征在高原南部最为明显, 而高原东北部和东、南部边缘的部分地区降水量则在增加; 秋季高原的中部、东南部部分地区的降水量呈递增趋势, 与此相反, 高原西南部和东北部的降水量在减少。此外, 对高原上绝大多数台站来说, 高原地区年均降水量在增加。韦志刚等(2003)通过对高原地区72个地面气象站1962—1999年降水状况的分析得知, 青海地区的冬季和春季降水量与西藏地区汛期降水量存在相似的相位变化; 与此相反, 青海地区汛期的降水量与西藏地区汛期的降水量变化存在反相位关系。此外, 高原的降水量自20世纪50年代后呈上升的趋势, 且降水量的增加发生在雨季(康兴成, 1996; 马晓波等, 2005)。

为了更透彻的了解高原降水的时空分布特征, 利用中国地面气候资料月值数据集信息化资料中高原地区具有代表性的20个站点所记录的降水日数和降水量资料, 并采用曼-肯德尔检验分析方法(MK检验)和小波分析方法, 研究高原降水日数和降水量的分布特征和演变规律。

2 研究资料与方法简介

所引用的数据资料为中国地面气候资料月值数据集, 它是来源于各省、市、自治区气候资料处理部门逐月上报的“地面气象记录月报表”的信息化资料。这里所选资料主要包括1980—2013年间青海省和西藏自治区20个站点(图 1)所记录的月降水日数及月降水量。

利用MK检验和小波分析等方法对高原1980—2013年间降水日数及降水量的变化进行分析。小波分析(亦称多分辨率分析)是一种常用的分析时间序列的变化尺度和变化趋势的方法, 研究不同尺度(周期)随时间的演变, 具有多分辨率分析和对信号的自适应性特征。因气象要素的周期变换特征复杂且同一时段内又包含各种时间尺度的周期变化, 故会表现出多时间尺度的特征。因此利用小波分析可研究不同尺度(周期)的气象要素随时间的演变情况, 已成为研究气象要素长期变化的重要方法(马晓波等, 2005)。

突变现象作为地球气候系统中的一个重要现象可被分为四类:均值突变、变率突变、翘翘板突变和转折突变。实际情况则常由两种或两种以上的突变类型复合而成。由于曼-肯德尔检验分析方法对均值突变检验结果相对准确, 故选其作为高原地区降水情况的突变分析方法(符淙斌等, 1992)。

通过上述方法可对降水日数及降水量的整体变化趋势以及突变特征, 时间序列的变化周期和变化趋势进行分析, 并可研究其在不同尺度(周期)下随时间的演变情况。其中高原整体降水日数及降水量是研究中20个站点观测得到的降水数据的整合平均, 利用得到的平均值来分析高原降水气候特征。

3 结果分析 3.1 高原降水日数特征 3.1.1 高原年降水日数气候特征概况

高原海拔高, 空气较稀薄, 干燥, 太阳辐射强, 温度较低。由于其地形复杂多变, 故高原气候本身也随地区的不同而产生较大变化。总体来说高原上降雨较少。

利用1980—2013年高原20个气象观测站采集的降水日数资料, 对其作统计分析并汇总, 得出相应的规律。文中降水日数代表日降水量大于等于0.1 mm的日数。

由图 2(a)可知, 1980—2013年高原年均降水日数约为97天且整体呈波动下降趋势。由MK检验[图 2(b)]可知, 34年间降水日数整体并未发生明显突变, 交点处则反映降水日数的随机性及不连续性。由图 2(c)可知年降水日数在6~10年时间尺度上的周期震荡非常明显, 经历了“高-低-高-低-高-低-高-低-高”9个循环交替, 至2013年等值线未闭合, 之后仍将会处于年降水日数偏高状态。同时, 年降水日数的小波方差[图 2(c)]存在3个峰值, 分别对应着准2年, 4年和8年的周期。这说明高原年均降水日数存在着2年, 4年和8年的主要周期, 这三个周期的波动决定着高原年均降水日数在整个时间域内的变化特征。此外, 高原降水日数的分布沿西北向东南逐级递增[图 2(d)]。与西部地区相比, 高原东部地区降水日数明显偏多, 普遍达到100天以上, 而高原西部年降水日数则偏少, 普遍位于50天以下, 这与高原地形所产生的动力和热力效应对大气环流产生的影响有关。

3.1.2 1980—2013年高原降水日数季节变化特征

为了更加清楚的了解高原降水日数的变化情况, 将34年间不同季节降水日数作对比分析。

由图 3可知, 1980—2013年高原地区春夏秋冬四季平均降水日数分别约为23天、46天、21天和8天, 可见夏季降水日数最多, 春秋两季降水日数较少, 而冬季最少。春季[图 3(a)]和冬季[图 3(d)]降水日数整体呈下降趋势, 其中冬季降水日数线性趋势的斜率较大, 即冬季降水日数的变化比春季明显。而夏[图 3(b)]、秋[图 3(c)]两季整体呈缓慢上升趋势, 且秋季变化趋势相对显著, 夏季因受地形以及东亚夏季风的影响, 其降水日数较其余季节降水日数偏多。整体上, 高原四季降水日数变化趋势较平缓, 但因高原地形影响, 四季降水日数围绕趋势线呈较大幅度的波动, 体现了因复杂地形而造成降水日数的随机性。

运用MK检验的方法对高原34年间四季降水日数的变化趋势进行检验。由图 4(a)可知, 春季高原地区降水日数并未发生明显突变, 两条序列曲线相交于1996年和2005年, 说明在这两年降水日数发生较大变化, 但并未对整体趋势产生较大影响, 这也与图 3(a)相对应。图 4(b)中两条序列曲线分别相交于1995年和1999年, 即夏季降水日数在这两年变化幅度较大, 但UF序列线在水平显著线内, 说明整体变化趋势并不明显。秋季降水日数在1985年和1990年存在较大幅度变化, 因UF线位于0.05水平显著线内, 说明秋季年平均降水日数变化趋势不明显[图 4(c)]。而冬季高原降水[图 4(d)]在2008年和2012年存在较大幅度变化, 但UF曲线仍在水平显著线内, 即冬季高原降水日数变化趋势并不明显。这些特征与图 3显示的降水日数的变化趋势相吻合。

对近34年青藏高原四季降水日数作小波分析(图 5)可知, 春季降水日数在6~10年的时间尺度范围内周期振荡非常明显, 经历了“高-低-高-低-高-低-高-低-高”9个循环交替, 且在2013年其等值线仍未闭合, 之后降水日数仍将处于偏高期。春季降水日数的小波方差则存在两个峰值且分别位于准4年和准8年处, 其中以准8年处最为明显。同理可知, 高原夏季降水日数在9~12年时间尺度上的周期振荡非常明显, 经历了“高-低-高-低-高-低-高”7个交替循环, 之后降水日数仍将处于偏高期。夏季降水日数的小波方差则存在三个峰值且分别位于准2年、准4年和准11年处, 其中以准4年处最为明显。秋季降水日数则在10~15年时间尺度上的周期振荡非常明显, 经历了“低-高-低-高-低-高”6个循环交替, 且2013年等值线仍未闭合, 之后降水日数仍将处于偏高期。秋季降水日数的小波方差存在2个峰值, 分别对应准3年和准11年的周期, 其中以准11年周期表现最为明显。而冬季降水日数在10~15年时间尺度上的周期振荡非常明显, 经历了“高-低-高-低-高-低”6个循环交替, 之后降水日数仍将处于偏低期。冬季降水日数的小波方差存在着3个峰值分别对应准2年、准6年和准13年的周期, 其中以准2年周期表现最为明显。

3.2 高原降水量特征 3.2.1 高原年降水量气候特征概况

青藏高原地区属于高原山地气候, 降水量较少, 平均年降水量在400 mm左右。其中高原南部受印度洋暖湿气流的影响, 降水较多, 在1 000 mm以上, 而北部由于地处内陆, 降水量较少, 在100 mm左右。

相比于降水日数的逐年下降, 1980—2013年高原年均降水量约为370 mm, 且整体呈较为明显的上升趋势[图 6(a)], 说明日均降水量在逐年增加。而降水量的变化幅度较大, 这也往往与来自孟加拉湾北部水汽通道所输送的水汽强弱相对应(林厚博等, 2016)。由年降水量MK检验[图 6(b)]可知, 两条序列曲线相交于1985年, 说明在这个时间点降水量变化幅度较大, 又因为两者均处于0.05水平显著线内, 说明高原地区年降水量在过去34年内并未发生突变。由小波分析[图 6(c)]可知高原地区年降水量在10~15年时间尺度上的周期振荡非常明显, 且经历了“低-高-低-高-低-高”6个循环交替, 因2013年等值线并未闭合, 故降水量仍将处于偏高期。年降水量的小波方差则存在2个峰值, 且分别位于准5年和准11年, 其中以准11年处最为明显。这说明高原年均降水量存在着5年和11年的主要周期, 这两个周期的波动决定着高原年均降水量在整个时间域内的变化特征。此外, 高原地区年降水量的分布由西向东呈现出较为明显的差别[图 6(d)]。其中东部降水量明显多于西部, 且整体与降水日数的分布呈现相同的变化趋势。与西藏地区相比, 青海地区年降水量普遍偏少。

3.2.2 1980—2013年高原四季降水量变化特征

高原地貌特征复杂, 四季水汽条件分布差异较大, 导致高原地区不同季节降水量存在较大差异。

1980—2013年高原春夏秋冬四季降水量分别约为60, 230, 72和16 mm(图 7)。与降水日数变化相比, 四季降水量线性趋势的斜率明显增大, 这表明四季降水量的变化更为明显。由图可知, 四季降水量均呈上升趋势, 其中春季和冬季降水量上升趋势最强, 夏季和秋季次之。和春季相比, 夏、秋、冬三季降水量围绕着趋势线整体有较大幅度的变化, 此外, 夏季降水量明显多于其他三季的降水量, 这与亚洲夏季风所带来的水汽有很大的关系。

由高原四季降水量变化趋势的MK检验(图 8)可知, 两条序列曲线于1996年有1个交点, 即突变点。且在此后春季降水量有较明显的上升趋势。又因UF序列曲线从2008年开始超过了0.05水平显著线, 说明这段时间降水量有一显著的变化趋势。夏季降水量则在2009年和2012年发生了突变, 两条序列曲线在这两年相交[图 8(b)]。秋季降水量在1990年发生了巨大变化[图 8(c)], 其中UF序列曲线在1990年超出了水平显著线, 这与图 7(c)相对应。但秋季降水量整体并未发生突变, 即1990年降水量急剧降低并未对整体降水量的变化趋势产生影响。而冬季高原降水[图 8(d)]在1998年存在突变点, 说明降水量在此处变化较大。

通过近34年高原四季降水量的小波分析(图 9)可知, 春季降水量在9~15年时间尺度上的周期振荡非常明显, 经历了“低-高-低-高-低-高”6个循环交替, 且在2013年等值线仍未闭合, 之后降水量仍将处于偏高期。同时, 春季降水量的小波方差存在2个峰值, 分别对应准2年和准12年的周期, 其中以准2年周期表现最为明显。夏季降水量在10~15年时间尺度上的周期振荡非常明显, 经历了“高-低-高-低-高-低”6个循环交替, 之后降水量仍将处于偏低期。夏季降水量的小波方差存在2个峰值, 分别对应准4年和准11年的周期, 其中以准4年周期表现最为明显。秋季降水量则在9~12年的时间尺度上周期振荡较明显, 经历了“低-高-低-高-低-高-低”7个循环交替, 且在2013年等值线仍未闭合, 之后秋季降水量仍将处于偏低期。同时秋季降水量的小波方差存在两个峰值, 且分别位于准3年和准10年处, 其中以准10年处最为明显。冬季降水量则在15~18年的时间尺度上周期振荡较明显, 经历了“高-低-高-低-高”5个交替循环, 之后降水量仍将处于偏高期。冬季降水日数的小波方差则存在三个峰值, 且分别位于准4年、准8年和准15年处, 其中以准15年处最为明显。

4 结论与讨论

采用曼-肯德尔检验分析方法(MK检验)和小波分析的方法对高原地区降水日数和降水量进行了时空分布特征的分析, 并对其演变规律进行了初步的探讨, 主要获得以下结论:

(1) 高原在过去的34年中, 年降水日数围绕97天呈略微下降趋势, 整体变化趋势较为平缓, 并无明显突变。其年降水日数在6~10年的时间尺度上周期振荡较为明显, 经历了9个循环交替, 且在未来几年内仍将处于偏高期。

(2) 1980—2013年间高原四季降水日数中, 春季和冬季呈下降趋势, 夏季和秋季呈上升趋势, 其中冬季变化趋势最明显, 春秋两季次之, 夏季变化趋势最小。春季降水日数在6~10年的时间尺度上的周期振荡较明显, 且在2013年后, 春季降水日数仍将处于偏高期。夏季降水日数在9~12年时间尺度上周期较明显, 2013年后夏季降水日数仍将处于偏高值。秋季降水日数则在10~15年时间尺度上有明显周期, 且2013年后仍将处于偏高值。冬季降水日数在10~15年时间尺度上的周期振荡明显, 且2013年后仍将处于偏低值。

(3) 与降水日数的下降趋势相比, 高原在过去的34年中年降水量整体呈较为明显的上升趋势。同时由小波分析可知高原地区年降水量在10~15年时间尺度上的周期振荡非常明显, 经历了6个循环, 且未来几年仍将处于偏高期。

(4) 1980—2013年高原地区四季降水量均呈上升趋势, 且上升趋势比降水日数更明显, 其中春季和冬季上升最强, 夏秋次之。由四季小波分析可知春季降水量在9~15年时间尺度上周期振荡比较明显, 2013年后春季降水量仍将处于偏高期; 夏季降水量则在10~15年时间尺度上有明显周期, 且2013年后夏季降水量仍将处于偏低值; 秋季降水量则在9~12年时间尺度上周期振荡比较明显, 且2013年后仍将处于偏低值; 冬季降水量在15~18年时间尺度上的周期振荡明显, 且2013年后仍将处于偏高值。

(5) 1980—2013年间高原地区年降水量和降水日数的分布自西向东逐级递增, 且呈现出相似的分布关系。相比于青海地区, 西藏地区在这34年内年均降水日数较多, 且年均降水量较大。