气候变化是当今国际社会普遍关注的全球性问题。气候变化不仅影响着人类的生存环境, 而且对经济发展和社会进步也有着深远的影响。青藏高原特殊的地理位置和独特的环境对中国乃至全球的天气气候都有重要的影响(刘晓东, 1999; Liu et al, 2000; Fu et al, 2006; 梁玲等, 2013; 周俊前等, 2016)。

青藏高原气温变化特征已有大量研究。王绍武等(1998)利用冰芯代用资料得到1880—2000年我国西部4个区(西北、新疆、青藏、西南)的气温序列, 得出近百年来我国西部地区的气温变化趋势与东部地区较一致, 经历了冷-暖-冷-暖的变化。Wang et al(2008)指出, 有证据表明青藏高原在近50年来地面温度增加了1.8 ℃。姚莉等(2002)对1969—2008年青藏高原15个站的气温进行分析, 得出近30年青藏高原地区年平均气温的增温率为0.167 ℃·(10a)^-1, 年平均最高气温增温率为0.008 ℃·(10a)^-1, 年平均最低气温的增温率为0.278℃·(10a)^-1。与北半球变暖相比, 青藏高原的变暖发生较早, 而且青藏高原温度上升的速率也比北半球和同纬度其他地区的快(Liu et al, 2000)。总体来说, 20世纪80年代的全球气候变暖在高原上也普遍存在, 在一些地区甚至表现的非常显著(姚檀栋等, 2000; Zhu et al, 2001; Yang et al, 2003; 马晓波等, 2003; 韦志刚等, 2003; Niu et al, 2004; 牛涛等, 2005; 李潮流等, 2006; Xu et al, 2008; 丁一汇等, 2008)。

我国科学家还对青藏高原气温的周期性进行了研究。韦志刚等(2003)分析认为高原气温主要存在准3年, 5~8年和准11年周期震荡。20世纪80年代中后期青藏高原气候实现了由暖干型向暖湿型的突变(牛涛等, 2005)。

青藏高原气温的突变一直以来都是大家广泛关注的问题, 总结起来主要有以下观点:地形和冷空气的作用(Zhang et al, 2009); 青藏高原近期的气候变暖很有可能是由于人类活动造成温室气体排放加剧的结果, 并且温室气体排放加剧对青藏高原气候的影响可能比全球其他地区更显著(Chen et al, 2001; Duan et al, 2006)。

青藏高原降水量表现出很强的区域特点, 年降水量增加主要在高原西部、南部和中部, 高原东部和青海降水量减少。降水季节分布趋势为冬春季节降水增加较少, 但基本上呈增加趋势; 雨季增量较大但分布不均匀(马晓波, 2005; Xu et al, 2008)。

前人对青藏高原气候特征的分析所用资料较少, 本文将利用近50年来的资料对青藏高原气候特征进行一个全面的分析, 以期为青藏高原气候变化提供科学的依据。

青藏高原的范围为:中国境内部分西起帕米尔高原, 东至横断山脉, 横跨31个经度, 东西长约2945 km; 南自喜马拉雅山脉南缘, 北迄昆仑山-祁连山北侧, 纵贯约13个纬度, 南北宽达1532 km; 范围为26°00′12″N—39°46′50″N, 73°18′52″E—104°46′59″E, 面积为2572.4 ×10³ km², 占我国陆地总面积的26.8 %(韦志刚等, 2003)。

所用数据资料来自中国752个基本、基准地面气象观测站及自动站1951年以来气候资料年值数据集, 选取在青藏高原范围内的158个气象站作为研究对象(图 1)。从图 1中可以看出, 站点主要集中在青藏高原东部, 而85 °E以西, 也就是青藏高原的西部站点稀少。由于多数站点1951—1960年资料缺测, 因此, 本文所选时间长度为1961—2010年。涉及到的气象要素主要包括温度(包括平均、最高和最低温度)、降水和风速。并对数据进行了质量控制(魏凤英, 2007)。

图 1(Fig. 1)

图 1 青藏高原业务气象站点分布 Fig. 1 Distribution of the rountine meteorology stations over Qinghai-Tibetan Plateau (QTP)

近50年来青藏高原温度(包括平均温度、最低温度及最高温度)上升明显[图 2(a~c)]。20世纪60年代到80年代中期温度偏低, 自80年代后期以来, 温度正距平明显, 特别是90年代中后期以来, 温度正距平更加显著。近50年来青藏高原平均温度、最低温度及最高温度的平均值分别为6.0 ℃、0.2 ℃和13.8 ℃。通过一元线性回归得出平均温度、最低温度及最高温度的变化趋势分别为0.28 ℃·(10a)^-1、0.36 ℃·(10a)^-1及0.25 ℃·(10a)^-1, 均通过了0.001的信度检验。1961—2010年, 青藏高原平均温度、最低温度和最高温度分别增加了1.4 ℃、1.8 ℃及1.2 ℃。可以看出, 青藏高原正在变暖, 升温主要是夜间的最低温度贡献的。

图 2(Fig. 2)

图 2 1961—2010年青藏高原各气象要素年际变化特征 Fig. 2 Inner annual variations of meteorological elements over QTP during 1961—2010

另外, 1961—2010年, 青藏高原降水量有微弱的增加趋势[图 2(d)]。20世纪60年代到70年代中期和80年代中期到90年代中期降水偏少; 而20世纪70年代中期到80年代中期以及1995—2010年, 降水正距平明显。通过一元线性回归得出降水的变化趋势为4.1 mm·(10a)^-1, 通过了0.05的信度检验。而1961—2010年青藏高原风速则呈现出先增大后减小的趋势[图 2(e)]。除20世纪60年代中期到80年代末期风速偏大外, 其他时间风速均偏小, 风速最大值出现在1974年(2.57 m·s^-1), 最小值出现在2002年(1.84 m·s^-1)。通过一元线性回归得出风速的变化趋势为-0.08 m·s^-1·(10a)^-1, 通过了0.001的信度检验。

总体来说, 1961—2010年青藏高原正在变暖变湿, 同时风速呈现出减小的变化特征。

对青藏高原1961—2010年平均温度、最低温度、最高温度、降水量及风速进行MK检验(图略), 得出以下结果:青藏高原在20世纪90年代以后的明显增暖是突变现象, 平均温度和最高温度突变发生的时间分别是1994年和1997年。降水则出现过多次突变, 突变时间分别为1965年、1977年以及1995年。最低温度和平均风速未检测出突变。

根据突变发生的时间, 将青藏高原平均温度以1994年为界分成两段来讨论[图 3(a)], 突变前(1961—1993年)青藏高原平均温度5.9 ℃, 线性倾向率为0.08 ℃·(10a)^-1; 而突变后(1994—2010年)青藏高原平均温度为6.8 ℃, 线性倾向率为0.67 ℃·(10a)^-1, 平均温度较突变前升高了15%, 增长率约为突变前的8.4倍。

图 3(Fig. 3)

图 3 1961—2010年各气象要素突变前后的变化特征 Fig. 3 Variations of meteorological elements over QTP during 1961—2010 before and after the abrupt change

将青藏高原最高温度以1997年为界分成两段来讨论[图 3(b)], 突变前(1961—1996年)青藏高原最高温度为13.5 ℃, 线性倾向率为-0.01 ℃·(10a)^-1, 而突变后(1997—2010年)青藏高原最高温度为14.5 ℃, 温度升高了7%, 线性倾向率为0.47 ℃·(10a)^-1, 约为突变前青藏高原最高温度增长率的48倍。

根据突变发生的时间, 将青藏高原降水以突变年为界分成四段来讨论[图 3(c)], 时间段分别为1961—1964年:此段为降水量迅速增加年, 平均值为435 mm, 线性趋势为13.35 mm·a^-1; 1965—1976年:此时段降水量较少, 平均值只有425 mm, 总体变化趋势呈缓慢增加, 线性趋势为1.937 mm·a^-1; 1977—1994年:此时段降水量较多, 平均值为436 mm, 其变化趋势呈缓慢减少, 线性趋势为-1.31 mm·a^-1; 1995—2010年:此段为降水量微弱上升时段, 平均值为444 mm, 线性趋势为0.572 mm·a^-1。

总体来说, 突变后青藏高原平均温度及最高温度的升温速率更快, 而降水在突变前后也表现出不同的变化趋势。

运用小波分析方法对青藏高原各气象要素的周期进行分析得出以下结论。青藏高原的平均温度[图 4(a)]在1961—2010年存在一个准8年的周期, 并且在20世纪90年代之前存在14~16年的周期, 在1990—2010年存在准3年周期。最低温度[图 4(b)]在1961—2010年中存在准8年的周期以及准16年的周期。最高温度[图 4(c)]在1961—2010年中存在准8年的周期, 并且在20世纪90年代之后存在准4年的周期。降水量[图 4(d)]在1961—2010年中存在准4年、准10年的周期, 并且在20世纪80年代存在准2年的周期, 此外, 可能还存在一个25年以上的周期, 这个需要资料长度够长以后才能检测到。青藏高原1961—2010年的风速[图 4(e)]存在一个准20年的周期。

图 4(Fig. 4)

图 4 1961—2010年青藏高原各气象要素的小波分析 Fig. 4 Wavelet analysis of meteorological elements over QTP during 1961—2010

青藏高原温度[图 5(a), (c), (e)](包括平均温度、最低温度及最高温度)自东南向西北呈现出“高-低-高”的分布形态, 也就是说高原东南部和西北部温度较高而青藏高原的中部也就是藏北高原的温度较低, 这与青藏高原的海拔走势一致, 海拔高的地方温度低, 海拔低的地方温度高。降水量则表现出从东南向西北逐级减少的分布特点[图 5(g)]。平均风速的大小与青藏高原海拔的走势也相关, 但与温度表现不同的是, 海拔越高的地方风速越大, 海拔较低的地方风速越小。因此, 在1961—2010年, 青藏高原风速自东南向西北呈现出小-大-小的走势[图 5(i)]。

图 5(Fig. 5)

图 5 1961—2010年青藏高原各气象要素的空间分布(左)以及线性趋势分布(右) Fig. 5 Spatial distributions (left) and linear trends (right) of meteorological elements over QTP during 1961—2010

选取了1961—2010年缺测资料少于5年的站点共113个, 对其平均温度、最低温度、最高温度、降水量及风速的线性趋势(图 5右列)进行分析。从1961—2010年温度变化的线性趋势分布可以看出, 青藏高原几乎整体是升温的, 并且高原中部的升温普遍高于东部; 其中平均温度升温最快和最慢的站分别为茫崖站[0.89 ℃·(10a)^-1]和河南站[-0.23 ℃·(10a)^-1]。最低温度升温最快和最慢的站分别为茫崖站[1.08 ℃·(10a)^-1]和河南站[-0.32 ℃·(10a)^-1]。最高温度升温最快和最慢的站分别为位于四川西南部的木里站[0.74 ℃·(10a)^-1]和盐源站[-0.24 ℃·(10a)^-1]。

1961—2010年, 青藏高原大部分站点降水都是增加的, 但位于青藏高原东侧的甘肃西部、青海东部以及四川北部降水有所减少[图 5(h)]。降水增加最快和最慢的站分别为康定站[30.5mm·(10a)^-1]和临洮站[-23.2 mm·(10a)^-1]。青藏高原几乎整体风速是减小的, 只是个别的站风速有微弱增加[图 5(j)]; 其中风速减小最快和最慢的站分别为茫崖站[-0.61 m·s^-1·(10a)^-1]和榆中站[0.19 m·s^-1·(10a)^-1]。西部由于站点缺少无法判别各气象要素的变化趋势。

总体可见, 青藏高原整体是在变暖变湿的, 并且风力减小, 但是高原东侧的部分地区是变暖变干的。

选取青藏高原东部102个站作为研究对象, 对其平均温度、最低温度、最高温度进行EOF分解可以看出, 前两个载荷向量的累积方差分别达到80%、75%和77%, 其中平均温度第一载荷向量的方差贡献为69%, 第二载荷向量的方差贡献为11%;最低温度第一载荷向量的方差贡献为68%, 第二载荷向量的方差贡献为7%;最高温度第一载荷向量的方差贡献为62%, 第二载荷向量的方差贡献为15%, 均通过了显著性检验, 所以分别选取平均温度、最低温度、最高温度的第一和第二载荷向量以及时间系数进行分析。

青藏高原平均温度[图 6(a)]、最低温度[图 6(c)]及最高温度[图 6(e)]EOF分解的第一载荷向量均表现出全区一致的正值, 中心区位于94°E—97°E一带, 说明青藏高原腹地是平均温度、最低温度及最高温度变化最敏感的地区。平均温度[图 6(g)]、最低温度[图 6(i)]及最高温度[图 6(k)]第一载荷向量的时间系数同温度的年际变化表现相似, 20世纪60—80年代温度偏低, 自80年代中期至2010年, 温度升高明显, 特别是90年代中后期至2010年, 温度正距平更加显著。

图 6(Fig. 6)

图 6 1961—2010年青藏高原温度EOF分解的载荷向量(a~f)及时间系数(g~l) Fig. 6 The load vector (a~f) and it's time coefficient (g~l) of EOF for temperature over QTP during 1961—2010

平均温度[图 6(b)]、最低温度[图 6(d)]及最高温度[图 6(f)]EOF分解的第二载荷向量大体表现出高原主体与东部以及北部边缘地带变化趋势相反的趋势, 即高原主体升温(降温)时, 东部及北部边缘地带是降温(升温)的, 平均温度变化最敏感的地区位于东南部高原; 最低温度变化最敏感的地区较平均温度略偏北, 位于青海中部地区; 而最高温度变化最敏感的地区则位于高原南部地区。

结合时间系数分析, 20世纪60年代初和20世纪90年代到2007年, 青海北部和高原东部边缘平均温度升高, 高原主体平均温度降低; 20世纪70—80年代以及2007—2010年, 高原主体平均温度升高, 此时, 青海北部和高原东部边缘平均温度是降低的[图 6(h)]。20世纪60年代和2000—2010年, 青藏高原东侧边缘地区最低温度升高, 而高原主体地区最低温度降低; 20世纪70—90年代, 青藏高原东侧边缘地区最低温度降低, 而高原主体地区最低温度升高[图 6(j)]。20世纪60年代初和90年代, 青海北部和四川东部最高温度升高, 而青海南部和西藏地区最高温度降低; 20世纪70—80年代以及2005—2010年, 青海南部和西藏地区最高温度升高, 此时, 青海北部和四川东部最高温度是降低的[图 6(l)]。

(1) 1961—2010年, 青藏高原正在变暖变湿, 但是高原东侧部分地区正在变暖变干, 同时高原整体风速正在减小。升温主要是夜间的最低温度贡献的, 不同地区升温速率有差异, 中部地区高于东部地区。青藏高原平均温度、最低和最高温度的分布与高原海拔走势一致。降水量空间分布上表现出从东南向西北逐级减少的分布特点。风速自东南向西北呈现出小-大-小的走势。

(2) 青藏高原平均温度和最高温度分别在1994年和1997年发生突变。突变后平均温度及最高温度的升温速率约为突变前的8.4倍和48倍, 升温明显加快。青藏高原降水则出现过多次突变, 突变时间分别为1965年、1977年以及1995年, 突变后降水的变化速率也有明显不同。

(3) 1961—2010年, 青藏高原平均、最高和最低温度都存在准8年周期震荡, 除此之外, 平均温度还存在准16年、20世纪90年代之前还存在14~16年的周期震荡, 在近20年中还存在准3年周期震荡; 最低温度存在准16年周期震荡; 最高温度在20世纪90年代之后存在准4年周期震荡。降水量存在准4年、准10年的周期; 风速存在18~20年的周期。

(4) 青藏高原平均温度、最低温度及最高温度EOF分解的第一载荷向量均表现出全区一致的正值, 中心区位于94°E—97°E一带, 说明青藏高原腹地是平均温度、最低温度及最高温度变化最敏感的地区。

(5) 平均温度、最低温度及最高温度EOF分解的第二载荷向量大体表现出高原主体与东部以及北部边缘地带变化趋势相反的趋势, 即高原主体升温(降温)时, 东部及北部边缘地带是降温(升温)的, 平均温度变化最敏感的地区位于东南部高原; 最低温度变化最敏感的地区位于较平均温度略偏北, 位于青海中部地区; 而最高温度变化最敏感的地区则位于高原南部地区。