青藏高原降水气候变化特征分析

青藏高原降水气候变化特征分析

降水的时空变化青藏高原被称为世界三极。它以其广阔的地域、高大的海拔和复杂的地形而闻名，并具有独特的气候和气候特征。研究表明[1~6],青藏高原是影响东亚地区干旱、洪涝异常灾害的气候敏感区,对我国、亚洲、北半球乃至全球的天气、气候及环境变化有着非常重要的作用。一直以来,青藏高原气候变化研究都是科学家关注的焦点问题,降水变化作为气候变化的重要组成也倍受重视。伴随着观测资料和研究手段的丰富,前人在青藏高原降水的气候变化特征、成因及影响等方面进行了深入细致的研究[7~27],获得了一系列有意义的结果。林振耀等分析指出,高原年降水变化可分为9个区,20世纪50年代至90年代初期,高原中部及东北部降水减少,其它地区降水增加。康世昌等根据高原台站资料分析指出,50年代以来,降水量呈渐增趋势。汤懋苍等分析指出,在20世纪80年代中期,高原北部降水开始减少,南部开始增多。姚莉等对青藏高原15站1969~1998年降水资料分析指出,高原年降水在80年代中期之前偏少,80年代中期之后偏多。韦志刚等研究表明:1962~1999年青海冬春降水和西藏汛期降水存在相同的位相变化,即20世纪60年代基本偏多,70年代和80年代初偏少,80年代中到90年代偏多;青海汛期降水20世纪60年代偏少,70年代和80年代偏多,90年代偏少;西藏冬春降水20世纪60年代到70年代初偏少,70年代中末期到90年代偏多。杜军等、吴绍洪等研究发现,1971~2000年青藏高原大部分地区年降水变化呈增长趋势,阿里地区呈明显减少趋势。马晓波等通过分析青藏高原84个台站自建站至2001年的气象资料,发现近40年来高原年降水有所增加,最大涨幅达10.2%。李生辰等研究发现,近34年来高原年降水整体呈增加趋势,90年代中后期增加明显。张文纲等分析了青藏高原及周边的97个台站1961~2000年的降水资料,结果发现,近40年来高原站点的年降水量多表现为增长趋势,只有青海东南部、南疆及西藏部分站点出现减小趋势,这一时间变化趋势的空间分布大致表现为高原中东部和南北的反向变化。总的说来,青藏高原降水的时空演变特征相当复杂,以往研究由于选取站点范围或资料时段的不同,导致相关研究结果存在一定差异,尤其是对于20世纪末以来降水的变化趋势缺乏研究,而这正是我们应当重点关注的问题。本文应用1967~2012年高原东部地面站的降水数据,研究其整年及四季降水的时空演变特征,重点揭示年代际尺度上的时间变化规律,为全面了解青藏高原降水的气候变化规律提供科学依据。1区域气候特征资料来源于国家气象信息中心资料室整编的地面测站逐日降水资料集。综合考虑站点分布和资料缺测的情况,以海拔超过3000m、年代长且时间连续为原则(柴达木盆地若干站点海拔低于3000m,高于2700m),选取了位于87~103°E,27~39°N范围内的60个站点,覆盖青藏高原东部,资料时段为1967/1968~2012/2013共46年。按照气候四季划分原则,累加当年3~5月获得春季数据,累加当年6~8月获得夏季数据,累加当年9~11月获得秋季数据,累加当年12月~次年2月获得冬季数据,累加四季获得整年数据。REOF方法用于对降水场进行空间分型,滑动t检验、多项式拟合、线性趋势估计方法用于揭示其时间变化特征。REOF是在EOF的基础上进行处理,使原要素场的信息特征集中映射到荷载场所表示的优势空间型上,简化原来的特征向量结构,使其反映的气候特征更明显且更具代表性,从而更容易识别空间型;滑动t检验、多项式拟合、线性趋势估计是应用于时间序列分析方面的常规方法,能清楚揭示其变化趋势及年代际变化特征。2空间分布特征2.1降水的时空分布图1a~d分别是青藏高原东部近50年平均的四季降水量空间分布(图中黑点表示站点位置)。如图所示,高原东部不同季节降水的空间特征基本一致:降水量值南北差异明显,呈由东南向西北递减的态势;降水高值区主要集中在西藏东部和川西高原,以西藏东南部的波密和川西高原的九龙为中心;降水低值区主要集中在柴达木盆地,分别以盆地西北缘的冷湖和南缘的小灶火为中心。2.2旋转前后降水模态的累积解释根据已有研究[7~16],青藏高原地区降水变化的区域差异较大,因此对降水场进行区域划分,进而针对不同分区来分析比较其时间变化特征是十分必要的。本文对近50年高原东部整年及不同季节的降水场进行了REOF处理,比较分析后发现其分型结果基本一致。由于篇幅所限,仅给出年降水前十个模态在旋转前后对总方差的贡献,如表1所示。按照旋转处理后方差贡献由大到小的顺序,本文选取了前八个模态,如图2a~f所示,将降水场分为对应的八个小区,分型结果与已有研究基本一致。由于高原降水的复杂性,REOF收敛速度较慢,八个分区所对应的模态累积解释方差为68.5%,主要反映出该地区降水南北反向变化的异常特征:1区是以丁青、昌都、德格、新龙为中心的西藏东部和川西高原西部;2区是以定日、江孜为中心的藏南谷地;3区是以托托河、玛多为中心的青南高原;4区是以大柴旦、诺木洪为中心的柴达木盆地;5区是以班戈、安多、那曲为中心的藏北高原;6区是以若尔盖、红原为中心的川西高原北部;7区是以德钦、中甸为中心的青藏高原东南缘;8区是以刚察、恰卜恰为中心的青海东北部。3时间推移特征由于REOF各模态高值中心站点能较好代表对应的区域气候特征,本节分析中就利用各区代表站点的降水数据来研究其时间变化规律。3.1降水的时际变化图3a、b分别是近50年高原东部年降水标准化时间序列、线性趋势估计及滑动t检验的结果。如图所示,高原东部年降水呈强增加趋势;20世纪90年代后期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。对于不同区域而言(图略),1区年降水呈增加趋势;20世纪80年代中期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。2区年降水呈弱增加趋势。3区年降水表现出“偏少~偏多”的显著年代际变化特征;21世纪之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期;降水在2001年附近发生了由少到多的显著突变,达到99%的信度检验水平。4区年降水表现出“偏少~偏多”的显著年代际变化特征;21世纪初之前,尤其是20世纪70年代,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期;降水在2001年附近发生了由少到多的显著突变,达到99%的信度检验水平。5区年降水呈增加趋势;20世纪80年代之前,降水多为负距平,处于偏少期;20世纪90年代后期以来,降水多为正距平,处于偏多期。6区年降水表现出“偏多~偏少”的显著年代际变化特征;20世纪70年代中期之前,降水多为负距平,处于偏少期;70年代中期到80年代中期,降水多为正距平,处于偏多期;80年代中期之后,尤其是到90年代后期这一时段,降水多为负距平,处于偏少期;降水在1984年附近发生了由多到少的显著突变,达到99%的信度检验水平。7区年降水呈增加趋势;20世纪80年代后期之前,降水多为负距平,处于偏少期;20世纪80年代后期以来,尤其是到21世纪初期这一时段,降水多为正距平,处于偏多期。8区年降水表现出“偏少~偏多”的显著年代际变化特征;20世纪80年代之前,降水多为负距平,处于偏少期;80年代,降水多为正距平,处于偏多期;90年代到21世纪初,降水多为负距平,处于偏少期;21世纪初以来,降水多为正距平,处于偏多期;降水在2001年附近发生了由少到多的显著突变,达到99%的信度检验水平。3.2降水的年代际变化特征图4a、b分别是近50年高原东部和不同区域春季降水标准化时间序列、多项式拟合及滑动t检验的结果。如图所示,高原东部春季降水表现出“偏少~偏多”的显著年代际变化特征;20世纪90年代中期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期;降水在1995年附近发生了由少到多的显著突变,达到99%的信度检验水平。3.3降水趋势变化图5a、b分别是近50年高原东部夏季降水标准化时间序列、线性趋势估计及滑动t检验的结果。如图所示,高原东部夏季降水呈增加趋势;20世纪90年代后期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。3.4降水年际变化特征图6a、b分别是近50年高原东部秋季降水标准化时间序列、线性趋势估计及滑动t检验的结果。如图所示,高原东部秋季降水的线性趋势趋近于零且没有表现出年代际变化特征。对于不同区域而言(图略),1区秋季降水呈弱增加趋势;20世纪80年代中期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。2区秋季降水没有表现出显著的线性趋势和年代际变化特征。3区秋季降水呈弱增加趋势;20世纪90年代后期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。4区秋季降水表现出“偏多~偏少~偏多”的显著年代际变化特征;20世纪80年代中期之前,降水多为正距平,处于偏多期;80年代中期到90年代后期,降水多为负距平,处于偏少期;90年代末以来,降水多为正距平,处于偏多期;降水在1984年附近发生了由多到少的显著突变,达到99%的信度检验水平。5区秋季降水呈增加趋势。6区秋季降水呈减少趋势;20世纪80年代中期之前,降水多为正距平,处于偏多期;之后,降水多为负距平,处于偏少期。7区秋季降水呈弱增加趋势;20世纪70年代后期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。8区秋季降水表现出“偏少~偏多”的显著年代际变化特征;20世纪90年代末之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期;降水在1999年附近发生了由少到多的显著突变,达到99%的信度检验水平。3.5降水的年代际变化特征图7a、b分别是近50年高原东部冬季降水标准化时间序列、多项式拟合及滑动t检验的结果。如图7a所示,高原东部冬季降水表现出“偏少~偏多~偏少”的显著年代际变化特征;20世纪80年代中期之前,降水多为负距平,处于偏少期;80年代后期到90年代中期,降水多为正距平,处于偏多期;90年代后期以来,降水多为负距平,处于偏少期;降水分别在1986年附近和1996年附近发生了由少到多和由多到少的显著突变,均达到99%的信度检验水平。4降水的年际变化特征(1)高原东部降水量南北差异明显,呈由东南向西北递减的态势;高值区主要集中在西藏东部和川西高原,低值区主要集中在柴达木盆地;降水场可以划分为八个小区,分别是西藏东部和川西高原西部区、藏南谷地区、青南高原区、柴达木盆地区、藏北高原区、川西高原北部区、青藏高原东南缘区以及青海东北部区。(2)年降水表现出强增加趋势,20世纪90年代后期之前降水处于偏少期,之后降水处于偏多期;除川西高原北部区呈弱减少趋势外,其余各区年降水均不同程度的表现出增加趋势,21世纪初以来降水偏多;以青南高原区、柴达木盆地区和青海东北部区最为突出,均在2001年附近发生了由少到多的显著突变。(3)春季降水表现出“偏少~偏多”的年代际变化特征,1995年附近发生了由少到多的显著突变,20世纪90年代中期之前降水处于偏少期,之后降水处于偏多期;八个分区均不同程度的表现出增加趋势,90年代后期以来降水偏多;以藏南谷地区和柴达木盆地区最为突出,分别在1996年和2000年附近发生由少到多的显著突变。(4)夏季降水呈增加趋势,20世纪90年代后期之前降水处于偏少期,之后降水处于偏多期;八个分区均不同程度的表现出增加趋势,90年代后期以来降水偏多;以青南高原区和青藏高原东南缘区最为突出,分别在2001年和1989年附近发生由少到多的显著突变。(5)秋季降水的线性趋势趋近于零且没有表现出年代际变化特征;除川西高原北部区呈减少趋势外,其余各区均不同程度的表现出增加趋势;以青海东北部区最为突出,在1999年附近发生由少到多的显著突变。(6)冬季降水表现出“偏少~偏多~偏少”的年代际变化特征,分别在1986年和1996年附近发生了由少到多和由多到少的显著突变,20世纪80年代中期之前降水处于偏少期,80年代后期到90年代中期降水处于偏多期,90年代后期以来降水处于偏少期;除西藏东部和川西高原西部区及青海东北部区外,其余分区冬季降水均不同程度的表现出“偏少~偏多~偏少”的年代际变化特征;以藏北高原区最为突出,分别在1987年和2001年附近发生了由少到多和由多到少的显著突变。对于不同区域而言(图略),1区春季降水呈强增加趋势;20世纪80年代后期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。2区春季降水表现出“偏多~偏少~偏多”的显著年代际变化特征;20世纪80年代中期之前,降水多为正距平,处于偏多期;80年代中期到90年代中期,降水多为负距平,处于偏少期;90年代中期之后,降水多为正距平,处于偏多期;降水分别在1983年附近和1996年附近发生了由多到少和由少到多的显著突变,均达到99%的信度检验水平。3区春季降水呈强增加趋势;20世纪80年代后期之前,降水多为负距平,处于偏少期;90年代中期之后,降水多为正距平,处于偏多期。4区春季降水表现出“偏少~偏多”的显著年代际变化特征;20世纪80年代之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,尤其是21世纪以来,降水多为正距平,处于偏多期;降水在1980年附近和2000年附近发生了两次由少到多的显著突变,均达到99%的信度检验水平。5区春季降水呈强增加趋势;20世纪80年代之前,降水多为负距平,处于偏少期;20世纪90年代中期之后,降水多为正距平,处于偏多期。6区春季降水表现出“偏多~偏少~偏多”的显著年代际变化特征;20世纪70年代后期之前,降水多为正距平,处于偏多期;70年代后期到90年代初期,降水多为负距平,处于偏少期;90年代初期之后,降水多为正距平,处于偏多期;降水在1978年附近发生了由多到少的显著突变,达到99%的信度检验水平。7区春季降水呈增加趋势;20世纪90年代之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。8区春季降水表现出“偏少~偏多”的显著年代际变化特征;20世纪80年代初之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,尤其是到90年代初期这一时段,降水多为正距平,处于偏多期;降水在1982年附近发生了由少到多的显著突变,达到99%的信度检验水平。对于不同区域而言(图略),1区夏季降水呈增加趋势;20世纪90年代后期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。2区夏季降水呈弱增加趋势。3区夏季降水表现出“偏少~偏多”的显著年代际变化特征;21世纪初期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期;降水在2001年附近发生了由少到多的显著突变,均达到99%的信度检验水平。4区夏季降水呈弱增加趋势;20世纪70年代中期之前,降水多为正距平,处于偏多期;70年代后期到21世纪初,降水多为负距平,处于偏少期;21世纪初以来,降水多为正距平,处于偏多期。5区夏季降水呈弱增加趋势;20世纪90年代后期之前,降水多为负距平,处于偏少期;之后,降水多为正距平,处于偏多期。6区夏季降水呈弱增加趋势。7区夏季降水表现出“偏多~偏少~偏多”的显著年代际变化特征;20世纪70年代后期之前,降水多为正距平,处于偏多期;70年代末到80年代末,降水多为负距平,处于偏少期;90年代以来,降水多为正距平,处于偏多期;降水在1989年附近发生了由少到多的显著突变,达到99%的信度检验水平。8区夏季降水呈弱增加趋势。对于不同区域而言(图略),1区冬季降水没有表现出显著的线性趋势和年代际变化特征。2区冬季降水表现出“偏少~偏多~偏少”的显著年代际变化特征;20世纪70年代中期之前,降水多为负距平,处于偏少期;70年代后期到21世纪初期,降水多为正距平,处于偏多期;21世纪初以来,降水多为负距平,处于偏少期;降