滇西北高原降水量时空变化特征

姚 平,陈先刚*,杨宇明,唐寿岚

(1.西南林业大学 环境科学与工程学院,云南 昆明 650224；2.云南省林业科学院,云南 昆明 650201； 3.香格里拉县碧塔海自然保护区管理所,云南 香格里拉 674400)

滇西北高原地处云南、西藏和四川的交界处，位于东经98°07′～101°31′，北纬25°33′～29°16′，境内山系、河谷沿南北向发育和东西向搌布，最高海拔6 740m，最低海拔700m，相对高差6 000m，区内生境类型丰富，如高原湿地，不仅具有景观价值，为中国提供了重要的生态服务功能，亦是中国西南生态安全屏障建设的重点[1-3]。水分条件对生态系统的结构和功能具有重要影响，其空间分布及其变化将会直接影响生态系统中其它因子相应的空间分布和变化[4-5]，开展滇西北高原降水量时空分布及其变化的研究对认识滇西北高原生态系统的演变规律具有十分重要的意义。

研究表明，全球总降水量在过去100a有增加趋势，但在干旱与半干旱地区减少[6]，北半球30°N以南地区降水量变化为减少趋势[7-8]。翟盘茂等[9-10]和王遵娅等[11]指出中国平均年降水量呈减少趋势，其中西部降水量增加趋势明显，西南一些地区有减少趋势。近年来云南年平均降水量总体上为减少趋势，季节变化和地域分布差异较大[12-19]。受地理位置或特殊地形等的影响，区域气候变化特征具有时间和空间的特殊性[20-21]，目前，针对滇西北高原降水量时空变化特征的研究较少，因此，本文对滇西北高原近48年来冬季、夏季和年平均降水量的时空分布规律进行研究，为深入研究该区生态系统的变化规律和驱动因子提供科学依据。

1 资料和研究方法

1.1 资料

本文所用的资料为滇西北高原所辖丽江市(丽江、宁蒗、永胜、华坪)，迪庆藏族自治州(德钦、中甸、维西)，怒江傈僳族自治州(贡山、福贡、六库、兰坪)3个地区11个站1961～2009年共48年的月平均降水量，夏季是6-8月，冬季是12月至次年2月。

本文所用的资料为滇西北高原所辖丽江市(丽江、宁蒗、永胜、华坪)，迪庆藏族自治州(德钦、中甸、维西)，怒江傈僳族自治州(贡山、福贡、六库、兰坪)3个地区11个站1961～2009年共48年的月平均降水量，夏季是6-8月，冬季是12月至次年2月。

1.2 研究方法

EOF分析方法是气象上常用的一种场分析方法，即将气象要素分解为特征向量(空间场)和主分量(时间系数)的乘积。特征向量反映了场的空间分布特征，它不随时间变化；主分量则反映了要素场中各特征向量场的权重。一般前几个主分量占有原要素场总方差的很大部分，研究主分量随时间变化的规律即可代替原要素场随时间变化的研究。用EOF分析法将资料阵{Xij}(i为空间点序号，j为样本长度)展开为特征向量Y和主分量T的乘积

X=Y×T

(1)

式中：Y为11×11的特征向量阵，T为11×48的主分量系数阵[22]。采用EOF分析方法对夏季、冬季和年平均降水量场进行分析，找出滇西北高原降水量场的时空分布特征。

采用滑动平均分析方法、离散功率谱分析方法[22]分析降水量时间序列的周期特征，采用线性倾向估计和气候趋势系数方法[23-24]分析降水量的变化趋势。

2 滇西北高原降水量的时空变化特征

2.1 EOF时空分布规律

对滇西北高原11个气象站冬季、夏季和年平均降水量运用EOF分析方法进行研究。表1给出它们前三个主分量的方差贡献，从表中可以看出，降水量第一主分量的方差贡献率季节变化明显，冬季大，夏季小；且各季节及年平均降水量的前二个主分量已占总方差的58%以上，特别是从第二主分量到第三分量变化较大，前2个分量已浓缩冬、夏季及年平均降水量分布的大部分信息。因此，取第一、二主分量作为显著主分量进行分析。

表1 前5个主分量的解释方差

从图1a中可看出，滇西北冬季降水量第一主分量的空间分布表现为一致性同位相变化趋势，大值中心在兰坪和六库附近，降水量等值线大致具有自西向东递减的梯次分布特征。表明滇西北冬季降水的主要影响系统是较大尺度的天气系统，如冷风切变、南支槽等[25]，使冬季降水的异常主要表现为全区一致性；另外，由于滇西北高原的特殊地形，使水汽输送因受地形抬升和阻隔的影响，在迎风坡的降雨量较多，而背风坡的降雨量相对较少，表现出自西向东的梯次分布特征[20-21]。第二主分量空间分布反映出滇西北高原冬季降水量的地区差异(图1b)，主要表现为西北部地区与东南部地区的反位相振荡模态，正的大值中心位于华坪附近，负的大值中心位于贡山附近。这可能与影响西北部和东南部的天气系统不同，造成西北部少，东南部多的分布，呈现出纬向分布特征。

图1 滇西北高原冬季降水量第一特征向量(a)和第二特征向量(b)的空间分布

Fig.1Thefirst(a)andsecond(b)eigenvectorsfieldofwinterprecipitationovertheplateauofnorthwesternYunnan

图2 冬季降水量(a)第一主分量和(b)第二主分量所对应的时间系数(实线：时间系数；虚线：5年滑动平均)

Fig.2Timeseriesofthefirst(a)andsecond(b)principalcomponentofwinterprecipitation(solidline：timeseries；dashedline：5-yearrunningmean)

从滇西北高原冬季降水量第一主分量所对应的时间系数的分布可以看出(图2a)，冬季降水量经历了4个正位相和3个负位相时期，20世纪60年代中期、70年代后期至80年代初期，80年代后期至90年代中期以及21世纪初期以后模态分布以正位相为主，说明在这些时期，滇西北高原降水量一致偏多；20世纪60年代中期至70年代后期、80中后期以及90年代中期至21世纪初期以负位相为主，说明滇西北高原冬季降水量在该时期内降水量则一致偏少为主。第二主分量所对应的时间序列则经历了2个正位相，3个负位相时期(图2b)，20世纪70年代中期至80年代中期以及90年代中期至21世纪初期以正位相为主，说明在该时段内，滇西北高原冬季降水量以西北部偏少，东南部偏多的振荡分布为主，其余时段反之。

对冬季降水量第一、二主分量的时间系数进行离散功率谱分析，结果发现冬季降水量的第一、二主分量所对应的时间系数均具有通过a=0.05显著性检验的周期存在，其中第一主分量对应时间系数的显著周期约为12年和2.5年，第二主分量对应时间系数的显著周期约为4年和3.2年。

从滇西北高原夏季降水量第一主分量的空间分布场可看出(图3a)，夏季降水量具有一致偏多或偏少的特征，维西附近出现高值中心，低值中心位于贡山和华坪附近，降水量等值线大致自东向西呈现“低-高-低”分布特征，经向分布较为明显，一致性分布表明滇西北高原地区夏季受天气系统影响是一致的，如多受冷空气与偏南气流的共同影响，且受地形抬升和阻隔的影响[20，21，26]，使降水量呈现经向分布特征。图3b为夏季降水量第二主分量空间分布，表现出东部和西部反位相振荡特征，正的大值中心位于福贡和六库附近，负的大值中心位于华坪附近，这可能与影响滇西北高原地区的天气系统不同有关。

滇西北高原夏季降水量第一主分量所对应的时间系数经历了2个正位相和2个负位相时期(图4a)，即20世纪70年代中期至90年代中期以及21世纪初期以后模态分布以负位相为主，其余时段则以正位相为主；第二主分量所对应的时间系数经历了1个正位相和1个负位相时期，即20世纪90年代中期以前主要以正位相为主，90年代中期以后主要以负位相为主(图4b)。对降水量第一、二主分量的时间系数进行离散功率谱分析，可知夏季降水量的第一主分量的时间系数无显著周期，第二主分量的时间系数具有约为3.4年和3年的显著周期。

图3 滇西北高原夏季降水量第一特征向量(a)和第二特征向量(b)的空间分布

Fig.3Thefirst(a)andsecond(b)eigenvectorsfieldofsummerprecipitationovertheplateauofnorthwesternYunnan

图4 夏季降水量(a)第一主分量和(b)第二主分量所对应的时间系数(实线：时间系数；虚线：5年滑动平均)

Fig.4Timeseriesofthefirst(a)andsecond(b)principalcomponentofsummerprecipitation(solidline：timeseries；dashedline：5-yearrunningmean)

图5a为年平均降水量第一主分量的空间分布，可以看出，滇西北高原年平均降水量也表现出一致偏多或偏少的分布特征，年平均降水量等值线呈现从东向西“低-高-低”的分布特征，大值中心位于永胜和兰坪附近，低值中心则位于贡山和宁蒗附近，与夏季降水量空间分布相似，表明滇西北高原地区年平均降水量受天气系统影响比较一致，使降水量表现出一致偏多或偏少的分布趋势，呈现出经向分布特征。年平均降水量第二主分量的空间分布(图5b)，呈现东部和西部反位相振荡特征，正的大值中心位于宁蒗附近，负的大值中心位于贡山附近，可能与影响滇西北高原地区的天气系统不同有关。

从滇西北高原年平均降水量第一主分量所对应的时间系数分布可以看出(图6a)，该模态大致经历了2个正位相和2个负位相时期：20世纪60年代中期、80年代中期至21世纪初期以正位相为主，其它时段则以负位相为主。第二主分量所对应的时间系数则经历了2个正位相和1个负位相时期，即20世纪60年代至70年代中期、90年代以后以正位相为主，其它时段以负位相为主(图6b)。滇西北高原年平均降水量第一主分量所对应的时间系数的显著周期约为12年和2.4年，第二主分量无显著周期。

图5 滇西北高原年平均降水量(a)第一主分量和(b)第二主分量所对应的时间系数

Fig.5Thefirst(a)andsecond(b)eigenvectorsfieldofannualprecipitationovertheplateauofnorthwesternYunnan

图6 年平均降水量(a)第一主分量和(b)第二主分量所对应的时间系数(实线：时间系数；虚线：5年滑动平均)

Fig.6Timeseriesofthefirst(a)andsecond(b)principalcomponentofannualprecipitation(solidline：timeseries；dashedline：5-yearrunningmean)

2.2 滇西北高原降水量的时间变化趋势

滇西北高原降水量主要集中在夏季，年平均降水量为85.99mm。对1961～2008年滇西北高原冬季、夏季和年平均降水量的时间序列做线性回归，得到回归系数分别为0.062、-0.317和0.069，气候趋势系数分别为0.1、-0.17和0.13(图略)，|r|<|rα|(在置信水平α=0.05，样本n=48年时，相关系数的临界值rα=028)，计算结果表明，从总体上考察，该区夏季降水量随时间变化呈现减少趋势，冬季及年平均降水量随时间变化为增多趋势，且无论夏季、冬季或年平均降水量变化趋势均不显著。

为了进一步分析滇西北高原各站点降水量与区域平均降水量变化趋势是否同步，分别计算了滇西北高原各站点冬季、夏季和年平均降水量的降水趋势系数，若降水趋势系数r>0，呈上升趋势，反之则呈下降趋势。近48年来，滇西北高原冬季降水量变化趋势(图7a)，除德钦外，其余各站点均为增多趋势，其中香格里拉县降水量增多趋势显著，通过了95%的显著性检验。夏季降水量的变化趋势(图7b)与冬季不同，降水量变化均为减少的趋势。年平均降水量的变化趋势，除六库外，其余各站点均为增加趋势，增加趋势不显著(图7c)。

综上所述，近48年来，无论从区域整体还是从各个站的角度分析，滇西北高原夏季降水量呈减少趋势，冬季和年平均降水量呈增加趋势，除香格里拉县夏季降水量减少趋势显著外，冬季、夏季和年平均降水量的增加或减少趋势并不明显。显然与云南年均降水总体呈减少的趋势[14，16]不同，这可能与滇西北特殊地形有关：滇西北处在青藏高原东南侧，属于高原地区，气象学者指出：全球气候变暖，冰川消融增强，中国西部、特别是西北部降水呈明显增加趋势[9，27]，滇西北一角降水增多与西部高原地区的气候变化是一致的，即降水量变化可能是对全球变暖的响应。

3 结论

利用1961～2009年滇西北高原所辖11站逐月降水量资料，分析了滇西北高原冬季、夏季和年平均降水量的时空变化特征，可得到以下一些有意义的结果：

(1)滇西北高原冬季、夏季和年平均降水量第一主分量空间分布的主要特征为一致性同位相变化趋势。第二主分量空间分布反映了降水量的区域差异，滇西北高原冬季、夏季和年平均降水量场大致呈“西北部-东南部”或者“西部-东部”型反位相振荡分布。

(2)近48年来滇西北高原冬季降水量第一主分量的时间系数经历了4个正位相和3个负位相，而第二主分量的时间系数经历了2个正位相和3个负位相；夏季降水量第一主分量的时间系数经历了2个正位相和2个负位相，而第二主分量的时间系数经历了1个正位相和1个负位相；年平均降水量第一主分量的时间系数经历了2个正位相和2个负位相，而第二主分量的时间系数经历了2个正位相和1个负位相。

图7 滇西北高原降水量的趋势系数

(a)冬季(b)夏季(d)年

Fig.7TrendcoefficientsofprecipitationovertheplateauofnorthwesternYunnan

(a)winter(b)summer(c)annual

(3)冬季和年平均降水量第一主分量的时间系数均有12年的显著周期，且分别还有2.5年和2.4年的显著周期，冬季和夏季降水量第二主分量的时间系数有大约3-4年的显著周期。

(4)近48年来，滇西北高原夏季降水量随时间变化总体上呈现减少趋势，除香格里拉县降水量减少趋势显著，其余各站减少趋势不明显。滇西北高原冬季和年平均降水量变化均以增多趋势为主，增加趋势不明显。

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