近40年西藏高原云量与降水分布及耦合变化特征*

余忠水 拉巴 周洪莉 唐叔乙

（1.西藏自治区人工影响天气中心；2.西藏自治区气象局科技与预报处；3.西藏自治区气象台，西藏 拉萨 850000）

云和大气降水在地球气候系统的辐射能量收支和水循环中起着关键的作用。一方面，云直接影响地气系统的能量交换、热量平衡和温湿分布，对全球和区域的能量和水分收支起调控作用［1］；另一方面，云是空中水资源的重要载体，是产生大气可降水的决定性因素之一。因此，云水资源是自然生态资源的重要组成部分［2-6］。研究云水资源时空分布状况及其变化规律具有较高的实践意义，其中最重要的应用就是人工增雨。人工增雨是开发利用空中云水资源的一个有效途径，对于解决局地至区域尺度干旱问题、缓解水资源的供需矛盾有着重要意义［7］。近些年来，许多学者利用地面观测云量资料、卫星资料等，分别对中国地区、不同区域和青藏高原云的气候学特征作了对比分析［8-12］，不同程度地揭示了云量的分布特点和变化特征，一定程度上反映了气候变化状况，并从气候影响角度出发，提出云和气候之间存在复杂的相互作用［13］。吴伟等［14］通过对中国北方云量变化趋势及其与区域气候的关系分析，得出我国北方大部分地区呈现出总云量减少的趋势，造成西北区东部、华北区和东北区东部近年来降水减少，干旱化加剧；且认为中国35°N以北地区的云量分布形势大体与地形相吻合，且降水量与低云量分布对应关系较好。段皎［15］等利用国际卫星云气候学计划（ISCCP）最新的D2云气候集对近20年中国地区云量变化趋势研究，发现青藏高原东部向东有一个总云量的高值带，云量达7成以上，且青藏高原中部的总云量有所减少。张琪［16］等对西南地区云量的时空变化进行了研究，得出年平均总云量及夏季总云量在西南大部分地区呈逐年递减趋势，但文中没有提及西藏地区的云水资源分布变化情况。

西藏高原占据青藏高原的主体，地域辽阔，气候类型差异大［17］，地形复杂多样，境内横亘着众多高大山系，东西走向有喜马拉雅山、冈底斯山、念青唐古拉山、唐古拉山等，南北走向有东部的横断山脉，由于独特的地理位置和自然环境，决定了该地区对中国、东亚乃至全球天气气候的重要性和特殊性。但是，在全球气候变暖的背景下，对于西藏高原的云水资源分布及其变化的研究还相对较少。而且由于资料的时空分辨率等因素限制，致使某些结果存在一定的误差。因此，文章利用西藏地区多年云量和降水量资料，分析云量和降水分布及其耦合变化特征，初步认识西藏空中云水资源分布与耦合变化规律，为西藏地区气候变化机理研究、防灾减灾和生态保护工程提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料选取

选取1971-2010年西藏地区时间序列较长、且无缺测的22个气象站地面观测日平均总云量、日平均低云量和日降水量数据，作为云水资源分析的基础资料。资料来源于国家气象信息中心地面气候资料整编日值（http：//cdc.cma.gov.cn），保证了资料的完整性和准确性。由于西藏高原地域辽阔，气候类型差异大，依据中国气象地理区划和气象业务应用实际，将西藏地区划分为藏东、藏南、藏西、藏北和沿雅鲁藏布江一线（以下简称“雅江一线”）5个区域（表1），采用区域平均法，即对区域内各站点相同日期和要素的数据取平均，作为该日期该要素的区域平均值。

表1 西藏地区各区域站名分布情况

1.2 气候倾向估计及检验

具体计算方法详见文献［18］。

1.3 趋势检验M-K方法

选用M-K方法突变检验方法，具体计算公式见文献［18］。

1.4 降水概率和降水效率

为保证统计结果有足够的样本数，分别累计各区域日总云量和低云量介于[C-0.5，C+0.5）之间的云量日数、≥0.1 mm降水日数和降水量，作为日云量为C（C=0，1，2，…，10）的累计云量日数、累计降水日数和累计降水量。并利用公式：

这里的降水概率是指当天空出现某成云量时其形成降水天气的机率大小，用%表示；降水效率指当天空有某成云量并出现降水时，究竟产生多少降水量，其单位为mm。

2 云量和降水的空间分布

图1 西藏高原年平均总云量（上）和低云量（下）分布图

图1 给出了西藏高原40a平均年总云量、年低云量空间分布图。可以看出，西藏地区云量分布区域差异性明显，大体呈“东多西少”分布型。总云量从东南部的7.5成以上递减到西南部的3.5成以下，低云量从东南部的7.0成以上递减到西南部不足2.5成。受高原大地形及山脉走向的影响，30°N以南地区呈明显的“纬向型”分布，北部以“经向型”分布为主。低值中心出现在日喀则地区境内喜马拉雅山脉西段北麓，大致位置在定日县及以西一线，年总云量不足3.5成，年低云量定日县至阿里地区南部在2.5成以下。林芝地区境内大部地方总云量超过7成，低云量6成以上，最大值出现在雅鲁藏布江大拐弯周边及以南地区，年总云量超过7.5成，年低云量7.0成以上。

西藏地区多年平均降水量分布（图略）与云量分布状况较相似。藏东南平均年降水量超过800 mm。随地理位置的变化，降水量逐渐向西向北递减，在阿里地区中北部年降水量不足100 mm。

云量和降水这种分布状况是高原水汽输送特征、大地形阻挡或抬升以及下垫面等多种因素共同作用的结果。

3 云量时间变化特征

3.1 年际变化特征

为了分析西藏地区云和降水的年际变化特征，首先将西藏各站点作为一个整体来研究，然后再分区计算各区域的年际变化情况。

图2为西藏地区多年平均总云量、低云量和降水量的年际变化图。可以看出，总云量总体呈下降趋势，且总云量与低云量年际波动方向基本一致，两者在1970s前期呈波动上升，在1977年达到极大峰值，此后又快速波动下降，在1980s中期出现极小值，低云量达到极小峰值。此后两者总体变化趋势相反，总云量大致保持下降趋势，且在2007年降到极小峰值，而低云量则表现波动上升趋势。年降水量呈规律性的波动变化，大致经历了3个波动周期。第1个周期（1970-1983年）：整个1970s呈波动上升趋势，1980s初期迅速下降，在1983年达到极小值；第2个周期（1983-1992年）：1983年后波动上升，1990s前期开始快速下降，在1992出现另一个极小值；第3个周期（1992-2009年）：1992年以后波动上升，在1998年达到极大峰值，此后缓慢下降，2000s年代中后期出现较强振荡，且在2009年达到极小峰值。

图2 1971-2010年西藏地区年总云量、低云量和降水量的年际变化

为定量表示西藏地区年总云量、低云量及降水量的变化趋势，计算各序列线性倾向率，并进行显著性检验，结果见表2。数据显示，西藏各区域的总云量以0.1-0.2成/10a的速度显著减少，且通过了α=0.01以上的显著性水平检验；低云量除雅江一线减少趋势显著外，其他区域增减不明显。年降水量藏西有不明显的减少趋势，其他区域呈增多趋势，其中藏北增多趋势显著，速度达21 mm/10a。

表2 西藏地区年降水量、总云量和低云量的线性倾向率

同时，利用M-K方法对变化趋势显著的序列进行突变检验（图略），雅江一线总云量序列UF线自1980年后保持下降趋势，于1993年超过临界线水平，表明其1993年后下降趋势显著，UF和UB于1991年出现交点，可判断雅江一线总云量这种下降趋势为一突变现象，发生时间大致在1990s初期。同样，可判断藏东和藏西总云量下降趋势均于1990s发生突变。雅江一线低云量下降趋势在1980s初期发生突变。藏北年降水量上升趋势为一突变现象，具体发生时间大致在1990s中期。

3.2 月际变化特征

图3给出了西藏各区域月平均总云量、低云量的月际分布图。可以看出，各条曲线高峰主要出现在7月至8月，且下降速度较上升速度快，云量最小值出现在11月或12月。总体上藏东云量最多，藏西云量最少。以5成为界，总云量超过5成的月数，藏东长达9个月，雅江一线、藏南和藏北为6个月，藏西仅有2个月。低云量超过5成的月数，藏东也长达9个月，藏北有6个月，藏南为5个月，雅江一线为4个月，藏西月低云量没有超过5成，最大为8月份的近4成。藏南的总云量和低云量1月至7月呈直线型上升，7月和8月的云量甚至比藏东还多；藏西云量在1月至6月出现先上升后下降的月际分布型。

从降水量月际分布来看（图略），其分布型与云量较相似，高峰出现在7月或8月份。其中，藏东、藏南和藏北最大值出现在7月份，雅江一线和藏西最大值出现在8月份；最大值为藏东7月份的117.4 mm，其次为雅江一线8月份的115.9 mm；藏南12月、1月和2月的累计降水量32.8 mm，甚至比藏东还多，因此藏南较其他区域易在冬季发生雪灾。

图3 西藏平均月总云量（上）和低云量（下）变化图

3.3 日变化特征

按区域分别计算相同日期的总云量、低云量和降水量的多年平均值，得到各区域要素的日序列。可以看出，各区域日总云量、低云量和降水量大体上呈现非对称的“双峰型”分布。高值区主要分布在7-8月份，且在高值区内形成“双峰”，大致在8月上旬（210-220d）附近出现极小值，其前后10d内为两个高值峰区，大致时间分别出现在7月下旬和8月中旬。因此，从平均状态来看，8月上旬为西藏地区明显的“雨季间歇期”，表现为云量和降水量的骤减。同时，从日变化曲线中还能看出，各序列在上升过程中，一致性在150d前后出现一次明显的波动下降。与文献［20-21］中印度季风向西藏高原水汽输送变化规律相对应（图略）。

日平均总云量≥5成的累计日数，各区域排序依次为藏东288d，藏北236d，藏南183d，雅江一线173d，藏西仅44d；日平均低云量≥5成的累计日数排序与总云量相同，依次为藏东95d，藏北176d，藏南136d，雅江一线95d，藏西0d。从这些数据可判断西藏云量的大致分布情况。

3.4 云量和降水量的变化趋势

计算了西藏地区22个气象站年平均总云量、低云量和降水量的线性倾向率（表略）。其中，年总云量所有站均呈减少趋势，且有16个站的减少趋势是显著的（α=0.05显著性水平），藏北减少趋势最为明显，速度达0.2-0.3成/10a。年低云量有增有减，其中狮泉河、安多、申扎、聂拉木、索县、林芝和察隅7个站呈增多趋势，且只有申扎、索县和林芝3个站通过了显著性检验，增加速度为0.1-0.2成/10a；其余15个站年平均低云量呈减少趋势。其中，年总云量和低云量同时显著减少的站点有6个，分别是班戈、当雄、日喀则、拉萨、江孜和波密。

年平均降水量狮泉河、聂拉木、江孜和察隅4个站呈不显著减小趋势，其余18个站呈增加趋势。其中，安多、那曲、申扎和嘉黎4个站增加趋势显著，增速为2-3mm/10a。

4 云量与降水耦合变化

4.1 降水概率和降水效率

利用1.4节中的降水概率和降水效率计算公式，分别计算出天空状况在不同总云量或低云量状态下的降水概率（图4）和降水效率（表3）。

图4 西藏地区总云量（上）和低云量（下）的降水概率

表3 西藏地区各成总云量和低云量的降水效率（单位：mm）

从图4可以看出，西藏地区天空出现不同总云量时，降水概率最大的区域为藏南，其次为藏北，最小为藏西；当总云量在8成以下时，藏东降水概率比雅江一线大，但超过8成时雅江一线反过来比藏东大。总云量8成时，藏南和藏北降水概率超过50%；总云量9成时除藏西外，其他各区域降水概率均在50%以上，大小依次为藏南73%，藏北69%，雅江一线64%，藏东59%；总云量10成时降水概率藏南和藏北80%以上，雅江一线和藏东近80%，藏西为60%.再分析各成低云量的降水概率，降水概率最大的区域仍为藏南，最小为藏西；当低云量在6成以下时，降水概率藏东与藏南比较接近，再依次为藏北、雅江一线和藏西；但低云量超过6成以后藏南降水概率明显比藏东大，甚至低云量8成以上时藏北和雅江一线的降水概率均大于藏东。

表3列出了在不同总云量或低云量水平下西藏各区域的降水效率。总体上看，低云量的降水效率高于总云量。各成总云量的降水效率，在0-5成时基本是藏南最高，总云量6-10成时雅江一线最高，藏西基本上是最低的；从各成总云量降水效率的总和来看，降水效率高低排序依次为：雅江一线、藏南、藏东、藏北和藏西。各成低云量的降水效率，在2-7成时藏东最高，超过8成时雅江一线最高；低云量0-2成时降水效率雅江一线最低，3成时藏北最低，4-10成藏西最低；从各成低云量降水效率总和来看，低云量的降水效率高低排列依次为：雅江一线、藏东、藏北、藏南和藏西。综合来看，西藏地区云量降水效率雅江一线最高，其次为藏东、藏南、藏北，藏西最低。

4.2 云量与降水相关分析

利用多年的平均逐日总云量减去低云量，得到日中高云量序列。分别计算日降水量序列与日总云量、低云量和中高云量序列的相关系数，得到表4。可以看出，西藏地区各区域降水量与总云量、低云量呈显著的正相关，且全部通过α=0.001的显著性水平检验。从相关系数的绝对值来看，总体上表现为年降水量越大的区域降水量与云量相关关系越密切，且降水与低云量相关性最好。日降水量与低云量的相关系数，藏东和藏南达到0.88，雅江一线为0.86，藏北为0.83，藏西仅0.66。从降水与中高云量的相关系数来看，除藏北外其他各区域呈显著的正相关关系，表明这些区域降水天气发生时常常伴随中高云的出现；而藏北为显著的负相关，表明藏北出现降水天气出现时，中高云量较少或无法估测，而中高云量多时，则不易出现降水天气，这是藏北云量与降水的另一个显著特征。

表4 西藏各区域日降水量与云量的相关系数

4.3 降水量与云量

规定日降水量≥0.1 mm为1个降水日，对所有站累计日降水量介于[R-0.5，R+0.5）的日总云量和日低云量，再分别除以各自样本数，得到日降水量R所对应的平均总云量和平均低云量。即得到在平均状态下，西藏地区产生不同降水天气时，天空中出现的总云量和低云量，并绘制成图5。可以看出，日降水量为0.1-0.4 mm时，平均总云量和平均低云量最少，分别为7.5成和6.4成。同时，随着降水量的增大，平均总云量和平均低云量呈快速增多趋势。且总云量与低云量的差值也在增大，表明随着降水量增大中高云有所增加。当降水量超过20以后，平均总云量和平均低云量分别在9.5成和8成附近波动。当降水等级超过37时，样本数不足30个，特别当降水等级超过50时，样本数不足10个，是小概率事件。

图5 降水量与云量

5 天空状况变化特征

5.1 天空状况频次

参考文献［21］，以总云量作为天空状况的分类指标，把日总云量介于［0，2）的天空状况作为晴天，［2，5）为少云，［5，9.5）为多云，［9.5，10］为阴天。分别计算1971-2010年各区域出现晴天、少云、多云和阴天的频次（表5）。从全区平均状态来看，多云天气频次最高，达39.6%；晴天和少云频次较接近，两者和为42.9%；阴天频次只有17.5%。从各区域来看，西藏东部晴天频次最低，仅为12.1%，阴天频次最高为32.2%；西藏西部晴天出现频次最高达36.2%，其次为少云30.7%，阴天出现频次最低仅为3.6%。天空状况的出现频次与降水有很好的对应关系。

表5 西藏地区天空状况平均频次（单位：%）

5.2 天空状况变化趋势

按上述方法，逐年统计各区域晴天、少云、多云和阴天4种天空状况的出现日数，再除以区域内的站点数，得到区域平均的天空状况序列（n=40）。对序列进行线性倾向估计，表6给出了4种天空状况序列的线性倾向率。从全区情况来看，晴天和少云天气呈显著的增加趋势，分别以4.3 d/10a和3.1 d/10 a的速度递增，多云和阴天呈显著的减少趋势，分别以2.0 d/10a和5.3 d/10a的速度递减。

从区域情况来看，除西藏南部少云、多云和阴天日数变化不明显外，其他区域和西藏南部晴天日数变化均超过了α=0.05的显著性水平检验。晴天日数各区域均显著增加，藏北增速达5.9 d/10a。少云日数除西藏南部变化不明显外，其他各区域呈显著增加趋势，藏西和藏北分别以8.0 d/10a和6.1 d/10a速度增加。多云日数藏东呈显著的增加趋势，沿江一线、藏西和藏北却呈显著的减少趋势，西藏西部递减速度8.4 d/10a。阴天日数变化趋势西藏南部不明显，其他各区域以4.5-8.3 d/10a的速度显著减少，其中西藏东部减少速度最快，以8.3 d/10a的速度减少。

表6 西藏地区天空状况序列线性倾向率

6 结论与讨论

西藏地区云水资源分布区域差异性明显，大致呈“东多西少”分布型，30°N以南地区呈明显的“纬向型”分布，北部以“经向型”分布为主。这种区域差异性分布主要受印度季风水汽输送特征、高原大地形和山脉走向以及下垫面等多种因素共同作用的结果。

西藏地区总云量以0.1～0.2成/10a的速度呈显著减少趋势，低云量除雅江一线减少趋势显著外，其他区域增减不明显；年降水量藏西有不明显的减少趋势，其他区域呈增多趋势，其中藏北增多趋势显著，速度达21 mm/10a。经检测，雅江一线、藏东和藏西的总云量减少趋势和雅江一线低云量的减少趋势，以及藏北的降水增多趋势均为突变现象。

西藏地区云量和降水量的高峰值出现在7月和8月，且在高值区内形成“双峰型”分布。从平均状态来看，8月上旬为西藏地区明显的“雨季间歇期”，表现为云量和降水量的骤减。藏南12月、1月和2月的降水量甚至比藏东还多，平均累计降水量32.8 mm，因此藏南较其他区域易在冬季发生雪灾。

西藏地区天空在不同总云量或低云量的水平下，降水概率最大的区域为藏南，最小为藏西，降水效率雅江一线最高，其次为藏东、藏南、藏北，藏西最低。降水量与总云量、低云量呈显著的正相关，总体上表现为年降水量越大的区域降水量与云量相关关系越密切，且降水与低云量相关性最好。这与西藏各区域水汽输送及地形差异有密切关系。

从平均状态来看，西藏地区出现降水时平均总云量和低云量分别为7.5成和6.4成；随着降水量的增大，平均总云量和低云量呈快速增多趋势；当降水量超过20 mm，平均总云量和平均低云量分别在9.5成和8成附近波动。

西藏地区多云天气频次最高达39.6%，晴天和少云频次相近，两者和为42.9%，阴天频次只有17.5%.40 a年，西藏地区晴天和少云天气呈显著的增加趋势，分别以4.3 d/10a和3.1 d/10 a的速度递增，多云和阴天分别以2.0 d/10a和5.3 d/10a的速度显著减少。其中，西藏东部的阴天和西藏西部多云的减少趋势，以及西藏西部少云天气增加趋势最为显著，速度达8 d/10a以上。