近30年祁连山南坡降水量变化特征分析

虞 敏, 曹广超, 曹生奎, 张 航, 袁 杰

(1.青海师范大学 青海省自然地理与环境过程重点实验室, 西宁 810008; 2.青海师范大学 地理科学学院, 西宁 810008)

祁连山位于青藏高原东北边缘，由多条西北—东南走向的平行山脉和宽谷组成，是西北地区多条内陆河的发源地。祁连山区降水量主要集中在夏季，冬季降水量减少，年降水量由东向西逐渐减少；由于特殊的地形和上空丰富的水汽，山区降水量较大，最大年降水量可达600 mm，是河西走廊平原地区最大降水量的3～15倍[1-4]。该地区同时受东亚季风、中高位西风环流和青藏高原的共同影响，生态环境脆弱。自20世纪50年代起，在全球变化的影响下，祁连山区的气候发生了重要变化，冰川退缩和雪线上升极为明显，引起了河西水资源的危机。在该区域从事气候变化研究具有重要的社会和科学意义[5]。

前人对祁连山的降水时间序列变化做了研究，年代际变化，20世纪60—70年代回落，80—90年代增加，呈现正抛物线型[6-7]，年际与季节变化，年际变化整体上为增加的趋势，月变化、日变化，祁连山5—9月降水最多，祁连山日降水主要集中于午后与夜间[8]。空间变化特征主要为由东南向西北逐渐减少，马学谦等从西北气流、西南气流、西风气流3个角度分析了祁连山区降水的大气特征[9]。

祁连山南坡是青海省主要的原始森林分布区，也是西北干旱区重要的水源涵养林区，生态地位极为重要[10]。降水作为生态系统水分的主要来源，其变化直接关系到祁连山南坡水源涵养量的变化，甚至可以改变祁连山南坡的生态环境。因此，了解祁连山南坡降水特征对于掌握水源涵养量和生态环境的变化就很有必要，故本文研究祁连山南坡近30 a的降水变化特征。

1 研究区概况

祁连山南坡研究区位于青海省东北部，与甘肃省相毗邻，地理位置处于东经98°08′13″—102°38′16″，北纬37°03′17″—39°05′56″。行政区划包含祁连县、门源回族自治县的大部分，天峻县、刚察县和海晏县的部分地区，总面积约为2.4万km2，海拔2 257～5 235 m。该区是典型的高原大陆性气候，气温日较差大，年平均气温为-5.9℃，四季不明显，年内无绝对无霜期[11-12]。年降水量约400 mm，主要集中在5—9月，7月、8月最为集中。研究区内地表径流资源丰富，多数河流发源于祁连山冰川。主要河流有大通河、黑河和布哈河等，大通河在祁连、刚察县边界称为默勒河，在门源回族自治县境内称浩门河，是黄河水系湟水的一级支流。黑河在祁连县境内分为两大支流，即托勒河和黑河，分别流入甘肃省酒泉、张掖北部后汇合[13-14]。

2 数据来源及研究方法

本研究降水数据主要为青海祁连、野牛沟、托勒和门源4个气象站逐月降水量数据，来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)，起始时间为1986年1月1日—2015年12月31日。为了使得所用的降水数据适合本文研究，所以对降水数据进行一致性检验，对研究区降水数据的平均值序列与原始序列进行相关性检测，相关系数均在0.798以上，二者表现出较高的相关性。研究区季节的划分是：3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至翌年2月为冬季[15]；降水主要集中在5—9月，其汛期时间也为5—9月[16-17]。年降水变差系数的大小反映了年降水量逐年变化的相对大小。值大，说明当地年降水量很不稳定；值小，则各年降水总量相差不多[18]。年际极值比反映了年降水量两个极端值的倍数关系，显示降水量的不均匀程度，极值比越大，降水量年际变化越不均匀[19]。本文通过降水年内分配特征、年际变化特征、汛期降水量特征以及降水量季节变化特征四方面来分析研究区内降水特征。

3 结果与分析

3.1 降水年内分配特征

表1列出了祁连山南坡研究区4个气象站1986—2015年共30 a降水的平均结果。可以看出，研究区降水年内分配不均匀。10月至次年4月降水量偏少，5—9月降水量偏多。祁连、野牛沟和托勒气象站12月降水量为全年最小，降水量分别为0.6 mm，0.9 mm和0.7 mm，仅占全年降水的0.14%，0.21%和0.22%；门源气象站1月降水量为全年最小，降水量为1.8 mm，仅占全年降水的0.34%。祁连、野牛沟和托勒气象站的7月降水量达全年最大值，降水量分别为99.9 mm，110.9 mm和89.6 mm，占全年降水的23.64%，25.54%和28.64%；门源气象站8月降水量达全年最大值，降水量为107.8 mm，占全年降水量的20.56%。四站多年平均降水量分别为422.7 mm，434.3 mm，312.7 mm和524.1 mm。

四站全年降水变化趋势几乎一致，均呈现单峰值(图1)。1—4月降水量增加缓慢，5月降水量开始大幅度增加；祁连、野牛沟和托勒气象站于7月达到降水量峰值，门源气象站于8月达到降水量峰值；峰值后降水量大幅度减少，10—12月降水量减少缓慢。

表1 研究区近30年降水年内分配

图1 研究区近30年降水年内分配

3.2 降水年际变化特征

从表2可知，1986—2015年年降水量中，祁连、野牛沟和托勒气象站均在1998年出现最大降水量，分别为573.1 mm，602.3 mm和404.4 mm；门源气象站于1989年出现最大降水量，为730.7 mm。祁连气象站于2010年出现最小降水量，为332.9 mm；野牛沟气象站于1991年出现最小降水量，为274.9 mm；托勒气象站于1997年出现最小降水量，为180.7 mm；门源气象站于1999年出现最小降水量，为404 mm。祁连、野牛沟、托勒和门源气象站降水极值比分别为1.72，2.19，2.24，1.81；极值比较小，均在2左右，说明降水量年际变化较为均匀。四站降水量的变差系数均较小，分别为0.15，0.18，0.18，0.14，因此各年的降水量相差不大。

3.3 汛期降水量特征

四站5—9月降水量分别为379.3 mm，383.7 mm，287.9 mm和437.2 mm，占全年降水量的83.42%～92.08%。汛期降水量与全年降水量具有良好的线性相关关系(图2)，相关系数值均在0.9以上，分别为0.94，0.95，0.96，0.91。可见，祁连山南坡四站汛期降水量的大小决定了全年降水量的大小。汛期祁连气象站最大降水量出现在1998年7月，为162.4 mm；汛期最小降水量出现在1995年5月，为9.2 mm。汛期野牛沟气象站最大降水量出现在2013年7月，为168.4 mm；汛期最小降水量出现在1997年9月，为6.6 mm。汛期托勒气象站最大降水量出现在2008年7月，为152.4 mm；汛期最小降水量出现在1986年9月，为0.5 mm。门源气象站汛期最大降水量出现在1989年7月，为201.2 mm；汛期最小降水量出现在1991年9月，为15.2 mm。

表2 1986-2015年降水量年际变化特征值

由图3可以看出，祁连山南坡研究区四站汛期降水量与全年降水量在趋势和数值上均呈现出较大的一致性。祁连、野牛沟和托勒气象站均在1998年出现峰值。祁连气象站1998年年降水量为573.1 mm，其汛期降水为507.6 mm；野牛沟气象站1998年年降水量为602.3 mm，其汛期降水量为530.3 mm；托勒气象站1998年年降水量为404.4 mm，其汛期降水量为375 mm。门源气象站于1989年出现峰值，降水量为730.7 mm，其汛期降水量为583.1 mm。这一结果说明研究区内降水主要集中在5—9月，为全年汛期。

图2 全年降水量与汛期降水量相关关系

图3 1986-2015年祁连山南坡全年及汛期降水量

3.4 降水量季节变化特征

图4为祁连气象站1986—2015年降水量季节变化。由线性趋势可以看出，近30 a来，祁连气象站春、秋两季降水量呈增加趋势，增加速率分别为3.9 mm/10 a和16.4 mm/10 a；夏、冬两季降水量呈现减少趋势，减少速率分别为5.5 mm/10 a和0.7 mm/10 a。由5 a滑动平均结果来看，春、夏、秋三季降水量均有4次波动：春季，1986—1995年、2000—2006年呈减少趋势，1995—2000年、2006—2015年呈增加趋势；夏季，1986—1993年、1996—2002年呈减少趋势，1993—1996年、2002—2015年呈增加趋势；秋季，1986—1992年、2007—2011年呈减少趋势，1992—2007年、2011—2015年呈增加趋势；冬季，1986—1991年、1996—1999年、2010—2015年呈减少趋势；1991—1996年、1999—2010年呈增加趋势。

图4 祁连气象站降水量季节变化

从线性趋势看，野牛沟气象站春、夏、秋、冬四季降水量均呈现增加趋势(图5)，增加速率分别为6.8 mm/10 a，8.7 mm/10 a，15.0 mm/10 a和0.1 mm/10 a；其中，春、夏、秋三季增加较为明显。5 a滑动平均结果显示，春季降水量，1986—1993年、2009—2013年呈减少趋势；1993—2000年、2006—2009年呈增加趋势；2000—2001年小幅度减少，2001—2006年无较大波动。夏季降水量，1986—1993年、1996—2002年呈减少趋势；1993—1996年、2002—2015年呈增加趋势。秋季降水量整体来看有2次较大波动，1986—2007年呈增加趋势；1997—2015年为减少趋势。冬季降水量有3次较大波动，1986—1992年、2010—2015年呈减少趋势；1992—2010年呈增加趋势。

托勒气象站春、夏、秋三季降水量呈现增加趋势(图6)，增加速率分别为1.7 mm/10 a，19.0 mm/10 a和11.0 mm/10 a，夏季和秋季降水量增加明显；冬季降水量呈现减少趋势，速率为0.4 mm/10 a。5 a滑动平均结果显示，春季降水量，1986—1995年、2000—2006年呈减少趋势；1995—2000年、2006—2015年呈增加趋势。夏季降水量，1986—1989年、1991—1996年呈减少趋势；1989—1991年、1995—2015年呈增加趋势。秋季降水量，1986—1992年、2009—2015年呈减少趋势；1992—2009年呈增加趋势。冬季降水量，1986—1999年、2008—2015年呈减少趋势；1999—2008年呈增加趋势。

门源气象站春、夏季降水量呈减少趋势(图7)，减少速率分别为6.4 mm/10 a和16.1 mm/10 a；秋、冬季降水量呈增加趋势，增加速率分别为11.6 mm/10 a和0.3 mm/10 a。5 a滑动平均结果显示，春季降水量，1986—1990年、1999—2004年呈增加趋势；1990—1999年、2004—2015年呈减少趋势。夏季降水量，1986—2000年、2005—2015年呈减少趋势；2000—2005年、2010—2015年呈增加趋势。秋季降水量，1986—1992年、1994—1998年、2006—2011年呈减少趋势；1992—1994年、1998—2006年、2011—2015年呈增加趋势。冬季降水量，1986—1993年、1996—2008年呈增加趋势，1993—1996年、2008—2015年呈减少趋势。

图5 野牛沟气象站降水量季节变化

图6 托勒气象站降水量季节变化

4 讨论与结论

4.1 讨 论

全球预测模型预测，在21世纪，全球平均降水量会增加7%[20-21]。祁连山区近30 a降水量总体呈波动变化，没有出现大的突变特征，降水量有逐渐增加的趋势[8]。本文对祁连山南坡研究区内降水量特征进行分析后发现，研究区内4个气象站降水量变化趋势不同，其中，祁连、野牛沟和托勒气象站的降水量均呈现增加的趋势，其线性公式分别为y=1.3243x+402.19，y=3.0592x+386.84和y=3.127x+264.19，从中可以看出野牛沟、托勒气象站的增加速率相差不大，分别为30.6 mm/10 a和31.3 mm/10 a；祁连气象站增加速率为13.1 mm/10 a，相对较小。而门源气象站降水量则呈减少趋势，其线性公式为y=-1.0459x+540.32，减少速率为10.5 mm/10 a，这一结果与杨珍的研究结果一致[22]。

研究区内4个气象站中，门源气象站全年降水量最大，为524.1 mm。这是因为门源处于东南季风影响区的边缘，因而降水量相对较多；祁连、野牛沟和托勒气象站主要受高原季风和西风槽的影响，导致全年降水量较门源气象站少[23]。研究区不仅受东南季风输送来的暖湿气流影响，而且还受西风环流带来的大西洋冷湿气流的影响，在盛夏期间一定程度上还受到翻越青藏高原的印度洋暖湿气团的影响，水汽来源较为复杂，加上山区夏季对流性降水的影响，使得祁连山南坡降水年内分配存在很大差异[24-25]，但年际差异不大。年内11月至次年2月降水量均在10 mm以下；6月、7月和8月降水量偏大，降水量几乎在50 mm以上，最大降水量可达130 mm。祁连、野牛沟、托勒和门源气象站降水量变化趋势虽然不同，但四站秋季降水量均呈增加趋势。

图7 门源气象站降水量季节变化

4.2 结 论

(1) 研究区内，降水量年内分配极不均匀；11月至次年2月降水量0～10 mm，6—8月降水量在50 mm以上，最大降水量可达130 mm。四站1986—2015年多年平均降水量分别为422.7 mm，434.3 mm，312.7 mm和524.1 mm，变差系数分别为0.15，0.18，0.18，0.14，各年降水量围绕平均值上下波动，年际变化不大。四站降水年内分配均呈单峰值，7月或8月为全年降水峰值期。

(2) 汛期(5—9月)为全年降水集中期。四站汛期降水量分别为379.3 mm，383.7 mm，287.9 mm和437.2 mm，占全年降水量的83.42%～92.08%。汛期降水量与全年降水量呈现出较大的一致性，并有良好的线性相关关系，相关系数均在0.9以上。

(3) 研究区内，降水量主要集中在夏季，降水量最高可达300 mm；春、秋两季降水量相差不大，降水量在80 mm左右；冬季降水量最小(<10 mm)。虽然四站降水量变化趋势不同，但秋季降水量变化趋势相同，均为增加趋势。

(4) 降水年内分配不均匀，5—9月降水量偏多。主要因为5月之后气温逐渐升高，地表接受的热量增多，上升气流加强，加上地形的影响，所以局地大气受热膨胀上升，带来降水。之后受到东南季风影响逐渐加强，受到地形的抬升作用，地形雨形成，使得5—9月降水偏多。祁连、野牛沟和托勒气象站均在1998年出现最大降水量，这与全国降水的时间分布规律一致。