柴达木盆地降水的时空分布特征

韩廷芳，祁栋林，陈宏松，相守贵，石秀云，刘成丰，李妮燕，吴双桂

（1.格尔木市气象局，青海 格尔木816099；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁810001；3.青海省气象科学研究所，青海 西宁 810001；4.茫崖气象局，青海 花土沟 816499）

柴达木盆地位于青海省西北部，界于35°00′～39°20′N，90°16′～99°16′E，其西北、东北和南面分别被阿尔金山、祁连山和昆仑山所环绕，为一封闭的内陆盆地。盆地内蕴藏着丰富的盐湖、石油天然气、有色金属资源及宽广的草原、肥沃的绿洲农田，素有“聚宝盆”之称[1]。气候兼有大陆性的高原性气候的基本特征，国内不少学者对柴达木盆地的降水做过分析研究，如李燕[2]等利用1956—2010年柴达木盆地10个水文气象观测站点降水量资料，分析了柴达木盆地降水量变化趋势的时空特征；傅小城等[3]对柴达木盆地气温、降水的长序列变化与水资源变化的相关关系进行了研究；时兴合等[4]对柴达木盆地气温、降水和地表蒸发等气候要素进行了研究。朱海涛[1]研究指出：柴达木盆地降水分布特征是由东南向西北、由四周山区向盆地中心地带逐渐减少，降水量年内分配比较集中，年际变化大；王发科等[5]研究也得出：柴达木盆地降水量由盆地东南部向西北部递减，且年降水量相差较大。以上研究由于选取的站点不同或研究时间长短的不同，降水量大值和低值中心出现的地区略有不同，但以往的研究都是利用柴达木盆地国家气象站或水文站的降水资料进行分析研究，未见利用区域气象站的降水资料进行分析研究。

随着全球变暖，局地强降水频繁发生。据格尔木气象台灾情公报记载，2010年主汛期（6月—7月上旬）和2016年8月23日，格尔木及其南部昆仑山区出现了长时间的降水天气过程，格尔木河流域发生大洪水，其中支流雪水河发生特大洪水，致使雪水河干流上的温泉水库及格尔木河水量猛增出现险情，给人民生命财产造成了巨大损失，上述2次强降水天气过程因柴达木盆地气象站点稀疏没有准确预报而造成重大损失。近几年随着柴达木盆地区域气象站的逐步建设，站点分布明显密集，区域气象站降水资料对研究柴达木盆地降水特征研究和精密天气预报显得尤为宝贵。本文利用11个国家气象站（有人值守）和28个区域气象站（无人值守）的月降水量资料，分析柴达木盆地降水的时空分布特征，对进一步认识柴达木盆地的降水特征，为后期降水预报和气象服务提供新的参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文所用资料是柴达木盆地11个国家气象站1961—2018年58 a和28个区域气象站（2017年6—8月）月降水量，资料来源于青海省气象信息中心。由于大部分区域气象站仅在汛期（5—9月）期间进行观测（其他月份因气温低于0℃，降水相态以固态或混合为主而封盖停止观测），5月和9月区域气象站雨量桶开（封）盖时间不统一，造成当月降水资料不完整，故本文仅仅利用6—8月完整的降水量资料。季节划分采用：春季（3—5月），夏季（6—8月），秋季（9—11月）和冬季（12—2月）。柴达木盆地国家气象站和区域气象站点分布见图1。

图1 柴达木盆地气象站分布

1.2 研究方法

利用线性回归方法[6]和比值订正法[6]进行降水量的推算。利用ArcGis软件制作柴达木盆地降水量空间分布图，空间差值采用反距离权重插值法（IDW）。

2 结果与分析

2.1 线性回归法和比值订正法方程的建立和检验

2.1.1 线性回归方程和比值订正方程的建立

线性回归方程建立：用11个国家气象站2011—2017年6—8月降水量R6-8和年降水量R年作线性拟合方程（图2a），得到方程：

式中相关系数是0.99，方程通过了0.001的显著性水平检验。利用国家气象站和区域气象站6—8月的降水量来推算各气象站的年降水量。比值订正方程建立：

式中，K为订正系数。11个国家气象站2011—2017年6—8月降水量R6-8占年降水量R年的比值各有差异（图2b），最大比值在诺木洪（0.79），最小比值在格尔木（0.50），平均值为0.70，利用国家气象站和区域气象站6—8月降水量R6-8和平均订正系数来推算各气象站的年降水量R年。

图2 柴达木盆地国家气象站6—8月降水量与年降水量拟合曲线（a）及比值（b）

2.1.2 线性回归法和比值订正法的检验

图3给出了柴达木盆地11个国家气象站实测年降水量与分别用线性回归法和比值订正法计算年降水量值的相关分析。可见，线性回归法和比值订正法计算出的年降水量与实测年降水量拟合结果非常好，相关系数均达到0.995，通过了0.001的显著性水平检验。

图3 柴达木盆地国家气象站年降水量观测值与计算值相关分析

进一步分析柴达木盆地11个国家气象站线性回归法和比值订正法计算年降水量的绝对误差和相对误差（表1）。由表1可见，线性回归法和比值订正法绝对误差的平均值分别为10.7 mm和10.4 mm，相对误差的平均值分别为11.2%和11.8%。两种方法中绝对误差的大值均出现在德令哈和乌兰，相对误差的大值均出现在茫崖和格尔木，就整个柴达木盆地年平均降水量来说2种方法的绝对误差和相对误差都比较小，因此用2种方法推算柴达木盆地的年降水量均可行有效。

表1 柴达木盆地线性回归法和比值订正法计算年降水量的绝对误差与相对误差

2.2 柴达木盆地降水的月际和季节变化特征

从柴达木盆地国家气象站1961—2017年月平均降水量分布来看（图4），降水高度集中，年内分配极不均匀，月降水量呈单峰性，峰值出现在7月（29.8 mm），最小值出现在12月（0.8 mm），其中 6—8月（夏季）和5—9月（汛期）降水量分别占全年的64.1%和87.4%。

从国家气象站1961—2017年降水的季节分布来看，季节差异非常明显，降水主要集中在夏季（79.5 mm），春秋两季降水量分别是22.9 mm和17.8 mm，冬季降水则较少（3.8 mm），四季降水量占年降水的比例分别为64.1%、18.4%、14.3%和3.1%。

2.3 柴达木盆地降水的空间分布特征

图4 柴达木盆地国家气象站1961—2017年降水量的月际（a）和季节（b）变化

利用柴达木盆地11个国家气象站实测年降水量、线性回归法和比值订正法推算出来的区域气象站年降水量，分别制作柴达木盆地年降水量空间分布图（图5），由图5a可见，柴达木盆地年降水量各地差异极为显著，降水量整体表现为从东向西逐渐减少，年降水量在9.5～444.4 mm，最大值中心在天峻站（444.4 mm），次大值中心在德令哈、都兰和大柴旦，最小值中心在冷湖站（9.5 mm），次小值中心在诺木洪、格尔木、小灶火和茫崖。进一步分析发现，年降水量空间分布可分为3个区域：德令哈（97°E）以东年降水量呈现出从西向东逐渐增加，小灶火（93°E）以西则表现为南向北逐渐减少。中间区域（93°～97°E）则表现为由四周山区向盆地中心逐渐减少。中间区域（93°～97°E）降水量的变化特征与朱海涛[1]研究的柴达木盆的降水量由四周山区向盆地中心地带逐渐减少的结论相同，而德令哈以东及小灶火以西有所差异。

由图5b、5c可见，线性回归法和比值订正法年降水量的空间分布基本一致，整体表现为从东向西逐渐减少，且与国家气象站3个区域的变化情况大致相同。不同的是：2种方法年降水量最大值出现在柴达木盆地东北部祁连山南麓的木里镇，降水量分别是533.6 mm和542.6 mm，比国家气象站确定的降水大值中心向东北方向发生偏移，其次在格尔木和诺木洪西南部出现2个相对的降水大值区，降水量中心在玉珠峰站和大格勒乡五龙沟站，降水量分别为292.4～297.0 mm和246.4～250.1 mm。中间区域（93°～97°E）由四周山区向盆地中心逐渐减少的形势表现得更加清晰。南部出现降水量相对大值中心的结论对柴达木盆地特别是格尔木汛期降水预报服务及防灾减灾工作显得尤其重要。

由此可见，利用区域气象站的资料后，柴达木盆地年降水量最大值的中心位置改变、量级增大，且南部出现2个相对的降水大值区，最小值的中心和量级并没有发生变化。

利用柴达木盆地11个国家气象站和28个区域气象站夏季实测降水量，制作柴达木盆地夏季国家站和全部气象站降水量空间分布图（图6）。柴达木盆地国家气象站（图6a）夏季降水量的空间分布与年降水量空间分布完全一致；全部气象站夏季降水量空间分布（图6b）与线性回归法及比值订正法推算出的年降水量空间分布也完全一致。

图5 柴达木盆地年降水量空间分布

图6 柴达木盆地夏季降水量空间分布

2.4 柴达木盆地降水分布与经度、纬度和海拔高度的回归分析

为进一步直观反映各地理单元和地形对柴达木盆地降水量分布的影响，利用多元回归线性分析[7]年降水量与经度、纬度和海拔高度的关系（表2），由表2可见，3个线性回归模型方程均通过了0.01的显著性水平检验。国家气象站模型中，年降水量与经度、纬度和海拔高度的偏相关系数分别为0.723、0.205和0.774，经度和海拔高度均通过了0.05的显著性水平检验，纬度没有通过0.05的显著性检验，表明三者对年降水量分布的影响大小依次为海拔高度、经度和纬度。线性回归法和比值订正法模型中，年降水量与经度、纬度和海拔高度的偏相关系数分别为0.854、0.504和0.835，经度、纬度和海拔高度均通过了0.01以上的显著性检验。国家气象站模型中经度每增加1°，降水量增加28.5 mm，海拔高度每升高100 m，降水增加36.0 mm；线性回归法和比值订正法模型中经度每增加1°，降水量分别增加36.9 mm和37.5 mm，纬度每增加1°，降水分别增加35.8 mm和36.4 mm，海拔高度每升高100 m，降水量均增加约20.0 mm。从回归标准系数来看，国家气象站模型中经度和海拔高度对降水量分布的贡献率大致相同（0.54～0.55）；线性回归法和比值订正法模型中经度、纬度和海拔高度对降水量分布的贡献率从大到小的排序是：经度＞海拔高度＞纬度，而且两方法的贡献率大小完全相同。线性回归法和比值订正法模型中降水量随经度、纬度增加而增加的量值比国家气象站偏大，而随海拔高度增加而增加的值略偏小国家气象站。由此可见2种方法推算的年降水量不仅受经度、海拔高度的影响，还受纬度的影响。此结论在以后的降水精细化预报工作中更应参考利用。

3 结论

本文利用柴达木盆地11个国家气象站（2017年3月—2018年2月）及28个区域气象站（2017年6—8月）月降水量资料，运用线性回归订正法和比值订正法推算柴达木盆地的年降水量，进一步分析柴达木盆地降水量季节变化及空间分布特征，得出的结论对柴达木盆地特别是格尔木汛期降水天气预报、气象服务及防灾减灾工作显得尤其重要。

（1）利用线性回归法和比值订正法分别建立了柴达木盆地国家气象站夏季降水量与年降水量的回归方程，2种方法均可行有效，从而可以推算出柴达木盆地区域气象站的年降水量。

表2 柴达木盆地年降水量分布与经度、纬度及海拔高度的回归分析

（2）柴达木盆地降水量年内分配极不均匀，呈单峰性，峰值出现在7月，最小值出现在12月，5—9月（汛期）降水量占全年的87.4%。季节差异非常明显，降水主要集中在夏季，其次是春季和秋季，冬季降水则较少。

（3）国家气象站年降水空间分布特征。柴达木盆地年降水量各地差异极为显著，降水量整体表现为从东向西逐渐减少。最大值出现在天峻，最小值出现在冷湖。线性回归法和比值订正法推算出的年降水量空间分布基本一致，且与国家气象站降水空间分布的特征基本相同。2种方法年降水量最大值出现在柴达木盆地东北部祁连山南麓的木里镇，其次在格尔木市南部出现了2个相对的大值中心，中间区域（93°～97°E）由四周山区向盆地中心逐渐减少的形势表现得更加清晰。夏季降水量的空间分布与年降水量的空间分布完全一致。

（4）国家气象站模型中降水量的分布只受经度和海拔高度的影响，而线性回归法和比值订正法模型中降水量的分布不仅受经度和海拔高度的影响，还受纬度的影响，三者的贡献率由大到小的排序是经度＞海拔高度＞纬度。

（5）本文选取柴达木盆地11个国家气象站1 a和28个区域气象站6—8月的月降水资料，统计分析了柴达木盆地降水量的年内变化和空间分布特征，获取的资料序列较短，应在以后积累长序列的区域气象站资料对柴达木盆地的降水及其他气候要素进行更加详细的分析研究。