黄河源区1961—2017降水序列趋势及突变识别

马 莲，卢素锦*，司剑华，谷鑫鑫，黄丽娜，祁 玥，马生丽，李树森，赵梓祺，桂子菊，李红梅

（1.青海大学生态环境工程学院，西宁 810016；2.青海大学农牧学院，西宁 810016；3.青海省气候中心，西宁 810016）

气候变化对生态环境的影响越来越明显，国际上于20 世纪80 年代开始高度重视关于气候变化对水循环和水资源影响的研究。巴西学者M.S.Richarde 等对葡萄牙南部的科夫雷斯河流域的降雨量和河流流量的变化和趋势采用非参数Mann-Kendall 秩次相关检验法进行时空分析[1]。马来西亚的S.Zulfaqar 等利用Mann-Kendall 检验法和改进的Mann-Kendall 检验法评估了1980—2014 年马来西亚砂拉越州极端降水事件的空间格局变化，肯定了M-K 检验法测试的意义[2]。目前国内外主要采用Mann-Kendall、Spearman 秩次相关检验法、滑动T检验法等处理降水序列趋势及突变点分析[3-7]。

黄河源区作为三江源国家公园的核心区域之一，是世界上高海拔生物多样性最集中的地区之一，拥有独特的高原生态系统和稀缺的生物资源；同时也是青藏高原重要的水资源涵养区之一，提供黄河总水量的49%，是我国江河中下游地区和东南亚国家生态安全区域可持续发展的生态屏障，在西部大开发生态环境的治理保护中担负着重要责任[8-10]。近年来对黄河源区水文气象要素展开了径流与降水的响应、气候变化对水资源影响等方面的研究[11-13]。目前，对黄河源区气象站点的降水突变分析以及2014 年以后降水趋势分析未见相关文献报道。本研究选取黄河源区内具代表性的9 个气象站点（玛多、达日、甘德、玛沁、久治、河南、泽库、同德、兴海）的降水量数据，采用线性倾向估计、ArcGIS 地图法、M-K 检验法、滑动T检验法等进行趋势和突变特征分析，获得黄河源区降水的年际、季节、空间变化趋势和突变特征，为水资源开发利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

黄河源区位于青藏高原东北腹地，具体指黄河唐乃亥水文站断面以上区域，海拔3 000 m 以上。黄河源区涵盖3 个省份，6 个州，16 个县。黄河源区总面积有12.2 万km2，占其总流域面积15%[9]。高原性大陆性气候，亚寒带半湿润和半干旱区，降水主要受西南季风和区域内气候系统影响，季节降水变化差异较大，主要集中在夏、秋季，约占全年降水量75%以上。年气温差异小，年均气温较低（-4 ℃），早晚温差大。源区内常有沙尘暴、冰雹等自然灾害天气。气候寒旱，日照充足，年日照约2 400～2 800 h，辐射较强，气候系统较不稳定。黄河源区的植被以高寒草原和高寒草甸为主[10]。源区内野生动物丰富多样，有白唇鹿（Gervus albirostris）、棕熊（Ursus arctos）、藏羚（Pantholops hodgsonii）等多种野生保护动物。

图1 黄河源区气象站点概况图Figure 1 The overview of meteorological stations in the source region of the Yellow River

1.2 数据收集与测定

1.2.1 1961 —2013 年气象资料的收集

本研究中1961—2013 年降水量数据由青海省气候中心提供，降水量数据按日、月划分。

1.2.2 2014 —2017 年降水量测定

1.2.2.1 测量时间周期

全年365 d 人工定时观测降水量，每天08∶00、20∶00 时分别进行2 次定时观测。

1.2.2.2 测量方法

降水量测量按照《地面气象观测规范》[22]进行，采用15184 称重式雨量计（北京博伦经纬科技发展有限公司，德国）进行测量，15184 称重式雨量计能精准测量降雨量和降雪量，将雨量计固定在避风且与地面平齐的地方，采用固定围栏高度与雨量计受水口高度相同的方法来避免风对降水的影响，记录保留一位小数。

1.3 分析方法

采用线性倾向估计、滑动平均法、ArcGIS 地图法、非参数Mann-Kendall 突变检验法、滑动T检验法对黄河源区降水序列趋势及突变进行识别与分析。前三者用于趋势分析，后两者用于突变识别。

线性倾向估计[14]属于一元线性回归，b是回归系数，也称为气候倾向率；相关系数r，也称气候趋势系数，通过对r进行显著检验，判断变化趋势是否显著。

滑动平均法作为趋势拟合的基础方法，采用滑动平均后，可以弱化小于K的周期，从而显示变化趋势[14]。

根据得出的气候倾向率，结合数字高程模型（Digital Elevation Model），利用ArcGIS 工具对地图进行反距离加权插值（IDW）[15-16]处理，绘制出1961—2017 年黄河源区年均、季节、不同区域的降水空间变率图。

M-K 法用于序列突变检验[17]，对n个样本构造秩序列并绘制UFK、UBK曲线及显著水平线，若UFK＞0，则表示序列呈上升趋势；当曲线超过置信区间，表示上升趋势显著；若UFK、或UBK＜0，超过置信水平区域为序列出现的突变区域。若UFK、UBK曲线在置信区间内有交点，该交点对应的时间为可能的突变开始时间点。当交点之后若有曲线超出显著水平线则判定该交点是确定的突变开始时间点，否则需要结合滑动T检验法进行验证。

滑动T检验法（movingt-test technique，MTT）用来检验两随机样本平均值是否存在显著性差异[18]。曲线超出显著水平线时，即被定义为发生突变。

1.4 数据处理

黄河源区9 个站点1961—2017 年各月降水数据处理采用Excel（Microsoft，2013）加和处理后做线性倾向估计，滑动平均的趋势变化图，降水量柱状图；采用ArcGIS（ESRI，10.0)绘制不同站点，不同季节的降水变率图；利用Compaq Visual Fortran（Compaq，6.5）中的M-K 突变检验程序，滑动T检验程序，算出统计值，并采用Excel 2013 绘制M-K 检验图，滑动T检验图。

2 结果与分析

2.1 1961—2017 年黄河源区降水序列趋势分析

2.1.1 黄河源区年降水序列趋势分析

1961—2017 年黄河源区年降水量见图2。源区降水量主要集中在夏季，1967 年、1989 年降水量偏多，1961—2017 年黄河源区年降水量呈不明显增加趋势（P=0.252＞0.05，r=0.153＜r0.05=0.261），平均每10年增加5.7 mm，阶段性变化明显，2005 年以来降水量年际间波动减小，且年降水量较多（见图3）。采用ArcGIS10.0 反距离加权插值绘制降水量空间变率图显示（见图4），1961—2017 年源区年降水量总体呈现增加趋势：东南部和西北部降水增加趋势明显，增加速率为5.1～14.2 mm/10a，在源区的久治、河南、兴海等地年降水量增加明显，平均每10 年增加8～14.2 mm，其余地区增加幅度较小。

图2 1961—2017 年黄河源区年降水量图Figure 2 The annual precipitation of the Yellow River source area from 1961 to 2017

图3 1961—2017 年黄河源区年降水序列趋势变化图Figure 3 The variation of precipitation trend in source region of the Yellow River from 1961 to 2017

图4 1961—2017 年黄河源区年降水量空间变率分布Figure 4 Spatial variability of annual precipitation in the source region of the Yellow River from 1961 to 2017

2.1.2 黄河源区降水序列季节性趋势分析

1961—2017 年黄河源区春（3—5 月）、夏（6—8月）、秋（9—11 月）、冬（12—2 月）降水量进行线性倾向估计和5 年滑动平均的降水序列变化见图5。

图5 黄河源区春（a）、夏（b）、秋（c）冬（d）降水序列变化图Figure 5 Variation of precipitation sequences in spring (a)，summer (b)，and autumn (c) winter (d)in the source region of the Yellow River

根据5 年滑动和线性倾向估计分析，1961—2017 年黄河源区的4 个季节降水变化呈现了不同趋势。春季降水序列呈显著增加趋势（P=0.009＜0.05，r=0.293＞r0.05=0.261），夏季降水量呈不显著增加趋势（P=0.644＞0.05，r=0.062＞r0.1=0.220），冬季降水量显著增加（P=0.006＜0.05，r=0.358＞r0.01=0.339），春、夏、冬降水量增加速率分别3.5 mm/10 a、1.1 mm/10 a、0.89 mm/10 a；秋季降水量呈不显著减少趋势（P=0.645＞0.05，r=0.054＜r0.1=0.220），减少速率为0.87 mm/10 a。春季、夏季降水波动不明显，春季降水量呈现缓慢上升趋势，夏季降水量在2007—2013 年有所增加；秋季、冬季降水波动较大，秋季降水在80 年代中期之前降水变化较平稳，在1985—2000 年有明显下降趋势，冬季降水相反，在1985—1997 年呈现明显增加趋势，在此期间雨水显著增加，1997—2004 年呈下降趋势。

由图6 可知，春、冬两季降水变化不大，均有增加趋势，增长速率0.2～7.6 mm/10 a，春季降水增长趋势由黄河源区西南向东北方向递减，冬季降水增长趋势由南向北递减。夏季降水增长幅度由西北向东南方向呈阶梯下降，位于黄河源区东部的河南和东南部的久治的降水均呈减少趋势，减少速率为1.3～10.3 mm/10 a。黄河源区内秋季降水量除了玛多、部分兴海、同德、泽库地区外，其余均呈减少趋势（图6c），减少速率为1.7～8.1 mm/10 a，总体上秋季降水趋势呈现源区内北部增加，南部减少。

2.1.3 黄河源区降水序列空间趋势分析

由表1 可知，源区内空间降水变化均不显著。其中兴海、甘德、泽库、玛多降水呈上升趋势，增加速率较大（10.7～14.2 mm/10a），河南、久治降水呈下降趋势，减少速率为4.07～11.1 mm/10a。夏季是黄河源区降水最多的季节，结合图6 分析可知，兴海、玛多、甘德、玛沁夏季降水量增加是源区降水增加的主要原因，久治、河南夏季降水量显著减少，减少速率为11.0～102.0 mm/10a，导致了河南、久治的年降水量下降。

表1 1961—2017 年黄河源区不同气象站点降水序列趋势显著性检验Table 1 The significant test of precipitation sequence tendency at different meteorological stations in the source region of Yellow River from 1961 to 2017

图6 1961—2017 年黄河源区四季降水空间变率图Figure 6 Variation of seasonal precipitation in source region of the Yellow River from 1961 to 2017

2.2 1961—2017 年黄河源区降水序列突变分析

运用M-K 突变检验法、滑动T检验法对黄河源区总体、各站点、各季节降水量进行突变分析。

2.2.1 黄河源区年降水序列突变分析

从黄河源区1961—2017 年Mann-Kendall 检验的UF曲线（见图7）看出，黄河源区年降水量60 年代到90 年代呈现相对稳定的波动起伏，从1990 年开始持续下降，1990—2008 年源区年降水量持续减少，2002 年降到最低点，随后回升，2008 年以后有较明显的增加趋势。1961—1967 年黄河源区降水有波动上升趋势，1970—1989 年有周期变化，1989—2002年呈下降趋势，2002 年以后呈现平稳上升趋势。UF曲线和UF曲线在2005 年、2006 年、2011 年、和2013 年、2014 年有交点，为可能的突变点。根据魏凤英对Mann-Kendall 检验法的解释，M-K 检验法不能用于多点突变的检验，需要结合滑动T检验法等突变分析方法进行下一步突变检验[19]。滑动T检验取步长为5 和7，显著水平为0.01 对年降水量进行突变检验。由图8a、8b 可知，当步长为5 时，没有突变，步长为7 时，2002 年降水量发生突变，降水量由下降趋势转为上升趋势。

图7 1961—2017 年黄河源区降水序列M-K 突变检验图Figure 7 The M-K test chart of precipitation series in the source region of the Yellow River from 1961 to 2017

图8 1961—2017 黄河源区降水突变滑动T 检验（a）、（b）Figure 8 1961—2017 precipitation variation in source area of the Yellow River is analyzed Moving T-test technique (a)，and (b)

2.2.2 黄河源区降水序列季节性突变分析

从图9a 的UF曲线看出源区内60 年代到70年代中期春季降水呈波动上升，70 年代中期到80年代初呈现迅速下降趋势，1981—1990 年降水有快速的上升趋势；90 年代至21 世纪初有波动下降趋势，2010 年以后春季降水有明显上升趋势。M-K 检验结合滑动T检验（图9e）显示：1975 年、1980 年滑动T统计值超过3.36（α=0.01），即春季降水序列在1975 年和1980 年产生突变；分别由上升变为下降，下降变为上升。

图9 黄河源区四季降水序列M-K 检验和滑动T 检验Figure 9 M-K test and Moving T-test technique for the four seasons precipitation in the source area of the Yellow River

图9bUF曲线显示，60 年代至70 年代中期源区内夏季降水有较大的波动，呈现缓慢上升趋势，70 年代中期至80 年代降水序列较为平稳。90 年代到21 世纪初呈下降趋势，2002—2013 年有明显上升趋势，2013 年以后呈微弱波动下降趋势。结合滑动T检验（图9f）2002—2003 年产生突变，由下降趋势转为快速上升趋势。

由图9cUF曲线可知，源区内秋季降水序列从60 年代至80 年代中期呈不显著波动变化，80 年代中期至90 年代末呈现下降趋势，1999 年后降水有增加趋势，从1986 年开始秋季降水量呈现不同程度减少现象。从5 a 滑动T检验图（见图9g）得知，1961—2017 年秋季降水序列没有产生突变，仅呈现不显著波动变化。

由图9dUF曲线的变化可知，源区内60 年代至70 年代中期冬季降水量呈现上升趋势，70 年代中期至80 年代初有缓慢下降趋势，80 年代末至90年代末呈现明显降水增加的趋势，21 世纪初至2011 年降水呈现减少倾向，2011 年后降水量有所回升。结合图9h 得出：1997 年产生序列突变，由上升趋势转为下降趋势。

2.2.3 黄河源区降水序列空间突变分析

Mann-Kendall 检验的UF曲线波动趋势表示降水序列变化过程。从图10a 中可以看出达日站1961—1967 年降水序列波动上升，随后呈持续下降趋势，到1978 开始回升，2002—2015 年降水量缓慢上升，2015 年后有轻微下降趋势。甘德站60 年代—70 年中期降水呈波动上升趋势，随后迅速下降，1984—2003年降水呈现较为平稳波动趋势，2003 年以后降水呈缓慢上升趋势，2016 年降水增加显著。河南站1961—1968 年有大幅度波动，微弱上升趋势，1968 年后降水减少，从1970—1985 年降水有缓慢上升趋势，80年代中期—2005 年降水呈减少趋势。2003—2011年河南站降水呈现微弱上升趋势，2011 年后呈现微弱下降趋势，2000—2007 年UF曲线超出0.05 显著水平线，说明2000—2007 年期间河南站区降水显著减少。久治站和河南站类似，1961—1968 年有大幅波动上升趋势，随后减少，1974—1979 年降水量快速增加，1979—1984 年站内降水丰沛，80 年代中期—21 世纪初呈缓慢下降趋势，2005 年以后降水变化较平稳，无明显变化。玛多站降水序列自60 年代以来呈持续平稳上升趋势，2008 年后UF曲线超出显著水平，即2008 年以后玛多降水量显著增加。玛沁站1961—1975 年，该站降水波动上升，1975—1980 年迅速下降，80—90 年代降水呈现上升趋势，90 年代—21 世纪初有所下降，2003—2013 年又开始呈现上升趋势，2013 年后呈下降趋势，呈现周期波动变化。同德站从60—70 年代有波动下降趋势，1970—1977 年有上升趋势，随后迅速下降，1980—1983 年有轻微上升趋势，1983—1989 年降水趋势较稳定，80 年代末—2003 年有缓慢下降趋势，2003—2013 年开始上升，2013 年以后有下降趋势。由图10h 可知，兴海站1960—1976 年降水呈大幅波动上升，随后迅速下降，1980—1990 年降水有增加趋势，1990—2003 年降水趋势变化不明显，2003—2013 年兴海站降水呈现上升趋势，2013 年后呈现下降趋势。图10i显示，泽库站1960—1967 年降水呈现波动上升趋势，1967—1974 年呈现下降趋势，1974—1975 年快速上升，1975—1983 年降水量变化不明显，1983—1993 年降水量小幅度增加，随后开始减少，从2002—2012 年呈现缓慢上升趋势，2012 年以后变化较平缓。结合图10 滑动T检验得出如下结论：达日站、玛多站、泽库站、同德站历年来降水未发生突变。甘德站在1976 年、2004 年发生降水突变，分别由上升趋势转为下降趋势，下降趋势转为上升趋势。河南站降水在1985 年发生突变，降水序列由上升趋势变为下降趋势，且1985—1987 年降水量下降趋势显著。久治站在1974 年发生降水突变，降水由下降趋势转为上升趋势。玛沁站和兴海站在2004 年发生降水突变，均为下降趋势转为上升趋势。

3 讨论与结论

3.1 降水变化趋势及突变分析方法

本研究采用ArcGIS 地图法对黄河源区四季降水增长幅度进行了分析，与康颖采用等雨量线图对1961—2010 年黄河源区季节降水变化的结论一致[19]。但ArcGIS 用颜色深浅表示降水变率，结果表达更清晰直观，获得了理想的结果。毛翠翠等研究证明了单一地采用曼-肯德尔（Mann-Kendall）检验法在诊断降水突变效果不佳[20]，刘梅在M-K 检验法的基础上结合滑动T检验分析降水突变取得了良好效果[4]。本文也采用M-K 检验结合滑动T检验进行分析。根据M-K 检验法原理，M-K 曲线图中的UF曲线变化趋势可以用于判断降水的变化趋势，侧面验证趋势分析的结论，从而确保趋势分析的准确性，这也是本文的不同之处。

图10 1961—2017 年黄河源区不同站点降水序列M-K 检验Figure 10 M-K Test of precipitation sequences at different sites in the source region of the Yellow River from 1961 to 2017

3.2 黄河源区降水序列趋势讨论

黄河源区降水序列趋势总体呈不显著上升趋势，平均每10 年增加5.7 mm，这与康颖[16]、蓝永超[21]等人对源区降水趋势的研究结果相符合。郝振纯在对青藏高原河源区的气候研究中指出，黄河源区在1954—2007 年的年均降水量的气候倾向率为7.5 mm/10a[22]，比本文气候倾向率值偏大，究其原因，是由于本研究起始时间1960s 的降水明显高于1950s。本研究中1961—1967 年黄河源区降水有波动上升趋势，1970—1989 年呈现周期波动变化，1989—2002 年呈下降趋势，随后呈现平稳上升趋势，这与黄荣辉[20]对黄河源区及黄河上游气候、水文变化同时段的研究中得出的结论一致。

图11 1961—2017 年黄河源区不同站点滑动T 检验图Figure 11 Moving T-test technique for different sites in the source region of the Yellow River from 1961 to 2017

蓝永超等[21]对1961—2014 年黄河源区不同区域的季节降水趋势分析时发现，仅秋季降水呈不显著下降趋势，春、冬呈现显著增长态势，夏季呈现不显著增加趋势，与本文同期结果显示一致。从数据分析来看，2014—2017 年源区春季降水增幅较大。1961—2017 年黄河源区降水序列空间变化趋势有所差异，但变化均不显著，与张岩用M-K 趋势分析法分析源区内部降水情况所得的结论一致[23]；黄河源区总体降水呈现微弱增加趋势（5.7 mm/10a）。有关2014—2017 年黄河源区的降水研究还未见报道。

3.3 黄河源区降水序列突变特征

1961—2017 年黄河源区年降水序列在2002 年发生突变，这与李林等[24]对三江源源区降水的突变检验结果近似，三江源区在2000 年后降水显著增加。季节降水序列突变各不相同，春季降水序列在1975 年和1980 年产生突变，夏季降水2002—2003年产生突变；1961—2017 年秋季降水序列没有产生突变，仅呈现不显著波动变化。冬季降水在1997年产生序列突变，由上升趋势转为下降趋势。这与郭素荣对1960—2010 年青海省季节降水突变分析中黄河源区气象站点的分析结果有一定程度的符合[25]。

马晓波等对青藏高原40 余年的降水进行突变分析表明，1968 年在青海，1972 年四川省西北部降水发生突变[26]。张晓等对青海省自建站到2009 年的降水特征进行研究，发现了青海省南部1980 年发生突变，东北部2003 年发生突变[27]。本研究中，1961—2017 年黄河源区内达日站、玛多站、泽库站、同德站降水序列未发生突变。甘德站在1976 年、2004 年发生突变，河南站在1985 年产生突变，久治站在1974年发生突变，玛沁站和兴海站在2004 年发生突变，即黄河源区中东部发生突变的频率较高。

1961—2017 年黄河源区年降水序列趋势呈不显著上升趋势，上升速率为5.7 mm/10a，1961—1967年黄河源区年均降水有波动上升趋势，1970—1989年波动变化，1989—2002 年呈下降趋势，2002—2017年呈现平稳上升趋势，源区年降水序列在2002 年发生了一次突变。

降水序列季节变化显著，春季降水量显著增加趋势，夏季降水量呈不显著增加趋势，冬季降水量显著增加趋势，秋季降水呈减少趋势。黄河源区春季降水在1975 年、1980 年发生突变、夏季在2002 年发生降水序列突变、秋季降水未有显著突变，冬季降水在1997 年发生突变。

黄河源区降水序列空间变化呈不显著变化趋势，1961—2017 年间源区东南部和西北降水序列均呈增加趋势，源区内甘德（1976 年、2004 年）、河南（1985 年）、久治（1974 年）、玛沁（2004 年）、兴海（2004 年）发生了降水突变。

黄河源区近57 年来，降水量呈现增加趋势，季节降水变化显著，局部区域降水波动较大，对黄河源区农牧业发展有利。