近39 a祁连山及其周边地区降水量时空分布特征

黄 颖，毛文茜，王潇雅，张文煜，3

(1.兰州大学大气科学学院，半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京 100081；3.郑州大学地球科学与技术学院，河南 郑州 450001)

引 言

祁连山(36°30′N—39°30′N、93°30′E —103°30′E)位于中国青海省和甘肃省境内[1-2]。祁连山山脉分布范围广泛，呈西北东南走向，其上分布着草地、森林、湖泊、冰川等各种生态系统，平均海拔达4000 m[3]。西北干旱区的三大内陆河流石羊河、黑河、疏勒河皆发源于祁连山[4]，祁连山气候的变化直接影响整个区域各种地表径流流量[5]，是河西走廊经济持续发展的重要水源区[6]，因此，研究祁连山地区降水量时空分布特征有重要意义。

降水是水循环中最为重要的环节之一，特别是在干旱地区，其对区域水资源的时空分布起决定性作用[7]，气候变暖将导致全球水循环加快，降水增加[8]。20世纪80年代以前祁连山地区降水量呈减少趋势[9]，2000年以后降水量普遍增多，年降水量增加14.6～18.4 mm[10]，且春、夏、秋、冬降水均呈增加趋势。夏季风为祁连山地区的降水提供了充足的水汽和利于降水发生的环流形势，夏季是祁连山地区降水最多的季节[2]；秋季降水量增加的幅度最大[10]；冬季整个区域降水量增加不明显[5]。祁连山地区降水量随海拔不同存在明显的变化规律，东、中、西三段最大降水高度带分别为4100 m、4500 m和4700 m[11]，降水量及其增加幅度山区高于平原，东部、中部高于西部[10]。

祁连山地区降水量的前期研究主要基于气象站的观测数据，研究结果难以准确反映复杂地形下降水量的时空变化特征[4，8]。再分析资料具有较高的分辨率，目前，常用的再分析资料产品有欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-40、ERA-Interim；NCEP/NCAR数据；NASA提供的MERRA；日本气象厅提供的JRA-25等[12-13]。ERA-Interim再分析数据集所采用的同化系统是ECMWF集成预报系统，使用4Dvar同化方案[12]，其在ERA-40 的基础上对大气模式和同化系统进行了大量改进，并显著消除或改善了ERA-40中存在的一些错误[13]。祁连山存在极端干旱区、干旱区、半干旱区以及半湿润区4类气候区，为了解祁连山地区的降水分布特征，本文利用ERA-Interim高分辨率网格降水资料对祁连山地区近39 a的降水时空分布特征进行研究，以期为河西地区水资源的合理开发利用提供参照依据。

1 资料及研究区气候分区

1.1 资料及其适用性

降水量数据来源于ERA-Interim数据集，时间分辨率为3 h，空间分辨率为0.125°×0.125°，资料长度为1979年1月至2017年12月；实测小时降水量数据为祁连山地区不同下垫面的13 个气象站(图1)2017年观测数据。

图1 祁连山气象站点分布(阴影为海拔高度，单位：m)Fig.1 The spatial distribution of meteorological stations in Qilian Mountain(the shaded for altitude, Unit: m)

使用双线性内插方法将ERA-Interim降水量插值到相应气象站点，并与2017年逐日实测降水量进行对比。从表1看出，研究区内各气象站2017年ERA-Interim再分析资料的降水量平均偏差为-0.22～0.64 mm，均方根误差为1.47～3.47 mm，相关系数为0.49～0.78。

图2为2017年祁连山平均实测日降水与ERA-Interim再分析资料逐日降水量变化。可以看出，平均实测日降水量与ERA-Interim降水量的变化特征较为一致，两者相关系数达0.84，且通过0.01显著性检验。ERA-Interim再分析资料的降水量变化反映了该地区降水量的变化特征。说明ERA-Interim再分析资料的降水量数据可用于祁连山地区降水量的时空分布特征分析。

表1 2017年祁连山ERA-Interim降水量的平均偏差、均方根误差以及其与实测降水的相关系数Tab.1 Mean deviation, root mean square error of ERA-Interim reanalysis precipitation and correlation coefficient between observation and reanalysis precipitation in 2017 in Qilian Mountain

图2 2017年祁连山平均实测日降水与ERA-Interim再分析资料逐日降水量变化Fig.2 The daily variation of averaged observational precipitation and ERA-Interim reanalysis data in Qilian Mountain in 2017

1.2 研究区气候分区

研究区为祁连山及其周边地区(36°30′—39°30′N、93°30′—103°30′E)。根据ERA-Interim的平均年降水量，将研究区分为极端干旱区(<50 mm)、干旱区(50～200 mm)、半干旱区(200～400 mm)和半湿润区(400～800 mm)。极端干旱区、干旱区、半干旱区、半湿润区分别占研究区面积的8.06%、39.40%、34.83%和17.71%。研究区海拔高度差较大，极差超过4600.0 m。

2 结果分析

2.1 降水量时间变化

2.1.1 年际变化

图3为1979—2017年研究区及其各子区域降水量年际变化及其气候趋势。可以看出，研究区年降水量气候倾向率为24.7 mm·(10 a)-1，各分区年降水量均表现为增加趋势，极端干旱区、干旱区、半干旱区和半湿润区气候倾向率分别为4.1、11.1、34.1和45.9 mm·(10 a)-1，平均每年增量分别占各自平均年降水量的1.08%、1.06%、1.12%和0.99%。其中半湿润区降水量增多最为显著。表2列出1979—2017年研究区及其各子区域最大年降水量和最小年降水量及相应出现年份和平均年降水量。可以看出，研究区平均年降水量为232.4 mm。各分区年降水量最小值出现于1984—1986年；除极端干旱区外，各分区的降水量均在2002年出现最大值。1980—1996年的降水量多为负距平，该时段内降水量较少，1997—2017年降水量多为正距平，降水较丰沛。

图3 1979—2017年研究区及其各子区域年降水量年际变化及气候趋势Fig.3 The inter-annual variations of annual precipitation and their climate tendency in the whole study area and its sub-regions during 1979-2017

表2 1979—2017年研究区及其各子区域最大和最小年降水量及出现年份和平均年降水量Tab.2 The maximum and minimum annual precipitation and corresponding occurence years and average annual precipitation in the whole study area and its sub-regions during 1979-2017

图4为1979—2017年研究区及其极端干旱区、干旱区、半干旱区及半湿润区年降水量的M-K检验。可以看出，极端干旱区年降水量在1979—1996年减少，1996年之后开始增多；干旱区年降水量在1979—1996年减少，1992年之后增多，在2000年发生突变，2002年后增加显著；半干旱区年降水量在1979—1992年减少，1992年之后增多，在1996年发生突变，1999年后增加显著；半湿润区年降水1979—1995年减少，1996年发生突变，1999年之后显著增多。干旱区、半干旱区、半湿润区年降水量变化情况与整个祁连山区较为一致，但是极端干旱区有所不同，这可能是下垫面不同造成的，极端干旱区位于生态环境脆弱、植被稀少的柴达木盆地，且仅占研究区域面积的8.06%，对研究区年降水量的贡献率也相对较小；而干旱区、半干旱区和半湿润区的植被依次增多，降水量较大，占研究区域的大部分面积，所以研究区总的年降水受这3个分区影响权重较大，与其一致性较好。

2.1.2 季节变化

图5为1979—2017年研究区及其各子区域平均逐月降水量。可以看出，逐月降水量表现为单峰型，降水量由1月开始持续增加，7月或8月达到最大值之后又逐渐减少，有明显的雨季和旱季。降水量在夏季最大，冬季最小，其春、夏、秋、冬季的多年平均降水量分别为56.5 mm、125.7 mm、41.3 mm和9.0 mm，分别占年降水的24.29%、54.08%、17.75%和3.88%。

图4 1979—2017年研究区(a)及其极端干旱区(b)、干旱区(c)、半干旱区(d)及半湿润区(e)年降水量的M-K检验Fig.4 The Mann-Kendall test of annual precipitation in the whole study area (a), extremely arid region (b), arid region (c), semi-arid region (d) and sub-humid region (e) during 1979-2017

图5 1979—2017年研究区及其各子区域平均逐月降水量变化Fig.5 The variation of mean monthly precipitation in the whole study area and its sub-regions during 1979-2017

2.1.3 日变化

研究区平均日降水量为0.6 mm。图6 给出1979—2017年研究区及其各子区域逐3 h累计降水量变化。可以看出，半干旱区、半湿润区降水量变化趋势相似，06:00—08:00(北京时，下同)为降水量的一小峰值，随后逐渐减少，09:00—11:00为一天中降水量最小时段，11:00之后降水增加，11:00—20:00降水量大幅增加，21:00—23:00迅速减少，23:00至次日05:00降水量较小，变化平缓。干旱区和极端干旱区的降水最大时段为06:00—08:00，最小为21:00—23:00。研究区日降水量的峰值时段为14:00—20:00，该时间段的降水量占日降水量的35.43%。这与以往的研究相符，即山地降水的峰值主要出现于午后至前半夜[14]。

2.2 降水量空间分布

2.2.1 年降水量

图7为1979—2017年研究区平均年降水量空间分布。可以看出，研究区平均年降水量为232.4 mm；最大值为593.7 mm，位于祁连山中段的高海拔区；最小值为25.1 mm，位于山脉以南的盆地，在南北仅3个纬度内，该地区降水量极差达568 mm，梯度较大。极端干旱区、干旱区、半干旱区、半湿润区平均年降水量分别为38.2 mm、105.2 mm、303.6 mm和463.2 mm；极端干旱区主要分布在研究区西南部的柴达木盆地，干旱区主要分布于祁连山山区外围，而半干旱区和半湿润区大部分位于祁连山山区。平均年降水量场呈西北东南向，由中部向四周逐渐减少，降水量的高值中心位于祁连山中部地区，中心最大降水量超过550.0 mm，祁连山东部地区有一较小的降水中心。降水量分布随山脉走势，与海拔高度有较好的对应关系，海拔高度越高，降水量越大。

图6 1979—2017年研究区及其各子区域逐3 h累计降水量变化Fig.6 The variation of 3-hour cumulative precipitation in the whole study area and its sub-regions during 1979-2017

图7 1979—2017年研究区平均年降水量空间分布(单位：mm)Fig.7 The spatial distribution of average annual precipitation in the study area during 1979-2017 (Unit: mm)

表3列出1979—2017年研究区降水量场的形状、中心个数以及降水中心位置出现频率。可以看出，研究区年降水量场的形状多呈西北—东南向，出现频率达66.67%；降水量场中心为2个的频率最高，达64.1%；祁连山中部地区出现降水中心的频率极高，超过97%，其次，东部地区也常出现降水中心。各年降水量场的特征与平均年降水量场较为一致，即祁连山中部和东部降水较多，而西部地区降水量较少。

图8为1979—2017年研究区年降水量气候倾向率空间分布。可以看出，研究区及各子区域的降水量均表现为增加趋势，其两个大值中心位于祁连山中部和东部的高海拔地区，气候倾向率最大超过60 mm·(10 a)-1，而研究区西南部的极端干旱区降水量气候倾向率较小，多为1～5 mm·(10 a)-1。与降水量场的特点类似，降水量气候倾向率分布与地形分布也较为一致，但其与平均年降水量的分布稍有不同，相对于年降水量场的西北—东南向分布，气候倾向率场表现为较好的纬向分布。平均而言，降水量越大的区域，其气候倾向率就越大。

表3 1979—2017年研究区降水量场的形状、中心个数以及降水中心位置出现频率Tab.3 The frequency of shape, the number of centers of precipitation field and the precipitation center’s location in the study area during 1979-2017 单位：%

图8 1979—2017年研究区年降水量气候倾向率空间分布[单位：mm·(10 a)-1]Fig.8 The spatial distribution of climate tendency rate of precipitation in the study areas (Unit： mm·(10 a)-1)

2.2.2 季节降水量

图9为1979-2017年研究区春季、夏季、秋季和冬季平均降水量空间分布。可以看出，春季降水场形状多为西北—东南向，出现频率为58.97%，降水中心个数多为2或1个，降水中心出现在祁连山中部地区，频率最高，为76.92%，其次是东部，频率为58.97%，降水最大值为140.6 mm。夏季降水场多为西北—东南向，出现频率为51.28%，其次，降水场呈纬向分布的频率为43.59%，降水中心个数为1个的频率最高，达79.49%，祁连山中部地区出现降水大值中心的频率最高，达89.74%，西部和东部出现频率较小，且整个区域的降水量较春季增多，最大值超过350.0 mm。秋季降水场形状多为不规则，降水中心个数多为2个，中心常出现在祁连山的中部和东部地区，降水量相对于夏季明显减少，最大值仅为108.8 mm。冬季降水场与其他季节差别较大，形状多表现为不规则，降水中心个数多为1个，降水中心常出现在祁连山西部地区，最大降水量仅为30.7 mm，中部和东部地区降水量更为稀少。

2.2.3 逐3 h降水量

图10为1979—2017年研究区逐3 h累计降水量多年平均空间分布。可以看出，09:00—11:00祁连山东部地区先出现较大的降水量；12:00—14:00东部的降水中心逐渐向中部和西部发展，降水大值中心移动到中部地区，降水量场呈现较明显的西北—东南向分布，中心降水量达0.15 mm；15:00—17:00、18:00—20:00降水量增大，祁连山中部地区降水量超过0.35 mm，降水中心更为明显，表现出以祁连山中部和东部地区为降水大值中心，向四周逐渐减小；21:00—23:00、00:00—02:00，降水量场向东移动，祁连山西部地区降水量明显减少，降水高值中心位于中部地区，其中心降水量仅为0.15 mm；03:00—05:00、06:00—08:00降水中心向东南方向移动，并且强度不断减弱，整个祁连山地区降水量的差异逐渐减小。这与以往基于格点降水数据[3,9]的祁连山区降水空间分布研究结果相一致。

图9 1979—2017年研究区春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)平均降水量空间分布(单位：mm)Fig.9 The spatial distribution of mean precipitation in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in the study area during 1979-2017 (Unit: mm)

图10 1979—2017年研究区逐3 h累计降水量多年平均空间分布(单位：mm)Fig.10 The spatial distribution of three hours cumulative precipitation in the study area during 1979-2017 (Unit: mm)

3 结 论

(1)ERA-Interim再分析资料的降水量变化特征可以反映祁连山区降水量的变化特征。

(2)研究区平均年降水量为232.4 mm，年降水量总体呈现上升趋势，其气候倾向率达24.7 mm·(10 a)-1，其中半湿润区气候倾向率最大为45.9 mm·(10 a)-1，极端干旱区最小为4.1 mm·(10 a)-1；研究区降水量于1996—1997年发生突变，1996年前降水量偏少，多为负距平，1997年后降水增多。各季节降水量都呈增加趋势，但秋季降水增加最明显，其气候倾向率高达9.8 mm·(10 a)-1；降水主要发生在夏季，占全年总降水的54.08%。祁连山地区的降水日变化明显，3 h累计降水量在14:00—20:00最大。

(3)研究区的降水量分布与海拔高度有较好的对应关系，海拔越高降水量越大，年降水量最大值出现在祁连山中部的高海拔地区，最大超过550 mm；年降水量场常呈西北—东南向分布，中部和东部地区降水量较大。研究区白天降水的增加方向由东向西，入夜后降水量的减少方向由西向东。降水量气候倾向率分布场与平均降水量场相似，降水越多处，降水量增幅越大。