青海省黑河上游地区1961～2019年降水量时空变化特征研究

丁立善，赵超君，何生录，韩忠全，殷显辉

(1.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001； 2.青海省海东市气象台，青海 平安 810600)

引言

黑河位于河西走廊中部，大致介于98°～101°30′E，38°～42°N之间，流域面积约14.29万km2，是我国西北地区第二大内陆河，发源于祁连山北麓，流经青海、甘肃和内蒙古三省(自治区)，干流全长821km，黑河出山口多年平均天然径流量24.75m3·s-1，其中黑河干流莺落峡站15.8 m3·s-1，黑河上游莺落峡占总出山口流量的64%。黑河上游是指祁连县托勒乡景区八一冰川到张掖市莺落峡，其中河流的径流量主要是降水补给。祁连山国家公园和黑河源国家湿地公园是西北地区的重要水源涵养地，具有不可替代的生态功能。佟金鹤等研究发现，全国范围内降水变化区域差异较大，其中西北地区降水量增加幅度较小[1]；张翀等研究发现，西北地区降水量上升但是幅度很小[2]；白淑英等研究发现，青海省年降水量总体呈小幅上升趋势[3]；刘维成等研究发现，不同地区降水呈现出不同的变化趋势[4]。综上所述研究青海省黑河上游地区降水的时空变化特征就显得十分重要，可为祁连山生态治理和水资源利用提供科技支撑。

1 资料和方法

黑河上游地区研究区域气象站点分布如图1，选取黑河上游地区的托勒、野牛沟和祁连气象站点降水资料，这三个站点在黑河上游建站最早、资料时间序列最长，可以较好体现降水量的准确性、比较性和代表性。利用这三个站点1961～2019年的降水资料，采用统计、线性趋势和相关系数r分析了降水量的年、汛期、非汛期年代际和年际变化，判断上升下降趋势及其显著性，用M-K检验方法判断突变时间和显著性时间，用 Morlet 小波分析确定变化周期。黑河上游祁连山区四季不分明，因此以汛期5～9月和非汛期10月至次年4月进行时空分析，其中汛期一般为雨，非汛期一般为雪。

图1 黑河上游地区研究区域气象站点分布图

2 黑河上游降水量的时空变化特征

2.1 年、汛期、非汛期年代际和年际变化特征

由黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期的平均降水量变化曲线和线性趋势(图2)为可见，黑河上游地区年、汛期和非汛期平均降水量的线性趋势分别为16.0mm/10a、14.0mm/10a、2.0mm/10a，说明年、汛期和非汛期的平均降水量呈增加趋势，从显著性水平检验来看，年、汛期通过了0.001性度检验，非汛期通过了0.10性度检验，年、汛期降水量增加趋势更为显著。年降水量平均值为380.9mm，历史最大值1998年526.6mm，比历史最小值1970年283.5mm偏多243.1mm，20世纪90年代年降水量波动最明显，1997年接近历史最小值为289.9mm，比历史最大值偏少236.7mm。汛期平均值为342.7mm，历史最大值1998年471.0mm比历史最小值1991年251.4mm偏多219.6mm，说明汛期20世纪90年代汛期降水量波动最显著。非汛期平均值为38.2mm，其中历史最大值2019年94.4mm比历史最小值1984年15.6mm偏多78.8mm，历史最大值比接近历史最小值2013年20.1mm偏多74.3 mm，说明非汛期降水量2010～2019年波动明显。

图2 黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期的平均降水量变化曲线和线性趋势

从1961～2019年黑河上游年、汛期和非汛期降水量年代值表1分析可知，年和汛期的降水量年代际变化趋势一致，20世纪70年代、80年代、2001～2010年、2011～2019年呈增加趋势，2001～2010年增加幅度最大，年和汛期分别增加41.4mm、39.1mm，20世纪90年代则呈下降趋势，下降幅度年和汛期分别为29.7mm、24.0mm。非汛期的降水量年代际变化趋势不一致，20世纪80年代、2001～2010年、2011～2019年呈上升趋势，20世纪80年上升幅度最大为13.7mm，20世纪70年代和90年代呈下降趋势，下降幅度最大是20世纪70年代达12.9mm。

表1 1961～2019年黑河上游年、汛期和非汛期降水量年代值(mm)

2.2 年、汛期和非汛期降水量变化趋势空间分布特征

由黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期降水量线性趋势及其相关系数表2可见，黑河上游地区托勒、野牛沟和祁连年降水量的线性趋势分别为16.7mm/10a、17.8mm/10a和13.5mm/10a，呈增加趋势且野牛沟最为明显，从显著性水平检验来看，托勒、野牛沟平均降水量通过了0.001的显著性水平检验，祁连平均降水量通过了0.01的显著性水平检验。汛期年降水量的线性趋势分别为15.2mm/10a、14.8mm/10a和11.9mm/10a，呈上升趋势，而且祁连、野牛沟、托勒依次增加，托勒增加最明显，从显著性水平检验来看，托勒、野牛沟和祁连平均降水量都通过了0.001的显著性水平检验，说明托勒、野牛沟和祁连降水量显著。非汛期年降水量的线性趋势分别为1.5mm/10a、3.0mm/10a和1.5mm/10a，呈上升趋势，野牛沟增加趋势是托勒和祁连的2倍，从显著性水平检验来看，野牛沟平均降水量通过了0.05的显著性水平检验，托勒平均降水量通过了0.10显著性水平检验，祁连平均降水量未通过显著性水平检验，说明托勒和野牛沟降水量较显著，祁连增加趋势不显著。

表2 黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期降水量线性趋势及其相关系数

3 确定突变年份研究

应用M-K检验方法判断趋势、显著性时间和是否存在气候突变，若存在，确定突变的时间。图3(a)为黑河上游1961～2019年年降水量M-K检验分析，由图可得，UF曲线基本大于0，表明年降水量呈上升趋势，在2010～2019年大于临界直线1.96甚至大于2.56，表明年降水量是上升趋势且明显，UF曲线在临界线之间与UB电线有两个交点(2006～2007年、2009～2010年)，确定突变年份在2009年。

图3 黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期年降水量M～K检验

图3(b)为黑河上游1961～2019年汛期年降水量M-K检验分析，由图可得，UF曲线大于0，表明汛期年降水量呈上升趋势，在1964年、1976～1990年、1993年、2009～2019年大于临界直线1.96甚至大于2.56，表面汛期年降水量是上升趋势且明显，UF曲线在临界线之间与UB曲线有三个交点(2002～2003年，2003～2004年，2004～2005年)，确定突变年份在2004年。

图3(c)为黑河上游1961～2019年非汛期年降水量M-K检验分析，由图可得，UB曲线基本大于0，表明非汛期年降水量呈上升趋势，UB虽有交叉，但未大于临界直线1.96，没有发生突变。

4 周期分析

根据黑河上游地区1961～2019年年、汛期和非汛期降水时间序列，进行Morlet小波变换。采用的Morlet小波为基小波的分析，在分析中很多工作只依据小波系数的实部图分析结果，不可避免地产生虚假信息，因此结合模分析得到的结果更可靠，并且模还能分析总能量的贡献[5]。采用 Morlet 小波对不同时期的年降水量进行周期分析，分析时间序列及其在时域中的分布。

由图4黑河上游1961～2019年降水量的Morlet小波实部系数时频图(a)和模图(b)分析可得，10a及以上存在大周期为11a且不明显，而10a以下存在的小周期为 4～6a和8a。在20世纪60年代初期到20世纪70年代初期存在4a的周期，在20世纪70年代中期到20世纪90年代中期存在8a的周期，在20世纪80年代中期至2019年存在4～6a周期且是能量高值区，其他周期信号强度都较弱。

图4 黑河上游1961～2019年降水量的Morlet小波实部系数时频图(a)和模图(b)

由图5黑河上游1961～2019年汛期年降水量的Morlet小波实部系数时频图(a)和模图(b)分析可得，黑河上游汛期10a及以上不存在周期，而10a以下存在4～6a的小周期。在20世纪60年代初期到20世纪70年代中期存在4a的周期，在20世纪80年代中期至2019年存在4～6a的周期且为能量高值区，其他周期信号强度都较弱。

图5 黑河上游1961～2019年汛期年降水量的Morlet小波实部系数时频图(a)和模图(b)

由图6黑河上游1961～2019年非汛期年降水量的Morlet小波实部系数时频图(a)和模图(b)分析可得，黑河上游非汛期10a以上存在11a的大周期，而10a以下存在8a和 4～6a的小周期。在20世纪70年代中期到80年代中期存在4a的周期，在20世纪80年代中期至21世纪初存在4a、6a、8a、11a的周期，周期信号明显比年和汛期弱。

图6 黑河上游1961～2019年非汛期年降水量的Morlet小波实部系数时频图(a)和模图(b)

5 结论

(1)黑河上游地区1961～2019年年、汛期和非汛期线性趋势分别为16.0mm/10a、14.0mm/10a、2.0mm/10a，都呈显著性增加趋势，但年、汛期降水量增加趋势更为显著。托勒、野牛沟、祁连变化趋势跟年、汛期和非汛期降水量一致。

(2)黑河上游地区1961～2019年年和汛期的降水量年代际变化趋势一致，除20世纪90年代呈下降趋势外，其余年代增加。非汛期的降水量年代际变化趋势不一致，除20世纪70年代和90年代呈下降趋势外，其余年代上升。

(3)从M-K的突变检验得到黑河上游地区年降水量在2009年发生突变；汛期降水量在2004年发生突变，非汛期未发生突变。

(4)黑河上游地区1961～2019年年、汛期和非汛期的Morler小波存在周期变化，年降水量存在11a大周期，小周期4～6a且明显，汛期没有大周期，小周期 4～6a且明显，非汛期大周期11a，小周期 4a、6a和8a。