青藏高原雨季特征及其对气候增暖的响应

余迪 段丽君 温婷婷 申红艳 汪青春 李红梅

(1.青海省气候中心，青海 西宁810001；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁810001)

引言

青藏高原旱季、雨季分明，降水主要集中在5—9月，占全年总雨量80%以上，尤其在高原腹地雅鲁藏布江流域甚至可达90%以上[1－2]，青藏高原雨季也是全年中气温高、湿度大、风速小的时段，是农作物、牧草等生长发育的最佳时期，因而雨季是一年中高原地区非常重要的阶段，关注高原雨季是研究高原气候的一项重要内容[3]。对雨季进行合理划分是了解雨季变化特征的基础，雨季起讫是高原季节转换的主要特征之一，对于雨季的定量划分方法主要有4类。第1类是对区域降水量进行经验正交函数分解，划分主要雨型[4]；第2类是指标站法[5]；第3类是按照候雨量对雨季进行划分[6]；第4类是数理方法[7]。王遵娅和丁一汇[8]用标准化的平均候雨量对中国雨季进行划分，客观揭示出中国雨季的推进过程；戴新刚等[9]通过小波分析得出7—8月季风雨带北移至中国华北形成了华北雨季；晏红明等[10]用候雨量稳定超过(低于)阈值的方法对中国西南雨季进行划分，在西南地区得到广泛应用。

青藏高原雨季在20世纪80年代就已提出，并指出青藏高原是中国雨季最显著的地区。章凝丹和姚辉[11]基于1951—1970年降水资料分析发现，青藏高原雨季是自东南至西北开始，结束正好与此相反，因而雨季具有西部短、东部长的特点，且高原雨季年际变化较大。作为青藏高原水资源和水分循环的重要纽带，高原降水近些年来得到广泛关注。缪启龙等[12]分析得出青藏高原地区1961—2000年降水呈增加趋势，在1978年由少雨期转为多雨期，且青藏高原南区降水量增加明显，而北区变化较小；青藏高原降水在全年分配上呈单峰型和双峰型，喜马拉雅山脉南麓和雅鲁藏布江下游河谷地区呈双峰型，其余各地均为单峰型。You等[13]通过对比高分辨率插值网格观测资料与多套多重再分析数据集发现，青藏高原东部和中部地区年降水过去40 a呈增加趋势，西部地区减少。Gao等[14]研究青藏高原水汽通量指出动力作用在水汽收支中发挥重要的作用，1979—2011年高原地区处于湿润期，但因地形复杂其空间变率较大。近些年，中国雨季方面的研究主要集中于东部地区，如华南前汛(夏)雨季、长江梅雨、江淮梅雨、华北雨季、东北雨季及西南雨季[15－18]，但对青藏高原雨季的研究鲜少涉及。

在全球气候增暖的背景下，变暖在高纬度地区及陆地更明显。目前，学者普遍认为青藏高原气候变化逐渐趋于暖湿化。李林等[19]研究发现青藏高原总体保持气候变暖，且降水量普遍增加，气候的变湿较变暖有一定的滞后性。魏莹和段克勤[20]指出引起青藏高原变暖的机制之间相互关系复杂，无法确切量化其对气温的具体影响，对现有气候以及未来气候评估存在较大的不确定性。作为气候变化响应敏感的青藏高原地区[21]，高原雨季起讫期、雨季降水分布特征、雨季极端降水变化规律如何?其对气候增暖有何响应?增暖前后是否存在显著差异?以上问题值得进一步探讨解答。青藏高原雨季起讫期对农牧业生产、防旱抗旱等应对气候变化方面的工作具有现实的指导意义，雨季持续时间和雨量强弱直接关系青藏高原地区的旱涝异常，因而，研究增暖背景下青藏高原雨季响应特征可为应对气候变化、保障高原生态安全提供科学的参考依据。

1 资料与方法

选用青藏高原109个气象台站1961—2017年逐日气温、降水观测资料，其中青海50站、西藏38站、四川17站、甘肃4站(图1)，首先对资料进行严格质量控制，利用临近站点通过比值法和线性回归法[22]进行逐一订正。

晏红明等[10]以72候平均降水量作为阈值对中国西南雨季进行划分，并规定候雨量超过阈值的站点占比大于(小于)50%，以此作为西南雨季开始和结束的标准，根据该方法和思路划分西南雨季，并通过季节转换期间高低层环流的突变特征进一步验证了该划分结果的合理性，目前该方法已广泛应用于中国东北雨季、华北雨季乃至全国雨季的划分[6，23]。青藏高原地处中国西南地区北部，干湿季同样较为分明，且同受南亚季风和西风环流的共同影响[24－25]，其季节转换均与季风环流演变关系密切，因此，本文参考该方法对青藏高原雨季进行划分。

利用线性趋势、累积距平等数理统计方法对雨季起讫期、气温、降水特征及不同等级降水日数年代际变化特征进行分析。运用ArcGIS的反距离权重插值法(IDW)[26]、等值线提取、空间叠加分析等对高原降水要素及变暖前后雨季起讫期、不同等级降水日数的变化进行空间特征分析。

图1 青藏高原站点分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in Tibetan Plateau

2 结果分析

2.1 青藏高原雨季划分及变化

2.1.1 雨季起讫期划分

图2 1961—2017年青藏高原平均逐候降水量变化趋势及单站候雨量超过¯R72站数占总站数的百分比(a)、雨季起讫期年变化曲线(b)及雨季开始候(c)、雨季结束候(d)、雨季持续时间(e)空间分布Fig.2 Variations of a trend of the average amount of pentad precipitation and the percentage of station number，in which the station pentad precipitation amount exceeds the average amount of total stations，to the total number of stations(a)，annual trends of the onset and end time(b)，the spatial distributions of onset(c)and ending(d)pentads and the duration(e)in the wet season in Tibetan Plateau from 1961 to 2017

青藏高原1961—2017年平均逐候降水量见图2，由图2可知，1—2月及12月候雨量的波动不大，稳定在0—1 mm，进入3月(13候)后候雨量逐渐小幅度增加，于27候开始稳定通过72候平均雨量(6.4 mm，)，而从48候之后候雨量持续大幅度下降，至55候后候雨量下降至稳定低于。在研究青藏高原雨季起讫期的过程中，不仅要考虑降水量的变化，也要将降水范围的大小作为考量标准[27]。以作为标准，单站平均候雨量超过的站数占比大于50%的时间出现在27候，后持续超过50%，至54候后开始小于50%(图2a)，这与候雨量稳定通过所表现的雨季开始、结束时间基本一致。综上所述，以作为阈值来划分雨季起讫期是较为合理的，因此可以确定青藏高原雨季平均开始日期为27候(5月第3候)，结束日期为54候(9月第6候)，持续28候。张天宇等[28]划分中国华北雨季开始、结束时间分别为19候、54候，开始时间比高原雨季提前8候，但结束时间一致。青藏高原同中国西南地区毗连，晏红明等[10]划分中国西南雨季于26候开始至57候结束，可见其与高原雨季开始、结束时间接近。运用候雨量稳定通过72候平均雨量的方法，并结合降水范围对逐年雨季起讫期进行划分，得到青藏高原雨季起讫期逐年变化曲线(图2b)。青藏高原雨季开始候、结束候分别在22—27候、54—59候间浮动，开始候有显著提前的趋势(0.4候/10 a)，而结束候变化不显著，仅有微弱推迟的趋势。

从空间上看，雨季开始候与结束候的分布情况相反(图2c和图2d)，雨季开始候从西藏东南逐渐向西北推迟，而结束候则从青藏高原西部向东南逐渐推迟，雨季开始最早的西藏东南部从14候开始进入雨季，结束最晚的青藏高原东南部雨季延长至60候后才结束。雨季持续时间的分布呈由东向西变短(图2e)，在青海东部、四川东部及西藏东部雨季持续时间最长(28—46候)，而西藏西部及新疆南部边缘地区雨季仅持续10—16候。肖潺等[23]研究中国大陆雨季特征发现，中国华北、西藏西部及其与新疆南部接壤地区雨季持续时间最短，横断山脉中西部、华西及南海地区雨季较长，同本文结论相吻合。

2.1.2 雨季降水量时空分布

根据上节分析将27—54候作为青藏高原雨季时段。1961—2017年青藏高原雨季降水量变化见图3。由图3可知，高原雨季降水量总体呈较微弱的增加趋势(2.4 mm/10 a)，雨量为324.4—419.1 mm。值得注意的是，青藏高原雨季降水量具有明显的年代际特征，在进入80年代和进入21世纪后有两次明显的增加。图3b对青藏高原雨季降水距平百分率进行逐年累计，可以发现1997年前累计降水距平百分率持续减少，而1997年后则开始逐渐增加，因此可以将1997年看作是青藏高原雨季降水量开始增多的一个转折点。

图3 1961—2017年青藏高原雨季降水量变化曲线(a)和累计降水距平百分率(b)Fig.3 Variations of precipitation amount(a)and anomaly percentage of cumulative precipitation(b)in the wet season in Tibetan Plateau from 1961 to 2017

图4 1961—2017年青藏高原雨季降水量(a)和变化趋势空间分布(b)Fig.4 Spatial distributions of precipitation amount(a)and linear trends(b)in the wet season in Tibetan Plateau from 1961 to 2017

青藏高原雨季各地降水量差异明显，由图4a可知降水量由东南至西北逐渐递减，最多的地区达750 mm左右，而最少的地区仅有15 mm。以青海、四川及西藏三省交界处附近400 mm降水量等值线为界，青藏高原东南部为降水量最多的区域，且大部分地区雨量均在500 mm以上，而青海柴达木盆地及西藏西部地区的降水量相较青藏高原其他区域较少，其中柴达木盆地更是常年干旱区域，降水量仅有111 mm。从青藏高原雨季各站降水量变化趋势空间分布情况来看(图4b)，青藏高原降水量变化幅度为－16.9～25.8 mm/10 a，大部分地区降水量呈增多趋势，西藏中部及青海环湖地区增幅较显著，而降水量较多的东部小范围区域其变化则呈减少趋势。

2.1.3 雨季日降水变化

1961—2017年青藏高原雨季逐日降水量变化见图5。由图5可知，青藏高原雨季期内逐日降水变化幅度为1.4—3.6 mm，平均日降水为2.6 mm，6月中旬日雨量普遍大于平均值，而到9月中旬日雨量逐渐减少至平均值以下，因此雨季降水主要集中于此时段，雨季日降水量最大值出现在7月27日(3.6 mm)。从逐日降水11 d滑动平均变化曲线来看，逐日降水量存有1次明显的“先升后降”波动和2次小幅振荡特征，第一次峰值出现在7月8日，降水量为3.4 mm，随后两次峰值分别出现在7月28日和8月21日，雨量分别为3.1 mm和3.0 mm，由此看出第1个峰值强度相对较强，是雨季降水的主峰期，而随后两个峰值则逐渐减弱。

图5 1961—2017年青藏高原雨季逐日降水量变化Fig.5 Variation of daily precipitation amount in the wet season in Tibetan Plateau from 1961 to 2017

2.2 青藏高原雨季对气候增暖的响应

20世纪90年代后期青藏高原明显转暖[29]，图6为1961—2017年青藏高原雨季期间累计气温距平变化。由图6可知，20世纪90年代以前累计气温距平持续下降，直至1997年后开始回升，由此表明，1997年是青藏高原气温开始回暖的转折年，这一结果与丁一汇等[30]研究得出的青藏高原气温在1996—1998年出现突变现象的结论相一致。因此本文以1997年为界，对比变暖前(1961—1996年)及变暖后(1997—2017年)两时段雨季起讫期及不同等级降水日数对气候增暖的响应。

图6 1961—2017年青藏高原雨季累计气温距平变化Fig.6 Variation of cumulative temperature anomaly in the wet season in Tibetan Plateau from 1961 to 2017

2.2.1 雨季起讫期的响应

图7a为变暖前(1961—1996年)和变暖后(1997—2017年)青藏高原雨季平均逐候降水量变化，通过比较发现变暖前后72候平均降水量相差较小，分别为6.2 mm和6.5 mm，且变暖前后的各候降水量也较为接近，因此变暖前后稳定通过(小于)相应72候平均降水量的候数均为27候、55候，由此得出变暖前后青藏高原雨季开始、结束期均为27候、55候，平均起讫期无明显变化。

图7 1961—2017年气候变暖前后青藏高原雨季平均逐候降水演变(a)、开始候差值(b)和结束候差值(c)空间分布Fig.7 Variation of the average amount of pentad precipitation(a)and spatial distributions of the differences of onset(b)and end(c)pentads before and after warming in the wet season in Tibetan Plateau from 1961 to 2017

分别对青藏高原各站点变暖前后雨季开始、结束候相减，正值表示变暖后日期提前，负值则表示变暖后日期推迟。变暖后雨季开始候除在青藏高原最西部明显推迟外，其余大部分地区提前(图7b)。变暖后雨季结束候则总体呈推迟趋势，以青海柴达木盆地推迟最为明显，而青藏高原西部及西藏南部结束候则微弱提前(图7c)。因此，变暖后高原雨季开始候在空间上多为提前，而结束候则多为推后。

2.2.2 不同等级降水日数的响应

不同等级降水日数的多少可以体现雨季降水的强度，1961—2017年青藏高原雨季平均小雨、中雨日数分别为66 d、10 d，平均累计大雨、暴雨日数分别为109 d、3 d，小雨日数呈显著减少趋势，中雨及暴雨日数均明显增多，而大雨日数仅微弱增多(图8a和图8b)。由图8c可知，除小雨日数为变暖后略少于变暖前外，中雨以上量级日数均是变暖后增多，且大雨及暴雨日数变暖后明显增多，因此可以看出变暖后青藏高原雨季降水强度要强于变暖前，雨季极端降水在变暖后加剧。

图8 1961—2017年青藏高原雨季平均小雨及中雨日数(a)、累计大雨及暴雨日数(b)和变暖前后不同雨强日数(c)变化Fig.8 Variations of the average number of light and moderate rainy days(a)，the number of accumulated days with heavy rain and rainstorm grades(b)，and the number of rainy days with different intensity before and after warming periods(c)in the wet season in Tibetan Plateau from 1961 to 2017

图9 1961—2017年变暖前后青藏高原雨季平均小雨日数差值(a)、平均中雨日数差值(b)、平均大雨日数差值(c)和平均暴雨日数差值(d)Fig.9 Spatial distributions of the differences of the average number of light rainy(a)，moderate rainy(b)，heavy rainy(c)，and rainstorm(d)days before and after climate warming in the wet season in Tibetan Plateau from 1961 to 2017

图9为1961—2017年青藏高原雨季变暖前后不同等级降水日数差值的空间分布，图9中正值为变暖后雨日增多，负值表示变暖后雨日减少。变暖后青藏高原东部及西藏南部平均小雨日数减少，其余地区增多，其中西藏安多、改则地区增多4 d以上(图9a)；变暖后平均中雨日数在大部分地区明显增多，普遍增加1—3 d，而青海南部和中东部及四川北部部分地区则减少1—2 d(图9b)；变暖后平均大雨日数在四川德格、青海东部及果洛、西藏东部小范围区域减少，而在四川南部、青海东北部零星区域明显增多，其余地区则微弱增加(图9c)；平均暴雨日数变暖后在西藏波密地区明显减少，在青海中部地区微弱减少，其余大部分地区微弱增多(图9d)。由上述分析可知，青藏高原雨季增暖后除小雨日数在大部分地区减少外，中雨、大雨、暴雨日数均大面积增多，由此得出变暖后青藏高原雨季降水强度加剧的现象在空间覆盖范围上有所扩大。

3 结论与讨论

(1)充分考虑1961—2017年青藏高原逐候降水量稳定通过阈值的情况，得出青藏高原雨季开始日期为27候(5月第3候)，结束日期为54候(9月第6候)，雨季持续28候。雨季开始与结束进程在空间上正好相反，开始期自高原东南部向西北部推进，结束期自西北向东南撤退，雨季持续时间由东向西变短。

(2)青藏高原雨季降水主要集中在6月中旬至9月中旬之间，该时段内日雨量普遍高于平均值。雨季内降水出现3个峰值，分别在7月上旬、下旬和8月下旬，3个峰值强度依次减弱，7月上旬为青藏高原雨季的主峰期。

(3)青藏高原雨季降水量呈微弱增加趋势，进入20世纪80年代和21世纪后雨量有两次明显的增加。青藏高原雨季各地降水量差异明显，整体由东南至西北逐渐递减，降水量高值区主要集中在青藏高原东南部，而青海柴达木盆地及西藏西部地区则为降水量较少的地区。青藏高原雨季降水量变化趋势为－16.9～25.8 mm/10 a，整体呈增多趋势，仅在西藏零星区域及青藏高原东部小范围地区为减少趋势。

(4)青藏高原雨季期内平均气温在1997年出现由冷向暖的转折，因此以1961—1996年为变暖前阶段，而1997—2017年为变暖后阶段。变暖前后整个青藏高原雨季平均起讫期无明显变化，开始和结束时间均为27候、55候，但变暖前后各站雨季起讫期存在明显的空间差异，开始候除在青藏高原最西部推迟外，其余地区均为提前，结束候则总体呈推迟趋势，在青藏高原西部及西藏南部微弱提前。

(5)青藏高原雨季除小雨日数呈减少趋势外，中雨、大雨及暴雨日数均呈增加趋势。变暖后除小雨日数略高于变暖前外，中雨、大雨、暴雨日数均是变暖后较多，且小雨和中雨日数变暖前后差距较小，而大雨及暴雨日数变暖前后相差较大，因此可以看出变暖后青藏高原雨季降水强度要强于变暖前，极端降水在变暖后加剧。变暖前后高原雨季各等级降水日数的空间分布也略有差异，除小雨日数在大部分地区减少外，中雨、大雨、暴雨日数均部分或大面积增加，可见气候增暖后青藏高原雨季降水强度在空间范围明显扩大。

本文在划分雨季起讫期的基础上，对青藏高原雨季的降水特征进行分析，发现降水在时间及空间上的变化特征与前人研究结论较为一致。而随着气候增暖的影响越来越突出，对于探讨变暖前后雨季降水的变化特征显得尤为关键。本文通过选用雨季起讫期及不同等级降水日数对增暖的响应分析增暖前后青藏高原雨季降水特征，发现雨季起讫期虽在青藏高原整体变化不明显，但已出现区域性的提前或推迟，不同等级降水日数的增减，尤其是大雨及暴雨日数在变暖后的增多也能反映出青藏高原雨季内的降水极端性在加剧。由于青藏高原降水区域性差异较大，后续还需对青藏高原进行分区研究，并结合环流特征使得研究结果更加精细，对于青藏高原雨季内降水特征对增暖的响应，也可以延续本文思路，筛选更多具有代表性的因子进行分析，对增暖后青藏高原雨季降水的变化特征有更加全面的认识。