三江源地区1961-2019年降水量时空变化特征

蔡永祥，罗少辉，王 军，祁栋林，胡馨月

（1.青海省气象灾害防御技术中心，青海 西宁 810000；2.西宁市湟中区气象局，青海 西宁 811600）

三江源地区是我国重要的淡水之源，其独特的生态环境，营造出独有的高海拔、大面积湿地生态系统[1]。源区生态环境的优劣影响青海省的国民经济发展，也严重制约着江河中下游广大地区乃至全国的社会经济发展[2]。同时，三江源区拥有极脆弱的自然生态系统，是东亚甚至全球气候变化的“启动区”和“敏感区”[3-4]。受全球变暖影响，中国气候不同年代间也在发生显著变化。研究表明，1956-2004年，三江源区降水量以6.73 mm·10 a-1的幅度减少，降水日数也呈现减少趋势[5]，但降水强度增加；1960-2010年降水量总体却表现为增加态势，不同源区季节降水量也存在显著差异[6]；1961-2012年中国区域平均降水呈减少趋势，而高海拔地区呈增加趋势[7]。青藏高原气候自1960年至80年代中后期，为相对暖干时期，80年代后期变为相对暖湿时期[8]，而三江源区气候于1990年后趋于湿润化[9]。上述结果的差异可能受选取序列长短、观测台站数量和研究方法等因素的影响，对三江源地区降水量更长序列的时空演变特征与区域分布的多方法集成分析尚待进一步精准辨识。近些年来，人类活动和极端气候出现频率的增加，深刻影响了源区生态环境。其中，降水量的变化对三江源区生态环境和社会经济等诸多方面产生的影响尤为显著[10]。因此，研究更长序列的降水量时空演变特征、诊断降水序列突变点、辨识源区年、季降水量的变化趋势，能够反映三江源区生态环境对气候变化的响应。本研究基于线性回归、气候倾向率和重标极差分析等方法，运用最新的降水资料研究源区降水时空特征差异及未来变化趋势，可为三江源地区水资源可持续利用和生态系统的脆弱性研究提供科学依据，也为预测源区乃至全国的未来气候变化提供参考。

1 材料和方法

1.1 三江源区概况及资料来源

三江源流域是长江、澜沧江和黄河源头区，地处青藏高原腹地，位于31°39′～36°16′N 和89°24′～102°23′E，海拔为3 450～6 621 m，流域面积为36万km2[11]，为典型的高原大陆性气候。中国气象局在该地区现设气象台站19 个，受各站台建站时间及个别台站迁站影响，有些台站气象数据不连续。为获取连续长时间序列气象数据，将缺测10年以上的台站剔除，最终本研究数据选用位于该区域的13 个气象台站(图1)。本研究采用唐敏等[4]的区域划分方法，将三江源源区细划分为长江源区(包括曲麻莱、玉树、五道梁、清水河和沱沱河5 个站点)，澜沧江源区(包括囊谦和杂多2 个站点)，黄河源区(包括兴海、达日、玛多、久治、玛沁和泽库6 个站点)。降水量观测数据的时间跨度为59年(1961-2019年)，为保证降水资料的稳定和均一性，所有数据经过时间一致性检验和极值检验。对于个别台站的缺测值，以缺测时刻前后相邻时段的值进行线性回归插值代替，且通过了0.01 水平的显著性检验。

图1 三江源区气象站点的地理位置分布Figure 1 Distribution of meteorological stations across the Three-River Headwater region

1.2 数据处理方法

采用气象学上的标准进行季节划分：3月 -5月为 春季，6月 -8月为 夏季，9月 -11月 为秋 季，12月份 -翌年2月为冬季。采用一元线性回归和滑动平均法，拟合三江源流域及各源区降水序列年际、季节和月际变化趋势。序列相对于时间变化的相关性变动通过线性回归进行求解[12]。滑动平均采用低通滤波的方式来确定变化趋势，时间周期选为5年。采用变异系数和累积距平来衡量三江源地区降水数据波动特征[13]，累积距平分析可通过距平累积值变动情况，直观判断序列突变点。

累积距平计算公式为[14]：

式中：xi为某一年或年代的降水量，为某一时段内的平均降水量。各年份累积距平值计算后，绘制曲线，从其起伏状况判断降水量长期演变趋势，呈上升趋势，表示增加，反之减少。

运用重标极差分析计算H 值(Hurst 指数)，预测未来三江源地区降水量变化情形[15-16]。考虑一个时间序列，对于任意正整数τ ≥ 1，H 值可根据计算出的τ 值和极差/标准差的比值，在双坐标系(lnτ,ln R/S)中用最小二乘法拟合式R/S∞τH 得到，根据该原理可由Matlab 语言直接输出H 值。计算相对简单，其值可以有效探索非线性系统趋势变化。H 值为0.5 表示降水序列有随机性不存在趋势变动，且数据相互独立；0 ≤ H＜0.5 表明具有反持续性的序列变化，即未来降水变化与过去相反；0.5＜H ≤ 1 表示正持续性。

1.3 数据统计与作图

降水量和降水日数原数据采用Microsoft Excel 2010 进行预处理，变异系数和趋势显著性检验采用SAS 9.0 (SAS Institute,Cary,NC,2010)软件分析，用最小差异显著法进行多重比较，并进行P≤ 0.05 水平的差异显著性分析及方差分析。在ArcGIS (Esri，Arcgis Server 10.2)下通过反距离加权插值法绘制降水量的空间分布图，进行流域各季节降水量和年降水量的空间差异分析，并采用SigmaPlot 10.0 (MMIV Systat Software,Inc.,San Jose,CA)绘制图。

2 结果与分析

2.1 三江源地区降水量季节变化特征

近59年三江源区降水量季节变化较大，降水主要集中在夏、秋两季，冬季最少，四季的降水量均呈上升趋势(图2)。具体而言，春季的平均降水量为76.3 mm，远低于夏季(281.0 mm)和秋季(103.2 mm)，但是春季降水倾向率最大，达到5.27 mm·10 a-1，且通过了P＜0.05 显著性水平检验，夏季、秋季、冬季均未通过P＜0.05 显著性水平检验；历年春季降水波动幅度相比其他三季比较平稳，1995年之前，除1989年降水出现峰值(104.8 mm)，其余年份基本低于平均值，1966年仅为45.9 mm，为历年最低值，但自1997年始，降水呈增加趋势，基本在平均值以上。夏季的最大和最小值出现在2012年和1978年，极差为113.1 mm，且年份之间浮动频率较大。秋季历年间多寡交替变化显著(P＜0.05)，而冬季降水量最低，平均为10.2 mm，最小年份降水量仅为2.7 mm(1962年)。

图2 三江源流域1961-2019年降水的季节变化Figure 2 Seasonal variation in precipitation in the Three-River Headwater region during the period 1961-2019

各源区降水集中在夏、秋两季，不同源区之间的降水略有差异，黄河源区春季降水量最大，其余三季以澜沧江源区最高，而长江源区四季基本均处于最低值(图3)。长江源区、黄河源区和澜沧江源区春季的平均降水量分别为58.89、91.52 和76.23 mm，仅比冬季高，但是该季节降水倾向率最大(表1)，尤

表1 长江源区、黄河源区和澜沧江源区季节降水倾向率Table 1 Climatic trends in the rate of seasonal precipitation in the Yangtze River,Yellow River,and Lantsang Headwater region during the period 1961-2019

图3 三江源区1961-2019年降水的季节变化Figure 3 Seasonal precipitation in the Three-River Headwater region during 1961-2019

其是长江和澜沧江源区达到了2.69 和2.80 mm·10 a-1，增湿现象最显著(P＜0.05)。夏季3 个源区历年的降水量多寡交替出现，变化趋势基本一致，降水量最大的澜沧江源区达到了333.62 mm，但是夏季降水倾向率为四季最低的季节。长江源区秋季平均降水量为85.51 mm，黄河和澜沧江源区平均降水量分别为113.18 和119.03 mm，且呈不显著上升趋势(P＞0.05)，降水倾向率仅为0.01 和0.09 mm·10 a-1。冬季3 个源区的平均降水量分别为8.7、10.47 和12.53 mm，降水增速最大的年份为2016-2019年，其中仅黄河源区通过了显著性水平检验(P＜0.05)。

2.2 三江源地区降水量年份变化特征

三江源区1961-2019年平均降水量为470.7 mm，多寡交替的波动状变化明显(图4)，降水倾向率为10.31 mm·10 a-1，呈现上升的趋势。M-K 检测结果表明，年份降水量在95%置信区间未通过显著性检验，年份降水系列变化趋势不显著(P＞0.05)。降水量的最大和最小值年份出现在1969 和2018年，分别为399.3 和589.1 mm，极差值为189.8 mm，为平均降水量的40.2%，年际间振幅变化较大。1961-1966年降水量波动较小，在1967年显著增加，随后呈波动下降趋势；1971-1989年波动幅度较大，1990-2005年降水量小于平均值(除1999 和2003年)，自2005年之后呈波动上升趋势。1961-2002年降水量累积距平大致呈下降趋势，2003-2019年呈上升趋势，2002年为降水增加突变点。

图4 三江源区1961-2019年降水量的年份变化及其累积距平Figure 4 Interannual variation in precipitation and the cumulative change therefrom during the period 1961-2019 in the Three-River Headwater region

不同源区年均降水量由多到少依次为澜沧江源区、黄河源区和长江源区，多年平均降水量分别为541.4、503.2 和404.4 mm (图5)。长江源区最大和最小降水量出现在1984年 (289.9 mm)和2009年(535.3 mm)，极差为250.4 mm，属于相对少雨地区，但是该源区的降水倾向率达到11.6 mm·10 a-1，高于黄河源区(10.1 mm·10 a-1)和澜沧江源区(6.3 mm·10 a-1)，增湿效应显著(P＜0.05)。黄河源区最大和最小降水量分别为378.0 mm (1962年)和656.9 mm (2019年)，极差278.9 mm，而澜沧江源区降水量多寡交替现象最为显著(P＜0.05)。从累积距平上来看，1961-1966年澜沧江源区降水量显著上升(P＜0.05)，随后下降，而黄河源区和长江源区则变动振幅相对较小，自1966年后，各源区变化趋势基本一致，1967-1973年下降，1974-1976年短暂上升后又下降，1979年出现低谷值，1980-1985年降水量增多，90年代初到21 世纪初期则明显减少，之后呈现逐渐上升的趋势。

图5 三江源区历年降水量变化和累积距平Figure 5 Annual precipitation levels and the cumulative departure therefrom of the Three-River Headwater region

表2 三江源区1961-2019年的年代际降水量Table 2 Chronological characteristics of precipitation during the period 1961-2019 in the Three-River Headwater region

2.3 三江源地区降水量的年代际变化特征

三江源流域每10年的降水量呈现波动变化(表2)，自1960-1990年降水量呈上升趋势，在1991-2000年下降，随后又上升，在2011-2019年达到了最大值512.82 mm，增湿现象显著。春、秋两季的年代际降水量变化与全年趋势一致；而夏季则为上升、下降交替出现的趋势，最大降水量在2001-2010年达到295.45 mm；冬季在1960-1990年表现为上升，2001-2010年下降，随后又上升至13.17 mm。

2.4 三江源地区降水量空间变化特征

三江源流域1961-2019年降水量变化的空间分布(图6)，源区降水量表现出显著的空间差异，大致呈现出自东南向西北减少的趋势。东南部地区的久治降水量最大，达到751.0 mm，是三江源平均降水量的1.6 倍；其次为南部的囊谦(538.7 mm)和杂多地区(536.9 mm)；而西北地区的五道梁和沱沱河仅为299.9 和295.8 mm；黄河源区各站点降水量变化幅度最大，在327.6～751.0 mm。

图6 三江源区1961-2019年降水量的空间特征Figure 6 Spatial characteristics of interannual precipitation during the period 1961-2019 in the Three-River Headwater region

三江源区不同季节的降水倾向率在空间上差异较大(图7)，但不同源区各站点降水量均呈现增加的趋势，且春、冬两季的增加量大于秋、夏两季。春季降水倾向率表现为澜沧江源区＞长江源区＞黄河源区，最大和最小值分别为五道梁(2.97 mm·10 a-1)与兴海(0.28 mm·10 a-1)，曲麻莱站点降水倾向率为0.57 mm·10 a-1，为长江源区最低站点，达日站点降水倾向率为2.52 mm·10 a-1，为黄河源区最高站点。夏、秋两季的降水倾向率表现为由西北向东南减少的趋势，降水增加量夏季小于秋季，但最大值均出现在五道梁地区。冬季降水量变化的空间分布与其他三季相反，由西北向东南增加，黄河源区降水倾向率最大。

图7 三江源区1961-2019年降水倾向率的四季变化空间特征Figure 7 Spatial characteristics of seasonal precipitation in the Three-River Headwater region during the period 1961-2019

2.5 三江源地区降水日数变化特征

三江源流域年均降水日数为139.61 d，变异系数为0.07，呈不显著性降低趋势(P＞0.05)，降水日数倾向率为-0.01 d·10 a-1(表3)；降水日数以夏天最多，冬天最少，整体上春、冬两季呈上升趋势，尤其是春天降水日数倾向率最大，达到0.67 d·10 a-1，夏、秋两季逐渐减少。长江源区降水日数小于三江源流域平均值，澜沧江源区最大(144.12 d)，且该区降水日数倾向率也最大，为1.27 d·10 a-1，黄河源区变异系数为0.1，降水日数呈减少趋势。

表3 三江源区1961-2019年降水日数变化特征Table 3 Change in the characteristics of precipitation days during the period 1961-2019 in the Three-River Headwater region

2.6 三江源地区降水量变化的未来趋势预测

运用重标极差分析法对三江源流域近59年的年际和季节降水量的Hurst 值进行计算 (图8)。三江源流域年份Hurst 值为0.701 2，四季中最高值为冬季，达到0.735 4，最低值出现在春季，Hurst 值为0.632 4。各源区年份Hurst 值表现为长江源区＜黄河源区＜澜沧江源区，春、夏季长江源区Hurst 值最大，而秋、冬季Hurst 值最大分别出现在澜沧江源区和黄河源区，但是所有值均大于0.5，具有显著Hurst 现象，表现为正持续性，未来降水变化呈增加趋势。

图8 三江源区年际和季节降水量的 Hurst 指数Figure 8 Hurst indexes of yearly and seasonal precipitation in the Three-River Headwater region

3 讨论

3.1 三江源地区1961-2019年降水量的变化特征

降水时空演变反映区域气候与生态环境变动，可指导人类的生活生产[17-18]。三江源地区是全球气候变化的关键区和敏感区，对全球气候有重要的影响和指示作用[19-20]。本研究发现1961-2019年三江源地区降水量以10.31 mm·10 a-1的速率增加，这与Deng 等[21]研究结果一致，表明近年来三江源区暖湿化增强，并且2002年降水量年份累积距平达到最低值，随后距平值上升，表明2002年为降水增加突变点；但是这与唐红玉等[5]得出的三江源区降水量以6.73 mm·10 a-1的幅度减少的结论相反。降水变化特征存在差异是由于采用的降水数据系列长短不同造成的[22]，唐红玉等[5]的数据年代为1956-2004年，而2002年为降水增加突变点，2003-2019年降水量累积距平逐渐上升，增湿显著。因此本研究更能反映近期三江源区对全球气候变化的响应趋势。三江源地区草地面积占我国草地总面积的30%，草地植被深刻影响着源区生态系统平衡[23]，降水量变化趋势的研究，可为牧草地的合理布局提供理论基础。

受经纬度、地形起伏和不同季风环流的交替等因素影响，降水量呈现出明显差异且变化复杂的区域特性[24]。不同源区降水量由小到大表现为长江源区、黄河源区和澜沧江源区，降水与海拔呈反比关系，但不表现为线性相关，这与强安丰等[13]研究结果类似。不同源区降水量多寡交替现象显著，年极差均超250 mm，大于源区平均年降水量(470.7 mm)的50%，尤其是2002年之后，降水整体增多，但极差现象也表现出显著趋势。由于受南方涛动-厄尔尼诺与北大西洋涛动因素综合影响，自西南方向输送的水汽在近30年增强，引起更多的降水[25]，也造成了三江源区极端降水年际波动剧烈[26]。三江源区降水主要集中在夏、秋两季，春、冬季较少，具有典型的高原大陆性气候特征；春季平均降水量为76.3 mm，仅较冬季降水量高，但是春季降水倾向率达到5.27 mm·10 a-1，增湿速率最快。年降水倾向率的增加，与春、冬季增湿密切相关。春季降水量的增加，可能与我国西北地区西风偏弱，南风偏强有关，利于源自西太平洋及印度洋的南方水汽向北输送[27]，并且降水强度也呈增强趋势。

3.2 三江源地区1961-2019年降水量空间格局变化及影响因素

三江源地区地形复杂，气候条件和气候变化带有明显的空间属性差异[28]。本研究表明源区的降水量空间变化表现为自东南向西北减少趋势，这与郭佩佩等[29]研究结果一致，与青藏高原整体的降水特征分布相同，可能是由于高原的阻挡，导致西南季风无法深入以及东部降水充沛等因素的综合作用。黄河源区、澜沧江源区和长江源区的降水量依次减少，但长江源区降水倾向率最高，说明源区越干燥的地区增湿现象越明显。长江源区地处高原腹地，受地势与气流输送变化的影响，该区年、季降水倾向率周期等与黄河、澜沧江两源区差异性较大，降水量变化特征更趋同于青藏高原的降水变化[7]，高原气候特征更显著。

地形是降水量存在空间差异的主要影响因素，另一方面，全球变暖背景下，不同流域的海拔和下垫面导致各源区增温幅度不同，冰川和积雪反馈作用的速率存在差异，也可能间接影响降水[30]。各源区降水总量呈增加态势，但降水日数呈不显著性降低趋势，表明雨强增加，雨水的溅蚀作用可能会对土壤造成一定的破坏。运用重标极差分析得到的Hurst 值均大于0.5，表明未来降水量与过去变化趋势一致，降水量持续增加。而源区降水量的增加可提高浅层土壤含水量[31]，利于源区植被生长发育。但三江源地区降水也受控于全球气候变化[32]，作为敏感、脆弱的高原生态系统，微小波动的气候变化也可能导致三江源区生态系统的强烈响应[19]，降水量的变化对源区系统的影响(诸如植被、大气环流、径流等)需进一步研究。三江源区地处高原，气象站点较少，本研究通过反距离加权插值法，绘制的降水量的空间分布图，可能存在一定误差，随着中国气象局在三江源区布置站点的增加，在后续研究中会增加更多、更新观测资料，以准确地反映该区降水的时空分布规律。

4 结论

时间尺度上，1961-2019年三江源区年平均降水量为470.7 mm，多寡交替的波动状变化明显，整体呈现逐增趋势，但降水日数呈不显著性降低趋势。1961-2002年降水量累积距平大致呈下降趋势，2003-2019年呈上升趋势，2002年为降水增加突变点。不同源区间，黄河源区春季降水量最大，其余三季以澜沧江源区最高，长江源区四季均处于最低值。空间尺度上，三江源区年降水量自西北向东南递增，黄河源区各站点降水量空间变化幅度最大；春、夏、秋三季的降水倾向率表现为由西北向东南减少的趋势，但冬季降水倾向率变化相反。降水量长程变化Hurst 值大于0.5，预测未来降水量变化亦呈增加趋势。