1961 - 2018年青海高原昼夜雨量时空变化特征分析
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Research of the spatio-temporal variation characteristics of daytime and nighttime precipitation in the Qinghai Plateau from 1961 to 2018
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通讯作者:
编委: 周成林
收稿日期: 2020-04-08 修回日期: 2020-07-14
基金资助: |
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Received: 2020-04-08 Revised: 2020-07-14
作者简介 About authors
刘义花(1979-),女,青海平安人,副研级高级工程师,2007年在青海师范大学获硕士学位,从事气象灾害风险评估与区划研究.E-mail:
关键词:
Keywords:
本文引用格式
刘义花, 马元仓, 杨延华, 李斌春, 朱宝文.
LIU Yihua, MA Yuancang, YANG Yanhua, LI Binchun, ZHU Baowen.
0 引言
青海高原地处青藏高原东北部, 是气候变化的敏感区和脆弱区[1-2], 气候变化将直接或间接影响人类的生产、 生活方式, 尤其是进入21世纪以来, 青海高原暖湿化趋势以及降水空间格局的显著变化[3-6], 将会对青海高原农牧业生产格局以及其他行业产生影响。此外, 青海高原属大陆干旱性气候、 雨热同期, 降水日循环对于地表水(径流、 蒸发)影响很大, 昼夜降水格局的改变将改变地表温度变化[7-8], 影响大气湿对流和云的形成, 进而改变地表太阳辐射和长波辐射, 对农作物及牧草的生长发育及生态环境变化产生影响,而青藏高原气候变化具有超前性和敏感性, 因此青藏高原地区气候变化及其影响研究具有重要的现实价值和科学意义。
近年来许多学者, 对青藏高原降水、 气温变化方面有大量研究, 易湘生等[9]、 卢鹤立等[10]、 张晓等[11]、 刘维成等[12]、 刘义花等[13]利用气象站资料分析了青藏高原、 青海省及其所属区域气温、 降水、 降水日数等时空变化特征分析, 范科科等[14]利用青藏高原土壤水数据分析了土壤水分时空格局并预估未来100年内青藏高原土壤水变化; 徐慧等[15]计算了逐年月降水的异质性和降水集中性指数, 验证了青海省正向暖湿型转型, 李林等[16]分析了近56年来青藏高原气候变化与高原主体差异性及其可能的气候成因; 刘晓琼等[17]通过三江源地区降水量的时空特征分析, 表明三江源地区降水量呈弱增多趋势。王胜、 白松竹、 韩云环等[18-20]研究了安徽、 新疆等地区昼夜降水变化特征。总体来看, 已有关于青海高原气候变化方面的研究主要涵盖了降水量、 气温等要素的时空演变特征及其影响, 其次, 相关学者对年、 月、 日气候要素方面研究颇多, 但对更精细的分钟、 小时为单位降水、 气温等要素方面探索不足, 由于全球变暖和水循环加快, 使青海高原暖湿化趋势特征显著, 鉴于气候变化的复杂性, 本文试图综合分析研究区昼夜降水时空变化特征, 探寻青海高原降水的变化规律, 为青藏高原日后的预报预警工作及防灾减灾部署具有指导意义。
1 资料与方法
1.1 数据来源
本文采用青海高原气象台站昼夜降水量资料, 一日中出现在20:00-08:00(北京时间, 下同)的降水作为一个夜雨日计算, 其降水量为当日夜雨量; 出现在08:00-20:00的降水作为一个昼雨日, 其降水量为昼雨量。气象资料考虑到台站迁徙和资料的稳定性, 剔除了资料长度不够的站点, 选取了47个气象台站1961 - 2018年小时降水资料进行分析(图1), 此外, 根据青海省生态功能的差异划分了东部农业区、 青海湖地区、 柴达木盆地区、 青南牧区。
图1
图1
青海高原生态功能区及47个气象台站分布示意图
Fig.1
The distribution of four ecological function areas and 47 meteorological stations in Qinghai Plateau
1.2 研究方法
1.2.1 滑动t检验
滑动t检验方法是考察两组样本平均值的差异是否显著, 来检验要素序列是否存在突变点。对某一时间序列的两段子序列, 在假设它们所服从的正态母体方差相等的条件下, 如果它们的均值差异超过了一定的显著性水平, 则可以认为两均值发生突变, 详细方法和公式介绍及滑动F检测法请参考文献[21]。
1.2.2 小波变换原理
式中: a为尺度因子(a≠0), 反映频域特征; b为时间因子, 反映时域特征;
2 结果与分析
2.1 昼雨量时间分布特征
1961 - 2018年青海高原年平均昼雨量为153.5 mm, 呈明显的增多趋势, 每10年增多4.4 mm[图2(a)], 且通过了0.01的显著性检验, 从5年滑动平均曲线可以看出, 青海高原20世纪80年代及2000年以来是昼雨量的偏多期, 其他时段为偏少期, 呈少-多-少-多波动变化规律。就各功能区而言, 东部农业区、 青海湖地区、 青南牧区及柴达木盆地平均昼雨量分别为155.2、 173.2、 201.0、 53.3 mm[图2(b)], 各生态功能区昼雨量均呈明显增多趋势, 增多率分别为1.8、 5.3、 7.5、 4.6 mm·(10a)-1, 尤其是青海湖地区及青南牧区昼雨量增多明显, 且四个生态功能区昼雨量变化率均通过了0.01的显著性检验。
图2
图2
青海高原昼雨量、 线性趋势、 5年滑动平均变化(a)及4个生态功能区昼雨量、 线性变化曲线(b)
Fig.2
Annual variations of daytime precipitation and its linear tendency and 5-years moving average in the Qinghai Plateau (a) and of its four subarea (b)
1961 - 2018年青海高原春、 夏、 秋、 冬(图3)平均昼雨量分别为26.0、 94.7、 30.5、 2.5 mm, 一年四季当中夏季昼雨量最多, 秋季和春季次之, 冬季最少, 且四季昼雨量均呈增多趋势, 增多率为0.2~2.5 mm·(10a)-1, 其中春、 夏两季增多尤为明显; 东部农业区、 青海湖地区、 青南牧区及柴达木盆地四季昼雨量总体均呈增加趋势, 东部农业区春夏两季昼雨量以0.5~1.1 mm·(10a)-1速率增加, 其余两季无明显变化趋势; 青海湖地区(春、 夏、 秋)三季昼雨量以0.7~5.9 mm·(10a)-1速率增加, 冬季昼雨量无明显变化趋势; 青南牧区春、 夏及秋季昼雨量增加率为0.6~2.3 mm·(10a)-1, 冬季昼雨量无明显变化趋势; 柴达木盆地(春、 夏、 秋)三季昼雨量以0.6~3.3 mm·(10a)-1速率增加, 春季青南牧区、 夏季环青海湖地区及柴达木盆地通过了0.001显著性检验, 秋季柴达木盆地、 冬季青南牧区均通过0.05显著性检验, 其余均未通过显著性检验。通过上述分析表明: 青海高原四个生态功能区春、 夏、 秋三季昼雨量增加趋势明显, 而冬季昼雨量无明显趋势性变化。
图3
图3
青海高原四季昼雨量年际变化、 线性趋势及5年滑动平均
Fig.3
Annual variations of daytime precipitation and its 5-years moving average in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in the Qinghai Plateau
2.2 夜雨量时间分布特征
1961 - 2018年青海高原平均夜雨量为220.6 mm[图4(a)], 每10年增多3.8 mm, 通过了0.1显著性检验, 从5年滑动平均曲线可以看出, 青海高原20世纪80年代及2000年以来是夜雨量偏多期, 其他时段为偏少期, 总体呈少-多-少-多波动变化规律。东部农业区、 青海湖地区、 青南牧区及柴达木盆地平均夜雨量分别为247.5、 228.6、 286.3、 66.7 mm[图4(b)], 各生态功能区夜雨量均呈明显增多趋势, 增多率为1.2~6.2 mm·(10a)-1, 尤其是青海湖地区和柴达木盆地增幅明显, 其中柴达木盆地、 环青海湖地区夜雨量均通过0.01显著性检验, 其余地区均未通过显著性检验。
图4
图4
青海高原夜雨量年际变化、 线性趋势、 5年滑动平均(a)及4个生态功能区(b)夜雨量变化曲线
Fig.4
Annual variations of nighttime precipitation and its linear tendency and 5-years moving average in the Qinghai Plateau (a) and of its four subarea (b)
1961 - 2018年青海高原春、 夏、 秋、 冬(图5)平均夜雨量分别为41.7、 126.1、 48.7、 4.3 mm, 一年四季当中夏季夜雨量最多, 秋季和春季次之, 冬季最少, 且四季夜雨量均呈增多趋势, 增多率0.2~1.6 mm·(10a)-1, 其中春、 夏两季增多明显, 春季和冬季夜雨量通过0.05的显著性检验, 其余两季未通过显著性检验。就各功能区而言, 东部农业区春、 秋两季夜雨量以0.9~1.1 mm·(10a)-1速率增加, 夏季以0.7 mm·(10a)-1的速率减少, 冬季无明显变化趋势, 四季夜雨量均未通过显著性检验。环青海湖地区及柴达木盆地夜雨量在春、 夏、 秋三季均呈明显增多趋势, 增多率为0.7~4.3 mm·(10a)-1, 冬季无明显变化趋势, 环青海湖地区仅夏季和冬季通过0.1显著性检验, 柴达木盆地四季均通过0.1显著性检验。青南牧区春、 秋、 冬三季夜雨量均呈明显增多趋势, 增多率为0.5~3.0 mm·(10a)-1, 夏季夜雨量无明显变化趋势, 青南牧区春季和冬季通过0.01显著性检验。综上所述, 环青海湖地区及柴达木盆地(春、 夏、 秋)、 东部农业区和青南牧区(春、 秋)夜雨量均呈增多趋势, 而东部农业区夏季夜雨量呈减少趋势。
图5
图5
青海高原四季夜雨量年际变化、 线性趋势及5年滑动平均
Fig.5
Annual variations of nighttime precipitation and its 5-years moving average in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in the Qinghai Plateau
2.3 昼夜雨日特点
1961 - 2018年青海高原年平均昼夜雨日数分别为71 d、 72 d(表1), 其中夜雨日数呈减少趋势, 每10年减少1 d, 昼雨日无明显变化趋势, 一年四季当中夏季昼夜雨日均最多, 秋季和春季次之, 冬季最少。青南牧区及柴达木盆地年昼雨日数呈增多趋势, 增多率为0.9~1.2 d·(10a)-1, 东部农业区呈减少趋势, 而青海湖地区无明显变化趋势; 柴达木盆地夜雨日数呈增加趋势, 而其余三个区域夜雨日数均呈明显减少趋势, 尤其是东部农业区减少幅度明显。综上所述, 青海高原昼雨日数呈增加趋势, 夜雨日数呈减少趋势, 其中东部农业区昼夜雨日均呈减少趋势, 而柴达木盆地昼夜雨日增加趋势明显。
表1 青海高原及各功能区四季昼夜雨日及年变率
Table 1
时间 | 地区 | 春季雨日/d | 夏季雨日/d | 秋季雨日/d | 冬季雨日/d | 年雨日/d | 年雨日变率/[d·(10a)-1] |
---|---|---|---|---|---|---|---|
昼 | 青海高原 | 15.9 | 33.2 | 16.0 | 4.8 | 71.2 | 0.3 |
东部农业区 | 14.5 | 30.9 | 15.9 | 3.9 | 65.2 | -0.5 | |
环青海湖地区 | 15.8 | 36.8 | 14.7 | 3.5 | 73.0 | -0.1 | |
青南牧区 | 23.1 | 43.8 | 23.7 | 7.2 | 99.1 | 0.9* | |
柴达木盆地 | 5.7 | 15.1 | 4.2 | 2.8 | 28.6 | 1.2** | |
夜 | 青海高原 | 16.7 | 30.9 | 17.0 | 6.0 | 71.8 | -0.7 |
东部农业区 | 17.4 | 30.3 | 19.1 | 6.6 | 73.4 | -1.8* | |
环青海湖地区 | 16.5 | 33.5 | 16.3 | 4.6 | 73.2 | -0.7 | |
青南牧区 | 22.9 | 40.2 | 23.3 | 8.2 | 95.9 | -0.8 | |
柴达木盆地 | 5.3 | 13.8 | 4.4 | 2.8 | 27.0 | 1.2*** |
2.4 昼夜雨量空间特征
1961 - 2018年青海高原昼夜雨量总体表现为由东南向西北减少的特征。青海高原昼雨量为124.2~218.4 mm[图6(a)], 其中东部农业区、 环青海湖地区、 青南牧区、 柴达木盆地平均昼雨量分别为109.4~223.7、 133.4~247.3、 155.9~271.9、 26.9~97.9 mm。从昼雨量的气候变化倾向率来看[图6(b)], 东部农业区局部及柴达木盆地西部昼雨量以0.2~6.0 mm·(10a)-1的速率减少, 省内其余地区以0.8~15.9 mm·(10a)-1速率增加。1961 - 2018年青海高原夜雨量在158.2~289.2 mm之间[图6(c)], 其中东部农业区、 环青海湖地区、 青南牧区、 柴达木盆地平均夜雨量分别为167.5~380.4、 169.2~297.4、 202.5~359.1、 36.1~109.1 mm。从夜雨量的气候变化倾向率来看[图6(d)], 东部农业区东南部及青南牧区局部夜雨量以1.1~8.1 mm·(10a)-1速率减少, 省内其余地区以0.6~14.9 mm·(10a)-1速率增加。通过上述分析表明:青南牧区、 东部农业区是昼夜雨量的大值区, 其中东部农业区部分地区昼夜雨量均呈减少趋势, 加之东部农业区是农作物种植区及人口集中, 昼夜雨量减少对浅山及脑山农业发展较为不利。此外, 柴达木盆地虽是昼夜雨量的小值区, 但其降水量变率较大, 降水的极端性增加。
图6
图6
青海高原昼夜雨量及昼夜雨量变率空间分布
Fig.6
Spatial distributions of daytime precipitation (a) and its ten year changing rate (b), and nighttime precipitation (c) and its ten year changing rate (d) in the Qinghai Plateau
2.5 昼夜雨日数空间变化
青海高原昼夜雨日呈现东南多西北少的特征, 东部农业区昼夜雨日变率减少变率明显, 而青南牧区、 柴达木盆地东部昼夜雨日增加变率明显。近58年青海高原昼雨日数在62~87 d之间[图7(a)], 东部农业区、 环青海湖地区、 柴达木盆地、 青南牧区昼雨日数分别为54~84、 59~89、 18~40、 85~121 d。从青海高原昼雨日数气候倾向率来看[图7(b)], 东部农业区、 柴达木盆地西部局部减少趋势明显, 减少率为1~5 d·(10a)-1, 其余地区以每10年1~4 d的速率增加, 其中青南牧区及柴达木盆地昼雨日变率分别通过了0.1、 0.001的显著性检验, 青海高原及其他2个生态功能区未通过显著性检验。青海高原夜雨日在61~91 d之间[图7(c)], 其中东部农业区、 环青海湖地区、 柴达木盆地、 青南牧区夜雨日数分别为57~103、 60~89、 19~40、 79~119 d。从青海高原夜雨日数气候倾向率来看[图7(d)], 柴达木盆地、 青南牧区中西部、 环青海湖南部少数地区夜雨日每10年增加1~2 d, 其余地区均呈减少趋势, 减少率1~6 d·(10a)-1, 其中东部农业区及柴达木盆地夜雨日变率通过了0.01的显著性检验, 青海高原及其他3个生态功能区未通过显著性检验。
图7
图7
青海高原昼夜雨日及昼夜雨日变率空间分布
Fig.7
Spatial distributions of daytime rainy day (a) and its ten year changing rate (b), and nighttime rainy day (c) and its ten year changing rate (d) in the Qinghai Plateau
3 周期分析
图8
图8
青海高原及四区昼雨量小波方差及小波系数
Fig.8
Annual variations of wavelet variance and wavelet coefficient of daytime precipitation in the Qinghai Plateau and its four subareas
图9
图9
青海高原及四区夜雨量小波方差及小波系数
Fig.9
Annual variations of wavelet variance and wavelet coefficient of nighttime precipitation in the Qinghai Plateau and its four subareas
青海高原夜雨量具有3 a、 6 a的准周期, 3 a周期表现强势, 其中东部农业区夜雨量3 a周期表现强势, 尤其是2006年以来, 东部农业区夜雨量偏少趋势明显, 柴达木盆地夜雨量18 a周期表现强势, 尤其进入21世纪以来, 柴达木盆地夜雨量呈明显的增加趋势, 环青海湖地区6 a、 青南牧区8 a周期表现强势, 但两地期内变化趋势不明显。
4 突变分析
气候突变是普遍存在于气候变化中的一个重要现象, 经过滑动t检验方法对青海高原及各区昼夜雨量时间序列采取滑动的方法连续设置基准点, 并确定基准点前后两个子序列的样本相同, 即n1=n2=15, 用滑动t检验对1961 - 2018年青海高原及四个区昼夜雨量序列进行突变检验。近58年来, 青海高原、 东部农业区、 环青海湖地区、 柴达木盆地昼雨量均无明显的突变现象(图10), 但青南牧区昼雨量(2001 - 2003年)T统计量超过了0.01的显著性水平, 表明青南牧区昼雨量在2003年前后存在明显突变现象。与此同时, 青海高原、 东部农业区、 青南牧区近58 a来夜雨量无明显突变现象, 而环青海湖地区T统计量最大值1.2(1989年), 最小值为-2.8(1975年), 柴达木地区T统计量最大值0.3(1989年), 最小值为-4.0(2003年), 且环青海湖地区(1977 - 1980年)、 柴达木盆地(2001 - 2003年)夜雨量T统计量超过了0.01的显著性水平, 表明环青海湖地区、 柴达木盆地夜雨量分别在1979年、 2003年出现了突变现象。
图10
图10
青海高原及四个生态功能区域年平均昼夜雨量的滑动t检验(上下两红线为0.01显著性水平临界值信度线)
Fig.10
The moving t-test of daytime precipitation (a) and nighttime precipitation (b) in the Qinghai Plateau and its four subareas from 1961 to 2018
5 结论
(1) 青海高原20世纪80年代及2000年以来是昼夜雨量偏多期, 其他时段为偏少期, 其中青海高原各生态功能区(春、 夏、 秋)三季昼雨量增加趋势明显, 冬季昼雨量增加不明显, 而环青海湖地区、 柴达木盆地(春、 夏、 秋)三季、 东部农业区和青南牧区(春、 秋)两季夜雨量均呈增多趋势, 夏季夜雨量增加不明显, 东部农业区部分地区夜雨量呈减少的趋势。青海高原昼夜雨日呈现东南多西北少的特征, 东部农业区昼夜雨日减少明显, 而青南牧区、 柴达木盆地东部昼夜雨日增加明显。
(2) 柴达木盆地中西部、 东部农业区及青南牧区局部昼夜雨量均呈减少趋势, 表明该地区有旱化趋势, 而柴达木盆地东部、 环青海湖地区、 青南牧区大部昼夜雨量呈增多趋势, 表明该区域暖湿化现象明显。
(3) 通过小波波谱分析, 青海高原昼雨量2 a周期表现强势, 其中东部农业区3 a周期、 柴达木盆地7 a周期、 青南牧区2 a周期、 环青海湖地区6 a周期表现明显, 尤其是进入21世纪以来, 东部农业区昼雨量偏少趋势明显, 而柴达木盆地增多态势明显。青海高原夜雨量具有3 a准周期, 其中东部农业区夜雨量3 a周期表现强势, 尤其是2006年以来, 东部农业区夜雨量偏少趋势明显, 柴达木盆地夜雨18 a周期表现强势, 尤其进入21世纪以来, 柴达木盆地夜雨量呈明显的增加态势, 环青海湖地区夜雨量6 a、 青南牧区8 a周期表现强势, 但两地期内变化趋势不明显。
(4) 近58年来, 仅青南牧区昼雨量在2003年前后存在明显突变现象, 而青海高原和其余三个生态功能区昼雨量均无明显的突变现象; 青海高原、 东部农业区、 青南牧区夜雨量无明显突变现象, 而环青海湖地区、 柴达木盆地夜雨量分别在1979年、 2003年出现了突变现象。
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