青藏高原降水氣候變化特征分析

青藏高原降水氣候變化特征分析

降水的時空變化青藏高原被稱為世界三極。它以其廣闊的地域、高大的海拔和復(fù)雜的地形而聞名，并具有獨(dú)特的氣候和氣候特征。研究表明[1~6],青藏高原是影響東亞地區(qū)干旱、洪澇異常災(zāi)害的氣候敏感區(qū),對我國、亞洲、北半球乃至全球的天氣、氣候及環(huán)境變化有著非常重要的作用。一直以來,青藏高原氣候變化研究都是科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)問題,降水變化作為氣候變化的重要組成也倍受重視。伴隨著觀測資料和研究手段的豐富,前人在青藏高原降水的氣候變化特征、成因及影響等方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究[7~27],獲得了一系列有意義的結(jié)果。林振耀等分析指出,高原年降水變化可分為9個區(qū),20世紀(jì)50年代至90年代初期,高原中部及東北部降水減少,其它地區(qū)降水增加?？凳啦雀鶕?jù)高原臺站資料分析指出,50年代以來,降水量呈漸增趨勢。湯懋蒼等分析指出,在20世紀(jì)80年代中期,高原北部降水開始減少,南部開始增多。姚莉等對青藏高原15站1969~1998年降水資料分析指出,高原年降水在80年代中期之前偏少,80年代中期之后偏多。韋志剛等研究表明:1962~1999年青海冬春降水和西藏汛期降水存在相同的位相變化,即20世紀(jì)60年代基本偏多,70年代和80年代初偏少,80年代中到90年代偏多;青海汛期降水20世紀(jì)60年代偏少,70年代和80年代偏多,90年代偏少;西藏冬春降水20世紀(jì)60年代到70年代初偏少,70年代中末期到90年代偏多。杜軍等、吳紹洪等研究發(fā)現(xiàn),1971~2000年青藏高原大部分地區(qū)年降水變化呈增長趨勢,阿里地區(qū)呈明顯減少趨勢。馬曉波等通過分析青藏高原84個臺站自建站至2001年的氣象資料,發(fā)現(xiàn)近40年來高原年降水有所增加,最大漲幅達(dá)10.2%。李生辰等研究發(fā)現(xiàn),近34年來高原年降水整體呈增加趨勢,90年代中后期增加明顯。張文綱等分析了青藏高原及周邊的97個臺站1961~2000年的降水資料,結(jié)果發(fā)現(xiàn),近40年來高原站點(diǎn)的年降水量多表現(xiàn)為增長趨勢,只有青海東南部、南疆及西藏部分站點(diǎn)出現(xiàn)減小趨勢,這一時間變化趨勢的空間分布大致表現(xiàn)為高原中東部和南北的反向變化?？偟恼f來,青藏高原降水的時空演變特征相當(dāng)復(fù)雜,以往研究由于選取站點(diǎn)范圍或資料時段的不同,導(dǎo)致相關(guān)研究結(jié)果存在一定差異,尤其是對于20世紀(jì)末以來降水的變化趨勢缺乏研究,而這正是我們應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文應(yīng)用1967~2012年高原東部地面站的降水?dāng)?shù)據(jù),研究其整年及四季降水的時空演變特征,重點(diǎn)揭示年代際尺度上的時間變化規(guī)律,為全面了解青藏高原降水的氣候變化規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。1區(qū)域氣候特征資料來源于國家氣象信息中心資料室整編的地面測站逐日降水資料集。綜合考慮站點(diǎn)分布和資料缺測的情況,以海拔超過3000m、年代長且時間連續(xù)為原則(柴達(dá)木盆地若干站點(diǎn)海拔低于3000m,高于2700m),選取了位于87~103°E,27~39°N范圍內(nèi)的60個站點(diǎn),覆蓋青藏高原東部,資料時段為1967/1968~2012/2013共46年。按照氣候四季劃分原則,累加當(dāng)年3~5月獲得春季數(shù)據(jù),累加當(dāng)年6~8月獲得夏季數(shù)據(jù),累加當(dāng)年9~11月獲得秋季數(shù)據(jù),累加當(dāng)年12月~次年2月獲得冬季數(shù)據(jù),累加四季獲得整年數(shù)據(jù)。REOF方法用于對降水場進(jìn)行空間分型,滑動t檢驗(yàn)、多項(xiàng)式擬合、線性趨勢估計(jì)方法用于揭示其時間變化特征。REOF是在EOF的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理,使原要素場的信息特征集中映射到荷載場所表示的優(yōu)勢空間型上,簡化原來的特征向量結(jié)構(gòu),使其反映的氣候特征更明顯且更具代表性,從而更容易識別空間型;滑動t檢驗(yàn)、多項(xiàng)式擬合、線性趨勢估計(jì)是應(yīng)用于時間序列分析方面的常規(guī)方法,能清楚揭示其變化趨勢及年代際變化特征。2空間分布特征2.1降水的時空分布圖1a~d分別是青藏高原東部近50年平均的四季降水量空間分布(圖中黑點(diǎn)表示站點(diǎn)位置)。如圖所示,高原東部不同季節(jié)降水的空間特征基本一致:降水量值南北差異明顯,呈由東南向西北遞減的態(tài)勢;降水高值區(qū)主要集中在西藏東部和川西高原,以西藏東南部的波密和川西高原的九龍為中心;降水低值區(qū)主要集中在柴達(dá)木盆地,分別以盆地西北緣的冷湖和南緣的小灶火為中心。2.2旋轉(zhuǎn)前后降水模態(tài)的累積解釋根據(jù)已有研究[7~16],青藏高原地區(qū)降水變化的區(qū)域差異較大,因此對降水場進(jìn)行區(qū)域劃分,進(jìn)而針對不同分區(qū)來分析比較其時間變化特征是十分必要的。本文對近50年高原東部整年及不同季節(jié)的降水場進(jìn)行了REOF處理,比較分析后發(fā)現(xiàn)其分型結(jié)果基本一致。由于篇幅所限,僅給出年降水前十個模態(tài)在旋轉(zhuǎn)前后對總方差的貢獻(xiàn),如表1所示。按照旋轉(zhuǎn)處理后方差貢獻(xiàn)由大到小的順序,本文選取了前八個模態(tài),如圖2a~f所示,將降水場分為對應(yīng)的八個小區(qū),分型結(jié)果與已有研究基本一致。由于高原降水的復(fù)雜性,REOF收斂速度較慢,八個分區(qū)所對應(yīng)的模態(tài)累積解釋方差為68.5%,主要反映出該地區(qū)降水南北反向變化的異常特征:1區(qū)是以丁青、昌都、德格、新龍為中心的西藏東部和川西高原西部;2區(qū)是以定日、江孜為中心的藏南谷地;3區(qū)是以托托河、瑪多為中心的青南高原;4區(qū)是以大柴旦、諾木洪為中心的柴達(dá)木盆地;5區(qū)是以班戈、安多、那曲為中心的藏北高原;6區(qū)是以若爾蓋、紅原為中心的川西高原北部;7區(qū)是以德欽、中甸為中心的青藏高原東南緣;8區(qū)是以剛察、恰卜恰為中心的青海東北部。3時間推移特征由于REOF各模態(tài)高值中心站點(diǎn)能較好代表對應(yīng)的區(qū)域氣候特征,本節(jié)分析中就利用各區(qū)代表站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)來研究其時間變化規(guī)律。3.1降水的時際變化圖3a、b分別是近50年高原東部年降水標(biāo)準(zhǔn)化時間序列、線性趨勢估計(jì)及滑動t檢驗(yàn)的結(jié)果。如圖所示,高原東部年降水呈強(qiáng)增加趨勢;20世紀(jì)90年代后期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。對于不同區(qū)域而言(圖略),1區(qū)年降水呈增加趨勢;20世紀(jì)80年代中期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。2區(qū)年降水呈弱增加趨勢。3區(qū)年降水表現(xiàn)出“偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;21世紀(jì)之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期;降水在2001年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。4區(qū)年降水表現(xiàn)出“偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;21世紀(jì)初之前,尤其是20世紀(jì)70年代,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期;降水在2001年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。5區(qū)年降水呈增加趨勢;20世紀(jì)80年代之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;20世紀(jì)90年代后期以來,降水多為正距平,處于偏多期。6區(qū)年降水表現(xiàn)出“偏多~偏少”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)70年代中期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;70年代中期到80年代中期,降水多為正距平,處于偏多期;80年代中期之后,尤其是到90年代后期這一時段,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;降水在1984年附近發(fā)生了由多到少的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。7區(qū)年降水呈增加趨勢;20世紀(jì)80年代后期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;20世紀(jì)80年代后期以來,尤其是到21世紀(jì)初期這一時段,降水多為正距平,處于偏多期。8區(qū)年降水表現(xiàn)出“偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)80年代之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;80年代,降水多為正距平,處于偏多期;90年代到21世紀(jì)初,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;21世紀(jì)初以來,降水多為正距平,處于偏多期;降水在2001年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。3.2降水的年代際變化特征圖4a、b分別是近50年高原東部和不同區(qū)域春季降水標(biāo)準(zhǔn)化時間序列、多項(xiàng)式擬合及滑動t檢驗(yàn)的結(jié)果。如圖所示,高原東部春季降水表現(xiàn)出“偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)90年代中期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期;降水在1995年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。3.3降水趨勢變化圖5a、b分別是近50年高原東部夏季降水標(biāo)準(zhǔn)化時間序列、線性趨勢估計(jì)及滑動t檢驗(yàn)的結(jié)果。如圖所示,高原東部夏季降水呈增加趨勢;20世紀(jì)90年代后期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。3.4降水年際變化特征圖6a、b分別是近50年高原東部秋季降水標(biāo)準(zhǔn)化時間序列、線性趨勢估計(jì)及滑動t檢驗(yàn)的結(jié)果。如圖所示,高原東部秋季降水的線性趨勢趨近于零且沒有表現(xiàn)出年代際變化特征。對于不同區(qū)域而言(圖略),1區(qū)秋季降水呈弱增加趨勢;20世紀(jì)80年代中期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。2區(qū)秋季降水沒有表現(xiàn)出顯著的線性趨勢和年代際變化特征。3區(qū)秋季降水呈弱增加趨勢;20世紀(jì)90年代后期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。4區(qū)秋季降水表現(xiàn)出“偏多~偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)80年代中期之前,降水多為正距平,處于偏多期;80年代中期到90年代后期,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;90年代末以來,降水多為正距平,處于偏多期;降水在1984年附近發(fā)生了由多到少的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。5區(qū)秋季降水呈增加趨勢。6區(qū)秋季降水呈減少趨勢;20世紀(jì)80年代中期之前,降水多為正距平,處于偏多期;之后,降水多為負(fù)距平,處于偏少期。7區(qū)秋季降水呈弱增加趨勢;20世紀(jì)70年代后期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。8區(qū)秋季降水表現(xiàn)出“偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)90年代末之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期;降水在1999年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。3.5降水的年代際變化特征圖7a、b分別是近50年高原東部冬季降水標(biāo)準(zhǔn)化時間序列、多項(xiàng)式擬合及滑動t檢驗(yàn)的結(jié)果。如圖7a所示,高原東部冬季降水表現(xiàn)出“偏少~偏多~偏少”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)80年代中期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;80年代后期到90年代中期,降水多為正距平,處于偏多期;90年代后期以來,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;降水分別在1986年附近和1996年附近發(fā)生了由少到多和由多到少的顯著突變,均達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。4降水的年際變化特征(1)高原東部降水量南北差異明顯,呈由東南向西北遞減的態(tài)勢;高值區(qū)主要集中在西藏東部和川西高原,低值區(qū)主要集中在柴達(dá)木盆地;降水場可以劃分為八個小區(qū),分別是西藏東部和川西高原西部區(qū)、藏南谷地區(qū)、青南高原區(qū)、柴達(dá)木盆地區(qū)、藏北高原區(qū)、川西高原北部區(qū)、青藏高原東南緣區(qū)以及青海東北部區(qū)。(2)年降水表現(xiàn)出強(qiáng)增加趨勢,20世紀(jì)90年代后期之前降水處于偏少期,之后降水處于偏多期;除川西高原北部區(qū)呈弱減少趨勢外,其余各區(qū)年降水均不同程度的表現(xiàn)出增加趨勢,21世紀(jì)初以來降水偏多;以青南高原區(qū)、柴達(dá)木盆地區(qū)和青海東北部區(qū)最為突出,均在2001年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變。(3)春季降水表現(xiàn)出“偏少~偏多”的年代際變化特征,1995年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變,20世紀(jì)90年代中期之前降水處于偏少期,之后降水處于偏多期;八個分區(qū)均不同程度的表現(xiàn)出增加趨勢,90年代后期以來降水偏多;以藏南谷地區(qū)和柴達(dá)木盆地區(qū)最為突出,分別在1996年和2000年附近發(fā)生由少到多的顯著突變。(4)夏季降水呈增加趨勢,20世紀(jì)90年代后期之前降水處于偏少期,之后降水處于偏多期;八個分區(qū)均不同程度的表現(xiàn)出增加趨勢,90年代后期以來降水偏多;以青南高原區(qū)和青藏高原東南緣區(qū)最為突出,分別在2001年和1989年附近發(fā)生由少到多的顯著突變。(5)秋季降水的線性趨勢趨近于零且沒有表現(xiàn)出年代際變化特征;除川西高原北部區(qū)呈減少趨勢外,其余各區(qū)均不同程度的表現(xiàn)出增加趨勢;以青海東北部區(qū)最為突出,在1999年附近發(fā)生由少到多的顯著突變。(6)冬季降水表現(xiàn)出“偏少~偏多~偏少”的年代際變化特征,分別在1986年和1996年附近發(fā)生了由少到多和由多到少的顯著突變,20世紀(jì)80年代中期之前降水處于偏少期,80年代后期到90年代中期降水處于偏多期,90年代后期以來降水處于偏少期;除西藏東部和川西高原西部區(qū)及青海東北部區(qū)外,其余分區(qū)冬季降水均不同程度的表現(xiàn)出“偏少~偏多~偏少”的年代際變化特征;以藏北高原區(qū)最為突出,分別在1987年和2001年附近發(fā)生了由少到多和由多到少的顯著突變。對于不同區(qū)域而言(圖略),1區(qū)春季降水呈強(qiáng)增加趨勢;20世紀(jì)80年代后期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。2區(qū)春季降水表現(xiàn)出“偏多~偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)80年代中期之前,降水多為正距平,處于偏多期;80年代中期到90年代中期,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;90年代中期之后,降水多為正距平,處于偏多期;降水分別在1983年附近和1996年附近發(fā)生了由多到少和由少到多的顯著突變,均達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。3區(qū)春季降水呈強(qiáng)增加趨勢;20世紀(jì)80年代后期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;90年代中期之后,降水多為正距平,處于偏多期。4區(qū)春季降水表現(xiàn)出“偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)80年代之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,尤其是21世紀(jì)以來,降水多為正距平,處于偏多期;降水在1980年附近和2000年附近發(fā)生了兩次由少到多的顯著突變,均達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。5區(qū)春季降水呈強(qiáng)增加趨勢;20世紀(jì)80年代之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;20世紀(jì)90年代中期之后,降水多為正距平,處于偏多期。6區(qū)春季降水表現(xiàn)出“偏多~偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)70年代后期之前,降水多為正距平,處于偏多期;70年代后期到90年代初期,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;90年代初期之后,降水多為正距平,處于偏多期;降水在1978年附近發(fā)生了由多到少的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。7區(qū)春季降水呈增加趨勢;20世紀(jì)90年代之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。8區(qū)春季降水表現(xiàn)出“偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)80年代初之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,尤其是到90年代初期這一時段,降水多為正距平,處于偏多期;降水在1982年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。對于不同區(qū)域而言(圖略),1區(qū)夏季降水呈增加趨勢;20世紀(jì)90年代后期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。2區(qū)夏季降水呈弱增加趨勢。3區(qū)夏季降水表現(xiàn)出“偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;21世紀(jì)初期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期;降水在2001年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變,均達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。4區(qū)夏季降水呈弱增加趨勢;20世紀(jì)70年代中期之前,降水多為正距平,處于偏多期;70年代后期到21世紀(jì)初,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;21世紀(jì)初以來,降水多為正距平,處于偏多期。5區(qū)夏季降水呈弱增加趨勢;20世紀(jì)90年代后期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;之后,降水多為正距平,處于偏多期。6區(qū)夏季降水呈弱增加趨勢。7區(qū)夏季降水表現(xiàn)出“偏多~偏少~偏多”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)70年代后期之前,降水多為正距平,處于偏多期;70年代末到80年代末,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;90年代以來,降水多為正距平,處于偏多期;降水在1989年附近發(fā)生了由少到多的顯著突變,達(dá)到99%的信度檢驗(yàn)水平。8區(qū)夏季降水呈弱增加趨勢。對于不同區(qū)域而言(圖略),1區(qū)冬季降水沒有表現(xiàn)出顯著的線性趨勢和年代際變化特征。2區(qū)冬季降水表現(xiàn)出“偏少~偏多~偏少”的顯著年代際變化特征;20世紀(jì)70年代中期之前,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;70年代后期到21世紀(jì)初期,降水多為正距平,處于偏多期;21世紀(jì)初以來,降水多為負(fù)距平,處于偏少期;降