何生錄，嚴(yán)應(yīng)存，張亞珍，韓忠全，，許學(xué)蓮張 娟

（1.格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001；3.青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810001；4.久治縣氣象局，青海 久治 814499）

中國(guó)國(guó)家氣候變化評(píng)估報(bào)告新近結(jié)果顯示，1990年以來(lái)中國(guó)氣溫升高趨勢(shì)為1.3～1.7℃/（100 a），遠(yuǎn)高于早期的評(píng)估結(jié)果[1]，氣候變暖已成不爭(zhēng)的事實(shí)。降水是天氣、氣候變化中的一個(gè)重要?dú)庀笠?，是水循環(huán)調(diào)節(jié)的重要環(huán)節(jié)[2-3]，降水對(duì)全球變暖的響應(yīng)尤為突出，降水事件的時(shí)空分布特征隨著全球氣候變暖發(fā)生了改變[4-6]，致使干旱、洪澇等自然災(zāi)害頻發(fā)。鑒于此，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究，申莉莉、李海英等[7-8]對(duì)華北地區(qū)不同等級(jí)降水特征做了細(xì)致分析；張婷等[9-11]分析了華南地區(qū)不同等級(jí)降水氣候變化特征及對(duì)農(nóng)業(yè)的影響，發(fā)現(xiàn)廣東降水量增加主要由降水日數(shù)的增加引起；李廣霞等[12-14]針對(duì)東北地區(qū)降水資源變化進(jìn)行了多方面的探討；孟麗霞等[15-16]深入分析了西北地區(qū)降水特征及貢獻(xiàn)，得出寧夏六盤(pán)山區(qū)降水存在不同的變化規(guī)律，年降水均呈減少趨勢(shì)，且存在準(zhǔn)14、11 a等變化周期，并發(fā)生了多次突變。學(xué)者們對(duì)青藏高原[17-19]、新疆[20-21]等復(fù)雜地形不同等級(jí)降水、極端降水展開(kāi)了廣泛研究，結(jié)果表明青藏高原降水量分布自東南向西北遞減，全區(qū)降水集中度（precipitation concentration degree，PCD）介于0.61～0.71。

祁連山是青藏高原的重要組成部分，其巨大的山體減緩了西風(fēng)環(huán)流對(duì)東部黃河谷地和黃土高原的直接影響[22]，形成中國(guó)西北地區(qū)重要生態(tài)保護(hù)安全屏障，是黃河流域極為重要的水源補(bǔ)給地，具有特殊的生態(tài)地位。祁連山南麓位于青海省境內(nèi)柴達(dá)木盆地北緣，西起當(dāng)金山口，東、北至青海省界，東西總長(zhǎng)800 km，屬大陸性高寒半濕潤(rùn)山地氣候，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，是祁連山生態(tài)環(huán)境整治、保護(hù)和修復(fù)的“主戰(zhàn)場(chǎng)”。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)祁連山降水的分析研究越來(lái)越多，張耀宗等[23]研究發(fā)現(xiàn)，祁連山區(qū)的降水呈明顯的上升趨勢(shì)，但區(qū)域差異性很明顯，西段增加最為顯著，且增加開(kāi)始時(shí)間早于西北其他地區(qū)；賈文雄[24]研究表明，降水與地理位置的相關(guān)性非常顯著，從東到西降水量逐漸減少，降水的變差逐漸增大；陳志昆等[25]分析祁連山區(qū)降水氣候特征發(fā)現(xiàn)，海拔高度對(duì)該地區(qū)降水有較大影響，降水主要發(fā)生在午后和夜間。

對(duì)祁連山南麓降水的研究多側(cè)重于降水量、降水日數(shù)等降水特征，針對(duì)汛期降水強(qiáng)度及降水集中度的研究較為少見(jiàn)。因此，本文通過(guò)祁連山南麓長(zhǎng)序列汛期降水精細(xì)化分析研究，進(jìn)一步明確祁連山南麓汛期降水時(shí)空分布及降水集中期變化規(guī)律，對(duì)祁連山南麓水生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境治理、生態(tài)保護(hù)及提升氣象防災(zāi)減災(zāi)能力具有極為重要的意義。

1 資料與方法

1.1 資料

選用1961—2019年汛期（5—9月）祁連山南麓大柴旦、德令哈、天峻、托勒、野牛溝、祁連、剛察、門(mén)源、大通、互助、樂(lè)都、民和等12個(gè)國(guó)家氣象站逐日降水量資料。資料來(lái)自青海省氣象信息中心，其同質(zhì)性和可靠性已經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢查和質(zhì)量控制。因祁連山南麓特殊的地理和氣候環(huán)境，降雨達(dá)到暴雨及以上量級(jí)的日數(shù)較少，故結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《降水量等級(jí)》（GB/T 28592-2012），降雨量級(jí)按照24 h內(nèi)出現(xiàn)的降水量進(jìn)行分級(jí)，小雨降水量為0.1～9.9 mm、中雨降水量為10.0～24.9 mm、大雨及以上降水量≥25.0 mm。

1.2 方法

采用線(xiàn)性趨勢(shì)[26-27]、相關(guān)分析、ArcGIS插值分析中反距離權(quán)重法和Morlet小波分析，對(duì)祁連山南麓汛期降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度（降水量除以降水日數(shù)）、降水氣候傾向率及降水集中度等降水表征量的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析研究。

降水集中度是對(duì)一定時(shí)間段產(chǎn)生的降水集中程度的表述，其取值范圍為0～1。降水越集中，則PCD值越接近于1，降水越均勻，則PCD值越靠近于0，其計(jì)算公式為[28]：

式中，PCD為降水集中度，Rxi與Ryi分別代表研究站點(diǎn)在研究時(shí)段垂直與水平方向的降水量，i為研究時(shí)段序列年份，j為研究采用的時(shí)間尺度（旬），Ri代表研究時(shí)段內(nèi)總降水量，rij為每旬產(chǎn)生的降水量，θj為各旬對(duì)應(yīng)的方位角。

2 結(jié)果與分析

2.1 汛期降水量時(shí)空變化特征

祁連山南麓汛期降水量為319.2 mm（圖1），占全年降水量的86%，降水以9.5 mm·（10 a）-1的速率呈顯著增加趨勢(shì)（P＜0.01）；1967和2019年出現(xiàn)降水量最大值399.5 mm，1991年出現(xiàn)降水量最小值239.0 mm，降水量最大值和最小值相差106.6 mm。從年代際變化來(lái)看，除20世紀(jì)90年代降水量減少外，其它年代均在增加；2011—2019年降水量最多，為356.3 mm，20世紀(jì)60年代降水量最少，為303.0 mm。分析降水量月變化可知，汛期降水量氣候傾向率為1.0～3.3 mm·（10 a）-1，呈增加趨勢(shì)，但未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；降水量7月份最多，為81.7 mm，5月份最少，為43.7 mm。

圖1 祁連山南麓汛期降水量和降水日數(shù)變化

空間分布上，汛期降水量為80.0～440.0 mm，呈自西向東逐漸增加趨勢(shì)（圖2a）。門(mén)源、大通及互助大部是降水高值區(qū)，降水量＞400 mm，其中門(mén)源最多，為437.8 mm；大柴旦、德令哈大部是降水低值區(qū)，降水量＜170 mm，其中大柴旦最少，為79.8 mm。分析降水量氣候傾向率發(fā)現(xiàn)，互助、民和降水量分別以-5.9、-0.6 mm·（10 a）-1的氣候傾向率減少，其它站點(diǎn)均增加，其中德令哈、托勒、天峻、野牛溝、祁連、剛察降水氣候傾向率為12.1～24.2 mm·（10 a）-1，均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)。

2.2 汛期降水日數(shù)時(shí)空變化特征

祁連山南麓汛期降水日數(shù)為70.2 d（圖1），占全年降水日數(shù)的71%，降水日數(shù)以0.4 d·（10 a）-1呈弱減少趨勢(shì)（P＞0.1）；1967年降水日數(shù)最多，為86.1 d，1997年降水日數(shù)最少，為57.3 d，兩者相差28.8 d。從降水日數(shù)年代際變化來(lái)看，20世紀(jì)80年代降水日數(shù)最多，為72.6 d，20世紀(jì)90年代降水日數(shù)最少，為65.3 d，進(jìn)入21世紀(jì)后，降水日數(shù)為71.5 d，呈持續(xù)增加趨勢(shì)。汛期降水日數(shù)氣候傾向率為-0.3～0.2 d·（10 a）-1，增減趨勢(shì)較小，表明汛期各月降水日數(shù)無(wú)明顯變化；降水日數(shù)7月份最多，為16.5 d，5月最少，為11.1 d，這與降水量月變化相一致。

空間分布上，汛期降水日數(shù)為25.7～89.4 d，呈由西向東逐漸增加趨勢(shì)，這與降水量分布格局一致。以天峻為分界線(xiàn)，其東部地區(qū)為降水日數(shù)高值區(qū)，除樂(lè)都、民和降水日數(shù)為62.8、60.3 d外，野牛溝、祁連、剛察、門(mén)源、大通、互助降水日數(shù)均＞80 d；天峻以西是降水日數(shù)低值區(qū)，天峻、托勒降水日數(shù)＞67 d，其余地區(qū)＜60 d。德令哈、大柴旦、天峻降水日數(shù)分別以3.1、1.4、2.1 d·（10 a）-1的氣候傾向率增加，其它站點(diǎn)以-0.3～-3.1 d·（10 a）-1的氣候傾向率減少，門(mén)源、大通、互助通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)。

2.3 汛期降水強(qiáng)度時(shí)空變化特征

祁連山南麓汛期降水強(qiáng)度為4.4 mm·d-1，呈顯著增加趨勢(shì)（P＜0.001），2017年降水強(qiáng)度最大，為5.5 mm·d-1，1965年降水強(qiáng)度最小，為3.4 mm·d-1。20世紀(jì)60年代降水強(qiáng)度最小，為4.1 mm·d-1，2011—2019年降水強(qiáng)度最大，為4.9 mm·d-1。8月份降水強(qiáng)度最大，為5.1 mm·d-1，5月份最小，為3.8 mm·d-1。

汛期降水強(qiáng)度為3.1～5.2 mm·d-1（圖2b），呈自西向東增加趨勢(shì)。德令哈、大柴旦、托勒、野牛溝降水強(qiáng)度均＜4.3 mm·d-1，門(mén)源、民和、大通、互助降水強(qiáng)度＞4.7 mm·d-1。祁連山南麓汛期降水強(qiáng)度氣候傾向率呈增加趨勢(shì)，大柴旦、民和、樂(lè)都、互助增加較小，為0.0～0.1 mm·d-1·（10 a）-1，其余地區(qū)增加明顯，增值均＞0.2 mm·d-1·（10 a）-1。

圖2 祁連山南麓汛期降水量（a）和降水強(qiáng)度（b）空間變化

2.4 汛期降水集中度時(shí)空變化特征

由圖3a可知，祁連山南麓汛期PCD氣候傾向率為-0.005·（10 a）-1，呈微弱下降趨勢(shì)，PCD多年平均值為0.23，若PCD值小于多年平均值，表明該年降水比較均勻，反之，表明該年降水比較集中。PCD最大值出現(xiàn)在1979和1990年，為0.35，說(shuō)明這2 a降水最為集中，PCD最小值出現(xiàn)在1988年，為0.13，表明1988年降水最為均勻。PCD在20世紀(jì)60—80年代波動(dòng)較大，30 a中大于和小于PCD平均值的年份交替出現(xiàn)15 a，說(shuō)明降水集中期和降水均勻期規(guī)律不明顯；進(jìn)入21世紀(jì)后，PCD波動(dòng)較小，PCD大于平均值的年份有3 a，占比為16%，小于或等于平均值的年份有16 a，占比達(dá)84%，表明21世紀(jì)后在降水量整體增加的情況下，降水集中程度在減弱處于均勻化，出現(xiàn)極端干旱或極端洪澇災(zāi)害的可能性減小。

圖3 祁連山南麓汛期降水集中度時(shí)間（a）和空間變化（b）

汛期小雨、中雨、大雨及以上量級(jí)年平均降水量和降水日數(shù)分別為163.8、126.0、29.4 mm和60.7、8.6、0.9 d，對(duì)汛期降水的貢獻(xiàn)率分別為51.3%、39.5%、9.2%和86.5%、12.2%、1.3%，小雨占比最大，對(duì)汛期降水起到主導(dǎo)作用，中雨次之，大雨及以上貢獻(xiàn)最小。汛期小雨和中雨的PCD平均值分別為0.21、0.39，氣候傾向率分別為-0.005·（10 a）-1、-0.007·（10 a）-1，均呈微弱下降趨勢(shì)；20世紀(jì)60年代—21世紀(jì)前10 a小雨和中雨的PCD波動(dòng)較大，PCD大于平均值的年份分別有23和24 a，小于平均值的年份分別有17和16 a，說(shuō)明小雨降水比較集中，進(jìn)入21世紀(jì)后，小雨和中雨的PCD波動(dòng)變小，PCD大于平均值的年份各有6 a，小于平均值的年份各有13 a，表明21世紀(jì)以來(lái)降水比較均勻。

為進(jìn)一步研究祁連山南麓PCD周期變化特征，對(duì)其時(shí)間序列進(jìn)行Morlet小波分析。從圖4a可看出，祁連山南麓汛期PCD存在多時(shí)間尺度特征，其中1960—2010年存在5 a左右的周期，低—高交替的震蕩變化較為穩(wěn)定，是汛期PCD變化的第一主周期；在1990年前存在10 a左右的周期變化，出現(xiàn)了低—高交替的準(zhǔn)3次震蕩；整個(gè)研究時(shí)段存在20 a左右的全域性長(zhǎng)周期，低—高交替震蕩變化非常穩(wěn)定。分析汛期小雨和中雨的PCD周期變化發(fā)現(xiàn)，小雨P(guān)CD在2010年以前存在3～5 a的短周期，1970年—21世紀(jì)初存在7～8 a的周期變化，1970—1990年存在13～15 a的長(zhǎng)周期。由圖4b可知，中雨P(guān)CD在2010年以前存在4～5 a的短周期，1980年以前存在11 a左右的周期變化，還存在21 a左右的全域性長(zhǎng)周期變化，2010年中雨P(guān)CD增大，曲線(xiàn)至今仍未閉合，預(yù)計(jì)未來(lái)祁連山南麓PCD逐漸趨于集中的現(xiàn)象將會(huì)持續(xù)。

圖4 祁連山南麓汛期總雨量（a）、中雨量（b）小波分析

從空間分布來(lái)看，汛期PCD平均值為0.15～0.42（圖3b），說(shuō)明祁連山南麓汛期降水集中度較為均勻；PCD空間分布呈現(xiàn)出明顯的由東向西增加趨勢(shì)，這表明祁連山南麓降水由東向西集中度增高。德令哈以西地區(qū)降水集中度較高，PCD值＞0.33，大柴旦出現(xiàn)PCD高值中心，德令哈以東地區(qū)降水集中度較低，門(mén)源、大通一帶出現(xiàn)PCD低值中心。PCD空間分布和年降水量空間分布剛好相反，年降水量多的地區(qū)PCD值小，年降水量少的地區(qū)PCD值大。

2.5 汛期降水與坡向、海拔高度的關(guān)系

祁連山南麓降水特征不但受海拔高度的影響，而且受所處特殊地形坡向、坡度的影響。將祁連山南麓以托勒為界分成東、西兩段，東段主要受偏南季風(fēng)暖濕氣流及西太平洋副熱帶高壓的影響，其西南氣流不斷輸送水汽，形成降水，故祁連山南麓東段降水量最多，如門(mén)源、大通降水量＞400 mm；西段主要由西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)影響，降水需要的水汽主要來(lái)自西風(fēng)環(huán)流帶來(lái)的大西洋冷濕氣流以及山區(qū)對(duì)流水汽輸送等，但西風(fēng)環(huán)流遠(yuǎn)程輸送的水汽到達(dá)祁連山南麓前不斷減少變干，故祁連山南麓西段降水量最少，如德令哈、大柴旦降水量分別為162.1、79.7 mm。祁連山南麓相對(duì)高原季風(fēng)及偏南季風(fēng)來(lái)說(shuō)是迎風(fēng)坡，隨著氣流在迎風(fēng)坡的抬升形成降水，而北坡為背風(fēng)坡，在背風(fēng)坡一面由于山體遮擋，水汽不能越過(guò)或者水汽翻越山體而在背風(fēng)坡形成焚風(fēng)使水汽銳減，故降水少于南坡。同在祁連山東段南坡的野牛溝、祁連、門(mén)源、互助、樂(lè)都5站汛期降水量均＞250 mm，而北坡的高臺(tái)、張掖、永昌、山丹、武威5站汛期降水量＜170 mm，其中高臺(tái)站降水量最少[29]，僅為87 mm。因此，祁連山西段降水少于東段，南坡多于北坡。

進(jìn)一步對(duì)祁連山南麓汛期降水量與海拔高度進(jìn)行線(xiàn)性擬合，總降水量及各量級(jí)雨量均與海拔高度呈非線(xiàn)性關(guān)系（圖5），其中大雨及以上雨量與海拔高度的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.67，其余量級(jí)降雨量與海拔高度呈弱相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.21～0.35。總雨量、小雨量、中雨量和大雨及以上雨量均隨海拔高度的升高而逐漸增加，達(dá)到一定高度后又開(kāi)始減少，其最大值出現(xiàn)的高度分別為：2 534.6、2 751.1、2 528.8和1 977.4 m，對(duì)應(yīng)的最大降雨量分別為360.3、175.7、146.1和45.5 mm，隨著降雨量級(jí)的增加，出現(xiàn)極值的海拔高度降低。分析降水隨海拔高度先升后降的原因，是由于隨著海拔高度的上升氣溫逐漸降低，造成上升空氣中飽和水汽壓降低，加強(qiáng)水汽凝結(jié)形成降雨，當(dāng)超過(guò)一定的海拔高度后，上升空氣中水汽減少，不易形成降雨。

圖5 總雨量（a）、中雨量（b）和大雨及以上雨量（c）與海拔高度的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）祁連山南麓汛期降水量呈顯著增加趨勢(shì)，降水日數(shù)呈弱減少趨勢(shì)，降水量和降水日數(shù)均呈自西向東逐漸增加趨勢(shì)。降水量高值區(qū)在門(mén)源，低值區(qū)在大柴旦；降水日數(shù)野牛溝最多，大柴旦最少；7月降水量和降水日數(shù)最多。

（2）汛期降水強(qiáng)度呈顯著增加趨勢(shì)，且由西向東逐漸增加。8月降水強(qiáng)度最大，出現(xiàn)在大通。

（3）汛期PCD呈弱下降趨勢(shì)，21世紀(jì)后PCD處于均勻化狀態(tài)，PCD存在5 a左右的短周期和20 a左右的全域性長(zhǎng)周期變化；空間分布PCD呈明顯的由東向西增加趨勢(shì)，年降水量多的地區(qū)PCD值小，年降水量少的地區(qū)PCD值大。

（4）小雨、中雨和大雨及以上雨量隨海拔高度的升高而增加，雨量分別在2 751.1、2 528.8和1 977.4 m高度達(dá)到最大值，降雨量級(jí)越高，出現(xiàn)雨量最大值的海拔高度越低。