1. 引言
IPCC第五次评估报告(AR5)第一工作组报告指出,在未来变暖的背景下,极端事件将进一步增多,中纬度大部分陆地区域强降水强度可能加大、发生频率可能增加 [1] [2] [3]。近年来,在全球气候变暖的背景下,各地洪涝灾害严重。最近几十年强降水事件的发生频率明显上升,并且这种趋势会进一步发展 [4] [5]。彭芳等 [6] 曾利用贵州区域84站1991~2009年汛期(4~9月)逐小时降水量,分别定义各站点的小时降水量的强降水阈值,分析出贵州各区域阈值分布的高低。韩廷芳等 [7] 利用格尔木市1961~2015年汛期(5~9月)逐日降水资料,分析极端强降水事件的变化特征以及对未来趋势的预测。肖莲桂等 [8] 利用天峻县1961~2015年逐日降水量资料,分析了夏半年和冬半年极端降水变化情况。陈炯等 [9] 从气候角度统计分析了中国暖季不同量级短时强降水时空分布,并得出短时强降水和中尺度对流系统的频率特征。多位气象工作者 [10] - [17] 也针对各个区域的不同形势以及不同角度研究分析了短时强降水天气的特征。
近年来,国内许多学者从降水量、降水日数和降水强度等方向对降水的气候特征和变化规律等方面进行了大量的研究。王小玲等 [18] 研究发现,年降水量在不同区域有不同的趋势变化,但不同强度级别降水量的趋势变化表现出较为一致的特征,强降水量的变化趋势最为显著,降水量的变化主要由强降水量的变化引起。各级别降水频率变化对降水量趋势的贡献远远大于强度变化,趋势变化主要由降水频率变化产生。
果洛州位于青海省东南部,地处青藏高原腹地的巴颜喀拉山和阿尼玛卿山之间。东临甘肃省甘南藏族自治州和青海省黄南藏族自治州,南接四川省阿坝藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州,西与青海省玉树藏族自治州毗连,北和青海省海西蒙古族藏族自治州、海南藏族自治州接壤。在全球气候变暖的背景下,果洛地区的降水发生了明显的变化,未见果洛地区强降水变化情况的报道。因此,深入探讨果洛地区强降水的变化规律,在果洛地区生态恢复和社会经济可持续发展中具有举足轻重的地位,对当地农牧业稳定发展、生态环境保护、防洪减灾措施的实施和应对极端气候变化具有重要意义。为果洛地区防灾减灾、生态环境保护、地方气象服务提供参考依据。
2. 资料与方法
2.1. 资料
为保证资料的统一性和连续性,利用果洛地区玛沁、达日、玛多、班玛、甘德和久治6个国家气象站1976~2018年5~9月的日降水序列。由于区域站的建站时间和启用时间不一致,至2018年果洛州共建成68个区域站(包括天气站、区域站、交通站和农业设施站) (详见图1),因此文中选用时间序列最长的2009年建成的14个区域站自2010~2018年5~9月的逐日降水序列。文中站点分布图用果洛地区的所有的站点,强降水量、强降水日数和强降水强度的空间分布用6个国家站和14个序列最长的区域站的资料。
Figure 1. Distribution of weather stations in Golog Tibetan Autonomous Prefecture
图1. 果洛地区气象站点分布图
2.2. 方法
本研究采用国内外通用的百分位算法,定义果洛地区强降水事件的阈值。具体做法是,将果洛地区6站1976~2018年5~9月汛期日降水序列由小到大排列,取第95个百分位值定义为强降水阈值。某日降水量达到或超过这一阈值时,称之为强降水事件。通过百分位值求得的果洛地区6站的阈值见表1,区域站的强降水阈值用区域站所属国家站的阈值。用6站的平均值代表果洛地区的强降水量、强降水日数和强降水强度。
采用线性倾向估计法 [19] 和小波分析 [19] 对果洛地区的强降水量、强降水日数和强度进行变化趋势分析和周期分析。
Table 1. Heavy rainfall thresholds at individual stations over the Golog Tibetan Autonomous Prefecture region, 1976-2018 (mm)
表1. 果洛地区1976~2018年各站强降水阈值(mm)
3. 结果分析
3.1. 强降水量
3.1.1. 强降水量的变化趋势
由表1可知,6个国家站强降水的阈值,6站的阈值各不相同,久治得阈值最大,玛多的阈值最小。1976~2018年果洛地区强降水量出现于2007年,降水量为169.6 mm,最小值出现于1991年,降水量为51.7 mm,两者相差117.9 mm。由图2(a)可知,果洛地区的强降水量呈减少的趋势,其速率为−0.88 mm/10a,未通过显著性检验。6个国家站的强降水量变化不同,最大值出现于1979年的久治,降水量为330.3 mm;最小值出现于1988年的玛多,降水量仅为13.7 mm;久治、班玛和达日的强降水的降水量分别以−12.74、−1.17和−1.64 mm/10的速率呈减少的趋势,甘德的强降水量以3.14 mm/10的速率呈增多的趋势。由于玛多和玛沁分别于1983年和1984年未出现强降水,但从1984年和1985年起,玛沁和的玛多强降水量以12.44 mm/10a和5.04 mm/10a的速度呈增加趋势。6个国家站的强降水量均未通过显著性检验。
自1998年气温变暖以来 [20],果洛地区的强降水量呈增多的趋势,其速率为14.96 mm/10a;久治、班玛、达日、甘德、玛沁和玛多的强降水分别以12.30、5.39、4.61、22.57、18.67和26.25 mm/10a的速度呈增多的趋势。
Table 2. Trend rates of precipitation, number of days and intensity of heavy rainfall at various stations in Golog Tibetan Autonomous Prefecture (mm/10a, d/10a, mm/(d·10a))
表2. 果洛各站强降水降水量、日数和强度的倾向率(mm/10a, d/10a, mm/(d·10a))
区域站强降水量最大值出现于2014年的是X6008 (玛沁县当洛乡当项),降水量达470.3 mm,强降水最小值出现于2014年的是X6011 (玛沁县雪山乡),降水量仅为15.8 mm,两者相差454.5 mm。由于区域站的强降水量序列较短,因此不作趋势分析。
Figure 2. Heavy rainfall (a), number of days (b) and intensity (c) over Golog Tibetan Autonomous Prefecture from 1976 to 2018
图2. 果洛地区1976~2018年强降水量(a)、日数(b)和强度(c)变化曲线图
由此可见,果洛地区的强降水量呈减少的趋势,久治、班玛和达日的强降水的降水量减少,甘德、玛多和玛沁的强降水量增加;1998年以来果洛的强降水量呈增加的趋势,6个国家站的强降水量均呈增加趋势。
3.1.2. 强降水量的年际变化
由表3和图3(a)可知,70年代末,是果洛地区以及久治、班玛、达日和玛多强降水量相对较多的时期,较平均值分别偏多20、92、18和12%,玛多偏少16%;从80年代起强降水量逐渐减少,至90年代减少至最少,较平均值偏少15、26、17、16和16%;21世纪强降水量增加,呈多–少–多的分布格局。而甘德在70年代末强降水量较少,从80年代起强降水量逐渐增多,90年代又减少至最少,21世纪逐渐增多;玛沁在70年代末强降水量较少,从80年代起强降水量逐渐增加,至2010~2018年强降水量增加至最多。
Table 3. Inter-decadal variability of heavy rainfall over Golog Tibetan Autonomous Prefecture from 1976 to 2018 (mm)
表3. 果洛地区1976~2018年强降水量年代际变化(mm)
Figure 3. Interdecadal variability of heavy rainfall (a), number of days (b) and intensity (c) over Golog Tibetan Autonomous Prefecture from 1976 to 2018
图3. 果洛地区1976~2018年强降水量(a)、日数(b)和强度(c)年代际变化
1998年以来是果洛地区强降水量较少的时期,降水量为97.6 mm,较平均值仅偏少1%。自1998年气候变暖以来,久治的强降水量仍然最多,达122.5 mm;达日的强降水量最少,仅为72.9 mm。久治、玛沁、达日的强降水量较少,较平均值分别偏少6、4和2%;班玛、甘德、玛多自1998年来的较平均值分别偏多3.0、0.3和10%。
近10年和近5年的强降水量发生了变化。近10年,强降水量最多的出现于X6009 (玛沁大武乡铜矿),总降水量达1494.2 mm;强降水量最少的出现于X6011 (玛沁雪山乡),总降水量仅为368.6 mm。
近5年来,果洛地区的平均强降水量为541.8 mm,强降水量最多的是X6014 (久治索乎日麻乡),总降水量达748.7 mm,强降水量最少的是X6011 (玛沁雪山乡),总降水量为242.1 mm。
由此可见,70年代末久治和班玛的强降水量最多,玛沁最少,90年代久治、班玛和达日的强降水量最少;甘德强降水量最多和最少的均在21世纪;玛沁在2010~2018年最多;自1998年以来,久治的的强降水量最多,达日最少;近10年强降水量最多的是玛沁大武乡铜矿,最少的是玛沁雪山乡;近5年强降水量最多的是久治索乎日麻乡,最少的是玛沁雪山乡。
3.1.3. 强降水量的周期变化
根据果洛地区汛期强降水量时间序列,进行Morlet小波变换,图4为果洛地区汛期强降水量的Morlet实部系数时–频分析图4(a)和小波模图4(b)。由图4可知,果洛地区的强降水量9年的振荡周期较为明显,从90年代起存在14年的振荡周期,70年代末至1985年有5年的振荡周期。久治、班玛、达日、甘德、玛多和玛沁均有5年和10年的振荡周期,70年代末至1985年和21世纪的头十年有3年的振荡周期。
Figure 4. Time-frequency analysis of Morlet wavelet real part coefficients of heavy rainfall over Golog Tibetan Autonomous Prefecture area (a) and wavelet modulus map (b)
图4. 果洛地区强降水量的Morlet小波实部系数时-频分析图(a)和小波模图(b)
3.2. 强降水日数
3.2.1. 强降水日数变化趋势
1976~2018年果洛地区强降水的降水日数为204天,平均天数为4.7天。降水量日数最多为8天,降水量日数最少为2.3天。由表2,图3(b)可知,果洛地区的强降水量的日数呈减少的趋势,其速率为−0.03 d/10a,未通过显著性检验。6个国家站中强降水日数变化不同,久治降水总日数为235天,是果洛地区强降水日数最多的地区,班玛的总降水日数次之,达日是果洛地区强降水日数最少的地区,强降水总日数为143天。久治、班玛和达日的强降水日数分别以−0.49、−0.13和−0.03 d/10a的速率呈减少的趋势,甘德降水日数为以0.12 d/10a的速率呈增多的趋势。4个站的强降水日数均未通过显著性检验。由于玛多和玛沁分别于1983年和1984年未出现强降水,但从1984年和1985年起,玛多和玛沁的强降水日数以0.18 d/10a和0.73 d/10a的速度呈增加趋势。
自1998年以来,果洛地区的强降水日数为98.3天,平均日数为4.7天,占1976~2018年强降水日数的48%,从变化趋势来看,果洛地区自1998年以来强降水日数以0.48 d/10a的速率呈增多的趋势。自1998年气候变暖以来,班玛的强降水日数最多,为110天,久治的强降水日数次之,达日的强降水日数最少,只有70天,久治、班玛、达日、甘德、玛沁和玛多的强降水日数分别以0.49、0.16、0.10、1.26、0.62和1.26 d/10a的速率呈增加的趋势。
由此可见,果洛地区的强降水量日数呈减少的趋势,久治、班玛和达日的强降水的降水量减少,甘德、玛多和玛沁的强降水量增加;1998年以来果洛的强降水日数呈增加的趋势,6个国家站的强降水量均呈增加趋势。
3.2.2. 强降水日数的年际变化
由表4、图3(b)可知,70年代末,是果洛地区、久治、班玛和达日强降水日数较多的时期,较平均值分别偏多30、82、21和15%;甘德、玛多和玛沁的强降水日数较少的时期,较平均值分别偏少10、12和2%。果洛地区、久治、班玛和达日强降水日数从80年代起逐渐减少,甘德、玛多和玛沁的强降水日数增加,至90年代果洛地区、久治、班玛、达日、甘德和玛多的强降水日数均减少至最少,较平均值分别偏少17、25、15、15、12和19%;21世纪果洛地区、久治、班玛、达日和甘德的强降水日数增加,呈多–少–多的分布格局,玛多21世纪的强降水量日数增加,呈少-多的分布格局,玛沁在21世纪头十年的强降水日数最少。
Table 4. Interdecadal changes in the number of days of heavy rainfall over Golog Tibetan Autonomous Prefecture from 1976 to 2018 (d)
表4. 果洛地区1976~2018年强降水日数年代际变化(d)
自1998年气候变暖以来,果洛地区的平均强降水日数和多年平均值相同。久治、班玛的强降水日数相同且最大,达5.2天,甘德的强降水日数次之;达日的强降水日数最小,仅为3.3天;玛多和玛沁的强降水日数为4.8天和4.7天。
近10年和近5年果洛地区的强降水日数发生了变化,近10年的平均强降水日数为5.2天。久治、班玛、达日、甘德、玛多和玛沁近10年的强降水日数占强降水总日数的22、24、22、24、31和25%。强降水总日数最多的是X6009 (玛沁大武乡铜矿),达71天,X6002 (玛多花石峡镇)次之;最少的是X6011 (玛沁雪山乡),仅为18天。其他站的强降水总日数为26~57天。
近5年的平均强降水日数为5.1天,久治、班玛、达日、甘德、玛多和玛沁近5年的强降水日数占降水总日数的12、13、11、13、14和12%。强降水总日数最多的是X6008 (玛沁当洛乡当项),降水日数达41天,X6002次之;强降水总日数最少的是X6011 (玛沁雪山乡),只有11天。
由此可见,70年代末果洛地区、久治和班玛强降水日数最多,90年代强降水日数最少。近10年强降水日数最多的是玛沁大武乡铜矿,最少的是玛沁雪山乡。近5年玛沁当洛乡当项的强降水日数最多,达日窝赛乡的强降水日数最少。
3.2.3. 强降水日数的周期检验
根据果洛地区汛期的强降水日数时间序列,进行Morlet小波变换,图5为果洛地区汛期强降水日数的Morlet实部系数时–频分析图5(a)和小波模图5(b)。由图5可知,果洛地区的强降水日数10年的振荡周期较为明显,70年代末至1985年有3年的振荡周期。久治、班玛、达日、甘德、玛多和玛沁均有9年的振荡周期,70年代末至1985年有3年的振荡周期。
Figure 5. Time-frequency analysis (a) and wavelet modulus (b) of Morlet wavelet real part coefficients for heavy precipitation days over Golog Tibetan Autonomous Prefecture
图5. 果洛地区强降水日数的Morlet小波实部系数时–频分析图(a)和小波模图(b)
3.3. 强降水强度
3.3.1. 强降水强度变化趋势
1976~2018年果洛地区的平均强降水强度平均为20.6 mm/d,最大的为23.6 mm/d,最小的为18.7 mm/d,最大与最小相差4.9 mm/d;由表2、图2(c)可知,1976~2018年强降水的强度呈增加的趋势,其速率为0.17 mm/(d·10a)。由表2可知,久治的强降水强度以减小最慢,班玛的强降水强度增加最快。6个国家站的强降水强度在12.7~30.5 mm/(d·10a)之间,久治和达日的强降水强度以−0.002 mm/(d·10a)和−0.17 mm/(d·10a)呈减弱的趋势,班玛、甘德、玛多和玛沁的强降水强度以0.46、0.18、0.45和0.20 mm/(d·10a)的速率呈增强的趋势。
自1998年气候变暖以来,果洛地区区域站的强降水平均强度为20.7 mm/d,最大强度为23.6 mm/d,最小的强度为19.3 mm/d,最大与最小的强度相差4.3 mm/d。1998~2018年的强降水强度呈增加的趋势,其速率为0.68 mm/(d·10a)。自1998年以来,6个国家站的强度为12.7~30.5 mm/d,他们的变化趋势不一致。甘德的强降水强度以−0.45 mm/(d·10a)的速率呈减弱的趋势,久治、班玛、达日、玛多和玛沁的强降水强度分别以0.37、0.82、0.79、1.72和0.82 mm/(d·10a)的速率呈增强趋势。由于区域站降水强度序列较短,因此不作趋势分析。
由此可见,果洛地区的强降水强度呈增强的趋势,久治和达日的强降水强度呈减少的趋势,而班玛、甘德玛多和玛沁的强降水强度呈增强的趋势。自1998年气候变暖以来,果洛地区的强降水强度呈增强趋势,除甘德的强降水强度呈减弱的趋势外,其他国家站的强降水强度均呈增强趋势。
3.3.2. 强降水强度的年际变化
由表5、图3(c)可知,果洛地区的强降水强度的年际变化不同。70年代末、80年代是果洛地区强降水强度较小的时期,较平均值均偏小0.1 mm/d;90年代有所增加,较平均值偏大0.1 mm/d,较70年代末和80年代均偏大0.2 mm/d;21世纪的头十年减小至最小,较平均值偏小0.3 mm/d,较70年代末、80年代和90年代分别偏小0.2、0.2和0.4 mm/d;2010~2018年增加至最大,较平均值偏大0.6 mm/d,较70年代末、80年代、90年代和21世纪头十年分别偏大0.7、0.7、0.5和0.9 mm/d。
自1998年气候变暖以来,果洛地区的平均强降水强度为20.7 mm/d,较平均值偏大0.1 mm/d。自1998年以来,久治的强降水强度最大且和平均值相同,强度为23.5 mm/d,班玛次之,较平均值偏多0.6 mm/d;玛多的强度最小且和平均值相同,其值为15.7 mm/d;达日的强度较平均值偏小0.3 mm/d,甘德和和玛沁的强度较平均值分别偏小0.2 mm/d和0.1 mm/d。
Table 5. Interdecadal MMD of heavy rainfall intensity over the Golog Tibetan Autonomous Prefecture region from 1976 to 2018 (mm/d)
表5. 果洛地区1976~2018年强降水强度的年代际(mm/d)
近10年和近5年的强降水强度发生了变化,近10年果洛的平均强降水强度为21.1 mm/d,强度最强的是X6014 (久治索乎日麻乡),强度为25.3 mm/d,强度最小的是X6001 (玛多三岔路口),强度为16.1 mm/d。近5年果洛地区的平均强降水强度为21.2 mm/d,强度最强的是X6014 (久治索乎日麻乡),强度为25.9 mm/d;强度最小的是X6001 (玛多三岔路口),强度为16.3 mm/d。
由此可见,果洛地区21世纪头十年强降水强度最弱,2010~2018年的强降水强度最强,近10年和近5年的强降水强度最大的是久治索乎日麻乡,最小的是玛多三岔路口。6个国家站在各年代中的变化各不相同。
3.3.3. 强降水强度周期分析
根据果洛地区汛期的强降水强度时间序列,进行Morlet小波变换,图6为果洛地区汛期强降水强度的Morlet实部系数时–频分析图6(a)和小波模图6(b)。由图6可知,果洛地区的强降水强度6年和12年的振荡周期较为明显,70年代末至1985年有3年的振荡周期。久治、班玛、达日、甘德、玛多和玛沁均有9年的振荡周期,1995年和21世纪的头五年有3年的振荡周期。
Figure 6. Time-frequency analysis (a) and wavelet modulus (b) of Morlet wavelet real part coefficients for precipitation intensity over Golog Tibetan Autonomous Prefecture
图6. 果洛地区降水强度的Morlet小波实部系数时-频分析图(a)和小波模图(b)
4. 强降水量、强降水日数和强降水强度的空间分布
图7给出了果洛地区强降水量(a)、强降水日数(b)和强降水强度(c)的空间分布情况,由图7可知,果洛地区的强降水量呈由西北向东南方增加的分布格局,其中玛多、玛多路口和玛沁雪山乡减少明显;强降水强度从西北向东南方呈增多加强的分布格局,久治索乎日麻乡、达日满掌乡和玛赛莱唐镇班脑河村强降水强度增强明显;强降水日数从玛沁大武乡铜矿向西北和东南方减少的分布格局。
Figure 7. Spatial distribution of heavy rainfall (a), days (b) and intensity (c) over Golog Tibetan Autonomous Prefecture
图7. 果洛地区强降水量(a)、强降水日数(b)和强度(c)的空间分布
5. 结论与讨论
(1) 果洛地区的强降水量和强降水日数以−0.88 mm/10a和−0.03 d/10a的速率呈减少趋势,强降水强度以0.17 mm/(d·10a)的速率呈增强趋势;自1998年以来,强降水量、强降水日数和强降水强度以14.96 mm/10a、0.63 d/10a和0.68 mm/(d·10a)的速率呈增加趋势,而且大于1976~2018年增加速率。
(2) 70年代末果洛地区的强降水量和强降水日数最多,从80年代起逐渐较少,90年代最少,21世纪有所增加。近10年强降水量、强降水日数和强降水强度的中心均出现在玛沁大武乡铜矿,近5年的强降水量和强降水日数的中心出现在玛沁当洛乡当项、强降水强度的中心在久治索乎日麻乡。
(3) 强降水量9年的振荡周期、强降水日数10年的振荡周期和强降水强度6年和12年的振荡周期较为明显。
(4) 强降水量由西北向东南方呈增加的分布格局,其中玛多、玛多路口和玛沁雪山乡减少明显;强降水强度从西北向东南方呈增多加强的分布格局,久治索乎日麻乡、达日满掌乡和班玛赛莱唐镇班脑河村强降水强度增强明显;强降水日数从玛沁大武乡铜矿向西北和东南方呈减少的分布格局。
由于文中所选的站点较少,分布不均,区域站的序列较短,对结果有一定的局限性。
基金项目
青海省气象局2019年基层专项。