丁立善，趙超君，何生錄，韓忠全，殷顯輝

(1.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001； 2.青海省海東市氣象臺(tái)，青海 平安 810600)

引言

黑河位于河西走廊中部，大致介于98°～101°30′E，38°～42°N之間，流域面積約14.29萬km2，是我國(guó)西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河，發(fā)源于祁連山北麓，流經(jīng)青海、甘肅和內(nèi)蒙古三省(自治區(qū))，干流全長(zhǎng)821km，黑河出山口多年平均天然徑流量24.75m3·s-1，其中黑河干流鶯落峽站15.8 m3·s-1，黑河上游鶯落峽占總出山口流量的64%。黑河上游是指祁連縣托勒鄉(xiāng)景區(qū)八一冰川到張掖市鶯落峽，其中河流的徑流量主要是降水補(bǔ)給。祁連山國(guó)家公園和黑河源國(guó)家濕地公園是西北地區(qū)的重要水源涵養(yǎng)地，具有不可替代的生態(tài)功能。佟金鶴等研究發(fā)現(xiàn)，全國(guó)范圍內(nèi)降水變化區(qū)域差異較大，其中西北地區(qū)降水量增加幅度較小[1]；張翀等研究發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)降水量上升但是幅度很小[2]；白淑英等研究發(fā)現(xiàn)，青海省年降水量總體呈小幅上升趨勢(shì)[3]；劉維成等研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)降水呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)[4]。綜上所述研究青海省黑河上游地區(qū)降水的時(shí)空變化特征就顯得十分重要，可為祁連山生態(tài)治理和水資源利用提供科技支撐。

1 資料和方法

黑河上游地區(qū)研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布如圖1，選取黑河上游地區(qū)的托勒、野牛溝和祁連氣象站點(diǎn)降水資料，這三個(gè)站點(diǎn)在黑河上游建站最早、資料時(shí)間序列最長(zhǎng)，可以較好體現(xiàn)降水量的準(zhǔn)確性、比較性和代表性。利用這三個(gè)站點(diǎn)1961～2019年的降水資料，采用統(tǒng)計(jì)、線性趨勢(shì)和相關(guān)系數(shù)r分析了降水量的年、汛期、非汛期年代際和年際變化，判斷上升下降趨勢(shì)及其顯著性，用M-K檢驗(yàn)方法判斷突變時(shí)間和顯著性時(shí)間，用 Morlet 小波分析確定變化周期。黑河上游祁連山區(qū)四季不分明，因此以汛期5～9月和非汛期10月至次年4月進(jìn)行時(shí)空分析，其中汛期一般為雨，非汛期一般為雪。

圖1 黑河上游地區(qū)研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布圖

2 黑河上游降水量的時(shí)空變化特征

2.1 年、汛期、非汛期年代際和年際變化特征

由黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期的平均降水量變化曲線和線性趨勢(shì)(圖2)為可見，黑河上游地區(qū)年、汛期和非汛期平均降水量的線性趨勢(shì)分別為16.0mm/10a、14.0mm/10a、2.0mm/10a，說明年、汛期和非汛期的平均降水量呈增加趨勢(shì)，從顯著性水平檢驗(yàn)來看，年、汛期通過了0.001性度檢驗(yàn)，非汛期通過了0.10性度檢驗(yàn)，年、汛期降水量增加趨勢(shì)更為顯著。年降水量平均值為380.9mm，歷史最大值1998年526.6mm，比歷史最小值1970年283.5mm偏多243.1mm，20世紀(jì)90年代年降水量波動(dòng)最明顯，1997年接近歷史最小值為289.9mm，比歷史最大值偏少236.7mm。汛期平均值為342.7mm，歷史最大值1998年471.0mm比歷史最小值1991年251.4mm偏多219.6mm，說明汛期20世紀(jì)90年代汛期降水量波動(dòng)最顯著。非汛期平均值為38.2mm，其中歷史最大值2019年94.4mm比歷史最小值1984年15.6mm偏多78.8mm，歷史最大值比接近歷史最小值2013年20.1mm偏多74.3 mm，說明非汛期降水量2010～2019年波動(dòng)明顯。

圖2 黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期的平均降水量變化曲線和線性趨勢(shì)

從1961～2019年黑河上游年、汛期和非汛期降水量年代值表1分析可知，年和汛期的降水量年代際變化趨勢(shì)一致，20世紀(jì)70年代、80年代、2001～2010年、2011～2019年呈增加趨勢(shì)，2001～2010年增加幅度最大，年和汛期分別增加41.4mm、39.1mm，20世紀(jì)90年代則呈下降趨勢(shì)，下降幅度年和汛期分別為29.7mm、24.0mm。非汛期的降水量年代際變化趨勢(shì)不一致，20世紀(jì)80年代、2001～2010年、2011～2019年呈上升趨勢(shì)，20世紀(jì)80年上升幅度最大為13.7mm，20世紀(jì)70年代和90年代呈下降趨勢(shì)，下降幅度最大是20世紀(jì)70年代達(dá)12.9mm。

表1 1961～2019年黑河上游年、汛期和非汛期降水量年代值(mm)

2.2 年、汛期和非汛期降水量變化趨勢(shì)空間分布特征

由黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期降水量線性趨勢(shì)及其相關(guān)系數(shù)表2可見，黑河上游地區(qū)托勒、野牛溝和祁連年降水量的線性趨勢(shì)分別為16.7mm/10a、17.8mm/10a和13.5mm/10a，呈增加趨勢(shì)且野牛溝最為明顯，從顯著性水平檢驗(yàn)來看，托勒、野牛溝平均降水量通過了0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，祁連平均降水量通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。汛期年降水量的線性趨勢(shì)分別為15.2mm/10a、14.8mm/10a和11.9mm/10a，呈上升趨勢(shì)，而且祁連、野牛溝、托勒依次增加，托勒增加最明顯，從顯著性水平檢驗(yàn)來看，托勒、野牛溝和祁連平均降水量都通過了0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，說明托勒、野牛溝和祁連降水量顯著。非汛期年降水量的線性趨勢(shì)分別為1.5mm/10a、3.0mm/10a和1.5mm/10a，呈上升趨勢(shì)，野牛溝增加趨勢(shì)是托勒和祁連的2倍，從顯著性水平檢驗(yàn)來看，野牛溝平均降水量通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，托勒平均降水量通過了0.10顯著性水平檢驗(yàn)，祁連平均降水量未通過顯著性水平檢驗(yàn)，說明托勒和野牛溝降水量較顯著，祁連增加趨勢(shì)不顯著。

表2 黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期降水量線性趨勢(shì)及其相關(guān)系數(shù)

3 確定突變年份研究

應(yīng)用M-K檢驗(yàn)方法判斷趨勢(shì)、顯著性時(shí)間和是否存在氣候突變，若存在，確定突變的時(shí)間。圖3(a)為黑河上游1961～2019年年降水量M-K檢驗(yàn)分析，由圖可得，UF曲線基本大于0，表明年降水量呈上升趨勢(shì)，在2010～2019年大于臨界直線1.96甚至大于2.56，表明年降水量是上升趨勢(shì)且明顯，UF曲線在臨界線之間與UB電線有兩個(gè)交點(diǎn)(2006～2007年、2009～2010年)，確定突變年份在2009年。

圖3 黑河上游1961～2019年年、汛期和非汛期年降水量M～K檢驗(yàn)

圖3(b)為黑河上游1961～2019年汛期年降水量M-K檢驗(yàn)分析，由圖可得，UF曲線大于0，表明汛期年降水量呈上升趨勢(shì)，在1964年、1976～1990年、1993年、2009～2019年大于臨界直線1.96甚至大于2.56，表面汛期年降水量是上升趨勢(shì)且明顯，UF曲線在臨界線之間與UB曲線有三個(gè)交點(diǎn)(2002～2003年，2003～2004年，2004～2005年)，確定突變年份在2004年。

圖3(c)為黑河上游1961～2019年非汛期年降水量M-K檢驗(yàn)分析，由圖可得，UB曲線基本大于0，表明非汛期年降水量呈上升趨勢(shì)，UB雖有交叉，但未大于臨界直線1.96，沒有發(fā)生突變。

4 周期分析

根據(jù)黑河上游地區(qū)1961～2019年年、汛期和非汛期降水時(shí)間序列，進(jìn)行Morlet小波變換。采用的Morlet小波為基小波的分析，在分析中很多工作只依據(jù)小波系數(shù)的實(shí)部圖分析結(jié)果，不可避免地產(chǎn)生虛假信息，因此結(jié)合模分析得到的結(jié)果更可靠，并且模還能分析總能量的貢獻(xiàn)[5]。采用 Morlet 小波對(duì)不同時(shí)期的年降水量進(jìn)行周期分析，分析時(shí)間序列及其在時(shí)域中的分布。

由圖4黑河上游1961～2019年降水量的Morlet小波實(shí)部系數(shù)時(shí)頻圖(a)和模圖(b)分析可得，10a及以上存在大周期為11a且不明顯，而10a以下存在的小周期為 4～6a和8a。在20世紀(jì)60年代初期到20世紀(jì)70年代初期存在4a的周期，在20世紀(jì)70年代中期到20世紀(jì)90年代中期存在8a的周期，在20世紀(jì)80年代中期至2019年存在4～6a周期且是能量高值區(qū)，其他周期信號(hào)強(qiáng)度都較弱。

圖4 黑河上游1961～2019年降水量的Morlet小波實(shí)部系數(shù)時(shí)頻圖(a)和模圖(b)

由圖5黑河上游1961～2019年汛期年降水量的Morlet小波實(shí)部系數(shù)時(shí)頻圖(a)和模圖(b)分析可得，黑河上游汛期10a及以上不存在周期，而10a以下存在4～6a的小周期。在20世紀(jì)60年代初期到20世紀(jì)70年代中期存在4a的周期，在20世紀(jì)80年代中期至2019年存在4～6a的周期且為能量高值區(qū)，其他周期信號(hào)強(qiáng)度都較弱。

圖5 黑河上游1961～2019年汛期年降水量的Morlet小波實(shí)部系數(shù)時(shí)頻圖(a)和模圖(b)

由圖6黑河上游1961～2019年非汛期年降水量的Morlet小波實(shí)部系數(shù)時(shí)頻圖(a)和模圖(b)分析可得，黑河上游非汛期10a以上存在11a的大周期，而10a以下存在8a和 4～6a的小周期。在20世紀(jì)70年代中期到80年代中期存在4a的周期，在20世紀(jì)80年代中期至21世紀(jì)初存在4a、6a、8a、11a的周期，周期信號(hào)明顯比年和汛期弱。

圖6 黑河上游1961～2019年非汛期年降水量的Morlet小波實(shí)部系數(shù)時(shí)頻圖(a)和模圖(b)

5 結(jié)論

(1)黑河上游地區(qū)1961～2019年年、汛期和非汛期線性趨勢(shì)分別為16.0mm/10a、14.0mm/10a、2.0mm/10a，都呈顯著性增加趨勢(shì)，但年、汛期降水量增加趨勢(shì)更為顯著。托勒、野牛溝、祁連變化趨勢(shì)跟年、汛期和非汛期降水量一致。

(2)黑河上游地區(qū)1961～2019年年和汛期的降水量年代際變化趨勢(shì)一致，除20世紀(jì)90年代呈下降趨勢(shì)外，其余年代增加。非汛期的降水量年代際變化趨勢(shì)不一致，除20世紀(jì)70年代和90年代呈下降趨勢(shì)外，其余年代上升。

(3)從M-K的突變檢驗(yàn)得到黑河上游地區(qū)年降水量在2009年發(fā)生突變；汛期降水量在2004年發(fā)生突變，非汛期未發(fā)生突變。

(4)黑河上游地區(qū)1961～2019年年、汛期和非汛期的Morler小波存在周期變化，年降水量存在11a大周期，小周期4～6a且明顯，汛期沒有大周期，小周期 4～6a且明顯，非汛期大周期11a，小周期 4a、6a和8a。