霍金虎，向艷平，祁棟林，高貴生，陳 奇

（1.海北州氣象局，青海 西海 810299；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）

青藏高原是我國重要的水源涵養(yǎng)地，也是我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)尤為關(guān)鍵的地區(qū)，被稱為我國的“中華水塔”。侵蝕性降水是劇烈土壤水蝕的原動(dòng)力，也是洪澇災(zāi)害的直接致災(zāi)因子。因此，保護(hù)好三江源直接關(guān)系到長江及黃河中下游流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境。青海省水土流失嚴(yán)重，全省水土流失面積達(dá)16.16 萬km2（不含凍融侵蝕），占總面積的23.2%，其中，水力侵蝕面積為3.71 萬km2。祁連山—黑河重點(diǎn)預(yù)防區(qū)水土流失面積達(dá)4 364.76 km2，侵蝕性類型全部為水力侵蝕。三江源國家級重點(diǎn)預(yù)防區(qū)水土流失面積為59 632.03 km2，柴達(dá)木盆地水土流失面積為77 522.89 km2，青海湖水土流失面積為10 083.01 km2[1]。

降水是導(dǎo)致土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿Γ且鹚亮魇У牡谝恢鲗?dǎo)因子，降水特征直接影響土壤侵蝕過程和強(qiáng)度[2-3]。然而自然界中，不是所有的降水都能引起土壤侵蝕。1978 年，USLE 第2 版中第1 次提出侵蝕性降水標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為一次降水如果<12.7 mm 或一次降水<15 min，且降水量<6.5 mm，則在降水侵蝕力計(jì)算中剔除，但并沒有交代確定該標(biāo)準(zhǔn)的方法，只是指出小于該標(biāo)準(zhǔn)的降水引起的土壤流失量很小[4]。國內(nèi)外學(xué)者建立了以次降水量[5-6]、日降水量[7-11]、月降水量[12-14]等來估算降水侵蝕的簡易模型。章文波等[15]提出的采用日降水量計(jì)算降水侵蝕的簡易模型適用于全國大部分地區(qū)。我國學(xué)者在應(yīng)用日降水量計(jì)算侵蝕性降水時(shí)，通常采用12 mm 作為侵蝕性降水標(biāo)準(zhǔn)[16]。

目前，針對青海省侵蝕性降水的時(shí)空特征、動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)研究比較缺乏。本文基于青海省逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，深入研究了近60 年青海省及4 個(gè)生態(tài)功能區(qū)[17]年降水量和侵蝕性降水量的時(shí)空變化特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域簡介

青海省位于89°35′～103°04′E，31°36′～39°19′N，地勢總體呈西高東低、南北高中部低的態(tài)勢，地貌復(fù)雜多樣，五分之四以上的地區(qū)為高原，東部多山，西部為高原和盆地，總面積為72.23 萬km2。屬于大陸性高原氣候，夏季最熱月（7 月）平均氣溫為5.8～20.2 ℃，冬季最冷月（1 月）平均氣溫為-17.4～-4.7 ℃。降水集中在5—9 月，占年降水量的79.7%[18]。

1.2 研究資料及方法

鑒于各氣象臺站建站時(shí)間及氣象數(shù)據(jù)的規(guī)范及完整性，本研究選取青海省的柴達(dá)木盆地、環(huán)青海湖區(qū)、東部農(nóng)業(yè)區(qū)、三江源地區(qū)4 個(gè)生態(tài)功能區(qū)共41個(gè)氣象站點(diǎn)作為研究區(qū)域。選擇1961—2018 年共58 a 的逐日降水資料，得到各站的逐年降水量和降水日數(shù)（≥0.1 mm）。分別以日降水量≥12mm 為侵蝕性降水劃分標(biāo)準(zhǔn)[19]，得到41 站逐年侵蝕性降水量及相應(yīng)的降水日數(shù)。

以所屬臺站算術(shù)平均代表青海省和各生態(tài)功能區(qū)平均。由于各站降水氣候態(tài)不同，為使研究嚴(yán)謹(jǐn)，采用變異系數(shù)（Cv=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值）表示降水的年際波動(dòng)特征（離散化程度），Cv值越大，說明研究區(qū)降水指標(biāo)變幅越明顯，Cv<0.1 為離散化程度很小，0.1≤Cv≤1.0 為離散化程度較大，Cv＞1.0 為高度離散。采用線性傾向估計(jì)法對青海省1961—2018 年降水量（降水日數(shù)）和侵蝕性降水量（降水日數(shù)）進(jìn)行線性趨勢分析，當(dāng)線性趨勢系數(shù)為正（負(fù)）時(shí)，表示氣象要素在統(tǒng)計(jì)年份內(nèi)有上升（下降）趨勢，并進(jìn)行線性趨勢的顯著性檢驗(yàn)。應(yīng)用Mann-Kendall 法[20]對青海省侵蝕性降水量（降水日數(shù)）長時(shí)間序列進(jìn)行突變檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 年降水量和侵蝕性降水量的關(guān)系

基于青海省41 個(gè)站點(diǎn)近60 年的日降水資料，得到期間每個(gè)站點(diǎn)年降水量（降水日數(shù)）和侵蝕性降水量（降水日數(shù)）的多年平均值。青海省年降水量、降水日數(shù)、侵蝕性降水量、侵蝕性降水日數(shù)之間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系（圖1）。隨年降水量（日數(shù)）的增加，侵蝕性降水量（日數(shù)）遵循冪函數(shù)關(guān)系迅速增加，其中年降水量（日數(shù)）和侵蝕性降水量（日數(shù)）的指數(shù)為1.49、2.04、1.46、2.01；指數(shù)均＞1，說明增加速率有加速的趨勢。

圖1 青海省年降水量、降水日數(shù)與年侵蝕性降水量（a、b）、年侵蝕性降水日數(shù)（c、d）的關(guān)系

2.2 空間分布格局

由青海省4 個(gè)生態(tài)功能區(qū)的（侵蝕性）降水年際變化（表1）可知，三江源地區(qū)年均降水量最高，為469.3 mm；東部農(nóng)業(yè)區(qū)和環(huán)青海湖區(qū)次之，分別為403.0、397.0 mm，柴達(dá)木盆地最低，為99.4 mm；年降水日數(shù)分布與年降水量分布一致，三江源地區(qū)年均降水日數(shù)最多（139.3 d），環(huán)青海湖區(qū)和東部農(nóng)業(yè)區(qū)次之（106.5、102.5 d），柴達(dá)木盆地最少（38.3 d）。

侵蝕性降水量與侵蝕性降水日數(shù)分布特征基本一致，侵蝕性降水量、降水日數(shù)均總體呈現(xiàn)從東南向西北逐步減少的趨勢（圖2），極值出現(xiàn)站點(diǎn)略有不同。其中，東部農(nóng)業(yè)區(qū)的湟中、大通、互助、環(huán)青海湖區(qū)的門源以及三江源的久治縣年侵蝕性降水量在200 mm 以上，最大值在三江源地區(qū)的久治（267.5 mm）；柴達(dá)木盆地的冷湖、茫崖、小灶火、格爾木年侵蝕性降水量在10 mm 以下，最小值在柴達(dá)木盆地的小灶火（1.3 mm）。三江源地區(qū)的久治、囊謙、達(dá)日和東部農(nóng)業(yè)區(qū)的互助、大通、湟中侵蝕性降水日數(shù)在10 d 以上，最多出現(xiàn)在果洛州的久治（14.8 d）；柴達(dá)木盆地的冷湖、茫崖、格爾木、小灶火、諾木洪侵蝕性降水日數(shù)在1 d 以下，年均侵蝕性降水日數(shù)的最小值在柴達(dá)木盆地小灶火（0.1 d）?？傮w呈現(xiàn)西北少、東南多的分布。

從4 個(gè)生態(tài)功能區(qū)侵蝕性降水可知，侵蝕性降水量排序?yàn)闁|部農(nóng)業(yè)區(qū)（158.3 mm）＞環(huán)青海湖區(qū)（134.2 mm）＞三江源地區(qū)（134.4 mm）＞柴達(dá)木盆地（24.8 mm），侵蝕性降水日數(shù)排序?yàn)闁|部農(nóng)業(yè)區(qū)（8.4 d）＞三江源地區(qū)（7.8 d）＞環(huán)青海湖區(qū)（7.6 d）＞柴達(dá)木盆地（1.4 d）。

2.3 時(shí)間變化趨勢

2.3.1 年代變化

從年代尺度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，年降水和年侵蝕性降水存在較大的差異。降水量在20 世紀(jì)60—70 年代和90 年代為負(fù)距平，80 年代基本持平。21 世紀(jì)00 年代和10 年代為正距平，侵蝕性降水量20 世紀(jì)60—90 年代均為負(fù)距平，21 世紀(jì)00 年代和10 年代為正距平，降水日數(shù)20 世紀(jì)70、90 年代和21 世紀(jì)00 年代為負(fù)距平，21 世紀(jì)60 和80 年代為正距平，侵蝕性降水日數(shù)在20 世紀(jì)60—70 年代和90 年代為負(fù)距平，80 年代基本持平，21 世紀(jì)00 年代和10年代為正距平，降水和侵蝕性降水均從20 世紀(jì)90年代開始逐步增加。需要指出的是，年代尺度分析會由于極端降水現(xiàn)象掩蓋一些事實(shí)。侵蝕性降水年代變化不明顯，但從21 世紀(jì)初開始表現(xiàn)出緩慢的增加趨勢（表2）。

2.3.2 年際變化

1961—2018年青海省年降水量呈增加趨勢（圖3a），增加速率為8.1 mm/10 a，通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。全省多年平均降水量為357.3 mm，最大值出現(xiàn)在2018 年，為470.5 mm，最小值出現(xiàn)在1962 年，為283.7 mm，年際間波動(dòng)較大（變異系數(shù)Cv=0.11），屬弱變異。累積距平曲線顯示年平均降水量在1961—2002 年呈下降趨勢，處于少雨期 ；2003—2018 年呈上升趨勢，處于多雨期。年代際距平變化趨勢顯示，1960—1970 年和20 世紀(jì)90 年代平均降水量低于氣候平均值，20 世紀(jì)80 年代與氣候平均值基本持平，2000—2018 年明顯增多。從9 a 滑動(dòng)平均曲線可以看出，20 世紀(jì)70—80 年代末青海省平均降水量波動(dòng)變化，20 世紀(jì)90 年代初—21 世紀(jì)初呈下降趨勢，21 世紀(jì)初至10 年代呈波動(dòng)增加趨勢。

圖3 1961—2018 年青海省年（侵蝕性）降水量/降水日數(shù)年際變化（a 為年降水量，b 為侵蝕性降水量，c 為年降水日數(shù)，d 為侵蝕性降水日數(shù)）

1961—2018年青海省年平均侵蝕性降水量呈增加趨勢（圖3b），增加速率為4.7 mm/10 a，通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。多年平均侵蝕性降水量為117.7 mm，最大值和最小值出現(xiàn)年份與年降水量一致，分別為190.7、71.8 mm，年際間波動(dòng)較大（變異系數(shù)Cv=0.20），屬中等變異。累積距平曲線顯示年平均降水量在1961—2002 年呈下降趨勢，處于侵蝕性降水偏少期 ；2003—2018 年呈上升趨勢，處于侵蝕性降水偏多期。年代際距平變化趨勢顯示，1960 年—20 世紀(jì)90 年代均低于氣候平均值，21 世紀(jì)00 年代和10 年代明顯增多。從9 a 滑動(dòng)平均曲線可以看出，20 世紀(jì)70 年代—21 世紀(jì)00 年代初平均年侵蝕性降水量緩慢波動(dòng)上升，21 世紀(jì)00 年代中期—10年代初呈快速增加趨勢，進(jìn)入21 世紀(jì)10 年代呈持續(xù)波動(dòng)增加階段。

1961—2018年青海省年平均降水日數(shù)（圖3c）為不顯著的減少趨勢，侵蝕性降水日數(shù)（圖3d）呈顯著的增加趨勢，變化速率分別為-0.5 和0.2 d/10 a。多年平均降水日數(shù)和侵蝕性降水日數(shù)分別為100.7和6.5 d，降水日數(shù)最大值和最小值分別在1989 和2013 年，分別為123.1 和88.6 d，侵蝕性降水日數(shù)最大值在1961 和1967 年（8.5 d），最小值在1962 年（4.2 d），降水日數(shù)和侵蝕性降水日數(shù)變異分別為0.07 和0.17。累積距平曲線顯示，年降水日數(shù)在1961—1990 年和2002—2018 年呈波動(dòng)變化趨勢，1991—2001 年曲線呈減少趨勢，年侵蝕性降水日數(shù)在1961—1975 年和1990—2001 年曲線呈減少趨勢，1976—1989 年曲線呈波動(dòng)變化，2002—2018 年曲線呈增加趨勢。從9 a 滑動(dòng)平均曲線可以看出，年降水日數(shù)表現(xiàn)為緩慢減少和增加2 個(gè)階段，20 世紀(jì)70 年代—90 年代末平均年降水日數(shù)緩慢波動(dòng)減少，21 世紀(jì)00 年代初—10 年代呈增加趨勢，年侵蝕性降水日數(shù)表現(xiàn)為緩慢波動(dòng)增加—減少—增加，20 世紀(jì)70 年代—80 年代末年侵蝕性降水日數(shù)緩慢波動(dòng)增加，90 年代呈減少趨勢，21 世紀(jì)10 年代轉(zhuǎn)為增加階段。

近58 年4 個(gè)生態(tài)功能區(qū)侵蝕性降水量和侵蝕性降水日數(shù)均呈增加趨勢（表1），侵蝕性降水量氣候傾向率依次為環(huán)青海湖地區(qū)（11.36 mm/10 a）＞柴達(dá)木盆地（3.99 mm/10 a ＞東部農(nóng)業(yè)區(qū)（3.20 mm/10 a）＞三江源地區(qū)（2.36 mm/10 a），侵蝕性降水日數(shù)氣候傾向率排序與侵蝕性降水量氣候傾向率排序一致，氣候傾向率分別為0.57、0.20、0.18 和0.13 d/10 a。柴達(dá)木盆地和環(huán)青海湖區(qū)侵蝕性降水量和侵蝕性降水日數(shù)通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 為青海省侵蝕性降水量和侵蝕性降水日數(shù)的MK 突變分析。青海省侵蝕性降水增加趨勢明顯，UF 曲線分別于2010 和2008 年超過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)，可以確定21 世紀(jì)00 年代前期侵蝕性降水增加是一個(gè)突變現(xiàn)象，突變分別發(fā)生在2004 和2001 年，突變后侵蝕性降水量和降水日數(shù)較突變前分別增加22.4 mm 和0.7 d。

圖4 1961—2018 年青海省年侵蝕性降水MK 突變分析（a 為年侵蝕性降水量，b 為侵蝕性降水日數(shù)）

2.3.3 年內(nèi)變化

由青海省多年平均降水年內(nèi)分布（表3）可知，青海省多年平均降水量的最大值、最小值、平均值均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，為單峰式分布型，多年平均降水量主要分布在5—9 月，占全年降水量的79.72%，降水量最大值出現(xiàn)在7 月，為171.46 mm，占全年降水量的18.61%，最小值出現(xiàn)在12 月，為7.06 mm，占全年降水量的0.77%。由多年平均降水量極差（最大值、最小值）可知，各個(gè)月比值在2.31～15.13，平均為6.18，3—10 月降水量的比值波動(dòng)相對較小，最大值出現(xiàn)在12 月，說明青海省降水量年內(nèi)變化明顯，降水量分布不均勻。青海省多年平均降水日數(shù)的年內(nèi)變化與多年平均降水量相一致，即先增大再減小，5—9 月降水日數(shù)占全年的69.6%，其中最大值出現(xiàn)在7 月，為15.9 d。

由青海省多年侵蝕性降水分布（圖5）可知，多年平均侵蝕性降水量先增大后減小的趨勢，最大值為32.2 mm，出現(xiàn)在7 月，12 月—翌年2 月基本沒有出現(xiàn)侵蝕性降水。從侵蝕性降水量占多年平均降水量和當(dāng)月降水量的比例可知，兩者的變化特征與侵蝕性降水量一致，其中7、8 月侵蝕性降水量為32.2和32.1 mm，分別占當(dāng)月降水量的18.8%和19.0%，該時(shí)段侵蝕性降水發(fā)生的程度和頻率較高，容易形成侵蝕性降水。青海省發(fā)生侵蝕性降水的天數(shù)呈先增大后減小的趨勢，具有明顯的峰值，7、8 月發(fā)生侵蝕性降水天數(shù)為1.7 d。從侵蝕性降水天數(shù)占多年平均降水天數(shù)和當(dāng)月降水天數(shù)的比例可知，7、8 月侵蝕性降水天數(shù)占多年平均降水天數(shù)的1.7%，占當(dāng)月降水天數(shù)的11%和11.7%，三者具有較好的相關(guān)性。

2.4 侵蝕性降水的貢獻(xiàn)率

通過計(jì)算每年侵蝕性降水量（日數(shù)）占年降水量（日數(shù)）的比重，揭示侵蝕性降水量（日數(shù)）對年降水量（日數(shù)）貢獻(xiàn)率以及其變化規(guī)律（圖6）。1961—2018 年青海省侵蝕性降水量和侵蝕性降水日數(shù)的貢獻(xiàn)率平均為32.7%和6.5%，最大值分別為42.4%和8.2%，均出現(xiàn)在1961 年，最小值分別為23.5%和4.2%，均出現(xiàn)在1982 年，且青海省侵蝕性降水的貢獻(xiàn)率并非穩(wěn)定不變，而是隨著年份的增加緩慢上升，侵蝕性降水量和侵蝕性降水日數(shù)貢獻(xiàn)率的氣候傾向率分別為0.59%/10 a 和0.21%/10 a，均通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)，說明侵蝕性降水的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)顯著增加趨勢。

圖6 青海省侵蝕性降水貢獻(xiàn)率的年際變化（a 為侵蝕性降水量，b 為侵蝕性降水日數(shù)）

由青海省4 個(gè)生態(tài)功能區(qū)侵蝕性降水的貢獻(xiàn)率變化（表4）可知，侵蝕性降水量和侵蝕性降水日數(shù)多年平均貢獻(xiàn)率排序均為東部農(nóng)業(yè)區(qū)（38.5%和8.2%）＞環(huán)青海湖區(qū)（33.5%和7.1%）＞三江源地區(qū)（28.5%和5.6%）＞柴達(dá)木盆地（23.9%和3.6%）；近58 年4 個(gè)生態(tài)功能區(qū)侵蝕性降水量（除三江源地區(qū)減少外）和侵蝕性降水日數(shù)貢獻(xiàn)率均呈增大趨勢，侵蝕性降水量貢獻(xiàn)率氣候傾向率排序?yàn)椴襁_(dá)木盆地（2.07%/10 a）＞環(huán)青海湖區(qū)（1.61%/10 a）＞東部農(nóng)業(yè)區(qū)（0.69%/10 a）＞三江源地區(qū)（-0.06%/10 a），而侵蝕性降水日數(shù)貢獻(xiàn)率氣候傾向率排序?yàn)榄h(huán)青海湖區(qū)（0.56%/10 a）＞柴達(dá)木盆地（0.39%/10 a）＞東部農(nóng)業(yè)區(qū)（0.31%/10 a）＞三江源地區(qū)（0.10%/10 a）。柴達(dá)木盆地和環(huán)青海湖區(qū)侵蝕性降水量貢獻(xiàn)率和侵蝕性降水日數(shù)貢獻(xiàn)率通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。

表4 生態(tài)功能區(qū)侵蝕性降水的貢獻(xiàn)率多年平均值和變化速率 %/10 a

3 結(jié)論和討論

利用青海省1961—2018 年41 個(gè)站點(diǎn)逐日降水觀測資料，分析了青海省及4 個(gè)生態(tài)功能降水量、侵蝕性降水量的變化趨勢和空間特征。得到以下主要結(jié)論：

（1）青海省年降水量、降水日數(shù)、侵蝕性降水量、侵蝕性降水日數(shù)之間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。隨年降水量（日數(shù)）的增加，侵蝕性降水量（日數(shù)）遵循冪函數(shù)關(guān)系迅速增加。

（2）青海省年降水量、降水日數(shù)、侵蝕性降水量和侵蝕性降水日數(shù)均從東南向西北逐步減少。三江源地區(qū)年降水量最高，為469.3 mm；柴達(dá)木盆地最低，為99.4 mm；侵蝕性降水量柴達(dá)木盆地最低，為25.1 mm，東部農(nóng)業(yè)區(qū)最高，為155.5 mm。

（3）青海省年降水量和侵蝕性降水量分別以8.1和4.7 mm/10 a 的速率增加，年降水日數(shù)表現(xiàn)為不顯著的減少趨勢，侵蝕性降水日數(shù)呈顯著的增加趨勢，變化速率分別為-0.5 和0.2 d/10 a。侵蝕性降水量和侵蝕性日數(shù)突變分別發(fā)生在2004 和2001 年，突變后侵蝕性降水量和降水日數(shù)較突變前分別增加22.4 mm 和0.7 d。

（4）青海省侵蝕性降水量和侵蝕性降水日數(shù)的貢獻(xiàn)率平均為32.7%和6.5%，侵蝕性降水量和侵蝕性降水日數(shù)的貢獻(xiàn)率分別以0.59%/10 a 和0.21%/10 a 的速率增加。

（5）青海省為我國水土流失較為嚴(yán)重的省份之一，東部農(nóng)業(yè)區(qū)地區(qū)是本省水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)，7、8 月容易形成侵蝕性降水，這與劉斌濤等[24]的研究結(jié)果基本一致。年降水和年侵蝕性降水存在較大的差異與郭素榮[21]分析結(jié)果一致，其中青海省年際降水波動(dòng)變化趨勢與白淑英等[22]和張曉等[23]對青海省降水分析研究結(jié)論基本一致。水力侵蝕主要分布在西寧市、海東地區(qū)、海南州、黃南州和海北州。青海侵蝕性降水的增加是伴隨著降水量的增加而增加的，降水量的增加有利于干旱地區(qū)植被的恢復(fù)與生長，有利于植被對土壤的保護(hù)作用。對此，如何評估該區(qū)域的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化形式還需要進(jìn)一步的深入研究[24]。