青藏高原溫度與降水的時空變化研究

秦小靜，孫 建，陳 濤

(1.西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)院，四川 南充 637000;2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100101)

0 引 言

研究發(fā)現(xiàn)，高緯度和高海拔地區(qū)易受全球氣候變暖因素的影響，而青藏高原作為全球緯度地區(qū)中海拔最高的地域，受全球氣候變暖影響十分明顯［1－2］.青藏高原極端氣候中溫度的強(qiáng)烈上升、降水量顯著增加趨勢已經(jīng)被證實(shí)［3］，而青藏高原極端氣候?qū)χ苓叺貐^(qū)的大氣環(huán)流等環(huán)境有一定影響［4］，地形復(fù)雜多變的青藏高原，氣候變化敏感性強(qiáng)、幅度大，獨(dú)特的高寒環(huán)境成為影響全球氣候系統(tǒng)的重要因素［1］.隨著全球氣候變暖，青藏高原的氣溫和降水均發(fā)生了變化，對周邊區(qū)域也會產(chǎn)生直接或間接影響，溫度和降水是影響青藏高原植被的主要?dú)庀笠蜃?，氣候系統(tǒng)敏感性和脆弱性的增加會對牧草的生產(chǎn)力、草地管理與經(jīng)濟(jì)發(fā)展等產(chǎn)生重大影響［5－7］.有研究表明，高海拔地區(qū)比低海拔地區(qū)對全球氣候變化更為敏感［8］，其平均最低氣溫的升高趨勢大于平均最高氣溫的升高趨勢［9］，1961 ～2000年青藏高原降水量呈增加趨勢，并在1978年左右由少雨期轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘤昶冢?0］.不同時段青藏高原氣候變化不同，本研究利用青藏高原122 個氣象站點(diǎn)1974 ～2013年的氣象數(shù)據(jù)，分析了青藏高原溫度和降水的變化特征，旨在探討青藏高原氣候的時間序列差異、區(qū)域差異以及兩者相互關(guān)系，擬為青藏高原應(yīng)對未來氣候變化提供基礎(chǔ)資料.

1 資料與方法

1.1 資 料

本研究數(shù)據(jù)來源于中國氣象局相關(guān)氣象站點(diǎn)的逐月的平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫和降水量資料，站點(diǎn)為青藏高原境內(nèi)及周邊122 個氣象站(見圖1)，其中云南3 個，新疆9 個，甘肅11 個，四川22 個，西藏38個，青海39 個.

圖1 青藏高原地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖

1.2 方 法

在ArcGIS 分析工具中采用反距離加權(quán)(InverseDistance Weighting，IDW)將各要素在青藏高原區(qū)域內(nèi)插值，將每年氣候要素的平面均值進(jìn)行提取，用距平表示該要素在時間序列上的變化趨勢，在分析各要素變化速率時采用最小二乘法［11］對每十年的平均變化程度進(jìn)行線性趨勢計算.本研究統(tǒng)計方法和計算過程由Sigmaplot 10.0(Systat Software，Inc.2006)分析軟件完成.

2 氣溫變化

2.1 平均氣溫變化特征

青藏高原1974 ～2013年40年間平均氣溫為4.0 ℃，整體呈上升趨勢，線性傾斜率是0.2 ℃·10 a－1，具體如圖2 所示.1979年是年平均氣溫由下降趨勢轉(zhuǎn)為上升趨勢的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1974 ～1978年平均溫呈直線下降趨勢，1979 ～2013年平均氣溫呈波動上升趨勢.另外，2010年是平均氣溫上升趨勢的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1974 ～1978年的平均氣溫是3.2 ℃，低于歷年平均氣溫;1979 ～2009年期間的平均氣溫是4.0℃，等于歷年平均氣溫;而2010 ～2013年平均氣溫是4.8 ℃，高于多年平均氣溫.青藏高原年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均呈現(xiàn)顯著上升趨勢，升溫速率分別為0.20 ℃·10 a－1、0.23 ℃·10 a－1，兩者升溫趨勢大致相同.1974 ～2013年青藏高原平均最高氣溫和平均最低氣溫分別為11.78 ℃、－2.58℃，分別上升了2.78 ℃、2.34 ℃.

從時間上來看，青藏高原在1974 ～2013年期間年平均氣溫的變化速率不同.1974 ～1983年、1984～1993年、1994 ～2003年、2004 ～2013年中的平均氣溫各為3.27 ℃、3.62 ℃、4.30 ℃、4.80 ℃，溫度呈逐漸升高趨勢，而平均變化率為－0.012 ℃·10 a－1、0.021 ℃·10 a－1、0.077 ℃·10 a－1、0.015 ℃·10 a－1.由圖2 可知，青藏高原1974 ～2013年年平均氣溫(圖2a)、年平均最低氣溫(圖2b)和年平均最高氣溫(圖3c)變化趨勢大致相同，且溫度最低點(diǎn)都在1983年，最高點(diǎn)在2009年，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1998年，從平滑曲線可看出，2010年后3 者的距平有下降趨勢.

此外，1974 ～2013年青藏高原平均氣溫變化劇烈的區(qū)域也在變化(見圖3)，平均氣溫升高較快的區(qū)域由青藏高原的北部逐漸移動到中部，1974 ～1983年青海北部和新疆東部平均氣溫升高較快，青藏高原南北形成明顯的東西走向的氣溫增長率的等值線，1984 ～1993年四川地區(qū)平均氣溫有下降趨勢，1994 ～2003年四川地區(qū)平均氣溫下降區(qū)域減少，而在2004 ～2013年氣溫增長率在空間上變化較大，整個區(qū)域沒有明顯的氣溫下降地區(qū).1974 ～2003年青藏高原北部平均氣溫上升最快，在2004 ～2013年整體溫度上升速率的區(qū)域間差異顯著減小.

圖2 青藏高原1974 ～2013年年平均氣溫(a)、年平均最低氣溫(b)和年平均最高氣溫(c)的距平

圖3 青藏高原1974 ～2013年年平均氣溫傾斜率

2.2 極端氣溫

1974 ～2013年，青藏高原地區(qū)平均極端最低氣溫和平均極端最高氣溫分別為－22.70 ℃、27.12℃，均呈上升趨勢(見圖4)，升溫速率分別為0.29℃·10 a－1、0.17 ℃·10 a－1，即極端最低氣溫上升速率大于極端最高氣溫的上升速率.在極端氣溫上升過程中，極端最低氣溫發(fā)生轉(zhuǎn)折的年份分別是1978年、1990年、2008年，極端最高氣溫的波動較大，變化趨勢和極端最低氣溫并不一致，整體來看，兩者都是在1998年后溫度上升較快.距平圖的平滑曲線顯示，在2010年后，極端最低氣溫有下降趨勢，而極端最高氣溫有上升趨勢.

圖4 青藏高原1974 ～2013年極端最低氣溫(a)、極端最高氣溫(b)和降水量(c)的距平

圖5 青藏高原1974 ～2013年極端最低氣溫傾斜率

圖6 青藏高原1974 ～2013年極端最高氣溫傾斜率

1974 ～2013年，青藏高原極端最低氣溫和極端最高氣溫的變化率空間對比如圖5、6 所示.兩者的傾斜率變化幅度大致相同，均為0.2 ℃·10 a－1，但兩者升溫強(qiáng)烈的區(qū)域并不完全重合.圖5 中，極端最低氣溫中升溫最快的區(qū)域分別在青藏高原的西部(1974 ～1983年)、中部(1984 ～2003年)和東部(2004 ～2013年);圖6 中，極端最高氣溫升溫最快的區(qū)域在青藏高原的北部(1974 ～1983年)、南部(1984 ～1993年)、東部(1994 ～2003年)和西部(2004 ～2013年).極端最低氣溫和極端最高氣溫降溫最快的區(qū)域相對重合，特別是在1984 ～2003年期間，重合的部分較多.同時，極端最低氣溫升高的區(qū)域大于極端最高氣溫升高的區(qū)域，這和前者大于后者的升溫速率相一致.

3 降水量變化

圖7 青藏高原1974 ～2013年平均降水量分布

1974 ～2013年，青藏高原降水量整體呈波動上升趨勢(見圖7)，上升速率為0.63 mm·10 a－1，降水量最低值出現(xiàn)在1994年，最高值出現(xiàn)在1998年，1998年是降水量的轉(zhuǎn)折點(diǎn).1994 ～1998年降水量增加趨勢最明顯，且1994 ～2003年降水量對整體降水量增加貢獻(xiàn)最大.另外，平滑曲線顯示在2010年后降水量距平有下降趨勢.

從區(qū)域角度分析，青藏高原整體降水量從西北到東南逐漸增加，即青藏高原東南區(qū)域降水量占整體降水量比重較大，而其中降水量最充沛的區(qū)域集中在四川境內(nèi)，并形成若干降水量峰值中心.降水量等值線形成明顯的凹谷和隆起，青藏高原東北部降水量等值線比較密集，西南部則相對稀疏.

1974 ～2013年，青藏高原的降水量傾斜率存在區(qū)域差異性(見圖8).1974 ～1983年(圖8a)、1984 ～1993年(圖8b)、1994 ～2003年(圖8c)、2004 ～2013年(圖8d)的降水量傾斜率分別為－0.177 mm·10 a－1、0.066 mm·10 a－1、0.630 mm·10 a－1、0.069 mm·10 a－1，即1974 ～2003年降水量傾斜率呈增長趨勢.而降水量變化的區(qū)域并不相同，圖8a 中降水量減少的區(qū)域為西藏拉薩周邊和四川西部，圖8b 中降水量減少的區(qū)域中向西移動并增加了甘肅西部，圖8c 中降水量增加的區(qū)域是西藏中部，降水量減少的區(qū)域大部分在青海和甘肅，圖8d 中降水量減少的區(qū)域和圖8a 相比增加了甘肅西部區(qū)域，并由青藏高原的北部移動到西藏的東部.整體來看，1994 ～2013年期間降水量傾斜率的區(qū)域差異性較大.

圖8 青藏高原1974 ～2013年降水量傾斜率

4 討 論

在近40年時間內(nèi)，青藏高原氣溫和降水表現(xiàn)為區(qū)域之間的差異.1974 ～2003年青藏高原平均氣溫增溫的幅度從南向北增加，在2004 ～2013年增溫幅度較高的地區(qū)集中在四川西南區(qū)域，此結(jié)論與韓國軍［8］得出的西藏中部和青海的干旱區(qū)增溫幅度較大不一致.在1974 ～1993年期間降水量變化區(qū)域和平均氣溫變化率的變化區(qū)域基本一致，在1994 ～2003年降水量變化率較高的區(qū)域在西藏中部，2004～2013年在甘肅境內(nèi).在時空變化中，氣溫和降水并沒有表現(xiàn)出強(qiáng)烈的相關(guān)性，并且兩者變化的區(qū)域并不連續(xù)，不是隨高度的呈線性增加［12］，海拔高的地區(qū)溫度變化的幅度較大，相對其他地區(qū)，青藏高原對全球氣候變化的反應(yīng)更為敏感［13］.

1974 ～2013年，青藏高原平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫的時間變化趨勢相對一致，但是部分區(qū)域增減劇烈.極端氣溫中的極端最低氣溫和極端最高氣溫在時間上的變化并不一致，而極端氣候?qū)η嗖馗咴谋?、凍土及生態(tài)環(huán)境影響很大［14］.有學(xué)者認(rèn)為極端高溫與地理位置的關(guān)系是海拔越高極端高溫概率越?。?3］，與本研究得出的結(jié)論并不相符，主要是因為前者研究的區(qū)域范圍是全國區(qū)域，且集中在中低海拔范圍，而青藏高原主要是高海拔地區(qū)，地形復(fù)雜多樣，人口密度小，故極端氣溫的變化具有復(fù)雜性和特殊性.

青藏高原的降水量從西北向東南逐漸增加是符合實(shí)際的［15－16］，且在格爾木、諾木洪、瑪多等地區(qū)降水量明顯呈山谷狀，而在塔里木盆地、安多、曲比等地區(qū)降水量明顯呈山脊?fàn)?，這是由青藏高原北上水汽和東部偏南走向山脈所致［17］.區(qū)域間降水量的差異會影響對應(yīng)區(qū)域的植被類型［11］，青藏高原植被的初級生產(chǎn)力在空間分布上呈現(xiàn)由西北向東南逐漸遞增且呈明顯上升趨勢［18］，這和降水量的空間分布一致，故降水量變化特征是植被變化特征的重要因素，并且對研究植物類型分布和多樣性有積極意義.對畜牧業(yè)來說，氣候轉(zhuǎn)暖與降水量增加有利于牧草生長，增加牧草產(chǎn)量，提高幼畜的成活率.

5 結(jié) 論

1974 ～2013年，青藏高原的平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫和降水量分別增加了2.40 ℃、2.34 ℃、2.78 ℃、5.96 ℃、3.86 ℃和99.67 mm，氣溫中極端最低氣溫升溫幅度最大.時間序列上前4 個氣候要素變化趨勢相對一致，極端最高氣溫和降水量的波動變化大體一致，且1998年是各要素變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn).1974 ～2013年間，青藏高原平均氣溫和降水量的變化率的區(qū)域分布在1974 ～1993年相對一致，1994 ～2013年差異性較大.

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