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中国沙漠, 2023, 43(2): 43-52 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00113

青藏高原近60年降水变化研究进展

郝爱华,1, 薛娴,2, 尤全刚2, 勾朝阳1

1.忻州师范学院 地理系,山西 忻州 034000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院 沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州 730000

Review on precipitation change over the Qinghai-Tibetan Plateau in recent 60 years

Hao Aihua,1, Xue Xian,2, You Quangang2, Gou Chaoyang1

1.Department of Geography,Xinzhou Normal University,Xinzhou 034000,Shanxi,China

2.Key Laboratory of Desert and Desertification,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

通讯作者: 薛娴(E-mail: xianxue@lzb.ac.cn

收稿日期: 2022-04-20   修回日期: 2022-08-01  

基金资助: 第二次青藏高原综合科学考察研究项目.  2019QZKK0305
国家自然科学基金项目.  41771233

Received: 2022-04-20   Revised: 2022-08-01  

作者简介 About authors

郝爱华(1974—),女,山西临汾人,博士,讲师,主要研究方向为全球变化与生态遥感E-mail:haoaihua@nieer.ac.cn , E-mail:haoaihua@nieer.ac.cn

摘要

作为全球海拔最高的独特自然地理单元,青藏高原对局部、区域乃至全球天气和气候系统具有显著影响。基于气象台站观测资料,对1960年以来青藏高原整体和区域尺度的降水量和极端降水量变化特征及其影响因素研究进行了回顾。结果表明:近60年青藏高原年降水量呈现上升趋势,变化速率为3.8~12.0 mm/10a,但其显著性存在争议。冬春两季降水量显著增加,春季降水量上升速率最大,夏秋两季降水量变化趋势不明显。区域尺度上,三江源区年降水量总体呈现上升趋势,变化速率为7.3~20 mm/10a;雅鲁藏布江流域年降水量呈现不明显上升趋势,变化速率为0.4~9.0 mm/10a;祁连山区年降水量显著增加,变化速率1.0~13.2 mm/10a;年降水量增长速率在青海高原为1.9~3.3 mm/10a,西藏高原为12.5 mm/10a,柴达木盆地为6.7~8.6 mm/10a,共和盆地为7.2 mm/10a。青藏高原极端降水量和极端降水日数明显增多,但是极端降水量变化空间异质性特征显著。青藏高原降水变化的影响因素很多,主要包括大尺度大气环流、高原地表状况及气候变暖。未来应采用更多类型数据源监测青藏高原降水变化,尤其是区域或流域尺度,进一步完善青藏高原降水变化机制研究。

关键词: 青藏高原 ; 降水变化 ; 极端降水 ; 影响因素

Abstract

The Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) is a unique physiographic region with the highest elevationof in the world. It is known to have a significant impact on local, regional, and even global weather and climate systems. Based on observational data from meteorological stations, here we review variation characteristics of average and extreme precipitation and associated influencing factors in the QTP since 1960. Results show that annual average precipitation throughout the Tibetan Plateau has increased over the past 60 years, with variation rates ranging from 3.8 mm to 12.0 mm/decade, but its significance level is disputed. Precipitation has increased significantly in winter and spring, being highest in spring, while no obvious precipitation change has been observed in summer and autumn. At a regional scale, precipitation in the Three Rivers' Headstream Region exhibited an increasing trend, with a variation rate between 7.3-20 mm/decade. Annual mean precipitation in the Yarlung Zangbo River Basin did not exhibit an obvious increasing trend, with a changing rate between 0.4-9.0 mm/decade. Precipitation in the Qilian Mountains increased significantly, with a variation rate between 1.0-13.2 mm/decade. The average annual precipitation rate was 1.9-3.3 mm/decade in the Qinghai Plateau, 12.5 mm/decade in the Tibetan Plateau, 6.7-8.6 mm/decade in the Qaidam Basin, and 7.2 mm/decade in the Gonghe Basin. Extreme precipitation events and the number of extreme precipitation days have increased significantly throughout the QTP, and the spatial heterogeneity of extreme precipitation changes has been significant. Many factors have been shown to affect precipitation change throughout the QTP, including large-scale atmospheric circulation factors, plateau surface conditions, and climate warming. Further researches should use more types of data sources to monitor precipitation changes throughout the QTP, especially precipitation changes at regional or watershed scales, and to further improve the mechanism research of precipitation changes over the QTP.

Keywords: Qinghai-Tibetan Plateau ; precipitation change ; extreme precipitation ; influencing factor

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本文引用格式

郝爱华, 薛娴, 尤全刚, 勾朝阳. 青藏高原近60年降水变化研究进展. 中国沙漠[J], 2023, 43(2): 43-52 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00113

Hao Aihua, Xue Xian, You Quangang, Gou Chaoyang. Review on precipitation change over the Qinghai-Tibetan Plateau in recent 60 years. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(2): 43-52 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00113

0 引言

青藏高原平均海拔超过4 000 m,是全球海拔最高的独特自然地理单元,其复杂的地表状况,对外界因素扰动具有高度脆弱性和敏感性1。20世纪80年代以来,青藏高原气候显著变暖,平均气温增幅显著高于同期全球、北半球及中国平均气温增幅,是全球变暖的“放大镜”2-3。气候变暖导致青藏高原的冰川退缩、多年冻土退化、河流流量增加、湖泊水位上升,区域尺度水循环加速,降水事件的时空特征发生显著变化4,严重影响青藏高原及周边地区的生态环境、工程建设以及人类的生产生活5。青藏高原又是亚洲诸多大江大河发源地,被誉为“亚洲水塔”,其降水的时空变化对区域和全球水循环以及水资源利用产生重要影响6。大气降水直接决定了陆地表面的干湿和积雪状况进而影响热状况,从而影响亚洲季风7-9。可见,科学认识青藏高原降水时空变化,对研究陆地生态系统和水文过程、管理亚洲水资源以及探索亚洲季风具有重要意义。

目前有关青藏高原降水变化问题的研究很多。本文基于气象台站研究成果,对1960年以来青藏高原整体和三江源区、雅鲁藏布江流域、祁连山区、青海高原、西藏高原、柴达木盆地、共和盆地7个区域降水量以及极端降水量的不同变化规律作了系统综述,并分析了降水变化的影响因素,最后针对目前降水变化研究中存在问题,对未来降水变化研究方向进行了展望。图1为青藏高原79个气象台站及7个研究区域空间分布情况。

图1

图1   青藏高原气象台站及研究区域空间分布

Fig.1   Spatial distribution of meteorological stations and study areas over the Qinghai-Tibetan Plateau


1 高原尺度降水变化特征

1.1 高原尺度年及季节降水变化趋势

青藏高原整体年降水量自1960年以来呈现上升趋势10-13图2A),变化速率为3.8~12.0 mm/10a,但其显著性存在争议。Wan等14和Gao等15认为近60年高原年降水量上升趋势不显著,而冀钦等16、马伟东等13、冯川玉等17和Tong等18认为近60年高原年降水量显著增加,这一争议可能与研究时段和所选气象台站范围不同有关。20世纪60—70年代,高原年降水量呈现下降趋势,70年代以后则呈现上升趋势,1998年是近50年降水量最多的一年121419。高原年降水量变化速率在1961—2007年为9.1 mm/10a20,1961—2015年为3.8~6.6 mm/10a1416,1961—2017年为8.1 mm/10a13表1)。

图2

图2   1960年以来青藏高原年降水量变化趋势和年及季节降水量变化速率对比

A图数据来源于马伟东等13;B图中1960—2000年数据来源于黄一民等21,1961—2015年数据来源于Wan等14,1961—2017年数据来源于马伟东等13,1961—2019年数据来源于冯川玉等17

Fig.2   Variation trend in average annual precipitation comparison on change rate of annual and season precipitation over the Qinghai-Tibetan Plateau since 1960


表1   1960年以来青藏高原年降水量变化速率

Table 1  Changing rate of average annual precipitation over the Qinghai-Tibetan Plateau since 1960

研究时段气象站点数年降水量变化速率/(mm/10a)文献来源
1960—2000877.1黄一民等[21]
1960—20005611.2张磊等[22]
1971—20007712.0Wu等[23]
1970—20057511.9Liu等[24]
1961—2007669.1Li等[20]
1970—2009754.0Xie等[25]
1961—2010696.7李晓英等[19]
1971—2011837.5Gao等[15]
1961—2015653.8Wan等[14]
1961—2015726.6冀钦等[16]
1961—2017788.1马伟东等[13]
1971—20171136.7Hu等[12]
1961—2019946.1冯川玉等[17]

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青藏高原降水集中在夏季,占年降水量的一半以上,春季略低于秋季,冬季降水量最少13。20世纪60年代以来冬春两季降水量显著增加1417,春季降水量增长速率最大,夏秋两季降水量变化趋势不明显13-1417-1821图2B)。2000年以前春季降水量年际间波动幅度较大,冬季降水量1995年以前呈上升趋势,1995年后呈下降趋势14

1.2 高原尺度降水变化空间格局

青藏高原降水量变化的空间特征呈现复杂性。1961—2005年高原南部和北部年降水量呈增加趋势,高原中部年降水量呈减少趋势26。1971—2011年高原北部和西南地区年降水量呈上升趋势,东部和东南部年降水量呈下降趋势15。20世纪60—80年代年降水量在高原北部呈增加趋势,而在南部呈减少趋势27,80年代中期开始年降水量在高原北部开始减少,南部开始增加28。2000年以前高原南部大致以东经102°为界,该线以东年降水量减少,以西年降水量增加,且降水量增加区域表现出随纬度增加而递减特征,高原中部、北部年降水量基本保持不变或微弱增加21。2000年以后年降水量在高原东部和中东部地区显著增加,而在南部和西北地区显著下降29

2 区域尺度降水变化特征

2.1 区域尺度年及季节降水变化趋势

近60年来青藏高原区域尺度年降水量变化特征差异明显(图3)。1960年以来三江源区年降水量总体呈现增加趋势30,变化速率为7.3~20 mm/10a,21世纪以来显著增加31。雅鲁藏布江流域年降水量呈现不明显增加趋势32-34,变化速率为0.4~9.0 mm/10a。祁连山区年降水量则显著增加35,变化速率为1.0~13.2 mm/10a,2000年以前增加趋势缓慢36,2000年以后明显增加37。青海高原、西藏高原、柴达木盆地和共和盆地年降水量均呈现上升趋势,变化速率分别为1.9~3.3、12.5、6.7~8.6、7.2 mm/10a(表2)。

图3

图3   1960年以来青藏高原区域尺度年均降水量变化速率空间分布

图中蓝色柱子表示降水量变化速率,横坐标为表2所列各区域内不同研究时段,降水变化速率从左向右逐渐增大;内插小图A:祁连山区;B:共和盆地;C:柴达木盆地;D:青海高原;E:三江源区;F:西藏高原;G:雅鲁藏布江流域

Fig.3   Spatial distribution of average annual precipitation rate at regional scale over the Qinghai-Tibetan Plateau since 1960


表2   1960年以来青藏高原区域尺度年降水量变化速率

Table 2  Changing rate of average annual precipitation at regional scale over the Qinghai-Tibetan Plateau since 1960

研究区域研究时段气象站点数年降水量变化速率/(mm/10a)文献来源
三江源区1961—2004187.5侯文菊等[38]
1961—2012187.8杨佳星等[39]
1961—2013147.3魏永亮等[40]
1961—2013189.5强安丰等[41]
1960—20151820刘晓琼等[31]
雅鲁藏布江流域1961—2005106.8You等[32]
1973—200740.4李海东等[42]
1978—2009390.8聂宁等[43]
1980—2013109.0尼玛旦增[44]
祁连山区1960—2005196.0张耀宗等[45]
1960—2017613.2程鹏等[46]
1961—2019121.0肖莲桂等[35]
青海高原1961—2002261.9汪青春等[47]
1961—2004263.3汪青春等[48]
西藏高原1961—20103812.5杨春艳等[49]
柴达木盆地1961—200666.7陈晓光等[50]
1971—201088.5张娟等[51]
1961—201087.4Wang等[52]
1961—2010108.3戴升等[53]
1961—201268.6柴军[54]
1981—2017108.0吕春艳等[55]
共和盆地1960—201227.2杨发源等[56]

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青藏高原区域尺度降水量季节变化特征存在明显差异。1960—2000年春季高原东北部降水量减少,夏季中部和川西地区降水量减少,南部和北部降水量增加21。几乎同期,环青海湖地区冬季降水量增加,而春秋两季降水量减少57;青海高原冬半年降水量增加,而夏半年降水量减少47,南部冬春两季降水量增加,而夏秋两季降水量减少58;西藏高原四季降水量均明显增加59,雅鲁藏布江流域四季降水量均增加不明显32;青藏高原西北干旱区夏季降水量相对变率最大,三江源区夏季降水量相对变率最小60。1960—2012年共和盆地春、夏、冬三季降水量呈增加趋势,而秋季降水量则呈下降趋势56

2.2 区域尺度降水变化空间格局

青藏高原区域尺度降水量空间变化呈现复杂性。柴达木盆地年降水量在20世纪70年代初到80年代中期呈下降趋势,90年代后呈增加趋势51,且盆地东部增幅大于盆地西部55。1960—2005年祁连山区西段降水量增加最为显著,且南坡降水量增加要比北坡显著45,东部降水量增幅从东到西呈减小趋势,而中、西部降水量增幅从南到北呈减小趋势37。有趣的是,祁连山区降水量随着海拔上升呈现“S”型曲线变化趋势,降水量的“极大高度”位于海拔1 800~2 800 m,“极小高度”位于海拔2 200~3 600 m61。1961—2000年雅鲁藏布江流域降水量变化呈现二次曲线,80年代以前呈现下降趋势,80年代至2000年则显著增加62。1961—2001年西藏高原降水量在藏中和藏东地区呈现增加趋势,而在藏西则呈减小趋势63。1965—2009青海高原逐年降水量值与多年平均值相比波动较大,低于多年平均值年份相对较多64

3 青藏高原极端降水变化特征

IPCC第六次评估报告指出,气候变暖导致全球大部分地区极端天气气候事件发生的频率和概率增加65。青藏高原极端气候事件的变化受到广泛关注,因为极端气候事件对气候变化的敏感性高于其均值。在全球变暖的背景下,高原极端降水事件也在发生异常变化。

近60年青藏高原极端降水量和极端降水日数明显增多1366,但是极端降水量变化空间异质性特征显著。横断山区最大5日降水量呈现减少趋势但不显著67。西藏连续干旱日数显著减少,最大5日降水量减少但不显著,大雨日数和强降水量变化趋势不明显68。雅鲁藏布江流域最大1日降水总量和逐年连续无降水天数呈减少趋势,最大5日降水量和逐年连续降水天数呈增加趋势69。柴达木盆地极端降水的量和频次虽然较少,但极端降水量对降水总量的贡献率却较高13。高原中部和东部地区强降水日数、最大1日降水量、极端降水日数均呈增加趋势,最大5日降水量呈减少趋势26。高原东部夏季强降水量和频次呈现弱增长趋势70,高原中东部大部分地区夏季极端降水量呈现增加趋势71。1975—2014年极端降水事件在高原西南、中部和北部地区呈增加趋势,东部和东南部地区呈减少趋势66。1973—2011年高原西部最大1日和5日降水量均呈不显著增加趋势,强降水日数和连续干旱日数则呈不明显减少趋势72

4 降水变化影响因素

青藏高原降水变化的影响因素研究已取得一定进展。其中,大尺度大气环流、高原地表状况和气候变暖等因素对高原降水变化具有重要影响(图4)。

图4

图4   青藏高原降水变化驱动机制

Fig.4   Driving mechanism of precipitation variation over the Qinghai-Tibetan Plateau


4.1 大尺度大气环流影响

大尺度外部环流是影响青藏高原降水变化的重要因素。亚洲夏季风给高原东部和南部带来丰富的低纬度水蒸气,东亚冬季风和中纬度西风带给高原中东部带来的水汽非常有限73。亚洲季风和中纬度西风带周期性变化也会引起高原年降水周期性振荡。亚洲季风和中纬度西风带对高原水文气候进行周期性调节,这些循环的干湿相同时发生可能导致强烈的水文气候响应74。印度洋海面温度上升增大了印度洋和南亚地区之间的海陆热力差异,南亚夏季风强于平均状况,导致高原降水量增加,南亚夏季风弱于平均状况,则高原降水量减少75。另外,一些热带海洋过程,比如厄尔尼诺南方涛动现象、印度洋偶极子模式,也会对亚洲季风循环产生深远的影响76,进而影响高原水汽输送。

4.2 高原地表状况影响

影响青藏高原降水变化的另一个因素是高原地表状况。地表反照率、地表粗糙度、土壤融化冻结过程和地表热条件等地表状态的变化均会影响高原降水1。湿润的土壤会导致更高的蒸发和潜热通量,从而增加进入大气的有效水分,导致大气升温速率变化和云的形成,最终影响局地和区域降水77。植被退化可显著提高反照率,降低地表粗糙度和土壤水分,导致大气温度降低,垂直上升运动减弱,夏季风环流减弱,导致青藏高原东南部降水减少20。另外,高原夏季夜雨的产生与地形条件引起的局地大气动力和热力条件密切相关78。高空水汽输送增强,加上下垫面差异等因素,可能造成高原气候区域性差异50

4.3 气候变暖影响

气候变暖也是青藏高原降水变化的一个影响因素。高原的升温通过其在建立和维持亚洲季风环流方面的重要作用影响高原的降水7。随着温度升高,大气中水蒸气的储存能力增加,因此降水量也会增加79。气温升高促进了陆地植被生物源挥发性有机化合物的排放,从而增加了次生有机气溶胶,导致降水量增加80。降水量增加导致土壤湿度和植被覆盖度增加,对生物源挥发性有机化合物排放产生正反馈11。吸收大气中的气溶胶,如灰尘和黑炭,能通过升高的热泵效应加强印度季风81,进而影响高原的降水。

5 结论与展望

5.1 结论

本文总结了青藏高原近60年降水变化特征,具体包括高原及区域尺度年/季节降水量变化特征、极端降水量变化特征及其变化原因。

高原尺度上,年降水量呈现上升趋势,变化速率为3.8~12.0 mm/10a。20世纪60—70年代,年降水量呈现下降趋势,70年代以后则呈现上升趋势,1998年是近50年降水量最多的一年。降水量变化季节差异特征明显,冬春两季降水量显著增加,春季降水量增加速率最大,夏秋两季降水量变化趋势不明显。年降水量变化的空间特征呈现复杂性。

区域尺度上,年降水量变化趋势差异特征明显。三江源区年降水量总体呈现上升趋势,变化速率为7.3~20.0 mm/10a。雅鲁藏布江流域年降水量呈现不明显上升趋势,其变化速率为0.4~9.0 mm/10a。祁连山区年降水量则显著增加,变化速率为1.0~13.2 mm/10a。年降水量增长速率在西藏高原为12.5 mm/10a,青海高原为1.9~3.3 mm/10a,柴达木盆地为6.7~8.6 mm/10a,共和盆地为7.2 mm/10a。区域尺度降水量空间变化呈现复杂性。

青藏高原极端降水量和极端降水日数明显增多,但是极端降水量变化空间异质性特征显著。横断山区和西藏地区最大5日降水量呈现减少趋势但不显著。雅鲁藏布江流域最大1日降水量呈现减少趋势而最大5日降水量则呈上升趋势。高原中部和东部地区最大1日降水量呈上升趋势,而最大5日降水量呈减少趋势。

青藏高原降水变化的影响因素很多,目前主要包括大尺度大气环流、高原地表状况及气候变暖。

5.2 研究展望

目前关于青藏高原降水变化研究还存在很多问题,未来研究应重点关注以下几个方面。

提高对青藏高原降水变化的认识,需要更多类型的数据源对高原降水变化进行监测。目前研究仍以气象站观测数据为主,但这些数据尚存在问题。青藏高原的气象站点空间分布不均匀,大多分布在高原东部山谷地区,西部和西北地区相对较少,海拔5 000 m以上气象站点匮乏。青藏高原气象站现状增加了高原降水变化研究的不确定性82。未来的研究中,应该采用卫星产品、再分析数据和气候模拟数据对高原降水变化进行研究。值得注意的是,卫星降水产品虽然能够提供连续的大面积覆盖、长时间序列的空间覆盖产品,对于稀缺资料地区降水资料提供是一个重要来源,弥补了地面站点和天气雷达观测的不足,但是这些卫星降水产品都存在一个共同的问题,即空间分辨率很低,一般在几千米到几十千米不等,无法满足水文领域对高精度高分辨率数据的需求,而且对高原西部地区缺乏精度验证83-84。因此,如何合理利用这些数据监测青藏高原气候变化,是未来工作需要补充和完善的方向。

受青藏高原复杂的地表状况影响,无论是整体还是区域尺度上,高原降水变化的时空异质性都很强。仅凭有限的气象站观测资料很难全面反映高原降水的数量和季节变化模式,尤其是区域或流域尺度。因此,除了利用经过验证和校正的卫星降水资料、更成熟的再分析资料和自动气象站观测资料,在可能的情况下,还要结合其他可选的气候代用指标,如冰芯(稳定同位素)、花粉、湖泊沉积物及树轮数据,对气候数据进行重构,评估缺失气候资料区降水的数量和季节分布。冰芯、树轮记录及其他气候代用指标能够提供长时间尺度的降水变化,也可以反映当前降水增加是否在正常的自然波动范围内,但是这些气候代用指标也存在局限性。以湖泊沉积物为例,由于不同区域局地环境存在差异,导致湖泊沉积物的环境气候指示意义存在很大差异,甚至出现相悖的现象85。如何利用这些数据加强对区域或流域气候变化的监测,是今后研究的重点问题。

青藏高原降水变化空间特征比较复杂,高原上降水变化远不如气温变化均匀。高原上的一些亚区正逐渐变暖变湿,而另一些亚区则逐渐变暖变干。此外,对于21世纪青藏高原季风降水是增加还是减少,目前还缺乏一致的认识86。青藏高原降水变化的影响因素包括高原和亚洲陆地加热、大尺度大气环流、陆面过程、气溶胶和内部动力,甚至气候变暖引起冻土变化、积雪融化、地表植被状况改变等因素都会导致青藏高原地表水汽传输过程的变化87-88。其中一个影响因子可能对降水变化起决定性作用,或者两个或两个以上的影响因子相互作用,对降水变化产生放大或衰减效应81。但是现有研究还不能完全揭示青藏高原降水变化机制。因此,今后尚需进一步完善青藏高原降水变化机制研究。

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