青藏高原40年来降水量时空变化趋势_张文纲
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采用 Mann- Kendall 方法[ 14] 对各台站降水量的 40 年序列进行趋势变化和突变分析。年代际的变化主要以计 算的逐站 10 年降水量差值, 用空间插值反映其区域变化情况。同时应用主成分方法对高原台站 40 年的降水资 料所构成的降水量场进行分解, 以其载荷向量场的特征分出区域分异, 再结合 M-K 法对主成分以及不同分区 的平均降水量同时进行趋势和突变点检测。
张文纲, 等: 青藏高原 40 年来降水量时空变化趋势
1 69
势检验和突变检测, 同时在结合主成分分析考察其空间分布特征的可能影响因素的基础上, 分析过去 40 年青 藏高原降水量及主成分的时间变化趋势和相应的降水量空间格局演变, 以期能够对高原降水量时间和空间变化 趋势特征及其相互联系有深入的探究。
2 结果与讨论
211 青藏高原降水量 40 年变化趋势的基本特征
对于 40 年平均的降水量空间分布来说, 降水量等值线除了青海东北和西藏西南部出现一个局部闭合相对
高值区域外, 主要呈现的是西北- 东南向的增大趋势( 图略) 。通过 Mann-Kendall 方法检验, 对高原站点 40 年年
降水量逐站考察变化趋势, 得到 40 年 尺度的基本降水量
高原降水量的年代际和年际变化趋势特征。
21211 青藏高原降水量冷暖季空间分布特征
表 2 青藏高原标准化冷季降 水量场主成分分析的
冷季: 将经过标准化处理的冷季 97 站 40 年降水量做主成分
前 8 个载荷向量的方差贡献率 %
分析, 依照解释方差碎石图( 图略) 拐点, 选取前 3 个载荷向量分 Table 2 Percentage of total precipitation variance
第 20 卷 第 2 期 2009 年 3 月
水科学进展 ADVANCES IN WATER SCIENCE
Vol120, No12 Mar. , 2009
青藏高原 40 年来降水量时空变化趋势
张文纲1, 2, 李述训1, 2, 庞强强1, 2
( 11 藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站, 甘肃 兰州 730000; 21 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 甘肃 兰州 730000)
通过 90% 置信, 12 个通过 95% 置信, 空间分布上主要位于
高原东南和东北部; 减小趋势通过检验的只有两个站, 分
别是位于青海东南的同仁( 90% 置信) 和河南( 95% 置信) 。
分冷、暖季来看, 暖季降水量 40 年尺度基本和年降
水量变化趋势一致, 但仍有 12 个站点与年降水量变化趋 势反向, 而冷、暖季降水量 40 年尺度变化趋势反向站点 有 37 个, 其空间分布在后述的对降水量空间分区后将述 及。表 1 给出冷、暖季以及 40 年来各月降水量通过 M- K
不同的影响因素, 对应于高原海拔和地形特点, 认为第一载荷向
7
611
541 1
418
581 9
316
621 4
量场主要体现了冷季降水主要受高原海拔和地形因素的影响。
8
314
651 8
图 2 青藏高原冷季降水量载荷向量空间分布 Fig12 First three loading eigenvectors of precipitation over Qingha-i Tibet Plateau in cool season
法趋势检验 90% 和 95% 置信度的站点数比较, 可以看到冷季降水量增大趋势通过检验的站点数远多于暖季,
而对于各月份降水量 40 年变化来说, 2、3、11 月出现可置信趋势的站点数最多, 且平均 87% 为增大趋势; 有
必要提及的是 8 月份降水量的可置信趋势站点却为 80% 减小。
1 70
置信度
增大
95% 90%
暖季 冷季 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月
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212 青藏高原降水量 40 年来年代际和年际变化趋势特征
关 键 词: 青藏高原;Hale Waihona Puke Baidu降水量; 时空变化; Mann- Kendall 检验; 主成分分析; 气候突变
中图分类号: P4261 614
文献标识码: A
文章编号: 1001- 6791( 2009) 02- 0168- 09
青藏高原作为世界上最高的大高原, 其地形复杂, 地表的物理性质也很复杂, 因而具有独特的自然地域特 征和天气气候特征[ 1~ 3] , 它对中国及东亚乃至北半球天气气候都有着重要影响, 也是全球气候变化研究的热点 部分。青藏高原的降水呈现出极为复杂的特点, 对高原降水变化的研究已有较多, 汤懋苍等[ 4] 分析指出, 在 20 世纪 80 年代中期, 高原北部降水开始减少, 南部开始多雨; 韦志刚等[ 5] 对高原降水年际及年代际变化做了 较完整的分析; 马晓波等[ 6] 对高原 40 年降水变化趋势及突变作了分析; 邹进上等[ 7] 讨论了影响青藏高原降雪 的因子, 杜军等[ 8] 则主要对西藏降水变化做了趋势分析; 缪启龙等[ 9] 、黄一民等[ 10] 对青藏高原降水变化进行 了水汽输送和四季变化的特征分析; 由于降水的空间变异大, 对青藏高原降水的分区研究十分有限, 林振耀 等[ 11] 采用旋转主成分分析方法将高原降水变化分为 9 个区; 蔡英[ 12] 也利用同样的分析方法, 只分为高原南部 区和北部区两个区域。张杰等[ 13] 则讨论了地形对青藏高原丰枯水年雨季降水量空间分布的影响, 依据高程模 型划分了三类区域并分析了不同区域降水量的影响因子。综合已有的研究可以看到, 对降水的变化趋势还存在 争议, 同时由于高原上气象资料的缺乏影响了人们的认识过程, 对于主要的气候要素降水资料也是随着高原气 象台站从 1958 年的逐渐增加才积累起来的, 前期研究资料序列都相对较短, 同时这些台站在高原地区的分布 很不均匀, 主要分布在高原东部和中部, 西部很少, 这对青藏高原近代气候状况的了解是一个不断的增加资料 不断明晰的过程。因此进一步研究该区域的降水变化特点并对其进行分区讨论, 有助于揭示高原气候变化的最 新特征及规律, 并为青藏高原本身气候的变化、青藏高原对周边乃至全球气候的影响及其机理的分析等研究提 供有益探索。
( 图中虚线为高原面廊线, 下同) 图 1 青藏高原站点 40 年降水量增减趋势 Fig11 Distribution of 97 stations with precipitation trends for the decades of 1961- 2000 over Qingha-i T ibet Plateau
season over Qingha-i Tibet Plateau
载荷向量序号
方差贡献
累积方差贡献
1
1915
191 5
2
1115
311 0
的区域载荷为相对高的正值, 区别于藏南、藏东南和高原西北角
3 4
818
391 8
812
481 0
新疆部分以及高原东部青海大部区域的闭合载荷负值区域, 反映
5 6
1 资料与方法
111 资料 选取青藏高原及其周边地区 97 个气象台站有完整的 1961- 2000 年逐月降水资料, 对极个别台站( 1 台站)
有缺测值的用与其相邻且相关性较好的台站资料回归插补。高原上绝大多数台站的降水主要集中在高原雨季, 对于高原季节划分采用冷暖季, 即 4~ 9 月为暖季, 这一划分涵盖习惯上的高原雨季, 其余月份为冷季。同时, 为了便于不同台站及不同年份的对比, 将各站的降水量资料进行了标准化处理。 112 方法
水科 学进展
第 20 卷
表 1 青藏高原 40 年冷暖季及各 月份降水量 M- K 趋势检验通过 90%和 95%置信度的站点数
Table 1 Statistics of precipitation trend estimated by Mann- Kendall test for different seasons over the Qingha-i Tibet Plateau
空间特征, 见图 1, 仅就增减趋势来说, 高原大部分表现
为增大趋势( 站点数 69 个) , 只有青海东南部和南疆及西
藏部分站点( 25 个站点) 出现减小趋势; 另有 3 个站点表现
为无变化, 分别为冷湖、贵德和尼木站。对于通过置信度
90% 和 95% 检验的趋势来说, 高原趋势增大站点中有 4 个
从高原降水量 40 年变化趋势看, 冷、暖季降水量变化趋势特点不尽相同, 冷季降水量虽然只占全区平均
年降水量的 12% 左右, 但其变化趋势明显, 认为有必要考虑不同的影响机制的变化, 故采取主成分方法对降
水量主成分载荷向量场特征进行分析, 进而划分出与可能的影响因素相关的冷、暖季降水量分异区域, 以考察
创新工程重大项目 ( 220014- 03) ; 国家重点基础研究发展计划 ( 973) 资助项目 ( 2005CB422003) 作者简介: 张文纲( 1977- ) , 男, 甘肃华池人, 博士研究生, 主要从事多年冻土与气候关系研究。
E-mail: zhangwg @ lzb1ac1cn
第 2期
本文试图对青藏高原及周边 1961- 2000 年 97 个气象站点的逐月降水量数据采用 Mann-Kendall 方法进行趋
收稿日期: 2007- 12- 24 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 40471026) ; 国家基 金委 / 西部重 大计划0 面上 项目 ( 90302006) ; 中国科 学院知 识
析冷季降水量空间分布, 即主要分析前 3 个主成分时空变化。表 2 给出前 8 个载荷向量的方差贡献率, 累积达到 6518% 。
图 2 给出了前 3 个载荷向量的空间分布, 由图 2 分析, 在第 一载荷向量场载荷空间分布上高原主体中部羌塘高原到唐古拉山
explained by the first eight PC in cool
第三载荷向量场正负载荷的空间分异有着和高原多年冻土与季节冻土区域分布相似的体现, 高原主体即羌 塘高原及其以西大部多年冻土区载荷向量与高原周边呈现明显的正负反向变化。认为, 冷季高原主要受冷高压 控制, 那么高原主体大面积多年冻土应该是形成冷高压的主要因素, 这样高原主体干冷、降水少而高原周边则 降水相对比较多, 可以很好印证冷季第三载荷向量场的空间分布。图 3 给出了高原多年冻土分布与冷季降水第 三载荷向量场正负载荷和站点分类分布, 这与张文纲等[ 15] 分析发现的高原冷季地气温差第三载荷向量场空间
第二载荷向量场载荷分布主要呈现由西北向东南的载荷增大变化, 高原中部往东又出现减小趋势, 至青海 东部的小范围载荷负值区。整体来看主要体现降水的南北差异, 和高原冷季大气环流形式相对应, 反映冷季高 原大部受强大西风影响控制, 高原东南暖湿气流向北延展相对减弱; 高原东部则是由其地理位置偏北, 所处环 流系统交界而降水来源特殊而致。
摘要: 利用青藏高原及其周边的 97 个气 象台站 1961- 2000 年的逐月 降水量 资料, 以 Mann- Kendall 趋势检验 方法结 合主成分分析, 分析了高原降水量 40 年来的时间变化趋势和空 间演变特征 , 并探讨了其 变化趋势 的区域分 异因素 和可能的趋势突变时间。结果发现, 高原站点 40 年年降水量大部 分表现为 增大趋势, 只有 青海东 南部和南 疆及西 藏部分站点出现减小趋势, 这一时间变化趋 势的空 间分布 则大致表 现为高 原中东 部和南 北的反 向变化, 同 时高原 站点冷季降水量增大趋势明显; 以冷、暖季降水量的第三载荷 向量场分 异进行的分 区在 10 年年代 际和逐年 变化中 都有明显体现, 暖季区域分异因素的主要相关 区域降 水量变 化趋势 与相应载 荷向量 的时间 变化相 关显著, 在 1989 年出现可信的突变时间点; 冷季相关分异区域的降水量变 化趋势在 1987 年出现明 显增大 趋势, 同 样与载荷 向量的 时间变化相关显著, 但突变时间点检测不明显。
张文纲, 等: 青藏高原 40 年来降水量时空变化趋势
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势检验和突变检测, 同时在结合主成分分析考察其空间分布特征的可能影响因素的基础上, 分析过去 40 年青 藏高原降水量及主成分的时间变化趋势和相应的降水量空间格局演变, 以期能够对高原降水量时间和空间变化 趋势特征及其相互联系有深入的探究。
2 结果与讨论
211 青藏高原降水量 40 年变化趋势的基本特征
对于 40 年平均的降水量空间分布来说, 降水量等值线除了青海东北和西藏西南部出现一个局部闭合相对
高值区域外, 主要呈现的是西北- 东南向的增大趋势( 图略) 。通过 Mann-Kendall 方法检验, 对高原站点 40 年年
降水量逐站考察变化趋势, 得到 40 年 尺度的基本降水量
高原降水量的年代际和年际变化趋势特征。
21211 青藏高原降水量冷暖季空间分布特征
表 2 青藏高原标准化冷季降 水量场主成分分析的
冷季: 将经过标准化处理的冷季 97 站 40 年降水量做主成分
前 8 个载荷向量的方差贡献率 %
分析, 依照解释方差碎石图( 图略) 拐点, 选取前 3 个载荷向量分 Table 2 Percentage of total precipitation variance
第 20 卷 第 2 期 2009 年 3 月
水科学进展 ADVANCES IN WATER SCIENCE
Vol120, No12 Mar. , 2009
青藏高原 40 年来降水量时空变化趋势
张文纲1, 2, 李述训1, 2, 庞强强1, 2
( 11 藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站, 甘肃 兰州 730000; 21 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 甘肃 兰州 730000)
通过 90% 置信, 12 个通过 95% 置信, 空间分布上主要位于
高原东南和东北部; 减小趋势通过检验的只有两个站, 分
别是位于青海东南的同仁( 90% 置信) 和河南( 95% 置信) 。
分冷、暖季来看, 暖季降水量 40 年尺度基本和年降
水量变化趋势一致, 但仍有 12 个站点与年降水量变化趋 势反向, 而冷、暖季降水量 40 年尺度变化趋势反向站点 有 37 个, 其空间分布在后述的对降水量空间分区后将述 及。表 1 给出冷、暖季以及 40 年来各月降水量通过 M- K
不同的影响因素, 对应于高原海拔和地形特点, 认为第一载荷向
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量场主要体现了冷季降水主要受高原海拔和地形因素的影响。
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图 2 青藏高原冷季降水量载荷向量空间分布 Fig12 First three loading eigenvectors of precipitation over Qingha-i Tibet Plateau in cool season
法趋势检验 90% 和 95% 置信度的站点数比较, 可以看到冷季降水量增大趋势通过检验的站点数远多于暖季,
而对于各月份降水量 40 年变化来说, 2、3、11 月出现可置信趋势的站点数最多, 且平均 87% 为增大趋势; 有
必要提及的是 8 月份降水量的可置信趋势站点却为 80% 减小。
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置信度
增大
95% 90%
暖季 冷季 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月
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关 键 词: 青藏高原;Hale Waihona Puke Baidu降水量; 时空变化; Mann- Kendall 检验; 主成分分析; 气候突变
中图分类号: P4261 614
文献标识码: A
文章编号: 1001- 6791( 2009) 02- 0168- 09
青藏高原作为世界上最高的大高原, 其地形复杂, 地表的物理性质也很复杂, 因而具有独特的自然地域特 征和天气气候特征[ 1~ 3] , 它对中国及东亚乃至北半球天气气候都有着重要影响, 也是全球气候变化研究的热点 部分。青藏高原的降水呈现出极为复杂的特点, 对高原降水变化的研究已有较多, 汤懋苍等[ 4] 分析指出, 在 20 世纪 80 年代中期, 高原北部降水开始减少, 南部开始多雨; 韦志刚等[ 5] 对高原降水年际及年代际变化做了 较完整的分析; 马晓波等[ 6] 对高原 40 年降水变化趋势及突变作了分析; 邹进上等[ 7] 讨论了影响青藏高原降雪 的因子, 杜军等[ 8] 则主要对西藏降水变化做了趋势分析; 缪启龙等[ 9] 、黄一民等[ 10] 对青藏高原降水变化进行 了水汽输送和四季变化的特征分析; 由于降水的空间变异大, 对青藏高原降水的分区研究十分有限, 林振耀 等[ 11] 采用旋转主成分分析方法将高原降水变化分为 9 个区; 蔡英[ 12] 也利用同样的分析方法, 只分为高原南部 区和北部区两个区域。张杰等[ 13] 则讨论了地形对青藏高原丰枯水年雨季降水量空间分布的影响, 依据高程模 型划分了三类区域并分析了不同区域降水量的影响因子。综合已有的研究可以看到, 对降水的变化趋势还存在 争议, 同时由于高原上气象资料的缺乏影响了人们的认识过程, 对于主要的气候要素降水资料也是随着高原气 象台站从 1958 年的逐渐增加才积累起来的, 前期研究资料序列都相对较短, 同时这些台站在高原地区的分布 很不均匀, 主要分布在高原东部和中部, 西部很少, 这对青藏高原近代气候状况的了解是一个不断的增加资料 不断明晰的过程。因此进一步研究该区域的降水变化特点并对其进行分区讨论, 有助于揭示高原气候变化的最 新特征及规律, 并为青藏高原本身气候的变化、青藏高原对周边乃至全球气候的影响及其机理的分析等研究提 供有益探索。
( 图中虚线为高原面廊线, 下同) 图 1 青藏高原站点 40 年降水量增减趋势 Fig11 Distribution of 97 stations with precipitation trends for the decades of 1961- 2000 over Qingha-i T ibet Plateau
season over Qingha-i Tibet Plateau
载荷向量序号
方差贡献
累积方差贡献
1
1915
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的区域载荷为相对高的正值, 区别于藏南、藏东南和高原西北角
3 4
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391 8
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新疆部分以及高原东部青海大部区域的闭合载荷负值区域, 反映
5 6
1 资料与方法
111 资料 选取青藏高原及其周边地区 97 个气象台站有完整的 1961- 2000 年逐月降水资料, 对极个别台站( 1 台站)
有缺测值的用与其相邻且相关性较好的台站资料回归插补。高原上绝大多数台站的降水主要集中在高原雨季, 对于高原季节划分采用冷暖季, 即 4~ 9 月为暖季, 这一划分涵盖习惯上的高原雨季, 其余月份为冷季。同时, 为了便于不同台站及不同年份的对比, 将各站的降水量资料进行了标准化处理。 112 方法
水科 学进展
第 20 卷
表 1 青藏高原 40 年冷暖季及各 月份降水量 M- K 趋势检验通过 90%和 95%置信度的站点数
Table 1 Statistics of precipitation trend estimated by Mann- Kendall test for different seasons over the Qingha-i Tibet Plateau
空间特征, 见图 1, 仅就增减趋势来说, 高原大部分表现
为增大趋势( 站点数 69 个) , 只有青海东南部和南疆及西
藏部分站点( 25 个站点) 出现减小趋势; 另有 3 个站点表现
为无变化, 分别为冷湖、贵德和尼木站。对于通过置信度
90% 和 95% 检验的趋势来说, 高原趋势增大站点中有 4 个
从高原降水量 40 年变化趋势看, 冷、暖季降水量变化趋势特点不尽相同, 冷季降水量虽然只占全区平均
年降水量的 12% 左右, 但其变化趋势明显, 认为有必要考虑不同的影响机制的变化, 故采取主成分方法对降
水量主成分载荷向量场特征进行分析, 进而划分出与可能的影响因素相关的冷、暖季降水量分异区域, 以考察
创新工程重大项目 ( 220014- 03) ; 国家重点基础研究发展计划 ( 973) 资助项目 ( 2005CB422003) 作者简介: 张文纲( 1977- ) , 男, 甘肃华池人, 博士研究生, 主要从事多年冻土与气候关系研究。
E-mail: zhangwg @ lzb1ac1cn
第 2期
本文试图对青藏高原及周边 1961- 2000 年 97 个气象站点的逐月降水量数据采用 Mann-Kendall 方法进行趋
收稿日期: 2007- 12- 24 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 40471026) ; 国家基 金委 / 西部重 大计划0 面上 项目 ( 90302006) ; 中国科 学院知 识
析冷季降水量空间分布, 即主要分析前 3 个主成分时空变化。表 2 给出前 8 个载荷向量的方差贡献率, 累积达到 6518% 。
图 2 给出了前 3 个载荷向量的空间分布, 由图 2 分析, 在第 一载荷向量场载荷空间分布上高原主体中部羌塘高原到唐古拉山
explained by the first eight PC in cool
第三载荷向量场正负载荷的空间分异有着和高原多年冻土与季节冻土区域分布相似的体现, 高原主体即羌 塘高原及其以西大部多年冻土区载荷向量与高原周边呈现明显的正负反向变化。认为, 冷季高原主要受冷高压 控制, 那么高原主体大面积多年冻土应该是形成冷高压的主要因素, 这样高原主体干冷、降水少而高原周边则 降水相对比较多, 可以很好印证冷季第三载荷向量场的空间分布。图 3 给出了高原多年冻土分布与冷季降水第 三载荷向量场正负载荷和站点分类分布, 这与张文纲等[ 15] 分析发现的高原冷季地气温差第三载荷向量场空间
第二载荷向量场载荷分布主要呈现由西北向东南的载荷增大变化, 高原中部往东又出现减小趋势, 至青海 东部的小范围载荷负值区。整体来看主要体现降水的南北差异, 和高原冷季大气环流形式相对应, 反映冷季高 原大部受强大西风影响控制, 高原东南暖湿气流向北延展相对减弱; 高原东部则是由其地理位置偏北, 所处环 流系统交界而降水来源特殊而致。
摘要: 利用青藏高原及其周边的 97 个气 象台站 1961- 2000 年的逐月 降水量 资料, 以 Mann- Kendall 趋势检验 方法结 合主成分分析, 分析了高原降水量 40 年来的时间变化趋势和空 间演变特征 , 并探讨了其 变化趋势 的区域分 异因素 和可能的趋势突变时间。结果发现, 高原站点 40 年年降水量大部 分表现为 增大趋势, 只有 青海东 南部和南 疆及西 藏部分站点出现减小趋势, 这一时间变化趋 势的空 间分布 则大致表 现为高 原中东 部和南 北的反 向变化, 同 时高原 站点冷季降水量增大趋势明显; 以冷、暖季降水量的第三载荷 向量场分 异进行的分 区在 10 年年代 际和逐年 变化中 都有明显体现, 暖季区域分异因素的主要相关 区域降 水量变 化趋势 与相应载 荷向量 的时间 变化相 关显著, 在 1989 年出现可信的突变时间点; 冷季相关分异区域的降水量变 化趋势在 1987 年出现明 显增大 趋势, 同 样与载荷 向量的 时间变化相关显著, 但突变时间点检测不明显。