1961—2020年青海高原气候变化特征.pdf
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1、Aug.2023METEORECHNOLOGYA4892023年8 月第51卷第4期Vol.51,No.4象技科1961一2 0 2 0 年青海高原气候变化特征张璐李红梅*温婷婷(青海省气候中心,西宁8 10 0 0 1)摘要选取19 6 1一2 0 2 0 年青海高原50 个地面气象观测站逐月气温(平均、最高、最低)、降水和风速资料,利用气候变化趋势转折判别模型(PiecewiseLinearFittingModel,PLFIM)、气候倾向率等方法,分析青海高原气候变化的时空分布和年代际趋势转折变化等特征。结果表明:近6 0 年来青海高原年平均气温呈显著上升趋势,其中平均最低气温的升温速率尤
2、为明显,为0.6 2(10 a)-1;年降水量呈波动上升趋势,进人2 1世纪后呈显著增加趋势,速率为39.9 mm(10 a)-1;年平均风速整体呈减小趋势,其中以茫崖站最为明显,风速减小速率为一0.56 ms-1.(10 a)-1。年平均气温和平均最高气温在19 7 2 年和19 8 3年发生了年代际趋势转折,平均最高气温第3次转折发生在2 0 0 9年,平均最低气温没有发生明显的年代际趋势转折。年降水在19 7 2 年、19 8 3年和2 0 0 0 年发生年代际趋势转折;年平均风速发生在19 9 8 年和2 0 0 9 年。与旧气候态(19 6 119 9 0 年)相比,新气候态下(19
3、 9 1一2 0 2 0 年)青海高原年平均气温、平均最高气温和平均最低气温的均值分别上升了1.16、1.2 2 和1.8 1,向高温方向漂移,且概率密度分布形状更加偏平,气候趋于不稳定;在全球变暖背景下,青海高原年平均气温和年降水量均呈增加趋势,其中年平均气温的增温速率远超中国、同纬度地区及全球平均水平;降水量年际波动较大,但整体呈增加趋势。关键词青海高原;气候变化;气温;降水量;风速中图分类号:P467ID0I:10.19517/j.1671-6345.20220274文献标识码:A引言气候变化是当今国际社会普遍关注的全球性问题,有关青藏高原气候变暖及其带来的影响引起了国内外学者的广泛关注
4、。青藏高原由于复杂的下垫面和高笃的大地形,其动力和热力作用对周边甚至北半球的大气环流具有重要影响1-4。青海高原作为青藏高原的主要组成部分,占青藏高原面积的三分之一,作为黄河、长江、澜沧江的发源地,被誉为“中华水塔”,是影响全球大气和水量循环最大的生态屏障5-7 。青海高原远离海洋,日照时数长,辐射能力强,降水量地区差异大,是典型的高原大陆性气候8 。随着全球气候变暖,青海高原出现了气温显著升高、蒸发量增大以及降水增加的气候暖湿化趋势9。研究表明,19 6 1一2 0 10 年青海省年平均气温升高0.6 5,年平均最高、最低气温变化存在着明显的不对称性10 。近40 年青海省地表温度呈波动上升
5、趋势,且地表温度的变化存在明显的季节差异11。此外,青海高原极端气温也呈明显上升趋势,极端暖(冷)指标呈上升(下降)趋势,青海高原气候变暖突变前后极端气温指数表现出明显的差异性12 。罗静等13 指出19 6 1一2 0 19 年青海高原暖冷夜日数比呈显著增大趋势,而暖冷昼日数比在2 0 10年发生了由显著增大趋势转为略微下降趋势变化。降水方面,汪青春等14研究指出,19 6 1一2 0 0 4年青海高原降水量变化趋势空间分布不一致,降水日数呈减少趋势,但降水强度呈增加趋势。校瑞香等151研究发现,19 7 1一2 0 10 年青海高原可降水量自西向东呈逐渐增加趋势,东部农业区最大,柴达木盆地
6、最小。李红梅等16 指出青海高原雨季起期和降水量空间分布差异较大,自东南部向西北部雨季开始期逐渐推迟、结束期逐渐提前、持续期逐渐缩短、降http:/气象科技http:/www.qxkJ家科技青藏高原第二次科考项目(2 0 19 QZKK0105)、国家自然科学基金项目(U20A2081、U 2 1A 2 0 2 1)和青海省科技厅应用基础研究项目(2 0 2 1-ZJ-757)共同资助作者简介:张璐,女,19 9 4年生,工程师,主要从事气候变化及气候预测研究,Email:z h a n g l u _0 9 0 5 12 6.c o m收稿日期:2 0 2 2 年6 月2 8 日;定稿日期:
7、2 0 2 3年5月15日*通信作者,Email:490象第51卷技科水量逐渐减少。已有的研究有助于我们了解青海高原的气候变化特征,但受限于资料时间长度等方面的原因,这些研究对最近青海高原气候变化特征的分析还较少,因此,本文利用19 6 1一2 0 2 0 年青海高原50 个地面气象观测站的观测数据,从较长时间尺度上分析青海高原气候趋势的时空变化及年代际趋势转折特征,以期为理解青海高原气候变化的最新进展提供参考。1资资料和方法1.1资料选取青海高原位于世界屋脊青藏高原东北部,全省均属青藏高原范围内,介于8 9 2 4 3 10 30 410 E,31362 39 12 45 N之间,全省横跨1
8、4个经度,纵贯约8 个纬度,面积为7 2 2.310 km,占我国陆地总面积的13%。本文采用青海高原50 个地面观测站点数据作为研究对象(图1)。从图1中可以看出,站点主要集中在青海高原中东部地区,西部站点稀少。大部分气象台站资料始于2 0 世纪50 年代,但由于建站早期多数站点资料缺测较多,因此,本文所选取的研究时段为19 6 1一2 0 2 0 年,气象要素主要包括气温(平均气温、最高气温和最低气温)和降水,1970年前后全国大部分台站更换了风速测量仪器,为避免仪器更换对资料连续性的影响,本文不考虑1971年以前的风速资料。以上数据均经过青海省气象局严格的质量控制,对其进行时间一致性检验
9、,确保各站点资料的准确性和可靠性。全球再分析资料用于对比青海高原气候变化与全球、中国及同纬度区域的差异,逐月气温资料来自我国新研制的全球地表气温数据集China-LSAT2.0/C-LSAT2.017,空间分辨率为5X5,逐月降水资料来自NOAAPre-冷湖38N3634%海拔/m6786321659气象观测站点889092949698100102104E图1青海高原地形及50 个气象观测站空间分布cipitation Reconstruction(PR EC)18 ,分辨率为2.52.5。文中涉及的地图从国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载,审图号为GS(2 0 19)3266,底图无修改
10、。1.2方法介绍分析气象要素的线性趋势是气候变化研究中经常使用的方法,它可以获得某一段时间内气候的总体变化趋势,但对于时间尺度较长的气候序列,整个时间段的线性趋势并不能描述出气候变化的波动特征19 。Tom等2 0 利用最小二乘拟合的方法提出气候变化趋势转折判别模型(PiecewiseLinearFit-tingModel,PLFIM)来判定气象要素的变化趋势,该模型已广泛应用于全球及中国地表气温和降水的年代际转折特征、极端干旱和潜在蒸散的年代际转折特征及中国大陆气候型的年代际转折特征研究中,并取得了较好的研究结果19.2 1-2 。模型的基本原理是:首先根据所研究的气候变化问题时间尺度,给定
11、趋势转折点的最小间隔,然后确定趋势转折的判别条件。在两个相邻趋势转折点的时间间隔必须大于或等于给定最小间隔的前提条件下(即滤掉了变化周期小于这一最小间隔的气候波动),可以得到很多种分段组合情况。分别计算每种组合内各时间段的线性变化趋势,并根据趋势转折判别条件判断其间是否发生了趋势转折,最后利用统计分析原则确定满足趋势转折判别条件的最佳分段组合,即可得到所需时间尺度上的趋势转折点检验结果以及各时间段的线性变化趋势19.2 3。本文参考文献2 0 的PLFIM模型在计算中给定以下2 个条件来判断年代际趋势转折是否发生:给定一个最小转折变化时间间隔(针对年代际的趋势变化一般选11年间隔);2 个连续
12、分段的线性趋势变化必须遵从趋势符号相反(趋势突变)。相比用于均值突变检验的低通滤波、滑动t检验及M-K检验等方法,这种计算改变了人为给定转折点的个数,使得计算出的趋势转折点个数和位置都更为合理19.2 2气候趋势的线型倾向估计方法2 5。用;表示样本量为n的某一气候变量,用t表示,所对应的时间,建立,与t的一元线性回归方程:i=a+bt;(i=1,2,n)(1)其中,a为回归常数,b为回归系数,通常将10 6 称为气候倾向率。采用标准偏度系数和峰度系数描述气温概率分491第4期2020年青海高原气候变化特征张璐等:19 6 1-布形态特征,采用利氏(Lillifors)检验方法对样本进行正态性
13、检验,显著性水平为0.0 5,通过检验的即认为此样本遵从正态分布。样本的概率密度分布采用核密度估计方法2 6 2青海高原气候变化空间分布特征为了较详细地了解19 6 1一2 0 2 0 年青海高原气候变化的演变特征,首先分析青海高原年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、年降水量和年平均风速的气候态特征。6 0 年来,青海高原气温(包括年平均气温、平均最高气温和平均最低气温)自南向北呈“高-低-高”的分布形态(图2 ac),其中柴达木盆40N(a)3.53832.53621.5341320.5889296100104E40N(c)-638-836-1034-12-143288929610010
14、4Ems-140N(e)3.2382.9362.6342.3232889296100104E33青海高原气候变化趋势时空特征从区域平均来看(图3),6 0 年来青海高原年平均气温、平均最高气温及平均最低气温的均值分别地、河湟谷地、玉树南部及果洛南部温度较高,平均气温超过3,唐古拉山地区气温偏低,平均最低气温在一14以下,这与青海高原的地势海拔分布一致,高海拔地区气温低,低海拔地区气温高。19 6 1一2020年青海高原年降水量自东南向西北呈逐步减少的分布特点,特别是三江源南部腹地的降水量偏多,均值在42 0 mm以上,柴达木盆地降水量偏少,均值在2 40 mm以下(图2 d)。19 7 1一2
15、 0 2 0 年青海高原年平均风速自东向西呈“低-中-高”的空间分布特征,其中西部地区风速超过3ms-1,东部地区风速低于2 ms-1(图2 e)。40N(b)193818361734161532889296100104Emm40N(d)47038450420390363603303430027032240889296100104E图2青海高原19 6 1一2 0 2 0 年年平均气温(a)、平均最高气温(b)、平均最低气温(c)、年降水量(d)及1971一2 0 2 0 年年平均风速(e)的空间分布为2.2 1、16.9 1和一10.9 1。从年际序列变化来看,气温总体呈增加趋势,这与我国气
16、温变化的总体趋势相吻合。2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代中期气温偏低,8 0 年代后期至9 0 年代气温开始出现正492象第51卷技科距平,进人2 1世纪气温正距平显著。通过一元线性回归可以看出,平均最低气温的增温速率较高,为0.62(10 a)-1,年平均气温和平均最高气温的升温速率一致,为0.36(10 a)-1,均通过了=0.001的显著性t检验(图3ac)。最近5年,年平均气温和平均最低气温的增温达到了研究时段内的最大值,但是平均最高气温的增加趋势略有下降。因此,可以看出青海高原的升温主要由夜间最低气温贡献。420(a)(b)y=0.0363x-70.06y=0.0355x-53
17、.83R2=0.7323R2=0.51213180./0./216年际变化年际变化线性趋势线性趋势平均值平均值01419601970198019902000201020201960197019801990200020102020年份年份5007(c)7(d)y=0.0621x-134.54460y=1.5805x-2784.70R2=0.8431R2=0.3421420U/鲁2./3380-11340年际变化300-13年际变化线性趋势260线性趋势平均值平均值-1522019601970198019902000201020201960197019801990200020102020年份年份3
18、.4(e)y=-0.0149x+32.04年际变化R2=0.7409线性趋势3.0平均值(t-S.u)/单区2.6图3青海高原19 6 1一2 0 2 0 年年平均气温(a)、平均最高气温(b)、平均最低气温(c)、年降水量(d)及2.21971一2 0 2 0 年年平均风速(e)的逐年变化1.8197019801990200020102020年份1961一2 0 2 0 年,青海高原年降水量均值为361.27mm,并且以15.8 mm(10 a)-1的速率增加,通过了=0.01的显著性t检验,降水量经历了2 0世纪6 0 年代至8 0 年代初期、9 0 年代至2 1世纪初期降水偏少,2 0
19、世纪8 0 年代、进入2 1世纪后降水偏多(图3d)的变化。19 7 1一2 0 2 0 年青海高原年平均风速均值为2.33ms-1,20世纪7 0 年代至8 0 年代中期风速偏强,之后风速持续偏弱,最小值出现在1997年(1.9 8 ms-1)。整体来说,50 年来青海高原年平均风速变化呈显著减小趋势,减小速率为一0.15ms-1.(10 a)-1,通过了=0.001的显著性t检验(图3e),这与国内大部分学者研究全国和各地区得出的结论相一致2 7-31。图4进一步给出了19 6 1一2 0 2 0 年青海高原50个地面观测站年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、年降水量及19 7 1一2
20、 0 2 0 年青海高原年平均风速的气候倾向率变化趋势空间分布情况。从气温的变化趋势分布中可以看出,青海高原年平均气温、平均最高气温和平均最低气温均呈显著增温趋势,且平均最低气温的升温速率显著高于平均气温和平均493第4期2020年青海高原气候变化特征张璐等:19 6 1-最高气温,其中青海高原北部地区的升温速率又明显高于南部地区(图4ac)。就站点而言,年平均气温增温速率最快和最慢的站分别为小灶火站0.61(10a)-1和贵南站0.2 0(10 a)-1,平均最高气温增温速率最快和最慢的站分别为互助站0.89(10 a)-1和河南站0.11(10 a)-1,平均最低气温增温速率最快和最慢的站
21、分别为同德站1.38(10 a)-1和河南站-0.18(10a)-140N40N(a)(10a)-1(b)(10a)-13838363634343232889296100104E889296100104E40N(c)(10a)-140N(d)mm (10a)-13838363634343232889296100104E889296100104E40N(e)ms-1.(10a)-138x-0.536-0.5x00 x0.5340.5x1.032889296100104E图4青海高原19 6 1一2 0 2 0 年年平均气温(a)、平均最高气温(b)、平均最低气温(c)、年降水量(d)及19 7
22、1一2 0 2 0 年年平均风速(e)气候倾向率空间分布60年来青海高原年降水量整体呈增加趋势(图4d),其中有54%的站点降水表现为显著增多趋势,主要分布在中东部地区,年降水量增加最快和最慢的站分别是甘德站9 5.1mm(10 a)-1和互助站一7.0 mm(10 a)-1。19 7 12 0 2 0 年青海高原年平均风速整体呈减小趋势(图4e),其中8 4%站点表现为显著减小趋势,个别站点风速呈略微增加趋势,年平均风速减小速率最快和最慢的站分别是茫崖站一0.56 ms-1.(10a)-1和托勒站0.1ms-1.(10a)-1在年代际时间尺度下,根据PLFIM判断结果,青海高原年平均气温在6
23、 0 年间发生了2 次趋势转折(图5a),分别在19 7 2 年和19 8 3年,即气温在2 0世纪6 0 年代升温,7 0 年代初期下降,8 0 年代初期后又开始升温,且8 0 年代初期的升温趋势较6 0 年代更加显著,增温速率达0.52(10 a)-1。平均最高气温在研究时段内出现了3次年代际趋势转折(图5b),前2 次转折时间与平均气温的转折时间相同,第3次转折发生在2 0 0 9 年,即平均最高气温在494象第51卷技科2009年发生了由增温趋势转为降温趋势的变化。从图5c可以看出,19 6 12 0 2 0 年青海高原平均最低气温没有发生年代际趋势转折,6 0 年间呈稳定的线性增温趋
24、势。19 6 1一2 0 2 0 年青海高原年降水量出现了3次年代际趋势转折(图5d),分别在19 7 2年、19 8 3年和2 0 0 0 年,即年降水量经历了“减-增一减-增”的趋势转折变化,其中2 0 世纪8 0 年代至2 1世纪初年降水量的减小速率为一13.2 mm(10 a)-1,进入2 1世纪青海高原开始湿化,增加速率为39.9mm(10 a)-1。19 7 12 0 2 0 年青海高原年平4(a)30./21年代际趋势年平均01960197019801990200020102020年份(c)-90./-11-13年平均-151960197019801990200020102020
25、年份3.4(e)年代际趋势3.0年平均(-S.)/单2.62.21.8197019801990200020102020年份4青海高原气温概率分布特征对比大量研究表明,全球变暖从19 9 8 年开始趋缓36-38 ,而青藏高原地区年平均气温在2 0 世纪9 0均风速发生了2 次年代际趋势转折(图5e),分别在1998年和2 0 0 9 年,19 7 1一19 9 8 年,高原年平均风速显著减小,速率为一0.30 ms-1.(10 a-1,19 9 8 年后年平均风速呈增加趋势,2 0 0 9 年后又呈减小趋势,速率为一0.0 6 ms-1.(10 a)-1。综合上述研究结果和前人研究,可以证实,
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