三江源位于青藏高原东部,是黄河、长江和澜沧江的发源地,也是中国乃至东亚地区重要的水资源保护区,具有高寒生物资源丰富、生态环境脆弱以及对气候变化敏感的特征(董锁成等,2002;赵新全和周华坤,2005;游庆龙等,2008),生态环境脆弱形势在其经济开发活跃区域更为严峻(韦晶等,2015)。三江源地区是世界上海拔最高、面积最大的高原湿地,但其湿地面积在1990—2007年间减少了11.18%,沙地面积增加了123.58%(陈永富等,2012)。上述研究表明三江源地区在国家生态安全方面有着特殊的重要战略地位,亟需开展更科学的保护策略研究(胡鞍钢,2012)。

降水和气温是三江源地区气候变化的关键基本要素,它们对径流有显著的驱动作用(Zhang et al.,2011),同时影响着降水-径流过程对三江源土壤的侵蚀(Wang et al.,2017),降水和气温是该地区水资源和生态环境的重要气候基础。由于高寒地区的人类活动相对其他宜居带较少,气候变化在三江源地区是目前影响降水-径流过程的主要角色(Chu et al.,2019)。1982—2015年三江源地区的增暖速率是全球变暖速率的4倍左右,这一变化加速了该区域的植被增长(Bai et al.,2020)。高原气候环境暖湿化有利于增加浅层土壤含水量,从而促进值被生长(蒋元春等,2020)。研究显示气候向暖向湿变化与生态恢复均对三江源的区域径流有正面贡献(Feng et al.,2017),气温增加也在促进该区域的蒸散过程(Wang et al.,2016),且气温对区域水文格局的影响难以忽视(Mao et al.,2016),这些结论表明气候与生态在增强区域水循环的作用中可能存在正反馈关系。土壤湿度的变化也与三江源地区的降水有显著的一致性,它们在1980—2015年期间都有增加的趋势(Deng et al.,2020)。气温变暖、土壤湿度和降水增加等变化正在改变三江源的区域水循环和生态环境。目前,三江源区域生态服务功能的格局已经产生了显著变化(Zheng et al.,2020)。研究表明1961—2015年三江源区域的气候趋势是整体变湿的(Li et al.,2020),但是其未来气温升高将可能导致该地区的水分来源不足(许吟隆等,2007),从而可能在未来由变湿转向变干,进而影响该区域生态环境。以三江源为代表的高原陆地表层格局要素变化可能会影响中国区域气候,就降水而言,高原的地表热量以及雪深分布都与长江以南乃至全国范围的夏季降水存在密切关联(丁峰等,2009;张超等,2018)。

三江源地区的气候变化与全球气候系统变化有较强的关联性。降水方面,在厄尔尼诺影响下三江源自西南方向的水汽输送在过去近30 a增强,从而引起更多的降水,表明三江源地区降水变化受控于全球气候变化(Sun and Wang,2018,2019)。不仅是降水,三江源地区极端气温与北大西洋涛动、西太平洋亚热带高压等大气环流因素也有着紧密的联系(Ding et al.,2018)。近期有研究指出三江源地区在1965—2015年的高温极端事件频率上升而干旱极端事件频率下降(Xi et al.,2018),且在1980—2013年间地表温度的上升趋势大于气温,其中最低温度的上升趋势超过最高温度(Luo et al.,2016)。这些研究表明三江源地区的气候和极端气候特征是复杂且特殊的,并且与全球气候变化以及本地的生态环境状况息息相关。因此,有必要在目前的基础上进一步厘清三江源地区的气候和极端气候变化特征。

1 资料和方法

三江源地区地面观测数据来自中国气象局(http://data.cma.cn/)位于该区域的25个气象台站(图1)。剔除存在较长时间缺测的青海湖、沙珠玉、治多、甘德和班玛共5个站点数据后,保留20个地面气象站(表1)逐日最高/最低气温及日降水量在均一性、稳定性上相对更优。气象数据的时间跨度统一取为1961年1月1日—2019年12月31日,其中曲麻莱站、久治站1962年部分日期缺测。针对所有存在缺测的数据,本文选取其前后2 a同期数据对其进行线性插补(取前后2 a同期数据的平均值作为插补值),一定程度上提升了资料数据序列的完整性和连续性。使用RClimDex软件(htttps://etccdi.pacificclimate.org/software.shtml)对数据进行质量控制并计算极端气候指标,包含气温和降水等15个常用极端气候指标(Karl et al.,1999;表2)。逐月降水资料源于NOAA Precipitation Reconstruction(PREC)(分辨率:2.5°×2.5°)(Chen et al.,2002)。逐日平均气温由日最高和最低气温的平均值得出。逐月气温资料为HadCRUT4(https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/temperature/)(分辨率:5°×5°)(Morice et al.,2012),采用时段为1961—2019年。CRU气温和PREC降水资料用于全球、中国以及全球同纬度区域与三江源气温变化的比较。以上数据在近60 a气候变化对比分析中选取1961—1990年作为参考时段。

注:¹⁾表示该站点缺测时间较长,研究中不予采用.

2 结果分析

2.1 区域气候与极端气候变化的空间格局

三江源地区的气温、干湿气候态均呈现出沿西北东南方向的空间梯度,在此方向上,平均气温升高、降水强度增强。其中,年最高气温在东北侧和南侧边缘地带最高,年最低气温在西部地区最低,年降水强度峰值出现在最东南侧的台站,与CRU气温资料相比,台站气温的空间分布与其相似,但空间差异更明显,而PREC降水量则整体比台站降水偏高,特别是西部地区的两个站点(图2)。在趋势上,最高、最低、平均气温均展现出一定程度的上升,其中最低气温的上升速率整体显著强于最高气温。同样地,降水强度也整体呈现出上升趋势,而北部地区的增强幅度相对更大。在变暖和变湿的趋势上,CRU和PREC资料与台站资料保持了较好的一致性(图3)。极端气温指标方面,白天和夜间的极端高温频率整体显著高于极端低温,且东北部边缘地区的是极端高温的峰值地带(图4a—d)。从白天和夜间的最高/低温度分布来看,西北-东南方向的气温空间梯度在此区域内依然明显(图4e—h)。作物生长期的长度与气温、降水在空间分布上相似度较高(图4i),同时,对作物生长影响较大的日温差(图4j)在西部相对更高寒区域与作物生长期长度的分布也十分一致。极端降水指标方面,自西北-东南方向的降水强度梯度空间态势显著。降水强度峰值主要集中于东部和南部边缘地带,而极端强降水量和特强降水量则在东部区域相对更大。用于表征降水频率的中雨日数和年总湿日降水量也与前述指标的空间梯度模态一致(图5)。

从极端气候趋势的空间格局来看,三江源地区整体呈现出自西向东幅度增大的变暖变湿态势。气温方面,白天/夜间极端高温和白天/夜间最高/低温全部呈现出上升趋势,其中夜间极端高温和夜间最低温的上升最为显著。而白天/夜间极端低温则呈现出一定的下降趋势(图6a—h)。但从变化幅度来看,极端气温的上升幅度总体明显大于下降幅度。在物候方面,几乎所有的站点都显示出作物生长期延长的趋势(图6i)。然而由于白天最高温的上升幅度小于夜间最低温,日温差的变化趋势基本都是下降的(图6j)。降水方面,降水强度变化趋势的空间格局并不显著,位于北部和东部的站点增长趋势相对其他区域更大(图7a)。中雨日数的空间格局是降水指标中最为清晰的,呈现出南少北多的显著分异(图7b)。极端强降水趋势则出现了自西南向东北幅度增强的形势(图7c)。特强降水量和年总湿日降水量的趋势同时呈现出北高南低的空间形势(图7d、e)。总体来说,三江源地区的极端降水指标变化趋势在北部、东部地区增长幅度相对较大,峰值地带位于东北部次边缘地区,与物候、极端气温指标大幅度变化的区域相一致。

总体而言,三江源地区的温湿气候态空间格局为沿西北-东南方向的温湿空间正梯度。极端气候趋势的空间格局为自西向东幅度增大的变暖变湿。极端高温的频率在增长而极端低温的频率在下降,其中,以夜间最低温的上升幅度最为显著。极端降水则在东部相对更强,而北部增长趋势更快。但是,温湿的空间分异格局并未给物候带来空间上差异化,三江源物候在生长期整体延长的形势下并未呈现出清晰的空间差异。相应地,三江源地区的日温差在夜间最低温和夜间极端高温同时显著上升的情况下出现了较为明显的减小趋势。作为典型的高寒气候区域,三江源的日温差变化使其高寒气候程度减弱,这可能引起原本更适应高寒气候的植物的生存空间被暖湿环境下更适应的植物所占领,从而在物候观测的角度呈现出生长期延长的趋势。所以,在三江源西部变暖变湿程度相对较小的区域,物候延长的趋势也可能和东部、南部地区相当。

2.2 区域平均气温、降水及其极端指标多年气候变化特征

从三江源区域平均视角来看,1961年以来的气温是总体上升的。但在近5 a,最高气温和最低气温的变化差异达到了研究时段内的最大值(图8a)。并且,最高气温的上升趋势弱于最低气温。降水方面,区域平均的年降水量在研究时段内也是增长的,并在2003年后几乎不间断快速增长,增长幅度峰值出现在2018年(图8b)。极端指标方面,白天最高温的上升在1990—2000年左右最明显,而夜间最高温在1980年之前小幅下降后一直快速上升到研究期末。白天最低温的变化除了1990—2000年左右的上升外,其他时段是小幅下降或持平的,而夜间最低温在整个研究期间都在较快地上升。从极端高/低温的出现频率来看,极端高温和极端低温的占比几乎是此消彼长的,在研究期间,极端高温的频率一直在上升,而极端低温的频率一直在下降(图9)。其中,夜间极端高温的增加十分显著,从1960年代的小于10%到接近研究期末的超过30%,是所有极端气温频率指标中变化最大的。在日温差和作物生长期方面,日温差在研究期内呈现出小幅的下降趋势,而作物生长期则与其相反,除了1970年代初期左右的下降之外,其他时段几乎都在上升(图9i)。并且,生长期变化在研究时期的后半段波动幅度显著变小。由于极端低温的显著上升,日温差的趋势在研究期末尾出现了最为显著的下降。

降水方面,区域平均的降水强度没有明显的变化趋势。极端强降水量和特强降水量的波动十分剧烈,相邻两年(1977—1978年、2006—2007年、2015—2016年)的极端降水量可以从20 mm内增长到100 mm以上(图10),这表明三江源地区的年际降水是非常不均匀的,具有典型的高寒气候特征。

2.3 全球及中国区域背景下三江源的气候变化特征

三江源的增暖趋势在研究期内大于中国、同纬度区域以及全球平均,年降水量由于空间尺度的差别波动相对地较大。三江源平均气温的增长趋势超过了全球平均水平的两倍,同时也大幅超过了同纬度和中国区域的平均水平(图11)。由于地处北半球高纬度、高海拔陆地区域,三江源的气温异常和增暖趋势相对全球而言处于较高水平。在降水方面,三江源由于在东亚大陆腹地远离海洋的高原东北边缘地带,其降水量相对全球而言是较少的,但降水趋势呈现出一定程度的上升(图12)。

三江源区域的极端气候指标趋势中,增幅最大的是夜间极端高温(表3),超过青藏高原中东部的平均水平,达到全球水平的3倍左右,而夜间气温上升可能是北半球高寒地带对全球变暖的一种典型响应(段安民等,2016)。同样地,作为气候变化的敏感区域,三江源在变暖变湿的同时其气候的极端性也在增加。当前的气候变化已经在影响三江源地区的物候,夜间温度的上升、日温差的减小都会对区域植被种群以至于生态系统产生影响。由于三江源地区的生态系统十分脆弱且对气候变化敏感,这种远高于全球平均水平的增暖幅度带来的局地气候陆面过程反馈可能使三江源地区在未来持续的增暖过程中发生更剧烈的区域气候变化,从而进一步增加本地气候的极端性。所以,相对于全球或大空间尺度区域的气候变化而言,三江源地区因其特殊的地理位置和生态系统状况,其增暖变化带来了更高发且异常幅度更大的极端高温事件,且在未来气候变化预估中的不确定性也很可能更高。

3 总结与讨论

通过分析青藏高原三江源区域气候与极端气候变化的时空特征并与全球、同纬度及中国区域对比,本文基于最新的台站观测资料以及CRU、PREC数据,以气温、降水基本气候态及其极端气候指标为出发点,进一步揭示了三江源近60 a的气候变化与极端气候状况。主要结论如下:

1)三江源地区1960年代至今的气候态空间格局呈现出了沿西北-东南方向的正温湿梯度,且存在自西向东幅度增大的变暖变湿空间分异特征。气候极端性加强,以夜间极端高温为代表的极端气候事件发生频率增加且幅度增大,其中白天极端高温的增长趋势是全球平均水平的2倍以上,夜间极端高温增长趋势则达到全球水平的3倍左右;

2) 近60 a资料对比分析显示,三江源地区的增暖速率是全球平均水平的2倍以上,且远高于全球同纬度和中国区域水平。结合近期三江源1982—2015年增暖速率上升至全球水平4倍的研究结论(Bai et al.,2020),三江源地区的增暖速率从20世纪下半叶至近10 a左右加快;

3) 三江源地区极端降水量的年际波动剧烈,年降水量变化趋势为8.41 mm/(10 a),高于全球(-1.61 mm/(10 a))、同纬度(4.01 mm/(10 a))和中国地区(5.13 mm/(10 a))。

三江源降水年际波动剧烈的原因较为复杂,控制或影响其水汽输送和对流天气背景的大气环流模态和遥相关事件及其相互联系是多样的。其中,在季节尺度上,北极涛动与东亚夏季风指数对三江源地区降水的影响是相反的(Dong et al.,2020),所以,当北极涛动与季风指数的位相相反时,可能会造成三江源地区极端降水的异常增强。同时,对于三江源春夏季降水而言,厄尔尼诺-南方涛动与北大西洋涛动的综合影响也是该地区极端降水年际波动剧烈且变化不确定性较大的可能原因(Sun and Wang,2018,2019)。三江源地区气温的上升与青藏高原区域整体变暖的机制是一致的。在季风带来的水汽和气溶胶改变了夜间地表热辐射冷却和白天地表感热通量升温的平衡,气溶胶的辐射吸收作用同时在促进地面温度上升(Yao et al.,2019)。三江源区域极端气候指标变化趋势中,上升速率最大的是夜间极端高温,而夜间温度大幅上升可能是北半球高寒地带对全球变暖的一种典型响应(段安民等,2016)。当前的气候变化已经在影响三江源地区的物候,夜间温度的上升、日温差的减小都会对区域植被动态以至于生态系统产生影响,这在黄河流域(Yuan et al.,2020)以及中国西北地区(Du et al.,2019)温度变化影响植被的研究中已经得到验证。气温、降水和植被的变化会影响地表水热通量比例,阳坤等(2010)发现青藏高原地表感热通量从20世纪80年代起到21世纪初呈现减弱趋势,这可能会影响包括三江源在内的高原高寒态系统。由于三江源地区的生态系统十分脆弱性(韦晶等,2015),当前远高于全球平均水平的增暖速率带来的局地气候陆面植被过程反馈将使三江源地区在未来持续增暖过程中的气候变化不确定性进一步增加,同时加剧本地气候的极端性。所以,相对于全球或大尺度区域气候变化而言,三江源地区因其特定的地理位置和生态系统状况,其增暖变化的极端性更强,并且在未来气候变化预估中的不确定性更高。三江源作为全球气候变化的敏感区域,应加强针对其区域气候系统的观测和分析研究,以更好地发挥它气候变化指示器的作用。

注:1)表示通过0.01显著性检验;2)表示通过0.05显著性检验;3)表示通过0.1显著性检验。全球极端趋势数据来自Donat et al.(2013),中国和中东青藏高原极端趋势数据来自You et al.(2008,2011).

致谢:本文受第二次青藏高原综合科学考察研究”专项(2019QZKK0105)资助,感谢复旦大学-西藏大学生物多样性与全球变化联合实验室的支持和复旦大学大气与海洋科学系徐致真的研究讨论。

参考文献