青藏高原地区降水极端事件对快速气候变暖的响应机制

《Journal of Hydro-environment Research》：How precipitation extremes respond to rapid warming over the Tibetan plateau

青藏高原近几十年快速变暖显著改变极端降水时空分布，表现为低海拔地区湿日降水减少，中高海拔（3000-4500米）极端降水强度增加，降水-温度关系呈现钩状结构，且降水极值缩放率与Clausius-Clapeyron理论存在海拔依赖性差异。

　　

李书平|王东东|韩正毅|尹哲|万世全|严鹏程

中国扬州大学水利科学与工程学院

摘要

近年来，青藏高原（TP）经历了快速的升温，通过热力学效应显著影响了该地区的降水模式。然而，从观测角度来看，极端降水对这种近期升温的响应仍不明确。本研究发现了2002/2003年左右TP地区温度的显著变化，近期（2003–2021年）的温度明显高于早期（1979–2002年）。通过对六个降水指数（PRCPTOT、R1mm、SDII、P95pTOT、R99pTOT和RX1day）的分析，发现近期较温暖时期TP地区的极端降水在时空上发生了明显变化，表现为湿润日降水量和频率的显著减少，以及极端降水强度的显著增加。这些变化强烈依赖于海拔高度：2500米以下的地区湿润日降水量和频率减少，而3000–4500米高度的地区极端降水强度增强。TP地区的降水-温度关系呈现出钩状结构，拐点约为15°C。近期气候变暖导致大气中的水分增多，从而加剧了极端降水的强度。在2500–4500米高度，R95pTOT和R99pTOT的缩放率超过了克劳修斯-克拉珀龙（Clausius–Clapeyron）定律的速率；而在2500米以下和4500米以上的高度则观察到负缩放现象。研究表明，近期的快速升温正在重塑TP地区的降水空间分布，这可能影响了区域水资源和生态生产力。

引言

青藏高原（TP）被称为“地球的第三极”，拥有全球第三大的冰冻水储量，为近20亿人提供重要的淡水来源（Barnett等人，2005年）。由于其丰富的冰川冰库和高山湖泊，该地区也被称为“亚洲水塔”（Yao等人，2022年）。然而，这一重要的水文资源正日益受到气候变化的影响（Immerzeel等人，2020年）。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告，2011年至2020年的全球表面温度比工业化前时期（1850–1900年）高出1.09°C（Parmesan等人，2022年）。观测证据进一步表明，TP地区的升温速度大约是全球平均水平的两倍，加速了冰川的退缩和积雪的融化（Yao等人，2019年）。

气候变暖预计会加剧水文循环，从而通过热力学过程改变极端降水的模式（Oki和Kanae，2006年；Papalexiou和Montanari，2019年）。观测和气候模型都显示，全球和局部尺度上的极端降水事件强度和频率显著增加，引发了洪水、滑坡和生态破坏（Westra等人，2013年；Rajczak和Sch?r，2017年；Wang等人，2023年；Nabat等人，2025年）。近几十年来，对气候变化高度敏感的TP地区经历了平均降水和极端降水的显著变化（Gao等人，2015年；Lu等人，2023年）。特别是，极端降水对TP地区总降水量的贡献在最近几十年有所增加（Ge等人，2017年）。这些变化在区域上存在明显差异，从TP的东南部到西北部，极端降水的量、强度和频率呈现出显著下降趋势（Xie等人，2010年；Ding等人，2024年）。Li等人（2021年）指出，青藏高原涡旋在形成降水趋势的区域差异中起着重要作用。然而，极端降水对TP地区快速升温的响应仍不够清楚，尤其是在结论方面，这些结论尚未通过长期观测得到严格验证。

TP的地形在调节极端降水强度方面起着关键作用，并导致降水随海拔高度的变化（Zhang等人，2015年）。极端降水事件往往会加深东南部TP地区的山谷，从而由于侵蚀作用形成极端降水与山谷加深之间的正反馈（Xiang等人，2024年）。此外，Dimri等人（2022年）指出，印度喜马拉雅地区也存在降水随海拔高度变化的现象，这表明这种现象可能在亚洲的高海拔地区普遍存在。根据气象站的观测数据，1979–2017年间，TP地区的总降水量和强降水事件的频率变化显著依赖于海拔高度（Hu等人，2021年）。此外，在未来更温暖的气候条件下，TP地区低海拔地区的平均降水量预计会增加，表明降水对气候变化的响应具有海拔依赖性（Arakawa和Kitoh，2012年；Dimri等人，2022年）。然而，极端降水对近期快速升温的响应仍不够清楚，尤其是在观测方面。

从理论上讲，根据克劳修斯-克拉珀龙（Clausius–Clapeyron）关系，大气的水分保持能力每升高1摄氏度大约增加7%（Trenberth等人，2003年）。假设极端降水事件期间大气接近饱和状态，那么这些事件的强度受到CC缩放率的限制（O’Gorman和Schneider，2009年）。然而，实际观测到的降水-温度关系并不一致地遵循CC关系（例如，Blenkinsop等人，2015年；Li等人，2023年）。例如，在中国的高温地区，观察到日极端降水的负缩放率（Wang等人，2018年）。相比之下，次日极端降水对温度变化的敏感性高于日极端降水（Schr?er和Kirchengast，2018年）。缩放行为差异很大，受季节性、大气湿度、降水持续时间和地理位置等多种因素的影响（Lenderink等人，2017年；Li等人，2024年）。

在山区广泛观察到随海拔高度变化的升温现象，特别是在TP地区尤为明显（Pepin等人，2015年；You等人，2020年）。1998–2012年间，TP地区的这种随海拔高度变化的升温现象更加明显，尤其是在2500–5000米高度（Li等人，2020年）。尽管之前的研究已经预测了未来气候情景下TP地区极端降水与温度之间的关系（Ma等人，2023年；Chen等人，2024年；Wang等人，2025年），但近几十年的快速升温导致了极端降水的显著变化（You等人，2008年）。因此，使用观测数据研究极端降水与温度之间的缩放关系是有价值的，这有助于我们更好地理解这一气候敏感地区的水文循环。

本研究的主要目标是基于观测数据，研究TP地区极端降水对快速升温的响应及其海拔依赖性。论文结构如下：第2节介绍观测数据和再分析数据以及方法论。第3.1节主要介绍极端降水指数的时空特征。第3.2节分析极端降水变化的海拔依赖性，第3.3节展示了TP不同海拔高度极端降水的缩放率。最后，第4节提出讨论和结论。

数据

由中国气象局（CMA）开发的每日气候数据集CN05.1是通过合并来自2400多个现场观测站的观测数据构建的，其中包括位于TP地区的280多个站点（Wang等人，2017a）。CN05.1数据集采用异常值方法生成，遵循气候研究单位（CRU）数据集的方法论，但纳入了更密集的中国气象站网络（Wu和Gao，2013年）。

极端降水指数的时空特征

1979–2021年间，TP地区的年平均近地面气温呈每年0.04°C的显著上升趋势。MK检验发现2002/2003年左右存在统计显著的转变，表明21世纪初区域温度模式发生了突变。这一转变使得2003–2021年的气候比1979–2002年更为温暖（图1(c)、d）。因此，整个分析周期可以分为两个不同的阶段：

讨论与结论

本研究主要利用观测数据和再分析数据研究了TP地区降水极值的变化及其对近期快速升温的响应。特别是，我们进一步分析了极端降水的海拔依赖性及其与温度的缩放关系。2002/2003年左右检测到TP地区年平均温度的显著转变，近期（2003–2021年）明显高于早期（1979–2002年）。

CRediT作者贡献声明

李书平：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，方法论，正式分析，数据管理，概念化。王东东：撰写 – 初稿，可视化，方法论，正式分析，数据管理。韩正毅：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。尹哲：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。万世全：撰写 – 审稿与编辑，验证。严鹏程：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号41905060、42205050、42305065、42375056和42205049）、气象能力提升联合研究项目（22NLTSZ003）以及甘肃省地方科技发展专项资金（24ZYQA031）的资助。我们还要感谢中国气象局（CMA）、CRU、普林斯顿大学和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供观测和再分析数据集。