新疆伊犁地區(qū)鞏乃斯河流域1972～2015年氣溫及降水時(shí)間序列的變化特征及趨勢(shì)分析

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(新疆伊犁水文勘測(cè)局，新疆 伊犁 835000)

20世紀(jì)以來的全球變暖趨勢(shì)已成為公認(rèn)的事實(shí)[1]，在全球氣溫趨于變暖的大背景下，不同地區(qū)的氣候也發(fā)生了不同程度的變化，引起了不同國(guó)家、學(xué)者的關(guān)注，為更好的應(yīng)對(duì)氣候變化所引起的一系列問題，投入了大量的精力與財(cái)力，尋求較好的解決途徑與應(yīng)對(duì)措施。由于水資源對(duì)全球變暖趨勢(shì)有著敏感的響應(yīng)，并且水資源的合理配置制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此目前不同學(xué)者關(guān)于全球氣候變暖對(duì)水資源的響應(yīng)方面展開了大量的研究，取得一定成果。伴隨著全球氣候的變暖、人類的強(qiáng)烈活動(dòng)，極端水文事件的頻發(fā)，給人類的發(fā)展帶來了巨大的損失，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活帶來的一定的危害，這就急需去重新認(rèn)識(shí)人為及外界因素干擾下的水文循環(huán)規(guī)律，尤其是像新疆這種大多數(shù)據(jù)河流發(fā)源于高山冰川積雪消融區(qū)的區(qū)域。因此，開展該區(qū)域的水文規(guī)律分析有助于所在區(qū)域加強(qiáng)冰雪融水的開發(fā)利用、水文過程的再現(xiàn)以及水資源合理開發(fā)利用等。

水文規(guī)律分析主要分為序列的趨勢(shì)性分析、序列的突變性分析以及水文序列的周期性變化規(guī)律分析的三個(gè)方面，其中對(duì)序列規(guī)律分析中被大量采用的方法有M-K法、小波分析方法、最小二乘法等?？偠灾捎诘乩砦恢煤蜌夂虻牟町?，我國(guó)各地氣候長(zhǎng)期變化具有不同的特征。目前，新疆地區(qū)與內(nèi)地有明顯的氣候差異，新疆地區(qū)主要河流易受氣候變化及人類活動(dòng)的影響，但有關(guān)學(xué)者對(duì)新疆南北疆地區(qū)的氣候變化規(guī)律也有不少研究[8-10]，主要涉及氣候變化特征研究等內(nèi)容。如趙澤珍等[11]于2012年對(duì)新疆伊犁河流域的水文序列變化規(guī)律進(jìn)行研究，其中包括流域的氣溫序列、降水序列以及徑流序列的變化趨勢(shì)。葉佰生[12]于1997年利用近三十年氣象資料對(duì)天山山區(qū)伊犁河流域中低山區(qū)的五個(gè)典型水文站點(diǎn)詳細(xì)分析了降水和氣溫的變化規(guī)律，總結(jié)出該地區(qū)中低山帶的降水和氣溫與其對(duì)應(yīng)高度的關(guān)系夏季較好,冬季較差的結(jié)論。馬建勇[13]于2012年對(duì)北疆地區(qū)近半個(gè)世紀(jì)以來的20個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水要素進(jìn)行了全面詳細(xì)的分析。

由于近年來受人類活動(dòng)、氣候變化以及水資源開發(fā)利用等因素的影響，使不同區(qū)域所在河流發(fā)生的極端水文災(zāi)害事件的頻次增加、強(qiáng)度增強(qiáng)，給所在區(qū)域帶來了極大自然災(zāi)害損失，如研究區(qū)所在的鞏乃斯河流域。因此，為了更好的認(rèn)識(shí)所在區(qū)域的產(chǎn)匯流規(guī)律、指導(dǎo)所在流域雨、洪資源的合理開發(fā)利用、自然災(zāi)害的預(yù)估、預(yù)警與應(yīng)對(duì)等，對(duì)所在研究區(qū)的水文氣象序列的變化特征以及趨勢(shì)分析具有重要研究意義。

1 研究區(qū)概況及資料來源

鞏乃斯河為伊犁河上的第三大支流，河流起源于艾肯達(dá)坂區(qū)，從東向西橫穿鞏乃斯河谷，最后匯入伊犁河。流域全長(zhǎng)280 km，集水總面積為7 707 km2；流域平均高程2 940 m，自西向東由800 m遞增至4 000 m以上,使西來的水汽逐漸抬升促使降水的形成，自西向東多年平均年降水量為3 600～850 mm。流域控制斷面處為則克臺(tái)水文站，水文站處于東經(jīng)83°16′、北緯43°31′處，海拔為840 m。

本文選取新疆鞏乃斯河流域則克臺(tái)水文站1972—2015年的年平均氣溫、降水資料系列進(jìn)行趨勢(shì)分析，數(shù)據(jù)來源于新疆水文年鑒。

2 研究方法

本文借助線性趨勢(shì)分析法[2]、滑動(dòng)平均法[3]對(duì)流域的氣溫、降水時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)性變化分析；借助M-K法[4]對(duì)流域的氣溫、降水時(shí)間序列的突變情況進(jìn)行分析；借助小波變換分析法[5]揭示了流域的氣溫、降水時(shí)間序列的周期性演變規(guī)律。

3 分析結(jié)果

3.1 年際變化趨勢(shì)分析

根據(jù)對(duì)研究區(qū)年氣溫序列的統(tǒng)計(jì)分析可知，鞏乃斯河流域多年氣溫的平均值為8.4℃，其中2006年出現(xiàn)最高氣溫10.1℃，1972年出現(xiàn)最低氣溫5.6℃。從氣溫序列的變化趨勢(shì)圖(圖1)中可知，研究區(qū)氣溫序列在1972～2015年持續(xù)增長(zhǎng)，年平均氣溫變化傾向率為0.65℃/10a。由氣溫的5年滑動(dòng)平均曲線可知，其變化可明顯分為上升-下降-上升-下降四個(gè)階段，1983年之前序列呈上升趨勢(shì)，1984～1988年之間序列呈下降趨勢(shì)；1989～2010年之間氣溫變化呈持續(xù)上升趨勢(shì)，且從1994年開始?xì)鉁孛黠@高于多年均值，但從2010年以后氣溫變化呈下降趨勢(shì)。

根據(jù)研究區(qū)年降水序列統(tǒng)計(jì)分析可知，流域多年平均降水量為514.9 mm，主要集中于3～8月份，占全年的63.5%；1998年為特豐水年，雨量為913.0 mm，1995年為特枯水年，雨量為316.4 mm。對(duì)降水年際變化進(jìn)行線性分析如圖1所示。由圖1可以看出，鞏乃斯河流域年降水量波動(dòng)幅度較大，但總體上降水量逐年增加，1972～2012年總的降水傾向率值為17.2 mm/10a。由5年滑動(dòng)平均降水曲線分析得出，流域降水變化趨勢(shì)可分為兩個(gè)時(shí)段， 1972～2002年降水量明顯波動(dòng)增加，其降水傾向率的值為55.8 mm/10a，這一階段降水量較為豐富。2002年后降水量下降，并以2003年為臨界時(shí)，2003年以后降水量明顯減少，降水傾向率的值為-75.8 mm/10a。

圖1 鞏乃斯河流域 1972～2015 年

3.2 Mann-Kendall突變分析

M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，判定其突變的參數(shù)為α=0.05、U0.05=±1.96。如果|UFm|>U0.05，則代表序列有顯著的變化。當(dāng)UF或UB大于零，代表有上升的變化，反之則有下降的變化。若兩值相交于參數(shù)的區(qū)域內(nèi)，相交處則表示為序列的突變點(diǎn)。本研究主要借助M-K法對(duì)鞏乃斯河流域的年氣溫、年降水序列進(jìn)行突變特性分析，確定序列相應(yīng)的突變時(shí)間。

從M-K檢驗(yàn)曲線(圖2)中可以看出：近44年來，年均氣溫具有突變現(xiàn)象，氣溫從較冷的階段向較暖階段進(jìn)行越變；從UF曲線可見，1970～1980年氣溫處于持續(xù)上升時(shí)期，1984至1989年呈氣溫逐年降低，1991年又開始出現(xiàn)較顯著的持續(xù)上升趨勢(shì)；同時(shí)在置信區(qū)間內(nèi)UF曲線與UB線于1991年左右相交，故認(rèn)為1991年為突變年份。年平均氣溫在1998年以后上升超過α=0.05的置信水平線，表明鞏乃斯河流域平均氣溫從1998年開始上升趨勢(shì)是較為明顯的，這與全球性的氣候變暖是相一致的。

圖2 鞏乃斯河流域年均氣溫及

年降水量變化情況由圖2(b)可知，UF線與UB線都在α=0.05的信度下，UF線在信度的上下限之間，自1979年以前UF值<0，說明從1972～1979年之間降水序列呈減少-增加兩個(gè)變化趨勢(shì)；1980～1997年之間降水序列呈波動(dòng)性減少趨勢(shì)，自1998～2010年之間UF值>0，降水呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但不顯著；2011年以后UF值>0，但降水呈減少趨勢(shì)。UF和UB兩條曲線的交點(diǎn)出現(xiàn)在1979年、1982年和2012年處，說明降水序列在這三年有突變情況。

3.3 研究區(qū)氣溫及降水的主周期特性分析

3.3.1 氣溫序列的小波變換分析及主周期分析

將則克臺(tái)水文站年氣溫序列通過小波變換后，同時(shí)基于suffer8.0軟件做系數(shù)的等值線圖(圖3、圖4)。從圖3中分析得到氣溫序列在17～25年和26～32年的時(shí)間尺度上有周期性演變規(guī)律， 26～32年的尺度上周期震蕩較為明顯，從1972年至今表現(xiàn)為高低交替3個(gè)中心。在17～25年的尺度上也發(fā)生了3次低、高的周期變換?；跉鉁啬７降戎稻€圖(圖4)，得到最大的模方值出現(xiàn)在24～32年的時(shí)間尺度上，表示該尺度的規(guī)律最顯著。

圖3 氣溫序列小波系數(shù)實(shí)部等值線圖

圖4 氣溫小波系數(shù)模方等值線圖

從氣溫小波方差圖(圖5)中發(fā)現(xiàn)，鞏乃斯河流域年均氣溫方差的第一峰值是22年，代表該時(shí)間尺度下氣溫的震動(dòng)周期最強(qiáng)，是第一主周期；小波方差值的第二峰值是29年，為年氣溫序列變化的第二主周期。

基于則克臺(tái)氣溫序列小波系數(shù)方差的檢驗(yàn)(圖5)得知第一主周期(最大峰值)出現(xiàn)在22年時(shí)間尺度上，說明在22年前后的周期變換規(guī)律最為突出，可以代表氣溫序列的周期變換趨勢(shì)?；跉鉁匦蛄兄髦芷趫D(圖6)，在22年尺度上，有2次偏冷期到偏暖期的變換，平均變換周期在15年左右；第二主周期(第二峰值)出現(xiàn)在29年時(shí)間尺度上，也有2次偏冷期到偏暖期的變換，平均變換周期在19年左右。

圖5 氣溫變化的小波方差圖

圖6 溫度序列22年和29年時(shí)間尺度周期趨勢(shì)圖

3.3.2 年降水的小波變換分析及主周期特性分析

基于則克臺(tái)站44年年降水序列通過小波變換系數(shù)后得到相應(yīng)的等值線圖(圖7)?？煽闯觯撔蛄性谟?～13年，15～22年和23～32年的時(shí)間尺度上，存在演變規(guī)律。自20世紀(jì)80年代中期開始，降水在5～13年的時(shí)間尺度上完成了6次枯水-豐水交替過程；在15～22年的尺度上完成了了枯水-豐水交替的3次循環(huán)，在23～32年的尺度上完成2次降水枯水-豐水交替過程。

圖7 降水小波系數(shù)實(shí)部等值線圖

從年降水小波系數(shù)模方等值線圖(圖8)，可得到6～11年時(shí)間尺度有最大的模方值，表示該時(shí)間尺度下降水周期變化規(guī)律最顯著。從研究區(qū)年降水小波方差圖9中可以看出，鞏乃斯河流域年降水的方差的第一峰值是27年，第二峰值是8年，第三峰值是17年，說明年降水量在這三年的時(shí)間尺度上周期振蕩最強(qiáng)，分別為年降水量序列的第一、二和三主周期。

基于則克臺(tái)降水序列小波變換系數(shù)方差的檢驗(yàn)(圖9)得知第一主周期(最大峰值)出現(xiàn)在27年時(shí)間尺度上，說明27年左右的周期變化規(guī)律最為顯著，第二至第三峰值分別出現(xiàn)在8年和17年時(shí)間尺度上，依次為第二、三主周期。這3個(gè)周期的變化規(guī)律可以表示降雨序列的周期變化趨勢(shì)?；诮邓蛄兄髦芷谮厔?shì)圖(圖10)，可以分析出第一主周期和第二主周期分別有2次和6次降水偏少期到偏多期的變換過程，平均周期在18年和7年左右。

圖8 降水小波系數(shù)模方等值線圖

圖9 降水變化的小波方差圖

圖10 降水序列27年和8年時(shí)間尺度周期趨勢(shì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

為科學(xué)合理的指導(dǎo)研究區(qū)的水資源合理開發(fā)利用，本文借助了氣候傾向率、滑動(dòng)平均法、M-K法以及小波分析法對(duì)鞏乃斯河流域近44年的平均氣溫及降水變化特征進(jìn)行了分析，可以看出：

(1)鞏乃斯河流域近44年氣溫波動(dòng)中有明顯上升，平均每10年增加0.65℃，高于全球氣溫增長(zhǎng)率。氣溫冷暖變化交替出現(xiàn)，在1989～2010年之間氣溫變化呈持續(xù)上升趨勢(shì)，且從1994年開始?xì)鉁孛黠@高于多年均值，但從2010年以后氣溫變化明顯下降。研究區(qū)年降水量波動(dòng)變化比較大，但總體表現(xiàn)為增加，其降水傾向率是17.2 mm/10a。降水量在1972～2002年之間波動(dòng)呈明顯增加，其降水傾向率是55.8 mm/10a，這一階段降水量較為豐富。進(jìn)入21世紀(jì)后，降水減少，并以2003年為臨界時(shí)，2003年以后降水量呈明顯減少，降水傾向率為-75.8 mm/10a。

(2)鞏乃斯河流域氣溫序列的突變時(shí)間在1991年左右，于1998年以后氣溫增暖趨勢(shì)超過了α=0.05的置信水平線，上升趨勢(shì)十分顯著；研究區(qū)年降水量UF線在置信水平上下限之間，說明降水減少-偏多變化趨勢(shì)交替出現(xiàn)，但不顯著；年降水量在1979、1982、2012年存在著突變。

(3)研究區(qū)氣溫和降水序列在近44年的變化趨勢(shì)中包含了多個(gè)不同時(shí)間尺度的周期變化特性。年平均氣溫存在著明顯的17～25年和26～32年的時(shí)間尺度上的周期震蕩。從其周期變換的情況中可以推斷，鞏乃斯河流域的年氣溫在未來幾年內(nèi)仍會(huì)偏高，屬于暖期。年平均降水量在5～13年，15～22年及23～32年有較為明顯的周期性變化規(guī)律。15～22年及23～32年較5～13年振動(dòng)周期表現(xiàn)較弱，在5～13年時(shí)間尺度上的周期振蕩特別明顯，其間年降水經(jīng)歷了6個(gè)少-多-少的循環(huán)過程。小波系數(shù)方差結(jié)果揭示了27年在1972～2015年整個(gè)時(shí)間域內(nèi)，周期振動(dòng)最強(qiáng)，為降水序列的第一主周期。

以上表明：全球氣候的變化影響著研究區(qū)的自然水文循環(huán)規(guī)律，但由于部分流域水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布較稀疏，設(shè)備較落后，為了更好的指導(dǎo)所在流域雨、洪資源的合理開發(fā)利用及應(yīng)對(duì)，因此要合理布置氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，提高分析手段，以便為所在流域水文氣象要素變化特征及趨勢(shì)預(yù)測(cè)進(jìn)行全面分析。