李 忠 ,程增輝 ,張 魯 ,陸寶宏
(1.中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司,上海 200331;2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津300222;3.山東省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全中心,濟南 250013;4.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院,南京 210098)
水資源總量包括地表水資源量、地下水資源量和地表水與地下水資源重復(fù)量,總量受水文循環(huán)(降水、徑流、蒸發(fā)和大氣輸送)各個過程的影響。隨著人類文明的發(fā)展,水資源需求量增多。與此同時,由于氣候變暖[1-2],主要表現(xiàn)為地表溫度顯著上升。在全球氣候變化的大背景下,局部地區(qū)尤其干旱地區(qū),受水文循環(huán)過程變化影響,區(qū)域水資源量供需矛盾突出,甚至引發(fā)一系列社會、經(jīng)濟問題。
新疆位于我國西北部,新疆氣候以干旱為主要特征。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在新疆區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占據(jù)較大比重,農(nóng)業(yè)用水約占新疆用水總量的96%,旱澇災(zāi)害嚴(yán)重影響了區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展[3]。鑒于此,本文選擇水文循環(huán)過程重要影響因子——降水,作為氣候變化的主要表征因子,以天山山脈為界,研究新疆地區(qū)降水序列的時空演變特征,以期為區(qū)域水土資源規(guī)劃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局提供科學(xué)參考。
2.1.1 資料來源
資料主要以中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的1951~2016年新疆地區(qū)12個代表站的逐月降水?dāng)?shù)據(jù),采用算術(shù)平均法計算得區(qū)域降水;新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局提供的1999~2016年新疆地區(qū)水資源總量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
2.1.2 區(qū)域劃分
以天山山脈為界,將新疆地區(qū)劃分為南疆和北疆兩個分區(qū),南疆氣象代表站5個(阿勒泰、烏蘇、塔城、伊寧、烏魯木齊),北疆氣象代表站7個(且末、吐魯番、和田、哈密、喀什、庫車、若羌),如圖1。
圖1 新疆氣象站分布
2.1.3 研究方法
采用線性傾向估計、Mann-Kendall分析、有序聚類分析法、Morlet小波分析和R/S分析法對新疆地區(qū)水文要素進行分析和預(yù)測。線性傾向估計主要用于總體變化趨勢分析;Mann-Kendall分析用于顯著性及突變分析;有序聚類分析法用于突變分析;小波分析用于周期性分析;R/S分析法持續(xù)性分析。
(1)線性傾向估計法其方程為:
式中 P為水文氣象要素;t為時間;a,b為常數(shù),a為傾向率,若a<0,P在時間尺度上呈減少趨勢,反之,呈增加趨勢。
(2)Mann-Kendall分析為非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[4-5]。假設(shè)水文序列Xt無顯著變化趨勢,其標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計量為U,給定置信度α,若|U|>Uα/2,存在顯著變化趨勢;反之,無顯著變化趨勢。其中,U為正值,呈上升趨勢;反之,呈下降趨勢。
(3)序列Xt可能突變點為τ,總離差平方和取最小值時對應(yīng)的τ即突變點[6]。
(4)小波分析屬于時頻分析,具有時頻局部化和多分辨率分析的特點,可反映水文序列的時間尺度[7-8]。
(5)R/S分析法是一種有效的非線性科學(xué)預(yù)測方法,通過改變研究對象的時間尺度,研究小尺度的統(tǒng)計特性變化規(guī)律并將其應(yīng)用到大尺度范圍[9]。
任意水文序列Xt=(x1,x2,…,xn),定義R/S特征量為:
對式(2)進行對數(shù)和回歸分析即可得H(Hurst指數(shù))的值,[0,1]。H=0.5時,序列為隨機序列,無未來預(yù)測性;0≤H<0.5時,序列具有狀態(tài)反持續(xù)性;0<H≤1時,序列具有狀態(tài)持續(xù)性。
統(tǒng)計1999~2016年新疆地區(qū)水資源總量和降水量數(shù)據(jù),由Pearson相關(guān)分析可知,水資源總量和降水量的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.622(強相關(guān)),相關(guān)系數(shù)絕對值越大,相關(guān)性越強,兩變量在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。
3.2.1 年際和年代變化特征
新疆地區(qū)降水量時間變化如圖2。
圖2 新疆各分區(qū)降水量變化
由圖2可得:
(1)空間分布上,新疆地區(qū)多年平均降水量126.8mm,北疆地區(qū)多年平均降水量246.2mm,南疆地區(qū)多年平均降水量41.5mm,北疆>全疆>南疆。
(2)年際變化上,全疆、北疆、南疆線性傾向率均為正值,表明年降水量總體呈增加趨勢;5a滑動平均過程線表示,年降水量總體呈顯著增加趨勢,局部(1970年代前后)呈不顯著波動趨勢。
(3)年代變化上,累積距平值呈先減少后增加趨勢,新疆、北疆1960~1990年代距平值為負(fù)值,南疆1950~1990年代距平值為負(fù)值,表明新疆(1960~1990年代)、北疆(1960~1990年代)和南疆(1950~1990年代)年代降水量呈減少趨勢且低于平均水平,1990年代后逐步增加且高于平均水平。
3.2.2 顯著性分析
新疆地區(qū)年降水量變化趨勢定量檢驗如圖3。
圖3 新疆各分區(qū)年降水變化趨勢
由圖3可得:
(1)新疆地區(qū)1950年代降雨基本呈增加趨勢,1960~1990年代呈減少趨勢,后呈顯著增加趨勢。
(2)北疆地區(qū)1950年代呈增加趨勢,1960~1990年代中葉呈減少趨勢,后呈顯著增加趨勢。
(3)南疆地區(qū)1950年代中葉之前呈增加趨勢,1950年代中葉~1970年代呈減少趨勢,后呈顯著增加趨勢。
應(yīng)用有序聚類法對年降水量序列進行突變分析,繪制Sn(τ)~τ曲線,如圖4。
圖4 年降水量變化曲線
由圖4可知,新疆降水突變點為1986年;北疆降水突變點為1986,1997年,南疆降水突變點為1986年,突變點分布如表1。
表1 不同空間尺度上降水突變分析
降水多尺度演變特征如圖5。
圖5 新疆年降水小波分析
圖5 (a)、(b)中,實線表示降水量偏多狀態(tài),虛線表示降水量偏少狀態(tài),系數(shù)為零表示降水變化的突變點。圖5(c)、(d)反映能量隨時間尺度的分布。
①年降水存在多尺度演變特性,且具有全域性;②新疆年降水周期為6,15,3a; ③北疆為15,6,3a;④南疆為6,3,14a。
降水預(yù)測分析如圖6。年降水Hurst指數(shù)均小于0.5,呈較強的狀態(tài)反持續(xù)性。未來周期內(nèi),新疆、北疆、南疆年降水均呈顯著減少趨勢。
圖6 年降水預(yù)測分析
基于1999~2016年新疆地區(qū)水資源總量和降水量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)兩變量在0.01水平上顯著相關(guān)。據(jù)此,可通過降水序列趨勢分析及預(yù)測,為區(qū)域水資源總量變化分析及水資源合理利用提供參考。
通過線性傾向估計、Mann-Kendall分析、有序聚類分析和Morlet小波分析方法對新疆、北疆、南疆1951~2016年降水序列進行分析,并通過R/S分析法對未來降水進行預(yù)測,結(jié)果如下:
(1)時間分布上,1951~2016年,新疆、北疆、南疆年降水總體均呈顯著增加趨勢;新疆、北疆、南疆降水周期基本一致,3,6,15a(14a)。
(2)空間分布上,北疆與新疆年際、年代變化趨勢較為接近;多年平均降水量:北疆>新疆>南疆。
(3)基于R/S分析法預(yù)測結(jié)果,在未來周期時段內(nèi),降水保持狀態(tài)反持續(xù)性,新疆、北疆、南疆年降水均呈顯著減少趨勢。