達(dá) 偉

(巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000)

全球氣候變化背景下，極端水文事件頻發(fā)，研究流域內(nèi)水文事件對(duì)水資源循環(huán)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)系統(tǒng)有積極作用。氣候要素的不斷變化對(duì)人類生產(chǎn)和發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，如“洪旱并存”，“洪旱交替”等極端水文事件對(duì)人類生存和發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。其中氣溫和降水是表征氣候變化的主要因子，學(xué)者通過研究其演變特征分析流域內(nèi)氣候變化。學(xué)者通過數(shù)學(xué)模型、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、非參數(shù)檢驗(yàn)等方法，從時(shí)間序列空間變化分析氣候要素變化特點(diǎn)。如謝賢勝綜合運(yùn)用克里金插值法、Morlet小波分析法、Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法研究西江流域降水和氣溫突變趨勢(shì)，研究結(jié)果對(duì)應(yīng)對(duì)氣候變化形式，促進(jìn)流域可持續(xù)發(fā)展提供有益參考。吳國棟[2]根據(jù)ITA法和ITA-CB法從季節(jié)、年內(nèi)分析錫林河流域56 a降水和平均氣溫，分別從宏觀和微觀的角度研究處降水和氣溫呈減少趨勢(shì)，然后再從整體趨勢(shì)進(jìn)行分析。焉耆縣降水稀少，蒸發(fā)量大，地表水主要依靠冰川積雪融水，研究降水和氣溫變化特征能為焉耆縣合理規(guī)劃水資源提出參考價(jià)值。本文基于焉耆縣1960-2019年逐月平均氣溫和降水觀測資料，對(duì)其變化趨勢(shì)、突變年、周期和突變以及相關(guān)性進(jìn)行分析，旨在更好地應(yīng)對(duì)氣候變化形勢(shì)，促進(jìn)流域可持續(xù)發(fā)展提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

焉耆縣位于我國新疆巴州境內(nèi)，與博湖縣、和靜、和碩縣、以及庫爾勒市接壤。全縣總面積2 570.88 km2。因縣城受到高原和高山阻礙，縣城內(nèi)水汽稀少，所以形成了夏季炎熱，冬季寒冷的大陸性干旱氣候。焉耆縣以開都河為補(bǔ)給源，但是隨著人類進(jìn)步，水資源明顯不夠，加上人們非法開荒，擠占生態(tài)環(huán)境，不合理修建導(dǎo)致焉耆地下水位急速下降，土地退化和鹽漬化日益嚴(yán)重。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)來源

為研究區(qū)域時(shí)間的一致性，筆者采用長時(shí)間序列1960-2019年焉耆站逐月降水、氣溫資料，水文站降水?dāng)?shù)據(jù)由巴州水文局提供，氣象站氣溫資料通過中國氣象網(wǎng)下載獲取。部分月份缺測降水?dāng)?shù)據(jù)通過新疆水文年鑒及加權(quán)平均法完成插補(bǔ)。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并廣泛用于研究水文和氣候長時(shí)間序列的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，具有結(jié)果受少數(shù)異常值干擾小，能顯示數(shù)據(jù)顯著突出和突變的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本研究利用非參數(shù)檢驗(yàn)Mann-Kendall法進(jìn)行年降水顯著性檢驗(yàn)，在給定顯著水平下，假定該序列無趨勢(shì)，若通過雙尾檢驗(yàn)，在正態(tài)分布表中查臨界值Z1-α/2，若|Z|Z1-α/2，拒絕原假設(shè)，即趨勢(shì)顯著。Z>0表示降水呈上升趨勢(shì)，Z<0表示降水呈下降趨勢(shì)，Z的絕對(duì)值越大，說明降水變化趨勢(shì)越顯著。根據(jù)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值，分析繪制UFK和UBK趨勢(shì)圖，若UFK的值大于0，則表明焉耆盆地降水量、氣溫呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈相反趨勢(shì)；當(dāng)統(tǒng)計(jì)值超過95%信度時(shí)，表明降水、氣溫變化趨勢(shì)顯著；若兩條曲線的交點(diǎn)位于信度線之間，則此點(diǎn)可能就是突變點(diǎn)的開始。

2.2.2 線性趨勢(shì)

因線性趨勢(shì)原理性描述較多，此處不再描述，具體參考文獻(xiàn)[5-6]。

2.2.3 小波分析

本研究中小波分析是用來描述周期隨時(shí)間尺度的變化特征。它是一種信號(hào)的時(shí)間尺度分析方法，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)頻窗，能在高分辨率中調(diào)節(jié)表針信號(hào)的局部特征優(yōu)點(diǎn)，因此在水文氣象中廣泛應(yīng)用[7-8]。本文應(yīng)用使用較多的Morlet小波函數(shù)，連續(xù)小波變換公式為：

(1)

在時(shí)間尺度上的對(duì)關(guān)于a的所有小波變換系數(shù)平方進(jìn)行積分后可得到一簇小波方差，該方差可反應(yīng)波動(dòng)能量隨時(shí)間尺度的分布情況，該方差公式為：

(2)

式中：var(a)為在a尺度下的小波方差。根據(jù)小波方差隨a的變化尺度來決定將水序列存在的最大主周期。

3 結(jié)果分析

3.1 降水和平均氣溫特征

3.1.1 降水特征

根據(jù)圖1可以看出年內(nèi)降水主要集中在汛期(5-8月)占總降水量的70%，盡管汛期占主導(dǎo)地位，即使在7月月降水量僅為17.16 mm，說明該地區(qū)降水極少，基本無降水。在年變化中可以看出，多年平均降水75.75 mm，并且以0.21 mm/a的趨勢(shì)遞增，5 a滑動(dòng)過程線表明，焉耆縣降水變化趨勢(shì)呈“W”形，經(jīng)歷了“枯-豐-枯”演變過程。根據(jù)M-K檢驗(yàn)，在0.05顯著水平下，焉耆縣降水統(tǒng)計(jì)量為0.95，圖2可以看出，60 a內(nèi)焉耆縣年降水呈非顯著上升趨勢(shì)，從年變化趨勢(shì)可知，上世紀(jì)60年代-80年代，焉耆縣降水呈下降趨勢(shì)，80年代-90年代經(jīng)過短暫 “上升-下降”交替后，呈極顯著上升且在21世紀(jì)初超出顯著水平，同時(shí)可以看出在1980年UFk和UBk相較于一點(diǎn)，所以1980年為降水的第一突變點(diǎn)。

圖1 降水年內(nèi)、年變化趨勢(shì)

圖2 焉耆縣降水M-K突變檢驗(yàn)

為研究60 a降水周期變化，根據(jù)Morlet小波分析(圖3)表明焉耆站4 a左右震蕩周期在60年代到80年代較為明顯，而7 a左右的震蕩周期在80年代到21世紀(jì)10年代較為明顯，并且存在以4 a為第一主周期，7 a為第二主周期的變化特征，以4 a為主周期表明下一個(gè)4 a周期呈豐水期，以7 a為主周期表明下一個(gè)7 a主周期呈枯水期。

圖3 Morlet小波分析

3.1.2 氣溫特征

由圖4可以看出，焉耆縣年內(nèi)平均氣溫呈“單峰形”，最高氣溫在7月(23.5℃)，最低氣溫為1月(-12.56℃)，最高和最低氣溫相差約11℃，低于0℃平均氣溫長達(dá)4個(gè)月份，冬季寒冷而漫長，平均20℃以上氣溫為6-8月，經(jīng)過短暫的炎熱后，氣溫迅速下降，進(jìn)入秋季。在年尺度上，焉耆縣以0.031℃/a的趨勢(shì)上升，60 a內(nèi)，年平均氣溫上升約2℃，在5 a滑動(dòng)平均內(nèi)，氣溫波動(dòng)較大，呈現(xiàn)出“上升-下降-上升”趨勢(shì)，增溫與降溫交替進(jìn)行，但總體上呈上升趨勢(shì)，這與20世紀(jì)90年代全球變暖后，西北干旱區(qū)溫度顯著升高有密切聯(lián)系。M-K檢驗(yàn)表明：焉耆縣氣溫M-K統(tǒng)計(jì)值為1.32，小于1.96說明氣溫亦呈上升趨勢(shì)，圖5中可以看出，上世紀(jì)60年代-70年代氣溫升降變化幅度大，70年代-90年代上升趨勢(shì)，90年代-21世紀(jì)00年代呈下降趨勢(shì)，2012年，兩曲線相交，因此在2012年發(fā)生突變，突變后氣溫持續(xù)上升，可以看出氣溫5a滑動(dòng)平均和M-K變化幅度較大，說明焉耆縣氣溫不穩(wěn)定，這將影響焉耆縣融雪地表徑流。

圖4 氣溫年內(nèi)、年變化趨勢(shì)

圖5 焉耆縣氣溫M-K突變檢驗(yàn)

為研究焉耆縣60 a氣溫周期變化，根據(jù)圖6Morlet小波分析表明焉耆站3a左右震蕩周期在上世紀(jì)70年代到90年代較為明顯，而8a左右的震蕩周期在上世紀(jì)70年代到21世紀(jì)10年代較為明顯，26 a左右震蕩周期在上世紀(jì)60年代到上世紀(jì)末最明顯并且存在以8 a為第一主周期，26 a為第二主周期的變化特征，以8 a為主周期表明下一個(gè)8 a主周期溫度繼續(xù)升高，和降水變化趨勢(shì)一致。

圖6 Morlet小波分析

3.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可研究變量之間的相互依賴性，探討變量之間的相關(guān)程度。本文用相關(guān)系數(shù)來衡量氣溫的相關(guān)程度、方向。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

(3)

式中：x表示氣溫，也表示降水；r介于-1到1之間，r大于0表示正相關(guān)，r小于0表示負(fù)相關(guān)，根據(jù)spss軟件分析得出相關(guān)系數(shù)僅為0.125，且未通過0.05顯著檢驗(yàn)，說明焉耆縣氣溫和降水不存在相關(guān)性，焉耆縣地處盆地內(nèi)，受高原和高山阻礙，水汽不能及時(shí)到達(dá)盆地內(nèi)，所以降水和氣溫相關(guān)性較差。

4 結(jié)語

根據(jù)焉耆盆地1960-2019年監(jiān)測氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)，采用線性趨勢(shì)和小波分析表明對(duì)其變化趨勢(shì)及周期進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

(1)降水在年內(nèi)分配不均，但在汛期最大月份降水量也僅為17.16 mm，但在年尺度上，降水量以0.21 mm/a的趨勢(shì)遞增，并且在1980年發(fā)生突變，突變后經(jīng)歷長達(dá)30 a豐水期；通過Morlet小波分析表明降水存在以4 a為第一主周期，7 a為第二主周期，兩周期在下一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)存在相反變化趨勢(shì)。

(2)氣溫在年內(nèi)呈“單峰型”，最高溫度和最低溫度相差11℃，冬季寒冷漫長，夏季炎熱短暫。受全球變暖影響，氣溫以0.031℃/a的趨勢(shì)上升，60 a內(nèi)升溫2℃，且在2012年氣溫發(fā)生突變，突變后氣溫快速升高；氣溫存在分別以8 a、26 a為第一、二主周期。

(3)相關(guān)性分析表明，焉耆縣降水和溫度相關(guān)系數(shù)為0.125，未通過0.05顯著檢驗(yàn)，說明兩者不存在相關(guān)性，說明氣溫和升降不影響降水變化。