近60年烏魯瓦提水文站氣象要素變化特征及其與蒸發(fā)皿蒸發(fā)關(guān)聯(lián)分析

米吉提·買買吐地

(新疆和田水文勘測局，新疆 和田 848000)

0 前言

近些年來，氣候變化對區(qū)域水資源循環(huán)影響逐步成為研究的熱點和關(guān)注的重點領(lǐng)域，蒸發(fā)作物水循環(huán)重要組成項，其主要受氣候要素變化影響，通過分析蒸發(fā)和氣象因子之間的關(guān)聯(lián)度，可以確定區(qū)域蒸發(fā)影響主要氣象成因[1-2]。烏魯瓦提水文站為新疆和田地區(qū)喀拉喀什河主要控制水文1 300～2 200 mm左右[3]。有研究成果表明喀拉喀什河流域蒸發(fā)量受氣候變化影響發(fā)生較大變化[4-8]，但對其變化成因研究還較少，為對喀拉喀什河流域蒸發(fā)變化的主要氣象影響成因進(jìn)行探討，本文結(jié)合烏魯瓦提水文站觀測的氣象要素數(shù)據(jù)對其氣象要素變化特征進(jìn)行分析，并結(jié)合當(dāng)前變量趨勢分析應(yīng)用較為成熟的M-K非線性趨勢檢驗方法[9-10]對其氣候變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗，在氣候變化趨勢分析的基礎(chǔ)上基于烏魯瓦提水文站近60 a蒸發(fā)皿蒸發(fā)數(shù)據(jù)，對蒸發(fā)皿蒸發(fā)影響的氣象因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，研究成果對于喀拉喀什河流域蒸發(fā)變化的主要氣象成因進(jìn)行定量探討。

1 站點概況及趨勢分析方法

1.1 站點概況

烏魯瓦提水文站位于新疆和田地區(qū)喀拉喀什河干流，為國家級控制水文站，該水文站以上集水面積為19 900 km2，烏魯瓦提水文站處于典型溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，晝夜溫差大，春季風(fēng)大且多。烏魯瓦提站多年平均降水量為80.72.6 mm，降水主要集中在夏季，降水量較為稀少。烏魯瓦提站全年采用20 cm口徑蒸發(fā)器測量，多年蒸發(fā)量均值在1 300～2 200 mm左右，蒸發(fā)主要集中在夏季，夏季蒸發(fā)均值占年蒸發(fā)量的60%～70%之間。本文選用烏魯瓦提水文站1959-2019年年平均氣溫、年平均相對濕度、年平均風(fēng)速及年平均氣壓作為主要氣象因子進(jìn)行氣象要素變化特征的分析，蒸發(fā)皿觀測數(shù)據(jù)系列采用水文年鑒中統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中烏魯瓦提水文站在1999-2001年由于水庫建設(shè)停止觀測。

1.2 分析方法

采用M-K非線性顯著檢驗方法對降水變化特征進(jìn)行顯著變化特征的分析。該方法將長系列的氣象要素序列作為樣本序列對其統(tǒng)計變量S進(jìn)行計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中S為降雨樣本序列顯著性檢驗統(tǒng)計變量；xi和xj表示為來自同一個樣本總體的兩個降雨樣本數(shù)據(jù)系列；σs表示為方差標(biāo)準(zhǔn)計算值；sign表示為計算變量；n表示為總的樣本序數(shù)；Z表示檢驗特征變量，當(dāng)Z>0則表示降雨呈現(xiàn)遞增變化趨勢，否則呈現(xiàn)遞減變化趨勢，當(dāng)∣Z∣>2.32、1.64<∣Z∣<2.32、1.28<∣Z∣<1.64則分別表示變化趨勢的顯著性可分別達(dá)到99%、95%以及90%的置信水平。

2 氣象要素變化趨勢檢驗

2.1 年尺度氣象要素變化檢驗

結(jié)合烏魯瓦提水文站1959-2019年近60 a年平均氣溫、年平均相對濕度、年平均風(fēng)速及年平均氣壓進(jìn)行年尺度氣象要素變化特征分析，結(jié)果圖1所示，并對各氣象因子年變化特征進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果如表1所示。

圖1 烏魯瓦提水文站各氣象因子年尺度變化特征

表1 烏魯瓦提水文站年尺度氣象因子變化趨勢檢驗結(jié)果

從烏魯瓦提水文站近60年各氣象因子的年尺度變化特征可看出，年平均氣溫總體呈現(xiàn)遞增變化，年平均風(fēng)速和年平均氣壓呈現(xiàn)遞減變化，而年平均濕度變化較為平穩(wěn)。采用M-K趨勢檢驗方法對各氣象因子年平均值變化趨勢進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果表明年平均氣溫檢驗統(tǒng)計值為0.531 2，表明烏魯瓦提水文站年平均氣溫遞增顯著性趨勢低于90%的水平，變化趨勢不顯著。年平均氣壓變化趨勢的檢驗統(tǒng)計值達(dá)到-2.453 13，其絕對值明顯高于2.32，遞減變化趨勢較為顯著。而年平均風(fēng)速的變化趨勢檢驗統(tǒng)計絕對值也高于2.32，遞減變化的顯著性檢驗也可達(dá)到99%水平。從年平均相對濕度變化趨勢檢驗統(tǒng)計值可看出，其檢驗統(tǒng)計值為0.053 4，呈現(xiàn)弱遞增變化趨勢。

2.2 季節(jié)尺度氣象要素變化檢驗

烏魯瓦提水文站所在流域?qū)儆诘湫蜏貛Т箨懠撅L(fēng)氣候區(qū)，四級季候較為分明，為此結(jié)合烏魯瓦提水文站近60 a不同季節(jié)氣溫、氣壓、風(fēng)速、濕度均值，對其不同季節(jié)氣象因子變化進(jìn)行趨勢檢驗，具體結(jié)果見表2所示。

表2 不同季節(jié)烏魯瓦提水文站 各氣象因子變化趨勢檢驗分析結(jié)果

從各氣象因子不同季節(jié)變化趨勢檢驗結(jié)果可看出，和年尺度各氣象因子變化趨勢檢驗結(jié)果較為一致，氣溫在各季節(jié)均呈現(xiàn)弱遞增變化趨勢，均低于90%的顯著性檢驗水平。而風(fēng)速和氣壓的變化趨勢統(tǒng)計值均為負(fù)值，表明呈現(xiàn)遞減變化，其中風(fēng)速在夏季的檢驗值較低，其遞減顯著性檢驗未能達(dá)到90%水平，呈現(xiàn)弱遞減變化，其他三個季節(jié)風(fēng)速都呈現(xiàn)明顯遞減變化。而氣壓在冬季和夏季的遞減趨勢特征較弱，而在春、秋兩個季節(jié)的遞減變化趨勢性較為明顯。各季節(jié)相對濕度變化有所差異，其中在春季和夏季相對濕度呈現(xiàn)若遞增變化，而在冬季和秋季呈現(xiàn)遞減變化，其中在秋季的遞減變化最為明顯。

3 蒸發(fā)皿蒸發(fā)與各氣象因子關(guān)聯(lián)分析

3.1 年尺度關(guān)聯(lián)分析

結(jié)合烏魯瓦提水文站1959-2019年實測蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)，對其年蒸發(fā)皿蒸發(fā)進(jìn)行統(tǒng)計，和年平均氣壓、年平均氣溫、年平均相對濕度及年平均風(fēng)速進(jìn)行年尺度關(guān)聯(lián)分析，關(guān)聯(lián)分析如圖2所示。

圖2 烏魯瓦提水文站年尺度蒸發(fā)皿蒸發(fā)和各氣象因子年均值關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

從烏魯瓦提水文站年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)和各氣象因子關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可看出，就年尺度而言，年平均濕度和蒸發(fā)皿蒸發(fā)關(guān)聯(lián)度最高，其次為年平均氣溫，年平均濕度是烏魯瓦提水文站年蒸發(fā)變化的主因，年平均風(fēng)速和蒸發(fā)皿蒸發(fā)的關(guān)聯(lián)度在4個氣象因子中最低，因此其對烏魯瓦提水文站年蒸發(fā)皿蒸發(fā)的影響程度較小，這主要和烏魯瓦提水文站所在的流域氣候有關(guān)，烏魯瓦提水文站所在流域為典型的溫帶季風(fēng)大陸性氣候，夏季和秋季高溫且濕度較高，而夏季和秋季是區(qū)域蒸發(fā)量分配較大的兩個季節(jié)，因此年平均濕度和年平均氣溫和烏魯瓦提水文站年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)關(guān)聯(lián)較高。

3.2 季節(jié)尺度關(guān)聯(lián)分析

在烏魯瓦提水文站年蒸發(fā)皿蒸發(fā)和各氣象因子年均值關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上，考慮到其不同季節(jié)氣候以及各季節(jié)蒸發(fā)變化的差異性，對烏魯瓦提水文站不同季節(jié)蒸發(fā)皿蒸發(fā)進(jìn)行統(tǒng)計，并對其和各季節(jié)平均氣溫、平均風(fēng)速、平均氣壓以及平均濕度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 烏魯瓦提水文站不同季節(jié)各氣象因子均值 和蒸發(fā)皿蒸發(fā)均值關(guān)聯(lián)系數(shù)分析結(jié)果

從烏魯瓦提水文站不同季節(jié)各氣象因子均值各蒸發(fā)皿蒸發(fā)均值關(guān)聯(lián)分析結(jié)果可看出，相對濕度和蒸發(fā)皿蒸發(fā)在各季節(jié)的關(guān)聯(lián)度也明顯高于其他氣象因子，是烏魯瓦提水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)影響的主因，其次文氣溫，除春季外，其他季節(jié)氣溫和烏魯瓦提水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)的關(guān)聯(lián)度均要高于風(fēng)速和氣壓。年平均風(fēng)速在春季和蒸發(fā)皿蒸發(fā)關(guān)聯(lián)度較高，但在其他季節(jié)其和蒸發(fā)皿蒸發(fā)的關(guān)聯(lián)度均要低于氣象因子。從各季節(jié)氣象因子和蒸發(fā)皿蒸發(fā)關(guān)聯(lián)分析可看出，冬季相對濕度是烏魯瓦提水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)影響主要氣象因子，其次為氣溫，春季相對濕度關(guān)聯(lián)度最高，其次為風(fēng)速，夏季氣溫影響程度高于相對濕度，是夏季烏魯瓦提水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)影響主因，而秋季和冬季較為一致，相對濕度和氣溫是其蒸發(fā)皿蒸發(fā)的主要影響氣象因子，總體而言不同季節(jié)烏魯瓦提水文站蒸發(fā)皿蒸發(fā)影響氣象因子有所差異。

4 結(jié)語

(1)烏魯瓦提水文站近60 a年平均氣溫呈現(xiàn)弱遞增變化，年平均風(fēng)速和年平均氣壓呈現(xiàn)顯著遞減變化，而年平均濕度總體變化較為平穩(wěn)。

(2)氣溫在各季節(jié)均呈現(xiàn)遞增變化，而風(fēng)速和氣壓的變化趨勢統(tǒng)計值均為負(fù)值，呈現(xiàn)遞減變化，其中風(fēng)速在夏季的檢驗值較低，其遞減顯著性檢驗未能達(dá)到90%水平，呈現(xiàn)弱遞減變化。

(3)年平均濕度和蒸發(fā)皿蒸發(fā)關(guān)聯(lián)度最高，其次為年平均氣溫，年平均濕度是烏魯瓦提水文站年蒸發(fā)變化的主因，春季相對濕度關(guān)聯(lián)度最高，其次為風(fēng)速，夏季氣溫影響程度高于相對濕度，而秋季和冬季較為一致，相對濕度和氣溫是其蒸發(fā)皿蒸發(fā)的主要影響氣象因子。