沈 琪, 徐建華, 王占永, 王飛騰

(1.華東理工大學(xué)商學(xué)院,上海 200237;2.華東師范大學(xué)教育部地理信息科學(xué)重點實驗室,上海 200062;3.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所冰凍圈與環(huán)境重點實驗室天山冰川站,蘭州 730000)

天山一號冰川地區(qū)氣候要素的變化及其對冰川物質(zhì)平衡的影響

沈 琪1, 徐建華2, 王占永2, 王飛騰3

(1.華東理工大學(xué)商學(xué)院,上海 200237;2.華東師范大學(xué)教育部地理信息科學(xué)重點實驗室,上海 200062;3.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所冰凍圈與環(huán)境重點實驗室天山冰川站,蘭州 730000)

通過對逐日氣溫、降水、流量和相對濕度等實測數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析,提取了天山烏魯木齊河源一號冰川地區(qū)近10年來的氣候變化特征.在此基礎(chǔ)上,運用灰熵關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)一步研究了冰川物質(zhì)平衡量與不同氣候要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系.結(jié)果顯示:研究區(qū)氣候要素在4 d,16 d,32 d和64 d尺度上的變化存在階段性、周期性和弱趨勢性三大特征;在較寬的時間尺度上,氣溫要素的極大值與極小值呈非對稱性變化;1996-2004年期間,冰川物質(zhì)平衡主要受氣溫類要素的影響;9-5月(物質(zhì)平衡年)的降水量是冰川物質(zhì)積累的重要來源.

小波分析; 灰熵關(guān)聯(lián)分析; 時間序列; 天山烏魯木齊河源一號冰川

Abstract:Based on the daily data of temperature,rainfall,flow and relative humidity,this paper attemp ted to show the characters of climate change at U rumqi Glacier No.1 in recent 10 years by wavelet analysis.Furthermo re,grey entropy relational analysis was used to study the correlation between the glacier mass balances and various meteo rological elements.The results indicated that:(1)at the scale of 4 d,16 d,32 d and 64 d,the changesof meteo rological facto rs in the study area have three major characteristics rep resented by stages,periodicity,and weak trend;(2)at a w ider time scale,there is a non-symmetry change between the maximum and the minimum of temperatures;(3)during the period of 1996-2004,the glacier mass balance is mainly affected by the temperature facto rs;(4)the p recipitation from Sep tem ber to May(thebalance year)is themain source of Glacier accumulation.

Key words:wavelet analysis; grey entropy relational analysis; time series; Urumqi Glacier No.1

0 引言

由于氣候變暖和人類活動的影響,天山烏魯木齊河源一號冰川的消融十分顯著[1-4],表現(xiàn)為冰川融水徑流劇增,面積縮小,末端后退,雪線升高等[1].作為西北干旱區(qū)維持生產(chǎn)、生活的重要水源之一,一號冰川的這些變化引起學(xué)者和相關(guān)部門的普遍關(guān)注.

冰川變化的驅(qū)動因素是冰川區(qū)水熱條件,即氣候的變化[1].其中,氣溫和降水是影響冰川消融的兩大要素.以往對天山烏魯木齊河源一號冰川地區(qū)氣象數(shù)據(jù)時間序列的研究多以年為尺度,且多從單一要素入手,以經(jīng)典統(tǒng)計方法進(jìn)行分析[3,7-9].這種研究方法在一定程度上掩蓋了氣候要素在更小時間尺度上的變化特征,同時也忽略了各要素之間相互影響、相互制約的關(guān)系.本文擬利用小波變換方法,從4 d,16 d,32 d和64 d 4個時間尺度上分析研究區(qū)1996-2004近10年間氣溫、降水、徑流量和相對濕度4個指標(biāo)在冰川物質(zhì)平衡年間的非線性變化特征,并利用灰熵關(guān)聯(lián)分析方法分析各氣候要素對冰川物質(zhì)平衡的影響.

1 資料與方法

1.1 區(qū)域概況

天山烏魯木齊河源一號冰川(簡稱一號冰川)地處亞洲中部,位于天山山脈東段,是中國監(jiān)測時間最長,資料最為詳盡的冰川,也是最為臨近人類活動區(qū)的冰川之一.同時,它也是世界冰川監(jiān)測服務(wù)處(W GM S)組織、協(xié)調(diào)的冰川監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中長期選定的參照冰川(Reference glaciers)之一,是中亞內(nèi)陸地區(qū)的代表.

根據(jù)長時間序列的觀測資料與相關(guān)研究,一號冰川自1959年開始觀測以來一直處于退縮狀態(tài),尤其是20世紀(jì)90年代中期以來出現(xiàn)了明顯的加速趨勢.東西兩支冰舌在1993年完全分離.1992-2004年,東支退縮38.7 m,西支退縮64.1 m.隨著冰川后退,冰川末端的海拔從1962年的3 736 m上升到1980年的3 746 m.冰川面積在1962-2006年的45年間減少了0.27 km2(14%),其中1992-2006年間減少0.16 km2,占總減少量的59%;一號冰川地區(qū)的氣溫自1985年以來呈上升趨勢,而影響冰川消融的主要因素——積溫則與氣溫保持相同的變化[5];對冰川粒雪特征和冰川成冰帶的研究顯示,目前冰川雪層剖面的組成和結(jié)構(gòu)已發(fā)生了明顯的變化,表現(xiàn)在雪層厚度減薄,結(jié)構(gòu)變簡單,各種粒雪層的邊界變模糊等方面[5];冰川物質(zhì)平衡年度值和累計值均有負(fù)增長趨勢,物質(zhì)損失嚴(yán)重.

1.2 數(shù)據(jù)

研究使用的資料為一號冰川水文點1996-2004年逐日觀測資料,包括冰川區(qū)氣溫、降水、流量和相對濕度等.其中,相對濕度僅在5-8月冰川消融期觀測.

物質(zhì)平衡變化是冰川對氣候變化的直接反應(yīng),資料取自觀測年報物質(zhì)平衡資料和相關(guān)研究成果[10],為年數(shù)據(jù).

積溫是影響冰川消融的主要因素,本文主要計算了氣候積溫和正積溫.氣候積溫是穩(wěn)定通過界限溫度初、終日期間(包括初日、終日在內(nèi))的各日平均氣溫之和,代表了冰川消融期T≥0℃的積溫.本文采用0℃作為界限溫度值,采用4 d小波變換確定其穩(wěn)定通過0℃的初、終日,然后求解氣候積溫;正積溫是整年內(nèi) T≥0℃的積溫.

1.3 方法

1.3.1 小波分析

小波變換是一種信號的時間-尺度(時間-頻率)分析方法,具有多分辨率分析的特點[11].這種方法為認(rèn)識氣候要素的周期變化提供了一種新的視角.

考慮氣候要素時間序列 X(t),通過父小波和母小波映射變換,作如下形式的二進(jìn)展開:

{SJ,SJ-1,…,S1}是函數(shù) X(t)精細(xì)水平遞增的多分辨逼近序列,相應(yīng)的多分辨分解為{SJ,DJ,DJ-1,…,Dj,…,D1}.尺度2j是分辨率2-j的倒數(shù).

本文以Symm let作為基小波,以sym8為小波函數(shù)做出小波分解與重構(gòu),從多分辨率的時間尺度角度揭示一號冰川氣候要素非年際變化的趨勢.選擇S6,S5,S4和 S24種分辨率進(jìn)行分析.

1.3.2 灰熵關(guān)聯(lián)分析

冰川物質(zhì)平衡的變化是多因素綜合作用的結(jié)果,這些因素之間的關(guān)系是灰色的:很難分清哪些是主導(dǎo)因素,哪些是非主導(dǎo)因素;哪些因素之間關(guān)系密切,哪些不密切.灰色關(guān)聯(lián)分析為解決這類問題提供了一種行之有效的方法.它根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度,亦即“灰色關(guān)聯(lián)度”,來衡量因素間關(guān)聯(lián)程度.但傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)方法在確定關(guān)聯(lián)度時,多采用計算逐點關(guān)聯(lián)測度值平均值,這一方面使得在點關(guān)聯(lián)測度值分布離散情況下由點關(guān)聯(lián)測度值大的點決定了總體關(guān)聯(lián)精度的傾向;另一方面,平均值淹沒了許多點關(guān)聯(lián)測度的個性,沒有充分利用由點關(guān)聯(lián)測度值提供的豐富信息[12].因此,我們構(gòu)造灰熵關(guān)聯(lián)模型來克服傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)模型的缺陷.具體建模思路如下.

(1)設(shè)定參考序列和比較序列 已知序列 X0,X1,X2,…Xn,其中 X0為參考數(shù)據(jù)列(本文中為物質(zhì)平衡序列);X1,X2,X3,…Xn為比較數(shù)據(jù)列(本文中為氣候要素序列),每個數(shù)據(jù)均有 m個時刻,記為 X1(m),X2(m),X3(m),…Xn(m).

(2)為消除參考序列和比較序列的量綱和數(shù)量級差異,采用正負(fù)指標(biāo)極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理.

對于正向指標(biāo),

對于逆向指標(biāo),

(3)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

其中,Yi(j)=|X′0(j)-X′i(j)|,i=1,2…n,j=1,2…m.求兩級最小差 Ymin和兩級最大差 Ymax:

得到關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

其中,ξi(j)為關(guān)聯(lián)系數(shù),ξi(j)=(Ymin+0.5Ymax)/(Yi(j)+0.5Ymax).

(4)計算灰熵關(guān)聯(lián)度

首先定義參考數(shù)據(jù)列 X0與比較數(shù)據(jù)列 X1,X2,X3,…Xn之間的映射

北京理工大學(xué)附屬中學(xué)小學(xué)部從課程目標(biāo)、內(nèi)容、實施、評價四個方面出發(fā)，制定了德育《主題教育月課程綱要》；語文學(xué)科《語文學(xué)科實踐活動課程綱要》《誦讀經(jīng)典課程綱要》；數(shù)學(xué)學(xué)科《數(shù)學(xué)繪本故事閱讀課程綱要》《益智古典數(shù)學(xué)游戲課程綱要》；英語學(xué)科《英語繪本故事閱讀課程綱要》《快樂口語課程綱要》……如語文學(xué)科教師劉京執(zhí)筆的學(xué)科實踐課程綱要考慮了學(xué)科綜合性、學(xué)生年級特點，節(jié)選內(nèi)容如下。

為灰關(guān)聯(lián)系數(shù)分布映射.其中,Ri={r(x0(k),xj(k)|k=1,2,…n)},映射值

為分布的密度值,ph∈Pj;h=1,2,…n;∑ph=1.得到 Xj的灰關(guān)聯(lián)熵計算公式

在此基礎(chǔ)上定義

為序列 Xj的灰熵關(guān)聯(lián)度.Hm代表由n個屬性元素構(gòu)成的差異信息列最大熵.

那么參考數(shù)據(jù)列 X0與比較數(shù)據(jù)列 X1,X2,X3,…Xn之間的灰熵關(guān)聯(lián)度為

2 結(jié)果與討論

2.2 氣候要素的非線性變化趨勢

通過對各氣候要素的小波分解與重構(gòu),得到了不同時間尺度上各要素的線性變化趨勢(見圖1和2).

圖1 一號冰川水文點5-8月流量和相對濕度在不同時間尺度下的非線性趨勢Fig.1 The nonlinear trend of flow and relative humidity from May to August at different time scales

流量和相對濕度是以每年5-8月的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計算,分別計算了S2,S4和S5這3個尺度上的非線性變化趨勢.在較小的尺度上,相對濕度振蕩較劇烈,沒有明顯的規(guī)律可循.而流量則存在先升后降的總體趨勢.隨著尺度加大兩要素初步表現(xiàn)出“S”型變化的前半段趨勢.在S5尺度上,各年5-8月流量和相對濕度的極值點大體上在同一時間段出現(xiàn),有必要研究徑流對相對濕度的影響.

圖2 一號冰川水文點溫度和降水量在不同時間尺度下的非線性趨勢Fig.2 The nonlinear trend of temperature and rainfall at different time scales

從各時間尺度來看,氣溫和降水量均以年為大周期起伏振蕩,隨著時間尺度的加寬,這種趨勢越發(fā)明顯,而且兩要素的極大值點均集中在5-8月冰川消融期.隨著尺度細(xì)化局部極值點明顯增多.值得注意的是:(1)在S6尺度上,即64(26)d尺度上降水量除了在5-8月冰川消融期有極大值點外,在每年的冬半季有一個較小的起伏過程;以往以年為尺度的研究中這一波動往往被忽略,但有定性研究認(rèn)為,這些降水對冰川物質(zhì)平衡有較大的影響[1,9];本文在后續(xù)研究中將用灰熵關(guān)聯(lián)分析方法對此進(jìn)行定量化分析.(2)降水量的振幅在各尺度上均不穩(wěn)定,峰值主要集中在6,7,8三個月.(3)氣溫要素的振幅逐漸縮小,在較寬的尺度上,這種變化較為明顯;而且其振幅的極大值變化不大、極小值相對變化較明顯,即極大值與極小值呈非對稱性變化.

總體來說,研究區(qū)氣候要素在S2,S4,S5和S6 4個時間尺度上的變化存在周期性和階段性和弱趨勢性的特征.周期性是指各要素均呈現(xiàn)出周期波動變化的特征,尤其是氣溫、降水和徑流量3個要素.而且時間尺度越寬,周期性越明顯;階段性是針對降水和相對濕度,其振幅變化較大,不同周期內(nèi)的極大值存在明顯差異.對于相對濕度指標(biāo),由于缺乏全年逐日觀測數(shù)據(jù),其變化情況分析有待于進(jìn)一步的完善;要素均未表現(xiàn)出明顯的增加或減少趨勢.主要是氣溫要素表現(xiàn)出振幅逐漸變小,極小值升高的特征.但在9年的研究時段內(nèi),其變化相對緩慢,不如其他長時間序列研究成果的變幅明顯[1,3,9].

2.2 氣候要素對冰川物質(zhì)平衡的影響

冰川物質(zhì)平衡變化是冰川對氣候變化的直接反應(yīng),它反映了冰川在不同平衡年度內(nèi)總積累量與總消融量之間的差異程度.

鑒于以往對冰川物質(zhì)平衡變化影響因素的定性、定量研究成果[13-17],以及天山1號冰川水文點的觀測項目,結(jié)合氣候要素非線性變化趨勢,以冰川物質(zhì)平衡年為時間節(jié)點選擇了1994/1995—2003/2004逐年度的年均溫、冬半年均溫(9-5月)、夏半年均溫(5-8月)、氣候積溫、氣候積溫持續(xù)天數(shù)、正積溫、正積溫持續(xù)天數(shù)、5-8月平均相對濕度、年降水量、5-8月降水量和9-5月降水量等要素來分析同期1號冰川物質(zhì)平衡變化的主導(dǎo)氣象因子.

研究表明:在缺乏氣候要素修正值研究的山區(qū),只要能保證所選擇的高山氣象臺站的氣候要素變化趨勢與冰川作用區(qū)的氣候要素變化趨勢相同,即選用距研究冰川水平距離較近,海拔高差不大的氣象臺站資料,就可以直接進(jìn)行氣候要素與冰川平衡線的灰熵關(guān)聯(lián)分析[13].因此,本文直接采用1號冰川水文點的觀測資料進(jìn)行分析.

從表1看出,以冰川物質(zhì)平衡為參考序列,與氣候要素的關(guān)聯(lián)度依次為夏半年均溫(5-8月)>物質(zhì)平衡年均溫>冬半年均溫(5-9月)>9-5月降水量>氣候積溫>年降水量>氣候積溫持續(xù)天數(shù)>正積溫>正積溫持續(xù)天數(shù)>5-8月降水量>5-8月平均相對濕度.

表1 冰川物質(zhì)平衡量與不同氣候要素的灰熵關(guān)聯(lián)度Tab.1 Grey entropy relational degree between the glaciermass balance and variousmeteorological elements

值得注意的是:(1)研究時段內(nèi)氣溫要素對物質(zhì)平衡量的變化起主要作用.氣候積溫對冰川物質(zhì)平衡量的影響要大于正積溫.這說明年內(nèi)穩(wěn)定的 T≥0℃的時段是冰川消融的主要階段.(2)5-8月降水量和9-5月降水量與冰川物質(zhì)平衡量之間的關(guān)聯(lián)度非常接近,且9-5月降水量的關(guān)聯(lián)度略大于5-8月降水量的關(guān)聯(lián)度.說明降水量在小波變換64 d時間尺度上所體現(xiàn)出的冬半季的小振幅有較大的意義,9-5月的降水量是冰川物質(zhì)積累的重要來源.(3)相對濕度與冰川物質(zhì)平衡量關(guān)聯(lián)程度大于0.5.同時,由于溫度與空氣的飽和蒸汽壓具有正相關(guān)關(guān)系,高溫的空氣比低溫的空氣能容納更多的氣態(tài)水.說明較高的濕度有利于冰川物質(zhì)平衡的正向變化.

3 結(jié)論

(1)通過小波分析,在1996-2004年的研究時段內(nèi),研究區(qū)氣候要素的變化總體上存在周期性、階段性和弱趨勢性的特征.其中氣溫的振幅逐步縮小,極大值變化不大,極小值變化較明顯,即極大值與極小值呈非對稱性變化趨勢.

(2)在以往氣候要素長時間序列的分析中,往往將冬半季降水的變化忽略,64 d的小波變換較清晰地揭示了這一特征.而且灰熵關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示,9-5月降水量與5-8月降水量對冰川物質(zhì)平衡的影響幾乎同等重要.這可能是由于烏魯木齊河源地區(qū)夏季固態(tài)降水多為易于消融而不易冷儲的濕雪,但其機(jī)制需要進(jìn)一步的深入研究.

(3)很多定性研究指出積溫是影響冰川物質(zhì)平衡的一個主要因素.本文運用灰熵關(guān)聯(lián)分析從定量的角度揭示了積溫對冰川物質(zhì)平衡的影響.分析認(rèn)為氣候積溫對冰川物質(zhì)平衡的影響要大于正積溫.這主要是因為氣候積溫代表的是冰川消融期 T≥0℃的積溫,而正積溫代表了全年 T≥0℃的積溫,說明穩(wěn)定的 T≥0℃的時段對冰川消融的影響更大.

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Climate changesand their influence on themass-balances of Glacier No.1 in the headwater of Urumqi River,Tianshan,China

SHEN Qi1, XU Jian-hua2, WANG Zhan-yong2, WANG Fei-teng3

(1.School of Business,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;2.Key Lab of GIS,M inistry of Education,East China Normal University,Shanghai 200062,China;3.State Key Laboratory of Cryosphere Science/Tianshan Glaciological Station,CAREERI,CAS,Lanzhou 730000,China)

P343.6

A

1000-5641(2010)04-0007-09

2009-04

中國科學(xué)院知識創(chuàng)新二期項目(KZCX2-XB2-03);上海重點學(xué)科建設(shè)項目(B410);上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點實驗室開放基金

沈琪,女,博士,講師,研究方向為生態(tài)經(jīng)濟(jì)模擬.E-mail:shenq03@163.com.