楊富程,夏自強(qiáng),黃 峰,陳起川

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098;

2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.河海大學(xué)國際河流研究所,江蘇 南京210098)

近年來,氣候變化及其產(chǎn)生的影響已成為公眾關(guān)注的話題,其中2個氣候變化分量,即大氣環(huán)流的年代際突變和全球快速變暖[1],左右著北半球中高緯度氣候演變的大格局。氣候變化最明顯的特征是全球氣候變暖,伴隨著這一現(xiàn)象,區(qū)域水循環(huán)形式將發(fā)生變化,其中一個最重要的表現(xiàn)就是降水的時空分布發(fā)生變化。降水又是水循環(huán)中一個主要組成部分,降水的不均勻分布必然會造成水資源的不均勻分布,為水資源的管理和分配帶來新的問題和挑戰(zhàn)[2-3]。

額爾齊斯河是我國唯一的1條自東向西流入北冰洋的跨界河流,起源于我國境內(nèi)新疆富蘊(yùn)縣北部海拔3500m的齊格爾臺達(dá)坂,自東向西流經(jīng)中國、哈薩克斯坦、俄羅斯,在俄羅斯境內(nèi)匯入鄂畢河,是鄂畢河的最大支流。額爾齊斯河全長4248km,流域面積為164萬km2,流域的多年年均降水量為200～500mm,河口處年均徑流量為950億m3[4]?？缇澈恿黝~爾齊斯河對所流經(jīng)各國的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要的意義,但是隨著各國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的劇增,該額爾齊斯河流域水資源的開發(fā)利用矛盾也日益加劇。研究該流域降水變化的規(guī)律和形成原因,不僅可為該區(qū)域氣候變化研究進(jìn)一步提供基礎(chǔ),同時也可對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善、水資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究主要分析額爾齊斯河流域降水的長期變化特征,因此選取額爾齊斯河流域4個典型氣象水文測站1936—2005年的逐日降水系列資料進(jìn)行研究。這4個典型氣象水文測站是：齋桑泊(47°30′N,84°54′E)、塞米巴拉金斯克(50°24′N,80°12′E)、鄂木斯克(55°N,73°24′E)和塔帕(57°N,74°24′E),見圖1。

圖1 額爾齊斯河流域所選站點分布Fig.1 Distribution of selected stations in Irtysh River Basin

1.2 研究方法

a.Mann-Kendall法。Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,是由國際氣象組織(WHO)推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時間序列趨勢分析的方法,也是檢驗水文時間序列單調(diào)趨勢的有效工具之一[5],其研究方法見文獻(xiàn)[6-7]。

b.復(fù)Morlet小波分析法。復(fù)Morlet小波為復(fù)數(shù)形式的小波,比實數(shù)形式的小波有更多的優(yōu)點,由于實部與虛部相位相差π/2,從而消除了實數(shù)形式小波在變換過程中系數(shù)模的振蕩,且從其小波系數(shù)中可分離出模和位相。鑒于其優(yōu)點[8],本文選用復(fù)Morlet小波分析法分析額爾齊斯河流域年降水量序列的多時間尺度變化規(guī)律,研究方法詳見文獻(xiàn)[9-10]。

c.R/S分析法。R/S分析法最早是由英國科學(xué)家赫斯特在研究尼羅河多年水文觀測資料時提出的一種新的統(tǒng)計方法[11]。后來經(jīng)Mandelbrot與Wallis在理論上對該方法進(jìn)一步補(bǔ)充和完善,把它發(fā)展成為研究時間序列的分形理論,其研究方法詳見文獻(xiàn)[12-13]。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 降水變化特征分析

由額爾齊斯河流域年降水量變化曲線圖(圖2)可以看出：(a)額爾齊斯河流域年均降水量在200～500mm之間,4個氣象水文測站多年平均降水量分別為306.0mm,266.6mm,368.0mm和421.4mm。(b)齋桑泊、塞米巴拉金斯克、鄂木斯克和塔帕4個氣象水文測站的年降水量均呈上升趨勢,且年際波動變化較大,10a的年降水量分別以5.52mm,6.05mm,18.92mm,和11.71mm的速率增加,其中以鄂木斯克氣象水文測站的上升趨勢最為顯著,其次為塔帕氣象水文測站。(c)以齋桑泊氣象水文測站為例,由5a滑動平均曲線可以看出：齋桑泊氣象水文測站在20世紀(jì)30年代末到40年代初降水量呈現(xiàn)下降趨勢,40年代中期出現(xiàn)上升趨勢,但在40年代末期出現(xiàn)短暫的下降趨勢,50年代降水總體呈上升趨勢,60年代初期到中期又出現(xiàn)一個短暫的下降趨勢,60年代中期到70年代初降水呈現(xiàn)頻繁波動,但是總體呈上升趨勢,從70年代初期到70年代中期,降水呈現(xiàn)相對較大的下降趨勢,而后又出現(xiàn)了一個較大的上升趨勢,從80年代開始頻繁波動,直至90年代中期降水呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 額爾齊斯河流域年降水量變化曲線Fig.2 Annual precipitation variation in Irtysh River Basin

表1統(tǒng)計了額爾齊斯河流域4個氣象水文測站在不同年代的降水量距平。從表1可知,20世紀(jì)40—50年代4個氣象水文測站的降水量距平都為負(fù)值,說明該時段降水量普遍偏少,鄂木斯克尤甚;60年代齋桑泊和塞米巴拉金斯克的降水量多于多年平均降水量,鄂木斯克和塔帕的降水仍偏少;70年代除了齋桑泊的降水少于多年平均值以外,其余3個氣象水文測站都超過多年平均降水量;自80年代以來4個氣象水文測站的年降水普遍都呈明顯的上升趨勢,仍然以鄂木斯克為甚。在2000—2005年這段時間內(nèi),4個氣象水文測站的降水量都相對偏多,且塞米巴拉金斯克、鄂木斯克和塔帕的降水距平達(dá)到統(tǒng)計時段的最大值。

表1 額爾齊斯河流域不同年代降水量距平Table1 Annual precipitation decadal anomalies during different periods in Irtysh River Basin mm

對4個氣象水文測站多年月平均降水的分布進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)塔帕和鄂木斯克降水量年內(nèi)分配極不均勻,齋桑泊和塞米巴拉金斯克的年降水量相對均勻。4個氣象水文測站的最大降水量月是7月,占全年降水量的14%～18%,最小月降水量(塞米巴拉金斯克為1月,其余3個氣象水文測站為2月)占全年降水量的3%～5%。降水量主要集中在夏秋兩季,兩季降水量占全年降水量的60%～70%,連續(xù)最大降水量的4個月占全年降水量的40%～60%(齋桑泊為4—7月,塞米巴拉金斯克為5—8月,鄂木斯克和塔帕為6—9月),這與李捷等[4]對額爾齊斯河流域氣候氣候變化特征進(jìn)行分析的結(jié)果一致。

2.2 降水變化趨勢分析

采用Mann-Kendall法對4個氣象水文測站的年降水和月降水序列進(jìn)行檢驗,檢驗結(jié)果見圖3。由圖3可以看出：(a)各站的年降水量均呈現(xiàn)上升趨勢,其中齋桑泊和塞米巴拉金斯克的上升趨勢不顯著,未能通過置信度檢驗,鄂木斯克和塔帕年降水上升趨勢顯著,分別通過了99%和95%的置信度檢驗。(b)齋桑泊的月降水量在1—2月和11月有顯著的上升趨勢,在4—6月和8月存在不顯著的下降趨勢。(c)塞米巴拉金斯克7月降水量的上升趨勢通過了90%的置信度檢驗,其余各個月份的降水趨勢都不顯著,其中4月和8—10月的降水量呈現(xiàn)下降趨勢。(d)鄂木斯克的月降水量在1—3月和10—12月呈現(xiàn)出上升趨勢,通過了95%的置信度檢驗,但在5—7月呈下降的趨勢。(e)塔帕的月降水量在1—2月和11—12月有顯著上升趨勢,通過了99%的置信度檢驗,在5—7月呈下降趨勢,且7月降水量的下降趨勢通過了95%的置信度檢驗。

圖3 各時期降水量趨勢的Mann-Kendall法統(tǒng)計檢驗結(jié)果Fig.3 Mann-Kendall test results of precipitation trends during different periods

2.3 年降水多時間尺度變化關(guān)系分析

圖4為年降水序列Morlet小波系數(shù)的實部,圖中虛線為負(fù)等值線,表示降水量偏少;實線為正或零等值線,表示降水量偏多或突變點。由圖4可知,降水量序列的各時間尺度在時間域上分布不均,局部變化特征明顯。圖4的上部分等值線稀疏,對應(yīng)較長尺度周期的振蕩,下部分等值線相對稠密,對應(yīng)較短尺度周期振蕩,且大尺度變化嵌套著復(fù)雜的小尺度變化。

由圖4可知,以齋桑泊為例,齋桑泊站在10～12a的時間尺度上表現(xiàn)突出,其中心時間尺度為11a左右,降水經(jīng)歷了13個豐枯循環(huán)交替,其中1936—1941年、1946—1950年、1956—1961年、1968—1973年、1980—1986年、1991—1995年和2000—2005年降水量處于相對偏多時段,而1942—1945年、1951—1955年、1962—1967年、1974—1979年、1987—1990年和1996—1999年降水量相對偏少,此外降水還存在7～8a,28a和4～5a的年際尺度的周期性變化;而塞米巴拉金斯克、鄂木斯克和塔帕站在11～13a時間尺度表現(xiàn)突出,中心尺度在12 a左右。

圖4 額爾齊斯河流域年降水量距平序列小波變換的實部時頻變化Fig.4 Time-frequency distributions of real parts of wavelet transform of annual precipitation anomalies in Irtysh River Basin

圖5為額爾齊斯河流域年降水量距平序列小波變換方差圖。齋桑泊站年降水距平小波方差圖出現(xiàn)了4個峰值,分別對應(yīng)4a,7a,11a和28a的時間尺度,第一峰值對應(yīng)著11a時間尺度;塞米巴拉金斯克站的小波方差圖出現(xiàn)3個峰值,分別對應(yīng)4a,8a和12a的時間尺度,第一峰值對應(yīng)著12a的時間尺度;鄂木斯克站小波方差圖有3個峰值,分別對應(yīng)4a,9a和12a的時間尺度,第一峰值也對應(yīng)著12a的時間尺度;塔帕站的小波方差圖出現(xiàn)了3個峰值,分別對應(yīng)4a,8a和13a的時間尺度,第一峰值對應(yīng)著13a的時間尺度?？芍?齋桑泊的年降水距平存在11a左右的主周期,塞米巴拉金斯克和鄂木斯克存在12a左右的主周期,而塔帕存在13 a左右的主周期,說明額爾齊斯河流域從上游到下游的降水距平的主周期可能逐漸變大。

圖5 額爾齊斯河流域年降水量距平序列小波變換方差Fig.5 Variances of wavelet transform coefficients of annual precipitation anomalies in Irtysh River Basin

2.4 未來年降水趨勢持續(xù)性分析

由于Mann-Kendall秩次相關(guān)分析法只對過去的降水量變化趨勢進(jìn)行分析,故本文采用基于R/S分析法計算的Hurst指數(shù)來判斷4個氣象水文測站降水序列未來的變化趨勢。對4個氣象水文測站年降水進(jìn)行R/S分析,得到相應(yīng)的Hurst指數(shù),見表2。從表2可看出：齋桑泊站的Hurst指數(shù)值小于0.5,表明齋桑泊未來降水量趨勢將與過去相反,呈下降態(tài)勢,但其反持續(xù)程度很弱;塞米巴拉金斯克、鄂木斯克和塔帕3站的Hurst指數(shù)值均大于0.5,表明這3站的年降水量序列具有長程依賴性,其未來降水量的變化情況與過去70多年的趨勢相同,呈上升趨勢,且持續(xù)程度為：鄂木斯克＞塔帕＞塞米巴拉金斯克。

表2 降水量的R/S分析結(jié)果Table 2 Analysis results of R/Smethod for precipitation

3 結(jié) 論

a.額爾齊斯河流域4個氣象水文測站的年降水量趨勢總體呈上升趨勢,其中鄂木斯克和塔帕有顯著的上升趨勢;從月降水來看,4—6月和8—9月的降水趨勢變化不明顯,1—3月和11—12月的降水趨勢變化明顯,且均呈上升趨勢。

b.20世紀(jì)40—50年代額爾齊斯河流域4個氣象水文測站的年降水量普遍偏少,自80年代以來4站的年降水量都有明顯的上升趨勢,其中以鄂木斯克最為顯著,在2000—2005年這段時間內(nèi),4站降水量均相對偏多;除齋桑泊外,其余3站降水距平達(dá)到時代的最大。

c.額爾齊斯河流域近70a來,年降水存在多時間尺度特征,且大尺度的周期變化中嵌套著小尺度的周期變化,4個氣象水文測站的年降水量存在11～13a左右的主周期。

d.R/S分析表明,齋桑泊未來降水將呈現(xiàn)減少趨勢,但其反持續(xù)程度很弱,其余3站的降水將仍呈上升趨勢。

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