李 穎，孜比布拉·司馬義,3，董 煜，盛永財(cái)，譚 嬌

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046;4.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054)

近年來，全球氣候變暖已成為氣候變化最明顯的特征，導(dǎo)致全球和區(qū)域氣候問題愈加突出。在全球氣候變化背景下[1,2]，因受到自然和人為因素的共同作用，區(qū)域水循環(huán)形式也發(fā)生了變化。降水作為地表水資源的重要補(bǔ)給源，其演化趨勢(shì)關(guān)系到農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及牧業(yè)的健康發(fā)展。因此，對(duì)降水量的研究已是地球科學(xué)界關(guān)注的重要科學(xué)問題[3]。

已有研究表明[4-7]，由于氣候變化的影響，降水量在時(shí)空分布上發(fā)生了顯著變化。近幾十年全國(guó)年降水量總體呈減少趨勢(shì)[8,9]；東北地區(qū)降水量處于降低趨勢(shì)[10,11]；黃河流域、舞水河流域的降水量均有不顯著的下降趨勢(shì)[12,13]。但我國(guó)西部地區(qū)的降水量呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)[14-16]。其中，在西北地區(qū)降水量整體增長(zhǎng)趨勢(shì)中，新疆具有明顯的濕潤(rùn)化趨勢(shì)。

艾比湖綠洲地區(qū)是新疆干旱區(qū)典型的綠洲區(qū)域，位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的上游，現(xiàn)因流域面積萎縮，綠洲區(qū)域沙漠化嚴(yán)重，對(duì)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展造成威脅。因此，針對(duì)艾比湖綠洲地區(qū)降水變化規(guī)律的探討對(duì)于綠洲地區(qū)水資源的灌溉管理和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。目前，大量研究成果集中在應(yīng)用不同氣象站點(diǎn)、多種方法對(duì)多種時(shí)間尺度艾比湖降水量的時(shí)序變化特征進(jìn)行分析[17-20]。這些研究偏重于艾比湖流域2008年之前的降水量變化，但近幾年來氣候變暖趨勢(shì)更加顯著，對(duì)綠洲地區(qū)降水規(guī)律變化認(rèn)識(shí)尤需加深。本文以艾比湖綠洲地區(qū)為研究區(qū)，選取4個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2013年月降水資料，分析艾比湖綠洲地區(qū)降水的變化特征，并進(jìn)行趨勢(shì)性檢驗(yàn)。研究結(jié)果對(duì)綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源節(jié)約利用具有實(shí)際意義，同時(shí)對(duì)新疆北部生態(tài)環(huán)境保護(hù)發(fā)揮著重要功能，且對(duì)干旱區(qū)其他綠洲降水變化研究可提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

艾比湖綠洲地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，準(zhǔn)噶爾盆地的西南部，深處亞歐大陸腹地，北、南、西三面環(huán)山。研究區(qū)包括博樂市、溫泉縣、精河縣和阿拉山口市(圖1)。該區(qū)屬典型溫帶大陸干旱性氣候，年平均氣溫為3.7～7.4 ℃，年平均降水量是90.8 mm，蒸發(fā)量約為降水量的7～35 倍。主要特點(diǎn)為空氣干燥，光照充足，蒸發(fā)量大，降水稀少且分布不均，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

圖1 艾比湖綠洲地區(qū)概況圖Fig.1 Location of the Aibi Oasis

2 資料與方法

2.1 資料來源

由于研究區(qū)地域范圍較大，受地形等因素的影響，為了保證研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、代表性、均一性和比較性。本文選定博樂站、溫泉站、精河站和阿拉山口站4個(gè)氣象站，氣象站點(diǎn)具體信息如表1。采用數(shù)據(jù)為中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)1960-2013年逐月降水量資料。

2.2 研究方法

本文首先對(duì)各氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)漏和修正，再根據(jù)各站點(diǎn)的地理信息賦予空間屬性，采用ArcGIS空間軟件的Create Thiessen Polygons功能劃分綠洲地區(qū)泰森多邊形，運(yùn)用面積加權(quán)平均法分析得出平均降水量[12]。再運(yùn)用線性傾向率法、距平百分率、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、移動(dòng)T檢驗(yàn)和小波分析等方法，對(duì)艾比湖綠洲近54年的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析其年內(nèi)、年際、年代際季節(jié)降水變化及分配特征。其中年內(nèi)季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]為：春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12-次年2月。M-K突變分析、移動(dòng)T檢驗(yàn)和小波分析方法具體如下。

表1 氣象站點(diǎn)位置Tab.1 Location of the meteorological stations

2.2.1 Mann-Kendall突變分析

Mann-Kendall突變分析是用于水文氣象要素在長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)列的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)的確定。該方法[21,22]具體如下：

對(duì)于時(shí)間序列數(shù)據(jù)Y={y1,y2,y3,y4,…,yn}，首先假設(shè)此序列無序，定義其統(tǒng)計(jì)量bk：

(1)

其中：

(2)

隨機(jī)數(shù)列Y={y1,y2,y3,y4,…,yn}服從正態(tài)分布，可計(jì)算出數(shù)學(xué)期望E(bk)、方差V(bk)：

(3)

由假設(shè)計(jì)算統(tǒng)計(jì)變量UF(bk)：

(4)

將上述運(yùn)算過程用于Y={y1,y2,y3,y4,…,yn}的逆序，由以上公式計(jì)算UB(bk)：

UB(bk)=-UF(bk)

(5)

將計(jì)算出的UB(bk)與UF(bk)時(shí)間序列繪制曲線，顯著性水平β=0.05時(shí)，U1-2/β=1.96；當(dāng)|UF|>U1-2/β，則存在著顯著向上或者顯著向下的變化趨勢(shì)，且兩條曲線如果在置信區(qū)間相交，則相交點(diǎn)則為研究序列的突變點(diǎn)。

2.2.2 移動(dòng)T檢驗(yàn)

T檢驗(yàn)是通過判斷小樣本的兩個(gè)平均值的差值是否顯著來檢驗(yàn)突變，其具體方法如下[23]。即某總樣本量為n的序列X，設(shè)某時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，將n1、n2分別作為兩個(gè)子序列的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，得出t的統(tǒng)計(jì)量序列。確定ta為臨界值，a為顯著性水平，若|t|

2.2.3 水文氣象小波分析法

小波分析具體方法[24-26]如下，即小波函數(shù)ψ(t)∈L2(R)且滿足：

(7)

ψ(t)通過尺度伸縮和時(shí)間軸平移構(gòu)成一簇函數(shù)系：

其中，a,b∈R,a≠0

(8)

式中：ψa,b(t)為子小波；a為尺度因子，反映小波的周期長(zhǎng)度；b為平移因子。

若ψa,b(t)是由式(8)給出的子小波，對(duì)于給定的能量有限信號(hào)f(t)∈L2(R)，其連續(xù)小波變換為：

(9)

(10)

若將小波系數(shù)的平方值在b域上積分，即可得到小波方差：

(11)

由式(11)可看出，信號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度a的變化而分布。因此，小波方差圖實(shí)為尺度a的變化過程，可通過該圖確定主周期。

3 結(jié)果分析

3.1 降水的年際變化

通過對(duì)各氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)漏和修正，再根據(jù)各站點(diǎn)的地理信息賦予空間屬性，運(yùn)用泰森多邊形分析得出平均降水量。根據(jù)圖2看出，該研究區(qū)平均年降水量為164 mm，年降水量變化為69～261 mm，在2011年出現(xiàn)最大降水年，1968年為最小降水年。該結(jié)果與胡江玲[18]得出的結(jié)論相一致。通過降水線性趨勢(shì)線看出，線性傾向率為7.95 mm/10 a，說明54年來流域降水處于增加趨勢(shì)。這與熱孜宛古麗[20]得出1957-2013艾比湖流域年降水量的線性傾向率7.97 mm/10 a的結(jié)果基本吻合。由5年滑動(dòng)平均趨勢(shì)線可看出，基本以1990年為分界點(diǎn)，在1960-1990年降水量處于波動(dòng)變化之中，但并無明顯增加或者減少的趨勢(shì)變化，而1990-2013年降水量有了明顯的增加趨勢(shì)，尤其是2000-2013年，增加趨勢(shì)更加明顯。

圖2 艾比湖綠洲1960-2013年降水量變化圖Fig.2 Changes of precipitation in Aibi lake oasis from 1960 to 2013

通過距平數(shù)據(jù)分析，如圖3所示，近54年艾比湖綠洲降水量經(jīng)歷了由少至多的變化過程。在1960-2013年，有26年為負(fù)距平，占整個(gè)時(shí)間段的47%，且在1990年之前多為負(fù)距平，說明降水量較少，從90年代后正距平顯著增加。在研究期內(nèi)，1968年出現(xiàn)年降水距平最低值，2011年出現(xiàn)年降水距平最高值。自1986年以來，艾比湖綠洲區(qū)域年平均降水量雖處于波動(dòng)變化中，但總體趨勢(shì)顯著增加。魏娜等[15]研究表明，西北地區(qū)西部的西邊界水汽輸入自80年代中期以來有增加的趨勢(shì)。正因受此影響，導(dǎo)致輸入艾比湖區(qū)域的水汽增加，降水增多。

圖3 艾比湖綠洲1960-2013年降水距平變化圖Fig.3 Anomaly changes of precipitation in Aibi lake oasis from 1960 to 2013

3.2 降水的季節(jié)變化

由表2可得，研究區(qū)年際和季節(jié)降水量在各年代均有不同變化。20世紀(jì)60、70、80、90年代及2000-2013年分別與多年平均降水量相差-15.1、-21.7、6.7、6.7和19.1 mm，表明以80年代為界，在此之前降水量偏低，之后明顯處于增加趨勢(shì)。

表2 艾比湖綠洲降水年內(nèi)及年際變化 mm

季節(jié)的降水量變化與年降水量變化呈基本相同趨勢(shì)，但是降水量的變化趨勢(shì)在季節(jié)間存在一定的差異。其中，夏季降水量變化趨勢(shì)與年降水量變化趨勢(shì)高度一致，且夏季為降水主要集中季，占全年的41%。冬季降水變化與年降水變化基本一致，降水量自20世紀(jì)80年代開始增加，至2000年后達(dá)到最大，達(dá)到了18.97 mm，呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。春秋兩季總體處于波動(dòng)變化中，增加趨勢(shì)相對(duì)其他季節(jié)較滯后，呈微弱增長(zhǎng)趨勢(shì)。60年代至今，春、夏、秋的降水量經(jīng)歷了“多-少-多”演變過程，而冬季降水量的演變過程為由少至多的直線增長(zhǎng)。

3.3 降水的年內(nèi)分配特征

從圖4可看出，5、6、7和8月份為降水主要集中期，其降水總量約占全年降水量的56.8%，降水量最大的7月占年降水量的15.3%。按季節(jié)劃分來看，6-8月的降水總量要遠(yuǎn)高于其他季節(jié)，故夏季為研究區(qū)降水主要集中期。因此，研究區(qū)降水的年內(nèi)分配差異較大，春夏兩季降水較多，且較為集中，與上述特征吻合。

圖4 艾比湖綠洲1960-2013年月均降水變化圖Fig.4 Variation chart per month on average in Aibi lake oasis from 1960-2013

3.4 降水變化的趨勢(shì)性檢驗(yàn)

運(yùn)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)及移動(dòng)T檢驗(yàn)來研究綠洲區(qū)降水量變化。通過圖5可以看出，年際降水UF、UB曲線表明，二者相交于1986年，證明1986年為增加突變，但是曲線未超過0.05顯著性水平區(qū)間，說明綠洲降水呈上升趨勢(shì)，但在過去54年間流域降水上升趨勢(shì)不明顯，沒有發(fā)現(xiàn)顯著趨勢(shì)性變化。同時(shí)結(jié)合T檢驗(yàn)結(jié)果和躍變參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)降水量在整個(gè)研究區(qū)域間變化較平穩(wěn)，t值始終沒有超過臨界線，說明在該時(shí)間序列內(nèi)并沒有出現(xiàn)躍變。通過Mann-Kendall檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)推斷，艾比湖綠洲降水量在1986年可能發(fā)生了由少至多的突變，但研究期間降水未發(fā)生顯著趨勢(shì)性變化。

圖5 降雨的Mann-Kendall及T突變檢驗(yàn)Fig.5 Mann-Kendall and T mutation test of precipitation

3.5 降水周期性研究

小波分析可清晰地表現(xiàn)出降水量的變化趨勢(shì)和各種時(shí)間尺度的周期變化。通過降水小波系數(shù)實(shí)部等值線圖(圖6)分析表明，降雨在長(zhǎng)時(shí)間序列中呈多時(shí)間尺度特征，變化較大。在宏觀尺度上，存在著21～25年降水周期，年降水量的小波方差中顯示在21年和25年存在極值。在宏觀尺度還可判讀出，降水量存在2個(gè)由少向多轉(zhuǎn)變的情況。20世紀(jì)90年代至今為降水增多期，與年期變化分析類似。在中觀尺度上，降水周期比較明顯，為9～16年，共經(jīng)歷5次降水多少的變化震蕩。降水周期在微觀尺度上即2～8年尺度，顯示的多少變化頻繁且不顯著。

在圖6的小波方差中可以看出，降水的整體變化過程在第7年、21年和25年的時(shí)間尺度上周期震蕩最為劇烈，即說明艾比湖綠洲地區(qū)年降水量變化的主周期為7、21、25年。

圖6 降水小波分析及檢驗(yàn)圖Fig.6 Wavelet analysis and inspection chart

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

通過對(duì)艾比湖綠洲1960-2013年降水?dāng)?shù)據(jù)資料的分析，就其降水變化趨勢(shì)及突變得出以下結(jié)論：

(1)艾比湖綠洲降水量在1960-2013年間沒有發(fā)生顯著性增加，線性傾向率為7.95 mm/10 a。季節(jié)的降水量變化與年降水量變化呈基本相同趨勢(shì)，均呈增長(zhǎng)特點(diǎn)，且夏季降水量的變化趨勢(shì)與年降水量變化趨勢(shì)高度一致，并為降水集中期。

(2)通過Mann-Kendall檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，綠洲年降水量于1986年發(fā)生由少至多的突變。但T檢驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn)t值未達(dá)到置信水平，則表示研究期間降水并未發(fā)生顯著趨勢(shì)性變化。

(3)小波分析表明，綠洲降雨在長(zhǎng)時(shí)間序列中呈多時(shí)間尺度特征，變化較大。艾比湖綠洲地區(qū)年降水變化過程中的周期為7，21年和25年。

4.2 討 論

本研究中艾比湖綠洲降水量的增長(zhǎng)趨勢(shì)與任國(guó)玉等[3]發(fā)現(xiàn)的在西北地區(qū)降水量整體增長(zhǎng)的趨勢(shì)中，尤以西北西部(即新疆地區(qū))最為明顯的結(jié)論相一致，但與全國(guó)降水量減少的特征不同[8]，說明和驗(yàn)證了我國(guó)降水變化的區(qū)域響應(yīng)。對(duì)于降水變化周期的分析結(jié)果與前人研究結(jié)論稍有差異[19]，這可能與所使用的時(shí)間長(zhǎng)度和選用的氣象站存在差異有關(guān)，且對(duì)于研究區(qū)范圍的界定也有所不同，這將有待進(jìn)一步研究。年降水量的增長(zhǎng)趨勢(shì)和1986年發(fā)生增加突變的結(jié)論與前人結(jié)論幾乎一致[18]。這進(jìn)一步說明該區(qū)氣候逐漸向濕潤(rùn)化方向發(fā)展，這將影響到綠洲區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。

首先是農(nóng)業(yè)的發(fā)展，降水量的變化將可能帶來流域徑流量的變化[27]，艾比湖綠洲的主要河流即為博爾塔拉河(博河)和精河。已有研究表明，綠洲流域的年徑流量與年降水量存在線性回歸關(guān)系，降水量的增加會(huì)使徑流量增加，博河和精河年徑流量在1961-2008年均呈現(xiàn)極顯著的增加趨勢(shì)[28]。這將有效緩解該區(qū)域荒漠化和沙漠化程度，有利于綠洲化過程，對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定促進(jìn)作用。但其次也會(huì)增加極端降水發(fā)生的頻率和強(qiáng)度，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)也可造成負(fù)面影響。因此降水量變化特征的研究對(duì)于正確認(rèn)識(shí)艾比湖綠洲地區(qū)氣候變化規(guī)律具有重要意義，可以及時(shí)為綠洲地區(qū)推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，為綠洲氣候、氣象和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

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