蘇 琴

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，新疆 烏魯木齊 830000)

西北干旱地區(qū)氣候受西風(fēng)環(huán)流、西伯利亞高壓、北冰洋高緯氣流交互作用，在全球氣候變暖背景下區(qū)域極端與異常天氣事件頻發(fā)，成為全國(guó)氣候變化敏感區(qū)之一[1]。研究顯示，1959—2016 年間西北干旱地區(qū)局部冷指數(shù)變化趨勢(shì)為-0.31 d/a，暖指數(shù)為0.22 d/a，氣候變化呈現(xiàn)顯著暖干化，變化幅度是我國(guó)中溫帶的2倍[2-3]。該地區(qū)自然降水匱乏，加上強(qiáng)烈的地表蒸發(fā)，加劇了生態(tài)環(huán)境脆弱性，并且制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。研究區(qū)域蒸發(fā)量變化趨勢(shì)與空間分布特征，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源規(guī)劃管理具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

喀什地區(qū)位居西北內(nèi)陸、國(guó)境西垂，空間坐標(biāo)為71.39′～79.52′E、35.28′～40.16′N，區(qū)域面積16.2萬(wàn) km2。受地理環(huán)境影響形成溫帶大陸性干旱氣候，四季分明、炎夏寒冬、晝夜溫差大，年平均氣溫為3℃～12℃，降水量在56～253 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 000 mm，是降水量的3.5～10倍。區(qū)域地勢(shì)自西南向東北傾斜，北、西、南依次為天山、帕米爾高原、喀喇昆侖山，東部連接塔克拉瑪干沙漠，全區(qū)海拔介于956～8 611 m，市區(qū)平均高程1 289 m。區(qū)域水系多為冰川雪蓋融水匯成的時(shí)令河，隨季節(jié)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)枯洪變化，形成形成葉爾羌河流、喀什噶爾河流，河川徑流達(dá)120億 m3。河流自高原山地的山前沖積扇地帶大量滲漏，成為下游平原地下水補(bǔ)給。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本研究數(shù)據(jù)為國(guó)家氣象局氣候信息中心(http://data.cma.cn/)提供的喀什地區(qū)6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站的1960-2005氣候觀測(cè)年資料，具體為年平均氣溫、年降水量與年蒸發(fā)量。對(duì)于缺失的局部數(shù)值，采用Splin函數(shù)進(jìn)行平滑處理。其中數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云，其空間分辨率為90 m。

2.2 空間分析方法

為直觀顯示區(qū)域蒸發(fā)量空間分布差異，基于站點(diǎn)觀測(cè)資料與Anusplin插值法，以DEM、地理經(jīng)度、緯度等為協(xié)變量進(jìn)行空間可視化。Aunsplin是IPCC組織推薦的專業(yè)氣象數(shù)據(jù)分析法，其原理如下：

zi=f(xi)+bTyi+ei，(i=1，2…，N)

(1)

式中：zi表示空間位置i處氣象要素值；f為光滑函數(shù)；xi為d維樣條獨(dú)立變量，即i點(diǎn)附近氣象要素值；yi為p維獨(dú)立協(xié)變量，本研究中為DEM、坡度和坡向；b為協(xié)變量系數(shù)；ei隨機(jī)誤差。光滑函數(shù)f和系數(shù)b，利用最小二乘來(lái)確定：

(2)

Jm(f)是函數(shù)f的m階偏導(dǎo)；ρ為光滑參數(shù)，由Anusplin提供的基于貝葉斯公式的廣義最大似然來(lái)確定[4-5]。

2.3 小波分析方法

小波分析利用一簇具有震蕩性且迅速衰減的小波函數(shù)系逼近某一時(shí)空或頻率域變量，小波函數(shù)描述為[6-7]：

(3)

該式中f(x)為分析小波函數(shù)，ψ(x)為小波基函數(shù)，ψ(x)的收縮或擴(kuò)張因子即為尺度參數(shù)，用a表示，b則表征小波中心位置。小波方差為小波系數(shù)的平方在尺度域上的積分值，定義為：

(4)

式中：W(a,b)為信號(hào)f(n)在尺度為a、位置為b處的小波變換系數(shù)，V(a)則為其小波方差，n為樣本總數(shù)。小波功率譜表征P變量在不同尺度對(duì)應(yīng)的能量密度，其值越大，表明該尺度越強(qiáng)烈。小波功率譜公式如下[6-8]：

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 喀什地區(qū)蒸發(fā)量變化趨勢(shì)

將6個(gè)站點(diǎn)氣象觀測(cè)資料取平均值以表征區(qū)域氣候特征。可知，1961-2019年喀什地區(qū)年蒸發(fā)量介于2 184.08 mm(1965年)～1540.08 mm(1996年),多年平均值為1 877.96 mm。擬合分析表明，近59 a來(lái)該地區(qū)蒸發(fā)量不符合線性趨勢(shì)，而呈U型變化，綜合趨勢(shì)為(y=0.429 7x2-1 712.2x+2E+06，R2=0.393 3)，在0.05水平上達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著性，表明趨勢(shì)蒸發(fā)量變化趨勢(shì)具有穩(wěn)健性。不難發(fā)現(xiàn)該地蒸發(fā)量變化呈現(xiàn)階段性，在1960-1996年間以(y=-12.46x+2 130，R2=0.640 2)趨勢(shì)減少，在1996-2019年以(y=9.574 4x+1 796.1，R2=0.233 6)趨勢(shì)增加，并且均在5%水平上顯著。

為探究其他氣候因子對(duì)區(qū)域蒸發(fā)量變化的影響，圖2給出了蒸發(fā)量、溫度和降水量時(shí)間序列變化圖?？芍?，喀什地區(qū)溫度變化趨勢(shì)為(y=0.000 5x2-2.028 7x+200 6，R2=0.325 6)，以1996年分界點(diǎn)，在前期該地區(qū)年均溫度呈波動(dòng)變化，在1996年后呈增加趨勢(shì)。分析顯示，溫度與蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.22(P<0.05)，表明溫度變化顯著影響區(qū)域蒸發(fā)速率。研究區(qū)降水量亦呈現(xiàn)U型趨勢(shì)(y=0.025 9x2-102.36x+101 249，R2=0.119 7)，其與蒸發(fā)量的相關(guān)性并不顯著(r=-0.13)，表明降水是否影響區(qū)域蒸發(fā)量的時(shí)間變化尚不確定。

3.2 喀什地區(qū)蒸發(fā)量變化周期

小波方差直觀展示了區(qū)域年蒸發(fā)量隨時(shí)間變化的信號(hào)強(qiáng)度(圖3)。依意圖可知，其主要周期為13、35、58 a，鑒于研究時(shí)域較短，58 a的周期并不能完整反映蒸發(fā)量變化規(guī)律，因此判定為偽周期(圖3)。區(qū)域溫度與蒸發(fā)量變化周期近乎一致，為6、33 a。忽略偽周期外，溫度變化還有更長(zhǎng)的長(zhǎng)周期，為39 a。降水變化周期比蒸發(fā)量的周期短，存在6、12、33等多個(gè)周期。區(qū)域氣候因子變化的方差信號(hào)不僅具有宏觀波動(dòng)特征，還在局部呈現(xiàn)多個(gè)起伏變化，反映了蒸發(fā)量變化周期的不確定性。

3.3 喀什地區(qū)蒸發(fā)量空間分布特征

圖4直觀顯示了研究區(qū)蒸發(fā)量空間分布特征。運(yùn)用柵格統(tǒng)計(jì)工具得知，研究區(qū)年蒸發(fā)量介于236.5～3 318.6 mm之間，空間平均值為1 768.5 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為236.8 mm，空間相差1 102.1 mm。蒸發(fā)量呈現(xiàn)自西南向東北地帶性增加分布，其中在西北、北部呈現(xiàn)自邊緣向中東部增加的趨勢(shì)，這與研究區(qū)地形(圖1)、和氣溫(圖3)空間分布密切相關(guān)。經(jīng)空間相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)量與DEM、氣溫的相關(guān)性系數(shù)為-0.875、0.923，在0.01水平上呈極顯著相關(guān)，表明其是蒸發(fā)量區(qū)域空間分布的重要因素。水熱資源通常隨著海拔梯度產(chǎn)生分異，蒸發(fā)量隨海拔升高而減小。溫度是蒸發(fā)產(chǎn)生的重要因素之一，中東部的盆地沙漠地區(qū)平均氣溫遠(yuǎn)高于其他山地高原地區(qū)，因而蒸發(fā)十分旺盛。空間上降水量呈現(xiàn)邊緣地區(qū)分布高，中東部分布低的格局，這由于受到迎風(fēng)坡地形影響。空間相關(guān)分析表明，蒸發(fā)量與降水量顯著負(fù)相關(guān)性-0.575，表明降水量分布不均衡加劇了蒸發(fā)量的空間差異化。

圖1 研究區(qū)位置與氣象站點(diǎn)

圖2 研究區(qū)氣象要素變化趨勢(shì)

圖3 研究區(qū)氣象要素變化趨勢(shì)

圖4 喀什地區(qū)區(qū)氣象要素空間分布

4 結(jié)語(yǔ)

基于近59年連續(xù)地面氣象觀測(cè)資料，本文分析了喀什地區(qū)蒸發(fā)量時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，研究區(qū)蒸發(fā)量呈現(xiàn)階段性變化趨勢(shì)，1960-1996年為減小趨勢(shì)，1996年至今為增加趨勢(shì)，當(dāng)前的變化特征不利于區(qū)域生態(tài)安全演替。時(shí)間角度表明，溫度是影響蒸發(fā)量變化的重要因素，降水量的影響則有待商榷；而從空間分布角度來(lái)看，區(qū)域蒸發(fā)量與溫度呈正向分布，與降水量呈逆向分布，并且受到地形梯度影響。