王 新

(新疆水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

生態(tài)水文演變規(guī)律和過(guò)程模擬研究是生態(tài)水文學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。在生態(tài)水文學(xué)研究中，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括三個(gè)方面，即流域生態(tài)水文機(jī)理研究、流域生態(tài)水文模型研究和流域植被生態(tài)水文過(guò)程演變規(guī)律的研究[1]。為了解決植被條件“穩(wěn)態(tài)不變”的假設(shè)對(duì)水文模型的限制，流域生態(tài)水文模型是在水文模型中引入作物生長(zhǎng)模型或者陸面過(guò)程模型，發(fā)展生態(tài)水文耦合模型[2]。流域生態(tài)水文模型研究的核心內(nèi)容就是建立尺度匹配的生態(tài)過(guò)程和水文過(guò)程的耦合機(jī)制和模擬方法，這是生態(tài)水文微觀機(jī)理走向宏觀應(yīng)用的重要階段[3]。植被動(dòng)力學(xué)方程是生態(tài)學(xué)中描述植被演化過(guò)程的重要方法之一，將其引入生態(tài)水文演化模型將推動(dòng)生態(tài)水文模型研究的發(fā)展。新疆荒漠區(qū)生態(tài)水文系統(tǒng)演化規(guī)律的研究對(duì)于旱區(qū)生態(tài)水文學(xué)的研究具有重要的科學(xué)意義，可為新疆荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供理論支撐[4]。

本文主要對(duì)降水的日數(shù)演變規(guī)律和降水量的演變規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)水文序列的持續(xù)性、趨勢(shì)性和周期進(jìn)行分析，對(duì)水文序列的變異點(diǎn)進(jìn)行診斷。

1 荒漠區(qū)概況及基本統(tǒng)計(jì)特征

1.1 荒漠區(qū)概況

本文選取的研究區(qū)典型站點(diǎn)位置如圖1所示，位于新疆荒漠區(qū)的核心地帶，土地利用類(lèi)型為荒地，具有一定的代表性，研究區(qū)為該點(diǎn)為中心的15 km內(nèi)區(qū)域，面積812 km2，新疆荒漠區(qū)屬暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年降水基本在385 mm左右波動(dòng)，降水主要集中在5-8月，最大降水量可達(dá)到600～800 mm左右，最小降水量100～150 mm左右。年蒸發(fā)量比較大，年蒸發(fā)量1 300 mm左右，最小值980 mm左右，最大值接近1 450 mm。年平均氣溫9.3℃。最高10.1℃，最低8.2℃。一年中氣溫1月份最低，平均-10.3℃，七月份最高平均24.5℃，年較差34.8℃。春、夏、秋、冬平均氣溫分別是9.4℃、21.7℃、8.9℃、-8.1℃。其中，春季溫度上升和秋季溫度下降速度快。

圖1 研究區(qū)區(qū)域

1.2 基本水文資料

水文資料是水文分析計(jì)算的基礎(chǔ)，本文的降水與蒸發(fā)資料均取自A氣象站。降水資料新疆荒漠區(qū)A氣象站年降水變化如圖2所示，年降水序列從1951-2013年，多年平均降水為398 mm，年降水基本在多年平均值附近波動(dòng)。新疆荒漠區(qū)A氣象站年蒸發(fā)序列從1951-2010年，年際變化較大，最大值出現(xiàn)在2006年為1 542.3 mm，最小值出現(xiàn)在1952年為1 022 mm。年降水日數(shù)持續(xù)性和趨勢(shì)性分析對(duì)新疆荒漠區(qū)A測(cè)站降水日數(shù)、降水量大于等于5 mm的日數(shù)以及降水量大于等于10 mm的日數(shù)用R/S分析法進(jìn)行持續(xù)性計(jì)算檢驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)表1所示。降水日數(shù)H值介于0.5和1之間，表現(xiàn)為正持續(xù)性，U值為負(fù)值，且絕對(duì)值大于1.96，說(shuō)明新疆荒漠區(qū)降水日數(shù)在未來(lái)呈現(xiàn)顯著的遞減趨勢(shì)，且具有正持續(xù)性；降水量大于等于5 mm的日數(shù)H值介于0.5和1之間，表現(xiàn)為正持續(xù)性，U值為負(fù)值，且絕對(duì)值小于1.96。說(shuō)明新疆荒漠區(qū)降水量大于等于5 mm的日數(shù)在未來(lái)呈現(xiàn)不顯著的遞減趨勢(shì)，且具有正持續(xù)性；降水量大于等于10 mm的日數(shù)H值介于0.5和1之間，表現(xiàn)為正持續(xù)性，U值為負(fù)值，且絕對(duì)值小于1.96。說(shuō)明新疆荒漠區(qū)降水量大于等于10 mm的日數(shù)在未來(lái)呈現(xiàn)不顯著的遞減趨勢(shì)，且具有正持續(xù)性(見(jiàn)表1)。

表1 各年有降水日數(shù)趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

1.3 年最大降水日數(shù)持續(xù)性和趨勢(shì)性分析

對(duì)新疆荒漠區(qū)A測(cè)站最大日降水量用R/S分析法和Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法進(jìn)行持續(xù)性和趨勢(shì)性的計(jì)算檢驗(yàn)，所得結(jié)果如表2所示。H值介于0.5和1之間，表現(xiàn)為正持續(xù)性，U值為正值，且絕對(duì)值小于1.96，說(shuō)明新疆荒漠區(qū)最大日降水量在未來(lái)呈現(xiàn)不顯著的遞增趨勢(shì)，且具有負(fù)持續(xù)性。

表2 趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

1.4 年降水大于5 mm和10 mm日數(shù)持續(xù)性和趨勢(shì)性分析

對(duì)新疆荒漠區(qū)A測(cè)站大于5 mm和10 mm累計(jì)降水量用R/S分析法和Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法進(jìn)行持續(xù)性和趨勢(shì)性的計(jì)算檢驗(yàn)，所得結(jié)果如表3所示。分析計(jì)算可知，A測(cè)站大于5 mm累計(jì)降水量H值介于0.5和1之間，表現(xiàn)為正持續(xù)性，U值為負(fù)值，且絕對(duì)值小于1.96。說(shuō)明新疆荒漠區(qū)大于5 mm累計(jì)降水量在未來(lái)呈現(xiàn)不顯著的遞減趨勢(shì)，且具有正持續(xù)性。A測(cè)站大于10 mm累計(jì)降水量H值介于0.5和1之間，表現(xiàn)為正持續(xù)性，U值為負(fù)值，且絕對(duì)值小于1.96。說(shuō)明新疆荒漠區(qū)大于5 mm累計(jì)降水量在未來(lái)呈現(xiàn)不顯著的遞減趨勢(shì)，且具有正持續(xù)性。

表3 趨勢(shì)表

1.5 水文序列演變周期性分析

對(duì)新疆荒漠區(qū)A測(cè)站的降水大于5 mm日數(shù)和降水大于5 mm日數(shù)用小波分析法進(jìn)行周期性分析，如圖2所示。降水大于5 mm日數(shù)序列小波方差有2個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)21年和36 a的時(shí)間尺度，第一峰值為36 a。說(shuō)明年降水序列36年的周期振蕩最強(qiáng)烈，為第1主周期，第2主周期為21 a；同理，降水大于10 mm日數(shù)序列小波方差也有2個(gè)峰值，也分別對(duì)應(yīng)21 a和36 a的時(shí)間尺度。

圖2 降水大于5 mm日數(shù)序列小波變換方差圖

應(yīng)用R/S分析法對(duì)年降水日數(shù)、年最大降水日、年降水大于5 mm和10 mm的日數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)性和持續(xù)性分析，得到結(jié)果如表4所示。

表4 水文序列演變持續(xù)性和趨勢(shì)性統(tǒng)計(jì)表

2 水文序列變異點(diǎn)診斷

應(yīng)用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法對(duì)新疆荒漠區(qū)A站1951-2013年降水序列進(jìn)行突變分析，判斷出變異點(diǎn)所在位置，同時(shí)運(yùn)用累積距平法進(jìn)行檢驗(yàn)和補(bǔ)充得到最終診斷結(jié)果。

2.1 Mann-Kendall法

Mann和Kendall最先提出并應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)方法，現(xiàn)已廣泛的使用。Mann-Kendall方法分析了水文序列變化的趨勢(shì)，最大優(yōu)點(diǎn)是不僅能夠使樣本不必服從特定分布，同時(shí)可以受少數(shù)異常值干擾，適用于水文等這類(lèi)非正態(tài)分布數(shù)據(jù)[5]。

2.2 累積距平法

距平是最常用的表示變量偏離正常情況的量，一組數(shù)據(jù)的某一個(gè)數(shù)與均值之間的差就是距平，即變量的一組數(shù)據(jù)與其均值的差異就構(gòu)成了距平序列[6]。

2.3 年降水和蒸發(fā)序列變異點(diǎn)診斷

對(duì)年降水和蒸發(fā)序列，采用Mann-Kendall法和累積距平法結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3可以看出，UF和UB兩條曲線相較于1958年、1964年和1969年，由圖4可以看出，累積距平曲線在1969年附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，故年降水的變異點(diǎn)在1969年。

圖3 降水變異

圖4 降水累積距平曲線分析

采用Mann-Kendall法和累積距平法結(jié)果對(duì)比分析，如圖5和圖6所示。由圖5可以看出，UF和UB兩條曲線相較于1998年，由圖6可以看出，累積距平曲線在1966年附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，故年蒸發(fā)的變異點(diǎn)在1966年和1998年。

圖5 蒸發(fā)變異

圖6 蒸發(fā)累積距平曲線分析

2.4 年降水日數(shù)變異點(diǎn)診斷

對(duì)年降水日數(shù)序列采用Mann-Kendall法和累積距平法進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7可以看出，UF和UB兩條曲線相較于1979年，由圖8可以看出，累積距平曲線在1979年附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，故年降水日數(shù)的變異點(diǎn)在1979年。

圖7 年降水日數(shù)變異

圖8 有降水的日數(shù)累積距平曲線分析

用Mann-Kendall法與累積距平法對(duì)降水量和蒸發(fā)量序列以及年降水日數(shù)進(jìn)行變異點(diǎn)診斷，得到結(jié)果如表5所示：

表5 水文序列變異點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)各年最大日降水量1951年最大，為141.7 mm，最小發(fā)生在1966年56.2 mm；最大降水日主要集中在7-9月，與降水量集中時(shí)間基本一致，7-9月最大降水日占到全年的88%。

(2)月降水日數(shù)均呈下降趨勢(shì)，其中7到9月呈顯著的下降趨勢(shì)；3、4、6、10和11月日降水大于5 mm的日數(shù)均呈下降趨勢(shì)，6、8和9月呈上升趨勢(shì)，7月在一個(gè)穩(wěn)定值附近波動(dòng)；5、6、7和8月日降水大于10 mm的日數(shù)均在一個(gè)穩(wěn)定值附近波動(dòng)，而10月呈下降局勢(shì)。

(3)應(yīng)用R/S分析法對(duì)年降水日數(shù)、年最大降水日、年降水大于5 mm和 10 mm的日數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)性和持續(xù)性分析，年降水日數(shù)顯著遞減，其余都不顯著。

(4)用Mann-Kendall法與累積距平法對(duì)降水量和蒸發(fā)量序列以及年降水日數(shù)進(jìn)行變異點(diǎn)診斷，年降水日數(shù)的變異點(diǎn)在1979年。