吳麗萍 楊余輝 楊景燕 馮先成 曾康康

摘要 利用喀什河流域1965—2018年逐日降水量實測資料，采用線性趨勢分析、Mann-Kendall趨勢檢驗、突變檢驗、Morlet小波分析方法對近54年新疆喀什河流域氣候變化背景下的降水特征進行研究。結果表明，近54年喀什河流域年降水量總體呈24.14 mm/10 a的增加趨勢，降水量在20世紀90年代增加最顯著;喀什河流域降水量在冬季上升顯著，夏季和秋季增加趨勢較緩慢;喀什河流域降水量在冬季1月和2月增加明顯?？κ埠恿饔蚰杲邓客蛔儠r間為1986、1988、1990年，春季降水量突變年份為1993、1994、1995、1997年，冬季降水量突變年份為1993年。喀什河流域年降水量主要存在15、6年2種周期性變化，其中15年為第一主周期，6年為第二主周期。由此可見，喀什河流域降水量呈顯著增加趨勢，冬季降水量對年際降水量增加貢獻最大，1、2月份降水量對冬季降水量增加貢獻最大。

關鍵詞 伊犁河谷喀什河流域;降水量;變化特征;Mann-Kendall檢驗;小波分析

中圖分類號 P426.6? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）10-0190-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.043

Analysis of Precipitation Variation Characteristics in Kashi River Basin in Ili Valley

WU Li-ping，YANG Yu-hui，YANG Jing-yan et al

（College of Geography Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi，Xinjiang 830054）

Abstract Using the measured daily precipitation data in the Kashi River Basin from 1965 to 2018， the linear trend analysis， Mann-Kendall trend test， mutation test and Morlet wavelet analysis methods were used to study the precipitation characteristics of the Kashi River Basin in Xinjiang under the background of climate change in the past 54 years.The results showed that in the past 54 years， the annual precipitation in the Kashi River Basin showed an overall increasing trend of 24.14 mm/10 a， and the precipitation increased most significantly in the 1990s. The precipitation in the Kashi River Basin increased significantly in winter， and the increase trend was slower in summer and autumn.The precipitation in the Kashi River Basin increased significantly in January and February in winter.The sudden change of annual precipitation in the Kashi River Basin was 1986， 1988 and 1990， the sudden change of spring rainfall was 1993， 1994， 1995 and 1997， and the sudden change of winter rainfall was 1993.The annual precipitation in the Kashi River Basin mainly had two cyclical changes of 15 and 6 years， of which 15 years was the first main cycle and 6 years was the second main cycle.It can be seen that the precipitation in Kashi River Basin shows a significant increase trend， and the precipitation in winter has the largest contribution to the increase in inter-annual precipitation， and the precipitation in January and February has a greater contribution to the increase in winter precipitation.

Key words Kashi River Basin in Ili Valley;Precipitation;Variation characteristics;Mann-Kendall test;Wavelet analysis

基金項目 新疆“天山青年計劃”優(yōu)秀科技人才培養(yǎng)項目（2018Q026）;國家自然科學基金項目（41761004）。

作者簡介 吳麗萍（1996—），女，甘肅酒泉人，碩士研究生，研究方向：氣候變化及環(huán)境演變。通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事氣候變化及環(huán)境響應方面的研究。

收稿日期 2021-08-24

降水作為氣候變化的基礎因素，其變化對區(qū)域環(huán)境、水資源具有重要的影響作用[1]。王艷姣等[2]研究表明我國不同區(qū)域降水變化復雜，而且有顯著差異。劉洪蘭等[3]研究得出1961—2011年西北地區(qū)春季降水量空間分布極不均勻。陳發(fā)虎等[4]研究指出1930—2009年中亞干旱區(qū)在年降水量和各季降水量都表現(xiàn)出微弱增加趨勢，在短尺度上也存在氣候變化的“西風模式”。已有部分學者對新疆降水特征進行了研究[5-7]。新疆作為亞歐大陸的典型干旱區(qū)，水資源是新疆生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的核心，其水資源補給類型主要是冰雪融水補給[8]。姚俊強等[9]研究表明1961—2011年西北干旱區(qū)降水增加明顯。韓雪云等[10]研究表明近51年來新疆天山山區(qū)降水量呈上升趨勢，年降水量變化表現(xiàn)出一致增強的趨勢。劉濛濛等[11]研究表明近58年巴音布魯克氣候由暖干向暖濕轉型，未來降水將持續(xù)增加。楊昕馨[12]分析表明1960—2013年新疆伊犁河流域全年和四季降水量的時空分布總體存在一致性。

新疆氣候變化與中亞地區(qū)和我國西北地區(qū)基本一致，但新疆面積廣闊，自然環(huán)境具有獨特性和復雜性等特點，在其氣候變化方面也表現(xiàn)出明顯的地域特點[13]。在全球氣候研究背景下，對小流域氣候變化關注較少?；诖?，筆者選擇喀什河流域尼勒克氣象站1965—2018年的逐日降水資料，分析其變化規(guī)律，以期為今后該流域優(yōu)化水資源配置、生態(tài)環(huán)境建設以及防災抗旱等提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

喀什河流域位于新疆伊犁河谷境內(nèi)，地處北疆西部、北天山南坡、伊犁地區(qū)東北部，地理位置為81°55′～84°58′E、43°25′～44°17′N。流域西連伊寧縣，西北與精河縣為鄰，東北與烏蘇縣接壤，東與和靜縣相連，東南與新源縣交界。由東向西延伸，呈長條形，似柳葉狀。地勢東北高，西南低，中間夾河谷階地，自北向南相間排列。海拔800～4 600 m，年平均氣溫5.8 ℃，年均降水量388 mm，屬典型溫帶大陸性氣候。

1.2 資料來源

選取1965—2018年新疆喀什河流域尼勒克國家氣象站逐日降水資料。季節(jié)劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。研究資料來自新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心，資料真實可靠。

1.3 研究方法

1.3.1

傾向率分析。使用一元一次線性方程對研究區(qū)降水量進行變化趨勢分析，計算方法如下：

xi=a+bti（1）

式中，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)。用線性回歸系數(shù)b分析降水線性變化趨勢，氣候傾向率為正值，表示降水資源隨時間呈增加趨勢，反之呈減少趨勢。

1.3.2 Mann-Kendall趨勢檢驗。采用Mann-Kendal趨勢檢驗分析降水變化特點及其規(guī)律，公式如下：

s=n-1i=1nj=i+1sgn（xj-xi）（2）

式中，xi和xj為連續(xù)的數(shù)據(jù)值，n為數(shù)據(jù)集合的長度，sgn是符號函數(shù)，其定義如下：

sgn（θ）=1（θ>0）

0（θ=0）

-1（θ<0）（3）

式（2）中統(tǒng)計量s的理論均值大致服從正態(tài)分布，其均值為0，方差如下：

E（s）=0

Var（s）=n（n-1）（2n+5）-ni=1[ti（i-1）（2i+5）]18（4）

其中，ti是第i組數(shù)據(jù)點的數(shù)目。

對于樣本數(shù)大于10的集合，標準化統(tǒng)計量ZC按照以下公式計算：

ZC=s-1Var（s）（s>0）

0（s=0）

s+1Var（s）（s<0）

（5）

1.3.3 突變檢驗法。采用Mann-Kendall（簡稱M-K）法[14-16]對降水要素進行突變分析。以氣溫和降水量的時間序列xi為基礎，構造秩序列：

Dk=ki=1i-1jdij? （2≤k≤n）（6）

dij=1? Xi>Xj

0? Xi≤Xj （j=1，2，3，…，i）（7）

假設時間序列是獨立隨機的，定義統(tǒng)計變量：

UFk=Dk-E（Dk）Var（Dk） （k=1，2，3，…，n）（8）

式中，E（Dk）=k（k-1）/4，方差Var（Dk）=k（k-1）（2k+5）/72，其中2≤k≤n。

將時間序列逆序xi排列，同時滿足：

UBk=-UFkk=n+1-k （k=1，2，3，…，n）（9）

UFk與UBk的值分別為2條曲線，在顯著水平α=0.05內(nèi)，如果置信區(qū)間內(nèi)存在交點，那么該交點為突變點。

1.3.4 小波分析。采用小波分析各因子的周期性變化，小波分析對原始數(shù)據(jù)要求低，其適用性較好[17-19]。以Morlet小波為母小波的變化，此小波形式為：

ψ0（η）=π-1/4eiwote-12t2（10）

式中，w0是無量綱頻率;i為虛部;t為時間。

基于小波基本形式由小波變化方程得到小波方差。小波系數(shù)實部圖能反映不同時間尺度周期變化在時間上的分布;小波方差可以反映信號能量隨著時間尺度分布的情況，從而得到信號中不同尺度變化的強弱和主周期[15，18-19]。

2 結果與分析

2.1 喀什河流域降水量年變化

從圖1可以看出，1965—2018年喀什河流域年降水量呈波動增長趨勢，多年降水量平均值為393.0 mm，其中最小降水量為228.4 mm，最大降水量為699.2 mm，其線性變化率為24.14 mm/10 a，增濕趨勢顯著。

2.2 喀什河流域降水量季變化

2.2.1 春季。從圖2a可以看出，1965—2018年喀什河流域春季降水量平均為114.2 mm，整體以7.72 mm/10 a的速度增加;2016年降水量為歷年最高值，達到203.7 mm;1995年降水量為歷年最低值，僅有47.2 mm，極差達156.5 mm。近54年春季降水量波動較大，總體呈波動上升趨勢。

2.2.2

夏季。從圖2b可以看出，1965—2018年喀什河流域夏季降水量平均為146.0 mm，整體以7.57 mm/10 a的速度不斷增加;夏季最大降水量出現(xiàn)在1998年，為301.2 mm;最小降水量出現(xiàn)在1968年，為52.9 mm，兩者相差248.3 mm。近54年夏季降水量呈波動上升趨勢，上升不明顯。

2.2.3

秋季。從圖2c可以看出，1965—2018年喀什河流域秋季降水量平均為80.8 mm，整體以3.76 mm/10 a的速度不斷增加;秋季最大降水量出現(xiàn)在1987年，為179.7 mm;最小降水量出現(xiàn)在1997年，為30.8 mm，兩者相差148.9 mm。秋季降水量呈波動上升趨勢，增長趨勢不明顯。

2.2.4

冬季。從圖2d可以看出，1965—2018年喀什河流域冬季降水量平均為52.1 mm，整體以5.11 mm/10 a的速度不斷增加;冬季最大降水量出現(xiàn)在2010年，為127.7 mm;最小降水量出現(xiàn)在1968年，為9.5 mm，二者相差118.2 mm。近54年冬季降水量呈波動上升趨勢，增長趨勢非常顯著。

2.3 喀什河流域降水量年代際變化

由表1可知，1965—2018年喀什河流域降水量年際變化20世紀90年代比80年代增加8.6%，90年代降水增加最顯著。春季降水量2001—2010年增加速率最快，比20世紀90年代增加22.9%

;夏季降水量20世紀80年代增加最顯著，比70年代增加15.5%;秋季降水量2001—2010年增加速率最快，比20世紀90年代降水量增加16.0%。冬季降水量20世紀90年代增加最顯著，比80年代增加23.2%。由此可知，近54年降水量年際變化除在2010年后呈減小趨勢外，其余均呈增加趨勢，其中冬季降水量對年際降水量增加貢獻最大。

2.4 喀什河流域降水量月變化

從1965—2018年喀什河流域各月降水量變化趨勢和平均值（表2）可以看出，近54年喀什河流域各月降水量平均值為32.8 mm，9月份呈減少趨勢，其變化趨勢為-0.49 mm/a，其余各月均呈增加趨勢，其中1、2月份降水量增加趨勢顯著，其變化趨勢分別為2.05、2.32 mm/a，并通過了α=0.05顯著性檢驗?？梢姡?、2月份降水量對喀什河流域冬季降水量增加貢獻最大。

2.5 喀什河流域年降水量突變分析

利用M-K法對1965—2018年喀什河流域降水量進行突變分析。由圖3可知，近54年喀什河流域UF曲線總體呈上升趨勢，其中1966—1969年呈下降趨勢，與UB相交于1986、1988、1990年，突變檢驗UF統(tǒng)計曲線通過顯著性置信水平線（U0.05=1.96），即1986、1988、1990年是喀什河流域降水量明顯增多的突變年。

2.6 喀什河流域季降水量突變分析

2.6.1

春季。從圖4a可以看出，近54年喀什河流域春季降水量UF曲線呈先下降后顯著上升的趨勢。其中1965—1972年呈上升趨勢，1973—1997年呈下降趨勢，1997年后呈顯著上升趨勢，與UB曲線相交于1993、1994、1995、1997年附近，突變檢驗UF統(tǒng)計曲線通過顯著性置信水平線（U0.05=1.96），即1993、1994、1995、1997年是喀什河流域春季降水增多突

變年。

2.6.2

夏季。從圖4b可以看出，近54年喀什河流域夏季降水量UF曲線1965—1967年呈顯著下降趨勢，1968—1973年呈顯著上升趨勢，1974—1987年呈下降趨勢，1987年以后呈上升趨勢，UF曲線與UB曲線相交于1971、1973、1981、1983、1985、1987年，但UF曲線與置信水平線未相交，并未通過顯著性檢驗，所以喀什河流域夏季降水未發(fā)生顯著性突變。

2.6.3 秋季。從圖4c可以看出，近54年喀什河流域秋季降水量UF曲線在1965—1990年呈波動上升趨勢，1991—1997年呈下降趨勢，1997年以后上升趨勢顯著，UF曲線與UB曲線相交于1995、1997年，1997年UF曲線由下降向上升轉變，UF曲線未與置信線相交，即并未通過顯著性檢驗，所以喀什河流域秋季降水也未發(fā)生顯著性突變。

2.6.4 冬季。從圖4d可以看出，近54年喀什河流域冬季降水量UF曲線總體呈上升趨勢，其中1965—1985年呈波動下降趨勢，1985年以后呈顯著上升趨勢，UF曲線與UB曲線相交于1993年，突變檢驗UF統(tǒng)計曲線通過顯著性置信水平線（U0.05=1.96），即喀什河流域冬季降水突變年是1993年。

2.7 喀什河流域降水量周期性分析

從1965—2018年喀什河流域年降水量Morlet小波實部（圖5）可以看出，近54年喀什河流域年降水量呈交替變化趨勢，在6、15年這2個時間尺度上呈周期性變化，6年尺度的周期變化主要在1995—2018年;15年尺度的周期變化主要體現(xiàn)在2000—2015年。

從1965—2018年喀什河流域年降水量變化的小波方差（圖6）可以看出，近54年喀什河流域年降水量主要存在2個主周期，第一主周期為15年，第二主周期為6年。

3 討論

近54年新疆伊犁喀什河流域降水增加明顯，并通過了顯著性水平檢驗（α=0.05），可見該流域增濕情況明顯，這與喀什河流域所處的地理位置有很大關系，喀什河流域處于我國西北地區(qū)西風帶入風口，盛行西風攜帶大量水汽，所以該地降水較為豐富[20]。

喀什河流域降水主要集中在夏季，夏季降水量約占年降水量的50%，各季降水也呈波動上升趨勢，除夏、秋兩季，春季、冬季降水量增加明顯，并通過了顯著性檢驗，增濕主要集中在春季、冬季，這與蘇朝丞等[21]的研究結論一致。

新疆降水時空分布的獨特性對新疆生態(tài)環(huán)境與水資源分配具有顯著的影響[22]。近幾十年來，新疆氣溫升高、降水增多的現(xiàn)象使氣候呈現(xiàn)出“暖濕化”特征[23-24]?？κ埠恿饔蚪邓尸F(xiàn)增加趨勢，變化趨勢與新疆全區(qū)同步[25-27]，這主要是因為北大西洋冰島低壓以及亞速爾高壓的增強，使得亞歐大陸北部西風急流異常顯著，從而導致區(qū)域內(nèi)降水偏多，氣溫偏高[28]。喀什河流域年降水量在1986、1988、1990年發(fā)生突變，1990年以后降水量呈增加趨勢，并通過顯著性水平檢驗（α=0.05），這與喀什河流域年降水量增長趨勢基本一致?？κ埠恿饔蚨窘邓吭黾语@著可能與新疆北部冬季的持續(xù)性降水增加有關[29]。

4 結論

（1）1965—2018年喀什河流域年降水量、四季降水量均呈波動上升趨勢，其中年降水量以24.14 mm/10 a的速率在不斷增加，年代際降水量在20世紀90年代增加最顯著。

（2）近54年喀什河流域年降水突變時間點為1986、1988、1990年，春季降水突變年份為1993、1994、1995、1997年，冬季降水突變年份為1993年，夏秋兩季未發(fā)生顯著性突變。

（3）近54年喀什河流域年降水量主要存在15年、6年2種周期性變化，其中15年為第一主周期，6年為第二主周期。

（4）近54年喀什河流域四季降水量均呈增加趨勢，冬季降水量增加最顯著，冬季降水量對年際降水量增加貢獻最大，冬季降水中1、2月份降水顯著，1、2月份降水量對冬季降水量增加貢獻最大。

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