張加敏++徐華君++邊英英++楊遼

摘要：根據新疆維吾爾自治區(qū)南疆地區(qū)47個氣象觀測站點1961-2013年逐月的降水量觀測資料，運用Mann-Kendall非參數檢驗法與降水量距平百分率從時間上分析了南疆地區(qū)的降水規(guī)律，并運用surfer9.0做出了年與季節(jié)降水量的等值線圖，對南疆地區(qū)降水量進行了空間變化分析。結果表明，南疆地區(qū)近53年來降水量總體呈增加的趨勢，降水量的年際變化較大；降水量集中在春、夏兩季，但以夏季為主；降水空間分布非常不均衡，主要集中在北部地區(qū)，中部降水稀少。

關鍵詞：降水量；時空變化；Mann-Kendall法；新疆南疆地區(qū)

中圖分類號：P426.61+3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5496-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.015

Spatio-temporal Characteristics of Precipitation Variation

in the Southern Xinjiang Regions

ZHANG Jia-min， XU Hua-jun， BIAN Ying-ying， YANG Liao

（Institute of Resources and Environment Science，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Abstract： According to the precipitation data of 47 typical meteorological stations in the southern Xinjiang Uygur autonomous region from 1961 to 2013，this paper analyzed the changing characteristics of precipitation by using Mann-Kendall rank analysis method and precipitation anomaly percentage to finish examination of annual and seasonal precipitation trends in research region. In addition，the isograms of annual and seasonal rainfall were drawn through surfer9.0 to analyze the spatial change of precipitation in research region. The results showed that，the precipitation in research region in recent 53 years showed an increasing trend，the annual variation of precipitation was relatively large. Rainfall concentrated in spring and summer，but mainly in summer. The spatial distribution of precipitation was very uneven，mainly concentrated in the northern region，central precipitation was scarce.

Key words： precipitation； spatio-temporal variation； Mann-Kendall method； southern Xinjiang regions

全球氣候變暖已經引起了眾多學者的關注，研究表明，全球氣候變暖不僅導致許多區(qū)域降水量發(fā)生變化，而且還會引起降水量時空上的重新分配[1]。對處于干旱區(qū)的地區(qū)而言，降水量不僅是表征水循環(huán)的重要氣象要素之一，而且降水量的時空變化對其社會經濟發(fā)展也具有深刻的影響。因此，研究降水量的時空分布規(guī)律，不僅對分析氣候變化情景下的水循環(huán)具有非常重要的意義，而且對區(qū)域經濟的可持續(xù)發(fā)展也有很大的影響[2]。為此，已有眾多學者對新疆地區(qū)的降水量進行了研究。從時間變化上的研究來看，如慈暉等[3]采用新疆50個氣象觀測站1961-2010年逐日降水資料探討了新疆降水事件的發(fā)生與變化；戴新剛等[4]研究了近60年新疆降水記錄的波動與趨勢特征。從空間變化上的研究來看，張延偉等[5]根據1961-2004年新疆地區(qū)55個氣象觀測站逐日降水觀測資料分析了新疆地區(qū)降水極值序列的時空分布特征和概率分布模式；張強等[6]依據新疆地區(qū)53個雨量站1957-2009年日降水資料，采用Copula非參數估計方法研究了新疆地區(qū)降水極值概率變化的空間演變特征。此外，還有眾多學者對新疆地區(qū)降水異常的影響因素進行了研究[7-10]。從近年來的研究方法上來看，劉政鴻[11]使用陜西省以及臨近陜西省近50年來的39個站點年降水數據，運用Mann-Kendall非參數檢驗法、累積距平法和GIS插值，分析了近50年陜西省的降水變化趨勢和降水時空分布及變化特征。袁瑞強等[12]應用時間序列聚類、突變點檢驗、趨勢分析和小波-支持向量機模型揭示降水時空變化并進行預測，按降水變化特點把山西劃分為北部高緯區(qū)、太行山高山區(qū)、北部高山高原區(qū)、中部盆地區(qū)、中西部高山高原區(qū)和南部盆地區(qū)等子區(qū)。徐利崗等[13]依據中國西北干旱區(qū)95個站點1951-2008年月降水資料，運用自然正交分解法、Morlet小波分析、輪次分析、游程理論、極差分析、季節(jié)性指數分析、Mann-Kendall檢驗及氣候趨勢系數分析等方法分析了西北干旱區(qū)降水時空變化特征及其未來趨勢。新疆幅員遼闊，南北疆的氣候差異很大，全區(qū)降水量主要集中在北疆。以2013年為例，北疆多年平均降水量為244 mm，南疆為124 mm，可見新疆地區(qū)的降水量大都集中在北疆地區(qū)。因此，大多數學者只是對整個新疆地區(qū)的降水量時空變化進行了分析研究，而對南疆地區(qū)降水量進行的研究相對較少。僅唐小英等[14]和鄭紅蓮等[15]對南疆地區(qū)的降水特征及極端氣候事件進行了分析。

根據已有研究，在全球變暖的背景下，新疆自1987年來氣候出現由“暖干”向“暖濕”轉型現象，新疆地區(qū)降水總體上呈增加趨勢，南疆降水量增加的幅度大于北疆[16]。前人關于南疆地區(qū)降水變化研究主要集中于極端氣候事件或代表性站點降水的變化特征，對南疆地區(qū)降水時空變化特征研究的準確性有待考證。由于南疆地區(qū)資源豐富、生態(tài)環(huán)境非常脆弱，并且在全球變暖背景下降水時空變化特征對南疆地區(qū)農牧業(yè)生產及經濟發(fā)展具有重要影響。因此，隨著最新氣候資料的不斷積累，有必要進一步詳細了解南疆地區(qū)降水時空變化的最新特點。本研究根據目前研究降水量時空變化特征的主流方法，運用Mann-Kendall非參數檢驗法與降水量距平百分率對南疆地區(qū)47個氣象觀測站點1961-2013年逐月的降水量進行了分析，并在此基礎上運用surfer 9.0做出了年與季節(jié)降水量的等值線圖，對南疆地區(qū)降水量進行了空間變化分析，以期豐富全球氣候變化的區(qū)域降水效應研究，為預測今后降水及水資源、水環(huán)境變化趨勢提供科學依據，并為本區(qū)以農牧業(yè)為主的社會經濟發(fā)展提供部分參照依據。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆南疆地處亞歐大陸腹地，位于天山山脈南部，總面積106萬km2，約占全疆土地總面積的64%。整個地域由山地、沙漠、平原三大地貌單元構成，屬于典型的大陸性干旱氣候，蒸發(fā)量遠大于降水量，水土資源分布不均衡，天然植物少，結構單調，生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱。但光、熱及土地資源豐富，并且擁有豐富的石油和天然氣資源，具有發(fā)展農牧業(yè)得天獨厚的資源條件[15]。

1.2 數據來源

數據來源于新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心提供的南疆地區(qū)47個雨量站1961-2013年逐月降水量數據。站點缺失數據采用下面方法進行插補：缺失數據時間較短，如缺失1～2 d的數據，采用相鄰數據的平均值進行插補；缺失數據時間較長，則以計算整個數據序列對應時期的平均值進行插補。因此觀測資料都比較齊全，數據可靠性和連續(xù)性均能滿足研究的需求。在分析的過程中，將其進行季節(jié)性劃分，3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

1.3 研究方法

非參數Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法常用來預測如水質、徑流、氣溫、降水等水文氣象時間序列資料的長期變化趨勢。使用Mann-Kendall方法進行趨勢檢驗時，無需事先假定樣本的統(tǒng)計分布，以原假設H0（即假設序列平穩(wěn)且隨機獨立分布）為前提，Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法用下式表示：

Zx=

，S>0

0 ，S=0

，S<0 （1）

其中，S=sgn（Xk-Xi） （2）

sgn（Xk-Xi）= 1，Xk-Xi>0

0，Xk-Xi=0

-1，Xk-Xi<0 （3）

式中，Xk、Xi為要進行檢驗的隨機變量，且k>i，n為所選數據序列的長度；Zx為一個正態(tài)分布的統(tǒng)計量，var（S）為方差。在給定的α置信水平，此處取α=0.05，如果|Zx|≤1.96，則接受原假設，即時間序列數據不存在明顯的上升或下降趨勢；|Zx|>1.96，則拒絕原假設，即時間序列存在顯著的變化趨勢。其變化趨勢的大小用β表示，計算如下：

β=Median（），?i

若β為正，表示呈上升趨勢；若β為負，表示呈下降趨勢[17，18]。

2 結果與分析

2.1 降水量時間分布規(guī)律

2.1.1 年降水量變化特征 以南疆地區(qū)53年的年降水量序列為依據，依據Mann-Kendall趨勢檢驗法，得到南疆地區(qū)年降水量趨勢檢驗結果β為3.37，可見近53年來南疆地區(qū)的降水量總體上呈增加趨勢。從南疆地區(qū)53年的年降水量（圖1）來看，近53年來年降水量變化幅度呈波動型，在1985年降水量達到最低點82 mm，在1996年降水量達到最多324 mm。它的線性趨勢與Mann-Kendall趨勢檢驗結果一致。從圖1還可以看出，1987年以前3年滑動平均降水量曲線基本處于多年平均線以下，說明在1987年以前南疆地區(qū)降水量較少，屬于“暖干”型氣候；從1987年以后3年滑動平均降水量曲線基本處于多年平均線以上，可以看出自1987年以后南疆地區(qū)降水量增多，氣候由“暖干”向“暖濕”型轉變。與此同時，從降水距平百分率（圖2）來看，在1987年以前，降水距平百分率以負值為主，1987年以后以正值為主，可見在1987年以前南疆地區(qū)比較干旱，在1987年以后，降水增多逐漸濕潤。這一結論與許多學者提出的中國西北地區(qū)自20世紀80年代以來氣候向“暖濕”型轉變的觀點一致[19，20]。

2.1.2 季節(jié)降水量變化特征 依據Mann-Kendall趨勢檢驗法得出南疆地區(qū)季降水量統(tǒng)計特征值，結果見表1。由表1可知，春、夏兩季的β為正指標，說明南疆地區(qū)春、夏兩季的降水量呈增加的趨勢，并且夏季的統(tǒng)計值Zx>1.96，說明夏季降水量增加趨勢顯著，春季降水量增加幅度為0.32 mm/年，夏季降水量增加幅度為0.87 mm/年；秋、冬兩季為負值，說明南疆地區(qū)秋、冬季節(jié)的降水量呈下降趨勢，并且下降趨勢不顯著，秋季降水量減少幅度為0.34 mm/年，冬季降水量減少幅度為0.22 mm/年。

2.2 降水量空間分布特征

2.2.1 年降水量空間分布 依據現有站點的降水數據繪制了南疆地區(qū)多年平均降水量的等值線圖，如圖3所示，南疆地區(qū)降水量空間分布呈現出由北向南逐漸減少的趨勢，降水量主要集中在西北、正北、東北部3個地區(qū)，降水量最多的地區(qū)是靠近伊犁河谷的巴音布魯克，年降水量為274 mm，降水量最少的地區(qū)是托克遜，年降水量為7 mm，反映出該地區(qū)多年平均降水量地域分布的不均性。西北部降水量主要集中在喀什平原地區(qū)，正北部的降水量主要集中在伊犁谷底東南、天山中部南麓的巴音布魯克地區(qū)，東北部的降水量主要集中在哈密地區(qū)北部。并且南疆有大量的冰川，隨著全球氣候的變暖，必將造成冰川的加速消融，同等面積的冰川上空水氣含量也將會隨之上升，降水機會增大，冰川對局部地區(qū)降水的貢獻會隨之增大。加之已有研究表明塔里木盆地周圍中山帶年均氣溫變化1 ℃將引起年降水量變化約200 mm[21]。所以南疆地區(qū)的降水主要分布在天山山脈南部及塔里木盆地北緣。

2.2.2 季降水量空間分布 從圖4可以看出，各季節(jié)的降水量分布情況與年降水量一致，降水都主要集中在北部，中部塔克拉瑪干沙漠降水稀少。從等值線可以看出南疆地區(qū)的降水主要集中在春、夏兩季。春季降水量主要分布在西北部喀什平原地區(qū)；夏季降水量主要集中在巴音布魯克地區(qū)；秋季降水在南疆北部地區(qū)分布比較均勻，降水量由北向南遞減；冬季南疆地區(qū)降水都比較少。

3 結論

本研究主要采用非參數Mann-Kendall檢驗方法分析了南疆地區(qū)47個氣象站1961-2013年的降水量時空分布特征和變化趨勢，根據研究結果，可初步得出：①從時間尺度來看，降水偏多和偏少時期呈現出波動性，且年際變化較大。Mann-Kendall法檢驗得出，近53年來，年平均降水量趨勢β為2.07，表明降水量在波動中有上升的趨勢，這與西北地區(qū)降水變化是同步的，這種增加的趨勢主要是由春、夏兩季降水量增加所引起的，尤其以夏季降水量增多趨勢最為明顯，其β為0.87，可見在全球氣候變暖的背景下，一定會造成冰川的加速融化，因此同等面積的冰川上空水氣含量也將會隨之上升，降水機會增大，所以冰川對南疆地區(qū)降水的貢獻也會越來越大，南疆地區(qū)夏季的降水也會逐漸增多。②從空間尺度來看，南疆地區(qū)降水量主要集中在北部地區(qū)，降水主要來自于山地，并且隨著全球變暖的加劇呈上升趨勢。

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