文廣超， 王文科， 段 磊， 李一鳴， 趙家輝， 趙 振

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710054； 2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 河南 焦作 454000； 3.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局， 青海 西寧810007)

1 研究背景

IPCC第四次(2007)和第五次(2013)評(píng)估報(bào)告[1-2]指出，全球氣候變暖將改變降水的時(shí)空分布特征和水文循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而影響水資源時(shí)空分布格局。降水作為水循環(huán)的重要組成部分，是開(kāi)展水資源合理開(kāi)發(fā)利用等的重要依據(jù)，研究降水的時(shí)空演變特征，對(duì)分析水循環(huán)對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)具有重要的意義[3]。

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)中國(guó)西北地區(qū)降水特征開(kāi)展了大量研究[4-7]，施雅風(fēng)等[8]指出，西北氣候自1987年突然變化開(kāi)始，由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型，降水量顯著增加；王暉等[9]分析了中國(guó)西北地區(qū)東部54個(gè)氣象站的降水資料，指出中國(guó)西北地區(qū)東部降水量呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)；黃小燕等[10]分析了中國(guó)西北地區(qū)1960-2011年111個(gè)觀測(cè)站的氣象資料，認(rèn)為近年來(lái)西北全區(qū)年降水量變化呈現(xiàn)微弱上升趨勢(shì)，平均每年上升0.17mm；任國(guó)玉等[11]研究指出，在最近的半個(gè)多世紀(jì)，西北地區(qū)降水量存在明顯的上升趨勢(shì)，特別是21世紀(jì)的前10年，降水上升趨勢(shì)更加明顯；邵雪梅等[12]、黃磊等[13]、劉洪濱等[14]對(duì)基于樹(shù)木年輪資料重建的德令哈地區(qū)近千年來(lái)降水量的分析，認(rèn)為德令哈地區(qū)降水量突變與東亞夏季風(fēng)的年代際變化有密切聯(lián)系，該地區(qū)近千年年降水量變化存在顯著的多尺度周期變化特征，近200年則以準(zhǔn)120a的周期振蕩為主；馬季芳[15]分析了德令哈市1971-2012年的氣候特征，認(rèn)為年及四季降水量均呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，夏季降水增多最明顯；劉波等[16]預(yù)估了德令哈地區(qū)2016-2075年氣候變化，分析了氣溫及降水的總體趨勢(shì)、年代際變化及突變特征。然而，已有的研究中，基于實(shí)測(cè)降水資料，分析巴音河流域近60年來(lái)降水量與干旱特征的較少。巴音河作為德令哈市的“母親河”，是德令哈市社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的基礎(chǔ)資源，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，流域水資源開(kāi)發(fā)利用的矛盾日益突出。在全球氣候變暖的的背景下，深入研究巴音河流域降水量與干旱變化特征，對(duì)流域水資源合理開(kāi)發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

2 研究區(qū)概況

巴音河流域位于青藏高原的東北部，柴達(dá)木盆地的東北邊緣，跨柴達(dá)木盆地和祁連山山地兩大地貌單元，境內(nèi)山川湖盆相間。巴音河流出山口后，經(jīng)黑石山水庫(kù)與白水河匯合，流經(jīng)山前平原大部分泄露補(bǔ)給地下水，至洪積扇前緣溢出地表，形成泉集河，最終補(bǔ)給可魯克湖、托素湖和尕海，流域總面積17 608 km2[17-18]，見(jiàn)圖1。據(jù)德令哈氣象站資料，巴音河流域多年平均氣溫3.9℃，多年平均降水量169.3 mm，多年平均蒸發(fā)量2 036.3 mm。流域干旱少雨、蒸發(fā)量大、日照充足，屬于典型的高原荒漠半荒漠干旱氣候[18-19]。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

降水?dāng)?shù)據(jù)為德令哈市氣象站地面降水要素的月平均觀測(cè)資料，時(shí)間為1956年1月-2013年12月。季節(jié)劃分方法為：春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12-翌年2月)。

圖1 巴音河流域示意圖

3.2 分析方法

本文采用線性擬合分析方法[20-21]判斷降水要素的變化趨勢(shì)；采用Mann-Kendall方法檢驗(yàn)變化趨勢(shì)的顯著性[22-24]；采用Mann-Kendall方法和滑動(dòng)t檢測(cè)法檢驗(yàn)降水序列的突變點(diǎn)[22,25-26]；采用小波分析方法檢驗(yàn)降水序列變化的周期性[25,27]；采用R/S方法分析降水的持續(xù)性[28]；采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[29-30]分析12個(gè)月時(shí)間尺度的干旱特征。

4 結(jié)果與分析

4.1 降水的變化趨勢(shì)

4.1.1 降水的年代際變化 圖2給出了近60年來(lái)全年及四季降水量的年代距平(年代降水量平均值-多年平均降水值)變化特征。

圖2 1956-2013年降水量年代距平特征

由圖2可以看出，1956-2013年全年降水量總體呈增加趨勢(shì)，存在明顯的年代際變化特征，20世紀(jì)70年代末期之前多以干旱為主，20世紀(jì)80年代后降水量整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)，雨水明顯增多。春季在20世紀(jì)70年代末期之前及20世紀(jì)90年代為干旱期，20世紀(jì)80年代為明顯的多雨期；夏季在20世紀(jì)60年代末期之前為干旱期，進(jìn)入21世紀(jì)為明顯的多雨期；秋季相對(duì)少雨，僅在21世紀(jì)的前10年為多雨期，降水量波動(dòng)較大；冬季降水量變化相對(duì)平穩(wěn)。

4.1.2 降水的年際及季節(jié)變化 圖3給出了降水量年際和季節(jié)變化特征，由圖3可知， 1956-2013年年降水量以21.16mm/10a的氣候傾向率呈顯著(α=0.001) 上升趨勢(shì)，四季降水量?jī)A向率分別為4.56、12.35、3.12、1.24mm/10a，均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，夏季傾向率最大，冬季降水傾向率最小。夏季通過(guò)

α=0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，春、秋、冬季通過(guò)α=0.05的顯著水平檢驗(yàn)。

4.2 降水的Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

基于Mann-Kendall方法計(jì)算了降水量變化趨勢(shì)(用M值表示)，全年及四季的M值分別為4.55、2.60、3.74、1.87、3.23，由M值可知，1956-2013年年際和季節(jié)降水量均呈顯著增加趨勢(shì)，全年、春季、夏季、冬季降水量均通過(guò)了α=0.01的顯著水平檢驗(yàn)，秋季降水量通過(guò)了α=0.1的顯著水平檢驗(yàn)。

4.3 降水的突變分析

Mann-Kendall突變判別曲線(見(jiàn)圖4)表明，1956-2013年年降水突變發(fā)生在1973年，利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[10]，對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，通過(guò)α=0.01的顯著水平檢驗(yàn)，突變前平均降水量為118.1mm，突變后平均降水量為195.3mm，突變后降水量比突變前降水量增加了77.2mm。

春季降水在0.01的顯著水平下在1981年發(fā)生突變，突變后降水量比突變前降水量增加了19.8mm。夏季降水在0.01的顯著水平下在1973年發(fā)生突變，突變后降水量比突變前降水量增加了48.0mm。秋季降水量的Mann-Kendall突變判別曲線中UF和UB曲線有3個(gè)交點(diǎn)，分別在1976、1991、1995年，利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行信度檢驗(yàn)，在0.01的顯著水平下未發(fā)生突變。冬季降水在0.01的顯著水平下在1976年發(fā)生突變，突變后降水量比突變前降水量增加了4.7mm。從上述分析可以看出，20世紀(jì)70年代前后，降水量明顯變化，夏季降水量與年降水量突變規(guī)律一致。

圖3 1956-2013年降水量年際和季節(jié)變化特征

圖4 1956-2013年年及季節(jié)降水量Mann-Kendall突變判別曲線

4.4 降水量變化的周期性分析

1956-2013年年及季節(jié)降水量在不同時(shí)間尺度下的震蕩周期見(jiàn)圖5，圖5(a)為年降水量小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，圖中實(shí)線為大于或等于零的等值線，表示降水處于較多階段；圖中虛線為小于零的等值線，表示降水處于較少階段，圖5(b)為全年降水量小波方差圖，用來(lái)確定降雨演化過(guò)程中存在的主周期。從圖5(a)和5(b)可以看出，年降水存在3、5、9、18a的震蕩周期，18a的周期震蕩最強(qiáng)，為流域降水變化第一主周期。從圖5(a)可以看出，在各時(shí)間尺度下，2013年以后小波系數(shù)實(shí)部等值線均為正相位，且等值線未閉合，推測(cè)未來(lái)一段時(shí)間巴音河流域?qū)⑻幱谀杲邓嗥凇?/p>

從圖5(c)～5(f)四季降水小波系數(shù)實(shí)部等值線可知，春季降水存在6、9、19a的震蕩周期；夏季降水存在5、9、18、28a的震蕩周期，18和28a左右的周期震蕩顯著；秋季降水存在4和11a的震蕩周期，11a的周期震蕩較明顯；冬季降水存在5、10、27a的震蕩周期，10和27a的周期震蕩最強(qiáng)。結(jié)合四季降水小波方差圖(圖略)，由小波系數(shù)實(shí)部等值線閉合情況可知，未來(lái)一段時(shí)間，四個(gè)季節(jié)的降水量將處于偏多期。

4.5 降水的持續(xù)性分析

為了分析降水變化的持續(xù)性，基于R/S方法計(jì)算了年及季節(jié)的Hurst指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，年際及各季降水量的Hurst指數(shù)H均大于0.5，說(shuō)明將維持原來(lái)的變化趨勢(shì)，由前面的分析可知，1956-2013年降水量的年際及季節(jié)變化均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此，未來(lái)年及各季降水量將維持原來(lái)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

表1 1956-2013年降水量的年及各季節(jié)的Hurst指數(shù)

4.6 干旱的變化特征

基于1956-2013年的降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在12個(gè)月的時(shí)間尺度下，計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)化水體指數(shù)(SPI)，SPI隨時(shí)間變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖6。由圖6可知，1956 -2013年SPI呈波動(dòng)上升，1973年之前(包括1973年)之前，SPI多數(shù)處于負(fù)值區(qū)，普遍處于干旱期，1972年為極端干旱年；1973年之后，SPI上升多為正值，轉(zhuǎn)為相對(duì)濕潤(rùn)期，但1978、1984、2007、2013年的SPI值明顯為負(fù)值，表明德令哈地區(qū)這些年處于干旱期，其中2007年為極度干旱年，全年降水量?jī)H為80.8 mm，旱情僅次于1972年(82.5 mm)，SPI指數(shù)分析的干旱事件與實(shí)際一致。

比較降水量距平與SPI，兩者相關(guān)系數(shù)為0.99，說(shuō)明降水距平和SPI密切相關(guān)，可用于反映近60年來(lái)干旱的變化規(guī)律。利用Mann-Kendall法檢驗(yàn)對(duì)SPI進(jìn)行突變分析(圖略)，由UF、UB曲線交點(diǎn)位置可知干旱突變的年份為1973年。由UF曲線可知，1975年以后，SPI值增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，超過(guò)了顯著水平0.05臨界線，20世紀(jì)90年代以后，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)甚至超過(guò)了0.001顯著性水平，表明SPI上升趨勢(shì)顯著，干旱緩解趨勢(shì)明顯。基于小波分析，借助于小波系數(shù)等值線圖(圖略)和小波方差圖(圖略)，可知SPI指數(shù)存在5、18a的震蕩周期，這與郭慧等[31]研究我國(guó)西部地區(qū)降水的時(shí)空變化特征得出的結(jié)論基本一致。

圖5 年及四季降水量Morlet小波系數(shù)實(shí)部及全年降水量小波方差圖

圖6 1956-2013年標(biāo)準(zhǔn)化水體指數(shù)(SPI)年際變化

5 討 論

(1) 德令哈氣象站位于巴音河流域的中部，在空間上具有一定的代表性，這與邵雪梅等[12]通過(guò)對(duì)比德令哈與格爾木、烏蘭、大柴旦等站點(diǎn)同時(shí)期降水量資料后，得到的德令哈氣象站站點(diǎn)對(duì)其所在的區(qū)域具有一定的代表性結(jié)論一致，德令哈氣象站點(diǎn)降水量的變化，可以反映巴音河流域降水變化特征。

(2) 線性趨勢(shì)分析表明：1956-2013年年際及四季降水量均呈上升趨勢(shì)，夏季降水傾向率最大。該結(jié)論與相關(guān)學(xué)者對(duì)我國(guó)西北地區(qū)降水量特征研究所得結(jié)論一致[32-34]，與黃磊等[13]基于樹(shù)木年輪資料重建的德令哈近千年來(lái)降水量變化特征和馬季芳[15]根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析的降水量變化特征相似，但降水傾向率幅度與前人有差異，主要原因可能是所使用的時(shí)間長(zhǎng)度不一致。

(3) 基于Mann-Kendall方法的突變分析表明，年際和夏季降水量在1973年左右發(fā)生了突變，春季降水量在1981年前后發(fā)生了突變，冬季降水量在1976年前后發(fā)生了突變，均通過(guò)了0.01的置信度檢驗(yàn)。20世紀(jì)60年代發(fā)生了氣候突變，宋燕等[35]的研究表明，突變發(fā)生在1967年前后；黃磊等[13]認(rèn)為德令哈降水量超過(guò)95%顯著性水平的突變出現(xiàn)在1964 年。這與本文結(jié)論有差異，可能是由于研究過(guò)程中使用數(shù)據(jù)及研究尺度不同所致。

(4) 小波分析表明，降水量年際及四季均存在顯著的周期變化特征，既存在3～9a的短周期，也存在18～28a的長(zhǎng)周期。陳志昆等[36]在對(duì)中國(guó)西北地區(qū)128個(gè)氣象站1971-2009逐月降水資料分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為西北地區(qū)降水異常區(qū)普遍存在3～5a左右的短周期和10和20a左右的長(zhǎng)周期，這與本文結(jié)論基本一致。劉洪斌等[14]分析了德令哈地區(qū)近千年來(lái)年降水量變化特征，得出德令哈地區(qū)年降水量變化存在顯著的多周期變化特性，與本文結(jié)論一致。但由于數(shù)據(jù)來(lái)源及研究尺度的差異，得出的震蕩周期略有差異。

6 結(jié) 論

(1) 年代際分析表明，20世紀(jì)80年代之前年、春季、夏季、冬季處于降水偏少期，20世紀(jì)80年代至今處于降水偏多期，且降水總體上呈上升趨勢(shì)，冬季降水變化相對(duì)平穩(wěn)。

(2) 線性趨勢(shì)及Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)表明，近60年來(lái)年與四季降水量呈上升趨勢(shì)，年降水量氣候傾向率為21.16mm/10a，四季降水量?jī)A向率分別為4.56、12.35、3.12、1.24mm/10a，均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，夏季降水傾向率最大，冬季傾向率最小。R/S分析表明，年及季節(jié)降水量具有持續(xù)性，未來(lái)將維持增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(3) 突變分析表明，在0.01的顯著水平下，年、春季、夏季和冬季降水均發(fā)生了由少到多的顯著突變，秋季降水無(wú)顯著突變。年和夏季降水突變均發(fā)生在1973年，說(shuō)明夏季降水對(duì)全年降水影響較大，春季降水突變發(fā)生在1981年，冬季降水突變發(fā)生在1976年，秋季降水無(wú)顯著突變。

(4) 小波分析表明，降水存在多周期變化的特征；夏季降水的周期性變化特征與年降水變化特征相似，說(shuō)明夏季降水對(duì)年降水量的變化有重要的影響；除秋季外，其它降水均存在18～28a的長(zhǎng)周期變化。從主震蕩周期看，未來(lái)一段時(shí)間年及四季將處于年降水偏多期。

(5) 相關(guān)分析表明，SPI指數(shù)和降水量距平密切相關(guān)(相關(guān)系數(shù)0.99)，可用于反映1956-2013年干旱及降水特征。M-K檢驗(yàn)表明，1956-2013年SPI指數(shù)上升趨勢(shì)顯著，干旱呈減弱趨勢(shì)，1973年為突變年；干旱變化具有周期性，小波分析表明干旱變化的周期為5和18a。

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