(新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局，新疆 庫(kù)爾勒　841000)

降水是地球上淡水資源唯一的補(bǔ)給來(lái)源，是區(qū)域水資源最直接的影響因素。烏魯木齊河作為烏魯木齊市的主要生活與工業(yè)供水水源，在氣候變化和人類活動(dòng)不斷加劇的背景下，分析其降水量的年際變化及內(nèi)在規(guī)律，對(duì)于區(qū)域水資源的高效利用和旱澇災(zāi)害防治有著重要的意義[1-2]?；诖?，本文根據(jù)烏魯木齊市氣象站1951—2014年逐日降水資料，采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法與Morlet小波分析法對(duì)流域降水特征進(jìn)行分析，取得了一些有價(jià)值的研究成果。

1　Morlet小波分析

小波變換是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種時(shí)頻聯(lián)合分析方法，在時(shí)域和頻域都可以很好地表征信號(hào)的局部特性，克服了Fourier分析的不足。Morlet小波在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，而在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時(shí)間分辨率，這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于研究降水的周期變化特征非常有利。

對(duì)小波基函數(shù)進(jìn)行尺度伸縮和空間平移，可得[3-4]

(1)

式中Ψa,b(t)——子小波；

a——尺度因子，反映小波的周期長(zhǎng)度，也叫伸縮因子；

b——時(shí)間因子，反映時(shí)間上的平移，也叫平移因子。

由于降水序列是離散的，因此本文采用離散小波變換，若取樣時(shí)間間隔為Δt，樣本容量為N，則對(duì)于能量有限的信號(hào)f(t)∈L2(R)，離散小波變換形式為

(2)

式中Wf(a,b)——小波系數(shù)，隨參數(shù)a、b變化，能同時(shí)反映時(shí)域參數(shù)b和頻域參數(shù)a的特性。

小波方差定義為

(3)

小波方差隨尺度a的變化過(guò)程稱為小波方差圖，反映波動(dòng)能量隨尺度的分布。通過(guò)小波方差圖可以確定一個(gè)序列中存在的主要時(shí)間尺度，即主周期。

2　烏魯木齊河流域降水量時(shí)間變化分析

2.1　降水量時(shí)間趨勢(shì)分析

本研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科研數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，經(jīng)初步處理后得到月降水量、季降水量與年降水量(見(jiàn)表1)。烏魯木齊河流域年降水量差異明顯，多年平均值為270.8mm，春季(3—5月)與夏季(6—8月)降水量占全年降水量的63.5%，分別為86.3mm與85.5mm；秋季(9—11月)降水量占全年降水量的24.0%，為65mm；冬季(12—次年2月)降水量最少，多年平均為34mm。因此，本文主要對(duì)烏魯木齊河流域年降水量和四季降水量進(jìn)行分析。

由1951—2014年烏魯木齊河流域年降水量的趨勢(shì)分析可以看出(見(jiàn)表2)，年降水量?jī)A向率為14.11mm/10a，年降水量序列的Spearman相關(guān)系數(shù)為0.347，通過(guò)了0.01的置信度檢驗(yàn)，說(shuō)明年降水量增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著。此外，春、夏、秋季的降水量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但均未通過(guò)0.01的置信度檢驗(yàn)，說(shuō)明春、夏、秋季的降水量增長(zhǎng)趨勢(shì)不顯著；冬季降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，降水量?jī)A向率為3.95mm/10a，降水量序列的Spearman相關(guān)系數(shù)為0.471，通過(guò)了0.01的置信度檢驗(yàn)，說(shuō)明冬季降水量增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著。

表1　烏魯木齊河流域多年平均四季降水量統(tǒng)計(jì)

表2　烏魯木齊河流域年、季降水量?jī)A向率及相關(guān)系數(shù)

2.2　基于小波分析的降水量周期特征

將烏魯木齊河流域1951—2014年的降水距平序列繪制出實(shí)部等值線圖(見(jiàn)下圖)。為了更客觀地找到降水序列的主次周期，繪制出流域年與春夏季降水量距平的小波方差圖。

由圖(a)可知，年降水量表現(xiàn)出不同的周期交替變換現(xiàn)象，除去5a以下時(shí)間尺度，6a和20a的小波方差值大，故流域年降水量的主周期為6a，次周期為20a。由圖(b)可知，春夏季降水量也存在不同的周期交替變換現(xiàn)象，除去5a以下的高頻振蕩區(qū)，9a和22a的小波方差值較大，故流域春夏季降水量的主周期為9a，次周期為22a。

根據(jù)小波方差的檢驗(yàn)結(jié)果，繪制出烏魯木齊河流域全年和春夏季降水量主、次周期的小波實(shí)部過(guò)程線，可以看出自1951年以來(lái)流域年降水量序列存在平均周期和豐枯變化特征。在6a時(shí)間尺度上，大約經(jīng)歷了10個(gè)豐枯轉(zhuǎn)換期，2011—2014年為相對(duì)枯水期，2015—2017年為相對(duì)豐水期；在20a時(shí)間尺度上存在3個(gè)周期的豐枯變化。在2009—2029年的新一輪周期里，2009—2019年為相對(duì)枯水期，2020—2029年為相對(duì)豐水期。春夏季降水量序列在9a時(shí)間尺度上大約經(jīng)歷了6個(gè)豐枯轉(zhuǎn)換期，2010—2014年為相對(duì)枯水期，2015—2018年為豐水期；在22a時(shí)間尺度上存在2個(gè)周期的豐枯變化，2009—2020年為相對(duì)枯水期。

流域全年和春夏季降水距平的小波方差圖

對(duì)烏魯木齊河流域全年和春夏季降水量主周期進(jìn)行滑動(dòng)t檢驗(yàn)，結(jié)果表明年降水量和春夏季降水量的主周期無(wú)顯著性差異；對(duì)全年和夏季降水量的次周期進(jìn)行Fisher小樣非參數(shù)隨機(jī)化檢驗(yàn)，結(jié)果表明全年和夏季降水量無(wú)顯著差異。由此可見(jiàn)，烏魯木齊河流域年降水量的周期主要由春夏季降水量的周期決定。

3　結(jié)　論

a. 1951—2014年，烏魯木齊河流域年降水量呈明顯上升趨勢(shì)。四季降水量均呈上升趨勢(shì)，除冬季降水量顯著增長(zhǎng)外，其余季節(jié)增長(zhǎng)趨勢(shì)均不明顯。

b. Morlet小波分析結(jié)果表明：烏魯木齊河流域未來(lái)幾年降水量以偏枯為主，年降水量的周期主要由春夏季降水量的周期決定。

[1]王春乙,婁秀榮,王建林.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對(duì)作物產(chǎn)量的影響[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2007,16(5):37-43.

[2]黃榮輝,杜振彩.全球變暖背景下中國(guó)旱澇氣候?yàn)?zāi)害的演變特征及趨勢(shì)[J].自然雜志,2010,32(4):187-195.

[3]歐素英,陳子集.小波變換在相對(duì)海平面變化研究中的應(yīng)用[J].地理科學(xué),2004,24(3):358-364.

[4]王文圣,丁晶,李躍清.水文小波分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.