魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 前 言

近年來，氣候變化成為國際社會普遍關(guān)注的問題之一，聯(lián)合國政府氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報(bào)告顯示全球變暖已經(jīng)成為不爭的事實(shí)，氣溫出現(xiàn)了明顯的上升勢頭[1]。由于氣溫和降水是氣候變化的主要外在體現(xiàn)，氣溫的作用主要是引起流域蒸發(fā)的變化，降水的作用主要是在流域下墊面引起水量的垂向和橫向再分布，故研究氣溫和降水的變化對于西北干旱區(qū)合理開發(fā)利用水資源與氣候資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對區(qū)域或流域氣溫和降水變化特征進(jìn)行了研究，如盧愛剛[2]等采用Mann-Kendall方法對延安市1951—2008年的氣溫和降水資料進(jìn)行了突變分析，結(jié)果表明，研究區(qū)氣候變化的總趨勢為暖干化；張永欣[3]等對近56 a來華北地區(qū)的氣溫和降水變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，研究區(qū)年均氣溫升幅為0.314 ℃/(10 a)，降水量減幅為16.329 mm/(10 a)；蘇曉丹[4]等運(yùn)用氣候趨勢系數(shù)、累積距平曲線和檢驗(yàn)信噪比(S/N)分析了黑龍江省近56 a氣候變化規(guī)律，結(jié)果表明，研究區(qū)平均氣溫增幅為0.39 ℃/(10 a)，年均降水量傾向率為-8.91 mm/(10 a)；李鵬飛[5]等采用氣候傾向率檢測、MK突變檢驗(yàn)及年代際分析法研究了京津冀地區(qū)近50 a氣溫、降水和潛在蒸散量的變化特征,結(jié)果表明，研究區(qū)呈現(xiàn)干旱化發(fā)展趨勢，潛在蒸散量減少緩解了干旱化發(fā)展趨勢；王平[6]等采用回歸分析、方差分析和M-K檢驗(yàn)法，分析了全球氣候變暖背景下云南孟定盆地近54 a氣溫與降水變化特征,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)氣溫升高1.5 ℃，降水量減少103.68 mm，且均趨勢顯著；王維霞[7]等采用趨勢分析與距平統(tǒng)計(jì)等方法，分析了近50 a開都河流域氣溫和降水變化特征，表明研究區(qū)氣候正在向暖濕型轉(zhuǎn)化。截止目前，有關(guān)新疆車爾臣河流域氣溫、降水與濕潤指數(shù)變化的研究還很少見諸報(bào)道。

新疆車爾臣河是維系流域內(nèi)且末縣和若羌縣國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要河流，也是青新(青海省格爾木市至新疆庫爾勒市)鐵路建設(shè)和羅布泊鉀鹽開發(fā)的重要后備水源。開展該流域氣溫與降水變化特征研究，對流域水資源的合理開發(fā)利用、經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展及干旱區(qū)綠洲生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大，同時也為研究極端干旱區(qū)在全球變化背景下其主要?dú)夂蛞刈兓?guī)律提供參考依據(jù)。故本文選取位于車爾臣河流域上、下游僅有的2個國家基本氣象臺站(且末氣象站與若羌?xì)庀笳?1952—2014年共計(jì)63 a的逐月氣溫和降水資料，利用線性回歸、M-K分析、R/S法及小波分析等多種統(tǒng)計(jì)方法，分析近63 a來該流域的氣溫、降水和濕潤指數(shù)變化特征。

1 研究區(qū)概況

車爾臣河位于新疆塔里木盆地東南緣，巴音郭楞蒙古自治州且末縣與若羌縣境內(nèi)。河流發(fā)源于昆侖山北坡的木孜塔格峰(海拔6 973.00 m)，上游匯集昆侖山、阿爾金山諸冰川支流，為冰雪融水與地下水混合補(bǔ)給型河流，全長813 km，流域面積4.86萬km2，其中山區(qū)集水面積2.469萬km2。車爾臣河歷史上曾經(jīng)是塔里木河水系“九源一干”之一，河流出山口(大石門水庫處)多年平均徑流量7.96億m3，下游且末水文站多年平均徑流量5.62億m3，車爾臣河尾閭僅在冬季和洪水季節(jié)才能匯入臺特瑪湖。截止2013年底，流域內(nèi)共有耕地6.4萬hm2，總?cè)丝?6.5萬人，流域內(nèi)GDP總值85.15億元人民幣，其中第一產(chǎn)業(yè)增加值28.38億元，第二產(chǎn)業(yè)增加值43.42億元，第三產(chǎn)業(yè)增加值13.35億元。

車爾臣河流域氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)沙頻繁，為典型的干旱區(qū)大陸性氣候，多年平均氣溫11.1 ℃，降水量25.6 mm，年蒸發(fā)量2 507 mm，蒸降比高達(dá)98，年浮塵日數(shù)155 d，為極端干旱區(qū)，也是全國浮塵日數(shù)最多的地區(qū)之一。車爾臣河流域位置見圖1。

圖1 車爾臣河流域示意圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

車爾臣河流域上游代表站且末氣象站(38.15°N、85.55°E、海拔1 247.20 m)與下游代表站若羌?xì)庀笳?39.03°N、88.17°E、海拔887.70 m)數(shù)據(jù)來自中國氣象局國家氣候中心網(wǎng)站(http://cmdp.ncc-cma.net/cn/)，時間尺度為1952—2014年逐月數(shù)據(jù)，這套數(shù)據(jù)在發(fā)布前已由上述機(jī)構(gòu)做了一定的質(zhì)量控制。

2.2 研究方法

2.2.1 一元線性趨勢分析

氣象要素的傾向率采用一元線性回歸方程來表述，即：

Yi=a0+bti

(1)

式中：Yi為氣象要素?cái)M合值;ti為時間序列;a0為常數(shù)項(xiàng);b為線性趨勢項(xiàng)(即年傾向率)。

2.2.2 Mann-Kendall法

Mann-Kendall法(以下簡稱M-K法)為非參數(shù)檢驗(yàn)法，廣泛應(yīng)用于氣象、水文時間序列趨勢分析與突變檢驗(yàn)[8-10]。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量z值計(jì)算式如下：

(2)

其中，s值計(jì)算式為：

(3)

(4)

(5)

式中：xi、xj為時間序列變量；n為時間序列長度；tp為第p個數(shù)對應(yīng)的捆綁值；z為趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，z>0，表明時間序列呈增加趨勢，反之減小。若|z|>z1-a/2，則認(rèn)為時間序列變量存在顯著性趨勢。

此外，M-K法可用于時間序列變量突變點(diǎn)檢驗(yàn)，通過計(jì)算順序氣候序列的秩序列及統(tǒng)計(jì)量UF和逆序氣候序列的秩序列及統(tǒng)計(jì)量UB，給定顯著性水平a=0.01，UF>0表明序列呈上升趨勢，UF<0表明呈下降趨勢，超過臨界線表明趨勢顯著，2條線交點(diǎn)即為突變點(diǎn)[11]。

2.2.3 Mann-Whitney檢驗(yàn)

在Mann-Whitney檢驗(yàn)中，設(shè)時間序列變量X=(X1，X2，…，Xn)及子序列Y=(X1，X2，…，Xn-1)，Z=(Xn1+1，Xn1+2，…，Xn1+n2)，統(tǒng)計(jì)量Zc計(jì)算如下：

(6)

式中：r(xt)為時間序列變量的秩；若-Z1-a/2≤Zc≤Z1-a/2，則接受原假設(shè)，認(rèn)為變量存在階段跳躍，反之則不存在；Z1-a/2為給定檢驗(yàn)水平a所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分位數(shù)，a=0.01時，Z1-a/2為2.57；a=0.05時，Z1-a/2為1.96。

2.2.4 R/S法

R/S法計(jì)算步驟如下[12]。

設(shè)時間序列變量x(t)，其均值序列為：

(7)

累積離差：

(8)

極差：

(9)

標(biāo)準(zhǔn)差：

(10)

(11)

式中：H為Hurst指數(shù)，當(dāng)H=0.5時，表明時間序列變量為相互獨(dú)立、方差有限的隨機(jī)序列；當(dāng)00.5時，表明時間序列的變化趨勢與過去一致[13]。

2.2.5 小波分析

時間序列變量通常表現(xiàn)為雜亂無章，但是其含有多種不同時間尺度的變化，利用小波變換調(diào)節(jié)放大的功能可以了解變量在各層次的變化趨勢。小波分析在時域和頻域同時具有良好的局部性質(zhì)，可以分析出時間序列周期變化的局部特征及各周期隨時間的變化情況，因而在氣候分析中廣泛應(yīng)用[14]。小波有多種形式，其中墨西哥帽小波(簡稱Mexh小波)在揭示氣候要素的奇異性(突變點(diǎn))方面表現(xiàn)良好，故本文采用Mexh小波進(jìn)行氣候要素分析。

3 車爾臣河流域氣候變化特征分析

3.1 溫度、降水與濕潤指數(shù)的變化趨勢分析

變異系數(shù)是概率分布離散程度的一個歸一化量度，其定義為時間序列變量的標(biāo)準(zhǔn)差與其平均值之比，記為Cv。當(dāng)變異系數(shù)Cv≤0.1時為弱變異，0.11為強(qiáng)變異。通過對車爾臣河流域上游代表站且末氣象站與下游代表站若羌?xì)庀笳?952—2014年年均溫度、降水量與濕潤指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出結(jié)論。

3.1.1 年均溫度趨勢分析

研究區(qū)上游(且末站)多年平均氣溫為10.54 ℃，變異系數(shù)為0.062，屬于弱變異，下游(若羌站)多年平均氣溫為11.74 ℃，變異系數(shù)為0.045，同樣為弱變異。車爾臣河流域上下游代表站1952—2014年溫度變化趨勢擬合曲線如下：

本文選取的樣本市場為世界市場和美國市場，分別考察中國和約旦出口產(chǎn)品在世界市場和美國市場上的相似度。選取美國市場的主要原因是：2016年，美國分別是中國的第二大貿(mào)易伙伴和約旦的第三大貿(mào)易伙伴。中國和美國貿(mào)易額達(dá)到5196.14億美元，占到中國貿(mào)易總額的14.1%；美約兩國的貿(mào)易額達(dá)到28.15億美元，占到約旦貿(mào)易總額的10.5%。

上游y=0.0264x-41.83

(r=0.748，r0.01=0.322，r0.1=0.209，n=63)

下游y=0.0122x-12.40

(r=0.429，r0.01=0.322，r0.1=0.209，n=63)

式中：x為年份，取值范圍為1952—2014；y為年均溫度，℃。

由上述擬合公式可知，近63 a來，車爾臣河流域上下游溫度均呈現(xiàn)增長趨勢，通過了P<0.01的置信度檢驗(yàn)，且上游年均溫度傾向率為0.026 4 ℃/a，大于下游年均溫度傾向率0.012 2 ℃/a。

此外，根據(jù)M-K趨勢分析，計(jì)算得上下游z值分別為3.76與3.54(z0.01=2.57)，表明年均溫度具有顯著增加趨勢，這與一元線性回歸法分析結(jié)果相一致。

3.1.2 年降水量趨勢分析

研究區(qū)上游(且末站)多年平均降水量為23.1 mm，變異系數(shù)為0.586，屬于中等變異，下游(若羌站)多年平均降水量為28.3 mm，變異系數(shù)為0.802，同樣屬于中等變異，但變異系數(shù)大于上游值。車爾臣河流域1952—2014年降水量擬合曲線如下：

上游y=0.2211x-415.14

(r=0.306，r0.01=0.322，r0.1=0.209，n=63)

下游y=0.4751x-913.59

(r=0.392，r0.01=0.322，r0.1=0.209，n=63)

式中：x為年份，取值范圍為1952—2014；y為年降水量，mm。

由上述擬合公式可知，近63 a來，車爾臣河流域上下游降水量均呈現(xiàn)增長趨勢，其中上游年降水量通過了P<0.1的置信度檢驗(yàn)，下游年降水量通過了P<0.01的置信度檢驗(yàn)。上游年降水量傾向率為0.221 1 mm/a，小于下游年降水量傾向率0.475 1 mm/a。

根據(jù)M-K趨勢分析，計(jì)算得上下游z值分別為2.13與2.85(z0.01=2.57，z0.1=1.81)，表明上游降水量有顯著(置信度為0.1)增加趨勢，下游降水量有極顯著(置信度為0.01)增加趨勢，這與一元線性回歸法計(jì)算結(jié)果相一致。

3.1.3 年濕潤指數(shù)趨勢分析

濕潤指數(shù)能夠客觀反映一個地區(qū)水熱平衡狀況，是判斷某一地區(qū)氣候干旱與濕潤狀況的比較好的指標(biāo)之一。濕潤指數(shù)H計(jì)算式如下[15]：

H=R/T

(12)

式中：H為濕潤指數(shù)；R為年降水量，mm；T為年均溫度，℃。

通過計(jì)算，研究區(qū)上游(且末站)多年平均濕潤指數(shù)為2.199，變異系數(shù)為0.584，屬于中等變異，下游(若羌站)多年平均濕潤指數(shù)為2.416，變異系數(shù)為0.786，同樣屬于中等變異，但變異系數(shù)大于上游值。車爾臣河流域1952—2014年濕潤指數(shù)擬合曲線如下：

上游y=0.0158x-29.048

(r=0.225，r0.01=0.322，r0.1=0.209，n=63)

下游y=0.0372x-71.44

(r=0.359，r0.01=0.322，r0.1=0.209，n=63)

式中：x為年份，取值范圍為1952—2014年；y為年濕潤指數(shù)，mm。

由擬合公式可知，近63 a來，車爾臣河流域上下游濕潤指數(shù)均呈現(xiàn)增長趨勢，其中上游年濕潤指數(shù)通過了P<0.1的置信度檢驗(yàn)，下游年降水量通過了P<0.01的置信度檢驗(yàn)。上游年濕潤指數(shù)傾向率為0.015 8/a，小于下游年濕潤指數(shù)傾向率0.037 2/a。

根據(jù)M-K趨勢分析，計(jì)算得上下游z值分別為1.94與2.79(z0.01=2.57，z0.1=1.81)，表明上游濕潤指數(shù)有顯著(置信度為0.1)增加趨勢，下游濕潤指數(shù)有極顯著(置信度為0.01)增加趨勢，這與一元線性回歸法計(jì)算結(jié)果相一致。

3.2 溫度、降水與濕潤指數(shù)的突變分析

3.2.1 年均溫度突變分析

M-K檢驗(yàn)表明，研究區(qū)上下游年均溫度突變年份分別為1987年和1990年(見圖2，圖中上限、下限分別表示顯著性水平a=±0.01時對應(yīng)的臨界值±2.57，下同)。此時，Mann-Whitney突變檢驗(yàn)表明，統(tǒng)計(jì)量Zc分別為3.12與2.88，臨界統(tǒng)計(jì)值Z0.01為2.57，表明年均溫度發(fā)生躍變趨勢，并達(dá)到極顯著水平。上游1952—1986年平均溫度10.13 ℃，1987—2014年平均氣溫為11.06 ℃，比突變前升高0.93 ℃；下游1952—1989年平均溫度11.54 ℃，1990—2014年平均氣溫為12.07 ℃，比突變前升高0.53 ℃。

M-K突變檢驗(yàn)法與Mann-Whitney突變檢驗(yàn)分析結(jié)果完全一致，這也從側(cè)面驗(yàn)證了M-K檢驗(yàn)的正確性。

3.2.2 年降水量突變分析

M-K法表明，研究區(qū)上下游年降水量突變年份分別為1964年和1980年(見圖3)。此時，Mann-Whitney突變檢驗(yàn)結(jié)果表明，統(tǒng)計(jì)量Zc分別為3.65與3.27，臨界統(tǒng)計(jì)值Z0.01為2.57，表明年降水量均發(fā)生躍變趨勢，并達(dá)到極顯著水平(與M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果一致)。研究區(qū)上游1952—1963年平均降水量10.5 mm，1964—2014年平均降水量為26.1 mm，比突變前增加15.6 mm；研究區(qū)下游1952—1979年平均降水量19.0 mm，1980—2014年平均降水量36.1 mm，比突變前增加17.1 mm。

3.2.3 年濕潤指數(shù)突變分析

研究區(qū)上下游年濕潤指數(shù)突變年份分別為1964年和1980年(見圖4)。此時，Mann-Whitney突變檢驗(yàn)結(jié)果表明，統(tǒng)計(jì)量Zc分別為3.07與3.49，臨界統(tǒng)計(jì)值Z0.01為2.57，表明年濕潤指數(shù)均發(fā)生躍變趨勢，并達(dá)到極顯著水平。研究區(qū)上游1952—1963年平均濕潤指數(shù)1.047，1964—2014年平均濕潤指數(shù)為2.470，比突變前增加1.423；研究區(qū)下游1952—1979年平均濕潤指數(shù)1.626，1980—2014年平均濕潤指數(shù)為3.008，比突變前增加1.382。

圖2 車爾臣河流域1952—2014年溫度突變檢驗(yàn)圖

圖3 車爾臣河流域1952—2014年降水量突變檢驗(yàn)圖

3.3 溫度、降水與濕潤指數(shù)的R/S分析

根據(jù)R/S分析原理，利用式(7)～(11)，并進(jìn)行最小二乘擬合，得到車爾臣河流域上下游年均溫度、降水量與濕潤指數(shù)的Hurst指數(shù)(見表1)。

表1 研究區(qū)Hurst指數(shù)表

由表1可知，研究區(qū)上下游年均溫度、年降水量與年濕潤指數(shù)的Hurst指數(shù)均大于0.5，表明這三要素具有持續(xù)性，即在未來一段時間內(nèi)車爾臣河流域暖濕氣候仍會持續(xù)保持。

3.4 溫度、降水與濕潤指數(shù)的小波分析

采用Mexh小波對研究區(qū)年均溫度、降水量與濕潤指數(shù)的周期變化特征進(jìn)行分析。

3.4.1 溫度小波分析

研究區(qū)上游存在15～20 a的主周期(見圖5)，以20世紀(jì)90年代為界，在這之前上游年均溫度存在5～10 a的小周期，但90年代后上游年均溫度出現(xiàn)3～5 a的小周期震蕩變化；此外，研究區(qū)下游存在8～10 a的主周期(見圖5)，以20世紀(jì)90年代中期為界，在這之前上游年均溫度存在3～5 a的小周期，但90年代中期以后下游年均溫度出現(xiàn)2 a的小周期震蕩變化。

3.4.2 降水量小波分析

研究區(qū)上游存在18～21 a的主周期(見圖6)，且同時存在4～6 a的小周期震蕩變化；研究區(qū)下游存在19～21 a的主周期(見圖6)，以20世紀(jì)80年代中期為界，在這之前下游年降水量存在3～5 a的小周期，但80年代中期以后年降水量出現(xiàn)5～8 a的小周期震蕩變化。

3.4.3 濕潤指數(shù)小波分析

研究區(qū)上游存在19～22 a的主周期(見圖7)，且同時存在3 a左右的小周期變化；下游存在16～19 a的主周期(見圖7)，以20世紀(jì)80年代為界，在這之前濕潤指數(shù)存在3 a左右的小周期，但80年代以后下游年濕潤指數(shù)出現(xiàn)5～7 a的小周期變化。

4 討 論

(1) 車爾臣河流域近63 a來，氣溫、降水及濕潤指數(shù)情況已發(fā)生明顯變化，這可能會對流域水循環(huán)產(chǎn)生極大影響。因此，在全球氣候變化背景下，研究未來主要?dú)夂蛞氐淖兓瘜Ω珊祬^(qū)水循環(huán)的影響已成為當(dāng)務(wù)之急。

圖4車爾臣河流域1952—2014年濕潤指數(shù)突變檢驗(yàn)圖

圖5 車爾臣河流域1952—2014年溫度小波分析圖

圖6 車爾臣河流域1952—2014年降水量小波分析圖

(2) 由于車爾臣河徑流是境內(nèi)且末縣與若羌縣社會生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境用水的重要水源，下一步應(yīng)開展主要?dú)夂蛞蛩刈兓c車爾臣河徑流量響應(yīng)的研究以及未來氣候變化下的水資源預(yù)測與供需分析。

圖7車爾臣河流域1952—2014年濕潤指數(shù)小波分析圖

5 結(jié) 語

本文利用新疆車爾臣河流域且末氣象站與若羌?xì)庀笳?952—2014年逐月氣溫與降水量資料，進(jìn)行主要?dú)夂蛞蛩氐内厔莘治黾巴蛔儥z驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1) 近63 a來，研究區(qū)上下游年均溫度均有顯著增加趨勢，其傾向率分別為0.026 4 ℃/a與0.012 2 ℃/a；上下游年均溫度分別在1987年與1990年產(chǎn)生極顯著突變，這與Mann-Whitney突變檢驗(yàn)分析結(jié)果一致；上下游年均溫度Hurst指數(shù)分別為0.853 1與0.765 5，大于0.5，表明未來一段時間內(nèi)仍將持續(xù)增加；上游年均氣溫存在15～20 a的主周期，下游存在8～10 a的主周期。

(2) 年降水量有顯著增加趨勢，其中上游傾向率為0.221 1 mm/a，下游傾向率0.475 1 mm/a；上下游年降水量分別在1964年與1980年產(chǎn)生極顯著突變，這與Mann-Whitney突變檢驗(yàn)分析結(jié)果一致；上下游年降水量Hurst指數(shù)分別為0.645 7與0.781 2,大于0.5，表明未來一段時間內(nèi)仍將持續(xù)增加；上游年降水量存在18～21 a的主周期，下游存在19～21 a的主周期。

(3) 年濕潤指數(shù)也有顯著增加趨勢，其中上游傾向率為0.015 8/a，下游傾向率0.037 2/a；上下游年降水量分別在1964年與1980年產(chǎn)生極顯著突變，這與年降水量發(fā)生突變年份相一致；上下游年濕潤指數(shù)的H值分別為0.710 1與0.855 4,表明未來一段時間內(nèi)仍將持續(xù)增加，研究區(qū)地表有向暖濕化發(fā)展的趨勢；上游年濕潤指數(shù)存在19～22 a的主周期，下游存在16～19 a的主周期。

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