孫桂麗,陳亞寧,李衛(wèi)紅,楊余輝,3
(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,中國科學(xué)院綠洲生態(tài)與荒漠環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆烏魯木齊830011; 2.中國科學(xué)院研究生院,北京100049;3.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆烏魯木齊830054)
新疆極端水文事件年內(nèi)分布的非均勻性*
孫桂麗1,2,陳亞寧,李衛(wèi)紅1,楊余輝1,2,3
(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,中國科學(xué)院綠洲生態(tài)與荒漠環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆烏魯木齊830011; 2.中國科學(xué)院研究生院,北京100049;3.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆烏魯木齊830054)
利用1901-2010年的資料,采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法以及新引入的衡量年內(nèi)分布情況的集中度、集中指數(shù),對比分析了新疆極端水文事件的年內(nèi)分布特征。分析發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法和集中度、集中指數(shù)得出的年內(nèi)分布具有很好的一致性,是一種可靠的分析方法,今后可以借鑒使用。結(jié)果表明:新疆極端水文事件年內(nèi)分布極不均勻,夏半年和夏季的集中指數(shù)較大,而冬半年和冬季的集中指數(shù)較小,即大部分地區(qū)極端水文事件主要發(fā)生在夏半年,冬半年發(fā)生相對較少,但北疆的阿勒泰地區(qū)冬半年極端水文事件較多;吐魯番的極端水文事件年內(nèi)分布非常集中,烏魯木齊、奎屯—石河子、阿克蘇地區(qū)次之,阿勒泰地區(qū)集中度最小。
極端水文事件;年內(nèi)分布;非均勻性;新疆
隨著全球氣候持續(xù)變暖,與氣溫有關(guān)的極端事件頻繁發(fā)生,另外由于變暖帶來水循環(huán)加快,極端水文事件也趨于增多[1-2]。愈來愈多資料證實(shí),近10年,世界各地因極端水文事件所造成直接經(jīng)濟(jì)損失呈指數(shù)上升趨勢[3-4]。相比于一般水文事件,極端水文事件是一種稀有事件,隨機(jī)性較大,又具有轉(zhuǎn)折突發(fā)性,成因更為復(fù)雜,預(yù)測就更困難[3]。
在國際上,極端水文事件指與水資源聯(lián)系的極端事件,它意味著年總降水量也許變化不大,但其變差加大,所形成災(zāi)害極端集中到某個(gè)季節(jié)。具體指在一定時(shí)期內(nèi)發(fā)生頻率低、突發(fā)性較強(qiáng),且對人類社會有重要影響的水文事件[1-2]。本文只考慮致災(zāi)的極端水文事件,故稱水文災(zāi)害。中國西北雖為干旱半干旱區(qū),但極端水文事件也時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重影響工農(nóng)業(yè)發(fā)展,它包括暴雨洪水、冰雪洪水、突發(fā)洪水(冰凌洪水、冰川湖突發(fā)洪水)、冰雹、泥石流(暴雨型泥石流、冰川型泥石流)、雪災(zāi)(暴風(fēng)雪、積雪、風(fēng)吹雪、雪崩)等[1,3-4]。新疆極端水文事件以季節(jié)變化上的復(fù)雜性為特征,年內(nèi)波動也存在著較大不可預(yù)測性[5-7]。本文基于1901-2010年的資料對新疆極端水文事件年內(nèi)分布特征作深入分析,研究新疆不同區(qū)域、不同類型極端水文事件年內(nèi)分布差異,分析預(yù)測其年內(nèi)發(fā)生基本規(guī)律,為新疆未來應(yīng)對極端水文事件、防災(zāi)減災(zāi)以及區(qū)域工農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略制定,提供科學(xué)依據(jù)。
新疆位于中國西北地區(qū)(32°22'~49°33'N,73°21'~96°21'E),地處歐亞大陸腹地,遠(yuǎn)離海洋,氣候干燥,降水稀少,屬典型的內(nèi)陸干旱區(qū)。新疆地貌輪廓基本呈“三山夾兩盆”的格局,南邊是昆侖山,北邊是阿爾泰山,天山山脈橫貫中央,將新疆分為南、北兩部分,再加上天山山間斷陷谷地形成的吐哈盆地,稱為南疆、北疆、東疆[6-7]。南疆統(tǒng)稱塔里木盆地,包括巴音郭楞蒙古自治州(巴州)、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州(克州)、喀什地區(qū)和和田地區(qū);北疆稱準(zhǔn)噶爾盆地,包括阿勒泰地區(qū)、塔城地區(qū)、伊犁哈薩克自治州(伊犁州)、昌吉回族自治州(昌吉州)、博爾塔拉蒙古自治州(博州)、石河子市和烏魯木齊市;東疆包括吐魯番-哈密盆地。獨(dú)特的山、盆地貌格局給新疆自然災(zāi)害頻繁發(fā)生提供有利條件。三大山系高山帶廣布大量冰川、永久積雪,突發(fā)洪水突出,中山帶降水豐沛,流水切割十分強(qiáng)烈,洪災(zāi)、雪災(zāi)較為突出。中低山帶活動性大斷裂帶發(fā)育,如遇暴雨或季節(jié)性積雪融水,發(fā)生洪水、滑坡或泥石流將不可避免[5,7-8]。
2.1 資料收集
本文資料取自新疆水文、氣象、農(nóng)業(yè)和民政等部門組織編撰的新疆自然災(zāi)害史料,具體取自文獻(xiàn)[17-20],該史料對1997年以前的新疆自然災(zāi)害史料進(jìn)行廣泛收集,系統(tǒng)整理。該系列史料系經(jīng)過廣大地方志編輯人員共同努力參考了大量現(xiàn)有新疆自然災(zāi)害研究成果編寫而成,數(shù)據(jù)可信。1997年以后的查閱新疆各地區(qū)地方志、縣、市志、地方年鑒、新疆通志—水利志、民政志,另有來源于國家民政部減災(zāi)中心、新疆防汛抗旱辦公室。以上部門由專業(yè)人員組成,專業(yè)做統(tǒng)計(jì)工作,為各地區(qū)工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供服務(wù),為減災(zāi)防災(zāi)提供數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu),故較統(tǒng)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確,具有可信性。1949年以前以史料記載為準(zhǔn);1949年以后,以縣市為單位錄入,建立數(shù)據(jù)庫,經(jīng)反復(fù)核對校訂,整理出新疆1901-2010年發(fā)生的3545條水文災(zāi)害資料。本文所用數(shù)據(jù)均是以上述數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),并用Excel和SPSS軟件進(jìn)行處理分析。
新疆各地區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本按行政區(qū)劃,考慮研究需要和位置關(guān)系把克拉瑪依歸為塔城地區(qū),奎屯與石河子歸為一個(gè)區(qū)。由于統(tǒng)計(jì)資料限制,本文主要研究6種類型的極端水文事件,即暴雨洪水、冰雪融水、突發(fā)洪水、冰雹、雪災(zāi)、泥石流。
2.2 研究方法
集中度是能夠很好反映極端水文事件年內(nèi)的集中程度,而集中指數(shù)I則用來描述極端水文事件具體集中時(shí)間,各時(shí)段集中性大?。?-11]。衡量極端水文事件年內(nèi)分布的集中度(C)、集中指數(shù)(I)與一般統(tǒng)計(jì)方法相配合更好地反映新疆極端水文事件年內(nèi)分布特征及各個(gè)地區(qū)的年內(nèi)集中程度和集中時(shí)段。同時(shí),新參數(shù)集中度C、集中指數(shù)I的提出對研究新疆水文災(zāi)害的機(jī)制也有一定幫助。
2.2.1 集中度(C)
集中度[9-10]具體定義方法如下:首先將各月(或旬、候)極端水文事件頻次按各自特定的角度分解成為水平和垂直方向上的兩個(gè)分量,然后分別進(jìn)行方向上的累加,最后將兩個(gè)分量之和的合成量占年極端水文事件總頻次的比值定義為極端水文事件集中度。取值的區(qū)間為0~1,值越大說明年內(nèi)集中程度越高,若為1事件集中在年內(nèi)的某一月份,反之,若為0事件在年內(nèi)分布均勻。圖1中說明了極端水文事件向量夾角及全年每個(gè)月中代表的角度值θi的具體分布情況。具體公式為:
圖1 向量夾角及全年每個(gè)月中代表的角度值(θi)
2.2.2 集中指數(shù)
通過集中度了解新疆及各地區(qū)極端水文事件集中程度,進(jìn)一步分析具體集中時(shí)間,各時(shí)段的集中性大小,則用集中指數(shù)I[11-12]描述,公式如下:
式中:rn為n天極端水文事件次數(shù);rz為年極端水文事件次數(shù);n為時(shí)段長度,即天數(shù)。于是rn/rz表示某一時(shí)段內(nèi)實(shí)際水文災(zāi)害頻次占年總水文災(zāi)害頻次的比率,n/365表示假設(shè)水文災(zāi)害在逐日均勻分布時(shí)的平均每日水文災(zāi)害頻次。I>0,表明該地區(qū)在該時(shí)段內(nèi)實(shí)際水文災(zāi)害強(qiáng)度大于年水文災(zāi)害平均分布強(qiáng)度,否則小于年水文災(zāi)害平均分布強(qiáng)度。
3.1 新疆各地區(qū)極端水文事件的年內(nèi)分布
一般采用簡單統(tǒng)計(jì)方法[10,12-13]分析年內(nèi)分布情況,本文采取該方法分析,用Excel作圖。
南、北疆極端水文事件年內(nèi)分布7月以前多,以后少,5-8月發(fā)生相對較多,7月發(fā)生最多,這一時(shí)段正值盛夏,主要是各類洪水、冰雹、泥石流災(zāi)害(圖2)。北疆從12月至次年7月極端水文事件發(fā)生頻次呈現(xiàn)上升態(tài)勢,相對南疆而言冬季發(fā)生較多,這是因?yàn)樵从谖鞑麃喌睦淇諝獠荒芊教焐降竭_(dá)南疆[13-14];南疆極端水文事件更多集中在夏季,冬季相對而言較少,因?yàn)槟辖緶囟容^高,雪災(zāi)較少。由于地形、地貌不同以及小氣候差異[15],導(dǎo)致南、北疆各地區(qū)極端水文事件年內(nèi)分布不盡相同(圖3,圖4)。
圖2南、北疆極端水文事件年內(nèi)分布
圖3 表明,阿勒泰、塔城、昌吉、伊犁、哈密和博州六地區(qū)年內(nèi)分布相對烏魯木齊、奎屯—石河子兩地區(qū)而言,冬半年發(fā)生多,由于其位于高海拔地區(qū),頻臨高山。阿勒泰、塔城、博州分別頻臨阿勒泰山、塔爾巴哈臺山和阿拉套山,伊犁、昌吉、哈密分別位于天山西部、中部和山東部[16-17],冬季(12-次年2月)雪災(zāi)較多,導(dǎo)致春季(3-5月)冰雪融水災(zāi)害發(fā)生,烏魯木齊、奎屯—石河子為山間谷地、盆地,雪災(zāi)較少;北疆各地區(qū)7月頻次均最多,該月溫度最高,發(fā)生冰雪融水、暴雨洪水、冰川湖突發(fā)洪水、冰雹以及由由此引發(fā)的泥石流災(zāi)害頻率增大。烏魯木齊和奎屯—石河子年內(nèi)分布最集中,71%集中在夏季,而阿勒泰地區(qū)最分散,四季分布較為均勻,塔城、哈密和伊犁地區(qū)次之,冬春季節(jié)發(fā)生較多。
南疆極端水文事件集中在5-8月,與北疆相比分布更為集中,主要類型為暴雨洪水、冰川洪水、冰雹(圖4)。
吐魯番地區(qū)年內(nèi)分布最為集中,90%集中在夏季(6-8月),主要災(zāi)害為暴雨洪水和冰雹;阿克蘇地區(qū)次之,發(fā)生在夏季(6-8月)的占69%,而克州最為分散,冬春發(fā)生相對較多,它位于天山山脈西南部、帕米爾高原東部、昆侖山北坡,地形地勢復(fù)雜,氣候變化無常,自然災(zāi)害頻繁[16,18];喀什地區(qū)次之,它三面環(huán)山,北有天山南脈橫臥,西有帕米爾高原聳立,南部為喀喇昆侖山,冰川廣布,冰川湖突發(fā)洪水較多[17]。
圖3 北疆各地區(qū)極端水文事件年內(nèi)分布
3.2 新疆各類型極端水文事件年內(nèi)分布
新疆6種類型極端水文事件年內(nèi)分布均有季節(jié)性(圖5)。
雪災(zāi)主要形成于冬半年即11月份至次年4月,夏半年也有少量雪災(zāi),主要為雪崩;冰雹的季節(jié)性表現(xiàn)更明顯,主要集中在5-8月份;冰雪融水主要在春季,大部分為季節(jié)性積雪融水,有少量冰川融水,發(fā)生在夏季[10,13,18];泥石流和暴雨洪水年內(nèi)分布表現(xiàn)出很好一致性,都集中在4-8月,因?yàn)槟嗍魇窃谔厥獾牡匦螚l件下相伴洪水而生;突發(fā)洪水包括冰川湖突發(fā)洪水和冰凌洪水,前者主要發(fā)生在夏秋季節(jié),后者主要發(fā)生在冬季[21-23]。
圖4 南疆各地區(qū)極端水文事件年內(nèi)分布圖
圖5 新疆不同類型極端水文事件年內(nèi)分布圖
3.3 年內(nèi)集中度和集中指數(shù)
根據(jù)集中度公式計(jì)算新疆各地區(qū)極端水文事件集中度見表1。表1看出,集中度C吐魯番最高,達(dá)0.85,烏魯木齊、奎屯—石河子、阿克蘇次之,分別為0.72、0.71、0.71,說明吐魯番極端水文事件年內(nèi)分布非常集中。烏魯木齊、奎屯—石河子、阿克蘇地區(qū)較為集中,而阿勒泰地區(qū)集中度最小,僅有0.27,這與一般統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得出的結(jié)論:吐魯番地區(qū)90%集中在夏季(圖3),烏魯木齊、奎屯—石河子、阿克蘇地區(qū)分別為71%、71%、69%集中在夏季(圖3、圖4),阿勒泰地區(qū)年內(nèi)分布最為分散(圖4、圖5)一致,這同時(shí)也驗(yàn)證用集中度C來描述水文災(zāi)害年內(nèi)集中程度的可行性和準(zhǔn)確性。
表1 新疆各個(gè)地區(qū)極端水文事件的集中度
各地區(qū)具體集中時(shí)段,則用集中指數(shù)。全疆冬季(12-次年2月)、春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)及冬半年(9-次年2月)和夏半年(3-8月)集中指數(shù)I,列于表2。
表2 新疆各地區(qū)極端水文事件集中指數(shù)
表2表明,按冬夏半年分,新疆各地區(qū)夏半年極端水文事件集中指數(shù)均大于0,數(shù)值也較大,而冬半年集中指數(shù)幾乎都小于0,只有阿勒泰地區(qū)大于0,這說明新疆各地區(qū)夏半年實(shí)際極端水文事件強(qiáng)度大于年平均分布強(qiáng)度,即大部分發(fā)生在夏半年,冬半年發(fā)生相對較少,但各地區(qū)程度不同,這與實(shí)際統(tǒng)計(jì)新疆各地區(qū)大多集中在3-8月吻合很好;阿勒泰地區(qū)冬半年集中指數(shù)大于0,為8.92,說明冬半年發(fā)生強(qiáng)度大于年平均分布強(qiáng)度,即相對其它地區(qū)而言冬季水文災(zāi)害較多,伊犁、哈密、塔城冬半年集中指數(shù)分別為-1.96、-2.04、-4.5,冬季集中指數(shù)小于0,但冬半年發(fā)生強(qiáng)度僅次于阿勒泰地區(qū),這與實(shí)際統(tǒng)計(jì)情況阿勒泰、伊犁、哈密、塔城冬半年雪災(zāi)較多完全吻合。以上結(jié)果與統(tǒng)計(jì)方法得出結(jié)果完全一致,驗(yàn)證了用集中指數(shù)I來描述水文災(zāi)害年內(nèi)集中期可行性和準(zhǔn)確性。分季節(jié)看,四季中夏季集中指數(shù)各地區(qū)都最大,春季次之,冬季南疆地區(qū)都最小;只有北疆部分地區(qū),即阿勒泰、塔城、昌吉、博州、伊犁、哈密地區(qū)集中指數(shù)冬季比秋季大,這是由于冬季雪災(zāi)較多,阿勒泰、伊犁、哈密表現(xiàn)尤為明顯,尤其阿勒泰地區(qū),冬季集中指數(shù)為2.35,大于0,說明該地區(qū)冬季實(shí)際強(qiáng)度大于年平均分布強(qiáng)度,其它地區(qū)均小于0,說明實(shí)際強(qiáng)度小于年平均分布強(qiáng)度。
通過采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法和集中度、集中指數(shù)的分析方法,得出如下結(jié)論:
(1)新疆極端水文事件年內(nèi)分布極不均勻,夏半年集中指數(shù)均大于0,說明大部分極端水文事件發(fā)生在夏半年,集中在3-8月,冬半年發(fā)生相對較少,但阿勒泰、伊犁、哈密、塔城冬半年集中指數(shù)相對其它地區(qū)而言較大,尤其是阿勒泰地區(qū)冬半年集中指數(shù)為8.92。
(2)吐魯番的極端水文事件在年內(nèi)分布最為集中,烏魯木齊、奎屯—石河子、阿克蘇地區(qū)較為集中,而阿勒泰地區(qū)的集中度C最小,僅有0.27,即年內(nèi)分布最為分散。
(3)傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析方法和集中度、集中指數(shù)分析方法,分析極端水文事件的年內(nèi)分布具有很好的一致性,說明用集中度和集中指數(shù)分析年內(nèi)分布的可靠性和準(zhǔn)確性,為以后的研究提供了借鑒。
今后的防災(zāi)減災(zāi)中應(yīng)綜合考慮各地區(qū)極端水文事件的年內(nèi)分布規(guī)律,針對不同地區(qū)不同時(shí)間采取不同防災(zāi)減災(zāi)措施,以便更好的為工農(nóng)業(yè)服務(wù),促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)更快更好發(fā)展。
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Heterogeneity of Annual Distribution of ExtremeHydrological Events in Xinjiang
Sun Guili1,2,Chen Yaning2,Li Weihong1and Yang Yuhui1,2,3
(1.Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Key Laboratory of Oasis Ecology and DesertEnvironment,Chinese Academy of Sciences China,Urumqi830011,China;2.GraduateUniversity of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.School ofGeographic Science and Tourism,Normal University of Xinjiang,Urumqi830054,China)
According to data of extreme hydrological events from 1901 to 2010,annual distribution characteristicsof the events in Xinjiang are comparatively analyzed by using traditional statistic analysismethods and newly-introducedconcentration degree as well as concentration index for measurement of annual distribution situations,which getconsistent annual distribution results and are proved to be a reliable and valuable one.Annual distribution ofextreme hydrological events in Xinjiang is quite heterogeneous.The concentration index in summer-half-year andsummer is relatively big and that in winter-half-year is smaller,which indicate that extreme hydrological events happenmostly in summer half year,and relatively less in winter for most regions,and more in winter in Altay of northXinjiang.Annual distribution of extreme hydrological events in Turpan is very concentrated,and the concentrationdegrees in Urumqi,Kuytun-Shihezi and Aksu are the second and that in Altay is the smallest..
extreme hydrological event;annual distribution;heterogeneity;Xinjiang
P333
A
1000-811X(2011)02-0018-06
2010-10-22
國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“九七三”計(jì)劃(2010CB951003);國家自然科學(xué)基金(40871239)
孫桂麗(1979-),女,河南蘭考人,在讀博士,主要從事氣候變化與水文災(zāi)害研究.E-mail:sxfgl@126.com
陳亞寧(1958-),男,甘肅人,研究員,主要從事水文水資源與氣候變化研究.E-mail:chenyn@ms.xjb.ac.cn