塔里木盆地極端弱降水的時空變化特征

王新萍 楊青

(1中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所 新疆烏魯木齊830002 2新疆大學(xué)數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院新疆烏魯木齊830046)

塔里木盆地位于中國西北部的新疆，是中國面積最大的內(nèi)陸盆地。盆地處于天山和昆侖山、阿爾金山之間。東西長1500公里，南北寬約600公里，面積達(dá)53萬平方公里，海拔高度在800-1300，地勢西高東低。盆地的中部是著名的塔克拉瑪干沙漠，邊緣為山麓、戈壁和綠洲。

普宗朝[1]等研究了近47年塔克拉瑪干沙漠周邊地區(qū)平均氣溫、降水量、年潛在蒸散量和地表干燥度的變化趨勢、突變時間和周期，結(jié)果表明前兩種氣候要素都呈上升和增多趨勢，后兩種氣候要素有減小的趨勢，整個區(qū)域出現(xiàn)較明顯的濕化趨勢。劉曉陽[2]等利用地基GPS水汽探測結(jié)合靜止氣象衛(wèi)星FY2C紅外分裂窗水汽反演，得到塔克拉瑪干沙漠地區(qū)高時空分辨率的水汽分布。黃俊利[3]等研究了塔克拉瑪干沙漠南緣極端降水的變化趨勢與突變特征，結(jié)果表明沙漠南緣極端降水頻率與極端降水量呈較好的正相關(guān)。楊青[4]等利用塔里木盆地周邊站點(diǎn)的降水、水氣壓資料和沙漠腹地的觀測數(shù)據(jù)，重建了塔中氣象站1961-1998年逐月水氣壓序列，分析了沙漠周邊地區(qū)大氣含水量的時空變化，得出了新的水汽分布形式。

基于上述對塔里木盆地降水和水汽的研究工作，特別是考慮到該地區(qū)的極端干旱情況，本文與以往研究工作的不同之處在于重點(diǎn)研究塔里木盆地的極端弱降水的時空分布情況。文中首先計(jì)算反映極端弱降水的4種降水指標(biāo)，利用M-K法對各指標(biāo)的變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，同時采用基于F檢驗(yàn)的線性分析法計(jì)算各指標(biāo)的變化率，并且利用Monte Carlo模擬方法對研究區(qū)的區(qū)域顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，以此得出各弱降水指標(biāo)的時空分布特征。

1 數(shù)據(jù)

利用塔里木盆地40個氣象站1961-2009年的逐日降水資料，研究了以下4種極端弱降水指標(biāo)（表1），其中無降水日數(shù)指降水量<0.1mm的天數(shù)?？紤]到在塔里木盆地，如果選取非常極端的閾值，則會出現(xiàn)無極端降水發(fā)生，但干旱災(zāi)害嚴(yán)重的情況，因而本文選取75%及25%作為降水指標(biāo)的計(jì)算閾值。

表1 極端弱降水指標(biāo)

2 方法

在5%的置信水平下，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)[5]對各站點(diǎn)的極端弱降水指標(biāo)進(jìn)行趨勢分析，結(jié)合線性分析法計(jì)算各站點(diǎn)這些指標(biāo)的變化率，其顯著性通過F檢驗(yàn)來檢驗(yàn)。

在隨機(jī)情況下，在某個區(qū)域內(nèi)，有可能出現(xiàn)一定數(shù)量具有顯著趨勢的站點(diǎn)，而實(shí)際上該區(qū)域并不具有顯著性趨勢。因此，在區(qū)域內(nèi)檢驗(yàn)出顯著趨勢站點(diǎn)并不能說明該區(qū)域具有顯著趨勢，必須對其進(jìn)行區(qū)域的顯著性檢驗(yàn)[6]。本文利用MonteCarlo模擬方法對塔里木盆地的區(qū)域趨勢模擬1000次，以此得到該區(qū)域的顯著性水平。

3 結(jié)果

3.1 CDD的時空變化特征

統(tǒng)計(jì)塔里木盆地40個站點(diǎn)的CDD序列，求出不同CDD的發(fā)生頻率(圖1(a))。出現(xiàn)頻率最高的CDD是90-100天，達(dá)到13%；頻率次高的是70-80天，達(dá)到12.3%；CDD超過170天的頻率極低。年內(nèi)最容易發(fā)生持續(xù)時間為70-100天的最長連續(xù)無降水事件。

從圖1(b)中可以看出，80-100天的CDD自1961-2009年間分布的較為均勻；大于140天的CDD主要出現(xiàn)在1980年之前；100-140天的CDD基本上出現(xiàn)在1993年之前；而60-80天的CDD出現(xiàn)在1964-1969年及1982年之后；40-60天的CDD自1983年之后出現(xiàn)的較多；2004年之后才出現(xiàn)了較短長度的CDD（20-40天）。綜上所述，塔里木盆地的CDD主要集中在80-100天/年，大于100天的CDD隨時間的變化出現(xiàn)的頻率越來越低，而小于100天的CDD自1985年之后出現(xiàn)的越來越多。這一現(xiàn)象表明該區(qū)域的最長連續(xù)無降水日數(shù)在縮短，極端干旱的情況在逐年減輕，這與普宗朝[1]等得到該區(qū)域氣候總體呈較明顯的濕化趨勢相一致。

1961-2009年平均CDD呈顯著的減少，變化率為-5.4d/10a，通過了的顯著性檢驗(yàn)。CDD多年平均值為97.2d。CDD在20世紀(jì)60年代至70年代相對偏多，80年代至今相對偏少，CDD在1982年發(fā)生突變。最大連續(xù)無降水日數(shù)的減少，有力地說明了整個盆地的極端干旱情況有所減輕。

圖1 CDD的頻率分布(a)及時間演變(b)

從CDD的M-K趨勢分析結(jié)果可以看出（圖2(a1)），塔里木盆地大部分站點(diǎn)的CDD有顯著減少的趨勢，其中23個站顯著減少，僅有4個不顯著上升的站。絕大部分站CDD的減少幅度達(dá)到-9.1-0d/10a，6個站點(diǎn)的 CDD減少幅度較大，達(dá)到 -18.3--9.2d/10a。增長率為0-5.6 d/10a的站點(diǎn)主要分布在盆地的西南部（圖 2(a2)）。

CDD從盆地西北部向東南部增大。盆地西北部的CDD多為75-105d，東南部的CDD多為105-135d。盆地西北部的年最長連續(xù)無降水日數(shù)少于盆地東南部的最長連續(xù)無降水日數(shù)，說明盆地西北部的極端干旱情況明顯較東南部輕。

盆地絕大多數(shù)站點(diǎn)CDD呈現(xiàn)減少趨勢的結(jié)果與上一部分中分析CDD隨時間演變的結(jié)果一致。從圖1(b)分析得出，20世紀(jì)80年代中期以前，歷時較長的CDD出現(xiàn)較多，但這一情況從80年代中期以后發(fā)生了改變，80年代中期以后CDD的持續(xù)時間開始變短。CDD隨時間演變的規(guī)律與采用M-K分析得出各站點(diǎn)的趨勢相一致，正是由于絕大多數(shù)站點(diǎn)CDD顯著減少導(dǎo)致了整個盆地CDD持續(xù)時間的改變。

圖3 D25的頻率分布(a)及時間演變(b)

圖 2(a1)CDD、(b1)D25、(c1)P25的 M-K 趨勢；(a2)CDD、(b2)D25、(c2)P25變化率

3.2 D25的時空變化特征

頻率最高的D25是5-10天，達(dá)到45.2%；頻率次高的是0-5天，達(dá)到43.1%；D25超過20天的頻率非常低（圖3(a)）。由此可見該區(qū)域年內(nèi)最容易出現(xiàn)0-10天的極端弱降水。

從圖3(b)中可以看出，0-10天的D25自1961-2009年間分布的較為均勻；大于30天的D25主要出現(xiàn)在1966年之前；20-30天的D25基本上出現(xiàn)在1964年之前；而10-20天的D25主要出現(xiàn)在1980年之后。綜上所述，塔里木盆地每年的D25主要集中在0-10天，大于20天的D25隨時間的變化出現(xiàn)的頻率越來越低，而長度處于10-20天的D25自1980年之后開始出現(xiàn)的較多。

1961-2009年，D25呈增加的趨勢，變化率為0.3d/10a，通過了的顯著性檢驗(yàn)。D25多年平均值為5.7d，20世紀(jì)80年代中期以前，D25相對偏少；80年代中期以后，D25開始偏多。D25的增加，說明盆地極端弱降水日數(shù)有所增加，但增加的速度十分緩慢。

塔里木盆地絕大部分站點(diǎn)的D25有上升趨勢，其中有27個顯著上升的站，不顯著上升的站主要集中在盆地的西南部（圖2(b1)）。D25增長幅度較大的站主要分布在盆地的西北部，增長率達(dá)到1.1-2.1d/10a；D25增長幅度較小的站主要分布在盆地的西南部和東北部，增長率達(dá)到0-1.0d/10a（圖2(b2)）。

D25從盆地西北部向東南部減少，與CDD的空間分布相反，表明盆地西北部的極端弱降水日數(shù)多于盆地的東南部。盆地西北部的D25集中在5-11d，東南部的D25集中在3-5 d。

盆地的D25有增多趨勢，與CDD的變化趨勢相反，表明該區(qū)域年最長連續(xù)無降水日數(shù)在逐步減少的同時，極端弱降水日數(shù)卻在增加。兩者的變化幅度差異很大，D25的增加率僅達(dá)到1.1-2.1d/10a，而CDD的減少率卻達(dá)到-9.1-0d/10a，說明CDD的變化幅度明顯于D25的變化幅度。盡管絕大多數(shù)站點(diǎn)的D25有顯著增加的趨勢，但因其變化率較小導(dǎo)致D25的增加較為緩慢，未來很長一段時間D25基本上仍處于0-20d/a。

3.3 P25的時空變化特征

出現(xiàn)頻率最高的P25是0.5-1.0mm，達(dá)到38.9%；頻率次高的是0-0.5mm，達(dá)到27.8%；頻率較高的是1.0-1.5mm，達(dá)到17.9%（圖(4a)）。年內(nèi)P25超過4.0 mm的頻率非常低，由此可見年內(nèi)最容易發(fā)生P25為0-2.0mm的極端降水事件。

從圖4(b)中可以看出，0-2.0mm的P25自1961-2009年間分布的較為均勻；介于2.0-3.0mm的P25主要出現(xiàn)在2000年之后；3.0-4.0mm的P25基本上出現(xiàn)在1965年之前；而4.0-6.0mm的P25在1961-2009年間極少出現(xiàn)。這一現(xiàn)象表明該區(qū)域的年內(nèi)極端弱降水量基本上在2.0mm以下，超過2.0mm以上的極端降水極少出現(xiàn)。目前這種極端弱降水的降水量還沒有出現(xiàn)較大的改變，一般情況下會少于2.0mm/a。

P25在1961-2009年呈增加的趨勢，變化率為0.06mm/10a，通過了的顯著性檢驗(yàn)。P25多年平均值為0.84mm，20世紀(jì)80年代中后期以前，P25相對偏少；80年代中后期以后，P25開始偏多。P25在1986年發(fā)生突變。P25的增加說明盆地的極端弱降水量有增加，但增加的速度同樣十分緩慢。

圖4 P25的頻率分布(a)及時間演變(b)

從P25的M-K趨勢分析結(jié)果可以看出（圖2(c1)），塔里木盆地絕大部分站點(diǎn)有上升趨勢，其中有一半站點(diǎn)有顯著上升趨勢，這些顯著上升的站主要集中在盆地的西北部。P25增加率達(dá)到0.17-0.33mm/10a的站點(diǎn)主要分布在盆地的西北部；有23個站點(diǎn)的 P25增加幅度達(dá)到 0-0.16mm/10a；P25減少率為 -0.51-0 mm/10a的站點(diǎn)主要集中在盆地的西南部（圖2(c2)）。

P25的空間分布與D25的空間分布相似，都是從盆地西北部向東南部減少，表明極端弱降水日數(shù)多的區(qū)域，相應(yīng)的極端降水量也多。盆地西北部的P25集中在0.8-1.6mm，東南部的P25集中在0.5-0.8mm。

3.5 區(qū)域顯著性檢驗(yàn)

結(jié)合F檢驗(yàn)的線性計(jì)算和M-K檢驗(yàn)來分析各極端弱降水指標(biāo)的區(qū)域顯著性（表2），采用這兩種檢驗(yàn)方法得到的各站點(diǎn)顯著性有可能不同，但這兩種檢驗(yàn)方法得到的趨勢基本上保持一致。運(yùn)用Monte Carlo模擬方法來檢驗(yàn)各極端弱降水指標(biāo)變化趨勢在塔里木盆地的顯著性，大部分指標(biāo)的區(qū)域顯著程度超過95%，說明這些指標(biāo)在該區(qū)域具有顯著趨勢。從表2中可以看出，CDD和P25的兩種檢驗(yàn)結(jié)果比較接近，顯著上升和顯著下降的站點(diǎn)數(shù)相差不大。

表2 區(qū)域顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文研究塔里木盆地極端弱降水指標(biāo)的時空變化和分布特征，得到如下結(jié)論：

⑴CDD主要集中在80-100天/年，歷時較長的CDD（≥100天）自20世紀(jì)80年代中期以后出現(xiàn)的較少，歷時較短的CDD（≤80天）基本上是從80年代中期以后開始出現(xiàn)。一半以上站點(diǎn)的CDD有顯著下降趨勢，塔里木盆地的年最長連續(xù)無降水日數(shù)有減少的趨勢。

⑵D25主要集中在0-10天，歷時較長的D25（≥20天）集中在60年代中期以前出現(xiàn)，歷時介于10-15天的D25主要從80年代開始出現(xiàn)。一半以上站點(diǎn)的D25有顯著上升趨勢，塔里木盆地的這種極端弱降水日數(shù)有增加的趨勢。大多數(shù)站點(diǎn)D25的增加幅度不超過1d/10a。

⑶P25主要集中在0-1.5mm，介于2-3mm的P25基本上從2000年之后才開始出現(xiàn)。有超過一半的站點(diǎn)P25增加幅度達(dá)到0-0.16mm/10a。目前這種極端弱降水的降水量基本上少于2.0mm/a。

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