烏魯木齊城區(qū)近40年來降水量的變化特征

蔣慧敏 劉春云 宮恒瑞

摘要

利用線性回歸、氣候趨勢法及R/S等數(shù)理統(tǒng)計方法，對烏魯木齊地區(qū)1971～2010年5個測站逐日的降水量變化進(jìn)行研究。結(jié)果表明，近40年烏魯木齊地區(qū)降水量呈上升趨勢，氣候傾向率為22.29 mm/10a;而年平均降水日數(shù)也呈上升趨勢，但相比較降水量的增加來說，降水日數(shù)的增加不是很明顯，其氣候傾向率為1.12 d/10a，其中市區(qū)降水天數(shù)增加的最為明顯;除秋季外，其余季節(jié)降水量均呈增加趨勢，而四季的降水日數(shù)均呈正趨勢，各站逐月降水量和降水日數(shù)分布表現(xiàn)不一致;烏魯木齊地區(qū)降水量和降水日數(shù)的R/S分析結(jié)果表明，在未來的一段時間內(nèi)兩者均保持著上升趨勢。

關(guān)鍵詞 降水量;烏魯木齊;變化特征

中圖分類號 S161.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2014）34-12215-04

Variation Features of Precipitation in Urumqi Region in Recent 40 Years

JIANG Huimin， LIU Chunyun， GONG Hengrui

（Urumqi Weather Bureau in Xinjiang， Urumqi， Xinjiang 830002）

Abstract The daily precipitation of the five meteorological stations in Urumqi from 1971 to 2010 were studied by using the methods of linear regression， climate trend method and rescaled range analysis（R/S） method. The results showed that the average annual rainfall overall presented an increasing trend at the variation tendency rate of 22.29 mm/10a in the Urumqi region in recent 40 years. The precipitation days also increased， but compared with the precipitation amount， the increase of precipitation days is not obvious with the tendency rate of 1.12 d/10a， and urban precipitation days increase most obvious. In addition to the autumn， the other season precipitation were increased， trends of fourseason precipitation days were all positive， monthly precipitation and precipitation days distribution performance is inconsistent in five stations. R / S analysis showed precipitation quantity and precipitation days will maintain an upward trend winthin a period in the future.

Key words ?Precipitation; Urumqi; Variation characteristics

新疆地處我國的西北地區(qū)，是著名的干旱區(qū)，位于新疆中北部的烏魯木齊地處歐亞大陸中心、天山中段北麓、準(zhǔn)葛爾盆地南緣。水資源是地處內(nèi)陸干旱區(qū)的烏魯木齊市最寶貴的資源，人均淡水資源占有量僅為全國人均的1/5、世界的1/21，是我國30個嚴(yán)重缺水的城市之一。 ? ? 近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)，烏魯木齊生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水矛盾變得更加尖銳突出，水資源的短缺和合理開發(fā)利用已經(jīng)成為一個極為現(xiàn)實(shí)的問題。烏魯木齊存在著冰川融水、地表徑流和地下徑流等不同形態(tài)的水資源，降水是水資源的補(bǔ)給來源，降水的變化直接影響水資源的變化。因此，烏魯木齊市自然降水的變化成為關(guān)注的重點(diǎn)[1-4]。筆者在此對1971～2010年烏魯木齊地區(qū)年、季、月降水量和雨日的變化特征進(jìn)行詳細(xì)分析，研究烏魯木齊市降水量的變化規(guī)律。

1 ?資料與方法

1.1 ? 資料選取

利用烏魯木齊市市區(qū)、米泉、達(dá)坂城、小渠子和大西溝5個國家站1971～2010年逐日降水資料，建立月、季、年降水量的逐年時間序列，市區(qū)、米泉、達(dá)坂城、小渠子和大西溝分別代表烏魯木齊市的中部、北部、東部、山區(qū)中山帶和高山帶。季節(jié)劃分為春季（3～5月份）、夏季（6～8月份）、秋季（9～11月份）、冬季（12月～次年2月份）。

1.2 ?分析方法

降水量、降水日數(shù)變化趨勢分析采用氣候傾向率[5]，并通過對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，來判斷這種回歸趨勢是否顯著;為了更明確地了解降水的年際變化特征，計算了降水量和降水日數(shù)的變幅Pm，Pm=（Amax-Amin）/A×100%[6]， 式中，Amax、Amin和A分別為年最大、年最小、年平均降水量或降水日數(shù)，并結(jié)合R/S分析法對各站的降水日數(shù)和降水量的未來趨勢進(jìn)行分析。

R/S（重標(biāo)度）分析方法是由英國水文學(xué)家H.E.Hurst于1965 年在總結(jié)尼羅河的多年水文觀測資料時提出的一種時間分行特征的統(tǒng)計方法[7]。B.B.Mandelbrot和Wallis又在理論上對該方法進(jìn)行補(bǔ)充和完善，從而為研究時間序列的長期持續(xù)性提供了理論與依據(jù)，因此該方法被廣泛地應(yīng)用于水文、經(jīng)濟(jì)、氣象等領(lǐng)域，其基本原理為：

考慮一個時間序列{ξ（t）}，1，2，…，對于任意正整數(shù)τ≥1，定義均值序列

<ξ>τ=1τ∑τt=1ξ（t）（τ=1，2，…），

累積離差為

X（t，τ）=∑tu=1（ξ（u）-<ξ>τ）（1≤t≤τ），

極差為

R（τ）=max1≤t≤τX（t，τ）-min1≤t≤τX（t，τ）（τ=1，2，…），

標(biāo)準(zhǔn)差為

S（τ）=[1τ

∑τt=1（ξ（t）-<ξ>τ）2]12（τ=1，2，…），

現(xiàn)考慮比值R（τ）/S（τ）ΔR/S，若存在R/S∝τH關(guān)系，

則說明所分析的時間序列存在Hurst現(xiàn)象，H成為Hurst指數(shù)。H值可根據(jù)計算出的（τ，R/S）的值，用線形回歸的方法解出。根據(jù)H的大小可以判斷該時間序列是完全隨機(jī)的抑或是存在趨勢性成分。趨勢性成分是表現(xiàn)為持續(xù)性還是反持續(xù)性。當(dāng)H=0.5，表明時間序列表現(xiàn)為隨機(jī)性，呈相互獨(dú)立、方差有限的正態(tài)分布，此時序列具有不可預(yù)測性;0.5

2 ?結(jié)果與分析

2.1 烏魯木齊地區(qū)降水的年際變化特征分析

2.1.1

年平均降水量的年際變化特征。由表1可見，1971～2010年新烏魯木齊區(qū)域年平均降水量為321.5 mm，最多為467.5 mm，最少為181.1 mm，其中位于山區(qū)的小渠子和大西溝年平均降水量分別為551.7和464.1 mm，其次位于平原的市區(qū)和米泉的年平均降水量明顯減小，分別為279.6和239.3 mm，降水最少的區(qū)域出現(xiàn)在達(dá)坂城，為72.9 mm，最大和最小降水量的分布與平均降水量的分布一致;從傾向率和趨勢系數(shù)分析，各區(qū)的年降水量均呈現(xiàn)增加的趨勢，平均增加的速率達(dá)22.29 mm/10a，趨勢系數(shù)為36.52，其中小渠子和大西溝的變化趨勢最為明顯，分別為32.12、30.17 mm/10a，且回歸效果達(dá)到了α=0.01的顯著水平，城區(qū)、達(dá)坂城也呈明顯的增加趨勢，分別通過了α=0.01和α=0.05的顯著水平，米泉雖呈上升趨勢，但回歸效果的顯著性不明顯。5站的年降水量的標(biāo)準(zhǔn)差差別也較大，為33.40～101.90不等，而變幅的區(qū)域范圍主要分布在73%～174%。

表1 ? 1971～2010年烏魯木齊地區(qū)年平均降水量統(tǒng)計特征

站點(diǎn) 降水量∥mm

最大最小平均傾向率

mm/10a趨勢系數(shù)相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差變幅∥%

市區(qū)419.5131.3279.627.3443.490.43**72.57103

米泉365.5121.4239.312.7226.050.2656.40102

達(dá)坂城151.324.772.99.0931.430.31*33.40174

小渠子769.0334.8551.732.1236.390.36**101.9079

大西溝632.4293.4464.130.1745.230.45**77.0273

平均467.5181.1321.522.2936.520.36**68.26106

注：*表示通過0.05顯著性檢驗(yàn)，**表示通過0.01顯著性檢驗(yàn)。

2.1.2

年平均降水日數(shù)的年際變化特征。由表2可見，全區(qū)的年平均降水日數(shù)與年平均降水量的空間分布較為一致，總體差異較為明顯。40年來烏魯木齊區(qū)域年平均降水日數(shù)為93 d，最多為113 d，最少為71 d，其中位于山區(qū)的小渠子和大西溝年平均降水日數(shù)分別為124和149 d，其次位于平原的市區(qū)和米泉的年平均降水日數(shù)明顯減小，分別為84和79 d，降水日數(shù)最少的區(qū)域仍為達(dá)坂城，為31 d，最大和最小降水日數(shù)的分布與平均降水日數(shù)的分布一致;從傾向率和趨勢系數(shù)分析，各區(qū)的年降水日數(shù)均呈現(xiàn)增加的趨勢，平均增加的速率達(dá)1.12 d/10a，趨勢系數(shù)為12.14，其中變化趨勢最明顯的為市區(qū)，為2.08 d/10a，其他各區(qū)也有所增加但不明顯，5站的回歸效果的顯著性均不明顯;5站的年降水量的標(biāo)準(zhǔn)差差別位于41.77～75.83，而變幅的區(qū)域范圍主要分布在27.52%～93.54%。

表2 ?1971～2010年烏魯木齊地區(qū)年平均降水日數(shù)統(tǒng)計特征

站點(diǎn) 降水日數(shù)∥d

最大最小平均傾向率

d/10a趨勢系數(shù)相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差變幅∥%

市區(qū)10662842.0820.090.2075.8352.38

米泉10253791.2914.300.1466.0062.03

達(dá)坂城4415310.376.500.0641.7793.54

小渠子1471001241.0611.780.1165.6837.90

大西溝1651241490.788.020.0871.5727.52

平均11371931.1212.140.1264.1754.67

2.2 烏魯木齊地區(qū)降水的季變化特征分析

2.2.1

平均降水量的季變化特征。

由表3可見，近40年烏魯木齊區(qū)域夏季降水量增加趨勢最大，為12.21 ?mm/10a;其次為春季7.68 ?mm/10a，冬季增加趨勢較弱，而秋季的降水趨勢呈現(xiàn)減小的趨勢。高山帶大西溝站全年4個季節(jié)的降水量均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中春夏季回歸效果達(dá)到顯著水平，秋、冬季未達(dá)到顯著水平;城區(qū)和米泉站變化趨勢與中山帶一致，春、夏、冬季均為上升趨勢，但冬季上升趨勢較弱，秋季為下降趨勢，而米泉僅冬季回歸效果達(dá)到顯著水平;市區(qū)在春、夏、冬季均達(dá)到顯著水平，而達(dá)坂城區(qū)春、秋季均為下降趨勢，而夏冬兩季呈現(xiàn)上升趨勢，其中夏季回歸達(dá)到了顯著水平。綜上所述，春夏兩季降水量的增加對年降水量的增加貢獻(xiàn)最大。高山帶降水量四季均為上升趨勢，中山帶、城區(qū)和平原區(qū)為相同的趨勢，而達(dá)坂城區(qū)春季和其他各區(qū)呈相反趨勢。

2.2.2

平均降水日數(shù)的季變化特征。從烏魯木齊地區(qū)各季降水日數(shù)的傾向率分析（表4）來看，四季降水日數(shù)的變化趨勢均不是很明顯，但趨勢又呈不同的變化，中山帶小渠子四季均呈弱增長趨勢，回歸效果均不顯著;高山帶大西溝僅秋季降水日數(shù)有所增加，并通過了0.05的回歸顯性分析;米泉和達(dá)坂城變化的較為一致，夏、冬兩季降水日數(shù)增加，而春秋季的降水日數(shù)有所減少，其中米泉的春季回歸效果超過了0.01的顯著性檢測，而其他季節(jié)均呈不顯性;達(dá)坂城四季降水日數(shù)的回歸效果均呈不顯性;市區(qū)春夏冬季的降水日數(shù)均略有增加，秋季呈相反趨勢，同樣四季均呈不顯性。

表3 ? 1971～2010年烏魯木齊地區(qū)各站四季降水量氣候傾向率與相關(guān)系數(shù)

站名春季

傾向率

mm/10a相關(guān)系數(shù)

夏季

傾向率

mm/10a相關(guān)系數(shù)

秋季

傾向率

mm/10a相關(guān)系數(shù)

冬季

傾向率

mm/10a相關(guān)系數(shù)

米泉6.050.225.580.19-3.660.194.220.38**

市區(qū)10.090.31*11.310.33*-1.250.056.800.46**

小渠子15.860.42**13.290.23-0.150.013.270.34**

大西溝6.650.43**21.900.38**1.160.060.390.12

達(dá)坂城-0.230.048.970.36**-0.250.020.610.25

平均7.680.2912.210.30-0.830.073.060.31

注：*表示通過0.05顯著性檢驗(yàn)，**表示通過0.01顯著性檢驗(yàn)。

表4 ? ? ? 1971～2010年烏魯木齊地區(qū)各站四季降水日數(shù)氣候傾向率與相關(guān)系數(shù)

站名春季

傾向率

d/10a相關(guān)系數(shù)

夏季

傾向率

d/10a相關(guān)系數(shù)

秋季

傾向率

d/10a相關(guān)系數(shù)

冬季

傾向率

d/10a相關(guān)系數(shù)

米泉-0.240.55**0.420.110-0.430.121.410.29

市區(qū)0.480.110.440.120-0.130.031.120.21

小渠子0.660.120.010.0010.190.040.120.03

大西溝-0.030.01-0.630.1301.350.32*-0.060.02

達(dá)坂城-0.760.290.760.230-0.410.020.670.23

平均0.020.220.200.1100.110.120.650.16

注：*表示通過0.05顯著性檢驗(yàn)，**表示通過0.01顯著性檢驗(yàn)。

2.3 烏魯木齊地區(qū)降水的月變化特征分析

從近40年來烏魯木齊地區(qū)5站的月平均降水量變化和月平均降水日數(shù)（圖1）可以看出，各站月平均降水量和月平均降水日數(shù)的變化趨勢較為一致，而5站的變化趨勢又不盡相同，小渠子和大西溝逐月降水量和降水日數(shù)趨勢變化基本一致，呈現(xiàn)明顯的單峰型分布，5～8月是全年降水活動活躍的月份，其中6～7月降水活動最為頻繁，這與夏季太陽輻射強(qiáng)、水汽條件充沛、足夠的熱力加上山區(qū)的地形作用容易形成局地性的強(qiáng)對流天氣密切相關(guān);而其他3站明顯呈現(xiàn)多波動狀態(tài)，6～7月和12月～次年1月為米泉、市區(qū)和達(dá)坂城月平均降水量的相對大值區(qū)，而在降水日數(shù)分布圖中，米泉和市區(qū)的降水日數(shù)變化趨勢不明顯，而達(dá)坂城的日數(shù)變化也是呈現(xiàn)單峰型，集中在6～8月，對比分析發(fā)現(xiàn)，山區(qū)的降水主要以雨的形式突出體現(xiàn)，而城區(qū)、米泉和達(dá)坂城12月～次年1月份降水日數(shù)不多，但降水量明顯有所加強(qiáng)，說明冬季3站降水量級較大，以中到大雪或暴雪為主。

2.4 烏魯木齊地區(qū)降水的未來趨勢分析

2.4.1

各站年平均降水量的未來趨勢。

用R/S法分析烏魯木齊市各站降水量近40年來的的H指數(shù)，從圖2可以看出，烏魯木齊市各站的降水量均呈明顯的Hurst現(xiàn)象，各站的Hurst指數(shù)均遠(yuǎn)大于0.5，說明未來各站降水量與過去40年具有相同的趨勢，即烏魯木齊市各站的降水量均將維持增長的趨勢，即降水量未來將繼續(xù)增加，參考馮新靈等對Hurst進(jìn)行的分級[8]，大西溝站的Hurst值超過了0.8，為5級，持續(xù)性強(qiáng)度方面表現(xiàn)出非常強(qiáng)的勢頭，其他站的Hurst也到4級，也表現(xiàn)出很強(qiáng)的持續(xù)性，并結(jié)合氣候傾向率以及顯著性檢驗(yàn)綜合分析得出，明顯是小渠子增加最大，所以兩者結(jié)合來看，未來的一段時間內(nèi)將是小渠子的降水量增幅最大，其次依次為大西溝、市區(qū)、米泉和達(dá)坂城。

2.4.2

各站年平均降水日數(shù)的未來趨勢。

從圖3可以看出，烏魯木齊市各站的降水日數(shù)同樣存在著明顯的Hurst現(xiàn)象，R/S分析結(jié)果表明年平均降水日數(shù)的長期相關(guān)特征表現(xiàn)為持續(xù)性，即烏魯木齊市各站的降水日數(shù)均將維持增長的趨勢，說明降水日數(shù)未來將繼續(xù)增加;其中市區(qū)的Hurst指數(shù)達(dá)到5級，米泉、達(dá)坂城達(dá)到4級，3站的持續(xù)性強(qiáng)度均表現(xiàn)非常強(qiáng);大西溝達(dá)到3級，也表現(xiàn)出較強(qiáng)的持續(xù)性;僅小渠子達(dá)到2級，持續(xù)性強(qiáng)度方面表現(xiàn)相對較弱。烏魯木齊地區(qū)各站的年平均降水量和年平均降水日數(shù)有著幾乎一致的增加趨勢，但增加趨勢的持續(xù)性強(qiáng)度方面表現(xiàn)出不一致，總的來說，降水量序列增加趨勢的持續(xù)性強(qiáng)勁勢頭好于降水日數(shù)系列。

3 ?結(jié)論

（1）烏魯木齊地區(qū)1971～2010年降水量以增加趨勢為主，中、高山帶以30.17～32.12 mm/10a的顯著趨勢增加，而全市年降水日數(shù)也呈增加趨勢，但總體表現(xiàn)不顯著，其中市區(qū)以2.08 d/10a的速率增加。

（2）四季中，夏季降水量增加趨勢最大，為12.21 mm/10a;其次為春季7.68 ?mm/10a，冬季增加趨勢較弱，而秋