葉爾羌河徑流量與降水量的變化特征分析

胡林金，王 博，胡尚志，王永康

(1.新疆喀什水文水資源勘測局，新疆 喀什844000;2.新疆伽師縣水利局，新疆 喀什 844000;3.新疆巴州水文水資源勘測局，新疆 庫爾勒841000)

全球氣候變化已成為科學(xué)界極為關(guān)注的熱點問題之一［1，2］。根據(jù)IPCC第四次評估報告，近100 a來全球氣溫升高了0.74℃，從而導(dǎo)致區(qū)域水資源系統(tǒng)時空再分配［3］。受全球變暖影響，中國西北部也發(fā)生了從暖干向暖濕化轉(zhuǎn)變的強(qiáng)勁信號［4～6］。塔里木河作為西北干旱區(qū)典型的純耗散型內(nèi)陸河，也是我國最大的內(nèi)陸河流域，干流不產(chǎn)流，徑流主要依靠源流山區(qū)降水與冰川融水補給，因此對氣候變化的響應(yīng)更為敏感。

葉爾羌河是塔里木河源流區(qū)最長的河流，也是塔里木河干流水資源重要的補給來源，并在卡群水文站以上為源流產(chǎn)水區(qū)［7］。近年來，隨著該流域上、中游灌溉面積與人口的快速增加，水資源的過度開發(fā)利用已嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展［8～9］。然而有關(guān)葉爾羌河流域的研究相對還較少，但也有一些有意義的結(jié)論。如孫本國［10～11］等人利用流域內(nèi)氣象站點、水文站點分析得出:在全球氣候變暖的大背景下，流域內(nèi)氣溫升高，降水增加，呈現(xiàn)出明顯的增暖、變濕趨勢;通過年代際分析，指出降水、年徑流量呈線性增加趨勢;同時具有季節(jié)性特點:夏季降水的線性增濕最為顯著，冬季呈不明顯的線性下降趨勢。以往的研究采用的方法主要是季節(jié)性變化、年代際變化和線性趨勢，本文欲引入趨勢分析和小波分析等方法對流域徑流量和降水量做進(jìn)一步研究。

此外，葉爾羌河徑流量年內(nèi)分配極不均勻，洪澇災(zāi)害頻繁。因此，加強(qiáng)流域內(nèi)降水量與徑流量的多尺度變化研究就顯得十分重要?；诖耍疚姆治隽巳~爾羌河降水量與徑流量的趨勢和突變，并通過小波分析甄別了二者的主周期及未來變化趨勢，以期為實現(xiàn)該區(qū)水資源的可持續(xù)利用提供決策參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

葉爾羌河全長1 097 km，徑流主要依靠高山冰雪融水補給，約占徑流總補給量的77.4%，其徑流量年內(nèi)分配極不均勻，6～8月份約占徑流總來水量的70%。

流域地處塔里木河流域西南部，天山南坡，且毗鄰塔克拉瑪干沙漠，地理坐標(biāo):34°50'～ 40°31'N，74°28'～ 80°54'E，流域總面積 9.89 ×104km2，耕地面積 7.53 ×106ha，人口1.9×106。流域內(nèi)多年平均降水量30～60 mm，并從山區(qū)至平原逐漸減少，溫度10.6℃ ～11.5℃，干旱少雨，為極端干旱氣候區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本文收集了葉爾羌河源卡群水文站1957—2009年的逐月徑流實測數(shù)據(jù)及1957—2007年的降水量逐月實測數(shù)據(jù)，該站以上未經(jīng)人為灌溉和分流，受人類干擾較小，可看作天然徑流量。

1.3 分析方法

1.3.1 Mann － Kendall單調(diào)趨勢檢驗

在Mann－Kendall單調(diào)趨勢檢驗中，原假設(shè)認(rèn)為時間序列的增減趨勢或者突變不明顯;而備擇性假設(shè)認(rèn)為時間序列變化趨勢顯著［12］。從檢驗?zāi)芰ι峡?，使用非參?shù) Mann－Kendall單調(diào)趨勢檢驗要優(yōu)于參數(shù)t檢驗，并且無須事先假定樣本的統(tǒng)計分布［13］。

1.3.2 小波分析

小波分析是一種窗口大小固定但形狀可變的時頻局部化分析方法，在時域和頻域上同時具有良好的局部性質(zhì)，能將水文時間序列分解成交織在一起的多尺度成分，并對不同尺度成分采用相應(yīng)粗細(xì)的時域取同步長，能夠不斷地聚集到所研究對象的任意微小細(xì)節(jié)，同時在數(shù)學(xué)上具有嚴(yán)格意義的突變點診斷能力。因此，小波在水文學(xué)上的應(yīng)用越來越廣泛［14－15］。本文利用Morlet小波變換探討葉爾羌河流域源流區(qū)年降水量與徑流量的多時間尺度變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉爾羌河徑流量與降水量的趨勢分析

利用研究區(qū)近50 a的逐月實測徑流量與降水量數(shù)據(jù)，借助Mann－Kendall單調(diào)趨勢檢驗對二者進(jìn)行趨勢檢驗(見表1)。

表1 葉爾羌河降水量與徑流量的Mann－Kendall單調(diào)趨勢檢驗

在表1中，經(jīng)過Mann－Kendall單調(diào)趨勢檢驗，葉爾羌河徑流量的檢驗統(tǒng)計量 Zc=1.11＜Z0.05=1.96(經(jīng)查表，在0.05顯著水平下，Z0.05=1.96)，表明其增加趨勢不顯著。對于降水量，其檢驗統(tǒng)計量為2.92，表明其增加趨勢在0.05檢驗水平下達(dá)到顯著水平。同時，根據(jù)累積距平曲線(見圖1)，葉爾羌河徑流量在1957—1961年呈輕微的增加趨勢，1962—1993年表現(xiàn)為水平狀，而1993年后累積距平線呈顯著增加趨勢。降水量的在1957—2007年波動劇烈，具體在1957—1986年迅速下降后，于1987—1993年呈輕微的上升，而在1994—2001年波動較為平緩，但在2001后轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的上升。

圖1 葉爾羌河源流區(qū)徑流量與降水量的累積距平

2.2 徑流量與降水量集中度指數(shù)的周期性分析

小波分析不僅可以找出不同時間尺度處的主周期，而且可以分辨出不同時間尺度處周期的位相和波動強(qiáng)度。在圖2中，小波系數(shù)為正時，表明徑流量或降水量偏多，為豐水期;小波系數(shù)為負(fù)時為枯水期，而為0時意味著突變期。小波方差的波峰值意味著主周期所在的時間尺度。

圖2 徑流量與降水量的小波分析

在圖2中，葉爾羌河徑流量在年際變化以3和9 a周期為主，但以9 a最為顯著，這可通過徑流量的小波方差圖得以驗證。同時，從該圖還可知，在年代際同時存在17 a的主周期。對于 9 a周期，徑流量在 1959—1962年、1966—1968年、1971—1973 年、1977—1979 年、1983—1985 年、1988—1990年、1994—1995年、1999—2001年和 2005—2007年年呈正位相，意味著豐水期，而其他時段為負(fù)位相，表明處于枯水期。17年主周期在1958、1970、1983、1996和2008年發(fā)生了5次豐枯突變。對于降水量，在年際以8 a的主周期為主，而在年代際以22 a周期最為顯著。由降水量的小波系數(shù)圖可知，8 a周期的小波系數(shù)位相呈正負(fù)周期性的交替振蕩。22 a周期在1985年發(fā)生了由枯至豐的突變。根據(jù)相關(guān)研究，研究區(qū)降水量與徑流量的周期變化與大尺度的北極濤動、北大西洋濤動等大氣環(huán)流及太陽黑子活動存在一定的相關(guān)關(guān)系［16～21］。

2.3 徑流量與降水量的預(yù)測

由小波分析可知，葉爾羌河徑流量和降水量皆存在明顯的周期特性，考慮到二者的主周期長度和小波預(yù)測的時效性，以徑流量9 a和降水量8 a的小波系數(shù)為建模依據(jù)，選擇10 a(2008～2017年)為預(yù)見期，對研究區(qū)徑流量與降水量進(jìn)行預(yù)測。首先，對研究區(qū)徑流量與降水量的小波系數(shù)值進(jìn)行非線性擬合，得到以下方程:

利用上述方程，預(yù)測得到葉爾羌河降水量與徑流量在未來10 a(2008—2017年)的周期性變化(圖3)。根據(jù)圖3，徑流量在9 a周期處的2008—2011年和2015—2017年將處于枯水期，而降水量8 a周期在2008—2010年和2013—2015年將處于枯水期。

圖3 降水量與徑流量預(yù)測

在圖3中，葉爾羌河徑流量與降水量的變化趨勢存在不一致性，這看似與事實不符，究其原因，一方面由于葉爾羌河源流區(qū)以固體降水為主，積雪需長時間消融，或者先進(jìn)入地下水然后經(jīng)過潛流才溢出，因而對徑流變化的影響具有滯后性［15］;另一方面，葉爾羌河源流徑流量主要依靠冰川與積雪融水補給，其冰雪融水占總補給量的77.4%［7］，因此徑流與氣溫的關(guān)聯(lián)性優(yōu)于降水量［11］。因此，在降水量增加時，氣溫的持續(xù)偏低將致使冰川與積雪融水減少，當(dāng)降水量的增加難以彌補冰川與積雪融水補給的損失量時，便會出現(xiàn)徑流來水量的減少。

3 結(jié)語

通過對近50年葉爾羌河年徑流量與降水量進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論:

(1)葉爾羌河徑流量增加趨勢不顯著，而降水量呈顯著的增加趨勢。具體上，徑流量在1957—1961年呈輕微的增加趨勢，1962—1993年表現(xiàn)為水平狀，而1993年后累積距平線呈顯著增加趨勢。降水量的在1957—2007年波動劇烈，具體在1957—1986年迅速下降后，于1987—1993年呈輕微的上升，而在1994—2001年波動較為平緩，但在2001后轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的上升。

(2)葉爾羌河徑流量在年際變化以3和9 a周期為主，在年代際同時存在17 a的主周期。對于降水量，在年際以8年的主周期為主，而在年代際以22 a周期最為顯著。

(3)葉爾羌河徑流量在9 a周期處的2008—2011年和2015—2017年將處于枯水期，而降水量8 a周期在2008—2010年和2013—2015年將處于枯水期。

［1］王艷君，姜彤，許崇育.長江流域20cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的時空變換.水科學(xué)進(jìn)展 ，2006，17(6):830－833.

［2］楊周，林振山.北半球過去2000年氣溫變化的多尺度分析.地理科學(xué).2010 ，30(2):295－299.

［3］IPCC Report.Climate Change 2007:Report of Working Group of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge University Press，Cambridge，2007 ，16 －72.

［4］李鳴驥 ，石培基.黑河流域張掖市近38 a以來氣候變化特征分析.中國沙漠.2007 ，27(6):1048－1054.

［5］時興合 ，李生辰 ，李棟梁.青海湖周邊年代際氣候振動及其對青海高原氣候變化的響應(yīng).中國沙漠.2008，28(5):239－248.

［6］施雅風(fēng)，沈永平，李棟梁 等.中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的特征和趨勢探討.第四紀(jì)研究.2003，23(2):152－164.

［7］劉曉梅 ，閔錦忠 ，劉天龍.新疆葉爾羌河流域溫度與降水序列的小波分析.中國沙漠.2009，29(3):566－570.

［8］李琴，陳曦.40年來葉爾羌河流域景觀變化過程分析.干旱區(qū)資源與環(huán)境.2009 ，23(4):50－58.

［9］宋憲宗.葉爾羌河流域開發(fā)中有關(guān)環(huán)境問題的探討.新疆環(huán)境保護(hù).2008，30(1):15－19.

［10］孫本國，毛煒嶧，馮燕茹.等，葉爾羌河流域氣溫、降水及徑流變化特征分析.2006，23(2):203 －209.

［11］孫本國，沈永平，王國亞.1954－2007年葉爾羌河上游山區(qū)徑流和泥沙變化特征分析.2008，30(6):1068－1072.

［12］徐長春，陳亞寧，李衛(wèi)紅，等.45 a來塔里木河流域氣溫、降水變化及其對積雪面積的影響.冰川凍土.2007，29(2):183－190.

［13］徐海量，葉茂 ，宋郁東.塔里木河源流區(qū)氣候變化和年徑流量關(guān)系初探.地理科學(xué).2007，27(2):219－224.

［14］魏娜，鞏遠(yuǎn)發(fā)，王霄.基于小波變換的陜西夏季降水量變化特征研究.中國沙漠.2007，27(6):1080－1084.

［15］魯鳳，徐建華，陳亞寧，等.葉爾羌河源流區(qū)近50年來年徑流變化及其對氣候變化的響應(yīng).第四紀(jì)研究.2010，30(1):152－158.

［16］李紅軍，江志紅 ，劉新春，等.阿克蘇河徑流變化與北大西洋濤動的關(guān)系.地理學(xué)報.2008，63(5):491－501.

［17］楊蓮梅，張慶云.北大西洋濤動對新疆夏季降水異常的影響.大氣科學(xué).2008，32(5):1187 －1196.

［18］韓添丁 ，丁永建 ，葉柏生，等.北大西洋濤動和北極濤動與新疆河川徑流變化.冰川凍土.2007，29(1):107－113.

［19］楊蓮梅 ，史玉光 ，湯浩.新疆春季降水異常的環(huán)流和水汽特征.高原氣象.2010，29(6):1464－1473.

［20］王嬌 ，任宜勇.新疆降水與環(huán)流場演變研究.干旱區(qū)研究.2005 ，22(3):226－331.

［21］曲維政 ，鄧聲貴 ，黃菲，等.太陽磁場磁性指數(shù)異常變化對南北半球中緯度氣候的影響.地球物理學(xué)報.2004，47(3):398－404.