新疆葉爾羌河水文要素變化特性分析

庫路巴依·吾布力

（喀什水文勘測局，新疆喀什844000）

新疆葉爾羌河水文要素變化特性分析

庫路巴依·吾布力

（喀什水文勘測局，新疆喀什844000）

本文基于葉爾羌河卡群水文站1954～2012年流量、降水量數(shù)據(jù)，采用M-K趨勢法和小波周期法定量分析了卡群站近59年年平均流量、年平均降水量的變化趨勢、突變分析以及周期性分析。研究結(jié)果表明：卡群站1954～2012年平均流量具有上升趨勢，但上升趨勢不顯著，存在著9年左右的小尺度，20年左右的中尺度和26年左右的大尺度三個層次變化周期；卡群站1954～2012年年降水量具有較為顯著的上升趨勢，存在著4年左右的小尺度，11年左右的中尺度和24年左右的大尺度三個層次變化周期。研究成果對于新疆喀什地區(qū)氣候變化下的水文序列分析研究提供參考價值。

M-K法；小波周期；年平均流量；年平均降水；新疆喀什地區(qū)

引言

對歷史長系列數(shù)據(jù)分析是當(dāng)前中長期水文預(yù)報的基礎(chǔ)，也是氣候變化及人類活動影響對流域水文氣象研究的關(guān)鍵要素，因此流域長系列水文氣象要素數(shù)據(jù)的分析，是當(dāng)前國內(nèi)外水文學(xué)者研究的熱點問題。對于水文氣象數(shù)據(jù)系列分析主要集中在趨勢分析、突變性分析以及周期性分析三個方面，在趨勢和突變性分析中，國內(nèi)外學(xué)者廣泛運用的方法為M-K法，方法較為成熟，也取得一定的研究成果［1-4］。對于水文氣象序列的周期性分析，國內(nèi)外學(xué)者運用較多的方法為小波分析方法，并取得一定的研究成果［5-8］。兩種方法在水文氣象系列的趨勢、突變以及周期性方面都較為成熟，本文分別運用M-K法和小波周期方法，基于新疆喀什地區(qū)卡群水文站1954～2012年年流量、年降水?dāng)?shù)據(jù)，定量分析新疆喀什地區(qū)近59年年平均流量、年平均降水的變化趨勢、突變性分析以及周期性分析。研究成果對于新疆喀什地區(qū)中長期水文預(yù)報及氣候變化下的水文序列分析提供參考價值。

1 研究方法

本文采用M-K法定量分析卡群站1954～2012年年均流量、年平均降水的變化趨勢突變分析，考慮文章篇幅原因，M-K法可詳見參考文獻(xiàn)［7］，本文著重介紹小波分析法，小波周期函數(shù)將變量函數(shù)φ（t）假定為可卷積的積分函數(shù)，通過傅里葉卷積變化函數(shù)可以對小波周期函數(shù)進(jìn)行變換，其變化的條件為∶

在方程（1）中φ（t）可以表示小波分析函數(shù)中的母函數(shù)，通過對小波周期分析函數(shù)φ（t）進(jìn)行Y方向和X方向的變量平移，可以推求得到經(jīng)過變化的小波分析函數(shù)∶

基于方程（2）可以對任意變量函數(shù)f（t）∈L2（R）進(jìn)行小波周期轉(zhuǎn)換計算∶

在方程（3）中a表示計算的時間尺度；τ表示的物理意義為X方向上變化的水平移動量；Wf（a，τ）則表示為小波分析的周期系數(shù)。

本文通過選用復(fù)Mo r 1 e函數(shù)對小波周期分析函數(shù)的水文變量序列進(jìn)行小波周期變化轉(zhuǎn)換，得到小波變化后的周期性函數(shù)的表達(dá)式為∶

方程（4）表示為小波周期變化函數(shù)通過G a us s ia n函數(shù)進(jìn)行平滑處理得到，因此該函數(shù)的Y方向的伸縮變量a與傅里葉變化函數(shù)中的分析周期T具有一定的聯(lián)系，表達(dá)式為∶

在方程（5）中c表示的為計算的常數(shù)，一般取值為c＝6.5時，小波周期T可以近似的采用Y方向的伸縮變量a來代替。

經(jīng)過小波周期變化函數(shù)可以得到一個具有時間尺度的變換函數(shù)，但是需要應(yīng)用圖解的方式對小波分析中計算過程進(jìn)行分析，因此需要采用小波方差來對小波周期分析函數(shù)進(jìn)行分析，從而確定水文變量變化的周期。小波分析方差主要是反映小波的波動能量隨著Y方向的伸縮變量a的分布函數(shù)，可以通過水文變量的時間序列來確定不同時間尺度的相對擾動強度，對應(yīng)該小波峰值處的時間尺度函數(shù)則表示為該水文變量變化的主要的周期。因此可以通過小波方差的分析圖，來確定不同時間尺度存在的一個變化周期。其中小波方差計算的表達(dá)為∶

在方程（6）中Wf（a）的物理意義為小波方差函數(shù)的計算值，Wf（a，b）的物理意義為小波分析的周期系數(shù)。對于復(fù)Mo r 1 e t小波周期分析函數(shù)而言，表示的則為小波周期系數(shù)的模數(shù)的平方值，小波方差圖的各個峰值則代表水文變量的變化較為明顯的周期。

2 新疆葉爾羌河1954～2012年水文變化特性分析

2.1卡群站年平均流量變化特性分析

2.1.1 卡群站年平均流量趨勢分析

卡群站1954～2012年年平均流量過程見圖1。

圖1 卡群站1954～2012年年平均流量過程圖

從圖1可以看出，卡群站在1954～2012年年平均流量呈現(xiàn)上升趨勢，但上升趨勢并不顯著，為對卡群站年平均徑流上升趨勢進(jìn)行檢驗，選用水文學(xué)中較為常用M-K法對其進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果見表1。

表1 卡群站年平均流量趨勢的M-K法統(tǒng)計檢驗值

由表1可知，卡群站年平均流量M-K統(tǒng)計值為1.53024，未通過置信度為90%的顯著性檢驗，表明卡群站年平均流量具有上升趨勢，但上升趨勢不顯著。

2.1.2 卡群站年平均流量突變分析

選用M-K法對卡群站年平均流量進(jìn)行突變點的分析，從而尋找卡群站1954～2012年年徑流量出現(xiàn)突變的年份，其中M-K法計算過程中正序和逆序兩個過程圖相交的點（年份）即為突變點（年份），計算結(jié)果見圖2。

圖2 卡群站1954～2012年年平均流量突變分析圖

從圖2可以看出，卡群站在1954～2012年年平均流量出現(xiàn)突變的年份較少，分別為1958年、1962年及2006年。

2.1.3 卡群站年平均流量周期變化分析

將卡群站區(qū)域的多年平均流量采用距平處理后，進(jìn)行小波周期函數(shù)分析（為消除子波變換的邊界效應(yīng)采用對稱延伸法對距平后資料進(jìn)行處理）。

圖3 卡群復(fù)Mor l e t小波系數(shù)實部圖

圖4 卡群年平均流量小波方差圖

圖3 為用年平均流量序列進(jìn)行小波變換后得出的小波系數(shù)實部圖，圖上清楚的顯示卡群地區(qū)近59年來年平均量在各個不同的時間尺度上小波周期分析的流量周期和流量周期變化的主要特征。圖中顏色較深的區(qū)域表示的流量距離平均值較大，顏色較淺，則表示為區(qū)域的年平均流量較平均值較為接近?？傮w而言，葉爾羌河流域年平均流量變化周期存在3個時間尺度，分別為9年、20年以及26年。在26年的變化周期尺度中，年平均流量變化的灰色度有逐漸增強的趨勢，葉爾羌河流域流量從1954～2012年存在著流量由多向少的三個周期變化過程。在26年的變化周期尺度中，變化周期性存在周期增長的趨勢。在20年的變化周期尺度中，葉爾羌河流域流量的變換周期性存在少-多-少-多-少-多的周期循環(huán)變化過程。而在小尺度9年的變化周期中，則表現(xiàn)的較為復(fù)雜，沒有明顯的規(guī)律性。圖4則為葉爾羌河流域卡群站年平均流量小波方差變化圖，從圖中可以看出，葉爾羌河流域卡群站年平均流量存在3個明顯的變化周期，分別為26年、20年和9年三個變化周期尺度，可以分析出，葉爾羌河流域卡群站年平均流量變化的主周期為26年。

2.2卡群站年降水量變化特性分析

2.2.1 卡群站年降水量趨勢分析

卡群站1954～2012年降水量過程見圖5。

圖5 卡群站1954～2012年降水量過程圖

從圖5可以看出，卡群站在1954～2012年降水量呈現(xiàn)上升趨勢，且上升趨勢較為顯著，同樣為對卡群站年降水量上升趨勢進(jìn)行檢驗，運用M-K法對其進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果見表2。

表2 卡群站年降水量趨勢的M-K法統(tǒng)計檢驗值

由表2可知，卡群站年降水量M-K統(tǒng)計值為1.7898，通過置信度為90%的顯著性檢驗，表明卡群站年降水量具有較為顯著的上升趨勢，且通過置信度為90%的顯著性檢驗。

2.2.2 卡群站年降水量突變分析

選用M-K法對卡群站年降水量進(jìn)行突變點的分析，從而尋找卡群站1954～2012年降水量出現(xiàn)突變的年份，其中M-K法計算過程中正序和逆序兩個過程圖相交的點（年份）即為突變點（年份），計算結(jié)果見圖6。

圖6 卡群站1954～2012年降水量突變分析圖

從圖6可以看出，卡群站在1954～2012年年降水量出現(xiàn)突變的年份分別為1954年、1957年、1974年和2007年。

2.2.3 卡群站年降水量周期變化分析

將卡群站地區(qū)的年降水量進(jìn)行距平處理后在ma t 1 a b中進(jìn)行Mo r 1 e t子波分析（為消除子波變換的邊界效應(yīng)采用對稱延伸法對距平后資料進(jìn)行處理）。

圖7 卡群復(fù)Mor l e t小波系數(shù)實部圖

圖7 為用年平均降水量序列進(jìn)行小波變換后得出的小波系數(shù)實部圖，圖上清楚的顯示卡群地區(qū)近59年來年平均降水量在各個不同的時間尺度上小波周期分析的降水量周期和降水量周期變化的主要特征。圖中顏色較深的區(qū)域表示的降水量距離平均值較大，顏色較淺，則表示為區(qū)域的年平均降水量較平均值較為接近?？傮w而言，葉爾羌河流域年平均降水量變化周期存在3個時間尺度，分別為4年、11年以及24年。在24年的變化周期尺度中，年平均降水量變化的灰色度有逐漸增強的趨勢，葉爾羌河流域從1954～2012年存在著降水量由多向少的三個周期變化過程。在24年的變化周期尺度中，變化周期性存在周期減少的趨勢。而在小尺度4年的變化周期中，則表現(xiàn)的較為復(fù)雜，沒有明顯的規(guī)律性。圖8為葉爾羌河流域卡群站年降水量變化小波方差變化圖，從圖中可以看出，葉爾羌河流域卡群站年降水量存在3個明顯的變化周期，分別為24年、11年和4年三個變化周期尺度，可以分析出，葉爾羌河流域年卡群站年平均降水量變化的主周期為24年。

圖8 卡群年降水量小波方差圖

3 結(jié)論

本文運用M-K法和小波周期分析法定量分析了新疆喀什地區(qū)卡群水文站近59年水文氣象變化特性，研究取得以下結(jié)論∶

（1）卡群站1954～2012年平均流量具有上升趨勢，但上升趨勢不顯著，存在三個尺度變化周期。

（2）卡群站1954～2012年年降水量具有較為顯著的上升趨勢，存在著4年左右的小尺度，11年左右的中尺度和24年左右的大尺度三個層次變化周期。

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：1672-2469（2016）05-0041-04

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.017

2016-01-06

庫路巴依·吾布力（1980年—），男，工程師。