新疆南疆地區(qū)降水量的時(shí)空變化特征

張加敏++徐華君++邊英英++楊遼

摘要：根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)南疆地區(qū)47個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)1961-2013年逐月的降水量觀測(cè)資料，運(yùn)用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法與降水量距平百分率從時(shí)間上分析了南疆地區(qū)的降水規(guī)律，并運(yùn)用surfer9.0做出了年與季節(jié)降水量的等值線圖，對(duì)南疆地區(qū)降水量進(jìn)行了空間變化分析。結(jié)果表明，南疆地區(qū)近53年來降水量總體呈增加的趨勢(shì)，降水量的年際變化較大；降水量集中在春、夏兩季，但以夏季為主；降水空間分布非常不均衡，主要集中在北部地區(qū)，中部降水稀少。

關(guān)鍵詞：降水量；時(shí)空變化；Mann-Kendall法；新疆南疆地區(qū)

中圖分類號(hào)：P426.61+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）21-5496-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.015

Spatio-temporal Characteristics of Precipitation Variation

in the Southern Xinjiang Regions

ZHANG Jia-min， XU Hua-jun， BIAN Ying-ying， YANG Liao

（Institute of Resources and Environment Science，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Abstract： According to the precipitation data of 47 typical meteorological stations in the southern Xinjiang Uygur autonomous region from 1961 to 2013，this paper analyzed the changing characteristics of precipitation by using Mann-Kendall rank analysis method and precipitation anomaly percentage to finish examination of annual and seasonal precipitation trends in research region. In addition，the isograms of annual and seasonal rainfall were drawn through surfer9.0 to analyze the spatial change of precipitation in research region. The results showed that，the precipitation in research region in recent 53 years showed an increasing trend，the annual variation of precipitation was relatively large. Rainfall concentrated in spring and summer，but mainly in summer. The spatial distribution of precipitation was very uneven，mainly concentrated in the northern region，central precipitation was scarce.

Key words： precipitation； spatio-temporal variation； Mann-Kendall method； southern Xinjiang regions

全球氣候變暖已經(jīng)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，研究表明，全球氣候變暖不僅導(dǎo)致許多區(qū)域降水量發(fā)生變化，而且還會(huì)引起降水量時(shí)空上的重新分配[1]。對(duì)處于干旱區(qū)的地區(qū)而言，降水量不僅是表征水循環(huán)的重要?dú)庀笠刂?，而且降水量的時(shí)空變化對(duì)其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有深刻的影響。因此，研究降水量的時(shí)空分布規(guī)律，不僅對(duì)分析氣候變化情景下的水循環(huán)具有非常重要的意義，而且對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展也有很大的影響[2]。為此，已有眾多學(xué)者對(duì)新疆地區(qū)的降水量進(jìn)行了研究。從時(shí)間變化上的研究來看，如慈暉等[3]采用新疆50個(gè)氣象觀測(cè)站1961-2010年逐日降水資料探討了新疆降水事件的發(fā)生與變化；戴新剛等[4]研究了近60年新疆降水記錄的波動(dòng)與趨勢(shì)特征。從空間變化上的研究來看，張延偉等[5]根據(jù)1961-2004年新疆地區(qū)55個(gè)氣象觀測(cè)站逐日降水觀測(cè)資料分析了新疆地區(qū)降水極值序列的時(shí)空分布特征和概率分布模式；張強(qiáng)等[6]依據(jù)新疆地區(qū)53個(gè)雨量站1957-2009年日降水資料，采用Copula非參數(shù)估計(jì)方法研究了新疆地區(qū)降水極值概率變化的空間演變特征。此外，還有眾多學(xué)者對(duì)新疆地區(qū)降水異常的影響因素進(jìn)行了研究[7-10]。從近年來的研究方法上來看，劉政鴻[11]使用陜西省以及臨近陜西省近50年來的39個(gè)站點(diǎn)年降水?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法、累積距平法和GIS插值，分析了近50年陜西省的降水變化趨勢(shì)和降水時(shí)空分布及變化特征。袁瑞強(qiáng)等[12]應(yīng)用時(shí)間序列聚類、突變點(diǎn)檢驗(yàn)、趨勢(shì)分析和小波-支持向量機(jī)模型揭示降水時(shí)空變化并進(jìn)行預(yù)測(cè)，按降水變化特點(diǎn)把山西劃分為北部高緯區(qū)、太行山高山區(qū)、北部高山高原區(qū)、中部盆地區(qū)、中西部高山高原區(qū)和南部盆地區(qū)等子區(qū)。徐利崗等[13]依據(jù)中國西北干旱區(qū)95個(gè)站點(diǎn)1951-2008年月降水資料，運(yùn)用自然正交分解法、Morlet小波分析、輪次分析、游程理論、極差分析、季節(jié)性指數(shù)分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)及氣候趨勢(shì)系數(shù)分析等方法分析了西北干旱區(qū)降水時(shí)空變化特征及其未來趨勢(shì)。新疆幅員遼闊，南北疆的氣候差異很大，全區(qū)降水量主要集中在北疆。以2013年為例，北疆多年平均降水量為244 mm，南疆為124 mm，可見新疆地區(qū)的降水量大都集中在北疆地區(qū)。因此，大多數(shù)學(xué)者只是對(duì)整個(gè)新疆地區(qū)的降水量時(shí)空變化進(jìn)行了分析研究，而對(duì)南疆地區(qū)降水量進(jìn)行的研究相對(duì)較少。僅唐小英等[14]和鄭紅蓮等[15]對(duì)南疆地區(qū)的降水特征及極端氣候事件進(jìn)行了分析。

根據(jù)已有研究，在全球變暖的背景下，新疆自1987年來氣候出現(xiàn)由“暖干”向“暖濕”轉(zhuǎn)型現(xiàn)象，新疆地區(qū)降水總體上呈增加趨勢(shì)，南疆降水量增加的幅度大于北疆[16]。前人關(guān)于南疆地區(qū)降水變化研究主要集中于極端氣候事件或代表性站點(diǎn)降水的變化特征，對(duì)南疆地區(qū)降水時(shí)空變化特征研究的準(zhǔn)確性有待考證。由于南疆地區(qū)資源豐富、生態(tài)環(huán)境非常脆弱，并且在全球變暖背景下降水時(shí)空變化特征對(duì)南疆地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響。因此，隨著最新氣候資料的不斷積累，有必要進(jìn)一步詳細(xì)了解南疆地區(qū)降水時(shí)空變化的最新特點(diǎn)。本研究根據(jù)目前研究降水量時(shí)空變化特征的主流方法，運(yùn)用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法與降水量距平百分率對(duì)南疆地區(qū)47個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)1961-2013年逐月的降水量進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用surfer 9.0做出了年與季節(jié)降水量的等值線圖，對(duì)南疆地區(qū)降水量進(jìn)行了空間變化分析，以期豐富全球氣候變化的區(qū)域降水效應(yīng)研究，為預(yù)測(cè)今后降水及水資源、水環(huán)境變化趨勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)，并為本區(qū)以農(nóng)牧業(yè)為主的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供部分參照依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆南疆地處亞歐大陸腹地，位于天山山脈南部，總面積106萬km2，約占全疆土地總面積的64%。整個(gè)地域由山地、沙漠、平原三大地貌單元構(gòu)成，屬于典型的大陸性干旱氣候，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，水土資源分布不均衡，天然植物少，結(jié)構(gòu)單調(diào)，生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱。但光、熱及土地資源豐富，并且擁有豐富的石油和天然氣資源，具有發(fā)展農(nóng)牧業(yè)得天獨(dú)厚的資源條件[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心提供的南疆地區(qū)47個(gè)雨量站1961-2013年逐月降水量數(shù)據(jù)。站點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)采用下面方法進(jìn)行插補(bǔ)：缺失數(shù)據(jù)時(shí)間較短，如缺失1～2 d的數(shù)據(jù)，采用相鄰數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行插補(bǔ)；缺失數(shù)據(jù)時(shí)間較長，則以計(jì)算整個(gè)數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)時(shí)期的平均值進(jìn)行插補(bǔ)。因此觀測(cè)資料都比較齊全，數(shù)據(jù)可靠性和連續(xù)性均能滿足研究的需求。在分析的過程中，將其進(jìn)行季節(jié)性劃分，3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

1.3 研究方法

非參數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法常用來預(yù)測(cè)如水質(zhì)、徑流、氣溫、降水等水文氣象時(shí)間序列資料的長期變化趨勢(shì)。使用Mann-Kendall方法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)時(shí)，無需事先假定樣本的統(tǒng)計(jì)分布，以原假設(shè)H0（即假設(shè)序列平穩(wěn)且隨機(jī)獨(dú)立分布）為前提，Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法用下式表示：

Zx=

，S>0

0 ，S=0

，S<0 （1）

其中，S=sgn（Xk-Xi） （2）

sgn（Xk-Xi）= 1，Xk-Xi>0

0，Xk-Xi=0

-1，Xk-Xi<0 （3）

式中，Xk、Xi為要進(jìn)行檢驗(yàn)的隨機(jī)變量，且k>i，n為所選數(shù)據(jù)序列的長度；Zx為一個(gè)正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量，var（S）為方差。在給定的α置信水平，此處取α=0.05，如果|Zx|≤1.96，則接受原假設(shè)，即時(shí)間序列數(shù)據(jù)不存在明顯的上升或下降趨勢(shì)；|Zx|>1.96，則拒絕原假設(shè)，即時(shí)間序列存在顯著的變化趨勢(shì)。其變化趨勢(shì)的大小用β表示，計(jì)算如下：

β=Median（），?i

若β為正，表示呈上升趨勢(shì)；若β為負(fù)，表示呈下降趨勢(shì)[17，18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量時(shí)間分布規(guī)律

2.1.1 年降水量變化特征 以南疆地區(qū)53年的年降水量序列為依據(jù)，依據(jù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法，得到南疆地區(qū)年降水量趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果β為3.37，可見近53年來南疆地區(qū)的降水量總體上呈增加趨勢(shì)。從南疆地區(qū)53年的年降水量（圖1）來看，近53年來年降水量變化幅度呈波動(dòng)型，在1985年降水量達(dá)到最低點(diǎn)82 mm，在1996年降水量達(dá)到最多324 mm。它的線性趨勢(shì)與Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果一致。從圖1還可以看出，1987年以前3年滑動(dòng)平均降水量曲線基本處于多年平均線以下，說明在1987年以前南疆地區(qū)降水量較少，屬于“暖干”型氣候；從1987年以后3年滑動(dòng)平均降水量曲線基本處于多年平均線以上，可以看出自1987年以后南疆地區(qū)降水量增多，氣候由“暖干”向“暖濕”型轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，從降水距平百分率（圖2）來看，在1987年以前，降水距平百分率以負(fù)值為主，1987年以后以正值為主，可見在1987年以前南疆地區(qū)比較干旱，在1987年以后，降水增多逐漸濕潤。這一結(jié)論與許多學(xué)者提出的中國西北地區(qū)自20世紀(jì)80年代以來氣候向“暖濕”型轉(zhuǎn)變的觀點(diǎn)一致[19，20]。

2.1.2 季節(jié)降水量變化特征 依據(jù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法得出南疆地區(qū)季降水量統(tǒng)計(jì)特征值，結(jié)果見表1。由表1可知，春、夏兩季的β為正指標(biāo)，說明南疆地區(qū)春、夏兩季的降水量呈增加的趨勢(shì)，并且夏季的統(tǒng)計(jì)值Zx>1.96，說明夏季降水量增加趨勢(shì)顯著，春季降水量增加幅度為0.32 mm/年，夏季降水量增加幅度為0.87 mm/年；秋、冬兩季為負(fù)值，說明南疆地區(qū)秋、冬季節(jié)的降水量呈下降趨勢(shì)，并且下降趨勢(shì)不顯著，秋季降水量減少幅度為0.34 mm/年，冬季降水量減少幅度為0.22 mm/年。

2.2 降水量空間分布特征

2.2.1 年降水量空間分布 依據(jù)現(xiàn)有站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)繪制了南疆地區(qū)多年平均降水量的等值線圖，如圖3所示，南疆地區(qū)降水量空間分布呈現(xiàn)出由北向南逐漸減少的趨勢(shì)，降水量主要集中在西北、正北、東北部3個(gè)地區(qū)，降水量最多的地區(qū)是靠近伊犁河谷的巴音布魯克，年降水量為274 mm，降水量最少的地區(qū)是托克遜，年降水量為7 mm，反映出該地區(qū)多年平均降水量地域分布的不均性。西北部降水量主要集中在喀什平原地區(qū)，正北部的降水量主要集中在伊犁谷底東南、天山中部南麓的巴音布魯克地區(qū)，東北部的降水量主要集中在哈密地區(qū)北部。并且南疆有大量的冰川，隨著全球氣候的變暖，必將造成冰川的加速消融，同等面積的冰川上空水氣含量也將會(huì)隨之上升，降水機(jī)會(huì)增大，冰川對(duì)局部地區(qū)降水的貢獻(xiàn)會(huì)隨之增大。加之已有研究表明塔里木盆地周圍中山帶年均氣溫變化1 ℃將引起年降水量變化約200 mm[21]。所以南疆地區(qū)的降水主要分布在天山山脈南部及塔里木盆地北緣。

2.2.2 季降水量空間分布 從圖4可以看出，各季節(jié)的降水量分布情況與年降水量一致，降水都主要集中在北部，中部塔克拉瑪干沙漠降水稀少。從等值線可以看出南疆地區(qū)的降水主要集中在春、夏兩季。春季降水量主要分布在西北部喀什平原地區(qū)；夏季降水量主要集中在巴音布魯克地區(qū)；秋季降水在南疆北部地區(qū)分布比較均勻，降水量由北向南遞減；冬季南疆地區(qū)降水都比較少。

3 結(jié)論

本研究主要采用非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)方法分析了南疆地區(qū)47個(gè)氣象站1961-2013年的降水量時(shí)空分布特征和變化趨勢(shì)，根據(jù)研究結(jié)果，可初步得出：①從時(shí)間尺度來看，降水偏多和偏少時(shí)期呈現(xiàn)出波動(dòng)性，且年際變化較大。Mann-Kendall法檢驗(yàn)得出，近53年來，年平均降水量趨勢(shì)β為2.07，表明降水量在波動(dòng)中有上升的趨勢(shì)，這與西北地區(qū)降水變化是同步的，這種增加的趨勢(shì)主要是由春、夏兩季降水量增加所引起的，尤其以夏季降水量增多趨勢(shì)最為明顯，其β為0.87，可見在全球氣候變暖的背景下，一定會(huì)造成冰川的加速融化，因此同等面積的冰川上空水氣含量也將會(huì)隨之上升，降水機(jī)會(huì)增大，所以冰川對(duì)南疆地區(qū)降水的貢獻(xiàn)也會(huì)越來越大，南疆地區(qū)夏季的降水也會(huì)逐漸增多。②從空間尺度來看，南疆地區(qū)降水量主要集中在北部地區(qū)，降水主要來自于山地，并且隨著全球變暖的加劇呈上升趨勢(shì)。

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