柴達木盆地降水變化特性研究

王建瑩 詹存 張盼盼

摘要 柴達木盆地礦產(chǎn)資源豐富，水資源供需矛盾較為突出，研究降水特性變化可為合理規(guī)劃和利用水資源提供科學(xué)依據(jù)。采用Mann-Kendall檢驗及Morlet小波分析方法研究了柴達木盆地4個典型氣象站1957—2016年降水時間序列特征。結(jié)果表明，柴達木盆地近十幾年來降水量有所增加，并且在20世紀70年代發(fā)生突變，4個氣象站年降水量普遍存在2年左右的周期性，表現(xiàn)出多時間尺度特征。柴達木盆地是大陸性干旱氣候區(qū)，東部地區(qū)降水仍較多地受東部季風(fēng)的影響，而冷湖站及大柴旦站受同一氣候因素影響的可能性較大，格爾木則可能受到西南季風(fēng)氣候的影響。

關(guān)鍵詞 柴達木盆地；降水特性；Mann-Kendall檢驗；小波分析

中圖分類號 TV123文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）16-0157-03

Abstract The Qaidam Basin is rich in mineral resources，and the contradiction between supply and demand of water resources is more prominent.The study of the change of precipitation characteristics can provide scientific basis for the rational planning and utilization of water resources.The characteristics of precipitation time series in four typical meteorological stations of Qaidam Basin in 1957-2016 were studied by MannKendall test and Morlet wavelet analysis.The results show that the amount of precipitation in the Qaidam Basin has increased in the last dozen years，and the sudden change occurred in 1970s.The annual precipitation of the four stations generally has a periodicity of about 2 years，showing the characteristics of multi time scale.The Qaidam Basin is a continental arid climate zone，and the eastern region is still more affected by the eastern monsoon，while the Lenghu Station and Dachaidan Station are more likely to be affected by the same climatic factors，while Golmud may be affected by the southwest monsoon climate.

Key words Qaidam Basin；Precipitation characteristics；Mannkendall test；Wavelet analysis

西北干旱地區(qū)生態(tài)脆弱，降水稀少，氣候變化等原因引起的降水量變化，對區(qū)域的“三生”用水影響十分突出。柴達木盆地地處西北內(nèi)陸流域，地表水資源匱乏且受降水影響較大，區(qū)域植被生長受降水量影響顯著[1]，對區(qū)域降水變化特性研究，可以為區(qū)域水資源優(yōu)化配置和管理提供決策依據(jù)。通?？梢杂脮r間序列的分析方法，從序列的趨勢、突變和周期3個方面進行分析研究[2]。

水文分析中常用的趨勢分析方法有滑動平均法、Mann-Kendall（M-K）秩次相關(guān)檢驗和Spearman相關(guān)檢驗等方法[3]，特別是M-K秩次相關(guān)檢驗法被廣泛使用。突變（變異點）研究中常采用的方法有M-K秩次相關(guān)檢驗、有序聚類分析法、里海和哈林法等[4]，其中M-K秩次相關(guān)檢驗法計算簡便，可以明確突變開始的時間，被廣泛使用。周期研究常采用周期圖法、方差譜密度圖法、最大熵譜分析法、小波分析等方法[5]，其中小波分析時間序列周期應(yīng)用發(fā)展迅速，在水文分析[6]、信號分析[7]等領(lǐng)域普遍應(yīng)用。深刻挖掘水文氣象數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，是解析水文氣象變化、驗證其他氣候研究的有力途徑。

1 區(qū)域概況及資料來源

柴達木盆地為青藏高原東北部邊緣的一個巨大的山間盆地，界于34°41′～39°20′N、87°48′～99°18′E，為我國四大盆地之一。盆地略呈三角形，向北西西—南東東方向延伸，西北、東北和南面分別被阿爾金山、祁連山和昆侖山所環(huán)繞，為一封閉的內(nèi)陸盆地。盆地內(nèi)自然植被以草甸植被為主，其次為荒漠植被，植物生長稀疏，覆蓋度低，隨著人類活動的擾動而越發(fā)脆弱，并有進一步退化之勢（圖1）。

柴達木盆地礦產(chǎn)資源十分豐富，素有“聚寶盆”之稱。特別是石油天然氣資源、鹽湖、有色金屬資源、煤炭資源和石棉資源已成為柴達木經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。

該研究數(shù)據(jù)資料主要來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。主要資料為冷湖、大柴旦、格爾木、都蘭4個典型氣象站年月降水資料，分布在柴達木盆地東、西、南、北4個方向，具有較強的代表性。

2 降水特征分析

柴達木盆地是青海省六大內(nèi)陸流域之一，占全省面積的35.7%。河網(wǎng)在地區(qū)分布上很不均勻，相對多雨的東南部和東北部水系發(fā)育，河網(wǎng)相對密集；干旱少雨的西北部，則河流稀疏；盆地中部為大面積的無徑流區(qū)。受水汽條件和地理位置的影響，柴達木盆地降水的年內(nèi)分配很不均衡。一般情況下，6～7月降水量最多，單月降水量占年降水量的18.4%～30.8%（圖2）。

2.1 趨勢分析

利用M-K秩次相關(guān)檢驗法對水文時間序列x1，x2，x3，…，xn進行趨勢分析，統(tǒng)計序列中所有對偶值（xi，xj）（i

當(dāng)n→∞時，則有U～N（0，1）即U服從標準正態(tài)分布，給出顯著性水平為α，就可以進行檢驗：若|U|>Uα/2，則序列趨勢顯著，否則趨勢不顯著。

利用滑動平均法初步分析，4個氣象站年降水系列均有上升趨勢。但僅有東部的都蘭站上升趨勢顯著：都蘭站年降水量系列的U=2.25，取α=0.05，則Uα/2=1.96，即年降水系列上升趨勢顯著。

2.2 突變分析

利用M-K秩次相關(guān)檢驗法進行突變分析時，統(tǒng)計水文時間序列x1，x2，x3，…，xn的秩序列di，di表示對偶值xi>xj（1≤j

分別為E（Sk）=k（k+1）4，Var（Sk）=k（k+1）（2k+5）72，（k=2，3，…，n）；構(gòu)造統(tǒng)計量UFk=Sk-E（Sk）Var（Sk），按時間序列逆序重復(fù)計算UBk。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點，則顯著性水平內(nèi)的交點對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間[8]。

對年降雨系列進行突變檢驗，取顯著性水平α=0.05，Uα/2=1.96。在時段初出現(xiàn)交點，可以認為是系列雜點造成的，其后兩線的交點，可認為發(fā)生突變。

由圖3可以看出，冷湖站在1976年前后發(fā)生突變；大柴旦站在1976年、1991年及2005年前后發(fā)生突變；格爾木站在1981年、2005年前后發(fā)生突變；都蘭站在1973年前后發(fā)生突變。

2.3 周期分析

小波變換具有多分辨率分析的特點，并且在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。小波變換通過將時間系列分解到時間頻率域內(nèi)，從而得出時間系列的顯著的波動模式，即周期變化動態(tài)，以及周期變化動態(tài)的時間格局[9]。小波分析的局部分析的特性使其成為對非穩(wěn)態(tài)、不連續(xù)時間序列進行量化的一個有效工具[10]。這里選擇Morlet小波，它比Fourier 分析更能反映出序列的局部特征[11]。具體方法參考相關(guān)文獻[12-13]。

從柴達木盆地典型氣象站年降水量序列小波功率譜圖中可以看出（圖4），小波功率越大，等值線越密集。倒錐形線為影響錐（圖4中外廓線）。該錐線以下表明該部分小波功率譜圖受到邊緣效應(yīng)的影響，表現(xiàn)出的周期特征存在較大不確定性。圖4中閉合的等值線環(huán)抱的區(qū)域?qū)?yīng)周期特征及發(fā)生年份。

從柴達木盆地典型氣象站年降水量序列小波功率譜圖可以看出（圖4），冷湖站具有2年和4年左右的周期性，在1960—1975年以2年的周期性為主，在1975年以后以4年的周期性為主；大柴旦站具有2年和5年左右的周期性，其中在1980—2010年以5年的周期性為主；格爾木站具有2年和4年左右的周期性，其中1975—2010年以4年左右的周期性為主；都蘭站具有2—3年的周期性。

3 結(jié)論與討論

根據(jù)趨勢分析可以看出，柴達木盆地典型站點年降水系列均有一定的上升趨勢，但僅有東部的都蘭站上升趨勢顯著。由突變分析結(jié)果可以看出，4個典型站點年降水系列均發(fā)生突變，東部年降水量最大的都蘭站率先在1973年前后發(fā)生突變，此后冷湖站及大柴旦站在1976年發(fā)生突變，且大柴旦站此后幾次突變，反映了其氣候的不穩(wěn)定性；格爾木站在1981、2005年前后發(fā)生突變，突變時間最晚。由小波分析結(jié)果可以看出，4個典型站點年降水系列普遍具有2年左右和4年左右的周期性，在1975年之前以2年的周期性為主，在此之后以4年的周期性為主。

該研究結(jié)果表明，柴達木盆地受大氣候的影響，近十幾年來降水量有所增加，并且在20世紀70年代發(fā)生突變，4個氣象站年降水量都存在多時間尺度特征，不同的時間尺度表現(xiàn)為不同的循環(huán)交替，大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化，總體上表現(xiàn)為有小尺度的震蕩劇烈。

柴達木盆地是大陸干旱氣候區(qū)，東部地區(qū)（都蘭站）降水仍較多的受東部季風(fēng)的影響，而冷湖站及大柴旦站受同一氣候因素影響的可能性較大，而格爾木則可能受到西南季風(fēng)氣候的影響。

參考文獻

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