和田河典型站點(diǎn)徑流及氣象因子變化規(guī)律分析

高云　郭維華

摘要：新疆和田河流域環(huán)境脆弱，徑流極易受氣候變化的影響?；诖?，通過對和田河典型站點(diǎn)1980-2013年間的數(shù)據(jù)資料分析得出：同古孜魯克站年降水量總體呈現(xiàn)明顯增加趨勢，增加率為18 mm/（10a），降水量發(fā)生兩次突變，1993年突變發(fā)生以后年降水量呈現(xiàn)減少趨勢，2001年發(fā)生第二次突變，突變發(fā)生之后降水量呈增加趨勢；年平均氣溫呈0.232 ℃/（10a）的上升趨勢，2007年出現(xiàn)最高氣溫，最低氣溫出現(xiàn)在2012年；年日照時(shí)數(shù)以傾向率為21.5 [JP2]W/（m2·（10a））的速度趨勢減少；年徑流量以23.5×107 m3/（10a）的速率在增加；徑流與前期氣溫的相關(guān)性強(qiáng)于降水。

關(guān)鍵詞：氣候變化；全球變暖；徑流變化；小波分析；半干旱荒漠區(qū)

中圖分類號：P333文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2018）02008706

Abstract：

The environment in Hetian river basin is fragile.The runoff is extremely vulnerable to climate changes.Through the analysis of data from 1980 to 2013，we found that the annual precipitation at Tong Gu Zi Lu Ke station showed a significant increasing trend at a rate of 18 mm/（10a）.The annual average temperature was increasing by 0232 ℃/（10a）.The highest temperature appeared in 2007；the lowest temperature appeared in 2012.The annual sunshine hours were decreasing at a rate of 215 W/（m2·（10a））.The annual runoff was increasing at a rate of 235×107 m3/（10a）.The runoff had a stronger correlation with antecedent temperature than precipitation.

Key words：climate change；global warming；runoff variation；wavelet analysis；semiarid desert area

和田河是塔里木河的主源之一，發(fā)源于昆侖山和喀喇昆侖山北麓，以冰川融水補(bǔ)給為主[1]。隨著全球變暖，近30年來新疆和田河流域也出現(xiàn)了氣候變暖的趨勢，這將對水文水資源產(chǎn)生重大影響[213]。其上游徑流量的變化直接關(guān)系到和田綠洲及南疆塔河流域用水的安全性及生態(tài)穩(wěn)定性[1416]。深入開展氣候變化對和田河徑流量影響研究，對促進(jìn)和田流域綠洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源可持續(xù)利用，維護(hù)和改善綠洲內(nèi)的生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1725]。

本文采用同古孜魯克站水文站1980-2013年氣象及徑流資料進(jìn)行分析研究，該站點(diǎn)設(shè)置在和田河?xùn)|支玉龍喀什河出山口處，由于該地區(qū)人口稀少，受人類活動(dòng)影響小，接近天然徑流，因此出山徑流的變化主要受氣候變化的影響，該支流屬于冰雪融水及高山降水混合補(bǔ)給型河流，年徑流主要受氣溫及山區(qū)降水的影響，因此，降水量、氣溫、日照等重要?dú)庀笠氐臅r(shí)空分布在一定程度上決定了徑流量的變化[2627]。

1分析方法

由于和田河上游徑流主要產(chǎn)生于受人類活動(dòng)影響較少的山區(qū)，平原基本不產(chǎn)生徑流，出山徑流的變化反映了氣候因素影響下天然徑流的變化。本文針對同古孜魯克站34年的逐月徑流、降水、氣溫、日照資料，運(yùn)用距平、5 a滑動(dòng)平均、趨勢分析法[7，9]詳細(xì)分析了和田河流域徑流、降水、氣溫、日照時(shí)數(shù)的年內(nèi)分配以及年際變化規(guī)律，運(yùn)用MannKendall突變檢驗(yàn)[16]分析其突變特征，采用Morlet小波分析法[19，21]進(jìn)一步識別了徑流及關(guān)鍵氣候要素的周期演變特征，并研究氣候變化對和田河上游徑流量的影響。

2徑流量及氣象要素的變化規(guī)律

2.1徑流量的變化規(guī)律

2.1.1時(shí)間變化規(guī)律

圖1為1980-2013年同古孜魯克站逐年徑流量距平的時(shí)間變化過程。可以看出，年徑流量的最大正距平值為1264×107 m3，出現(xiàn)在2010年，最大負(fù)距平值為-850×107 m3，出現(xiàn)在1993年；20世紀(jì)80年代至90年代末為年徑流量的偏少期，進(jìn)入21世紀(jì)以后徑流量有明顯的增加趨勢。

2.1.2突變檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)同古孜魯克站年徑流量隨時(shí)間的變化有無突變的顯著性發(fā)生，采用了MannKendall突變檢驗(yàn)（此后簡稱MK突變檢驗(yàn)）。圖中UF曲線的值大于零表明該要素序列呈上升趨勢，小于零則表明呈下降趨勢；當(dāng)其值超過臨界線（-196和196）時(shí)，說明變化趨勢顯著，通過了a=0.05顯著性水平檢驗(yàn)；UF和UB曲線的交點(diǎn)即為突變點(diǎn)。根據(jù)圖2所示，第一次突變發(fā)生在2004年，發(fā)生突變之后序列呈現(xiàn)增加趨勢，表明21世紀(jì)初該站水資源短缺現(xiàn)象有所緩解，但增加趨勢未超過95%顯著水平。

2.1.3周期分析

為了分析同古孜魯克站年徑流量變化的振蕩周期，本文利用Morlet小波變換，將同古孜魯克站1980-2013年的年徑流量序列的頻率特征在時(shí)域上展現(xiàn)出來。圖3清晰地反映了序列各種周期的強(qiáng)弱和分布情況，小波系數(shù)為正時(shí)，表示可利用降水量相對偏多，為負(fù)時(shí)表示相對偏少。由圖可見，該站存在12～15 a左右的年代際周期和5 a左右的年際變化周期。12～15 a左右的年代際周期在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初較強(qiáng)烈，5 a左右的周期在20世紀(jì)80年代至90年底明顯，之后減弱。

2.2降水量的變化規(guī)律

2.2.1時(shí)間變化規(guī)律

圖4給出了同古孜魯克站1980-2013年降水量的時(shí)間分布，年降水量的多年平均值為757 mm。由圖4可看出20世紀(jì)80年代至90年代初期降水量呈增加趨勢，在1987年、1993年出現(xiàn)過較大的降水過程；20世紀(jì)90年代中至末期出現(xiàn)34年來降水量最少的年份，最小值出現(xiàn)在1997年，值為106 mm；進(jìn)入21世紀(jì)后年降水量呈增加趨勢，大部分年份降水量高于多年平均，2010年出現(xiàn)34年來最大的降水量，值為2158 mm。

2.2.2突變檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步明確年降雨量的突變時(shí)段，對同古孜魯克站1980-2013年的年降水量進(jìn)行了MK突變檢驗(yàn)（圖5）。根據(jù)圖5中兩條曲線在臨界值之間的交點(diǎn)位置，可以確定第一次突變發(fā)生在1993年，突變發(fā)生以后年降水量呈現(xiàn)出明顯的減少；2001年發(fā)生第二次突變，突變發(fā)生之后降水量呈增加趨勢。

2.2.3周期分析

為了明確年降水量的周期性，利用Morlet小波變換分析了同古孜魯克站1980-2013年的年降水量序列的頻率特征。由圖6可見，20世紀(jì)80年代至90年代末3～5 a左右的小尺度周期存在，進(jìn)入21世紀(jì)之后振蕩中心在8～10 a左右的時(shí)間尺度表現(xiàn)強(qiáng)烈，15 a的年代際變化周期貫穿整個(gè)研究時(shí)期。

2.3氣溫的變化規(guī)律

2.3.1時(shí)間變化規(guī)律

圖7為同古孜魯克站年平均氣溫隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖可見，近34年來同古孜魯克站年平均氣溫呈線性增加趨勢，增加率為0232 ℃/10a，多年平均氣溫為1269 ℃，近34年來的最高氣溫出現(xiàn)在2007年，比多年平均偏高112 ℃，最低氣溫出現(xiàn)在2012年，值為117 ℃。

2.3.2突變檢驗(yàn)

圖8為同古孜魯克站年平均氣溫突變檢驗(yàn)分布，可以確定該站年均氣溫在1989年發(fā)生突變，1989年之后UF線有明顯的上升趨勢，特別是2001年之后氣溫增高更顯著。

2.3.3周期分析

圖9為同古孜魯克站1980-2013年的年平均氣溫序列的小波分析圖，從圖可看出該站年平均氣溫的年際變化最強(qiáng)的信號是2～3 a和6～10 a的周期振蕩。其中20世紀(jì)90年代之后8 a左右的周期振蕩最明顯，年代際尺度周期主要是25 a左右。

2.4日照的變化規(guī)律

2.4.1時(shí)間變化規(guī)律

圖10為同古孜魯克年日照時(shí)數(shù)序列隨時(shí)間的變化情況。由圖可見，近34年來該站日照時(shí)數(shù)總體上呈線性減少趨勢，減少率為215 W/（m2[KG-*2]·[KG-*4]（10a）），多年平均日照時(shí)數(shù)為2 5833 W/m2，近34年來的最強(qiáng)[JP3]日照時(shí)數(shù)出現(xiàn)在1997年，值為3 0701 W/m2，最低日照時(shí)數(shù)出現(xiàn)在1995年，比多年平均偏低4038 W/m2。

2.4.2突變檢驗(yàn)

圖11為同古孜魯克年日照時(shí)數(shù)的MK突變檢驗(yàn)分布。由圖可知，該站年日照時(shí)數(shù)在1982年發(fā)生過突變，發(fā)生突變之后UF線有明顯的減少趨勢，特別是1985年之后日照強(qiáng)度減少更顯著，2002年之后逐漸進(jìn)入增加趨勢，但2011年之后又呈現(xiàn)減少趨勢。

2.4.3周期分析

圖12為同古孜魯克1980-2013年的年日照時(shí)數(shù)序列的Morlet小波分析圖，該站年日照時(shí)數(shù)6～8 a左右的年際變化周期貫穿整個(gè)研究時(shí)期。3 a左右的周期在20世紀(jì)80年代至90年代中期較明顯，之后不穩(wěn)定，年代際尺度的周期不顯著。

3氣象要素對徑流量的影響

為了明確氣候變化對研究區(qū)徑流量的響應(yīng)，通過單相關(guān)系數(shù)法對年徑流量與降水、氣溫、日照進(jìn)行相關(guān)分析，用t檢驗(yàn)來考察其顯著程度，選定信度α=005后從t分布表中查出相應(yīng)的ta，當(dāng)|t|>ta時(shí)，認(rèn)為在這一信度下兩者間相關(guān)性顯著，否則認(rèn)為不顯著，從中挑選出對年徑流量影響顯著的因子。

由于當(dāng)年的逐月實(shí)測徑流量不僅受當(dāng)年各項(xiàng)氣象因子的影響，前期氣象因子對其也可能具有一定的影響，因此分析同期徑流量與氣象要素之間的相關(guān)性時(shí)，還應(yīng)分析其與錯(cuò)開1年和2年的氣象要素的滯后效應(yīng)。分析年徑流量與同期氣象要素相關(guān)關(guān)系時(shí)，資料長度n=34，α=005時(shí)，ta=1691，γa=0339；年徑流量與前1年的各氣象要素相關(guān)關(guān)系時(shí)，資料長度n=33，α=005時(shí)，ta=1691，γa =0334；年徑流量與前2年的各氣象要素相關(guān)關(guān)系時(shí)，資料長度n=32，α=005時(shí)，ta =1694，γa =0349。

表1為同古孜魯克站年徑流量與同期及前期降水、氣溫之間的相關(guān)系數(shù)。由表可以看出，年徑流量與同期以及前期降水量呈線性正相關(guān)，但只有年徑流量與同期年降水量、夏季降水量以及提前1年的夏季降水量之間的正相關(guān)性均通過顯著性檢驗(yàn)，其余季節(jié)降水對年徑流量影響不大（未通過顯著性檢驗(yàn)）；年徑流量與同期的氣溫呈正相關(guān)，但未通過α=005的顯著性檢驗(yàn)，提前1年春季、夏季、秋季氣溫與年徑流量的相關(guān)系數(shù)分別為0614、0515、0578，均通過α=005的顯著性檢驗(yàn)，說明年徑流量與之明顯的正相關(guān)性；提前1年前三個(gè)季節(jié)氣溫與徑流量的相關(guān)系數(shù)比夏季降水量的相關(guān)系數(shù)更大，表示前期氣溫對徑流量的影響比降水更大；年徑流量與同期和前期日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，同期秋季日照時(shí)數(shù)和提前1年冬季日照時(shí)數(shù)對年徑流量影響顯著。

4結(jié)論

同古孜魯克站年降水量呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，增加率為18 mm/（10a），存在3～5 a、8～10 a和15 a左右的震蕩周期，而平均氣溫呈以0232 ℃/（10a）的上升趨勢，進(jìn)入21世紀(jì)后氣溫先降低后增高，最后呈現(xiàn)出降低趨勢，年日照時(shí)數(shù)則呈現(xiàn)出以傾向率為215 W/（m2·（10a））的速度減少趨勢，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減少趨勢，雖然21世紀(jì)10年代中末期呈現(xiàn)出略微增加趨勢但之后又進(jìn)入減少狀態(tài)，1982年發(fā)生過突變，存在3 a、6～8 a左右的周期。通過進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)徑流與前期氣溫的相關(guān)性強(qiáng)于降水，氣溫升高對徑流的影響高于降水增加的影響，前期氣溫增加會(huì)加快冰雪融化，對徑流量產(chǎn)生直接的影響。

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