基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和M-K檢驗(yàn)的頭屯河流域降水時(shí)空變化分析

李亞麗

(新疆頭屯河流域管理局 水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

降水是全球大氣系統(tǒng)在耗散過(guò)程中的矢量之一，也是氣候變化背景下敏感的生態(tài)因子。受水循環(huán)機(jī)制、降水時(shí)空模式影響，區(qū)域降水量具有非線性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)演進(jìn)和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)重大影響[1-2]。相關(guān)學(xué)者研究表明，近60年來(lái)全球不同地區(qū)的干旱、高溫、洪澇、風(fēng)暴等極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)且不確定性加強(qiáng)，而這均被認(rèn)為與降水變化顯著相關(guān)[3]。研究區(qū)域降水時(shí)空分布規(guī)律，為氣象減災(zāi)、氣候預(yù)報(bào)、水資源利用提供基礎(chǔ)信息。

1 研究區(qū)域與資料方法

1.1 研究區(qū)概況

頭屯河流域位于新疆烏魯木齊市西北，地理坐標(biāo)介于E87°50′46″-E87°28′52″、N43°50′46″-N43°54′36″，流域面積275.49 km2，人口12.5萬(wàn)人。區(qū)域?qū)倥璧氐匦?，高程介?23～759 m，總體呈自南向北傾斜，起伏度低。頭屯河呈自西南-東北流向，干流長(zhǎng)度26 km，平均比降1.02‰，徑流量達(dá)53.86×104m3。該流域?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊碉L(fēng)氣候區(qū)，季候分明、溫差變化大，年平均氣溫9.62℃，各地降水量介于134～378 mm，>10℃積溫達(dá)2 800℃～3 500℃，干旱、大風(fēng)、暴風(fēng)雪水等災(zāi)害天氣頻現(xiàn)。近50年來(lái)，榃濱河流域氣溫變化斜率為0.054℃/10 a，與此同時(shí)降水也呈波動(dòng)性變化。

1.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

降水是具有時(shí)間特性的自然隨機(jī)變量，對(duì)于其一維趨勢(shì)的測(cè)量，Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法具有不受樣本值、分布類型等影響的特點(diǎn)，準(zhǔn)確挖掘其隱含信，在降水變化研究領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S公式為[4]：

(1)

式中：Sgn()為符號(hào)函數(shù)，規(guī)則如下：

(2)

S為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，當(dāng)n>10時(shí)，正太分布統(tǒng)計(jì)量計(jì)算如下：

(3)

若Z>0，則表明降水在該時(shí)間序列呈增加趨勢(shì)，否則為降低趨勢(shì)；且Z≥1.28、1.96、2.32時(shí)，表明降水變化趨勢(shì)通過(guò)了0.001、0.01、0.05水平的信度檢驗(yàn)[4]。

1.3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)

降水不僅具有時(shí)序變化特征，在一定空間范圍內(nèi)其亦具有分布差異。半方差函數(shù)(Semi-variogram)是基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)建立起來(lái)的空間分析方法，其能夠解釋降水量空間相關(guān)、分布、聚集性特征，公式如下：

(4)

式中：γ(h)為半方差函數(shù)；N為觀測(cè)樣點(diǎn)數(shù)量；h為觀測(cè)點(diǎn)之間的距離；Z(xi)和Z(xi+h)分別為變量(氣溫或降水)在位置xi和xi+h處的大小。

根據(jù)半方差理論，可對(duì)觀測(cè)區(qū)內(nèi)其他不同位置上點(diǎn)值屬性進(jìn)行無(wú)偏估測(cè)，即Kriging插值法[5]：

式中：λi為第i個(gè)樣點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)；Zx、Z(X)分別為目標(biāo)點(diǎn)和輔助點(diǎn)的估測(cè)值。

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究數(shù)據(jù)由國(guó)家氣象中心(http://dctc.cmc.cn/)提供，時(shí)間跨度為1980～2016年，能夠反映降水變化現(xiàn)勢(shì)性特征。為度量其季節(jié)性特征，按照常規(guī)方法進(jìn)行劃分：春季(3-5月份)、夏季(6-8月份)、秋季(9-11月份)、冬季(12-2月份)。運(yùn)用Matlab 2017b軟件對(duì)年季節(jié)降水量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)； Excel 2016軟件匯總逐日降水量數(shù)據(jù)，并繪制其變化趨勢(shì)圖；應(yīng)用GS+9.0和surfer13.0進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析，并繪制降水量空間分布圖。

2 結(jié)果分析

2.1 頭屯河流域降水量?jī)A向斜率分析

一元線性回歸能夠直觀表達(dá)降水量宏觀趨勢(shì)，頭屯河流域1980-2016年全年與各季節(jié)降水量時(shí)間變化見(jiàn)圖1。

圖1 頭屯河流域年降水和四季降水時(shí)間變化

由圖1可知，頭屯河流域年降水量總體呈減少的趨勢(shì)特征，變化斜率為6.86/10 a，其最小值為1997年的134.12 mm，最大值為1981年的315.6 mm。各季節(jié)降水量分配不均，夏季降水占年降水量的45%～65%，其中夏季降水的變化趨勢(shì)達(dá)-35.23/10 a，表明夏季降水減少最大。而春、冬季節(jié)降水量的變化斜率分別為-4.17和-3.05 mm/10 a，變化趨勢(shì)不顯著。秋季降水量略呈增加趨勢(shì)，變化斜率達(dá)11.02 mm/10 a。秋季為該地區(qū)作物收獲時(shí)節(jié)，該季節(jié)降水量增多容易導(dǎo)致作物減產(chǎn)以及汛期延長(zhǎng)；而春夏時(shí)節(jié)的降水減少，不利于作物生長(zhǎng)，但能夠一定程度緩解夏季洪澇風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 頭屯河流域降水量M-K突變分析

圖2為頭屯河流域年和四季降水量M-K突變分析，可進(jìn)一步顯示其時(shí)間序列降水局部細(xì)節(jié)變化。圖2中，方框?yàn)閁B值，其代表降水量變化量Z，其值大于0,說(shuō)明降水量呈增加變化；其值小于0，說(shuō)明降水量呈減少的特征；菱形表示UF值，為降水量變化趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)值，如果其值達(dá)到閾值線水平，說(shuō)明其降水變化顯著。由圖2可知，春季降水的UF和UB檢驗(yàn)值存在多個(gè)交點(diǎn)，表明該時(shí)域內(nèi)降水量發(fā)生多次突變，其中僅有部分年份UF值>0，表明區(qū)域年降水總趨勢(shì)為較少特征。春季降水量UF值在1998年達(dá)到最大值，為-3.076，表明該年降水減少顯著;其與UB在1982年處存在交點(diǎn)，但未達(dá)到閾值線。由于夏季降水為頭屯河年降水量的主體，因而其M-K檢驗(yàn)特征與年降水的變化趨勢(shì)一致。在1989-2004和2013-2016這兩個(gè)時(shí)段，秋季降水UF值>0，研究時(shí)域內(nèi)秋季降水整體增多。冬季降水量的UF、UB曲線在2014年相交，但未達(dá)到閾值線水平(P<0.05)。

圖2 頭屯河流域年降水/季降水量M-K檢驗(yàn)

2.3 頭屯河流域降水量半方差結(jié)構(gòu)分析

半方差分析能夠檢驗(yàn)降水空間分布特征。GS+9.0軟件平臺(tái)根據(jù)區(qū)域性變量特征設(shè)計(jì)了高斯、指數(shù)、球面、線性4種模型予以擬合其空間結(jié)構(gòu)，基于決定系數(shù)R2接近于1、殘差RSS接近于0的原則，選取最優(yōu)擬合模型，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，頭屯河流域年降水和冬季降水量空間分布符合高斯模型，其塊金結(jié)構(gòu)分別為35.31%和29.30%，達(dá)到中等空間自相關(guān)性，但其低于50%，說(shuō)明區(qū)域年、冬季降水量空間分布受結(jié)構(gòu)因素如地形、大氣循環(huán)穩(wěn)定性機(jī)制控制，導(dǎo)致降水在不同空間位置上具有相關(guān)性。春、夏、秋季降水量空間分布分別以線性、球面、指數(shù)模型擬合最佳，塊金結(jié)構(gòu)相差不大，依次為32.22%、27.93%和36.34%，說(shuō)明降水量空間變異以結(jié)構(gòu)性變異為主，隨機(jī)性變異較少。需要指出的是，頭屯河流域降水量空間分布的半方差結(jié)構(gòu)約為30%左右，說(shuō)明降水過(guò)程機(jī)制仍然受到一定程度的隨機(jī)因素影響，這可能是氣候變化背景下大氣環(huán)流過(guò)程存在不確定性因子干擾。

表1 頭屯河降水量半方差模型及參數(shù)

2.4 頭屯河流域降水量空間分布分析

根據(jù)前面部分計(jì)算的半方差結(jié)構(gòu)參數(shù)，以各站點(diǎn)年和季節(jié)降水量平均值為基礎(chǔ)，在Surfer環(huán)境下運(yùn)用Cokriging插值法，繪制其空間分布圖，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，區(qū)域降水量存在一定空間差異。總體來(lái)看，頭屯河流域年和季節(jié)降水量呈現(xiàn)自西北向東南遞減的分布趨勢(shì)。年降水量高值區(qū)集中于西北與北部，局部可達(dá)300 mm，西北部地區(qū)地形開(kāi)闊，其地理位置便于接受來(lái)自北冰洋和北大西洋水汽，因而降水量較多；而東南部降水量明顯較低，局部少于100 mm，主要由于東南部地形封閉，周邊為高大山系阻擋，隔絕了水汽運(yùn)移，降水多為地形雨。各季節(jié)降水量的分布趨勢(shì)與年降水量分布一致，但在局部特征方面略有差異。

圖3 頭屯河流域降水量空間分布特征

3 結(jié) 論

頭屯河流域是新疆干旱半干旱地區(qū)典型的冰川積雪溶水型自流區(qū)，區(qū)域降水稀少卻是本區(qū)生態(tài)安全、環(huán)境演變必不可缺的水循環(huán)要素。本文研究顯示，區(qū)域降水量總體呈減少趨勢(shì)，主要由于近現(xiàn)代以來(lái)氣候變化加劇導(dǎo)致高緯度季風(fēng)和北大西洋季風(fēng)存在異常，進(jìn)而影響了西北地區(qū)的降水常態(tài)；各季節(jié)性降水變量趨勢(shì)與速率存在差異，這將給區(qū)域植被生長(zhǎng)帶來(lái)深刻影響。本文初步揭示了區(qū)域降水時(shí)空特征，可為區(qū)域氣象研究和農(nóng)業(yè)資源規(guī)劃提供實(shí)踐依據(jù)。