氣候變化影響下新疆水文要素變化特征及預(yù)測

李 忠 ，程增輝 ，張 魯 ，陸寶宏

（1.中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200331；2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222；3.山東省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全中心，濟南 250013；4.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098）

1 概述

水資源總量包括地表水資源量、地下水資源量和地表水與地下水資源重復(fù)量，總量受水文循環(huán)（降水、徑流、蒸發(fā)和大氣輸送）各個過程的影響。隨著人類文明的發(fā)展，水資源需求量增多。與此同時，由于氣候變暖［1-2］，主要表現(xiàn)為地表溫度顯著上升。在全球氣候變化的大背景下，局部地區(qū)尤其干旱地區(qū)，受水文循環(huán)過程變化影響，區(qū)域水資源量供需矛盾突出，甚至引發(fā)一系列社會、經(jīng)濟問題。

新疆位于我國西北部，新疆氣候以干旱為主要特征。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在新疆區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占據(jù)較大比重，農(nóng)業(yè)用水約占新疆用水總量的96%，旱澇災(zāi)害嚴(yán)重影響了區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展［3］。鑒于此，本文選擇水文循環(huán)過程重要影響因子——降水，作為氣候變化的主要表征因子，以天山山脈為界，研究新疆地區(qū)降水序列的時空演變特征，以期為區(qū)域水土資源規(guī)劃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局提供科學(xué)參考。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

2.1.1 資料來源

資料主要以中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的1951～2016年新疆地區(qū)12個代表站的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，采用算術(shù)平均法計算得區(qū)域降水；新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局提供的1999～2016年新疆地區(qū)水資源總量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.1.2 區(qū)域劃分

以天山山脈為界，將新疆地區(qū)劃分為南疆和北疆兩個分區(qū)，南疆氣象代表站5個（阿勒泰、烏蘇、塔城、伊寧、烏魯木齊），北疆氣象代表站7個（且末、吐魯番、和田、哈密、喀什、庫車、若羌），如圖1。

圖1 新疆氣象站分布

2.1.3 研究方法

采用線性傾向估計、Mann-Kendall分析、有序聚類分析法、Morlet小波分析和R/S分析法對新疆地區(qū)水文要素進行分析和預(yù)測。線性傾向估計主要用于總體變化趨勢分析；Mann-Kendall分析用于顯著性及突變分析；有序聚類分析法用于突變分析；小波分析用于周期性分析；R/S分析法持續(xù)性分析。

（1）線性傾向估計法其方程為：

式中 P為水文氣象要素；t為時間；a，b為常數(shù)，a為傾向率，若a＜0，P在時間尺度上呈減少趨勢，反之，呈增加趨勢。

（2）Mann-Kendall分析為非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法［4-5］。假設(shè)水文序列Xt無顯著變化趨勢，其標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計量為U，給定置信度α，若|U|＞Uα/2，存在顯著變化趨勢；反之，無顯著變化趨勢。其中，U為正值，呈上升趨勢；反之，呈下降趨勢。

（3）序列Xt可能突變點為τ，總離差平方和取最小值時對應(yīng)的τ即突變點［6］。

（4）小波分析屬于時頻分析，具有時頻局部化和多分辨率分析的特點，可反映水文序列的時間尺度［7-8］。

（5）R/S分析法是一種有效的非線性科學(xué)預(yù)測方法，通過改變研究對象的時間尺度，研究小尺度的統(tǒng)計特性變化規(guī)律并將其應(yīng)用到大尺度范圍［9］。

任意水文序列Xt=（x1，x2，…，xn），定義R/S特征量為：

對式（2）進行對數(shù)和回歸分析即可得H（Hurst指數(shù)）的值，［0，1］。H=0.5時，序列為隨機序列，無未來預(yù)測性；0≤H＜0.5時，序列具有狀態(tài)反持續(xù)性；0＜H≤1時，序列具有狀態(tài)持續(xù)性。

3 特征分析

3.1 相關(guān)性分析

統(tǒng)計1999～2016年新疆地區(qū)水資源總量和降水量數(shù)據(jù)，由Pearson相關(guān)分析可知，水資源總量和降水量的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.622（強相關(guān)），相關(guān)系數(shù)絕對值越大，相關(guān)性越強，兩變量在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

3.2 趨勢分析

3.2.1 年際和年代變化特征

新疆地區(qū)降水量時間變化如圖2。

圖2 新疆各分區(qū)降水量變化

由圖2可得：

（1）空間分布上，新疆地區(qū)多年平均降水量126.8mm，北疆地區(qū)多年平均降水量246.2mm，南疆地區(qū)多年平均降水量41.5mm，北疆＞全疆＞南疆。

（2）年際變化上，全疆、北疆、南疆線性傾向率均為正值，表明年降水量總體呈增加趨勢；5a滑動平均過程線表示，年降水量總體呈顯著增加趨勢，局部（1970年代前后）呈不顯著波動趨勢。

（3）年代變化上，累積距平值呈先減少后增加趨勢，新疆、北疆1960～1990年代距平值為負(fù)值，南疆1950～1990年代距平值為負(fù)值，表明新疆（1960～1990年代）、北疆（1960～1990年代）和南疆（1950～1990年代）年代降水量呈減少趨勢且低于平均水平，1990年代后逐步增加且高于平均水平。

3.2.2 顯著性分析

新疆地區(qū)年降水量變化趨勢定量檢驗如圖3。

圖3 新疆各分區(qū)年降水變化趨勢

由圖3可得：

（1）新疆地區(qū)1950年代降雨基本呈增加趨勢，1960～1990年代呈減少趨勢，后呈顯著增加趨勢。

（2）北疆地區(qū)1950年代呈增加趨勢，1960～1990年代中葉呈減少趨勢，后呈顯著增加趨勢。

（3）南疆地區(qū)1950年代中葉之前呈增加趨勢，1950年代中葉～1970年代呈減少趨勢，后呈顯著增加趨勢。

3.3 突變分析

應(yīng)用有序聚類法對年降水量序列進行突變分析，繪制Sn（τ）～τ曲線，如圖4。

圖4 年降水量變化曲線

由圖4可知，新疆降水突變點為1986年；北疆降水突變點為1986，1997年，南疆降水突變點為1986年，突變點分布如表1。

表1 不同空間尺度上降水突變分析

3.4 周期分析

降水多尺度演變特征如圖5。

圖5 新疆年降水小波分析

圖5 （a）、（b）中，實線表示降水量偏多狀態(tài)，虛線表示降水量偏少狀態(tài)，系數(shù)為零表示降水變化的突變點。圖5（c）、（d）反映能量隨時間尺度的分布。

①年降水存在多尺度演變特性，且具有全域性；②新疆年降水周期為6，15，3a； ③北疆為15，6，3a；④南疆為6，3，14a。

4 預(yù)測

降水預(yù)測分析如圖6。年降水Hurst指數(shù)均小于0.5，呈較強的狀態(tài)反持續(xù)性。未來周期內(nèi)，新疆、北疆、南疆年降水均呈顯著減少趨勢。

圖6 年降水預(yù)測分析

5 結(jié)語

基于1999～2016年新疆地區(qū)水資源總量和降水量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩變量在0.01水平上顯著相關(guān)。據(jù)此，可通過降水序列趨勢分析及預(yù)測，為區(qū)域水資源總量變化分析及水資源合理利用提供參考。

通過線性傾向估計、Mann-Kendall分析、有序聚類分析和Morlet小波分析方法對新疆、北疆、南疆1951～2016年降水序列進行分析，并通過R/S分析法對未來降水進行預(yù)測，結(jié)果如下：

（1）時間分布上，1951～2016年，新疆、北疆、南疆年降水總體均呈顯著增加趨勢；新疆、北疆、南疆降水周期基本一致，3，6，15a（14a）。

（2）空間分布上，北疆與新疆年際、年代變化趨勢較為接近；多年平均降水量：北疆＞新疆＞南疆。

（3）基于R/S分析法預(yù)測結(jié)果，在未來周期時段內(nèi)，降水保持狀態(tài)反持續(xù)性，新疆、北疆、南疆年降水均呈顯著減少趨勢。