1954年~2014年昌吉州降水量時(shí)間序列變化特征分析

賀 穎

（昌吉水文勘測(cè)局，新疆 昌吉 831100）

昌吉地處我國(guó)西北邊疆的天山北麓、北疆準(zhǔn)噶爾盆地東南部，高原山地、平原盆地相間，地形分異明顯；由于地處大陸板塊中心，海洋水汽難以到達(dá)，形成了溫帶干旱大陸性氣候。氣候特點(diǎn)為冬季寒冷漫長(zhǎng)、夏季炎熱短促，年內(nèi)與晝夜溫差均較大；年均溫6.8℃，降水量190 mm，≥10℃積溫為3450℃。區(qū)域降水主要來自西風(fēng)環(huán)流帶來的北冰洋水汽和蒸騰雨，降雨量十分缺失；由于境內(nèi)冰川廣布，達(dá)1033 km2，區(qū)域水資源主要由冰川融化構(gòu)成，年徑流量達(dá)25.5億m3。由于全球氣候暖化影響，我國(guó)西北地區(qū)氣溫升高明顯，同時(shí)局部降水或有增加、或有減少，而昌吉州降水量變化趨勢(shì)不明[1~3]?；诖耍疚囊?954年~2014年該州逐日降水資料為基礎(chǔ)，通過趨勢(shì)分析、滑動(dòng)濾波和Mann-Kendall檢驗(yàn)法，研究該區(qū)降水量變化規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心網(wǎng)站(http://data.cma.cn/)提供的昌吉境內(nèi)(昌吉、呼圖壁、奇臺(tái)、阜康、瑪納斯、吉木薩爾、木壘哈薩克等)7個(gè)站點(diǎn)逐日降水資料，分析整理了區(qū)域年均、季均降水量。運(yùn)用Excel軟件展開分析。

1.2 滑動(dòng)平均法

降水是時(shí)間序列隨機(jī)函數(shù)，對(duì)于時(shí)間序列為n的降水量樣本，當(dāng)其滑動(dòng)長(zhǎng)度為k時(shí)，其滑動(dòng)的平均序列如下：

1.3 傾向斜率法

解析氣候變量隨時(shí)間變化的宏觀趨勢(shì)，通常采用兩變量計(jì)算其回歸系數(shù)α，其值大于0，表明降水量時(shí)間序列為增加趨勢(shì)，小于0，則呈減少趨勢(shì)。其形式如下：

β分別為總體回歸方程參數(shù)。

1.4 M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

對(duì)于時(shí)間序列變量 (X1，X2，…，Xn)，n為時(shí)間序列長(zhǎng)度，Mann-Kendall(M-K)法定義了統(tǒng)計(jì)量S：

其中Sgn()為符號(hào)函數(shù)，規(guī)則如下：

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：

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)，并且絕對(duì)值越大，則趨勢(shì)越明顯；且1.96、2.32時(shí)分別通過90%、95%、99%的信度檢驗(yàn)，在該水平上顯著[3~5]。

2 結(jié)果分析

2.1 昌吉州降水量年代變化分析

圖1直觀顯示1954年~2014年昌吉州年季降水量波動(dòng)特征?？芍杭窘邓孔畲蟛▌?dòng)區(qū)間為5.2 mm(1993年)~87 mm(2010年)，其中2010年厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致東亞地區(qū)初春時(shí)節(jié)降水量異常增多，昌吉州降水量亦受此影響顯著。擬合趨勢(shì)表明，近60年間，昌吉州春季降水量平均值為40.77 mm，其主要以降雪的形式出現(xiàn)；變化形式為(y=0.0692x-96.574，R2=0.0044，P>0.05)說明該地春季降水總趨勢(shì)逐漸增多，從細(xì)節(jié)來看，1957年~1967年、1988年~1997年兩個(gè)時(shí)段降水量有所減少，在1967年~1972年、1997年~2010年兩個(gè)時(shí)段增加趨勢(shì)顯著。夏季降水量在1993年達(dá)到歷史高值，為157.3 mm，1962年最低，僅為7.4 mm，平均值為60.44 mm，近60年呈現(xiàn)3個(gè)明顯階段性特征，1957年~1982年、2001年~2009年降水量呈負(fù)向變化；1982年~1993年為正向變化，其綜合變化為增加趨勢(shì)(y=0.2109x-358.3,R2=0.0151)。其中秋季降水量的年代分異特征不明顯，僅在1967年~1971年、1991年~1997年內(nèi)存在相對(duì)異常值，而在其他大多數(shù)年份呈漸進(jìn)演替，綜合趨勢(shì)為(y=0.1684x-285.4,R2=0.0219)，其均季降水量達(dá)51.69 mm，其中1992年、1962年異常年份。冬季降水量年代趨勢(shì)相對(duì)清晰，其中1954年~1967年降水量呈減少變化，1968年~2014年呈起伏增加態(tài)勢(shì)，極大值發(fā)生在2010年，達(dá)144.5 mm，極小值出現(xiàn)在1967年，為14.5 mm，季均降水量為46.04 mm，其變化形勢(shì)為(y=0.2216x-393.64,R2=0.023)。該州年降水量年代特征與其冬季降水變化特征相似，其在1957年~1963年、1975年~1985年時(shí)段內(nèi)略有減少，在2008年~2014年間波動(dòng)幅度較大，總體呈增加趨勢(shì)，多年平均值為198.94 mm，變化形式表現(xiàn)為(y=0.918x-1617.1,R2=0.0643)。

圖1 昌吉州年、季降水量波動(dòng)特征

2.2 昌吉州降水量距平值分析

基于公式，計(jì)算得到各年降水量距平值，見圖2，其絕對(duì)值越大，表明該年降水量偏離均年水平越遠(yuǎn)，則其變率越大。依圖2-a可知，1954年~2014年昌吉州春季降水量距平值超過70%的有9次，其中26年春季降水距平值介于20%~70%之間，另外26年春季降水量相對(duì)平穩(wěn)，距平值低于20%。夏季降水量距平值最高為1993年的160%，該年夏季降水量達(dá)157 mm，為歷史最高值，其中高于平均值的有28年，另外31年夏季降水低于均值水平；其距平值達(dá)到50%的有16年。秋季降水量距平差相對(duì)較小，其中距平值超過50%的僅為15年，大部分年份秋季降水據(jù)平差在30%以內(nèi)，說明近60年內(nèi)昌吉州秋季降水變化率較小。冬季降水量距平差值較大，其中8個(gè)年份距平差超過70%，21個(gè)年份據(jù)平差介于25%~70%之間。就年降水量來看，有18年次降水量據(jù)平差超過±50%，21年次降水量據(jù)平差小于20%，余下20年次的距平差介于20%~50%之間。

圖2 各年降水量距平值

2.3 昌吉州降水量M-K檢驗(yàn)分析

應(yīng)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法，在Excel里計(jì)算并繪制了昌吉州年、季降水量趨勢(shì)檢驗(yàn)圖，其結(jié)果見圖3。其中UF值為降水量序列五點(diǎn)三次濾波擬合值，UB為信度為5%水平，閾值為1.96水平下的檢驗(yàn)值。

圖3 昌吉州年、季降水量M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

如圖3-a所示，2004年之前UB值大部分小于0，說明該時(shí)段內(nèi)昌吉市春季降水量趨勢(shì)為減少特征，隨后UB值均高于0，表明其為增加趨勢(shì)；其中1965年的UB值為-2.65，超過閾值水平，表明該年春季降水量減小十分顯著。其中UF、UB曲線在1968年、1973年相交，其中前者表明其春季降水由減少突變?yōu)樵黾犹卣鳎笳咄蛔優(yōu)闇p少特征，然而其并未觸及閾值線，表明該突變不顯著(P>0.05)。其中夏季降水量的突變點(diǎn)有3個(gè)，分別是1955年、1961年、1971年，由于1955年距離研究起點(diǎn)1954年較近，故而該點(diǎn)判斷為虛變點(diǎn)，1954年~1961年降水為增加趨勢(shì)，1961年~1971為減少趨勢(shì)，從1971年之后突變?yōu)樵黾于厔?shì)。秋季降水量的UF、UB值在1980年相交，其由減少特征突變?yōu)樵黾討B(tài)勢(shì)。冬季降水量并無明顯突變，其線性增加特征相對(duì)明顯，這與2.1部分的分析結(jié)果一致，表明近半世紀(jì)以來全球氣候變化對(duì)該州冬季降水影響較大。就年降水量來看(圖3-e)，其突變點(diǎn)在1972年，在1954年~1972年之間其變化趨勢(shì)不明顯，隨后突變?yōu)樵黾拥内厔?shì)?？偠灾芯繒r(shí)域內(nèi)昌吉年際降水量存在多個(gè)復(fù)雜突變，但均通過閾值檢驗(yàn)，說明其降水量觀測(cè)還有待加強(qiáng)，以便深入分析。

3 結(jié)論

昌吉州降水量稀少、氣候干旱的環(huán)境背景一直是本區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)展與生態(tài)承載力提高的限制因素之一，雖然近半世紀(jì)以來該地區(qū)降水量持續(xù)增多，然而這對(duì)于區(qū)域降水總量與干旱的氣候條件來說依然是杯水車薪，并且這種降水變化演替帶來的環(huán)境與社會(huì)影響尚不明確。對(duì)于水文工作者來講，今后要加強(qiáng)降水變化對(duì)地表徑流、蒸散過程的研究，從而為精確計(jì)算水資源總量夯實(shí)基礎(chǔ)。