三北工程區(qū)降水量長(zhǎng)時(shí)間序列與多尺度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)及預(yù)測(cè)

鄧 歐,李亦秋,*,魯春霞,肖 玉,李若霜

1 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550001

2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101

3 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083

在水循環(huán)中,降水是最活躍的因素[1- 2]。作為地表水資源的補(bǔ)給來(lái)源,降水與人類(lèi)生產(chǎn)生活及生態(tài)息息相關(guān),對(duì)于區(qū)域資源的時(shí)空分布、生態(tài)環(huán)境形成與演變及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等起著決定性的作用[3-4]。關(guān)于降水演變特征的分析早已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn),降水的變化趨勢(shì)研究也已成為水文及氣候系統(tǒng)研究中的主要組成部分[5-9]。這些研究有利于增強(qiáng)對(duì)未來(lái)氣候變化認(rèn)識(shí),也有利于剖析區(qū)域水文、自然災(zāi)害及其生態(tài)環(huán)境的影響因素。由于降水受到多方面自然因素及人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的共同影響,其成因及受影響因素具有不確定性,對(duì)降水的研究仍有很大的空間,仍需不斷的研究與探索[10-12]。

“三北工程建設(shè)是同我國(guó)改革開(kāi)放一起實(shí)施的重大生態(tài)工程,是生態(tài)文明建設(shè)的一個(gè)重要標(biāo)志性工程。經(jīng)過(guò)40a不懈努力,工程建設(shè)取得巨大生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益,成為全球生態(tài)治理的成功典范”[13]。由于三北工程區(qū)大部分區(qū)域地處西北干旱半干旱地區(qū),降水量不足、蒸發(fā)量過(guò)大,水資源一直以來(lái)都是這里的稀缺資源。工程早期植被建設(shè)由于忽略了水資源承載力,致使出現(xiàn)了“造林成活率低、生長(zhǎng)緩慢、停滯甚至枯死等衰退現(xiàn)象”[14-15]。加上西部大開(kāi)發(fā)和一帶一路戰(zhàn)略開(kāi)發(fā)的陸續(xù)實(shí)施,三北工程區(qū)水資源供需矛盾更加突出。大氣降水是地表水資源的補(bǔ)給來(lái)源,對(duì)降水量演變特征及其變化趨勢(shì)的研究有利于增強(qiáng)對(duì)未來(lái)氣候變化認(rèn)識(shí)并采取有效應(yīng)對(duì)措施。而目前關(guān)于三北工程區(qū)多年來(lái)的降水量及其變化的研究相對(duì)較為薄弱。盡管王強(qiáng)在分析植被覆被變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)時(shí),采用1982—2006年氣象數(shù)據(jù),對(duì)三北工程區(qū)25a的氣溫降水變化作了研究,但時(shí)間序列過(guò)短,對(duì)于工程建設(shè)前后降水量變化的階段特征缺乏對(duì)比[16]；王鵬濤等選取117個(gè)站點(diǎn)1960—2011年的氣象數(shù)據(jù),采用氣候傾向率、距平分析法及空間插值等方法,分析三北工程區(qū)近52a降水量的總體變化趨勢(shì)和降水量距平空間變化,但未揭示出降水量變化趨勢(shì)的空間分異及其突變現(xiàn)象[17],未能全面揭示三北工程區(qū)的降水變化特征。

本文在三北工程區(qū)、重點(diǎn)建設(shè)區(qū)、重點(diǎn)縣3個(gè)空間尺度上,基于1951—2018年長(zhǎng)時(shí)間序列降水量觀測(cè)數(shù)據(jù),采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、ARIMA模型預(yù)測(cè)和ArcGIS空間分析等方法,開(kāi)展年降水量、生長(zhǎng)季降水量和非生長(zhǎng)季降水量多尺度變化趨勢(shì)與突變研究,并對(duì)未來(lái)30年年降水量預(yù)測(cè)分析,可為落實(shí)“以水定林草”的發(fā)展理念,和因地制宜發(fā)展“雨養(yǎng)林草植被”提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)域概況

早在1978年,國(guó)家就決定在西北、華北及東北風(fēng)沙危害和水土流失嚴(yán)重的地區(qū),建設(shè)大型防護(hù)林工程,即三北防護(hù)林體系建設(shè)工程[18]。 三北工程區(qū)大部分地處西北干旱半干旱的水資源稀缺地區(qū),年均降水量在400 mm以下,形成了“十年九旱,不旱則澇”的氣候特點(diǎn),曾嚴(yán)重制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展[12]。經(jīng)過(guò)40年的建設(shè),林草植被初步得到恢復(fù),沙化土地和水土流失治理成效明顯。隨著造林面積及工農(nóng)業(yè)和生活用水量的增加,水資源供需矛盾日趨嚴(yán)重。樹(shù)立“以水定林草”的發(fā)展理念,因地制宜發(fā)展“雨養(yǎng)林草植被”,是三北工程未來(lái)的建設(shè)目標(biāo)和方向。工程區(qū)范圍及18個(gè)重點(diǎn)建設(shè)區(qū)和 5個(gè)重點(diǎn)縣分布如圖1所示。

圖1 三北工程區(qū)及其重點(diǎn)建設(shè)區(qū)、重點(diǎn)縣分布圖Fig.1 The distribution map of Three-North Shelterbelt Forest Program region, its main construction areas and key counties

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)源包括:中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)739個(gè)站點(diǎn)1951—2018年共68a的逐日降水資料,數(shù)據(jù)格式為文本文檔。從統(tǒng)計(jì)的角度,序列長(zhǎng)度為68a的降水資料用于分析區(qū)域降水特性是比較可靠的。三北工程區(qū)和重點(diǎn)建設(shè)區(qū)邊界來(lái)源于國(guó)家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院項(xiàng)目共享數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式為1：100萬(wàn)縣域邊界矢量數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

本研究主要采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)、ARIMA模型預(yù)測(cè)和ArcGIS空間分析等方法,開(kāi)展年降水量、生長(zhǎng)季降水量和非生長(zhǎng)季降水量多尺度變化趨勢(shì)、突變分析與預(yù)測(cè)研究。

(1)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)。Mann-Kendall方法由Mann和Kendall提出,“是一種基于秩的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,適用性強(qiáng),是時(shí)間序列趨勢(shì)分析有效方法之一,對(duì)揭示整體時(shí)間序列演變趨勢(shì)與突變情況有良好的表現(xiàn)”[19-21]。由世界氣象組織(WMO)推薦并已廣泛應(yīng)用于氣溫、降水等要素時(shí)間序列的變化趨勢(shì)分析。

1)非參數(shù) Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S為：

(1)

式中：“i≠j,且i,j≤n,Sign()為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)Di-Dj小于、等于或大于零時(shí),Sign(Di-Dj)分別為-1、0 或1”。當(dāng)為長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)(n>10),統(tǒng)計(jì)量Z為：

(2)

“當(dāng)Z>0時(shí),時(shí)間序列呈增加趨勢(shì)；Z<0時(shí),時(shí)間序列為減少趨勢(shì)。當(dāng)Z的絕對(duì)值 ≥1.28、1.64、2.32時(shí),表示判別結(jié)果分別通過(guò)了信度為90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)”[20]。

2)Mann-Kendall突變檢測(cè)

設(shè)有時(shí)間序列：D2,D3,…,Dn,構(gòu)造一秩序列ri,ri表示Di>Dj(1≤j≤i)的樣本累積數(shù)。定義Sk：

(3)

式中當(dāng)Di>Dj時(shí),ri=1；當(dāng)Di≤Dj時(shí),ri=0 (j=1,2,…,i)。Sk的期望值E(Sk)及其序列方差Var(Sk)分別由以下兩式定義：

(4)

(5)

假定數(shù)據(jù)序列具有獨(dú)立性,定義統(tǒng)計(jì)量UFk：

(6)

式中“UFk遵從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,給定一個(gè)顯著性水平α,查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表可得臨界值Uα。如α取0.05時(shí),其臨界值Uα=±1.96,當(dāng)UFk>Uα?xí)r,時(shí)間序列存在顯著的增加或減少趨勢(shì)。將歷年UFk點(diǎn)繪成一條曲線,可判定其是否具有增加或減少趨勢(shì)。重復(fù)上述各步反序計(jì)算并將結(jié)果乘以-1,得到新時(shí)間序列UBk”。分別繪出UFk和UBk時(shí)序圖,“當(dāng)UFk大于0時(shí),序列為增加趨勢(shì),反之屬于減少趨勢(shì)。如UFk超過(guò)臨界值,則表示增加或減少趨勢(shì)達(dá)到顯著水平。當(dāng)UFk與UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在臨界值之間,則交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間可認(rèn)為就是突變開(kāi)始時(shí)間”[22]。

(2)ARIMA模型。全稱(chēng)“自回歸積分滑動(dòng)平均模型(簡(jiǎn)記ARIMA)”,是指“將非平穩(wěn)時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)時(shí)間序列,然后將因變量?jī)H對(duì)它的滯后值以及隨機(jī)誤差項(xiàng)的現(xiàn)值和滯后值進(jìn)行回歸所建立的模型”[23]?！澳Ｐ凸灿?個(gè)參數(shù),一般形式為 ARIMA(p,d,q),AR為自回歸,p為自回歸階次,d為時(shí)間序列成為平穩(wěn)時(shí)所做的差分次數(shù),q為移動(dòng)平均階次。如果模型建模合適,模型殘差序列一定要為白噪聲序列,模型會(huì)自動(dòng)擬合預(yù)測(cè)值,得到有較高精度的預(yù)測(cè)模型”[24]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

(1)降水量變化趨勢(shì)檢測(cè)與突變分析的數(shù)據(jù)處理。對(duì)原始降水資料數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,對(duì)缺失數(shù)據(jù)和粗差進(jìn)行剔除,采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法,開(kāi)展三北工程區(qū)和重點(diǎn)建設(shè)區(qū)的年降水量、生長(zhǎng)季降水量和非生長(zhǎng)季降水量的多尺度變化趨勢(shì)檢測(cè)分析,并針對(duì)重點(diǎn)縣年降水量進(jìn)行突變分析。

(2)未來(lái)30年降水預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)處理。根據(jù)三北工程區(qū)范圍內(nèi)國(guó)家地面氣象觀測(cè)站1951—2018年739個(gè)站點(diǎn)的年降水量數(shù)據(jù),采用在Matlab中編程實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)站點(diǎn)自動(dòng)篩選ARIMA模型參數(shù)和對(duì)模型殘差序列進(jìn)行白噪聲檢驗(yàn),預(yù)測(cè)得出739個(gè)站點(diǎn)未來(lái)30年的年降水量數(shù)據(jù),結(jié)果顯示殘差序列的自相關(guān)圖均在二倍標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi),說(shuō)明時(shí)間序列信息提取完全,且Ljung-Box檢驗(yàn)P值均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)研究區(qū)降水量。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量變化趨勢(shì)檢測(cè)與突變分析

3.1.1三北工程區(qū)降水量變化趨勢(shì)檢測(cè)

根據(jù)三北工程區(qū)范圍內(nèi)國(guó)家地面氣象觀測(cè)站1951—2018年739個(gè)站點(diǎn)的降水日值觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)1980—2015年逐年降水量,并計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)年降水量的非參數(shù) Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值,進(jìn)行ArcGIS空間插值,并按其信度將Z值分為-2.32—-1.64,-1.64—-1.28,-1.28—0,0—-1.28,1.28—1.64,1.64—2.32和Z>2.32七個(gè)等級(jí),得到三北工程區(qū)年降水量、生長(zhǎng)季降水量和非生長(zhǎng)季降水量的非參數(shù) Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值空間分布圖如圖2所示。

圖2 三北工程區(qū)降水量非參數(shù) Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值空間分布圖Fig.2 The spatial distribution map of precipitation non-parametric Mann-Kendall test Z score of Three-North Shelterbelt Forest Program region

根據(jù)年降水量、生長(zhǎng)季降水量和非生長(zhǎng)季降水量的非參數(shù) Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值分布圖進(jìn)行空間分類(lèi)統(tǒng)計(jì),得到不同信度條件下降水量變化趨勢(shì)的面積百分比統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 不同信度條件下降水量變化趨勢(shì)的面積百分比統(tǒng)計(jì)表Table 1 The area percentage statistical table of precipitation variation trend under different confidence values

三北工程區(qū)降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的區(qū)域面積大于呈減少趨勢(shì)的區(qū)域,年降水量和生長(zhǎng)季降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的區(qū)域面積百分比分別為73.64%和70.10%,主要分布在西北荒漠區(qū)；非生長(zhǎng)季降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的區(qū)域面積百分比達(dá)92.06%,除黃土高原南部和風(fēng)沙區(qū)的少部分地區(qū)而外,均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。年降水量、生長(zhǎng)季降水量和非生長(zhǎng)季降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)且置信度為90%以上的區(qū)域面積百分比分別為45.43%、37.31%和36.79%。三北工程區(qū)生長(zhǎng)季降水量占到年降水量的85.70%以上,生長(zhǎng)季降水量的增加,有利于植被的生長(zhǎng)和生物多樣性的增加。非生長(zhǎng)季降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的區(qū)域面積百分比達(dá)到92.06%,但由于非生長(zhǎng)季降水量基數(shù)小,降水量增加總量不大。

3.1.2重點(diǎn)建設(shè)區(qū)降水量變化趨勢(shì)檢測(cè)

將三北工程重點(diǎn)建設(shè)區(qū)各分區(qū)年降水量、生長(zhǎng)季降水量和非生長(zhǎng)季降水量的非參數(shù) Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值進(jìn)行空間分析,對(duì)其降水量變化趨勢(shì)的面積百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并繪制其雷達(dá)統(tǒng)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 重點(diǎn)建設(shè)區(qū)不同信度條件下降水量變化趨勢(shì)面積百分比雷達(dá)統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 The area percentage radar chart of precipitation variation trend under different confidence values

在18個(gè)重點(diǎn)建設(shè)區(qū)中,生長(zhǎng)季降水量的變化趨勢(shì)與年降水量的變化趨勢(shì)趨于一致,由東向西,從松嫩平原到河西走廊,松遼平原、海河流域、科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地、渾善達(dá)克沙地、晉陜峽谷、涇河渭河流域以不顯著減少趨勢(shì)為主；松嫩平原、毛烏素沙地、河套平原、晉西北、湟水河流域、阿拉善地區(qū)、河西走廊以不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)和為主。西部的柴達(dá)木盆地、天山北坡谷地、準(zhǔn)噶爾盆地南緣、塔里木盆地周邊年降水量的變化趨勢(shì)以通過(guò)信度為95%顯著性檢驗(yàn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)為主；柴達(dá)木盆地和塔里木盆地周邊以生長(zhǎng)季降水量的變化趨勢(shì)以通過(guò)信度為95%顯著性檢驗(yàn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)為主,天山北坡谷地、準(zhǔn)噶爾盆地南緣生長(zhǎng)季降水量的變化趨勢(shì)以通過(guò)信度為90%顯著性檢驗(yàn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)為主。非生長(zhǎng)季降水量除了晉陜峽谷、涇河渭河流域以不顯著減少趨勢(shì)為主而外,其他地區(qū)均以增長(zhǎng)趨勢(shì)為主；以增長(zhǎng)趨勢(shì)通過(guò)信度為99%的顯著性檢驗(yàn)為主的包括呼倫貝爾沙地、天山北坡谷地和準(zhǔn)噶爾盆地南緣；以增長(zhǎng)趨勢(shì)通過(guò)信度為95%的顯著性檢驗(yàn)為主的為松嫩平原；松遼平原、海河流域、科爾沁沙地、毛烏素沙地、呼倫貝爾沙地、渾善達(dá)克沙地、河套平原、晉西北、湟水河流域、河西走廊、柴達(dá)木盆地、塔里木盆地周邊和阿拉善地區(qū)以不顯著減少趨勢(shì)為主。

3.1.3重點(diǎn)縣降水量突變分析

根據(jù)三北工程5個(gè)重點(diǎn)縣自1951年以來(lái)有數(shù)據(jù)的分縣年降水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),分別繪出5個(gè)重點(diǎn)縣的UFk和UBk時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 重點(diǎn)縣UFk和UBk時(shí)序圖Fig.4 The sequence diagram of UFk & UBk of key countiesMK：Mann-Kendal；UF：Mann-Kendall檢驗(yàn)法定義的統(tǒng)計(jì)量；UB：UF的反序統(tǒng)計(jì)量

黑龍江省望奎縣年降水量的統(tǒng)計(jì)量UFk在0與臨界值之間,說(shuō)明其增減趨勢(shì)不顯著,UFk與UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在臨界值之間,分別在1961年、1964年、2013年、2015年出現(xiàn)交點(diǎn),說(shuō)明其對(duì)應(yīng)年份年降水量突變發(fā)生。新疆庫(kù)爾勒市年降水量的統(tǒng)計(jì)量UFk大部分時(shí)間大于0,且在1965年、1966年大于臨界值,年降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì),在1965年、1966年達(dá)到顯著水平；1970—1972年、1979—1980年、1984—1987年UFk小于且在臨界值之內(nèi),年降水量呈不顯著減少趨勢(shì)。庫(kù)爾勒市的UFk與UBk曲線多處出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在臨界值之間,年降水量突變發(fā)生頻繁。內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣年降水量的統(tǒng)計(jì)量UFk大部分時(shí)間大于0,且在臨界值之內(nèi),年降水量呈不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。UFk與UBk曲線多處出現(xiàn)交點(diǎn),年降水量突變發(fā)生頻繁。甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)的年降水量的統(tǒng)計(jì)量UFk1991年以后大都小于0,且在臨界值之內(nèi),年降水量1991年以后呈不顯著減少趨勢(shì)。UFk與UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在臨界值之間,分別在1953年、1971年、1976年、1981年、2017年出現(xiàn)交點(diǎn),說(shuō)明其對(duì)應(yīng)年份年降水量突變發(fā)生。內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁左翼后旗的年降水量的統(tǒng)計(jì)量UFk1998年以后小于0,且在臨界值之內(nèi),年降水量1998年以后呈不顯著減少趨勢(shì)。UFk與UBk曲線多處出現(xiàn)交點(diǎn),說(shuō)明其年降水量突變發(fā)生頻繁。

3.2 未來(lái)30年年降水量預(yù)測(cè)

將各站點(diǎn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)ArcGIS空間插值繪制三北工程區(qū)未來(lái)30年年降水量空間分布圖,并在此基礎(chǔ)上計(jì)算未來(lái)30年間年降水量變化數(shù)據(jù),繪制其分布圖如圖5所示。

圖5 三北工程區(qū)未來(lái)30年年降水量空間分布與年降水量變化分布Fig.5 The predicted precipitation spatial distribution map of Three-North Shelterbelt Forest Program region for the next 30 years and its changing distribution map

未來(lái)30年“三北工程區(qū)”年降水量最小值31.76 mm,最大值1071.90 mm,變化范圍1040.14 mm,與現(xiàn)狀年2018年(最小值18.04 mm,最大值984.93 mm,變化范圍966.88 mm)相比較年降水量變化范圍增加73.26 mm；均值現(xiàn)狀年301.80 mm,預(yù)測(cè)年均值321.58 mm,均值增加19.78 mm；由于三北工程區(qū)東西跨度大,標(biāo)準(zhǔn)差也較大,現(xiàn)狀年為225.74,預(yù)測(cè)年為215.72,年降水量空間差異減少。未來(lái)30年間年降水量變化最多增加244.62 mm,最多減少168.54 mm?；谖磥?lái)30年年降水量及其變化空間分布,在三北工程區(qū)、重點(diǎn)建設(shè)區(qū)、重點(diǎn)縣3個(gè)空間尺度上,可為模擬基于水資源約束的林草植被理論與現(xiàn)實(shí)分布格局,開(kāi)展基于水資源承載能力的林草資源優(yōu)化配置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為三北工程區(qū)科學(xué)恢復(fù)林草資源、發(fā)展“雨養(yǎng)林草植被”提供科學(xué)支撐。

4 結(jié)論與討論

三北工程區(qū)造林面積增加及工農(nóng)業(yè)和生活用水量增加,水資源供需矛盾日益突出,迫切需要樹(shù)立“以水定林草”的發(fā)展理念,因地制宜發(fā)展“雨養(yǎng)林草植被”。本文在三北工程區(qū)、重點(diǎn)建設(shè)區(qū)、重點(diǎn)縣3個(gè)空間尺度上,基于1951—2018年長(zhǎng)時(shí)間序列降水量,采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、ARIMA模型預(yù)測(cè)和ArcGIS空間分析等方法,開(kāi)展年降水量、生長(zhǎng)季降水量和非生長(zhǎng)季降水量多尺度變化趨勢(shì)與突變分析,并對(duì)未來(lái)30年的年降水量進(jìn)行預(yù)測(cè),主要研究結(jié)論如下：

(1)三北工程區(qū)降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的區(qū)域面積大于呈減少趨勢(shì)的區(qū)域,年降水量、生長(zhǎng)季降水量和非生長(zhǎng)季降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的區(qū)域面積百分比分別為73.64%、70.10%和92.06%,全年、生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)且置信度為90%以上的區(qū)域面積百分比分別為45.43%、37.31%和36.79%。生長(zhǎng)季降水量占到年降水量的85.70%以上,生長(zhǎng)季降水量的增加,有利于植被的生長(zhǎng)和生物多樣性的增加。非生長(zhǎng)季降水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的區(qū)域面積比例達(dá)到92.06%,但降水量增加總量不大。

(2)18個(gè)重點(diǎn)建設(shè)區(qū)生長(zhǎng)季降水量與年降水量的變化趨勢(shì)趨于一致,西部的柴達(dá)木盆地、天山北坡谷地、準(zhǔn)噶爾盆地南緣、塔里木盆地周邊年降水量與生長(zhǎng)季降水量以通過(guò)信度為90%或95%顯著性檢驗(yàn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)為主,其他區(qū)域以不顯著減少趨勢(shì)或不顯著增加趨勢(shì)為主。非生長(zhǎng)季降水量除了晉陜峽谷、涇河渭河流域以不顯著減少趨勢(shì)為主而外,其他地區(qū)均以增長(zhǎng)趨勢(shì)為主。

(3)5個(gè)重點(diǎn)縣的UFk與UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn),說(shuō)明其年降水量有突變發(fā)生,庫(kù)爾勒市、磴口縣、科爾沁左翼后旗UFk與UBk曲線多處出現(xiàn)交點(diǎn),說(shuō)明其年降水量突變發(fā)生頻繁。

(4)采用ARIMA模型預(yù)測(cè)得出未來(lái)30年的年降水量,并在此基礎(chǔ)上計(jì)算30年間的年降水量變化數(shù)據(jù),繪制出空間分布圖,可為開(kāi)展基于水資源承載能力的林草資源優(yōu)化配置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為三北工程區(qū)科學(xué)恢復(fù)林草資源、發(fā)展“雨養(yǎng)林草植被”提供科學(xué)支撐。

綜上,降水是三北工程區(qū)水資源的根本來(lái)源,本研究從多個(gè)方面多個(gè)尺度對(duì)該區(qū)域的降水量變化趨勢(shì)的空間分布及其未來(lái)預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究,為開(kāi)展基于水資源承載能力的林草資源優(yōu)化配置提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)也可為三北工程區(qū)水文及氣候系統(tǒng)研究提供參考,有利于增強(qiáng)對(duì)該區(qū)域未來(lái)氣候變化的認(rèn)識(shí),也有利于加深該區(qū)域水文、自然災(zāi)害及其生態(tài)環(huán)境的影響因素的研究。