基于信息熵的天山山區(qū)降水時(shí)空變化特征

趙傳成,姚淑霞,劉 君,任志國(guó),達(dá)文姣

(1.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州730070； 2.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

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基于信息熵的天山山區(qū)降水時(shí)空變化特征

趙傳成1,2,姚淑霞1,劉 君1,任志國(guó)1,達(dá)文姣1

(1.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州730070； 2.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

摘要：降水是山區(qū)氣候中最重要的氣象要素之一，其大小及變化直接關(guān)系到干旱山區(qū)中、下游的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,但是，由于技術(shù)和地理?xiàng)l件的限制，是難以精確觀測(cè)的氣象要素。本研究采用天山山區(qū)31個(gè)臺(tái)站和1960-2008年間的實(shí)測(cè)降水資料，應(yīng)用信息熵方法對(duì)天山山區(qū)年、季和月的降水變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明,天山山區(qū)降水在時(shí)間和空間上均存在變異性，時(shí)間變異性表現(xiàn)為信息熵的無序指數(shù)(DI)年際變化小于季節(jié)變化，季節(jié)變化小于月變化。DI多年變化特征呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；冬季DI變化最為顯著，夏季最??；冬季北坡降水隨高程的增加DI變化呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)，春、夏和秋季南坡降水隨高程的增加DI變化呈顯著減少趨勢(shì)(P<0.05)。山區(qū)月降水4-9月逐漸增加，10月至次年3月降水逐漸減少，月降水DI的變化與降水變化呈反相特征。在空間上DI變化與降水的分布相反，表現(xiàn)為南強(qiáng)北弱，東強(qiáng)西弱，伊犁河谷降水DI變化最小。結(jié)果證明，DI方法能夠有效地分析山區(qū)降水的時(shí)空變化特征，為合理開發(fā)山區(qū)的水資源提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氣候變化；降水變化；信息熵；天山山區(qū)

氣候變化對(duì)全球和區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了影響，兩極冰川消融加劇、高原凍土退化嚴(yán)重、海平面升高加速等環(huán)境變化是人類社會(huì)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)[1-2]。降水作為氣候變化重要的氣象要素，其時(shí)空分布及變化對(duì)水文和生態(tài)研究極為重要，由于受復(fù)雜地形的影響，這種變化更為顯著[3-5]。降水是山區(qū)所有形式的地表水、地下水和冰川積雪等水體的根本補(bǔ)給源，其空間分布對(duì)地區(qū)的水資源狀況、水土流失狀況及農(nóng)業(yè)資源的分布狀況等都有重要影響。降水空間差異的形成不僅與大氣環(huán)流的物理過程有關(guān)，還受復(fù)雜地形影響顯著，水汽來源、海拔、坡度、坡向等地形要素不但具有一定的降水形成條件，而且內(nèi)部水熱循環(huán)對(duì)局地降水產(chǎn)生影響，尤其對(duì)山區(qū)影響更為顯著[6]。

目前，研究降水時(shí)空分布和變化特征的方法很多，主要是以隨機(jī)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)的相關(guān)方法[7]。降水時(shí)間變化特征的研究主要以時(shí)間序列分析方法與隨機(jī)水文學(xué)方法為主，如氣候趨勢(shì)法、小波分析法、Mann-Kendall方法等。欒兆擎等[8]使用趨勢(shì)法分析了東北三江平原的氣溫和降水的變化特征，發(fā)現(xiàn)降水呈現(xiàn)弱的減少趨勢(shì)且不顯著。王英舜和賀俊杰[9]運(yùn)用小波方法分析了錫林浩特地區(qū)1961-2010年夏季降水量的變化特征，結(jié)果表明夏季降水在不同時(shí)間尺度上的周期變化表現(xiàn)不同,在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上振蕩平緩,在較短時(shí)間尺度上振蕩劇烈?？凳珂碌萚10]利用Mann-Kendall方法研究張掖地區(qū)降水變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示研究區(qū)降水量在波動(dòng)中有上升的趨勢(shì)，尤其以秋季降水量增多趨勢(shì)最為明顯。降水空間分布特征研究方法主要有地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、正交函數(shù)分解法等。原立峰等[11]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論、結(jié)合GIS技術(shù)研究了鄱陽湖流域降水空間分布特征，結(jié)果表明流域多年平均降水的空間分布整體呈現(xiàn)為由西南向東北，以及由西北向東北梯次遞增的趨勢(shì)。魏義長(zhǎng)等[12]將經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)和地統(tǒng)計(jì)分析有機(jī)結(jié)合，分析河南省近51年降水空間分布特征，得出了河南省雨季降水量空間分布的幾種主要類型。

由于降水的隨機(jī)性與時(shí)空變化的復(fù)雜性，使得水文與水資源變化也存在很大的隨機(jī)性和復(fù)雜性。熵理論能夠定量地分析和評(píng)價(jià)這種隨機(jī)性和復(fù)雜性，因而被廣泛地應(yīng)用到水文及水資源領(lǐng)域。1972年，Amoroeho和Espildora[13]將熵理論引入到水文與水資源的研究中，Singh[14]詳細(xì)地介紹了熵理論在水文水資源、水利工程及環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)熵理論在水文與水資源領(lǐng)域的應(yīng)用展開研究，并取得了豐碩的研究成果[15-19]。作為江、河、湖、海重要的補(bǔ)給源，降水的形成、發(fā)生、發(fā)展是一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象，具有很大的隨機(jī)性和不確定性，其時(shí)空變化難以定量描述。信息熵作為隨機(jī)變量不確定性的度量方法，為研究降水時(shí)空變化的不確定性提供了可能，與傳統(tǒng)方法相比，信息熵方法能夠簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確地揭示降水時(shí)空變化的隨機(jī)性和復(fù)雜性。

西北干旱山區(qū)作為內(nèi)陸河流域的水源形成和供給區(qū)，盡管其面積只占整個(gè)流域面積的很小一部分，但卻是維系整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的水資源中樞區(qū)[20]。研究表明，新疆65%的河流發(fā)源于天山山區(qū)，其河流徑流量占全疆總徑流量的54%[21-22]。作為各種水體的根本補(bǔ)給源，山區(qū)降水的時(shí)空分布與變化不僅直接影響區(qū)域水資源的總量，也是維系干旱區(qū)綠洲經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。降水是地表植被組成的主要影響因素，在干旱和半干旱區(qū)域，降水時(shí)間及其大小對(duì)植物生長(zhǎng)影響更為顯著[23]。山區(qū)降水的時(shí)空分布較復(fù)雜，受地形、山脈走向和水氣來源方向等諸多種因素的影響，山區(qū)氣象臺(tái)站分布稀少，冰雪覆蓋的高山區(qū)長(zhǎng)期觀測(cè)還是空白。楊蓮梅等[24]將自然正交分解法與數(shù)字高程相結(jié)合，研究天山山區(qū)降雨量的分布、水汽輸送及降水轉(zhuǎn)化率，結(jié)果表明，天山西部和中部降水量明顯高于天山東部，7月水汽輸送最大，1月水汽輸送最小，降水轉(zhuǎn)化率的順序依次為夏季>春季>秋季>冬季。張正勇等[25]利用一元回歸分析法和5年滑動(dòng)平均，分析天山山區(qū)近50年的氣溫和降水的變化趨勢(shì)及特征，結(jié)果顯示冬季升溫趨勢(shì)最為顯著，北坡變化較南坡顯著；降水夏季增加明顯，春季變化最小。天山山區(qū)降水垂直變化特征十分顯著，時(shí)間上也有一定的差異。春、夏、秋季降水隨高程的線性關(guān)系顯著，這種關(guān)系南坡表現(xiàn)更為突出[26]。如何運(yùn)用現(xiàn)有氣象臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析山區(qū)降水的時(shí)空分布特征，對(duì)研究氣候變暖背景下干旱區(qū)水資源變化和適應(yīng)未來氣候變化帶來的影響具有重要意義[27]。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)資料

1.1研究區(qū)概況

天山山區(qū)地處亞歐腹地，呈緯向分布，由一系列山脈、山間盆地和谷地組成。位于中國(guó)境內(nèi)的天山，通常稱為東天山，位于39°-45.5° N、73°-96° E(圖1)，西起中國(guó)與吉爾吉斯斯坦邊界，東至哈密市以東的星星峽戈壁，東西綿延1 700 km，寬度一般為250～350 km，面積約5.7×105km2，占新疆面積1/3以上。山區(qū)平均海拔高度4 000 m，是南北疆氣候的分水嶺。天山山區(qū)的水汽主要源自西風(fēng)環(huán)流帶來的西來水汽，其次是北冰洋的干冷氣流(約占1/3)。由于巨大的高度以及獨(dú)特的山地走勢(shì)，對(duì)西風(fēng)環(huán)流和北冰洋氣流起著阻擋和抬升作用，使得山區(qū)降水量較為豐富，降水量整體呈現(xiàn)自西向東減少，北坡多于南坡的分布格局。

由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的制約，天山山區(qū)氣象臺(tái)站十分稀疏且分布極不合理，70%的氣象臺(tái)站設(shè)在天山南北坡的低山帶和山前平原區(qū)，冰雪覆蓋的中、高山以上地區(qū)臺(tái)站十分稀少[28]。具有長(zhǎng)序列觀測(cè)的氣象臺(tái)站31個(gè)，臺(tái)站密度為8 742 km2·站-1，距世界氣象組織推薦的溫帶、內(nèi)陸和熱帶的山區(qū)的容許最稀密度(100～250 km2·站-1)的要求相差甚遠(yuǎn)。位于天山南坡臺(tái)站19個(gè)，海拔最高的臺(tái)站為吐爾尕特(3 507 m)，海拔最低的臺(tái)站為吐魯番(37 m)；北坡臺(tái)站12個(gè)，海拔最高的臺(tái)站為昭蘇(1 851 m)，海拔最低的臺(tái)站為精河(320 m)。約60%的臺(tái)站分布在較寬的天山中段，天山東段次之，天山西段最為稀疏。其中，高程低于1 000 m臺(tái)站14個(gè)(北坡8個(gè)，南坡6個(gè))，約占45%；高程1 000～2 000 m的臺(tái)站14個(gè)(北坡4個(gè)，南坡10個(gè))，約占45%；高程在2 000～3 000 m的臺(tái)站2個(gè)(南坡2個(gè))，約占6%；高程大于3 000 m臺(tái)站只有1個(gè)(位于南坡)， 約占4%。

1.2數(shù)據(jù)來源

盡管常規(guī)觀測(cè)臺(tái)站空間分布無規(guī)則，時(shí)間上不連續(xù)，且觀測(cè)精度受地形、風(fēng)、儀器精度等諸多因素的影響，但測(cè)量結(jié)果仍被認(rèn)為是最為可靠的。本研究使用的降水觀測(cè)臺(tái)站資料來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)。各個(gè)臺(tái)站建站時(shí)間不同，數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度序列不同，為了分析結(jié)果的一致性，所有臺(tái)站數(shù)據(jù)觀測(cè)期統(tǒng)一為1960-2008年，數(shù)據(jù)項(xiàng)為月降水量、氣象站點(diǎn)經(jīng)度、緯度和海拔高度。由于自然條件等因素造成部分臺(tái)站降水?dāng)?shù)據(jù)存在不同程度缺測(cè)，在分析氣象要素變化特征等通常將缺失數(shù)據(jù)的臺(tái)站剔除，但在天山山區(qū)本身氣象臺(tái)站相對(duì)較少，且這些臺(tái)站又有一定的代表性，如果簡(jiǎn)單的剔除會(huì)為研究山區(qū)氣候變化特征帶來很大的不確定性。為此，對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)存在缺失的臺(tái)站做如下處理：1)剔除在研究期內(nèi)連續(xù)缺失6個(gè)月以上的臺(tái)站。2)數(shù)據(jù)連續(xù)缺失3～6個(gè)月的部分臺(tái)站采用回歸訂正法進(jìn)行插補(bǔ)。3)數(shù)據(jù)缺失1～2個(gè)月的部分臺(tái)站使用附近3個(gè)臺(tái)站加權(quán)平均方法進(jìn)行插補(bǔ)。使用上述方法天山山區(qū)共計(jì)31個(gè)站點(diǎn)。

圖1　天山山區(qū)氣象臺(tái)站分布

2研究方法

熵的概念最早起源于物理學(xué)，Shannon于1948年將熵的概念引入信息論中，成為解決隨機(jī)事件的不確定性或信號(hào)所含信息量大小的評(píng)價(jià)方法，通常稱為信息熵[29]。假設(shè)隨機(jī)事件的概率分布函數(shù)X=(x1,x2,…,xn)，信息熵定義為：

(1)

式中，H(x)為熵值，xi為發(fā)生的概率，n為序列長(zhǎng)度。

熵是用于刻畫隨機(jī)事件發(fā)生狀態(tài)不確性的定量指標(biāo)，隨機(jī)事件的不確定性越大，熵值就越大。一個(gè)系統(tǒng)越是有序，變化的不確定性就越小，信息熵就越低，即熵值與不確定性呈正相關(guān)關(guān)系。因而，信息熵對(duì)于信息具的不確定和無序性有較強(qiáng)的刻畫能力。降水是一種自然現(xiàn)象，具有很大的隨機(jī)性和不確定性，用信息熵來度量其時(shí)空變異特征具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

2.1分配熵(ApportionmentEntropy，AE)

分配熵(AE)用于度量年降水量在各月分配的不均勻性。首先統(tǒng)計(jì)某年第i月的降水量preci(i=1，2，3，…，12)和全年的降水量prec，

(2)

然后求降水概率(pi),pi=preci/prec，再用式(1)求分配熵(AE)。

2.2信息熵?zé)o序指數(shù) (DisorderIndex，DI)

信息熵?zé)o序指數(shù)(DI)為基于熵的最大可能熵值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)序列計(jì)算的熵值的差，降水的空間變異性可以用無序指數(shù)描述。計(jì)算公式為：

DI=log2n-H(p)

(3)

由于無序指數(shù)為最大可能熵與計(jì)算熵的差，其度量與熵值相反，即無序指數(shù)越大，隨機(jī)變量的變異性就越大，降水的時(shí)空變異性可以通過無序指數(shù)來進(jìn)行相互比較。年降水量在不同月份分布的變化越大，相應(yīng)年無序指數(shù)DI也就越大。

2.3天山山區(qū)降水變化特征分析

采用天山山區(qū)31個(gè)臺(tái)站年、季、月時(shí)間序列的降水?dāng)?shù)據(jù)，使用公式(2)計(jì)算每個(gè)月的降水概率，使用公式(1)計(jì)算每個(gè)臺(tái)站年、季、月的信息熵H和分配熵AE。為了更為直接地描述降水時(shí)空變化特性，使用公式(3)計(jì)算年、季、月的無序指數(shù)DI。

3結(jié)果

3.1月降水時(shí)空變化特征

天山山區(qū)的31個(gè)臺(tái)站多年平均月降水無序指數(shù)DI如圖2所示，無序指數(shù)DI的分布呈現(xiàn)南強(qiáng)北弱-北強(qiáng)南弱-南強(qiáng)北弱規(guī)律。1-4月份，天山南坡無序指數(shù)較大，北坡無序指數(shù)較小，伊犁河谷無序指數(shù)較小特征非常明顯。5月份除天山東段無序指數(shù)較大和伊犁河谷無序指數(shù)較小之外，南北坡無序指數(shù)差異較小，可視為變化過渡月份。6-8月份，伊犁河谷無序指數(shù)較大，天山西段部分地區(qū)無序指數(shù)較其它地區(qū)偏高。9月份，伊犁河谷無序指數(shù)仍然較高，南坡無序指數(shù)開始呈增加趨勢(shì)。10-12月份，無序指數(shù)的分布呈現(xiàn)南坡較北坡大，伊犁河谷無序指數(shù)較小。

從無序指數(shù)的空間分布來看，天山北坡的無序指數(shù)除伊犁河谷地帶沒有明顯規(guī)律，但與南坡相比，無序指數(shù)較小。天山南坡的無序指數(shù)整體表現(xiàn)為，隨著降水的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，9月份之后隨著降水的減少呈增加趨勢(shì)。伊犁河谷向西敞開，使西來的濕潤(rùn)氣流長(zhǎng)驅(qū)直入，形成較多的降水。6-9月份降水占年降水的30%～40%，降水時(shí)空變異大，維持較高的無序指數(shù)。形成這種分布特征主要是由于天山南北坡降水存在差異，各月的無序指數(shù)也存在一定的差異性。天山降水自西向東逐漸減少，天山北坡的無序指數(shù)呈相應(yīng)的變化趨勢(shì)，其原因是降水減少導(dǎo)致各月降水變化差異性減小，所以無序指數(shù)不是增加而是減小。由于北坡降水變化不大，其無序指數(shù)沒有明顯的變化規(guī)律。

3.2季節(jié)降水時(shí)空變化特征

季節(jié)降水無序指數(shù)變化如圖3所示。從空間分布來看，春、夏和秋3個(gè)季節(jié)無序指數(shù)南北坡差異顯著(P<0.05)，冬季的無序指數(shù)差異不明顯(P>0.05)。但冬季無序指數(shù)較高，變化范圍最大，由此來看，雖然天山山區(qū)冬季降水較少，但降水變化較為顯著。天山南坡的巴輪臺(tái)冬季無序指數(shù)最大，該區(qū)域的冬季降水變化最為突出。伊犁河谷北側(cè)無序指數(shù)最小，冬季降水變化不明顯。春季隨著西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度增強(qiáng)，山區(qū)降水明顯增加，無序指數(shù)也逐漸減小。由于東段受西風(fēng)氣流影響較小，無序指數(shù)較大。夏季是山區(qū)降水最多的季節(jié)，無序指數(shù)較低，變化范圍最小。天山西段至伊犁河谷一帶，無序指數(shù)南北差異小，降水變化不明顯。天山東段自西向東呈現(xiàn)低-高-低-高的分布格局，這可能與該地區(qū)水汽來源復(fù)雜有關(guān)。秋季隨著西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度的減弱，山區(qū)降水逐漸減少，無序指數(shù)有所增加。天山西段南坡無序指數(shù)增加明顯，說明其降水變異性增加；東段無序指數(shù)呈減少趨勢(shì)，其降水變化有所減弱但不顯著，主要原因是東段降水較小，多年變化不顯著。

圖2　天山山區(qū)1-12月降水無序指數(shù)空間分布

圖3　天山山區(qū)季節(jié)降水無序指數(shù)空間分布

為了進(jìn)一步描述天山山區(qū)降水變化特征，分析了4個(gè)季節(jié)無序指數(shù)與高程的相關(guān)關(guān)系(圖4)，發(fā)現(xiàn)冬季降水無序指數(shù)與高程顯著相關(guān)(P<0.05)，隨著高程的增加無序指數(shù)呈增大趨勢(shì)，由此反映出冬季降水高山區(qū)較低山區(qū)變化顯著，這與冬季觀測(cè)的低山區(qū)降水大于高山區(qū)一致。春季降水無序指數(shù)與高程的關(guān)系不顯著(P>0.05)，呈微弱下降趨勢(shì)，夏季和秋季降水無序指數(shù)與高程的關(guān)系不顯著，但呈微弱上升趨勢(shì)。

冬季，北坡降水無序指數(shù)隨高程的增加而迅速增大，顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.85，由此表明，天山北坡冬季降水隨著高程的增加，降水差異性急劇增加；南坡降水無序指數(shù)與高程的關(guān)系不明顯。春季與冬季的規(guī)律相反，北坡降水無序指數(shù)與高程相關(guān)不顯著(P>0.05)，降水變化特征不明顯；南坡降水無序指數(shù)隨高程的增加而迅速下降，相關(guān)系數(shù)為0.63，表明春季南坡低山區(qū)降水變化顯著，而高山區(qū)降水變率較小。夏秋兩季降水無序指數(shù)與高程的相關(guān)性基本一致，略呈上升趨勢(shì)但不顯著。夏秋兩季南北坡的變化也基本相同，南坡降水無序指數(shù)隨高程的增加而增大，表明南坡高山區(qū)降水變化大，低山區(qū)降水變化小；北坡降水無序指數(shù)隨高程的增加而減小，夏季通過了90%的顯著性檢驗(yàn)，而秋季則通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，由此表明北坡高山區(qū)降水變化較小，低山區(qū)降水變化顯著。

3.3年降水時(shí)空變化特征

為了分析天山山區(qū)降水年際變化特征，用每年所有臺(tái)站的無序指數(shù)的均值刻畫年降水變化特征，可得天山山區(qū)31個(gè)臺(tái)站1960-2008年降水無序指數(shù)(圖5)?？梢钥闯?，年降水無序指數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，由此表明天山山區(qū)年降水變化呈現(xiàn)減小特征。1960-1969年無序指數(shù)波動(dòng)較大，天山山區(qū)降水年變化顯著。1970-1979年，年降水無序指數(shù)迅速下降，1977年最??；1980-1995年，無序指數(shù)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，年降水變化并不明顯。雖然1997年無序指數(shù)最大，其前期和后期無序指數(shù)都處在較小水平，由此說明當(dāng)年降水異常。2000-2008年，無序指數(shù)波動(dòng)較大，2004年無序指數(shù)最小，2007年無序指數(shù)偏高，該階段年降水變化明顯。有研究[30-31]結(jié)果顯示，在全球變暖的背景下新疆的氣候經(jīng)歷了以濕潤(rùn)化趨勢(shì)為主的變化，并呈現(xiàn)出了從暖干向暖濕轉(zhuǎn)變的態(tài)勢(shì)，天山山區(qū)降水無序指數(shù)的年變化特征，進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)論的合理性。

圖4　天山山區(qū)季節(jié)無序指數(shù)與高程相關(guān)關(guān)系

圖5　天山山區(qū)逐年降水無序指數(shù)

用天山山區(qū)所有臺(tái)站1960-2008年的年無序指數(shù)的均值刻畫山區(qū)多年降水空間變化特征(圖6)，表明天山山區(qū)年降水無序指數(shù)空間分布特征顯著。整體來看，無序指數(shù)呈現(xiàn)北坡小于南坡，東段高于西段分布格局。南疆環(huán)塔里木盆地?zé)o序指數(shù)較大，此區(qū)域處在干旱少雨的塔里木盆地周邊，又是天山的南坡，西風(fēng)環(huán)流及北冰洋帶來的水汽經(jīng)天山北坡抬升形成降水后，沿天山南坡下降不易形成降水，故而造成此區(qū)域年降水量變化差異顯著。伊犁河谷地帶無序指數(shù)最小，這是由于特殊的地形造成的。伊犁河谷三面環(huán)山，呈喇叭狀向西敞開，西風(fēng)環(huán)流帶來的水汽可長(zhǎng)驅(qū)直入；地勢(shì)由西向東逐漸升高，對(duì)水汽有一定的抬升作用，容易形成地形降水。因而年降水變化差異較小，無序指數(shù)低。

天山東段南北較窄，受西來水汽的影響偏小，無序指數(shù)南北差異并不顯著。整體呈現(xiàn)中間高兩邊低的規(guī)律。

4討論與結(jié)論

天山山區(qū)降水是眾多水體的主要補(bǔ)給源，其大小不僅決定區(qū)域水資源總量，也是維系下游綠洲生態(tài)系統(tǒng)安全和區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要資源。降水的形成主要由大氣環(huán)流和地形因素決定，天山山區(qū)水汽主要源于西風(fēng)環(huán)流和北冰洋干冷水汽，存在明顯的季節(jié)特征。楊連梅等[24]研究表明，天山山區(qū)的水汽輸送呈正態(tài)單峰分布型，1月份最小，7月份最大；夏季水汽輸送最大，冬季最小，春秋基本相同。降水信息熵的變化隨著月降水的增加，降水無序指數(shù)逐漸減小，7、8月份最??；之后，隨著降水的減少，無序指數(shù)逐漸增加。降水信息熵的季節(jié)變化呈現(xiàn)冬季最高，夏季最低，而四季的降水轉(zhuǎn)化率為冬季最小，夏季最大，信息熵的變化與水汽變化具有較好的反相關(guān)系。

圖6　天山山區(qū)年降水無序指數(shù)空間分布

天山山區(qū)1960-1985年降水量呈增加趨勢(shì)，1985-1999年，降水量呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，2000-2008年降水增加趨勢(shì)顯著[24,27]。年降水的無序指數(shù)表明，1960-1985年呈下降趨勢(shì)，1985-1999年，無序指數(shù)存在小幅波動(dòng)；除2007年外，2000-2008年無序指數(shù)基本維持較小。其中，1997年和1998年相鄰年降水出現(xiàn)最大差值，年降水無序指數(shù)也將此刻畫出來。

天山水汽從西邊界和北邊界輸入，從東邊界和南邊界輸出，東西方向輸送是南北方向輸送的2～3倍，與西風(fēng)環(huán)流是北冰洋氣流3倍相吻合。天山東西走向，使得西來和北來水汽受到高大山體的阻擋而抬升，在北坡形成較多降水。伊犁河谷獨(dú)特的地形，使得西來水汽可以長(zhǎng)驅(qū)直入，水汽條件較為充沛，形成天山山區(qū)降水高值區(qū)。整體而言，北坡年降水與高程的相關(guān)關(guān)系較南坡顯著[32-33]。降水無序指數(shù)空間分布呈現(xiàn)北低南高、西低東高，與水汽來源基本一致。無序指數(shù)與高程的關(guān)系存在季節(jié)差異，冬季北坡降水變化隨高程的增加呈增大趨勢(shì)，相關(guān)關(guān)系十分顯著，南坡降水與高程的關(guān)系不明顯。春、夏和秋南坡降水隨高程的增加呈下降趨勢(shì)；除春季外，北坡降水變化隨高程的增加呈增加趨勢(shì)。無論年降水和季節(jié)降水的無序指數(shù)，伊犁河谷都處于一個(gè)較低水平。

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The spatio-temporal variations of precipitation based on entropy in Tianshan Mountain

Zhao Chuan-cheng1,2, Yao Shu-xia1, Liu Jun1, Ren Zhi-guo1, Da Wen-jiao1

(1.Lanzhou City University, Lanzhou Gansu 730070, China;2.State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou Gansu 730000, China)

Abstract:Precipitation plays a major role in maintaining the water supply in Mountainous area, which directly impacts the development of ecology environment and economic society in the mid and down streams of arid regions. Due to the technical and geographical limitations, one difficult problem in precipitation study is to accurately observe the meteorological factors. The entropy is used in this study to investigate the spatio-temporal variations of precipitation in annual, seasonal and monthly time series from 31 stations located in the Tianshan Mountain during 1960-2008. The results showed that there was an obvious spatial-temporal variability of precipitation in the Tianshan Mountain. The variability of precipitation of annual entropy was less than that of the seasonal, which is in turn less than the monthly. The decreasing trend of annual entropy was significant. In seasons, the variability of entropy was very significant in winter, but not in summer. The variability of entropy exhibited difference between precipitation and elevation for seasons. There was an increasing trend in the precipitation in northern slope with the elevation increase, while decreasing in southern slope of Tianshan Mountain in spring, summer and fall. The precipitation increased from April to September, and decrease from October to March of next year. The variability of monthly entropy and precipitation were antithetical. The spatial variability of entropy was more radical in southern and eastern slope than northern and western slope. The variability of entropy was minimal in Ili River valley. Obviously, the spatio-temporal variations of precipitation can be depicted by entropy, and supply a scientific basis to the rational development of water resources in Mountain area.

Key words:climate change; variation of precipitation; entropy; Tianshan Mountain

Corresponding author:Yao Shu-xiaE-mail:yaoshuxia@163.com

中圖分類號(hào)：S161.6+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-0629(2016)4-0645-10*

通信作者：姚淑霞(1980-)，女，甘肅靈臺(tái)人，副教授，博士，主要從事生態(tài)水文研究。E-mail:yaoshuxia@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013CBA01806)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (41130638、41361013、31300388、41271078)

收稿日期：2015-04-03接受日期：2015-12-08

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0188

趙傳成,姚淑霞,劉君,任志國(guó),達(dá)文姣.基于信息熵的天山山區(qū)降水時(shí)空變化特征.草業(yè)科學(xué),2016,33(4)：645-654.

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第一作者：趙傳成(1978-)，男，山東曹縣人，副教授，博士，主要從事氣候變化和水文水資源研究。E-mail:zhao_chch1978@163.com