焉耆盆地近60年降水量時空變化特征分析

達(dá) 偉

(新疆巴州水文勘測局， 新疆 庫爾勒 841000)

降水是表征氣候與氣候變化的關(guān)鍵指標(biāo)，它的變化不僅影響著地表徑流和農(nóng)作物的生長，而且還影響著該地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，由降水引發(fā)的干濕變化趨勢對該地區(qū)生產(chǎn)建設(shè)和規(guī)劃決策具有重要意義[1]。因此眾多學(xué)者對降水年際變化特征[2-3]、空間變化[4-5]、水文模型模擬[6]以及影響因素[7]做了相關(guān)研究，如謝培等[8]計算了新疆地區(qū)的逐日降水分析計算干旱指數(shù)(SPI)，分析新疆55 a來降水量時空變化和年際變化情況。為準(zhǔn)確評估蒙古高原氣候變化以及合理提出生態(tài)環(huán)境決策，那音太等[9]用蒙古高原氣象站點(diǎn)的月降水量數(shù)據(jù)，研究了該地區(qū)降水特征及其時空變化規(guī)律。馬愛華等[10]運(yùn)用線性趨勢分析、克里金插值法、Mann-kendall檢驗、Morlet小波分析和主成分分析等方法研究了內(nèi)蒙古地區(qū)近60 a來極端降水時空變化、周期規(guī)律和氣象災(zāi)害效應(yīng)。寧珊等[11]引入相對濕度、NDVI、地形和經(jīng)緯度等地理環(huán)境因子用于新疆不同地貌區(qū)降水量估算的可行性，模擬并探討新疆降水比降尺度與時空分布特征。劉向培等[12]為更全面分析中國降水特點(diǎn)，運(yùn)用降水集中程度Q，研究中國降水集中程度的時空特征，發(fā)現(xiàn)中國年平均Q值呈南北較低中間較高，就降水集中程度而言，冬季和秋季較高，夏季和春季相對較低，年降水集中程度變化趨勢較小，總體上略有上升，東南升高西北降低；降水集中程度和降水量共同影響水旱災(zāi)害受災(zāi)面積。以上學(xué)者針對我國大區(qū)域作出了廣泛研究，而針對新疆巴州地區(qū)焉耆盆地小區(qū)域尺度年將水量變化特征研究鮮不多見。

全球變暖背景下降水系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)正在發(fā)生明顯變化，近50 a來，我國西部降水增加趨勢明顯，其中西北地區(qū)最為顯著[13-14]。焉耆盆地位于我國西北干旱地區(qū)，空氣干燥，成為了典型干旱區(qū)綠洲氣候，該地區(qū)降水量的變化是評價干旱指數(shù)的一項重要指標(biāo)，而且降水量不僅影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還是帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)民脫貧致富的著力點(diǎn)和新經(jīng)濟(jì)的增長點(diǎn)。

為探究焉耆盆地近60 a降水變化特征及周期變化情況，本研究擬采用Mann-Kendall趨勢及突變分析，Morlet小波分析等方法，分析焉耆盆地降水年內(nèi)、年際及時空變化特征，為該地區(qū)科學(xué)利用水資源和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

焉耆盆地位于新疆塔里木盆地東北側(cè)，是天山主脈與其支脈之間的中生代斷陷盆地，東西長170 km，南北寬80 km，面積約1.3×104km2，因盆地中的焉耆縣而得名。焉耆盆地呈西北向菱形形態(tài)，盆地西界為鐵門關(guān)斷裂，東界為榆樹溝—硫磺山斷裂中天山南緣斷裂東段，南界為庫魯克塔格山前的辛格爾斷裂，北界為中天山南緣—桑樹園子斷裂。地理坐標(biāo)介于東經(jīng)85°30′～87°51′和北緯41°35′～42°30′之間。焉耆盆地年均氣溫8.5℃，日平均氣溫≥10℃的活動積溫達(dá)35.11·℃/d，極端最高氣溫為38.8℃，極端最低氣溫為-30.7℃，最冷月平均氣溫-11.2℃，年平均氣溫日較差14.8℃，年平均降水量79.8 mm，年平均蒸發(fā)量1 876.7 mm。該地區(qū)屬于典型大陸性干旱氣候，冬季嚴(yán)寒而漫長，夏季氣候溫和，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 資料來源

為研究區(qū)域時間的一致性，筆者采用長時間序列1960年—2019年周邊低山區(qū)的大山口、黃水溝、克爾古提、他什店水文站的降水量資料，盆地中部的焉耆、和碩氣象站降水量資料(水文站與氣象站相對位置見圖1)，水文站降水?dāng)?shù)據(jù)由巴州水文局提供，氣象站降水資料通過中國氣象網(wǎng)下載獲取。其中塔什店水文站1967年、1971年缺測數(shù)據(jù)通過新疆水文年鑒及加權(quán)平均法完成插補(bǔ)。各站點(diǎn)地理位置如表1所示。

圖1 焉耆盆地示意圖

表1 焉耆盆地各站點(diǎn)地理位置特征

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦并廣泛用于研究水文和氣候長時間序列的非參數(shù)檢驗方法，具有結(jié)果受少數(shù)異常值干擾小，能顯示數(shù)據(jù)顯著突出和突變的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[15-16]。本研究利用非參數(shù)檢驗Mann-Kendall法進(jìn)行年降水顯著性檢驗，在給定顯著水平下，假定該序列無趨勢，若通過雙尾檢驗，在正態(tài)分布表中查臨界值Z1-α/2，若|Z|Z1-α/2，拒絕原假設(shè)，即趨勢顯著。Z>0表示降水呈上升趨勢，Z<0表示降水呈下降趨勢，Z的絕對值越大，說明降水變化趨勢越顯著。根據(jù)Mann-Kendall統(tǒng)計值，分析繪制UFK和UBK趨勢圖，若UFK的值大于0，則表明焉耆盆地降水量呈上升趨勢，小于0則表明呈相反趨勢；當(dāng)統(tǒng)計值超過95%信度時，表明降水變化趨勢顯著；若兩條曲線的交點(diǎn)位于信度線之間，則此點(diǎn)可能就是突變點(diǎn)的開始。

2.2.2 小波分析

本研究中小波分析是用來描述周期隨時間尺度的變化特征。它是一種信號的時間尺度分析方法，具有自動調(diào)節(jié)時頻窗，能在高分辨率中調(diào)節(jié)表針信號的局部特征優(yōu)點(diǎn)，因此在水文氣象中廣泛應(yīng)用[17-18]。本文應(yīng)用使用較多的Morlet小波函數(shù)，連續(xù)小波變換公式為：

(1)

在時間尺度上的對關(guān)于a的所有小波變換系數(shù)平方進(jìn)行積分后可得到一簇小波方差，該方差可反應(yīng)波動能量隨時間尺度的分布情況，該方差公式為：

(2)

式中：Var(a)為在a尺度下的小波方差。根據(jù)小波方差隨a的變化尺度來決定將水序列存在的最大主周期。

2.2.3 線性趨勢和滑動平均

因線性趨勢和滑動平均法的原理性描述較多，此處不再描述，具體參考文獻(xiàn)[19-20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量的年內(nèi)分配特征

1960年—2018年焉耆盆地降水量年內(nèi)分配如圖2及表2所示。年內(nèi)降水呈“單峰型”，且分配極不均勻，降水量主要集中在汛期，冬春兩季干燥且少雨，5月—9月為汛期連續(xù)最大5個月降水集中期，占全年降水量的79.31%～89.26%(黃水溝最大)，非汛期占全年降水量的10.74%～20.69%(和碩最大)。每年1月—4月與10月—12月份降水量較少，分別占全年降水量的6.6%～14.5%和4.1%～8.7%。多年平均最大月降水量是最小月的11倍～45倍。由于降水年內(nèi)分配不均，導(dǎo)致焉耆盆地部分地區(qū)出現(xiàn)“洪旱交替”的自然現(xiàn)象，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉帶來巨大困難。

圖2 焉耆盆地月均降量水圖

表2 降水年內(nèi)分配統(tǒng)計表

汛期M-K檢驗結(jié)果表明焉耆、塔什店M-K統(tǒng)計量在顯著水平α=0.05范圍內(nèi)(-1.96

3.2 降水量多年變化趨勢

3.2.1 趨勢性分析

影響焉耆盆地降水的水汽來源主要有三個方面，一方面是來自西北方向北冰洋寒流；另一方面，氣溫較高時，南印度洋水汽進(jìn)入焉耆盆地形成降水；第三方面是焉耆盆地西風(fēng)環(huán)流的大西洋水汽。焉耆盆地各站點(diǎn)降水隨時間變化規(guī)律如圖3所示。從圖3和表2可以看出，近60 a來焉耆盆地各站降水均為增加趨勢，部分站點(diǎn)超過α=0.05的顯著水平，表現(xiàn)為顯著增加趨勢。5 a滑動平均變化表明，和碩站年均降水92.17 mm，增幅為0.69 mm/a，呈“下降-上升-下降-上升” 的變化趨勢；焉耆站年均降水75.75 mm，增幅為0.21 mm/a，呈現(xiàn)出3個“下降-上升”的交替變化；大山口站年均降水111.85 mm，增幅為0.75 mm/a，呈現(xiàn)出“上升-下降”的變化趨勢；黃水溝年均降水為92.22 mm，增幅為焉耆盆地最大(0.81 mm/a)，亦呈現(xiàn)出3個“下降-上升”的交替變化特征；克爾古提年均降水最大(145.32 mm)增幅為0.45 mm/a，呈現(xiàn)出“下降-上升-下降-上升”變化趨勢；塔什店年均降水最小，僅為75.42 mm，增幅為0.43 mm/a，變化趨勢與克爾古提一致。綜上所述，近60 a來除焉耆站和克爾古提站降水呈微弱增加趨勢外，其余站點(diǎn)均表現(xiàn)為顯著增加趨勢。

圖3 焉耆盆地多年降水量變化趨勢

3.2.2 突變分析

為分析焉耆盆地近60 a年降水量變化趨勢及突變特征，對各站降水量進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗，結(jié)果如圖4所示。檢驗結(jié)果表明：在0.05顯著水平下，和碩站1960年—1989年降水量UFk值小于0，說明降水呈減少趨勢，1990年突變后呈顯著增加趨勢，這與前面的線性回歸分析趨勢一致。焉耆站UFk和UBk年降水量有多個突變點(diǎn)，說明焉耆站在研究時段內(nèi)經(jīng)歷了多次變化，最終確定1980年為該站的突變點(diǎn)，突變后仍然以增加趨勢呈現(xiàn)。大山口站位于焉耆站上游山區(qū)，突變前與焉耆有相同的增加下降趨勢，但突變時間(1979)提前于焉耆站1年，突變后呈極顯著增加態(tài)勢。黃水溝站降水量表現(xiàn)為增加趨勢，1976年突變后增加趨勢顯著，超過了0.05的顯著水平。克爾古提站1960年—1961年、1967年—1989年均表現(xiàn)為減少趨勢，其余年代呈增加趨勢，1985年突變后上升經(jīng)過劇烈的增加后，持續(xù)保持增加趨勢。1960年—1983年塔什店降水量為減少趨勢，1981年突變后經(jīng)過短暫的豐枯交替后，降水量明顯增加，在0.05顯著水平上波動，增加趨勢顯著。

就整個焉耆盆地而言，降水量的突變時間發(fā)生在20世紀(jì)70年代—80年代，說明在大尺度上突變一致，但因為空間和地理位置表現(xiàn)的差異性，在盆地中心和盆地以及南北走向上存在小尺度差異。

圖4 焉耆盆地降水量Mann-Kendall突變檢驗

3.2.3 年際變化分析

焉耆盆地屬大陸性干旱氣候，降水量季節(jié)性變化顯著，年際變化相差懸殊，多雨年與少雨年相差5倍～11倍。受地形和多種因素的影響，盆地內(nèi)降水的垂直分布和南北差異比較明顯，地處海拔高度1 400 m的克爾古提站多年平均降水量在144 mm，他什店站海拔高度1 050 m，多年平均降水量為75 mm；北部天山山前區(qū)降水量大于南部庫魯克塔格山前區(qū)降水量，西邊霍拉山山前區(qū)降水量大于東面的克孜勒山前區(qū)降水量。

將各站近60 a降水資料按每十年一個階段劃分，各階段距平分析結(jié)果如表3所示。分析該表可以看出，各站點(diǎn)降水量在20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)呈穩(wěn)定增加趨勢， 20世紀(jì)60年代—70年代各站點(diǎn)降水量均以平水期和豐水期為主，80年代各站點(diǎn)降水量均以平水期為主，90年代各站點(diǎn)降水量明顯偏豐，21世紀(jì)近二十年各站降水量以豐轉(zhuǎn)平演進(jìn)。降水變差系數(shù)Cv值介于0.33～0.47之間，和碩站(Cv=0.47)年降水量變差系數(shù)最大，最大年與最小年降水量相差約4.6倍～11.0倍，相差倍數(shù)最大亦為和碩站。

表3 各站不同年代降水量豐枯變化表

3.2.4 周期性分析

為分析焉耆盆地降水震蕩周期，分別對6個站年降水量進(jìn)行小波分析。各站點(diǎn)年降水序列小波等高線圖如圖5所示。在等高線圖中，呈現(xiàn)出顏色深淺相間的等高線圖，顏色深表示降水偏少，反之，降水偏多。

圖5 焉耆盆地降水量Morlet小波分布等高線圖

小波分析表明：不同區(qū)域不同時間震蕩周期略有不同。和碩站年降水量有4 a、7 a及24 a左右的震蕩周期，其中4 a左右震蕩周期一直比較明顯，而7 a左右震蕩周期在60年代到70年代較為明顯，24 a左右的震蕩周期在19世紀(jì)60年代到21世紀(jì)00年代尤為顯著，結(jié)合小波方差圖可以看出，和碩站以24 a為第一主周期，第二、三主周期依次為7 a、4 a。焉耆站4 a左右震蕩周期在60年代到80年代較為明顯，而7 a左右的震蕩周期在80年代到21世紀(jì)10年代較為明顯，并且存在以4 a為第一主周期，7 a為第二主周期的變化特征。大山口存在17 a的第一主周期，8 a的第二主周期，黃水溝存在9 a的第一主周期，依次為15 a、2 a的第二、三主周期，克爾古提存在24 a的第一主周期，和7 a的第二主周期，塔什店存在25 a的第一主周期，和7 a的第二主周期。

綜上所述，盡管焉耆盆地不同站點(diǎn)年降水量主周期各不相同，但其間也有相似性，并都存在著7 a～9 a的主周期；不同站點(diǎn)因為海拔和地理位置不同呈現(xiàn)出滯后性，具體表現(xiàn)為海拔越高，第一主周期越??；南北走向上，越靠近北方周期越小。

3.3 降水量空間分布特征

焉耆盆地水汽受西風(fēng)環(huán)流的大西洋影響，降水量在空間分布上呈現(xiàn)出自西向東、自北至南逐漸減少，北部低山區(qū)平均年降水量在90 mm～140 mm，南部淺山區(qū)平均年降水量在70 mm～80 mm，東部淺山區(qū)平均年降水量在60 mm～70 mm，盆地中部平原區(qū)平均年降水量為70 mm～80 mm，焉耆盆地區(qū)域平均年降水量只在80 mm左右。綜合分析表1—表3可以看出，盆地內(nèi)降水量和海拔呈正比例關(guān)系，經(jīng)相關(guān)分析，年降水量與海拔高度的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)r=0.894，相關(guān)方程如下：

y=18.03e0.0014x

(3)

式中：y為多年平均年降水量，mm；x為海拔高度,m。

說明隨著海拔升高，降水量亦逐漸增大，而年降水量Cv值和年最大、最小降水量相差倍數(shù)逐漸減小。海拔越高空氣柱越短，海拔越低空氣柱越高，因此高海拔地區(qū)降水量大于低海拔地區(qū)，與此同時，在西風(fēng)帶控制下，南北差異也決定了降水量的空間分布。

4 結(jié) 論

依據(jù)焉耆盆地六個水文、氣象站點(diǎn)1960年—2019年降水量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall趨勢分析和小波分析對焉耆年降水量的時空變化特征進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：

(1) 焉耆盆地降水量年內(nèi)分配極不均勻，汛期連續(xù)最大5個月降水主要集中在5月—9月，其中又以6、7、8三個月最為集中，降水量的年內(nèi)分配不均易于導(dǎo)致該區(qū)發(fā)生“冬枯夏洪”現(xiàn)象，因此，當(dāng)?shù)厮Y源部門應(yīng)做好防洪抗旱的預(yù)案。

(2) 各站點(diǎn)降水量在20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)呈逐漸增加的趨勢，大山口、黃水溝及塔什店站呈顯著增加趨勢(α=0.05)；盆地內(nèi)降水量自西向東、自北至南逐漸減少，焉耆盆地區(qū)域平均年降水量只在80 mm左右，年際變化中60年代到80年代為平枯交替，90年代后豐水期占據(jù)主導(dǎo)地位，這與西風(fēng)環(huán)流的大西洋水汽有密切關(guān)聯(lián)。

(3) Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗法對降水量趨勢及突變分析表明，高海拔地區(qū)突變時間早于低海拔地區(qū)；盆地南部地區(qū)突變時間早于北部地區(qū)，突變后呈顯著增加趨勢。在0.05的顯著水平下，在高海拔地區(qū)突變后長時間處于顯著增加狀態(tài)，這也增加了焉耆山區(qū)冰雪洪水爆發(fā)的可能性。

(4) 降水量Morlet小波分析結(jié)果表明，各個站點(diǎn)存在7 a～9 a的變化周期，但因海拔和地理位置的不同，降水的變化主周期也不相同，表現(xiàn)為低海拔地區(qū)降水量的主周期小于高海拔地區(qū)，北部地區(qū)主周期小于南部地區(qū)，這種不同步的交錯滯后現(xiàn)象對焉耆盆地地表徑流具有削峰補(bǔ)枯的調(diào)節(jié)作用，也有利于焉耆盆地水資源的有效利用。