伊寧縣降水量及氣溫演變規(guī)律分析

趙大壯

（伊犁水文勘測局，新疆 伊寧 835000）

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 Kendall秩次相關(guān)檢驗法分析趨勢性

Kendall秩次檢驗法分析趨勢性時，在時間序列T1，T2…，Tn中，確定i＜j條件下所有對偶值（Ti，Tj）中出現(xiàn)Ti＜Tj的次數(shù)di，通過如下公式計算檢驗統(tǒng)計量U：

若檢驗統(tǒng)計量U ＞0，該序列為遞增趨勢，反之趨勢遞減。

1.2 R/S法分析持續(xù)性

應(yīng)用R/S 技術(shù)進行伊寧縣關(guān)鍵氣候要素變動趨勢的時間序列分析，并借助Hurst指數(shù)具體取值進行這一時間序列趨勢變動規(guī)律及關(guān)鍵點特征持續(xù)情況分析與驗證。根據(jù)得出的Hurst指數(shù)H（0＜H＜1）分三種情況：當(dāng)0＜H＜0.50時，表現(xiàn)為反持續(xù)性，總體趨勢與過去相反；當(dāng)0.50＜H＜1時，表現(xiàn)為持續(xù)性，總體趨勢與過去相同；當(dāng)H=0.50時，時間序列為隨機序列。

1.3 功率譜分析法對周期性的分析

功率譜分析法進行降水、氣溫等關(guān)鍵性水文要素所對應(yīng)的非平穩(wěn)序列量化確定以及所對應(yīng)的內(nèi)部不同周期振動結(jié)構(gòu)分析的過程中，基于頻率的視角根據(jù)各參數(shù)量方差值的大小，進行不同頻率振動結(jié)構(gòu)量化分解，得到在振動結(jié)構(gòu)總變動量中貢獻最大頻率所在，進而根據(jù)周期頻率與影響變量對應(yīng)關(guān)系，在得出譜分析優(yōu)勢頻率基礎(chǔ)上，得出時域上同樣占據(jù)主要優(yōu)勢的周期因子，并得到是否存在顯著性差異的結(jié)論。若是差異顯著，則非周期過程不是譜估計值產(chǎn)生的原因，有周期存在；如果差異不顯著，則周期不存在。

1.4 Mann-Kendall法分析突變性

Mann-Kendall檢驗法（計算公式見文獻［4］）采用非參數(shù)統(tǒng)計檢驗，且在分析過程中并不要求樣本必須遵從一定的函數(shù)分布趨勢，計算及分析過程均較為簡便。

1.5 累積距平法分析突變性

累積距平法直觀地通過曲線判斷變化趨勢，在診斷分析中，常用距平序列代替變量本身，算出n 個時刻的累積距平值便可得到累積距平曲線，由曲線直觀判斷突變發(fā)生的時間。假設(shè)某一時刻t在一時間序列yi中的累積距平為y，則

降水量及氣溫趨勢性采用Kendall 秩次相關(guān)檢驗法，持續(xù)性采用R/S 法，周期性采用功率譜分析法，突變性采用Mann-Kendall法及累積距平法共同分析。

1.6 數(shù)據(jù)來源

降水資料：使用伊寧縣境內(nèi)托海水文站1955-2019年的年降水量距平資料，數(shù)據(jù)系列長度為65年。

氣溫資料：使用伊寧縣境內(nèi)托海水文站1957-2019年的年平均氣溫距平資料，數(shù)據(jù)系列長度為63年。

2 結(jié)果分析

2.1 降水量及氣溫年際和年內(nèi)變化分析

對托海水文站多年降水量距平的年際變化和年內(nèi)分配計算顯示，1955-2019 年降水量為快速波動上升趨勢，2008 年達到最小值，2016年升至最大值，同時降水量1995年接近歷史最小值，1998年接近歷史最大值，從圖1中看出20世紀(jì)末及21世紀(jì)初，降水量變化非常劇烈。降水量年內(nèi)分配情況顯示，春夏季降水量占全年降水量56.60%，而在冬季開始的一段時期，降水量占比增加。進一步分析可知，全年1、2、9、10 四個月降水量最小，由此可見伊寧縣境內(nèi)降水量主要集中在春夏季，開春前和立秋前后降水量較少。

圖1 降水量年際和年內(nèi)變化

對托海水文站多年氣溫距平資料進行基本統(tǒng)計分析，1957-2019 年平均氣溫總體表現(xiàn)為快速的波動上升趨勢，在1960年出現(xiàn)最低平均溫度，在2007年出現(xiàn)最高平均溫度，1983年及2000年前后，氣溫變化劇烈，其他年份變化比較平緩。由氣溫的年內(nèi)變化情況可知，開春前及冬季氣溫最低，春夏季氣溫最高。5-9 月出現(xiàn)全年最高氣溫，而1、2、12 氣溫較低，由此可見伊寧縣境內(nèi)氣溫春夏季高，開春前及冬季氣溫低。

2.2 功率譜分析法周期性分析

托海站年降水量距平周期結(jié)果主要通過采用功率譜分析法而得出，所對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)r（1）=3.63E-02＞0，具體的序列應(yīng)當(dāng)通過紅色噪聲譜加以校驗和分析。當(dāng)波數(shù)取7、信度取0.05 的情況下，所對應(yīng)的平滑譜為852.54 及相應(yīng)否定域上界845.06，前者大，表明序列存在顯著的5.71年周期。

托海站年平均氣溫距平周期結(jié)果同樣采用功率譜分析法得出，當(dāng)自相關(guān)函數(shù)r（1）=0.26＞0時，意味著通過紅色噪聲譜進行結(jié)果校驗切實可行。當(dāng)波數(shù)取16、信度取0.05的情況下，所對應(yīng)的平滑譜為4.51E-02 及相應(yīng)否定域上界3.64E-02，前者大，也從側(cè)面反映出該序列所對應(yīng)的顯著周期為2.50年。

2.3 Mann-Kendall法及累積距平法突變性分析

結(jié)合Mann-Kendall法和累積距平法分析托海站年降水量突變特性。從圖2 看出，曲線UF 與UB2000 年左右及2008-2014 年間有多個相交點，且相交點均在置信區(qū)間內(nèi)，表明出現(xiàn)降水量突變，而且UF 曲線2014 年與UB 相交后迅速上升至+1.96，說明降水量存在少到多的顯著性突變。由圖3 看出，2000 年前后有明顯上升趨勢，2008-2014 年漲落不明顯。托海站年降水量序列顯著突變發(fā)生在20世紀(jì)末。

圖2 降水量距平MK值

圖3 降水量累積距平值

結(jié)合Mann-Kendall法和累積距平法分析托海站年平均氣溫突變特性。曲線UF 與UB 在1983 年及2001 年有兩個相交點，其中只有2001年的相交點在置信區(qū)間內(nèi)，表明這段時間有出現(xiàn)氣溫的突變，而且UF 曲線與UB 在2001 年相交后迅速上升至+1.96，說明氣溫存在少到多的顯著性突變。2000 年前后有明顯上升趨勢，1983年前后氣溫變化不明顯。因此，托海站年平均氣溫序列顯著突變發(fā)生在2000年前后。

3 結(jié)語

①1955-2019 年降水量為顯著遞增趨勢，未來仍會持續(xù)；春夏季降水量占全年降水量56.60%，降水量主要集中在春夏季；1957-2019年氣溫為顯著遞增趨勢，未來仍會持續(xù)；春夏季氣溫最高，開春前及冬季氣溫最低；②年降水量序列具有顯著的5.7年周期；年平均氣溫序列具有顯著的2.5年周期；③降水量由少到多的顯著突變發(fā)生在20 世紀(jì)末；氣溫由低到高的顯著突變發(fā)生在2000年前后。