烏魯木齊河流域英雄橋水文（二）站降水演變及年內(nèi)變化特性分析

景亞雷

（烏魯木齊水文勘測局,新疆 烏魯木齊 830000）

氣候變化對人類生產(chǎn)生活各個方面都會產(chǎn)生很大的影響,尤其對降水量的影響更為直接。氣候變化改變了降水的空間分布和季節(jié)分配,對流域生態(tài)、自然環(huán)境產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響河流徑流量、水資源穩(wěn)定性和生態(tài)植被生長[1]。作為自然科學(xué)門類中的降水量,經(jīng)過長年累月的實際觀測記錄,是當(dāng)?shù)毓I(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)不可或缺的寶貴資料。研究降水量的演變特性和變化趨勢,是研究當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境變化規(guī)律的重要依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 地區(qū)氣候概況及資料來源

烏魯木齊地區(qū)處于新疆北疆區(qū)域,地處天山北坡與準(zhǔn)噶爾盆地之間,氣候?qū)儆跍貛Т箨懜珊殿愋?日間白天和夜晚溫度相差大,冬季和夏季的溫度迥異。具體是冬季時節(jié)氣溫低,持續(xù)時間長；夏季時節(jié)氣候干燥。多年平均氣溫均值為8.0℃,一年中最熱的月份為8月,平均氣溫26.0℃,而最冷的月份為1月,平均氣溫不足15.0℃。歷史上夏季最高氣溫達(dá)到47.8℃,最低氣溫為-41.5℃,初霜日在9 月20 日左右,終霜日在3月15日左右,無霜期平均187 d。年平均降雨量為253.39 mm,最大年降雨量為415.10 mm,最小年降雨量為169.80 mm。烏魯木齊地區(qū)的主要河流有烏魯木齊河、頭屯河、白楊河、阿拉溝等水系。

本文的分析資料來源于烏魯木齊河流域英雄橋水文（二）站1982 年至2021 年40 年完整的實測逐月降水資料,采用線性回歸分析法、模比系數(shù)差積曲線法、滑動平均法進(jìn)行分析。

1.2 線性回歸分析法

資料系列的長期趨勢變化,用線性回歸方程計算,公式為：

式中：q為降雨量；a1=dq/dt為線性趨勢,a0是常數(shù)。h=10a0作為降雨傾向率,單位為mm/10 a。

s表示時間,當(dāng)h＞0,代表隨著s的增加,q的值相應(yīng)的增大；h＜0,代表隨著s的增加,q的值相應(yīng)的減少。

1.3 模比系數(shù)分析法

研究較長一段時間資料序列的趨勢,可以用模比系數(shù)分析法,用式子表示如下：

式中：Ki為第i年年降水量的模比差積系數(shù)（i=1,2,....,n）；Hi為第i年年降水量；Ho為多年平均年降水量；C為年降水量模比差積系數(shù)差值的代數(shù)和[2]。

1.4 滑動平均法

滑動平均法可以盡可能的消除資料系列中的不確定值或者說是隨機(jī)值,保留確定值,常用于分析資料系列的周期變化規(guī)律。其計算方法用公式表達(dá)如下：

上式中數(shù)值C是由確定值X部分和不確定值Y部分共同組成的,在一系列長度的資料中,比如幾十年甚至更長的年降水量資料序列中,我們可以將局部某一段時期的資料數(shù)據(jù)看成接近相等的,這樣可以將整個系列長度的資料序列看成是由多個這樣的連續(xù)的局部小段組成,這樣連接起來的曲線就是相對平滑的。假設(shè)資料序列長度為M,局部視為數(shù)據(jù)平穩(wěn)的小段為m,用公式表達(dá)如下：

2n+1=m,該公式計算得出的fk=yk系列數(shù)組,因為減小了不確定數(shù)據(jù)因素的影響,得出的曲線就更加平滑了,因此就稱之為平滑數(shù)據(jù)。

2 英雄橋水文（二）站概況

英雄橋水文（二）站是烏魯木齊河出山口重要的控制站,站址位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市烏魯木齊縣甘溝鄉(xiāng)烏魯木齊河上。英雄橋水文（二）站是新疆維吾爾自治區(qū)區(qū)域代表站,屬省級重要水文站,該站始建于二十世紀(jì)五十年代,由新疆維吾爾自治區(qū)水利廳設(shè)立烏魯木齊河大西溝專用水文站,測站位置在烏魯木齊縣大西溝溝口,本站于2012年1月1日因上游修建大西溝水庫,經(jīng)新疆維吾爾自治區(qū)水文水資源局的批準(zhǔn)下遷4 km,改名為英雄橋水文（二）站。集水面積956 km2。英雄橋水文（二）站全年駐測,全年河道有水,其主要功能包括收集流域各類水文基礎(chǔ)資料、水資源分析計算、流域調(diào)水和防洪預(yù)報服務(wù)。

3 降水的年內(nèi)變化

英雄橋水文（二）站年內(nèi)降水各月分配不均勻。隨著季節(jié)變換,降水量差異顯著。英雄橋水文（二）站從1982年開始至2021年結(jié)束,其逐月平均降水量見圖1。

圖1 英雄橋水文（二）站1982年～2021年各月平均降雨量

分析計算英雄橋水文（二）站歷年降雨數(shù)據(jù)后得出結(jié)論如下：

（1）英雄橋水文（二）站降雨年內(nèi)極不均衡,降水最多的月份集中在每年的6月份和7月份；

（2）一年當(dāng)中的總降水量有一半以上發(fā)生在汛期,即每年的5月份至8月份,汛期降水占全年的比重在51%～78%之間,多年均值高達(dá)66.6%；

（3）每年的6月份和7月份的降水為每年的峰值,從多年均值來看這兩個月平均降水為170.6 mm,占汛期降水量的58.8%,占全年的39.4%；

（4）英雄橋水文（二）站降水量最少的月份是每年的12月至次年的2月,平均降水量是21.4 mm,占全年的4.9%。

4 降水量變化趨勢分析

4.1 時序變化分析

分年段進(jìn)行分析計算,見圖2,計算的結(jié)果是從1982年～1993年、以及從1994年～1997年,這兩個時段年降水小于多年均值,分別小于均值的2.2%和22.3%；而1998年～2007年、2008年～2015年和2016年～2021年,這幾個時段普遍偏豐,偏豐幅度分別為3.8%、7.3%、3.2%。通過計算可以得出英雄橋水文（二）站年降水的有逐漸增多的趨勢。

圖2 英雄橋水文（二）站分年段降水量均值與多年均值比較

4.2 年降水趨勢分析

對烏魯木齊河英雄橋水文（二）站的年降水量進(jìn)行預(yù)測分析。常見的用于預(yù)測分析的模型有回歸分析法、滑動平均法等,兩種方法各有優(yōu)缺點。本次是對烏魯木齊河英雄橋水文（二）站的年降水量進(jìn)行預(yù)測分析,依據(jù)的資料是測站四十年的實測資料,可靠性非常強,資料序列完整。因此選用回歸分析的方法對降雨量進(jìn)行系列長度計算分析和對未來降雨量進(jìn)行預(yù)測。首先點繪烏魯木齊河英雄橋水文（二）站四十年的年降水量數(shù)據(jù),可以看出資料序列具有明顯的線性分布趨勢,從起始年1982年的數(shù)據(jù)為起點畫一條直線,直線的終點是2021年的數(shù)據(jù)資料,可以發(fā)現(xiàn)各個年份的降水?dāng)?shù)據(jù)均圍繞在這一條線的附近,或在線的上方或者在線的下方,或者就在線上。本次資料分析的序列可以用線性回歸法進(jìn)行分析。假設(shè)直線用方程表示為y=bx+a,那么要求出這條直線就首先要求出a和b的值,用公式表示如下：

只需要求出讓Q最小的a和b的值,那么這條回歸線也就求出來了。首先要解決的問題就是列出回歸方程[3],這個方程所代表的其實就是一條直線,方程本身有兩個變量x和y,其中x是自變量,y是因變量。隨著自變量x的變化,有一個唯一的y值與其相對應(yīng)（實際上這個y值是一個取值范圍,此處暫且當(dāng)作唯一的取值來分析）。用公式表示如下：

確定常量a和常量b的原則是,這條直線周圍分布的各個分散的數(shù)據(jù)距離直線的垂直距離之和最小。具體的計算公式表達(dá)如下：y=bx+a

其中：b=Zxy/Zxx,a=yi-bxi。式中：yi指的是y的平均值；xi指的是x的平均值。

第一步計算Zxx,Zxy,Zyy。計算公式為：

Zxx=n∑xx-∑x∑x；Zxy=n∑xy-∑x∑y；Zyy=n∑yy-∑y∑y。

第二步列計算表,分別計算∑x,∑xx,∑y,∑xy的值。

第三步求相關(guān)系數(shù)R,計算公式為：R=Zxy/（AZxx·AZyy）。式中AZxx是指Zxx的算術(shù)平方根；AZyy是指Zyy的算術(shù)平方根。

第四步求回歸系數(shù)b和常數(shù)a,計算公式為：b=Zxy/Zxx；a=yi-bxi。

根據(jù)上述計算方法,通過對英雄橋站1982年～2021年降水進(jìn)行回歸分析,英雄橋水文（二）站年降水回歸方程及相關(guān)系數(shù)為y=405.17+1.348x,R2=0.0238,這里我們運用滑動平均法對資料序列進(jìn)行處理,目的就是進(jìn)一步的降低不確定因素對整個資料序列趨勢的影響,從而提高R2的值,使其更加符合實際的趨勢變化。用圖3表示如下,通過分析計算英雄橋水文（二）站年降水資料得出,y=395.77+2.015x,R2=0.2003,年降水與年份的相關(guān)性有所提高?？梢钥闯鲞^去40年來英雄橋水文（二）站年降水量有明顯增加的趨勢,在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上由回歸方程得出,以10年滑動平均曲線表示英雄橋水文（二）站的年降水增加速率為10.2 mm/10 a。

圖3 英雄橋水文（二）站降水量變化趨勢線

4.3 年降水量周期性分析

4.3.1 年降水模比系數(shù)差積曲線法

對于烏魯木齊河英雄橋水文（二）站年降水量的時序變化分析,采用模比系數(shù)法,模比系數(shù)是某一時段內(nèi)的降水量模數(shù)與較長時段內(nèi)的平均降水量模數(shù)的比值。依據(jù)烏魯木齊河英雄橋水文（二）站近四十年的降雨資料進(jìn)行模比分析,取這一系列數(shù)據(jù)中的單個年降雨量數(shù)據(jù)與多年降雨量均值相比得出的值即為單個數(shù)據(jù)的模比系數(shù),通過該系數(shù)進(jìn)行差累計計算,得出的曲線進(jìn)行降水量時序變化分析,如果是一段時間內(nèi)連續(xù)上升的曲線,則說明這個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)相比較于多年均值是偏大的,如果是一段時間內(nèi)連續(xù)下降的曲線,則說明這個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)相比較于多年均值是偏小的,如果是一段時間內(nèi)連續(xù)相對平穩(wěn)的曲線,則說明這個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)相比較于多年均值是接近或者相差不多的。點繪英雄橋水文（二）站1982年～2021年這四十年間降水?dāng)?shù)據(jù),用圖4進(jìn)行表示并得出如下結(jié)論：

圖4 英雄橋水文（二）站降水量模比系數(shù)差累積曲線圖

（1）英雄橋水文（二）站年降水年特點是變化劇烈,平水、枯水、豐水年相互穿插出現(xiàn),年降水量變化較大；

（2）年降水量從1982年開始至1995年,趨勢為減少,從1996年開始至今,趨勢為增加；

（3）年降雨量持續(xù)出現(xiàn)很小或者持續(xù)出現(xiàn)很大的情況很少,連續(xù)幾年出現(xiàn)年降雨量偏大或者偏小的情況比較普遍。

4.3.2 年降水量滑動平均法

水文與氣象密不可分,水文要素中的降水要素既有隨機(jī)性、偶然性,同時在長系列資料中又具有趨勢性、規(guī)律性和周期性。對降水量周期性的分析,既有很強的基礎(chǔ)科學(xué)研究意義,又具有很高的經(jīng)濟(jì)實用價值。采用滑動平均法對烏魯木齊河英雄橋水文（二）站年降水進(jìn)行分析計算。分析其周期變化規(guī)律,取該曲線某次峰值到下次峰值或者某次谷值到下次谷值的系列長度來進(jìn)行周期變化分析,見圖5和圖6,得出如下結(jié)論：

圖5 英雄橋水文（二）站年降水3年滑動曲線

圖6 英雄橋水文（二）站年降水5年滑動曲線

通過曲線分析,相鄰峰值或者相鄰谷值間隔的年份為11年。

5 結(jié)論

通過對烏魯木齊河流域英雄橋水文（二）站的四十年降水資料進(jìn)行計算分析,得出降水演變及年內(nèi)變化有如下結(jié)論：

（1）英雄橋水文（二）站年降水量有明顯增加的趨勢,以10 年為周期進(jìn)行計算的年降水增加速率為10.2 mm/10 a。

（2）英雄橋水文（二）站年降水量從20世紀(jì)80 年代～90年代中期,總體上是減少的趨勢,90年代中期以后呈現(xiàn)周期震蕩增加的趨勢。

（3）英雄橋水文（二）站年降水量持續(xù)出現(xiàn)很小或者持續(xù)出現(xiàn)很大的情況很少,連續(xù)幾年出現(xiàn)年降水量偏大或者偏小的情況比較普遍。

（4）英雄橋水文（二）站每年的降水量峰值出現(xiàn)在6月、7月兩個月,占汛期降水的一半以上。

（5）英雄橋水文（二）站降水量年內(nèi)分配極不均勻,汛期5月～8月降水量占全年降水量的60%以上。

（6）英雄橋水文（二）站年降水變化規(guī)律具有11 年左右的周期。

6 結(jié)語

本文對研究區(qū)域的降水演變趨勢和特性進(jìn)行了分析,著重分析了年降水量的變化趨勢、周期規(guī)律和年內(nèi)分布規(guī)律,確定了降水量隨著年代的推移而發(fā)生變化的規(guī)律,分析出了年內(nèi)降水的時間分布特征。其成果對降水演變趨勢和年內(nèi)分布的特點和規(guī)律可以應(yīng)用于相似流域,并在本區(qū)域的降水預(yù)測、水資源開發(fā)利用和防汛抗旱工作中有較好的應(yīng)用。