額爾齊斯河流域降水變化特征

楊富程,夏自強(qiáng),黃 峰,陳起川

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;

2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.河海大學(xué)國(guó)際河流研究所,江蘇 南京210098)

近年來(lái),氣候變化及其產(chǎn)生的影響已成為公眾關(guān)注的話題,其中2個(gè)氣候變化分量,即大氣環(huán)流的年代際突變和全球快速變暖[1],左右著北半球中高緯度氣候演變的大格局。氣候變化最明顯的特征是全球氣候變暖,伴隨著這一現(xiàn)象,區(qū)域水循環(huán)形式將發(fā)生變化,其中一個(gè)最重要的表現(xiàn)就是降水的時(shí)空分布發(fā)生變化。降水又是水循環(huán)中一個(gè)主要組成部分,降水的不均勻分布必然會(huì)造成水資源的不均勻分布,為水資源的管理和分配帶來(lái)新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)[2-3]。

額爾齊斯河是我國(guó)唯一的1條自東向西流入北冰洋的跨界河流,起源于我國(guó)境內(nèi)新疆富蘊(yùn)縣北部海拔3500m的齊格爾臺(tái)達(dá)坂,自東向西流經(jīng)中國(guó)、哈薩克斯坦、俄羅斯,在俄羅斯境內(nèi)匯入鄂畢河,是鄂畢河的最大支流。額爾齊斯河全長(zhǎng)4248km,流域面積為164萬(wàn)km2,流域的多年年均降水量為200～500mm,河口處年均徑流量為950億m3[4]。跨境河流額爾齊斯河對(duì)所流經(jīng)各國(guó)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重要的意義,但是隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的劇增,該額爾齊斯河流域水資源的開(kāi)發(fā)利用矛盾也日益加劇。研究該流域降水變化的規(guī)律和形成原因,不僅可為該區(qū)域氣候變化研究進(jìn)一步提供基礎(chǔ),同時(shí)也可對(duì)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善、水資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究主要分析額爾齊斯河流域降水的長(zhǎng)期變化特征,因此選取額爾齊斯河流域4個(gè)典型氣象水文測(cè)站1936—2005年的逐日降水系列資料進(jìn)行研究。這4個(gè)典型氣象水文測(cè)站是：齋桑泊(47°30′N,84°54′E)、塞米巴拉金斯克(50°24′N,80°12′E)、鄂木斯克(55°N,73°24′E)和塔帕(57°N,74°24′E),見(jiàn)圖1。

圖1 額爾齊斯河流域所選站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of selected stations in Irtysh River Basin

1.2 研究方法

a.Mann-Kendall法。Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,是由國(guó)際氣象組織(WHO)推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)分析的方法,也是檢驗(yàn)水文時(shí)間序列單調(diào)趨勢(shì)的有效工具之一[5],其研究方法見(jiàn)文獻(xiàn)[6-7]。

b.復(fù)Morlet小波分析法。復(fù)Morlet小波為復(fù)數(shù)形式的小波,比實(shí)數(shù)形式的小波有更多的優(yōu)點(diǎn),由于實(shí)部與虛部相位相差π/2,從而消除了實(shí)數(shù)形式小波在變換過(guò)程中系數(shù)模的振蕩,且從其小波系數(shù)中可分離出模和位相。鑒于其優(yōu)點(diǎn)[8],本文選用復(fù)Morlet小波分析法分析額爾齊斯河流域年降水量序列的多時(shí)間尺度變化規(guī)律,研究方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9-10]。

c.R/S分析法。R/S分析法最早是由英國(guó)科學(xué)家赫斯特在研究尼羅河多年水文觀測(cè)資料時(shí)提出的一種新的統(tǒng)計(jì)方法[11]。后來(lái)經(jīng)Mandelbrot與Wallis在理論上對(duì)該方法進(jìn)一步補(bǔ)充和完善,把它發(fā)展成為研究時(shí)間序列的分形理論,其研究方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[12-13]。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 降水變化特征分析

由額爾齊斯河流域年降水量變化曲線圖(圖2)可以看出：(a)額爾齊斯河流域年均降水量在200～500mm之間,4個(gè)氣象水文測(cè)站多年平均降水量分別為306.0mm,266.6mm,368.0mm和421.4mm。(b)齋桑泊、塞米巴拉金斯克、鄂木斯克和塔帕4個(gè)氣象水文測(cè)站的年降水量均呈上升趨勢(shì),且年際波動(dòng)變化較大,10a的年降水量分別以5.52mm,6.05mm,18.92mm,和11.71mm的速率增加,其中以鄂木斯克氣象水文測(cè)站的上升趨勢(shì)最為顯著,其次為塔帕氣象水文測(cè)站。(c)以齋桑泊氣象水文測(cè)站為例,由5a滑動(dòng)平均曲線可以看出：齋桑泊氣象水文測(cè)站在20世紀(jì)30年代末到40年代初降水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),40年代中期出現(xiàn)上升趨勢(shì),但在40年代末期出現(xiàn)短暫的下降趨勢(shì),50年代降水總體呈上升趨勢(shì),60年代初期到中期又出現(xiàn)一個(gè)短暫的下降趨勢(shì),60年代中期到70年代初降水呈現(xiàn)頻繁波動(dòng),但是總體呈上升趨勢(shì),從70年代初期到70年代中期,降水呈現(xiàn)相對(duì)較大的下降趨勢(shì),而后又出現(xiàn)了一個(gè)較大的上升趨勢(shì),從80年代開(kāi)始頻繁波動(dòng),直至90年代中期降水呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖2 額爾齊斯河流域年降水量變化曲線Fig.2 Annual precipitation variation in Irtysh River Basin

表1統(tǒng)計(jì)了額爾齊斯河流域4個(gè)氣象水文測(cè)站在不同年代的降水量距平。從表1可知,20世紀(jì)40—50年代4個(gè)氣象水文測(cè)站的降水量距平都為負(fù)值,說(shuō)明該時(shí)段降水量普遍偏少,鄂木斯克尤甚;60年代齋桑泊和塞米巴拉金斯克的降水量多于多年平均降水量,鄂木斯克和塔帕的降水仍偏少;70年代除了齋桑泊的降水少于多年平均值以外,其余3個(gè)氣象水文測(cè)站都超過(guò)多年平均降水量;自80年代以來(lái)4個(gè)氣象水文測(cè)站的年降水普遍都呈明顯的上升趨勢(shì),仍然以鄂木斯克為甚。在2000—2005年這段時(shí)間內(nèi),4個(gè)氣象水文測(cè)站的降水量都相對(duì)偏多,且塞米巴拉金斯克、鄂木斯克和塔帕的降水距平達(dá)到統(tǒng)計(jì)時(shí)段的最大值。

表1 額爾齊斯河流域不同年代降水量距平Table1 Annual precipitation decadal anomalies during different periods in Irtysh River Basin mm

對(duì)4個(gè)氣象水文測(cè)站多年月平均降水的分布進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)塔帕和鄂木斯克降水量年內(nèi)分配極不均勻,齋桑泊和塞米巴拉金斯克的年降水量相對(duì)均勻。4個(gè)氣象水文測(cè)站的最大降水量月是7月,占全年降水量的14%～18%,最小月降水量(塞米巴拉金斯克為1月,其余3個(gè)氣象水文測(cè)站為2月)占全年降水量的3%～5%。降水量主要集中在夏秋兩季,兩季降水量占全年降水量的60%～70%,連續(xù)最大降水量的4個(gè)月占全年降水量的40%～60%(齋桑泊為4—7月,塞米巴拉金斯克為5—8月,鄂木斯克和塔帕為6—9月),這與李捷等[4]對(duì)額爾齊斯河流域氣候氣候變化特征進(jìn)行分析的結(jié)果一致。

2.2 降水變化趨勢(shì)分析

采用Mann-Kendall法對(duì)4個(gè)氣象水文測(cè)站的年降水和月降水序列進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出：(a)各站的年降水量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其中齋桑泊和塞米巴拉金斯克的上升趨勢(shì)不顯著,未能通過(guò)置信度檢驗(yàn),鄂木斯克和塔帕年降水上升趨勢(shì)顯著,分別通過(guò)了99%和95%的置信度檢驗(yàn)。(b)齋桑泊的月降水量在1—2月和11月有顯著的上升趨勢(shì),在4—6月和8月存在不顯著的下降趨勢(shì)。(c)塞米巴拉金斯克7月降水量的上升趨勢(shì)通過(guò)了90%的置信度檢驗(yàn),其余各個(gè)月份的降水趨勢(shì)都不顯著,其中4月和8—10月的降水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。(d)鄂木斯克的月降水量在1—3月和10—12月呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn),但在5—7月呈下降的趨勢(shì)。(e)塔帕的月降水量在1—2月和11—12月有顯著上升趨勢(shì),通過(guò)了99%的置信度檢驗(yàn),在5—7月呈下降趨勢(shì),且7月降水量的下降趨勢(shì)通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn)。

圖3 各時(shí)期降水量趨勢(shì)的Mann-Kendall法統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Mann-Kendall test results of precipitation trends during different periods

2.3 年降水多時(shí)間尺度變化關(guān)系分析

圖4為年降水序列Morlet小波系數(shù)的實(shí)部,圖中虛線為負(fù)等值線,表示降水量偏少;實(shí)線為正或零等值線,表示降水量偏多或突變點(diǎn)。由圖4可知,降水量序列的各時(shí)間尺度在時(shí)間域上分布不均,局部變化特征明顯。圖4的上部分等值線稀疏,對(duì)應(yīng)較長(zhǎng)尺度周期的振蕩,下部分等值線相對(duì)稠密,對(duì)應(yīng)較短尺度周期振蕩,且大尺度變化嵌套著復(fù)雜的小尺度變化。

由圖4可知,以齋桑泊為例,齋桑泊站在10～12a的時(shí)間尺度上表現(xiàn)突出,其中心時(shí)間尺度為11a左右,降水經(jīng)歷了13個(gè)豐枯循環(huán)交替,其中1936—1941年、1946—1950年、1956—1961年、1968—1973年、1980—1986年、1991—1995年和2000—2005年降水量處于相對(duì)偏多時(shí)段,而1942—1945年、1951—1955年、1962—1967年、1974—1979年、1987—1990年和1996—1999年降水量相對(duì)偏少,此外降水還存在7～8a,28a和4～5a的年際尺度的周期性變化;而塞米巴拉金斯克、鄂木斯克和塔帕站在11～13a時(shí)間尺度表現(xiàn)突出,中心尺度在12 a左右。

圖4 額爾齊斯河流域年降水量距平序列小波變換的實(shí)部時(shí)頻變化Fig.4 Time-frequency distributions of real parts of wavelet transform of annual precipitation anomalies in Irtysh River Basin

圖5為額爾齊斯河流域年降水量距平序列小波變換方差圖。齋桑泊站年降水距平小波方差圖出現(xiàn)了4個(gè)峰值,分別對(duì)應(yīng)4a,7a,11a和28a的時(shí)間尺度,第一峰值對(duì)應(yīng)著11a時(shí)間尺度;塞米巴拉金斯克站的小波方差圖出現(xiàn)3個(gè)峰值,分別對(duì)應(yīng)4a,8a和12a的時(shí)間尺度,第一峰值對(duì)應(yīng)著12a的時(shí)間尺度;鄂木斯克站小波方差圖有3個(gè)峰值,分別對(duì)應(yīng)4a,9a和12a的時(shí)間尺度,第一峰值也對(duì)應(yīng)著12a的時(shí)間尺度;塔帕站的小波方差圖出現(xiàn)了3個(gè)峰值,分別對(duì)應(yīng)4a,8a和13a的時(shí)間尺度,第一峰值對(duì)應(yīng)著13a的時(shí)間尺度?？芍?齋桑泊的年降水距平存在11a左右的主周期,塞米巴拉金斯克和鄂木斯克存在12a左右的主周期,而塔帕存在13 a左右的主周期,說(shuō)明額爾齊斯河流域從上游到下游的降水距平的主周期可能逐漸變大。

圖5 額爾齊斯河流域年降水量距平序列小波變換方差Fig.5 Variances of wavelet transform coefficients of annual precipitation anomalies in Irtysh River Basin

2.4 未來(lái)年降水趨勢(shì)持續(xù)性分析

由于Mann-Kendall秩次相關(guān)分析法只對(duì)過(guò)去的降水量變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,故本文采用基于R/S分析法計(jì)算的Hurst指數(shù)來(lái)判斷4個(gè)氣象水文測(cè)站降水序列未來(lái)的變化趨勢(shì)。對(duì)4個(gè)氣象水文測(cè)站年降水進(jìn)行R/S分析,得到相應(yīng)的Hurst指數(shù),見(jiàn)表2。從表2可看出：齋桑泊站的Hurst指數(shù)值小于0.5,表明齋桑泊未來(lái)降水量趨勢(shì)將與過(guò)去相反,呈下降態(tài)勢(shì),但其反持續(xù)程度很弱;塞米巴拉金斯克、鄂木斯克和塔帕3站的Hurst指數(shù)值均大于0.5,表明這3站的年降水量序列具有長(zhǎng)程依賴性,其未來(lái)降水量的變化情況與過(guò)去70多年的趨勢(shì)相同,呈上升趨勢(shì),且持續(xù)程度為：鄂木斯克＞塔帕＞塞米巴拉金斯克。

表2 降水量的R/S分析結(jié)果Table 2 Analysis results of R/Smethod for precipitation

3 結(jié) 論

a.額爾齊斯河流域4個(gè)氣象水文測(cè)站的年降水量趨勢(shì)總體呈上升趨勢(shì),其中鄂木斯克和塔帕有顯著的上升趨勢(shì);從月降水來(lái)看,4—6月和8—9月的降水趨勢(shì)變化不明顯,1—3月和11—12月的降水趨勢(shì)變化明顯,且均呈上升趨勢(shì)。

b.20世紀(jì)40—50年代額爾齊斯河流域4個(gè)氣象水文測(cè)站的年降水量普遍偏少,自80年代以來(lái)4站的年降水量都有明顯的上升趨勢(shì),其中以鄂木斯克最為顯著,在2000—2005年這段時(shí)間內(nèi),4站降水量均相對(duì)偏多;除齋桑泊外,其余3站降水距平達(dá)到時(shí)代的最大。

c.額爾齊斯河流域近70a來(lái),年降水存在多時(shí)間尺度特征,且大尺度的周期變化中嵌套著小尺度的周期變化,4個(gè)氣象水文測(cè)站的年降水量存在11～13a左右的主周期。

d.R/S分析表明,齋桑泊未來(lái)降水將呈現(xiàn)減少趨勢(shì),但其反持續(xù)程度很弱,其余3站的降水將仍呈上升趨勢(shì)。

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