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      錫林河下游河谷平原區(qū)降水時(shí)序演變規(guī)律研究

      2016-03-22 06:55:18劉慧文郭中小龍胤慧廖梓龍中國(guó)水利水電科學(xué)研究院北京100048水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所呼和浩特01000
      中國(guó)農(nóng)村水利水電 2016年11期
      關(guān)鍵詞:錫林小波降水量

      劉慧文,郭中小,龍胤慧,廖梓龍(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100048;.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,呼和浩特 01000)

      0 引 言

      在全球氣候變暖和極端旱澇事件頻發(fā)的大背景下[1,2],由于降水時(shí)空分布不均勻而導(dǎo)致發(fā)生的草地退化、生態(tài)系統(tǒng)失衡正在引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注。以錫林河流域?yàn)榇淼牡湫筒菰瓍^(qū),既是重要的畜牧業(yè)發(fā)展基地,又是天然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵保障,尤其是錫林河流域下游的河谷平原區(qū),地帶性植被分布廣泛,生態(tài)物種豐富,草原植物生產(chǎn)力及群落分布對(duì)降水時(shí)序變化十分敏感[3]。因此,分析錫林河下游河谷平原區(qū)降水時(shí)序演變規(guī)律,診斷其趨勢(shì)性、突變性及周期性,對(duì)于保護(hù)草原生態(tài)和科學(xué)制定合理的水資源開發(fā)利用方案具有重要的指導(dǎo)意義[4]。

      近年來(lái),錫林河流域降水演變規(guī)律的研究取得了一些進(jìn)展,王海梅等[5]研究了錫林郭勒草原各生態(tài)地理區(qū)年降水量的周期變化規(guī)律及各區(qū)異同點(diǎn),并指出降水豐枯交替出現(xiàn),且存在區(qū)域差異,并簡(jiǎn)要分析了年降水量的時(shí)空變化規(guī)律[6];賀俊杰[7]等人的研究表明近50年來(lái)錫林河流域年降水呈減少趨勢(shì);楊立哲等[8]通過(guò)影響因素分析,發(fā)現(xiàn)夏季集中降水對(duì)徑流的影響最為顯著。盡管成果較多,現(xiàn)有研究對(duì)象的時(shí)空尺度較大,由于氣候變化和下墊面條件的差異性,典型區(qū)降水時(shí)序演變規(guī)律的研究還不夠深入。因此,本文基于1958-2013年的逐日降水資料,采用趨勢(shì)分析法、Mann-Kendall檢驗(yàn)、Morlet小波分析法研究錫林河下游河谷平原區(qū)降水在年尺度和季尺度上的趨勢(shì)性、突變性和周期性,以期科學(xué)認(rèn)識(shí)典型草原區(qū)的降水時(shí)序演變規(guī)律,為該類型區(qū)域的水資源管理和草原生態(tài)保護(hù)提供參考依據(jù)[9]。

      1 資料與方法

      1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及代表性分析

      本文采用錫林河流域及其周邊四個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站(錫林浩特站、西烏珠站、那仁寶力格站及阿巴嘎旗站)1958-2013年的長(zhǎng)系列逐日降水?dāng)?shù)據(jù)并在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)年、季降水量,分析年代平均值及距平值。

      本次選用的觀測(cè)資料為56 a時(shí)間尺度,為確保降水序列具有較好的代表性,對(duì)年降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行差積曲線檢驗(yàn)和長(zhǎng)短系列特征值穩(wěn)定性對(duì)比分析。經(jīng)差積曲線分析,實(shí)測(cè)系列中豐、平、枯水年交替發(fā)生,且豐、枯水年份大致相當(dāng),整個(gè)系列為完整的豐、平、枯周期,具有較好的代表性,并選取1958-1984年、1975-2013年、1981-2005年3個(gè)時(shí)間段作為短系列,分別計(jì)算其均值與變差系數(shù),并與1958-2013年的長(zhǎng)序列進(jìn)行特征值穩(wěn)定性比較,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,由計(jì)算結(jié)果可知,短系列的降水量均值及 值與長(zhǎng)系列相比差別很小,因此從長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)角度來(lái)分析,可認(rèn)為1958-2013年56 a的降水序列具有很好的代表性。

      表1 年降水量特征值分析Tab.1 The eigenvalue analysis of annual precipitation

      1.2 研究方法

      1.2.1Mann-Kendall檢驗(yàn)法

      Mann-Kendall檢驗(yàn)法是國(guó)際氣象組織推薦的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法,可分析降水量時(shí)間序列的突變點(diǎn)和變化趨勢(shì)[10-12],具有檢測(cè)范圍廣、抗干擾性強(qiáng)、結(jié)果可信度高的優(yōu)點(diǎn)?;驹砣缦拢?/p>

      時(shí)間序列(x1,…,xn)是n個(gè)獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量,S為檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量,計(jì)算公式如下:

      S=∑n-1k∑nj=k+1sign(xj-xk)

      (1)

      其中,

      式中:xj、xk分別為時(shí)間序列中第j、k年的數(shù)值。

      Z為其趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量,計(jì)算公式如下:

      (2)

      根據(jù)Z統(tǒng)計(jì)量可進(jìn)行趨勢(shì)性分析,若Z<0,表明序列呈減少趨勢(shì);Z>0,表明序列呈增加趨勢(shì)。|Z|≥1.64、1.96、2.58,則表示變化趨勢(shì)分別達(dá)到90%、95%、99%的置信水平[12]。

      當(dāng)Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)時(shí),通過(guò)構(gòu)造一致序列:

      (3)

      定義統(tǒng)計(jì)變量:

      (4)

      將時(shí)間序列(x1,…,xn)逆序排列,再按上式計(jì)算,同時(shí)使

      (5)

      UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,若UFk>0表明序列呈上升趨勢(shì);UFk<0表明序列呈下降趨勢(shì);當(dāng)超過(guò)臨界直線時(shí),表明上升或下降趨勢(shì)顯著;如果UFk與UBk兩條曲線存在交點(diǎn),那么交點(diǎn)就是突變開始的時(shí)刻。

      1.2.2Morlet小波分析法

      小波分析是一種基于Fourier基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的信號(hào)分析方法,其原理是將母函數(shù)經(jīng)過(guò)平移和伸縮得到一系列小波函數(shù),從而將信號(hào)分解為一系列小波函數(shù)的疊加,進(jìn)而得到時(shí)間系列的顯著波動(dòng)模式,即周期變化動(dòng)態(tài)的時(shí)間格局[13,14]。

      Morlet子小波函數(shù)形式如下:

      φ(t)=e-t2/2eiω0t

      (6)

      連續(xù)的小波變換為:

      (7)

      小波方差為:

      (8)

      在長(zhǎng)時(shí)序降水?dāng)?shù)據(jù)中,包含了低頻和高頻兩個(gè)部分,前者主要反映降水量在時(shí)序中的趨勢(shì)性,后者是展現(xiàn)降水量在時(shí)序中的周期變化特征。因此,Morlet小波圖是反演不同時(shí)間尺度降水結(jié)構(gòu)變化的放大鏡和顯微鏡。

      2 降水量演變規(guī)律分析

      2.1 降水量變化趨勢(shì)分析

      2.1.1年降水量變化趨勢(shì)分析

      如圖1與表2所示,錫林河下游河谷平原區(qū)1958-2013年降水量年際變化趨勢(shì)較明顯,主要體現(xiàn)在:①在1958年以來(lái)的長(zhǎng)時(shí)間序列中,研究區(qū)年降水量呈明顯遞減趨勢(shì),平均減幅為4.5 mm/10 a,M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z=-1.23(未通過(guò)90%顯著性水平檢驗(yàn));②年降水量在年際尺度豐枯性交替波動(dòng)顯著,經(jīng)歷了多次短歷時(shí)的豐水期和枯水期,豐水期最大年降水量為1959年的475.5 mm,枯水期最小年降水量為1980年的160.1 mm,最大豐枯變幅為315.4 mm;③夏季降水量是年降水量最主要的組成部分,二者在年際尺度變化趨勢(shì)高度一致,說(shuō)明夏季降水量演變規(guī)律是年降水量的一個(gè)典型縮影。

      圖1 年降水量變化趨勢(shì)圖Fig.1 The variation tendency figure of annual precipitation

      表2 不同時(shí)期降水量統(tǒng)計(jì)值 mmTab.2 The precipitation statistic of different period

      2.1.2各季降水量變化趨勢(shì)分析

      季尺度降水時(shí)序變化過(guò)程分析結(jié)果(圖2、表2)表明:①季尺度降水在時(shí)間序列上波動(dòng)較大,豐枯交替變化頻繁,其中夏季最為顯著,且與年降水量具有高度一致性,20世紀(jì)60、70、90年代夏季降水偏豐;20世紀(jì)80年代及21世紀(jì)初期夏季降水偏枯。②變化趨勢(shì)在季尺度上存在一定差異,春季呈略微增加趨勢(shì),增加幅度為0.41 mm/10 a,夏、秋降水呈減少趨勢(shì),幅度分別為-5.16、-0.23 mm/10 a,冬季降水20世紀(jì)60年代以遞減為主,60年代后呈微增趨勢(shì)。③經(jīng)Mann-Kendall趨勢(shì)性檢驗(yàn),其統(tǒng)計(jì)量 值四季依次為-0.386、-1.114、-1.095、0.380,均未達(dá)到90%顯著性水平,說(shuō)明四季變化均不顯著。

      2.2 降水量突變分析

      2.2.1年降水量突變分析

      利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分析研究了該區(qū)年降水量的變化情況,結(jié)果見(jiàn)圖3,可以看出,UF曲線和UB曲線在0.05顯著性水平內(nèi)存在交點(diǎn),發(fā)生突變年份為1969年、1998年,說(shuō)明年降水量存在明顯的突變現(xiàn)象[12]。圖3中UF曲線變化趨勢(shì)表明年降水量在20世紀(jì)60年代之前呈增加趨勢(shì),60年代中期至70年代中期呈較強(qiáng)減少趨勢(shì),70年代中后期至21世紀(jì)之前呈微弱增加,21世紀(jì)之后減少趨勢(shì)顯著,56年間豐水期和枯水期頻繁循環(huán)交替,但枯水期周期較長(zhǎng)。

      圖2 四季降水量變化趨勢(shì)圖Fig 2 The variation tendency figure of seasonal precipitation

      圖3 年降水突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig 3 Mutation test analysis result of annual precipitation

      2.2.2季尺度降水量突變分析

      從季節(jié)降水Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)分析(圖4)中可以看出:①56年來(lái)春季降水量呈波動(dòng)式弱減少趨勢(shì),與圖2中春季降水變化趨勢(shì)一致,由UF曲線可以看出,錫林河下游河谷平原區(qū)只有在1970年和1980年有增加趨勢(shì),其余年份均呈波動(dòng)式減少,由曲線UF和UB在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)可看出,春季降水量在80年代前豐枯突變頻繁,之后僅在2009年存在焦點(diǎn),由持續(xù)的少雨期變?yōu)槎嘤昶?。②由圖4(b)可看出,錫林河下游河谷平原夏季降水量的UF和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)1998年處存在明顯的交點(diǎn),說(shuō)明夏季降水量在該年發(fā)生突變,由偏豐期變?yōu)槠萜?,UF曲線幾乎均勻地分布在0的兩邊,可見(jiàn),夏季降水量呈現(xiàn)增多、減少的交替變化,這與圖2夏季降水的實(shí)際變化過(guò)程一致。③秋季降水除1959年及80年代中期至90年代中期之前存在增加外,其余年份呈波動(dòng)減少趨勢(shì),1962-1967年間減少趨勢(shì)尤為明顯(UF曲線超過(guò)0.05置信水平),到2012年左右有所回升,變化趨勢(shì)與圖2中秋季降水的實(shí)際變化過(guò)程相一致。④56年間研究區(qū)冬季降水占年降水比例很少,波動(dòng)變化并不大,除60年代中期變化較明顯外,其余年代呈微弱波動(dòng),從UF曲線和UB曲線可以看出冬季降水在1986年發(fā)生突變。

      圖4 四季降水量的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig 4 Mutation test analysis results of seasonal precipitation

      2.3 降水量周期性分析

      連續(xù)小波系數(shù)等值線圖[圖5(a)]和小波方差圖[圖5(b)]反映了錫林河流域下游河谷平原區(qū)年降水量具有顯著的時(shí)間尺度演變特征,表現(xiàn)出豐水期-枯水期頻繁循環(huán)交替和不規(guī)律性周期振蕩的特點(diǎn)。

      在小波分析結(jié)果中,陰影區(qū)表示降水偏豐期,非陰影區(qū)表示降水偏枯期,等值線為零時(shí)對(duì)應(yīng)降水豐、枯的突變時(shí)間[10]。從連續(xù)小波系數(shù)等值線圖可以看出,,不同尺度的周期演變特征可以在一定程度上反映出未來(lái)降水量的豐枯態(tài)勢(shì),既存在著35 a左右的大周期,也有5 a左右的小周期,年降水量周期性變化最穩(wěn)定的時(shí)間尺度主要為15~20 a。

      從1958年至2013年,年均降水量經(jīng)歷了偏多-偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多的三次交替周期性變化,具體分析為:20世紀(jì)50年代中期到60年代初期年均降水量偏多,60年代中后期年均降水量偏少,70年代年均降水量偏多,80年代年均降水量偏少,90年代年均降水量偏多,21世紀(jì)前10年年均降水量偏少。從2008年開始,錫林河流域下游河谷平原區(qū)開始步入新的振蕩周期,至2013年仍未閉合,說(shuō)明未來(lái)幾年降水量偏多的可能性較大。

      在小波方差圖[圖5(b)]中,存在4個(gè)峰值,分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期為3、5、19、33 a,且19 a時(shí)間尺度振幅最大,震蕩變化最強(qiáng)烈,為第一主周期,第2~3主周期依次為5、3、33 a。

      圖5 年降水小波分析結(jié)果Fig 5 wavelet analysis results of annual precipitation

      同時(shí),為探究錫林河下游河谷平原區(qū)季尺度上的降水演變規(guī)律及與年尺度降水的相關(guān)關(guān)系,對(duì)四季降水分別進(jìn)行了小波周期分析,發(fā)現(xiàn)雖四季降水周期變化存在一定差異,但均存在大周期下嵌套小周期,大周期跨度大不穩(wěn)定,小周期較為穩(wěn)定,偏枯水年偏豐水年交替變換的特點(diǎn),未來(lái)除冬季處于偏枯水年外,其余三季降水均將有所增加。其中,夏季降水量的周期變化特征(圖6)與年降水量的周期變化特征(圖5)高度一致,更進(jìn)一步說(shuō)明夏季降水量對(duì)該研究區(qū)的影響最大,是反映年降水量變化的一個(gè)典型縮影。

      圖6 夏季降水量的小波分析結(jié)果Fig 6 wavelet analysis results of summer precipitation

      3 結(jié) 語(yǔ)

      通過(guò)采用線性趨勢(shì)法分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法和小波分析法分析1958-2013年錫林河下游河谷平原區(qū)降水量演變規(guī)律,通過(guò)分析得出:

      (1)56年來(lái),降水量在多年尺度上呈遞減趨勢(shì),減幅為4.5 mm/10 a,年際間豐枯交替變換明顯。

      (2)在季尺度上降水呈夏秋減少、春冬增加的特點(diǎn),夏季降水量的突變性和周期性與年降水量高度一致,是反映年降水量變化規(guī)律的一個(gè)典型縮影,未來(lái)除冬季降水處于偏枯期外,其余三季及年降水量處于偏豐期。

      (3)降水演變特征與時(shí)間尺度的選擇有關(guān),在多時(shí)間尺度存在不同程度的周期性變化,小尺度振蕩劇烈,大尺度振蕩平緩,年及四季振蕩主周期分別為19、6、18、8、44 a。

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