淺析新疆伊犁河流域50余年降水時(shí)空分布

(河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院新疆分院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 概 述

降水是影響地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及其水資源管理利用的重要因素，同時(shí)也是影響徑流和其他水文要素的一個(gè)重要因素，其年際和季節(jié)變化規(guī)律對(duì)于地區(qū)水資源的變化具有重要的影響。政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告顯示，1901—2013年期間，全球表面平均氣溫升高了0.89℃，降水模式也發(fā)生了改變，這些變化將會(huì)使地表徑流發(fā)生變化，導(dǎo)致更多的干旱或洪澇事件，從而進(jìn)一步影響地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展[1]。因此，研究地區(qū)降水的時(shí)空變化模式及其年、季變化規(guī)律，對(duì)于分析氣候變化背景下水循環(huán)、預(yù)測(cè)旱澇事件發(fā)生規(guī)律和未來(lái)氣候變化具有重要意義。

目前，許多學(xué)者從年、季、月等各個(gè)尺度，采用線性回歸、累計(jì)距平、Mann-Kendall檢驗(yàn)、滑動(dòng)平均、小波分析、有序聚類、集中度和集中期等不同分析方法對(duì)不同地區(qū)降水的時(shí)空變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究[2-4]。在眾多區(qū)域尺度研究中，伊犁河流域作為我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，已有不少學(xué)者對(duì)其降水的時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究。伊犁河流域地處西北地區(qū)，距離海洋較遠(yuǎn)，其降水量的變化必然會(huì)對(duì)該流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，但是已有研究工作多傾向于研究流域降水的年變化或單個(gè)季節(jié)變化，而缺乏對(duì)伊犁河流域降水特征的全面分析，因此有必要對(duì)該流域全年和四季的降水變化特征進(jìn)行進(jìn)一步的分析。鑒于此，本文采用1960—2013年降水資料，輔以線性回歸、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解和突變性檢驗(yàn)的方法，分析伊犁河流域全年和四季降水的時(shí)空分布及其變化規(guī)律，以期為了解該流域氣候變化，充分認(rèn)識(shí)和利用氣候資源，保障伊犁河流域的生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用伊犁河流域6個(gè)站點(diǎn)1960—2013年逐年和逐月降水?dāng)?shù)據(jù)。考慮到伊犁河流域氣象站點(diǎn)分布的不均勻與地勢(shì)的起伏，采用基于面積權(quán)重的方法估算整個(gè)流域的降水量，其權(quán)重的系數(shù)是指每個(gè)氣象站點(diǎn)控制的面積占整個(gè)流域面積的百分比，通過(guò)泰森多邊形的方法進(jìn)行估算。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 回歸分析

回歸分析常用來(lái)分析一個(gè)或多個(gè)變量的變化對(duì)另一個(gè)變量的影響程度。本文中降水和時(shí)間兩個(gè)變量用來(lái)建立線性回歸方程，其具體回歸方程如下：

P=aT+b

式中P——1960—2013年或季度降水；

T——時(shí)間序列;

a,b——參數(shù)，a一般為年或季度降水的變化趨勢(shì)。

2.2.2 突變點(diǎn)分析

a. Mann-Kendall檢驗(yàn)。Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)的檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于不受少數(shù)異常值的干擾且數(shù)據(jù)不需要服從特定的分布，M-K檢驗(yàn)方法的具體計(jì)算步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

b. Pettitt檢驗(yàn)法。Pettitt檢驗(yàn)是一種非參數(shù)的檢驗(yàn)方法，廣泛應(yīng)用在水文和氣象數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)中。該方法采用Mann-Whitney的統(tǒng)計(jì)量Ut,N來(lái)檢驗(yàn)同一個(gè)總體x(t)的兩個(gè)樣本，計(jì)算步驟見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

另外文中還用到了經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解等常用方法。

3 結(jié)果分析

3.1 降水量時(shí)間變化特征

伊犁河流域年降水、春季和秋季降水在1960—2013年呈下降趨勢(shì)，其氣候傾向率分別為-4.62mm/10a、-6.23mm/10a和-4.78mm/10a，年降水和秋季降水的下降趨勢(shì)不顯著，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P>0.05)；春季降水通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，減小的趨勢(shì)顯著。夏季降水和冬季降水呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其氣候傾向率分別為4.86mm/10a和0.70mm/10a，但是均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P>0.05)，增加的趨勢(shì)不顯著。

為進(jìn)一步分析伊犁河流域降水量的時(shí)間變化特征，對(duì)1960—2013年伊犁河流域全年及其四季降水的時(shí)間序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。春季UFk和UBk在1977—1992年期間出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)(P=0.05)，說(shuō)明伊犁河流域春季降水存在多個(gè)突變點(diǎn)，UFk值小于0或很少大于0，說(shuō)明伊犁河流域春季降水總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；結(jié)合Pettitt檢驗(yàn)可知其突變年份為1991年，且P<0.05，突變顯著(見(jiàn)表1)。由夏季降水的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，UFk和UBk出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，UFk曲線處于信度的上下限之間，從1978年開(kāi)始，其值大于0，說(shuō)明伊犁河流域的夏季降水呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(P=0.05)；由Pettitt檢驗(yàn)可知夏季降水在1977年發(fā)生突變，但是P>0.05，突變不顯著。秋季降水的M-K檢驗(yàn)顯示，在0.05置信水平下，UFk和UBk在1970年出現(xiàn)交點(diǎn)，UFk值在1993—2000年期間超出信度的下限，表明該時(shí)段秋季降水下降顯著；由Pettitt檢驗(yàn)可知秋季降水在1970年發(fā)生突變，但P>0.05，突變不顯著。冬季降水的M-K檢驗(yàn)表明，在0.05置信水平下，UFk和UBk震蕩劇烈，除了1975年以外，UFk曲線都處于信度的上下限之間，UFk值大于0或很少小于0，表明伊犁河流域冬季降水總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；結(jié)合Pettitt檢驗(yàn)可知冬季降水在1986年發(fā)生突變，但P>0.05，突變同樣不顯著(見(jiàn)表1)。全年降水的M-K檢驗(yàn)結(jié)果顯示，在0.05置信水平下，UFk和UBk在1985—1989年之間出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，進(jìn)一步結(jié)合Pettitt檢驗(yàn)可知伊犁河流域全年降水的突變年份為1985年，但是P>0.05，突變并不顯著。

表1 伊犁河流域全年及各季平均降水的Pettitt突變檢驗(yàn)

3.2 降水量時(shí)空分布特征

為進(jìn)一步研究伊犁河流域全年及其四季降水的空間分布特點(diǎn)，對(duì)伊犁河流域6個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2013年的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分析。結(jié)果表明，前兩個(gè)特征向量累計(jì)方差貢獻(xiàn)率處于55.6%～81.7%之間，方差貢獻(xiàn)率較大，因此，研究前兩個(gè)特征向量的空間分布情況，可以較好地反映伊犁河流域全年與四季降水量空間異常分布的基本特征。

3.2.1 年降水的主要空間分布型

采用EOF對(duì)伊犁河流域6個(gè)氣象站點(diǎn)的降水距平百分比矩陣進(jìn)行分解，前3個(gè)特征向量的特征值和貢獻(xiàn)率見(jiàn)表2?？梢钥闯?，其前兩個(gè)特征向量的累計(jì)貢獻(xiàn)率接近65%，因此，這兩個(gè)特征值可以說(shuō)明伊犁河流域年降水量的兩種分布類型。

第一特征的方差貢獻(xiàn)率為47.81%，是伊犁河流域的主要空間分布型式。其站點(diǎn)的特征值都為正，表明1960—2013年期間，伊犁河流域的降水具有高度的一致性。該模態(tài)特征向量的高值區(qū)出現(xiàn)在流域的南部，其原因可能是該地區(qū)降水主要受到南部山脈的影響，降水的變化率較大；而低值區(qū)出現(xiàn)在北部地區(qū)。1975年、1983年和2003年為該流域降水一致偏多的年份，1995年和1997年為該流域干旱少雨的年份，時(shí)間系數(shù)具有明顯的年際震蕩變化特征。

第二特征向量的空間分布在東南部為正值，在西北部為負(fù)值。該降水型代表了西北與東南部的差異。從時(shí)間系數(shù)來(lái)看，正值較多，20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初表現(xiàn)出明顯的正值趨勢(shì)，尤其以2011年最為典型，代表了東南部降水較多、西北部降水較少的空間型。

表2 年降水前3個(gè)特征向量特征值及其方差貢獻(xiàn)

3.2.2 春季降水主要空間分布型

伊犁河流域春季降水量前3個(gè)特征向量特征值及其方差貢獻(xiàn)率見(jiàn)表3。可以看出，前兩個(gè)特征向量的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到71.45%，因此，這兩個(gè)特征值可以很好地說(shuō)明1960—2013年伊犁河流域春季降水量的兩種分布類型。第一特征值都為正，且呈現(xiàn)從南向北減小的趨勢(shì)，表明流域春季降水在1960—2013年期間具有高度的一致性。時(shí)間系數(shù)以負(fù)值居多，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后更為明顯，表明流域降水總體偏少，容易出現(xiàn)春旱。1967年、1983年和1998年的值較大，表明這些年份春季雨水較多。

3.2.3 夏季降水主要空間分布型

對(duì)伊犁河流域夏季降水進(jìn)行EOF分解，取前3個(gè)主成分進(jìn)行分析。其特征向量特征值及其方差貢獻(xiàn)率見(jiàn)表3?？梢钥闯?，其前兩個(gè)特征向量的累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到55.58%，因此這兩個(gè)特征值可以說(shuō)明1960—2013年伊犁河流域夏季降水量的兩種分布類型。其空間分布特征與全年相似。

3.2.4 秋季降水主要空間分布型

秋季降水的前3個(gè)特征向量的貢獻(xiàn)率見(jiàn)表3，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.67%，其中前兩個(gè)特征向量的累計(jì)貢獻(xiàn)率為81.69%，因此，這兩個(gè)特征值可以很好地說(shuō)明1960—2013年伊犁河流域秋季降水量的兩種分布類型。第一特征向量的空間分布在整個(gè)流域被正值覆蓋，呈現(xiàn)由西北向東南增加的趨勢(shì)，表明流域降水具有空間的一致性，并受到大尺度天氣系統(tǒng)的控制，具有同旱同澇的特點(diǎn)。

3.2.5 冬季降水主要空間分布型

冬季降水的前3個(gè)特征向量的累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.12%，其中前兩個(gè)特征向量的累計(jì)貢獻(xiàn)率為76.22%，因此，這兩個(gè)特征值可以很好地說(shuō)明1960—2013年伊犁河流域冬季降水量的兩種分布類型。冬季降水第一特征向量在整個(gè)流域被正值覆蓋，呈現(xiàn)由西北向東南增加的趨勢(shì)，表明伊犁河流域冬季降水具有空間的一致性特點(diǎn)。從時(shí)間系數(shù)來(lái)看，1975年、1988年和1989年出現(xiàn)正極值，表明這些年份伊犁河流域冬季降水偏多，1982年、1998年代表了伊犁河流域冬季降水偏少的年份。

表3 四季降水前3個(gè)特征向量特征值及其方差貢獻(xiàn)

4 結(jié) 論

采用線性回歸、EOF分解、Mann-Kendall及Pettitt突變性檢驗(yàn)的方法，對(duì)伊犁河流域6個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2013年全年及其四季降水的時(shí)空分布進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

a.從時(shí)間變化趨勢(shì)來(lái)看，除春季降水呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)外，其他季節(jié)和年平均降水量的變化均不明顯；Mann-Kendall突變分析表明伊犁河流域的春季降水存在多個(gè)突變點(diǎn)，其春季降水總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；夏季降水同春季降水相似，存在多個(gè)突變點(diǎn)，震蕩劇烈，總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；秋季降水在1970年前后出現(xiàn)突變點(diǎn)，UFk值在1993—2000年期間超出信度的下限，表明該時(shí)段秋季降水下降顯著；冬季降水在1960—1987年期間出現(xiàn)突變點(diǎn)，震蕩劇烈，其總體呈現(xiàn)上升的變化趨勢(shì)。Pettitt檢驗(yàn)結(jié)果表明，春季、夏季、秋季、冬季和全年的降水突變點(diǎn)分別為1991年、1977年、1970年、1986年、1985和1990年，但只有春季降水突變顯著(P<0.05)。

b. 1960—2013年，伊犁河流域全年和四季降水空間分布不均，總體呈現(xiàn)由東南向西北減小的趨勢(shì)；從年降水的空間變化趨勢(shì)分布來(lái)看，上游的減小趨勢(shì)較中游更為明顯。從四季降水的空間變化趨勢(shì)來(lái)看，春季降水和秋季降水基本呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

c. EOF分析表明，伊犁河流域全年和四季降水的空間分布存在總體一致型和東南——西北區(qū)域反位相型的分布類型。全年和四季降水的第一特征場(chǎng)表明流域全年和四季降水在空間上具有高度一致性，從其特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)來(lái)看，全年和季節(jié)降水的震蕩較大。

d.研究表明，伊犁河流域降水的時(shí)空變化受到地形條件、地理位置和大氣環(huán)流的共同影響，地理位置決定了流域降水量的平均量級(jí)，地形條件和大氣環(huán)流使伊犁河流域的降水呈現(xiàn)一定的空間分布特征。伊犁河流域地形復(fù)雜，具有山地、平原、丘陵等多種地形，因此流域內(nèi)各區(qū)域的降水差異較大，如何根據(jù)流域內(nèi)不同區(qū)域的特點(diǎn)對(duì)流域進(jìn)行進(jìn)一步劃分，從而更加深入細(xì)致地探討流域內(nèi)降水的變化情況是未來(lái)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

[1] Qin D,Plattner G K,Tignor M,et al.Climate Change 2013:The Physical Science Basis[M].Cambridge,UK and New York:Cambridge University Press,2014.

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