新疆某河流域氣溫、降水變化趨勢分析及徑流響應(yīng)關(guān)系

肉孜買買提·阿不來提

(新疆伊犁水文勘測局，新疆 伊寧 835000)

在全球氣候變暖及人類活動加劇的大背景下，新疆伊犁某河流域氣溫、降水與徑流呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化[1],研究分析區(qū)域的水文氣象要素變化特征有利于認(rèn)識氣候變化影響下流域水資源的演變規(guī)律，對局部洪澇災(zāi)害的防治有著重要的現(xiàn)實意義,因此分析研究不同區(qū)域氣候的變化特征及其影響是目前全球變化研究的重要內(nèi)容之一[2],分析研究流域內(nèi)水文氣象要素變化特征及徑流變化影響因素等問題是十分必要的[3～5]，該研究對指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展、水資源合理開發(fā)利用以及洪水預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供重要科學(xué)依據(jù)。

目前,對該流域徑流變化特征的研究較多，而對氣溫、降水及徑流等多因子水文氣象要素變化規(guī)律的綜合分析研究較少。鑒于此，本文基于前人研究成果，以新疆北山區(qū)某河流域為研究區(qū)，利用流域出山口基本水文站1959 年～2015 年實測水文、氣象資料，利用多種數(shù)理統(tǒng)計類分析方法來分析某河流域近57年來氣溫、降水及徑流的變化特征。利用小波分析方法進(jìn)一步分析了該流域各水文氣象要素的多尺度周期變化規(guī)律，并確立了該時間域的主要周期，以便了解并掌握其歷史變化的特征和趨勢，采用不同的方法分析徑流對氣候水文要素變化的響應(yīng)關(guān)系。

1 研究區(qū)概況及資料來源

某河是新疆北山區(qū)主要河流之一，其發(fā)源于中國天山西部支脈科古琴山南坡，流域范圍在東經(jīng)80°10′～81°44′和北緯43°56′～44°26′之間[6]，伊犁河一級支流。流域內(nèi)山體寬闊，支溝發(fā)育，河流自北向南。河流的出山口處設(shè)有水文站，該測站的高程為890 m，測站以上的集水面積為794 km2，河長為45.0 km,自1956 年設(shè)站觀測至今。

某河流域地勢北高南低，由東北向西南傾斜，海拔高程在1100 m～3700 m 之間，沒有冰川覆蓋。該流域的氣候特點是光照豐富、四季分明、雨水較為充沛等，因此屬半濕潤大陸性溫帶氣候。水文站多年平均氣溫在9.7℃；最高月平均氣溫為23.8℃，出現(xiàn)在7 月, 極端最高氣溫于1974 年7 月出現(xiàn)，達(dá)到39.0℃；最低月平均氣溫為-5.7℃，出現(xiàn)在1 月；極端最低溫度于1984 年12 月出現(xiàn)，達(dá)到-27.0℃。水文站多年平均降水量分布在250 mm～600 mm 之間，降水區(qū)的降水量垂直分布有明顯的地域性分布規(guī)律。

選取新疆伊犁某河流域匹里青水文站1959 年～2015 年的年平均氣溫、降水、年徑流量資料系列進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)來源于新疆水文年鑒。

2 研究方法

采用線性趨勢分析[7]、累積距平法[8]分析氣溫、降水及徑流量時間序列的趨勢性變化;采用Mann-Kendall 非參數(shù)趨勢檢驗法[9]確定并進(jìn)行檢驗各水文要素序列的突變位置;采用Morlet連續(xù)復(fù)小波法[10]分析氣溫、降水及徑流多時間尺度的周期性變化規(guī)律。

3 流域水文氣象時間序列分析

3.1 變化幅度

某河流域多年年平均氣溫、年總降水量、年徑流量的年際變化趨勢見圖1。由圖1 可知，氣溫整體呈上升的趨勢，并且以20 世紀(jì)90 年代到本世紀(jì)初氣溫上升趨勢尤為顯著，其以0.50℃/10 a 的增幅在升高。流域的降水趨勢呈波動式變化，降水波動在1987 年以前較為平緩，1987 年以后波動性變化較強，但整體上呈上升趨勢，且以20.4 mm/10 a 的速度增大。流域年徑流量的變化趨勢不太明顯，趨勢線幾乎為平行于X 軸的斜率為0.001 的一條直線。

圖1 多年平均氣溫、降水、年徑流年際變化趨勢分析圖

采用累積距平法分析研究區(qū)各水文氣象要素多年的變化趨勢，從曲線變化過程我們可以判斷出此水文要素序列的變化趨勢,同時可以診斷出發(fā)生突變的大致時間[6]。

由圖2（a）可以看出,該研究區(qū)的年平均氣溫變化趨勢階段性變化較明顯, 總體呈現(xiàn)出下降- 上升的主要階段性趨勢過程。氣溫在1986 年以前呈持續(xù)下降趨勢，1986 年以后迅速上升，并持續(xù)保持升高的態(tài)勢。圖2（b）中可看出，流域降水同樣在1986 年以前呈持續(xù)減少趨勢,1959 年～1986 年之間為少雨期；從1986 年以后流域降水呈波動增加趨勢，1986 年～2001年之間降水波動變化較為頻繁,2001 年后降水呈持續(xù)增多趨勢。由圖2（c）可看出，流域年徑流在1959 年～1996 年之間豐枯交替出現(xiàn)，從1997 年～2006 年之間屬于豐水期，2006 年以后年徑流呈波動性減少趨勢。

圖2 某河流域多年氣溫、降水、徑流累計距平曲線趨勢圖

從以上近57 年來的氣溫、降水、徑流累積距平圖(圖3)中可以看出,年氣溫、年降水、年徑流增加的趨勢基本一致,也就是說氣溫和降水因子對該研究區(qū)徑流趨勢的變化影響較大。從圖中還可看出,年降水量和年徑流量之間雖然年際間波動變化較大,但總體上呈增加的趨勢,并且年降水量增加的趨勢明顯高于年徑流量的變化趨勢。

3.2 變化趨勢

采用Mann-Kendal 突變檢驗法來分析研究區(qū)年平均氣溫、降水、徑流量系列的發(fā)生突變位置以及其變化趨勢。設(shè)定其顯著性水平為0.05，詳情見圖3。由圖4 可知，研究區(qū)平均氣溫在1994 年發(fā)生突變，氣溫從1985 年開始呈較顯著的持續(xù)上升趨勢，自2001 年開始UF＞0，氣溫呈顯著的上升趨勢，氣溫序列在57 年內(nèi)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢；研究區(qū)降水分別在1993 年、2004年、2013 年發(fā)生突變，從整體上看，降水序列從1979 年開始呈持續(xù)增長態(tài)勢，在2013 年發(fā)生突變呈顯著增長趨勢；徑流量序列則在1960 年、1989 年、2008 年相交，說明徑流量在這三年發(fā)生明顯突變，從整體檢驗結(jié)果來看，徑流序列在近57 年內(nèi)波動性較強，在1960 年發(fā)生突變，呈減少趨勢，并于1968 年后UF＜0，徑流量呈顯著減少趨勢。從1989 年發(fā)生突變，呈增加趨勢，2008 年后開始呈減少趨勢，預(yù)計未來幾年內(nèi)該流域徑流量仍呈減少趨勢。

圖3 某河流域年均氣溫、年降水量及年徑流量Mann－Ke ndall 統(tǒng)計量曲線

3.3 變化周期

利用Morlet 小波分析方法來分析某河流域近57 年的水文氣象要素序列變化周期，氣溫、降水和徑流小波分析等值線圖和小波系數(shù)方差曲線見圖4～圖6。由圖5 可知，流域多年平均氣溫序列存在于22 a～30 a 的時間尺度上的演變規(guī)律。在這個時間尺度上周期震蕩最明顯，從1959 年至今表現(xiàn)為低、高、低、高、低等5 個中心。從由圖5 可看出，氣溫序列小波系數(shù)方差曲線有一個較為明顯的峰值，最大的峰值對應(yīng)著26 年左右的時間尺度，說明年氣溫序列在26 年左右的周期振蕩最強，為第一主周期。

圖4 某河流域氣溫序列小波系數(shù)實部等值線圖及小波方差圖

由圖5 可知，流域降水序列經(jīng)歷了6 a～12 a 和22 a～32 a左右的兩類時間尺度上的變化規(guī)律。其中22 a～32 a 時間尺度上的周期振蕩特別明顯，其間年降水經(jīng)歷了3 個“少- 多- 少”的循環(huán)過程；其次15 a～22 a 尺度上的周期振蕩也較明顯，其間降水經(jīng)歷了“少- 多”6 個循環(huán)過程。由圖5 小波方差圖中可看出，降水系列的第一、二主周期分別約為26 a、9 a。

圖5 某河流域降水序列小波系數(shù)實部等值線圖及小波方差圖

利用水文站近57 a 年徑流序列資料通過小波變換后做年徑流小波系數(shù)實部等值線圖，可以反映出年徑流在各時間尺度上的周期性演變規(guī)律，從而可以預(yù)測未來年徑流在各時間尺度上的變化趨勢。當(dāng)徑流為豐水期時，實部值為正數(shù)；若徑流為枯水期時，實部值為負(fù)數(shù)?；诘玫降膶嵅康戎稻€圖（圖6），分析出年徑流共有3 類周期變化規(guī)律，分別存在于4 a～9 a，12 a～19a和22 a～29 a的時間尺度上。在20 a～29 a的尺度上年徑流有4次枯水期到豐水期的變換；在12 a～19 a 的尺度上發(fā)生了3 次枯、豐水期的變換；在4 a～9 a 的尺度上共有13 次枯、豐水期的變換。由圖6 可知，某河流域年徑流量在3 個尺度下的小波方差極值最為顯著，分別在24 a、16 a 和6 a 時間尺度上出現(xiàn)3 個峰值；因此，徑流序列的第一、二、三主周期分別約為26 a、16 a 和6 a。

圖6 某河流域徑流序列小波系數(shù)實部等值線圖及小波方差圖

4 結(jié)論

1）某河流域多年氣溫、降水序列均呈不同程度的上升趨勢，且分別以0.50℃/10 a 和20.4 mm/10 a 的速度上升，流域年徑流量的變化趨勢不太明顯，趨勢線幾乎為平行于X 軸的斜率為0.001 的一條直線。年平均氣溫總體上呈現(xiàn)出“下降- 上升”的主要階段性趨勢。1986 年以前氣溫持續(xù)下降，1986 年以后氣溫迅速上升，并保持持續(xù)升高的態(tài)勢。流域降水同樣在1986 年以前呈持續(xù)減少趨勢,1959 年～1986 年之間為少雨期；從1986 年以后降水呈波動增多狀態(tài)，1986 年～2001 年降水波動較為頻繁,2001 年后降水持續(xù)增多。流域年徑流在1959 年～1996 年之間豐枯交替出現(xiàn)，從1997 年～2006 年之間屬于豐水期，2006 年以后年徑流呈波動性減少趨勢。氣溫、降水序列均有顯著上升趨勢，而流域徑流序列整體上有微弱的上升趨勢，但不顯著。

2）研究區(qū)多年氣溫、降水、徑流序列均通過了顯著性水平為0.05 的檢驗，年氣溫序列在1994 年發(fā)生了突變，降水序列則在1993 年、2004 年、2013 年發(fā)生突變，而徑流序列在1960 年、1989 年、2008 年發(fā)生了突變。

3）某河流域水文氣象要素均存在多時間尺度特征效應(yīng)，流域氣溫、降水序列年代年際變化周期一致，均以26 年為第一主周期，而年徑流則以24 年為第一主周期。流域內(nèi)氣溫呈升高趨勢，且將持續(xù)若干年；降水序列也呈增大趨勢，且在持續(xù)若干年后將逐漸減少；徑流趨勢呈增加趨勢，這種趨勢持續(xù)若干年后將轉(zhuǎn)向枯水期。

4)本文通過從不同時間尺度深入分析了某河流域近57 年來各水文氣象要素變化過程與其年徑流演變特征的響應(yīng)關(guān)系，該流域的徑流量的豐枯變化受降水、氣溫及其他多種因素的影響，未來氣候變化將在時空上改變流域的水文情勢。目前，春夏之交突發(fā)的山洪災(zāi)害已成為北疆地區(qū)小河流主要的洪災(zāi)類型，而且近幾年以來其發(fā)生洪災(zāi)的頻次與量級日益增加，已嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)及社會經(jīng)濟發(fā)展。深入分析未來氣候變化趨勢，科學(xué)評估未來氣候變化下某河流域水資源情勢是為了更好的保護(hù)生態(tài)環(huán)境及合理利用水資源，有效控制洪水災(zāi)害的發(fā)生提供有力保障。