近50a来南疆气候变化对可利用降水量的影响

葛朝霞,曹丽青,薛 梅,宋颖玲,曹 琨

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098)

新疆维吾尔自治区位于中纬度欧亚大陆腹地,山脉与盆地相间排列,属干旱和半干旱地区.天山山脉将其分成气候差异显著的南疆和北疆,北疆的降水量多于南疆,多年平均年降水量北疆244mm,南疆123.9 mm[1].研究[2]表明,近几十年来,在全球气候变暖的大背景下,新疆气候有了较大的变化,全区气温、降水呈上升和明显的增湿趋势.气候变暖,会使得水循环加快,可利用降水量分布发生变化,水文极端事件发生频率增加,对经济发展影响极大.这种问题已引起国内外专家学者的普遍关注[3-6].南疆降水量偏少,水资源一直是制约和影响当地经济发展的主要因素.在全球气候变暖的背景下,南疆气温、降水和可利用降水量发生了什么变化?未来变化趋势如何?是当地政府非常关心的问题.本文对近50a来南疆地区降水、气温、蒸发和可利用降水量变化特征进行了较为详细的分析,并采用逐步回归周期分析方法对未来5a各要素变化趋势进行了预测.

1 研究所用资料和方法

本文所指的南疆地区为34.3°～43.5°N,73.6°～96.4°E范围.选用7个气象站(吐鲁番,库车,喀什,和田,且末,若羌,哈密)作为代表站.利用1951～2006年56a逐月降水和温度资料,根据高桥浩一郎公式[7]计算了南疆地区年平均蒸发量.高桥浩一郎公式为

式中:P——月总降水量,mm;θ——地面月平均气温,℃;E——月总蒸发量,mm.

定义可利用降水量[8-9]为

从气象角度考虑,降水(P)与蒸发(E)之差越大(P-E＞0),则局地可利用降水量越丰富,从大气中得到的水资源量越多;反之,可利用降水量及从大气中得到的水资源量越少.

根据逐步回归周期分析原理[10],确定温度、降水、蒸发、可利用降水量的隐含周期,对未来5a的变化情况进行预测.逐步回归周期分析是周期均值叠加法的推广,其数学模型为

设有n个观测数据x1,x2,…,xn,按某一时间间隔分为bi=2,3,…,m组(样本数n为偶数时,m=n/2;n为奇数时,m=(n-1)/2).计算出各组的平均值作为逐步回归的因子;按照逐步回归的原理筛选因子,被选中的因子,就是序列存在的隐含周期.要素t时刻的值即为其各隐含周期在t时刻值的叠加.

2 近50a来南疆地区气候变化及可利用降水量特征

为了从10a时间尺度上了解反映气候特征因子及可利用降水量的演变特征,本研究采用10a滑动平均的方法[11],绘制了各要素距平(取1971～2000年平均作为平均值)的滑动平均值变化曲线,如图1～4所示.

图1 南疆地区温度距平10a滑动平均值变化曲线Fig.1 Variation of 10-year moving average values of temperature anomaly in southern Xinjiang

图2 南疆地区降水距平10a滑动平均值变化曲线Fig.2 Variation of 10-year moving average values of precipitation anomaly in southern Xinjiang

图3 南疆地区蒸发距平10a滑动平均值变化曲线Fig.3 Variation of 10-year moving average values of evaporation anomaly in southern Xinjiang

图4 南疆地区可利用降水量距平10a滑动平均值变化曲线Fig.4 Variation of 10-year moving average values of available precipitation anomaly in southern Xinjiang

2.1 南疆地区温度变化特征分析

由图1可知:1960～1965年温度有所上升,1966～1976年温度呈下降态势;1976年以后,年平均温度一直呈上升趋势;在1997年以后的10a里,增温幅度十分明显,增幅大于或等于0.5℃的就有9a.

2.2 南疆地区降水变化特征分析

降水资料分析结果表明:在1951～1987年的37a中,降水以负距平为主,负距平出现的年数有30a,占总年数的90%;在1987～2006年的20a中,降水正距平的年份明显增多,且正距平的数值都较大,平均可达1.59mm.从图2可知,1970年以后年平均降水量呈上升态势,增幅明显的2个阶段是1992～1998年、2002～2005年,后一阶段降水量显著偏多,增幅在1.17～2.83mm之间.对比图1与图2可知,温度和降水的变化趋势具有相似性,温度升高降水量也明显增大.这证明南疆气候已从偏干向偏湿型转变.该结论与现有的一些研究结果是基本一致的[3].

2.3 南疆地区蒸发变化特征分析

分析结果表明,蒸发与降水变化具有一致性,线性相关系数高达0.99.从图3可知,1970年以后蒸发量10a平均滑动曲线也一直呈上升态势,增幅明显的2个阶段是1992～1998年、2002～2005年,后一阶段蒸发量显著偏多,增幅在1.13～2.64mm之间.

2.4 南疆地区可利用降水量变化特征分析

由图4可知,可利用降水量变化要比以上3要素复杂,距平值呈波浪式在零线附近摆动.周期分析结果显示:可利用降水量变化存在准16 a周期;在近期的2002～2006年,曲线出现了明显的上升态势,5a中有4a出现了正距平,距平值在0.04～0.2mm之间.

温度、降水、蒸发与可利用降水量的相关分析结果表明:温度与可利用降水量的线性相关系数是-0.16,没有通过信度为0.05的显著性检验;降水、蒸发与可利用降水量的线性相关系数分别是0.49和0.56,均通过了信度为0.05的显著性检验.

从以上分析可以看出,南疆地区1997年开始已经进入了一个持续快速升温的阶段,升温幅度达到0.5℃以上,在此背景下降水量也有明显增大的趋势,特别是在1987年以后的20a里,平均增幅达1.59mm.进一步分析可知,温度对可利用降水量的直接影响并不大,而降水量和蒸发量对可利用降水量的影响较大,且降水量与蒸发量的变化本身具有较强的一致性,即降水量加大(减小),蒸发量也同步增大(减小).这就使得与降水量、蒸发量关系密切的可利用降水量的变化具有不确定性.

3 未来5 a南疆地区温度、降水及可利用降水量变化趋势预测

3.1 温度、降水、蒸发及可利用降水量的拟合

利用逐步回归周期分析法,建立了各个要素的预报方程.取信度0.05,对所有预报方程进行预报效果检验,均获通过.在此基础上对1951～2006年的温度、降水、蒸发和可利用降水量值进行了拟合.按照SL 10250—2000《水文情报预报规范》,误差(实测值-预报值)小于最大变幅的20%为预报合格,则各要素拟合预报合格率分别为:温度87.5%,降水92.9%,蒸发92.9%,可利用降水量100%.这表明,模型精度超过规范要求,完全可以用于预报.

3.2 未来5a温度、降水、蒸发及可利用降水量的预报

表1 未来5a各要素值和距平值预报Table1 Values of various elements and predicted results of anomalies for coming5 years

表1显示,在未来的5a里,南疆地区温度将比常年(1971～2000年均值)偏低,降水偏少,蒸发和可利用降水量也基本呈减少态势(除2010年外).

4 结 语

对1951～2006年降水、温度和可利用降水量资料的分析表明:自1976年以后,南疆地区年平均温度一直呈上升趋势.特别是1997年以后的10a里,增温幅度十分明显,增幅超过了0.5℃.在此背景下,降水和蒸发也相应地进入了持续上升通道,南疆气候已从偏干向偏湿型转变.但可利用降水量的变化并没有出现单一的上升或下降趋势,而是呈现正负距平交替的波状变化特征,存在着准16a的振荡周期.降水和蒸发对可利用降水量影响较大,而蒸发与降水变化具有一致性.也就是说,蒸发加大,降水量增大;当降水引起可利用降水量的增大幅度大于蒸发引起可利用降水量的增大幅度时,水资源就会增加,反之水资源将会减少.温度与可利用降水量之间并不存在明显的正相关关系,即气候变暖,并不意味着可利用降水量就一定增大.

未来5a要素变化趋势预报结果表明,温度、降水、蒸发将以偏低(少)的态势出现,可利用降水量也将进入偏少的时期.因此,在未来5a中,应考虑可利用降水量将减少的预测结果,合理规划,注重水资源的保护和合理利用,以保证水资源能满足南疆地区可持续发展的要求.

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