塔里木盆地极端弱降水的时空变化特征

王新萍 杨青

(1中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所 新疆乌鲁木齐830002 2新疆大学数学与系统科学学院新疆乌鲁木齐830046)

塔里木盆地位于中国西北部的新疆，是中国面积最大的内陆盆地。盆地处于天山和昆仑山、阿尔金山之间。东西长1500公里，南北宽约600公里，面积达53万平方公里，海拔高度在800-1300，地势西高东低。盆地的中部是著名的塔克拉玛干沙漠，边缘为山麓、戈壁和绿洲。

普宗朝[1]等研究了近47年塔克拉玛干沙漠周边地区平均气温、降水量、年潜在蒸散量和地表干燥度的变化趋势、突变时间和周期，结果表明前两种气候要素都呈上升和增多趋势，后两种气候要素有减小的趋势，整个区域出现较明显的湿化趋势。刘晓阳[2]等利用地基GPS水汽探测结合静止气象卫星FY2C红外分裂窗水汽反演，得到塔克拉玛干沙漠地区高时空分辨率的水汽分布。黄俊利[3]等研究了塔克拉玛干沙漠南缘极端降水的变化趋势与突变特征，结果表明沙漠南缘极端降水频率与极端降水量呈较好的正相关。杨青[4]等利用塔里木盆地周边站点的降水、水气压资料和沙漠腹地的观测数据，重建了塔中气象站1961-1998年逐月水气压序列，分析了沙漠周边地区大气含水量的时空变化，得出了新的水汽分布形式。

基于上述对塔里木盆地降水和水汽的研究工作，特别是考虑到该地区的极端干旱情况，本文与以往研究工作的不同之处在于重点研究塔里木盆地的极端弱降水的时空分布情况。文中首先计算反映极端弱降水的4种降水指标，利用M-K法对各指标的变化趋势进行检验，同时采用基于F检验的线性分析法计算各指标的变化率，并且利用Monte Carlo模拟方法对研究区的区域显著性进行检验，以此得出各弱降水指标的时空分布特征。

1 数据

利用塔里木盆地40个气象站1961-2009年的逐日降水资料，研究了以下4种极端弱降水指标（表1），其中无降水日数指降水量<0.1mm的天数。考虑到在塔里木盆地，如果选取非常极端的阈值，则会出现无极端降水发生，但干旱灾害严重的情况，因而本文选取75%及25%作为降水指标的计算阈值。

表1 极端弱降水指标

2 方法

在5%的置信水平下，采用Mann-Kendall检验[5]对各站点的极端弱降水指标进行趋势分析，结合线性分析法计算各站点这些指标的变化率，其显著性通过F检验来检验。

在随机情况下，在某个区域内，有可能出现一定数量具有显著趋势的站点，而实际上该区域并不具有显著性趋势。因此，在区域内检验出显著趋势站点并不能说明该区域具有显著趋势，必须对其进行区域的显著性检验[6]。本文利用MonteCarlo模拟方法对塔里木盆地的区域趋势模拟1000次，以此得到该区域的显著性水平。

3 结果

3.1 CDD的时空变化特征

统计塔里木盆地40个站点的CDD序列，求出不同CDD的发生频率(图1(a))。出现频率最高的CDD是90-100天，达到13%；频率次高的是70-80天，达到12.3%；CDD超过170天的频率极低。年内最容易发生持续时间为70-100天的最长连续无降水事件。

从图1(b)中可以看出，80-100天的CDD自1961-2009年间分布的较为均匀；大于140天的CDD主要出现在1980年之前；100-140天的CDD基本上出现在1993年之前；而60-80天的CDD出现在1964-1969年及1982年之后；40-60天的CDD自1983年之后出现的较多；2004年之后才出现了较短长度的CDD（20-40天）。综上所述，塔里木盆地的CDD主要集中在80-100天/年，大于100天的CDD随时间的变化出现的频率越来越低，而小于100天的CDD自1985年之后出现的越来越多。这一现象表明该区域的最长连续无降水日数在缩短，极端干旱的情况在逐年减轻，这与普宗朝[1]等得到该区域气候总体呈较明显的湿化趋势相一致。

1961-2009年平均CDD呈显著的减少，变化率为-5.4d/10a，通过了的显著性检验。CDD多年平均值为97.2d。CDD在20世纪60年代至70年代相对偏多，80年代至今相对偏少，CDD在1982年发生突变。最大连续无降水日数的减少，有力地说明了整个盆地的极端干旱情况有所减轻。

图1 CDD的频率分布(a)及时间演变(b)

从CDD的M-K趋势分析结果可以看出（图2(a1)），塔里木盆地大部分站点的CDD有显著减少的趋势，其中23个站显著减少，仅有4个不显著上升的站。绝大部分站CDD的减少幅度达到-9.1-0d/10a，6个站点的 CDD减少幅度较大，达到 -18.3--9.2d/10a。增长率为0-5.6 d/10a的站点主要分布在盆地的西南部（图 2(a2)）。

CDD从盆地西北部向东南部增大。盆地西北部的CDD多为75-105d，东南部的CDD多为105-135d。盆地西北部的年最长连续无降水日数少于盆地东南部的最长连续无降水日数，说明盆地西北部的极端干旱情况明显较东南部轻。

盆地绝大多数站点CDD呈现减少趋势的结果与上一部分中分析CDD随时间演变的结果一致。从图1(b)分析得出，20世纪80年代中期以前，历时较长的CDD出现较多，但这一情况从80年代中期以后发生了改变，80年代中期以后CDD的持续时间开始变短。CDD随时间演变的规律与采用M-K分析得出各站点的趋势相一致，正是由于绝大多数站点CDD显著减少导致了整个盆地CDD持续时间的改变。

图3 D25的频率分布(a)及时间演变(b)

图 2(a1)CDD、(b1)D25、(c1)P25的 M-K 趋势；(a2)CDD、(b2)D25、(c2)P25变化率

3.2 D25的时空变化特征

频率最高的D25是5-10天，达到45.2%；频率次高的是0-5天，达到43.1%；D25超过20天的频率非常低（图3(a)）。由此可见该区域年内最容易出现0-10天的极端弱降水。

从图3(b)中可以看出，0-10天的D25自1961-2009年间分布的较为均匀；大于30天的D25主要出现在1966年之前；20-30天的D25基本上出现在1964年之前；而10-20天的D25主要出现在1980年之后。综上所述，塔里木盆地每年的D25主要集中在0-10天，大于20天的D25随时间的变化出现的频率越来越低，而长度处于10-20天的D25自1980年之后开始出现的较多。

1961-2009年，D25呈增加的趋势，变化率为0.3d/10a，通过了的显著性检验。D25多年平均值为5.7d，20世纪80年代中期以前，D25相对偏少；80年代中期以后，D25开始偏多。D25的增加，说明盆地极端弱降水日数有所增加，但增加的速度十分缓慢。

塔里木盆地绝大部分站点的D25有上升趋势，其中有27个显著上升的站，不显著上升的站主要集中在盆地的西南部（图2(b1)）。D25增长幅度较大的站主要分布在盆地的西北部，增长率达到1.1-2.1d/10a；D25增长幅度较小的站主要分布在盆地的西南部和东北部，增长率达到0-1.0d/10a（图2(b2)）。

D25从盆地西北部向东南部减少，与CDD的空间分布相反，表明盆地西北部的极端弱降水日数多于盆地的东南部。盆地西北部的D25集中在5-11d，东南部的D25集中在3-5 d。

盆地的D25有增多趋势，与CDD的变化趋势相反，表明该区域年最长连续无降水日数在逐步减少的同时，极端弱降水日数却在增加。两者的变化幅度差异很大，D25的增加率仅达到1.1-2.1d/10a，而CDD的减少率却达到-9.1-0d/10a，说明CDD的变化幅度明显于D25的变化幅度。尽管绝大多数站点的D25有显著增加的趋势，但因其变化率较小导致D25的增加较为缓慢，未来很长一段时间D25基本上仍处于0-20d/a。

3.3 P25的时空变化特征

出现频率最高的P25是0.5-1.0mm，达到38.9%；频率次高的是0-0.5mm，达到27.8%；频率较高的是1.0-1.5mm，达到17.9%（图(4a)）。年内P25超过4.0 mm的频率非常低，由此可见年内最容易发生P25为0-2.0mm的极端降水事件。

从图4(b)中可以看出，0-2.0mm的P25自1961-2009年间分布的较为均匀；介于2.0-3.0mm的P25主要出现在2000年之后；3.0-4.0mm的P25基本上出现在1965年之前；而4.0-6.0mm的P25在1961-2009年间极少出现。这一现象表明该区域的年内极端弱降水量基本上在2.0mm以下，超过2.0mm以上的极端降水极少出现。目前这种极端弱降水的降水量还没有出现较大的改变，一般情况下会少于2.0mm/a。

P25在1961-2009年呈增加的趋势，变化率为0.06mm/10a，通过了的显著性检验。P25多年平均值为0.84mm，20世纪80年代中后期以前，P25相对偏少；80年代中后期以后，P25开始偏多。P25在1986年发生突变。P25的增加说明盆地的极端弱降水量有增加，但增加的速度同样十分缓慢。

图4 P25的频率分布(a)及时间演变(b)

从P25的M-K趋势分析结果可以看出（图2(c1)），塔里木盆地绝大部分站点有上升趋势，其中有一半站点有显著上升趋势，这些显著上升的站主要集中在盆地的西北部。P25增加率达到0.17-0.33mm/10a的站点主要分布在盆地的西北部；有23个站点的 P25增加幅度达到 0-0.16mm/10a；P25减少率为 -0.51-0 mm/10a的站点主要集中在盆地的西南部（图2(c2)）。

P25的空间分布与D25的空间分布相似，都是从盆地西北部向东南部减少，表明极端弱降水日数多的区域，相应的极端降水量也多。盆地西北部的P25集中在0.8-1.6mm，东南部的P25集中在0.5-0.8mm。

3.5 区域显著性检验

结合F检验的线性计算和M-K检验来分析各极端弱降水指标的区域显著性（表2），采用这两种检验方法得到的各站点显著性有可能不同，但这两种检验方法得到的趋势基本上保持一致。运用Monte Carlo模拟方法来检验各极端弱降水指标变化趋势在塔里木盆地的显著性，大部分指标的区域显著程度超过95%，说明这些指标在该区域具有显著趋势。从表2中可以看出，CDD和P25的两种检验结果比较接近，显著上升和显著下降的站点数相差不大。

表2 区域显著性检验结果

4 结论

本文研究塔里木盆地极端弱降水指标的时空变化和分布特征，得到如下结论：

⑴CDD主要集中在80-100天/年，历时较长的CDD（≥100天）自20世纪80年代中期以后出现的较少，历时较短的CDD（≤80天）基本上是从80年代中期以后开始出现。一半以上站点的CDD有显著下降趋势，塔里木盆地的年最长连续无降水日数有减少的趋势。

⑵D25主要集中在0-10天，历时较长的D25（≥20天）集中在60年代中期以前出现，历时介于10-15天的D25主要从80年代开始出现。一半以上站点的D25有显著上升趋势，塔里木盆地的这种极端弱降水日数有增加的趋势。大多数站点D25的增加幅度不超过1d/10a。

⑶P25主要集中在0-1.5mm，介于2-3mm的P25基本上从2000年之后才开始出现。有超过一半的站点P25增加幅度达到0-0.16mm/10a。目前这种极端弱降水的降水量基本上少于2.0mm/a。

[1]普宗朝,张山清,李景林,等.近47年塔克拉玛干沙漠周边地区气候变化[J].中国沙漠,2010,30(2):413-421.

[2]刘晓阳,毛节泰,张帆,等.塔克拉玛干沙漠地区水汽分布特征[J].地球科学,2012,42(2):267-276.

[3]黄俊利,魏文寿,杨青,等.塔克拉玛干沙漠南缘极端降水变化趋势与突变[J],沙漠与绿洲气象,2012,6(2):30-34.

[4]杨青,魏文寿,李军.塔克拉玛干沙漠及周边地区大气水汽量的时空变化[J].科学通报,2008,53:62-68.

[5]Chu PS,Wang JB.Recent climate change in the tropical western Pacific and Indian Ocean regions as detected by outgoing longwave radiation records[J].Journal of Climate,1997,10:636-646.

[6]Livesey R E,Chen W Y.Statistical field significance and its determination by Monte-Carlo techniques[J].Mon.Wea.Rev.,1983,111:46-59.