新疆叶尔羌河水文要素变化特性分析

2016-04-18库路巴依吾布力

水利规划与设计 2016年5期

关键词：叶尔羌河小波降水量

库路巴依·吾布力

（喀什水文勘测局，新疆喀什844000）

新疆叶尔羌河水文要素变化特性分析

库路巴依·吾布力

（喀什水文勘测局，新疆喀什844000）

本文基于叶尔羌河卡群水文站1954～2012年流量、降水量数据，采用M-K趋势法和小波周期法定量分析了卡群站近59年年平均流量、年平均降水量的变化趋势、突变分析以及周期性分析。研究结果表明：卡群站1954～2012年平均流量具有上升趋势，但上升趋势不显著，存在着9年左右的小尺度，20年左右的中尺度和26年左右的大尺度三个层次变化周期；卡群站1954～2012年年降水量具有较为显著的上升趋势，存在着4年左右的小尺度，11年左右的中尺度和24年左右的大尺度三个层次变化周期。研究成果对于新疆喀什地区气候变化下的水文序列分析研究提供参考价值。

M-K法；小波周期；年平均流量；年平均降水；新疆喀什地区

引言

对历史长系列数据分析是当前中长期水文预报的基础，也是气候变化及人类活动影响对流域水文气象研究的关键要素，因此流域长系列水文气象要素数据的分析，是当前国内外水文学者研究的热点问题。对于水文气象数据系列分析主要集中在趋势分析、突变性分析以及周期性分析三个方面，在趋势和突变性分析中，国内外学者广泛运用的方法为M-K法，方法较为成熟，也取得一定的研究成果［1-4］。对于水文气象序列的周期性分析，国内外学者运用较多的方法为小波分析方法，并取得一定的研究成果［5-8］。两种方法在水文气象系列的趋势、突变以及周期性方面都较为成熟，本文分别运用M-K法和小波周期方法，基于新疆喀什地区卡群水文站1954～2012年年流量、年降水数据，定量分析新疆喀什地区近59年年平均流量、年平均降水的变化趋势、突变性分析以及周期性分析。研究成果对于新疆喀什地区中长期水文预报及气候变化下的水文序列分析提供参考价值。

1 研究方法

本文采用M-K法定量分析卡群站1954～2012年年均流量、年平均降水的变化趋势突变分析，考虑文章篇幅原因，M-K法可详见参考文献［7］，本文着重介绍小波分析法，小波周期函数将变量函数φ（t）假定为可卷积的积分函数，通过傅里叶卷积变化函数可以对小波周期函数进行变换，其变化的条件为∶

在方程（1）中φ（t）可以表示小波分析函数中的母函数，通过对小波周期分析函数φ（t）进行Y方向和X方向的变量平移，可以推求得到经过变化的小波分析函数∶

基于方程（2）可以对任意变量函数f（t）∈L2（R）进行小波周期转换计算∶

在方程（3）中a表示计算的时间尺度；τ表示的物理意义为X方向上变化的水平移动量；Wf（a，τ）则表示为小波分析的周期系数。

本文通过选用复Mo r 1 e函数对小波周期分析函数的水文变量序列进行小波周期变化转换，得到小波变化后的周期性函数的表达式为∶

方程（4）表示为小波周期变化函数通过G a us s ia n函数进行平滑处理得到，因此该函数的Y方向的伸缩变量a与傅里叶变化函数中的分析周期T具有一定的联系，表达式为∶

在方程（5）中c表示的为计算的常数，一般取值为c＝6.5时，小波周期T可以近似的采用Y方向的伸缩变量a来代替。

经过小波周期变化函数可以得到一个具有时间尺度的变换函数，但是需要应用图解的方式对小波分析中计算过程进行分析，因此需要采用小波方差来对小波周期分析函数进行分析，从而确定水文变量变化的周期。小波分析方差主要是反映小波的波动能量随着Y方向的伸缩变量a的分布函数，可以通过水文变量的时间序列来确定不同时间尺度的相对扰动强度，对应该小波峰值处的时间尺度函数则表示为该水文变量变化的主要的周期。因此可以通过小波方差的分析图，来确定不同时间尺度存在的一个变化周期。其中小波方差计算的表达为∶

在方程（6）中Wf（a）的物理意义为小波方差函数的计算值，Wf（a，b）的物理意义为小波分析的周期系数。对于复Mo r 1 e t小波周期分析函数而言，表示的则为小波周期系数的模数的平方值，小波方差图的各个峰值则代表水文变量的变化较为明显的周期。

2 新疆叶尔羌河1954～2012年水文变化特性分析

2.1卡群站年平均流量变化特性分析

2.1.1 卡群站年平均流量趋势分析

卡群站1954～2012年年平均流量过程见图1。

图1 卡群站1954～2012年年平均流量过程图

从图1可以看出，卡群站在1954～2012年年平均流量呈现上升趋势，但上升趋势并不显著，为对卡群站年平均径流上升趋势进行检验，选用水文学中较为常用M-K法对其进行显著性检验，结果见表1。

表1 卡群站年平均流量趋势的M-K法统计检验值

由表1可知，卡群站年平均流量M-K统计值为1.53024，未通过置信度为90%的显著性检验，表明卡群站年平均流量具有上升趋势，但上升趋势不显著。

2.1.2 卡群站年平均流量突变分析

选用M-K法对卡群站年平均流量进行突变点的分析，从而寻找卡群站1954～2012年年径流量出现突变的年份，其中M-K法计算过程中正序和逆序两个过程图相交的点（年份）即为突变点（年份），计算结果见图2。

图2 卡群站1954～2012年年平均流量突变分析图

从图2可以看出，卡群站在1954～2012年年平均流量出现突变的年份较少，分别为1958年、1962年及2006年。

2.1.3 卡群站年平均流量周期变化分析

将卡群站区域的多年平均流量采用距平处理后，进行小波周期函数分析（为消除子波变换的边界效应采用对称延伸法对距平后资料进行处理）。

图3 卡群复Mor l e t小波系数实部图

图4 卡群年平均流量小波方差图

图3 为用年平均流量序列进行小波变换后得出的小波系数实部图，图上清楚的显示卡群地区近59年来年平均量在各个不同的时间尺度上小波周期分析的流量周期和流量周期变化的主要特征。图中颜色较深的区域表示的流量距离平均值较大，颜色较浅，则表示为区域的年平均流量较平均值较为接近。总体而言，叶尔羌河流域年平均流量变化周期存在3个时间尺度，分别为9年、20年以及26年。在26年的变化周期尺度中，年平均流量变化的灰色度有逐渐增强的趋势，叶尔羌河流域流量从1954～2012年存在着流量由多向少的三个周期变化过程。在26年的变化周期尺度中，变化周期性存在周期增长的趋势。在20年的变化周期尺度中，叶尔羌河流域流量的变换周期性存在少-多-少-多-少-多的周期循环变化过程。而在小尺度9年的变化周期中，则表现的较为复杂，没有明显的规律性。图4则为叶尔羌河流域卡群站年平均流量小波方差变化图，从图中可以看出，叶尔羌河流域卡群站年平均流量存在3个明显的变化周期，分别为26年、20年和9年三个变化周期尺度，可以分析出，叶尔羌河流域卡群站年平均流量变化的主周期为26年。

2.2卡群站年降水量变化特性分析

2.2.1 卡群站年降水量趋势分析

卡群站1954～2012年降水量过程见图5。

图5 卡群站1954～2012年降水量过程图

从图5可以看出，卡群站在1954～2012年降水量呈现上升趋势，且上升趋势较为显著，同样为对卡群站年降水量上升趋势进行检验，运用M-K法对其进行显著性检验，结果见表2。

表2 卡群站年降水量趋势的M-K法统计检验值

由表2可知，卡群站年降水量M-K统计值为1.7898，通过置信度为90%的显著性检验，表明卡群站年降水量具有较为显著的上升趋势，且通过置信度为90%的显著性检验。

2.2.2 卡群站年降水量突变分析

选用M-K法对卡群站年降水量进行突变点的分析，从而寻找卡群站1954～2012年降水量出现突变的年份，其中M-K法计算过程中正序和逆序两个过程图相交的点（年份）即为突变点（年份），计算结果见图6。

图6 卡群站1954～2012年降水量突变分析图

从图6可以看出，卡群站在1954～2012年年降水量出现突变的年份分别为1954年、1957年、1974年和2007年。

2.2.3 卡群站年降水量周期变化分析

将卡群站地区的年降水量进行距平处理后在ma t 1 a b中进行Mo r 1 e t子波分析（为消除子波变换的边界效应采用对称延伸法对距平后资料进行处理）。

图7 卡群复Mor l e t小波系数实部图

图7 为用年平均降水量序列进行小波变换后得出的小波系数实部图，图上清楚的显示卡群地区近59年来年平均降水量在各个不同的时间尺度上小波周期分析的降水量周期和降水量周期变化的主要特征。图中颜色较深的区域表示的降水量距离平均值较大，颜色较浅，则表示为区域的年平均降水量较平均值较为接近。总体而言，叶尔羌河流域年平均降水量变化周期存在3个时间尺度，分别为4年、11年以及24年。在24年的变化周期尺度中，年平均降水量变化的灰色度有逐渐增强的趋势，叶尔羌河流域从1954～2012年存在着降水量由多向少的三个周期变化过程。在24年的变化周期尺度中，变化周期性存在周期减少的趋势。而在小尺度4年的变化周期中，则表现的较为复杂，没有明显的规律性。图8为叶尔羌河流域卡群站年降水量变化小波方差变化图，从图中可以看出，叶尔羌河流域卡群站年降水量存在3个明显的变化周期，分别为24年、11年和4年三个变化周期尺度，可以分析出，叶尔羌河流域年卡群站年平均降水量变化的主周期为24年。