艾比湖绿洲地区降水变化规律及突变分析

李 颖，孜比布拉·司马义,3，董 煜，盛永财，谭 娇

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学资源与环境科学学院智慧城市与环境建模普通高校重点实验室，乌鲁木齐 830046;3.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046;4.新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054)

近年来，全球气候变暖已成为气候变化最明显的特征，导致全球和区域气候问题愈加突出。在全球气候变化背景下[1,2]，因受到自然和人为因素的共同作用，区域水循环形式也发生了变化。降水作为地表水资源的重要补给源，其演化趋势关系到农业、林业以及牧业的健康发展。因此，对降水量的研究已是地球科学界关注的重要科学问题[3]。

已有研究表明[4-7]，由于气候变化的影响，降水量在时空分布上发生了显著变化。近几十年全国年降水量总体呈减少趋势[8,9]；东北地区降水量处于降低趋势[10,11]；黄河流域、舞水河流域的降水量均有不显著的下降趋势[12,13]。但我国西部地区的降水量呈明显增长趋势[14-16]。其中，在西北地区降水量整体增长趋势中，新疆具有明显的湿润化趋势。

艾比湖绿洲地区是新疆干旱区典型的绿洲区域，位于天山北坡经济带的上游，现因流域面积萎缩，绿洲区域沙漠化严重，对天山北坡经济带的可持续发展造成威胁。因此，针对艾比湖绿洲地区降水变化规律的探讨对于绿洲地区水资源的灌溉管理和生态可持续发展具有重要作用。目前，大量研究成果集中在应用不同气象站点、多种方法对多种时间尺度艾比湖降水量的时序变化特征进行分析[17-20]。这些研究偏重于艾比湖流域2008年之前的降水量变化，但近几年来气候变暖趋势更加显著，对绿洲地区降水规律变化认识尤需加深。本文以艾比湖绿洲地区为研究区，选取4个气象站点1960-2013年月降水资料，分析艾比湖绿洲地区降水的变化特征，并进行趋势性检验。研究结果对绿洲农业生产和水资源节约利用具有实际意义，同时对新疆北部生态环境保护发挥着重要功能，且对干旱区其他绿洲降水变化研究可提供借鉴。

1 研究区概况

艾比湖绿洲地区位于新疆维吾尔自治区西北部，准噶尔盆地的西南部，深处亚欧大陆腹地，北、南、西三面环山。研究区包括博乐市、温泉县、精河县和阿拉山口市(图1)。该区属典型温带大陆干旱性气候，年平均气温为3.7～7.4 ℃，年平均降水量是90.8 mm，蒸发量约为降水量的7～35 倍。主要特点为空气干燥，光照充足，蒸发量大，降水稀少且分布不均，生态环境十分脆弱。

图1 艾比湖绿洲地区概况图Fig.1 Location of the Aibi Oasis

2 资料与方法

2.1 资料来源

由于研究区地域范围较大，受地形等因素的影响，为了保证研究数据的准确性、代表性、均一性和比较性。本文选定博乐站、温泉站、精河站和阿拉山口站4个气象站，气象站点具体信息如表1。采用数据为中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)1960-2013年逐月降水量资料。

2.2 研究方法

本文首先对各气象站的降水数据进行补漏和修正，再根据各站点的地理信息赋予空间属性，采用ArcGIS空间软件的Create Thiessen Polygons功能划分绿洲地区泰森多边形，运用面积加权平均法分析得出平均降水量[12]。再运用线性倾向率法、距平百分率、Mann-Kendall突变检验、移动T检验和小波分析等方法，对艾比湖绿洲近54年的降水数据进行处理，分析其年内、年际、年代际季节降水变化及分配特征。其中年内季节划分标准[18]为：春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，冬季为12-次年2月。M-K突变分析、移动T检验和小波分析方法具体如下。

表1 气象站点位置Tab.1 Location of the meteorological stations

2.2.1 Mann-Kendall突变分析

Mann-Kendall突变分析是用于水文气象要素在长时间监测数列的变化趋势和突变点的确定。该方法[21,22]具体如下：

对于时间序列数据Y={y1,y2,y3,y4,…,yn}，首先假设此序列无序，定义其统计量bk：

(1)

其中：

(2)

随机数列Y={y1,y2,y3,y4,…,yn}服从正态分布，可计算出数学期望E(bk)、方差V(bk)：

(3)

由假设计算统计变量UF(bk)：

(4)

将上述运算过程用于Y={y1,y2,y3,y4,…,yn}的逆序，由以上公式计算UB(bk)：

UB(bk)=-UF(bk)

(5)

将计算出的UB(bk)与UF(bk)时间序列绘制曲线，显著性水平β=0.05时，U1-2/β=1.96；当|UF|>U1-2/β，则存在着显著向上或者显著向下的变化趋势，且两条曲线如果在置信区间相交，则相交点则为研究序列的突变点。

2.2.2 移动T检验

T检验是通过判断小样本的两个平均值的差值是否显著来检验突变，其具体方法如下[23]。即某总样本量为n的序列X，设某时刻为基准点，将n1、n2分别作为两个子序列的长度进行计算，得出t的统计量序列。确定ta为临界值，a为显著性水平，若|t|

2.2.3 水文气象小波分析法

小波分析具体方法[24-26]如下，即小波函数ψ(t)∈L2(R)且满足：

(7)

ψ(t)通过尺度伸缩和时间轴平移构成一簇函数系：

其中，a,b∈R,a≠0

(8)

式中：ψa,b(t)为子小波；a为尺度因子，反映小波的周期长度；b为平移因子。

若ψa,b(t)是由式(8)给出的子小波，对于给定的能量有限信号f(t)∈L2(R)，其连续小波变换为：

(9)

(10)

若将小波系数的平方值在b域上积分，即可得到小波方差：

(11)

由式(11)可看出，信号波动的能量随尺度a的变化而分布。因此，小波方差图实为尺度a的变化过程，可通过该图确定主周期。

3 结果分析

3.1 降水的年际变化

通过对各气象站的降水数据进行补漏和修正，再根据各站点的地理信息赋予空间属性，运用泰森多边形分析得出平均降水量。根据图2看出，该研究区平均年降水量为164 mm，年降水量变化为69～261 mm，在2011年出现最大降水年，1968年为最小降水年。该结果与胡江玲[18]得出的结论相一致。通过降水线性趋势线看出，线性倾向率为7.95 mm/10 a，说明54年来流域降水处于增加趋势。这与热孜宛古丽[20]得出1957-2013艾比湖流域年降水量的线性倾向率7.97 mm/10 a的结果基本吻合。由5年滑动平均趋势线可看出，基本以1990年为分界点，在1960-1990年降水量处于波动变化之中，但并无明显增加或者减少的趋势变化，而1990-2013年降水量有了明显的增加趋势，尤其是2000-2013年，增加趋势更加明显。

图2 艾比湖绿洲1960-2013年降水量变化图Fig.2 Changes of precipitation in Aibi lake oasis from 1960 to 2013

通过距平数据分析，如图3所示，近54年艾比湖绿洲降水量经历了由少至多的变化过程。在1960-2013年，有26年为负距平，占整个时间段的47%，且在1990年之前多为负距平，说明降水量较少，从90年代后正距平显著增加。在研究期内，1968年出现年降水距平最低值，2011年出现年降水距平最高值。自1986年以来，艾比湖绿洲区域年平均降水量虽处于波动变化中，但总体趋势显著增加。魏娜等[15]研究表明，西北地区西部的西边界水汽输入自80年代中期以来有增加的趋势。正因受此影响，导致输入艾比湖区域的水汽增加，降水增多。

图3 艾比湖绿洲1960-2013年降水距平变化图Fig.3 Anomaly changes of precipitation in Aibi lake oasis from 1960 to 2013

3.2 降水的季节变化

由表2可得，研究区年际和季节降水量在各年代均有不同变化。20世纪60、70、80、90年代及2000-2013年分别与多年平均降水量相差-15.1、-21.7、6.7、6.7和19.1 mm，表明以80年代为界，在此之前降水量偏低，之后明显处于增加趋势。

表2 艾比湖绿洲降水年内及年际变化 mm

季节的降水量变化与年降水量变化呈基本相同趋势，但是降水量的变化趋势在季节间存在一定的差异。其中，夏季降水量变化趋势与年降水量变化趋势高度一致，且夏季为降水主要集中季，占全年的41%。冬季降水变化与年降水变化基本一致，降水量自20世纪80年代开始增加，至2000年后达到最大，达到了18.97 mm，呈增长趋势。春秋两季总体处于波动变化中，增加趋势相对其他季节较滞后，呈微弱增长趋势。60年代至今，春、夏、秋的降水量经历了“多-少-多”演变过程，而冬季降水量的演变过程为由少至多的直线增长。

3.3 降水的年内分配特征

从图4可看出，5、6、7和8月份为降水主要集中期，其降水总量约占全年降水量的56.8%，降水量最大的7月占年降水量的15.3%。按季节划分来看，6-8月的降水总量要远高于其他季节，故夏季为研究区降水主要集中期。因此，研究区降水的年内分配差异较大，春夏两季降水较多，且较为集中，与上述特征吻合。

图4 艾比湖绿洲1960-2013年月均降水变化图Fig.4 Variation chart per month on average in Aibi lake oasis from 1960-2013

3.4 降水变化的趋势性检验

运用Mann-Kendall突变检验及移动T检验来研究绿洲区降水量变化。通过图5可以看出，年际降水UF、UB曲线表明，二者相交于1986年，证明1986年为增加突变，但是曲线未超过0.05显著性水平区间，说明绿洲降水呈上升趋势，但在过去54年间流域降水上升趋势不明显，没有发现显著趋势性变化。同时结合T检验结果和跃变参数分析发现降水量在整个研究区域间变化较平稳，t值始终没有超过临界线，说明在该时间序列内并没有出现跃变。通过Mann-Kendall检验和T检验推断，艾比湖绿洲降水量在1986年可能发生了由少至多的突变，但研究期间降水未发生显著趋势性变化。

图5 降雨的Mann-Kendall及T突变检验Fig.5 Mann-Kendall and T mutation test of precipitation

3.5 降水周期性研究

小波分析可清晰地表现出降水量的变化趋势和各种时间尺度的周期变化。通过降水小波系数实部等值线图(图6)分析表明，降雨在长时间序列中呈多时间尺度特征，变化较大。在宏观尺度上，存在着21～25年降水周期，年降水量的小波方差中显示在21年和25年存在极值。在宏观尺度还可判读出，降水量存在2个由少向多转变的情况。20世纪90年代至今为降水增多期，与年期变化分析类似。在中观尺度上，降水周期比较明显，为9～16年，共经历5次降水多少的变化震荡。降水周期在微观尺度上即2～8年尺度，显示的多少变化频繁且不显著。

在图6的小波方差中可以看出，降水的整体变化过程在第7年、21年和25年的时间尺度上周期震荡最为剧烈，即说明艾比湖绿洲地区年降水量变化的主周期为7、21、25年。

图6 降水小波分析及检验图Fig.6 Wavelet analysis and inspection chart

4 结论与讨论

4.1 结 论

通过对艾比湖绿洲1960-2013年降水数据资料的分析，就其降水变化趋势及突变得出以下结论：

(1)艾比湖绿洲降水量在1960-2013年间没有发生显著性增加，线性倾向率为7.95 mm/10 a。季节的降水量变化与年降水量变化呈基本相同趋势，均呈增长特点，且夏季降水量的变化趋势与年降水量变化趋势高度一致，并为降水集中期。

(2)通过Mann-Kendall检验发现，绿洲年降水量于1986年发生由少至多的突变。但T检验分析后发现t值未达到置信水平，则表示研究期间降水并未发生显著趋势性变化。

(3)小波分析表明，绿洲降雨在长时间序列中呈多时间尺度特征，变化较大。艾比湖绿洲地区年降水变化过程中的周期为7，21年和25年。

4.2 讨 论

本研究中艾比湖绿洲降水量的增长趋势与任国玉等[3]发现的在西北地区降水量整体增长的趋势中，尤以西北西部(即新疆地区)最为明显的结论相一致，但与全国降水量减少的特征不同[8]，说明和验证了我国降水变化的区域响应。对于降水变化周期的分析结果与前人研究结论稍有差异[19]，这可能与所使用的时间长度和选用的气象站存在差异有关，且对于研究区范围的界定也有所不同，这将有待进一步研究。年降水量的增长趋势和1986年发生增加突变的结论与前人结论几乎一致[18]。这进一步说明该区气候逐渐向湿润化方向发展，这将影响到绿洲区域的生态环境和经济社会的发展。

首先是农业的发展，降水量的变化将可能带来流域径流量的变化[27]，艾比湖绿洲的主要河流即为博尔塔拉河(博河)和精河。已有研究表明，绿洲流域的年径流量与年降水量存在线性回归关系，降水量的增加会使径流量增加，博河和精河年径流量在1961-2008年均呈现极显著的增加趋势[28]。这将有效缓解该区域荒漠化和沙漠化程度，有利于绿洲化过程，对农业产业的发展具有一定促进作用。但其次也会增加极端降水发生的频率和强度，对生态系统也可造成负面影响。因此降水量变化特征的研究对于正确认识艾比湖绿洲地区气候变化规律具有重要意义，可以及时为绿洲地区推广节水灌溉技术，为绿洲气候、气象和社会经济发展提供科学依据。

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