巴音河流域德令哈市气象站近60年来降水变化特征分析

文广超， 王文科， 段 磊， 李一鸣， 赵家辉， 赵 振

(1.长安大学 旱区水文与生态效应教育部重点实验室， 陕西 西安 710054； 2.河南理工大学 资源环境学院， 河南 焦作 454000； 3.青海省环境地质勘查局， 青海 西宁810007)

1 研究背景

IPCC第四次(2007)和第五次(2013)评估报告[1-2]指出，全球气候变暖将改变降水的时空分布特征和水文循环过程，进而影响水资源时空分布格局。降水作为水循环的重要组成部分，是开展水资源合理开发利用等的重要依据，研究降水的时空演变特征，对分析水循环对全球气候变暖的响应具有重要的意义[3]。

近年来，众多学者对中国西北地区降水特征开展了大量研究[4-7]，施雅风等[8]指出，西北气候自1987年突然变化开始，由暖干向暖湿转型，降水量显著增加；王晖等[9]分析了中国西北地区东部54个气象站的降水资料，指出中国西北地区东部降水量呈现微弱下降趋势；黄小燕等[10]分析了中国西北地区1960-2011年111个观测站的气象资料，认为近年来西北全区年降水量变化呈现微弱上升趋势，平均每年上升0.17mm；任国玉等[11]研究指出，在最近的半个多世纪，西北地区降水量存在明显的上升趋势，特别是21世纪的前10年，降水上升趋势更加明显；邵雪梅等[12]、黄磊等[13]、刘洪滨等[14]对基于树木年轮资料重建的德令哈地区近千年来降水量的分析，认为德令哈地区降水量突变与东亚夏季风的年代际变化有密切联系，该地区近千年年降水量变化存在显著的多尺度周期变化特征，近200年则以准120a的周期振荡为主；马季芳[15]分析了德令哈市1971-2012年的气候特征，认为年及四季降水量均呈现增多趋势，夏季降水增多最明显；刘波等[16]预估了德令哈地区2016-2075年气候变化，分析了气温及降水的总体趋势、年代际变化及突变特征。然而，已有的研究中，基于实测降水资料，分析巴音河流域近60年来降水量与干旱特征的较少。巴音河作为德令哈市的“母亲河”，是德令哈市社会经济生活的基础资源，随着经济社会的快速发展，流域水资源开发利用的矛盾日益突出。在全球气候变暖的的背景下，深入研究巴音河流域降水量与干旱变化特征，对流域水资源合理开发利用、生态环境保护具有重要意义。

2 研究区概况

巴音河流域位于青藏高原的东北部，柴达木盆地的东北边缘，跨柴达木盆地和祁连山山地两大地貌单元，境内山川湖盆相间。巴音河流出山口后，经黑石山水库与白水河汇合，流经山前平原大部分泄露补给地下水，至洪积扇前缘溢出地表，形成泉集河，最终补给可鲁克湖、托素湖和尕海，流域总面积17 608 km2[17-18]，见图1。据德令哈气象站资料，巴音河流域多年平均气温3.9℃，多年平均降水量169.3 mm，多年平均蒸发量2 036.3 mm。流域干旱少雨、蒸发量大、日照充足，属于典型的高原荒漠半荒漠干旱气候[18-19]。

3 数据与方法

3.1 数据来源

降水数据为德令哈市气象站地面降水要素的月平均观测资料，时间为1956年1月-2013年12月。季节划分方法为：春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12-翌年2月)。

图1 巴音河流域示意图

3.2 分析方法

本文采用线性拟合分析方法[20-21]判断降水要素的变化趋势；采用Mann-Kendall方法检验变化趋势的显著性[22-24]；采用Mann-Kendall方法和滑动t检测法检验降水序列的突变点[22,25-26]；采用小波分析方法检验降水序列变化的周期性[25,27]；采用R/S方法分析降水的持续性[28]；采用标准化降水指数(SPI)[29-30]分析12个月时间尺度的干旱特征。

4 结果与分析

4.1 降水的变化趋势

4.1.1 降水的年代际变化 图2给出了近60年来全年及四季降水量的年代距平(年代降水量平均值-多年平均降水值)变化特征。

图2 1956-2013年降水量年代距平特征

由图2可以看出，1956-2013年全年降水量总体呈增加趋势，存在明显的年代际变化特征，20世纪70年代末期之前多以干旱为主，20世纪80年代后降水量整体呈现增加趋势，进入21世纪，雨水明显增多。春季在20世纪70年代末期之前及20世纪90年代为干旱期，20世纪80年代为明显的多雨期；夏季在20世纪60年代末期之前为干旱期，进入21世纪为明显的多雨期；秋季相对少雨，仅在21世纪的前10年为多雨期，降水量波动较大；冬季降水量变化相对平稳。

4.1.2 降水的年际及季节变化 图3给出了降水量年际和季节变化特征，由图3可知， 1956-2013年年降水量以21.16mm/10a的气候倾向率呈显著(α=0.001) 上升趋势，四季降水量倾向率分别为4.56、12.35、3.12、1.24mm/10a，均呈现上升趋势，夏季倾向率最大，冬季降水倾向率最小。夏季通过

α=0.001的显著性水平检验，春、秋、冬季通过α=0.05的显著水平检验。

4.2 降水的Mann-Kendall趋势检验

基于Mann-Kendall方法计算了降水量变化趋势(用M值表示)，全年及四季的M值分别为4.55、2.60、3.74、1.87、3.23，由M值可知，1956-2013年年际和季节降水量均呈显著增加趋势，全年、春季、夏季、冬季降水量均通过了α=0.01的显著水平检验，秋季降水量通过了α=0.1的显著水平检验。

4.3 降水的突变分析

Mann-Kendall突变判别曲线(见图4)表明，1956-2013年年降水突变发生在1973年，利用滑动t检验法[10]，对突变点进行突变检验，通过α=0.01的显著水平检验，突变前平均降水量为118.1mm，突变后平均降水量为195.3mm，突变后降水量比突变前降水量增加了77.2mm。

春季降水在0.01的显著水平下在1981年发生突变，突变后降水量比突变前降水量增加了19.8mm。夏季降水在0.01的显著水平下在1973年发生突变，突变后降水量比突变前降水量增加了48.0mm。秋季降水量的Mann-Kendall突变判别曲线中UF和UB曲线有3个交点，分别在1976、1991、1995年，利用滑动t检验法对突变点进行信度检验，在0.01的显著水平下未发生突变。冬季降水在0.01的显著水平下在1976年发生突变，突变后降水量比突变前降水量增加了4.7mm。从上述分析可以看出，20世纪70年代前后，降水量明显变化，夏季降水量与年降水量突变规律一致。

图3 1956-2013年降水量年际和季节变化特征

图4 1956-2013年年及季节降水量Mann-Kendall突变判别曲线

4.4 降水量变化的周期性分析

1956-2013年年及季节降水量在不同时间尺度下的震荡周期见图5，图5(a)为年降水量小波系数实部等值线图，图中实线为大于或等于零的等值线，表示降水处于较多阶段；图中虚线为小于零的等值线，表示降水处于较少阶段，图5(b)为全年降水量小波方差图，用来确定降雨演化过程中存在的主周期。从图5(a)和5(b)可以看出，年降水存在3、5、9、18a的震荡周期，18a的周期震荡最强，为流域降水变化第一主周期。从图5(a)可以看出，在各时间尺度下，2013年以后小波系数实部等值线均为正相位，且等值线未闭合，推测未来一段时间巴音河流域将处于年降水偏多期。

从图5(c)～5(f)四季降水小波系数实部等值线可知，春季降水存在6、9、19a的震荡周期；夏季降水存在5、9、18、28a的震荡周期，18和28a左右的周期震荡显著；秋季降水存在4和11a的震荡周期，11a的周期震荡较明显；冬季降水存在5、10、27a的震荡周期，10和27a的周期震荡最强。结合四季降水小波方差图(图略)，由小波系数实部等值线闭合情况可知，未来一段时间，四个季节的降水量将处于偏多期。

4.5 降水的持续性分析

为了分析降水变化的持续性，基于R/S方法计算了年及季节的Hurst指数，结果见表1。从表1可以看出，年际及各季降水量的Hurst指数H均大于0.5，说明将维持原来的变化趋势，由前面的分析可知，1956-2013年降水量的年际及季节变化均呈增长趋势，因此，未来年及各季降水量将维持原来的增长趋势。

表1 1956-2013年降水量的年及各季节的Hurst指数

4.6 干旱的变化特征

基于1956-2013年的降水实测数据，在12个月的时间尺度下，计算了标准化水体指数(SPI)，SPI随时间变化的趋势见图6。由图6可知，1956 -2013年SPI呈波动上升，1973年之前(包括1973年)之前，SPI多数处于负值区，普遍处于干旱期，1972年为极端干旱年；1973年之后，SPI上升多为正值，转为相对湿润期，但1978、1984、2007、2013年的SPI值明显为负值，表明德令哈地区这些年处于干旱期，其中2007年为极度干旱年，全年降水量仅为80.8 mm，旱情仅次于1972年(82.5 mm)，SPI指数分析的干旱事件与实际一致。

比较降水量距平与SPI，两者相关系数为0.99，说明降水距平和SPI密切相关，可用于反映近60年来干旱的变化规律。利用Mann-Kendall法检验对SPI进行突变分析(图略)，由UF、UB曲线交点位置可知干旱突变的年份为1973年。由UF曲线可知，1975年以后，SPI值增长趋势明显，超过了显著水平0.05临界线，20世纪90年代以后，这种增长趋势甚至超过了0.001显著性水平，表明SPI上升趋势显著，干旱缓解趋势明显。基于小波分析，借助于小波系数等值线图(图略)和小波方差图(图略)，可知SPI指数存在5、18a的震荡周期，这与郭慧等[31]研究我国西部地区降水的时空变化特征得出的结论基本一致。

图5 年及四季降水量Morlet小波系数实部及全年降水量小波方差图

图6 1956-2013年标准化水体指数(SPI)年际变化

5 讨 论

(1) 德令哈气象站位于巴音河流域的中部，在空间上具有一定的代表性，这与邵雪梅等[12]通过对比德令哈与格尔木、乌兰、大柴旦等站点同时期降水量资料后，得到的德令哈气象站站点对其所在的区域具有一定的代表性结论一致，德令哈气象站点降水量的变化，可以反映巴音河流域降水变化特征。

(2) 线性趋势分析表明：1956-2013年年际及四季降水量均呈上升趋势，夏季降水倾向率最大。该结论与相关学者对我国西北地区降水量特征研究所得结论一致[32-34]，与黄磊等[13]基于树木年轮资料重建的德令哈近千年来降水量变化特征和马季芳[15]根据实测资料分析的降水量变化特征相似，但降水倾向率幅度与前人有差异，主要原因可能是所使用的时间长度不一致。

(3) 基于Mann-Kendall方法的突变分析表明，年际和夏季降水量在1973年左右发生了突变，春季降水量在1981年前后发生了突变，冬季降水量在1976年前后发生了突变，均通过了0.01的置信度检验。20世纪60年代发生了气候突变，宋燕等[35]的研究表明，突变发生在1967年前后；黄磊等[13]认为德令哈降水量超过95%显著性水平的突变出现在1964 年。这与本文结论有差异，可能是由于研究过程中使用数据及研究尺度不同所致。

(4) 小波分析表明，降水量年际及四季均存在显著的周期变化特征，既存在3～9a的短周期，也存在18～28a的长周期。陈志昆等[36]在对中国西北地区128个气象站1971-2009逐月降水资料分析的基础上，认为西北地区降水异常区普遍存在3～5a左右的短周期和10和20a左右的长周期，这与本文结论基本一致。刘洪斌等[14]分析了德令哈地区近千年来年降水量变化特征，得出德令哈地区年降水量变化存在显著的多周期变化特性，与本文结论一致。但由于数据来源及研究尺度的差异，得出的震荡周期略有差异。

6 结 论

(1) 年代际分析表明，20世纪80年代之前年、春季、夏季、冬季处于降水偏少期，20世纪80年代至今处于降水偏多期，且降水总体上呈上升趋势，冬季降水变化相对平稳。

(2) 线性趋势及Mann-Kendall趋势检验表明，近60年来年与四季降水量呈上升趋势，年降水量气候倾向率为21.16mm/10a，四季降水量倾向率分别为4.56、12.35、3.12、1.24mm/10a，均呈现上升趋势，夏季降水倾向率最大，冬季倾向率最小。R/S分析表明，年及季节降水量具有持续性，未来将维持增长趋势。

(3) 突变分析表明，在0.01的显著水平下，年、春季、夏季和冬季降水均发生了由少到多的显著突变，秋季降水无显著突变。年和夏季降水突变均发生在1973年，说明夏季降水对全年降水影响较大，春季降水突变发生在1981年，冬季降水突变发生在1976年，秋季降水无显著突变。

(4) 小波分析表明，降水存在多周期变化的特征；夏季降水的周期性变化特征与年降水变化特征相似，说明夏季降水对年降水量的变化有重要的影响；除秋季外，其它降水均存在18～28a的长周期变化。从主震荡周期看，未来一段时间年及四季将处于年降水偏多期。

(5) 相关分析表明，SPI指数和降水量距平密切相关(相关系数0.99)，可用于反映1956-2013年干旱及降水特征。M-K检验表明，1956-2013年SPI指数上升趋势显著，干旱呈减弱趋势，1973年为突变年；干旱变化具有周期性，小波分析表明干旱变化的周期为5和18a。

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