气候变化影响下新疆水文要素变化特征及预测

2019-01-02程增辉陆宝宏

水科学与工程技术 2018年6期

李忠，程增辉，张鲁，陆宝宏

（1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200331；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；3.山东省水利工程建设质量与安全中心，济南 250013；4.河海大学水文水资源学院，南京 210098）

1 概述

水资源总量包括地表水资源量、地下水资源量和地表水与地下水资源重复量，总量受水文循环（降水、径流、蒸发和大气输送）各个过程的影响。随着人类文明的发展，水资源需求量增多。与此同时，由于气候变暖［1-2］，主要表现为地表温度显著上升。在全球气候变化的大背景下，局部地区尤其干旱地区，受水文循环过程变化影响，区域水资源量供需矛盾突出，甚至引发一系列社会、经济问题。

新疆位于我国西北部，新疆气候以干旱为主要特征。农业生产在新疆区域产业结构中占据较大比重，农业用水约占新疆用水总量的96%，旱涝灾害严重影响了区域的农业生产和经济发展［3］。鉴于此，本文选择水文循环过程重要影响因子——降水，作为气候变化的主要表征因子，以天山山脉为界，研究新疆地区降水序列的时空演变特征，以期为区域水土资源规划和农业生产布局提供科学参考。

2 数据与研究方法

2.1 数据

2.1.1 资料来源

资料主要以中国气象科学数据共享服务网提供的1951～2016年新疆地区12个代表站的逐月降水数据，采用算术平均法计算得区域降水；新疆维吾尔自治区统计局提供的1999～2016年新疆地区水资源总量统计数据。

2.1.2 区域划分

以天山山脉为界，将新疆地区划分为南疆和北疆两个分区，南疆气象代表站5个（阿勒泰、乌苏、塔城、伊宁、乌鲁木齐），北疆气象代表站7个（且末、吐鲁番、和田、哈密、喀什、库车、若羌），如图1。

图1 新疆气象站分布

2.1.3 研究方法

采用线性倾向估计、Mann-Kendall分析、有序聚类分析法、Morlet小波分析和R/S分析法对新疆地区水文要素进行分析和预测。线性倾向估计主要用于总体变化趋势分析；Mann-Kendall分析用于显著性及突变分析；有序聚类分析法用于突变分析；小波分析用于周期性分析；R/S分析法持续性分析。

（1）线性倾向估计法其方程为：

式中 P为水文气象要素；t为时间；a，b为常数，a为倾向率，若a＜0，P在时间尺度上呈减少趋势，反之，呈增加趋势。

（2）Mann-Kendall分析为非参数统计检验方法［4-5］。假设水文序列Xt无显著变化趋势，其标准化统计量为U，给定置信度α，若|U|＞Uα/2，存在显著变化趋势；反之，无显著变化趋势。其中，U为正值，呈上升趋势；反之，呈下降趋势。

（3）序列Xt可能突变点为τ，总离差平方和取最小值时对应的τ即突变点［6］。

（4）小波分析属于时频分析，具有时频局部化和多分辨率分析的特点，可反映水文序列的时间尺度［7-8］。

（5）R/S分析法是一种有效的非线性科学预测方法，通过改变研究对象的时间尺度，研究小尺度的统计特性变化规律并将其应用到大尺度范围［9］。

任意水文序列Xt=（x1，x2，…，xn），定义R/S特征量为：

对式（2）进行对数和回归分析即可得H（Hurst指数）的值，［0，1］。H=0.5时，序列为随机序列，无未来预测性；0≤H＜0.5时，序列具有状态反持续性；0＜H≤1时，序列具有状态持续性。

3 特征分析

3.1 相关性分析

统计1999～2016年新疆地区水资源总量和降水量数据，由Pearson相关分析可知，水资源总量和降水量的Pearson相关系数为0.622（强相关），相关系数绝对值越大，相关性越强，两变量在0.01水平（双侧）上显著相关。

3.2 趋势分析

3.2.1 年际和年代变化特征

新疆地区降水量时间变化如图2。

图2 新疆各分区降水量变化

由图2可得：

（1）空间分布上，新疆地区多年平均降水量126.8mm，北疆地区多年平均降水量246.2mm，南疆地区多年平均降水量41.5mm，北疆＞全疆＞南疆。

（2）年际变化上，全疆、北疆、南疆线性倾向率均为正值，表明年降水量总体呈增加趋势；5a滑动平均过程线表示，年降水量总体呈显著增加趋势，局部（1970年代前后）呈不显著波动趋势。

（3）年代变化上，累积距平值呈先减少后增加趋势，新疆、北疆1960～1990年代距平值为负值，南疆1950～1990年代距平值为负值，表明新疆（1960～1990年代）、北疆（1960～1990年代）和南疆（1950～1990年代）年代降水量呈减少趋势且低于平均水平，1990年代后逐步增加且高于平均水平。

3.2.2 显著性分析

新疆地区年降水量变化趋势定量检验如图3。