1954年~2014年昌吉州降水量时间序列变化特征分析

贺 颖

（昌吉水文勘测局，新疆 昌吉 831100）

昌吉地处我国西北边疆的天山北麓、北疆准噶尔盆地东南部，高原山地、平原盆地相间，地形分异明显；由于地处大陆板块中心，海洋水汽难以到达，形成了温带干旱大陆性气候。气候特点为冬季寒冷漫长、夏季炎热短促，年内与昼夜温差均较大；年均温6.8℃，降水量190 mm，≥10℃积温为3450℃。区域降水主要来自西风环流带来的北冰洋水汽和蒸腾雨，降雨量十分缺失；由于境内冰川广布，达1033 km2，区域水资源主要由冰川融化构成，年径流量达25.5亿m3。由于全球气候暖化影响，我国西北地区气温升高明显，同时局部降水或有增加、或有减少，而昌吉州降水量变化趋势不明[1~3]。基于此，本文以1954年~2014年该州逐日降水资料为基础，通过趋势分析、滑动滤波和Mann-Kendall检验法，研究该区降水量变化规律。

1 资料与方法

1.1 数据资料

中国气象局国家气候中心网站(http://data.cma.cn/)提供的昌吉境内(昌吉、呼图壁、奇台、阜康、玛纳斯、吉木萨尔、木垒哈萨克等)7个站点逐日降水资料，分析整理了区域年均、季均降水量。运用Excel软件展开分析。

1.2 滑动平均法

降水是时间序列随机函数，对于时间序列为n的降水量样本，当其滑动长度为k时，其滑动的平均序列如下：

1.3 倾向斜率法

解析气候变量随时间变化的宏观趋势，通常采用两变量计算其回归系数α，其值大于0，表明降水量时间序列为增加趋势，小于0，则呈减少趋势。其形式如下：

β分别为总体回归方程参数。

1.4 M-K趋势检验

对于时间序列变量 (X1，X2，…，Xn)，n为时间序列长度，Mann-Kendall(M-K)法定义了统计量S：

其中Sgn()为符号函数，规则如下：

S为正态分布，其均值为0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，当n>10时，正太分布统计量计算如下：

若Z>0，则表明降水在该时间序列呈增加趋势，否则为降低趋势，并且绝对值越大，则趋势越明显；且1.96、2.32时分别通过90%、95%、99%的信度检验，在该水平上显著[3~5]。

2 结果分析

2.1 昌吉州降水量年代变化分析

图1直观显示1954年~2014年昌吉州年季降水量波动特征。可知，春季降水量最大波动区间为5.2 mm(1993年)~87 mm(2010年)，其中2010年厄尔尼诺现象导致东亚地区初春时节降水量异常增多，昌吉州降水量亦受此影响显著。拟合趋势表明，近60年间，昌吉州春季降水量平均值为40.77 mm，其主要以降雪的形式出现；变化形式为(y=0.0692x-96.574，R2=0.0044，P>0.05)说明该地春季降水总趋势逐渐增多，从细节来看，1957年~1967年、1988年~1997年两个时段降水量有所减少，在1967年~1972年、1997年~2010年两个时段增加趋势显著。夏季降水量在1993年达到历史高值，为157.3 mm，1962年最低，仅为7.4 mm，平均值为60.44 mm，近60年呈现3个明显阶段性特征，1957年~1982年、2001年~2009年降水量呈负向变化；1982年~1993年为正向变化，其综合变化为增加趋势(y=0.2109x-358.3,R2=0.0151)。其中秋季降水量的年代分异特征不明显，仅在1967年~1971年、1991年~1997年内存在相对异常值，而在其他大多数年份呈渐进演替，综合趋势为(y=0.1684x-285.4,R2=0.0219)，其均季降水量达51.69 mm，其中1992年、1962年异常年份。冬季降水量年代趋势相对清晰，其中1954年~1967年降水量呈减少变化，1968年~2014年呈起伏增加态势，极大值发生在2010年，达144.5 mm，极小值出现在1967年，为14.5 mm，季均降水量为46.04 mm，其变化形势为(y=0.2216x-393.64,R2=0.023)。该州年降水量年代特征与其冬季降水变化特征相似，其在1957年~1963年、1975年~1985年时段内略有减少，在2008年~2014年间波动幅度较大，总体呈增加趋势，多年平均值为198.94 mm，变化形式表现为(y=0.918x-1617.1,R2=0.0643)。

图1 昌吉州年、季降水量波动特征

2.2 昌吉州降水量距平值分析

基于公式，计算得到各年降水量距平值，见图2，其绝对值越大，表明该年降水量偏离均年水平越远，则其变率越大。依图2-a可知，1954年~2014年昌吉州春季降水量距平值超过70%的有9次，其中26年春季降水距平值介于20%~70%之间，另外26年春季降水量相对平稳，距平值低于20%。夏季降水量距平值最高为1993年的160%，该年夏季降水量达157 mm，为历史最高值，其中高于平均值的有28年，另外31年夏季降水低于均值水平；其距平值达到50%的有16年。秋季降水量距平差相对较小，其中距平值超过50%的仅为15年，大部分年份秋季降水据平差在30%以内，说明近60年内昌吉州秋季降水变化率较小。冬季降水量距平差值较大，其中8个年份距平差超过70%，21个年份据平差介于25%~70%之间。就年降水量来看，有18年次降水量据平差超过±50%，21年次降水量据平差小于20%，余下20年次的距平差介于20%~50%之间。

图2 各年降水量距平值

2.3 昌吉州降水量M-K检验分析

应用Mann-Kendall趋势检验方法，在Excel里计算并绘制了昌吉州年、季降水量趋势检验图，其结果见图3。其中UF值为降水量序列五点三次滤波拟合值，UB为信度为5%水平，阈值为1.96水平下的检验值。

图3 昌吉州年、季降水量M-K趋势检验

如图3-a所示，2004年之前UB值大部分小于0，说明该时段内昌吉市春季降水量趋势为减少特征，随后UB值均高于0，表明其为增加趋势；其中1965年的UB值为-2.65，超过阈值水平，表明该年春季降水量减小十分显著。其中UF、UB曲线在1968年、1973年相交，其中前者表明其春季降水由减少突变为增加特征，后者突变为减少特征，然而其并未触及阈值线，表明该突变不显著(P>0.05)。其中夏季降水量的突变点有3个，分别是1955年、1961年、1971年，由于1955年距离研究起点1954年较近，故而该点判断为虚变点，1954年~1961年降水为增加趋势，1961年~1971为减少趋势，从1971年之后突变为增加趋势。秋季降水量的UF、UB值在1980年相交，其由减少特征突变为增加态势。冬季降水量并无明显突变，其线性增加特征相对明显，这与2.1部分的分析结果一致，表明近半世纪以来全球气候变化对该州冬季降水影响较大。就年降水量来看(图3-e)，其突变点在1972年，在1954年~1972年之间其变化趋势不明显，随后突变为增加的趋势。总而言之，研究时域内昌吉年际降水量存在多个复杂突变，但均通过阈值检验，说明其降水量观测还有待加强，以便深入分析。

3 结论

昌吉州降水量稀少、气候干旱的环境背景一直是本区生态环境发展与生态承载力提高的限制因素之一，虽然近半世纪以来该地区降水量持续增多，然而这对于区域降水总量与干旱的气候条件来说依然是杯水车薪，并且这种降水变化演替带来的环境与社会影响尚不明确。对于水文工作者来讲，今后要加强降水变化对地表径流、蒸散过程的研究，从而为精确计算水资源总量夯实基础。