塔里木河流域近50年气象要素变化研究

张静萍，包为民，冯夏清，卢金利，落全富

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003；3.台州市水文站，浙江 台州 318001；4.青山水库管理处，浙江 杭州 311305)

0 引 言

全球近百年变暖已高达0.85～0.89 ℃，近50年来，前30年，气温增加并不明显，近20年增幅明显，中国日平均气温平均每10年上升了0.23 ℃，93%的全国气象站呈上升趋势，变暖趋势明显[1]。新疆气温呈上升趋势，平均增长率为每10年0.27 ℃，年蒸发量和干旱指数的变化总体呈下降趋势[2]。塔里木河流域平原地区气温平均每10年上升0.2 ℃[3]。其次，以往研究时间序列较短，仅讨论单因子的变化，或由潜在蒸散发计算干燥度的变化[4]，具有局限性，不足以体现塔里木河流域的总体气候变化情况。

滑动平均差检验法是2018年包为民提出的突变分析方法，其统计量具有物理意义，检测结果更加精确，目前仅应用在流域输沙量突变检验中[5- 6]。以往的突变分析研究采用Mann-Kendall突变检测方法[3- 4,7]，但是该方法在理想模型检验中，并不能很好的测得突变点[6]，且该方法突变统计量不具备物理意义。本文以塔里木河流域为研究区，选取流域内25个气象站点1965年～2015年的逐日地面气象要素，采用线性倾向估计和Mann-Kendall方法深入探讨平均气温、平均相对湿度、日照时数、平均风速和蒸发皿蒸发量数据等气象因子的变化趋势，将滑动平均差检验法应用在气象要素的突变分析中，该方法通过了理想模型检验，结果准确可靠。研究结果对于流域径流分析、水资源评价、生态文明建设和社会经济发展具有指导意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

塔里木河流域处于天山和昆仑山脉之间，流域面积102×104km2，包括了塔里木盆地的九大支流水系、干流及塔克拉玛干沙漠，是中国最大的内陆河流域，受地理位置和地形影响，气候干燥、少雨、蒸发强烈，多年平均降水量为17.4～42.8 mm，蒸发能力为1 800～2 900 mm，气候干燥，多大风天气，最高风速为40 m/s，多年平均气温10.7 ℃，年内最高气温达39～42 ℃，年日照时数为2 550～3 500 h[8-9]，属于典型温带干旱大陆性气候，生态环境脆弱。受到“全球变暖”、“全球变暗”等气候变化影响[10-11]，以及资源的开发利用即耕地面积扩大，过度放牧以及兴修水利工程等人类活动，改变了水文过程，流域内生态环境发生显著变化[8]。

1.2 资料来源

选取流域内25个气象站点的1965年～2015年逐日地面气象要素，气象数据资料来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，对部分缺测数据进行插补延长，剔除缺测时间较长的数据，对大小型蒸发皿蒸发进行了折算，并对数据进行一致性检验，得到了年均气温、年降水量、年均相对湿度、年日照时数、年均风速和年蒸发皿蒸发量数据。

1.3 研究方法

为深入了解流域内各气象要素的变化情况，对其年值进行趋势分析和突变分析。Mann-Kendall方法被世界气象组织 (WMO) 推荐，广泛应用于气象和水文领域，可以得到长时间序列的变化趋势。为解决样本观测序列获得过程中误差、序列本身具有的周期性和多个突变点问题，本研究采用滑动平均差方法[6]对流域气候突变进行分析。

1.3.1Mann-Kendall检验方法

设X1，X2，…，Xn为时间序列变量，n为时间序列长度，MK方法定义统计量

(1)

式中，Xj、Xk分别为j、k年的相应测量值，且k>j。正态分布的统计量

(2)

式中，V(S)为方差。在给定的α置信水平上，如果|Z|>Z1-α/2，即在α的置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。|Z|≥1.96和|Z|≥2.58分别表示其通过了置信度为95%和99%的显著性检验。

1.3.2滑动平均差检验法

均值的突变检验，目前应用最为广泛的是Mann-Kendall突变检验法，还有BG分割法、Pettitt法、OC法等方法，但是突变结果的合理性众说纷纭，包为民团队为解决观测误差、周期性和多突变点问题，提出了新的突变检测方法——滑动平均差检验法，并在理想模型中检验这些突变分析结果的合理性，分别在无误差单突变序列、无误差多突变序列和有误差多突变序列的理想模型中对四种方法进行突变点检测，发现Mann-Kendall突变检验法得到结果与实际差别较大，BG分割法、Pettitt法和OC法会忽略突变强度较弱的突变点，仅滑动平均差方法一次性检测出了多个突变点，且检测结果精确[6]。该方法在实际流域的应用中，现阶段仅验证了黄河流域的输沙量突变分析，其突变结果可以由植被变化和水利工程兴建来进一步解释[5- 6]。

采用以时间变量常规物理周期为滑动期的滑动平均变量，建立新考察序列，来解决样本观测序列获得过程中误差、序列本身具有的周期性和多个突变点问题[6]。如时间序列X1，X2，…，Xn，其常规物理周期为p，可以构建正向滑动平均序列

(3)

类似的可以构建逆向滑动平均序列

(4)

由式(3)、(4)可知，MUi和MDi即第i个样本前后2个子序列的均值。突变点的检测指标为

(5)

图1 塔里木河流域各气象要素均值变化曲线

2 结果分析

将塔里木河流域的每个气象站点的5年均值以箱型图(图略)进行统计分析的结果表明，1965年～2015年流域年蒸发总量(E)、年均风速(U)、年总日照时数(tt)、年均温度(T)、年均相对湿度(RH)、年降水总量(P)数据变幅较大，分布较为分散。年蒸发量在2 000～3 000 mm起伏波动，相对湿度介于40%～55%波动，平均温度起伏最大，介于7～13 ℃之间，且离群值较多，日照时数处于2 500～3 100 h间，降水量介于30～150 mm之间；同一时间段各站点的数据差别大。这是由于塔里木河流域面积大，高山环绕，各站点的地理位置较远、海拔高度不同所致；所以，不能单纯地以平均值对变化趋势进行衡量，需要对这25个站点分别进行分析。

2.1 趋势分析

2.1.1时间变化

三大气压涛动现象(北大西洋涛动、北太平洋涛动、南方涛动)及厄尔尼诺(ENSO)现象频发，影响了大气环流，深刻影响全球气候变化[11-12]。采用一元线性回归得到塔里木河流域各气象要素随时间的变化趋势如图1所示。

由图1可以看出：塔里木河流域近50年平均气温(图1a)普遍增幅为0.276 ℃/10 a，这与其他研究的结论一致[2,13-14]，符合全球变暖趋势[15]。气温上升成因复杂，主要认为受到全球气候变化的宏观效应影响，加上人类活动影响，开采和工业化导致温室气体增加，全球普遍气温升高。相对湿度(图1b)普遍增幅为0.151%/10 a，降水(图1c)普遍增幅6.05 mm/10 a，降水的增加趋势与其他研究一致[13-14,16-18]，相对湿度变化相较于降水变化，更具有连续性；但受到降水、风速和蒸散发的影响，该方面研究不多，基本用来判断大气能见度[19-20]。

日照时数(见图1d)普遍减幅2.55 h/10 a，这与其他研究一致[21-23]。近50年来，新疆年平均总云量无显著变化趋势，但低云量以1.172%/10a倾向率呈显著增加趋势。这是导致日照时数减少的主要原因[21]。流域近50年风速(见图1e)普遍减幅为0.12 m/(s·10 a)，大于西北年平均风速减幅0.09 m/(s·10 a)[22]，小于南北疆地区年平均风速的降低速率(0.15、0.14 m/(s·10 a))[24]。这可能是由于研究选取的站点数量和研究时段长不同导致的，但总体风速下降趋势可以确定；地面风速与地面气温呈显著负相关，近期中国气温变暖可能导致风速减弱[10]。

流域内温度的升高应当使蒸发增加，但蒸发(见图1f)呈现总体减幅为27.31 mm/10 a。这一方面受到了相对湿度和降水增加影响，降低了水面与大气的湿度梯度，抑制表层水汽输送到大气；另一方面地表风速降低影响了水汽的输送，降低了蒸发速率。这些气象因子的变化抵消了温度增加对蒸发的积极影响，最终使蒸发呈现出总体下降的趋势。

图2 MK方法统计量在塔里木河流域空间分布

2.1.2空间变化

塔里木河流域面积大，站点分散且海拔差异大，其气象要素值相差较大，单用均值判断流域各气象要素的变化情况[16]，无法细致反映流域各气象因子情况。塔里木河流域各气象站点的气象要素采用Mann-Kendall趋势分析。从图2a中可以看出：东西两侧蒸发以下降趋势为主，北侧、东南地区和西南地区蒸发以上升趋势为主。西侧以阿合奇、柯坪站

为极小值点，北部以阿克苏和轮台站为极大值点、库车为极小值点，基本上通过了99%的置信度检验；东侧以尉犁为极小值点，东南、西南以皮山、和田、且末站为极大值点，均通过95%置信度检验。

相对湿度趋势分析统计值通过了95%的置信度检验。从图2b中可以看出，西、南两侧相对湿度以下降趋势为主，和田站下降趋势最大，通过了99%置信度检验；东、北两侧除阿克苏、轮台、铁干里克的相对湿度为下降趋势外，其他站点为上升趋势。

整个流域的温度变化趋势基本一致(见图2c)。除库车站为下降趋势且通过了95%的置信度检验外，其他站点上升趋势明显，基本都通过了99%的置信度检验，这与其他研究成果[1- 4,17]结论一致。

从图2d流域日照时数趋势分析结果可以看出，东部车臣河及开都—孔雀河沿线站点除尉犁站日照时数为上升趋势外，其他站点日照时数呈下降趋势，且通过了99%的置信度检验；流域西北侧日照时数以下降趋势为主，南侧以上升趋势为主，大部分通过95%置信度检验。

流域内各气象站点风速的变化(见图2e)除乌恰为上升趋势外，流域其他站点为下降趋势，且基本通过了99%的置信度检验。降水(见图2f)的变化在流域内均呈现上升趋势，除去流域北部地区站点和个别站点(若羌、塔什库尔干、民丰)通过了95%的置信度检验外，其他站点上升趋势不显著。

表1 塔里木河流域各站点气象因子突变点检测结果统计

注：突变年前后顺序由滑动平均差突变点强度大小排列。

综上所述，1965年～2015年塔里木河流域气象要素整体变化情况为：温度上升，风速下降，降水上升但不显著，日照时数仅流域西南部上升居多，其他地方基本为下降；相对湿度西部为下降，其他地区为上升。流域中央“X”形区域站点蒸发以上升趋势为主，其他地区蒸发以下降趋势为主。这是多种气象因子共同影响的结果。

2.2 突变分析

对25个站点采用滑动平均差检验法直观了解突变强度，可以一次性测得多个突变点。滑动周期应取气候周期，以消除气候震荡带来的误差[6]。气候周期受到太阳天体周期的影响，一般选择11～13 a。综合各项考虑，本文滑动周期选取为12 a。塔里木河流域各站点气象因子突变点检验结果见表1。

由表1可知：整个流域的蒸发值在1974年～1976年、1980年～1987年、1993年～1998年、2000年～2003年发生突变。序列均值呈现“高—低—高—高”的变化。但在对单一站点蒸发序列进行突变分析时，每个站点的时间序列都具有自己的突变点，无法得到一个统一的突变时间。这可能是由于海拔高度不同、地理位置相差较远、站点稀疏、蒸发影响因子过多导致的。为此，可以通过分析其他气象因子的突变范围来分析蒸发的突变与其他气象因子发生突变的关系。

对于整个流域而言，日照时数在1970年～1979年发生一次突变，2个站点均值增大，3个站点均值减小，两者并存，可能由于海拔高度不同造成的；在1980年～1986年总体均值下降，8个站点均值下降，3个站点均值上升，均值上升的尉犁站海拔为884.9 m，塔什库尔干站海拔3 090.1 m，乌恰站海拔2 175.7 m，海拔高度与其他站点差异很大，这可能是导致日照时数的突变点后均值上升的原因；1988年～1993年发生了一次突变，4个站发生了均值变大，5个站发生了均值变小；1996年～2006发生了均值增大的突变。大致呈现“低—高”的变化。

风速在整个流域上有6个站点在1974年～1979年发生了突变，5个站点均值降低，仅巴楚站均值增大。20世纪80年代发生了突变，15个站点发生了均值降低的变化，仅乌恰站均值增大，可能是由于海拔高度较高导致的。20世纪90年代发生了突变，6个站点均值上升，3个站点均值降低，上升年份发生1996年～1999年，下降年份发生在1990年～1994年，在90年代发生了两次变化。2000年～2005年发生了突变，5个站点(焉耆、拜城、轮台、阿图什、且末、民丰)均值上升，2个站点(若羌、库车)均值下降，若羌站距离其他站点较远，可能受地形影响较大，库车与拜城相近，但海拔高度相差较多，导致了不同的变化结果。

塔里木河流域相对湿度的突变上较为一致，1985年～1990年13个站点发生均值上升的突变； 2003年～2006年11个站点发生了均值降低的突变。相对湿度的突变相比较于蒸发、日照时数和风速，更能够得到一个相对统一的蒸发突变点。相对湿度变化更加均匀，气候变化更广泛影响这些气象站点。

塔里木河流域温度数据可以得到基本一致的突变。1996年～1997年发生了20个站点发生了均值上升的突变，1976年～1977年共6个站点发生了均值上升的突变。这与牛建龙[4]、王翠[14]等研究相同，所有站点均发生了均值上升的突变。流域的降水在1986年得到基本一致的突变，共计13个站点发生均值上升的突变，4个站点在2000年～2001年发生均值上升的突变。这与流域降水在20世纪80年代的跳跃性突变研究结论一致[9,18]，与北疆降水在1984年突变的结论基本相似[25]，气候自20世纪80年代自暖干向暖湿转变。

25个气象站点的降水存在1个突变点，蒸发、相对湿度、温度、日照时数、风速普遍存在2个突变点，且变化较为复杂。除去温度和降水分别集中在1996年和1986年发生均值上升的突变外，其他气象因子的变化较为复杂，相对湿度变化主要集中在20世纪80年代和2003年～2006年之间，为“高—低”趋势；日照时数突变集中在20世纪80年代，“低—高”变化；风速突变同样集中在80年代，“低—高”变化；而蒸发基本上每个年代都会发生突变，这是由其他气象因子变化引起的，最终呈现一种“高—低—高”的序列均值变化。

3 结 论

(1)时间尺度上，塔里木河流域近50年气温、降水和相对湿度总体呈现上升趋势，风速、日照时数和蒸发量均呈下降趋势。

(2)空间尺度上，流域各气象要素的数据分散。各气象因子在塔里木河流域变化的空间分布为：整体上气温和降水普遍上升，风速普遍下降；日照时数流域西南地区上升为主，其他地区为下降为主；相对湿度流域西部下降，其他地区为上升趋势；蒸发变化情况复杂，整体上趋势不同，具有很大的空间差异性，东西两侧蒸发以下降趋势为主，中部地区蒸发以上升趋势为主。蒸发的区域性变化可能导致塔里木中央腹地的塔克拉玛干沙漠地区更加干旱，进一步加剧缺水和生态环境问题。

(3)滑动平均差方法适用于气象要素的突变检验。结果显示，温度突变集中发生在1996年，降水突变集中在1986年，其他气象因子的突变点零散。相对湿度序列均值 “高—低”变化；日照时数序列均值“低—高”变化，风速均值“低—高”变化，而蒸发由其他气象因子变化导致突变年份更为分散，序列均值“高—低—高”变化。造成上述温度、日照时数和相对湿度突变的原因比较复杂，可能是全球气候变化和人类活动影响的宏观效应，而蒸发受到这些气象因子的影响也更加复杂。

本文对生态脆弱区塔里木河流域的年蒸发、年均气温、年降水、年日照时数、年均相对湿度和年均风速的趋势变化特征和突变特征进行研究，研究结果可为该流域的径流特征分析、水资源评价、生态环境保护和经济发展区域化管理提供参考意见，对研究和预测塔里木河流域的气候具有重要意义；同时佐证了全球气候变化情况，为未来发展决策提供依据。