焉耆县1960-2019年气温与降水变化特征研究

达 伟

(巴音郭楞水文勘测局，新疆 库尔勒 841000)

全球气候变化背景下，极端水文事件频发，研究流域内水文事件对水资源循环，农业生产及生态系统有积极作用。气候要素的不断变化对人类生产和发展产生严重威胁，如“洪旱并存”，“洪旱交替”等极端水文事件对人类生存和发展带来巨大挑战。其中气温和降水是表征气候变化的主要因子，学者通过研究其演变特征分析流域内气候变化。学者通过数学模型、数理统计、非参数检验等方法，从时间序列空间变化分析气候要素变化特点。如谢贤胜综合运用克里金插值法、Morlet小波分析法、Mann-Kendall检验等方法研究西江流域降水和气温突变趋势，研究结果对应对气候变化形式，促进流域可持续发展提供有益参考。吴国栋[2]根据ITA法和ITA-CB法从季节、年内分析锡林河流域56 a降水和平均气温，分别从宏观和微观的角度研究处降水和气温呈减少趋势，然后再从整体趋势进行分析。焉耆县降水稀少，蒸发量大，地表水主要依靠冰川积雪融水，研究降水和气温变化特征能为焉耆县合理规划水资源提出参考价值。本文基于焉耆县1960-2019年逐月平均气温和降水观测资料，对其变化趋势、突变年、周期和突变以及相关性进行分析，旨在更好地应对气候变化形势，促进流域可持续发展提供有益参考。

1 研究区概况

焉耆县位于我国新疆巴州境内，与博湖县、和静、和硕县、以及库尔勒市接壤。全县总面积2 570.88 km2。因县城受到高原和高山阻碍，县城内水汽稀少，所以形成了夏季炎热，冬季寒冷的大陆性干旱气候。焉耆县以开都河为补给源，但是随着人类进步，水资源明显不够，加上人们非法开荒，挤占生态环境，不合理修建导致焉耆地下水位急速下降，土地退化和盐渍化日益严重。

2 数据来源与研究方法

2.1 数来源

为研究区域时间的一致性，笔者采用长时间序列1960-2019年焉耆站逐月降水、气温资料，水文站降水数据由巴州水文局提供，气象站气温资料通过中国气象网下载获取。部分月份缺测降水数据通过新疆水文年鉴及加权平均法完成插补。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐并广泛用于研究水文和气候长时间序列的非参数检验方法，具有结果受少数异常值干扰小，能显示数据显著突出和突变的优点，因此得到了广泛的应用。本研究利用非参数检验Mann-Kendall法进行年降水显著性检验，在给定显著水平下，假定该序列无趋势，若通过双尾检验，在正态分布表中查临界值Z1-α/2，若|Z|Z1-α/2，拒绝原假设，即趋势显著。Z>0表示降水呈上升趋势，Z<0表示降水呈下降趋势，Z的绝对值越大，说明降水变化趋势越显著。根据Mann-Kendall统计值，分析绘制UFK和UBK趋势图，若UFK的值大于0，则表明焉耆盆地降水量、气温呈上升趋势，小于0则表明呈相反趋势；当统计值超过95%信度时，表明降水、气温变化趋势显著；若两条曲线的交点位于信度线之间，则此点可能就是突变点的开始。

2.2.2 线性趋势

因线性趋势原理性描述较多，此处不再描述，具体参考文献[5-6]。

2.2.3 小波分析

本研究中小波分析是用来描述周期随时间尺度的变化特征。它是一种信号的时间尺度分析方法，具有自动调节时频窗，能在高分辨率中调节表针信号的局部特征优点，因此在水文气象中广泛应用[7-8]。本文应用使用较多的Morlet小波函数，连续小波变换公式为：

(1)

在时间尺度上的对关于a的所有小波变换系数平方进行积分后可得到一簇小波方差，该方差可反应波动能量随时间尺度的分布情况，该方差公式为：

(2)

式中：var(a)为在a尺度下的小波方差。根据小波方差随a的变化尺度来决定将水序列存在的最大主周期。

3 结果分析

3.1 降水和平均气温特征

3.1.1 降水特征

根据图1可以看出年内降水主要集中在汛期(5-8月)占总降水量的70%，尽管汛期占主导地位，即使在7月月降水量仅为17.16 mm，说明该地区降水极少，基本无降水。在年变化中可以看出，多年平均降水75.75 mm，并且以0.21 mm/a的趋势递增，5 a滑动过程线表明，焉耆县降水变化趋势呈“W”形，经历了“枯-丰-枯”演变过程。根据M-K检验，在0.05显著水平下，焉耆县降水统计量为0.95，图2可以看出，60 a内焉耆县年降水呈非显著上升趋势，从年变化趋势可知，上世纪60年代-80年代，焉耆县降水呈下降趋势，80年代-90年代经过短暂 “上升-下降”交替后，呈极显著上升且在21世纪初超出显著水平，同时可以看出在1980年UFk和UBk相较于一点，所以1980年为降水的第一突变点。

图1 降水年内、年变化趋势

图2 焉耆县降水M-K突变检验

为研究60 a降水周期变化，根据Morlet小波分析(图3)表明焉耆站4 a左右震荡周期在60年代到80年代较为明显，而7 a左右的震荡周期在80年代到21世纪10年代较为明显，并且存在以4 a为第一主周期，7 a为第二主周期的变化特征，以4 a为主周期表明下一个4 a周期呈丰水期，以7 a为主周期表明下一个7 a主周期呈枯水期。

图3 Morlet小波分析

3.1.2 气温特征

由图4可以看出，焉耆县年内平均气温呈“单峰形”，最高气温在7月(23.5℃)，最低气温为1月(-12.56℃)，最高和最低气温相差约11℃，低于0℃平均气温长达4个月份，冬季寒冷而漫长，平均20℃以上气温为6-8月，经过短暂的炎热后，气温迅速下降，进入秋季。在年尺度上，焉耆县以0.031℃/a的趋势上升，60 a内，年平均气温上升约2℃，在5 a滑动平均内，气温波动较大，呈现出“上升-下降-上升”趋势，增温与降温交替进行，但总体上呈上升趋势，这与20世纪90年代全球变暖后，西北干旱区温度显著升高有密切联系。M-K检验表明：焉耆县气温M-K统计值为1.32，小于1.96说明气温亦呈上升趋势，图5中可以看出，上世纪60年代-70年代气温升降变化幅度大，70年代-90年代上升趋势，90年代-21世纪00年代呈下降趋势，2012年，两曲线相交，因此在2012年发生突变，突变后气温持续上升，可以看出气温5a滑动平均和M-K变化幅度较大，说明焉耆县气温不稳定，这将影响焉耆县融雪地表径流。

图4 气温年内、年变化趋势

图5 焉耆县气温M-K突变检验

为研究焉耆县60 a气温周期变化，根据图6Morlet小波分析表明焉耆站3a左右震荡周期在上世纪70年代到90年代较为明显，而8a左右的震荡周期在上世纪70年代到21世纪10年代较为明显，26 a左右震荡周期在上世纪60年代到上世纪末最明显并且存在以8 a为第一主周期，26 a为第二主周期的变化特征，以8 a为主周期表明下一个8 a主周期温度继续升高，和降水变化趋势一致。

图6 Morlet小波分析

3.2 相关性分析

相关性分析可研究变量之间的相互依赖性，探讨变量之间的相关程度。本文用相关系数来衡量气温的相关程度、方向。相关系数计算公式为：

(3)

式中：x表示气温，也表示降水；r介于-1到1之间，r大于0表示正相关，r小于0表示负相关，根据spss软件分析得出相关系数仅为0.125，且未通过0.05显著检验，说明焉耆县气温和降水不存在相关性，焉耆县地处盆地内，受高原和高山阻碍，水汽不能及时到达盆地内，所以降水和气温相关性较差。

4 结语

根据焉耆盆地1960-2019年监测气温降水数据，采用线性趋势和小波分析表明对其变化趋势及周期进行分析得出以下结论：

(1)降水在年内分配不均，但在汛期最大月份降水量也仅为17.16 mm，但在年尺度上，降水量以0.21 mm/a的趋势递增，并且在1980年发生突变，突变后经历长达30 a丰水期；通过Morlet小波分析表明降水存在以4 a为第一主周期，7 a为第二主周期，两周期在下一个循环周期内存在相反变化趋势。

(2)气温在年内呈“单峰型”，最高温度和最低温度相差11℃，冬季寒冷漫长，夏季炎热短暂。受全球变暖影响，气温以0.031℃/a的趋势上升，60 a内升温2℃，且在2012年气温发生突变，突变后气温快速升高；气温存在分别以8 a、26 a为第一、二主周期。

(3)相关性分析表明，焉耆县降水和温度相关系数为0.125，未通过0.05显著检验，说明两者不存在相关性，说明气温和升降不影响降水变化。