近50年來瑪納斯河流域氣候變化對可利用降水量的影響

摘要：選擇１９６１～２００９年逐月降水和溫度資料，計算出瑪納斯河流域年平均蒸發量及可利用降水量。在詳細分析了近５０年來瑪納斯河流域降水、氣溫、蒸發及可利用降水量變化特征的基礎上，采用灰色預測分析法對降水、氣溫和可利用降水量進行了模擬，并對未來５年上述要素進行了預測。結果表明，近５０年來瑪納斯河流域溫度、降水和可利用降水量變化基本呈上升趨勢，而蒸發量則呈現出下降的變化特征。建立灰色預測ＧＭ（１，１）模型對瑪納斯河流域２０１０～２０１４年的年降水、氣溫及可利用降水量進行預測，發現今后５年該流域溫度將繼續升高，而降水量和可利用降水量將出現減少的趨勢。因此，為保證水資源能滿足該綠洲干旱區可持續發展的要求，必須合理規劃，注重水資源的保護和合理利用。

關鍵詞：瑪納斯河流域；氣候變化；可利用降水量變化；灰色預測

中圖分類號：Ｐ４６７文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）22－4582-04

Influence of Climate Change on Available Precipitation in Manas River Basin over Last 50 Years

ＴＡＮＧ Ｘｉａｎｇ-ｌｉｎｇ１，Ｌ?譈 Ｘｉｎ２

（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎｏｒｍａｌ，Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２０００，Ｘｉｎｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏａｓｉｓ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｒｐｓ ｉｎ Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２０００，Ｘｉｎｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｎｔｈｌｙ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ １９６１ ｔｏ ２００９， ｔｈｅ ａｎｎｕａｌ ｍｅａｎ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍａｎａｓ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ． Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｓｔ ５０ ｙｅａｒｓ， ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ their ｃｈａｎｇｅs ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｉｎｇ ｆｉｖｅ ｙｅａｒｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｈａｄ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｌａｓｔ ５０ ｙｅａｒｓ， ｂｕｔ ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ decreased． Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ａｎｎｕａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ Ｍａｎａｓ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｗａｓ ｘ（１）（ｔ＋１）＝７６８．３６９ ６０８ｅ０．０１０３４８ｔ－７６０．５２８ ６０８. Ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｕｐｗａｒｄ ｔｒｅｎｄ ｉｎ ａｎｎｕａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｂｕｔ ａ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｒｅｎｄ ｉｎ ａｎｎｕａｌ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｍａｎａｓ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ； ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ； ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ； ｔｒｅｎｄ； ｇｒｅｙ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ

瑪納斯河流域位于天山北麓，準噶爾盆地南緣，地處東徑８５°０１′－８６°３２′，北緯４３°２７′－４５°２１′，東西最長１９８．７ ｋｍ，南北最寬２６０．８ ｋｍ。總面積２．４３萬ｋｍ２，其中山區１．１０萬ｋｍ２，平原０．９６萬ｋｍ２，沙丘０．３５萬ｋｍ２。地勢南高北低，南部為天山山地。流域內最高海拔５ ２４２．５ ｍ，海拔１ ０００．０～３ ６００．０ ｍ的山地有森林和荒漠草原植被。平原區海拔３００～５００ ｍ。流域屬大陸性氣候，日溫差較大，年平均氣溫６．６ ℃，年降水量１１０～２００ ｍｍ，年蒸發量１ ５００～２ ０００ ｍｍ［１］。研究表明，近幾十年來，在全球氣候變暖的大背景下，新疆氣候有了較大的變化，全區氣溫、降水分別呈現出上升和明顯的增濕趨勢［２］。氣候變暖，會使得水循環加快，可利用降水量分布發生變化，水文極端事件發生頻率增加，對經濟發展影響極大。這種問題已引起國內外專家學者的普遍關注［３－６］。新疆干旱區降水量偏少，水資源一直是制約和影響當地經濟發展的主要因素。在全球氣候變暖的背景下，天山北坡經濟帶氣溫、降水和可利用降水量發生了什么變化，未來變化趨勢如何，是當地政府非常關心的問題。因此，對近５０年來瑪納斯河流域地區降水、氣溫、蒸發和可利用降水量變化特征進行了較為詳細的分析，并采用逐步回歸周期分析方法對未來５年各要素變化趨勢進行了預測，具有十分重要的意義。

１材料與方法

１）選用瑪納斯河流域７個氣象站（石河子、炮臺、莫索灣、下野地、瑪納斯、克拉瑪依、烏蘇）作為代表站。利用１９６１～２００９年近５０年逐月降水和溫度資料，根據高橋浩一郎公式［７］計算了瑪納斯河流域地區年平均蒸發量。高橋浩一郎公式：

Ｅ＝ （１）

上式中的Ｅ為月蒸發量（單位：ｍｍ），Ｒ為月總降水量（單位：ｍｍ），Ｔ為地面月平均氣溫（單位：℃）。定義可利用降水量［８，９］為：Ｗ＝Ｐ－Ｅ。從氣象角度考慮，降水（Ｐ）與蒸發（Ｅ）之差越大（Ｐ－Ｅ＞０），則局地可利用降水量越豐富，從大氣中得到的水資源越多；反之，可利用降水量及從大氣中得到的水資源量越少。

２）利用２０００～２００９年溫度、降水、蒸發、可利用降水量的資料，建立灰色預測ＧＭ（１，１）模型［１０］對瑪納斯河流域溫度、降水、蒸發、可利用降水量的變化進行預測。

設原始時間數據序列為：

ｘ（０）（ｉ）＝｛ｘ（０）（１），ｘ（０）（２），…，ｘ（０）（ｎ）｝

對原始時間數據序列作一次累加生成處理得到生成數據序列：

ｘ（１）（ｉ）＝｛ｘ（１）（１），ｘ（１）（２），…，ｘ（１）（ｎ）｝ｉ＝１，２，…，ｎ

（２）

其中ｘ（１）（ｉ）＝ｘ（０）（t） （３）

其相應的ＧＭ（１，１）微分方程為：

+ax（1）=ｕ （４）

設ｂ＝（ａ，ｕ）Ｔ，按最小二乘法得到：

ｂ＝（ＢＴＢ）－１ＢＴＹ１（５）

其中，Ｂ＝-（x（1）（1）+x（1）（2）），1-（x（1）（2）+x（1）（3）），1 … …-（x（1）（n-1）+x（1）（n）），1

Y1=x（0）（2）x（0）（3） ……x（0）（n） （６）

則得到微分方程的解為：

x（１）（ｔ＋１）＝x（0）（1）-e-at+（７）

還原得：x（０）（ｔ＋１）＝x（１）（ｔ＋１）－x（１）（ｔ） （８）

２結果與分析

２．１近５０年來瑪納斯河流域氣候變化及可利用降水量特征

為了從時間尺度上了解反映氣候特征因子及可利用降水量的演變特征，研究采用１０年滑動平均的方法［１１］，繪制了各要素距平（取１９８０～２００９年平均作為平均值）的滑動平均值變化曲線如圖１～圖４。

２．１．１瑪納斯河流域溫度變化特征分析由圖１可知，１９６１～２００９年年平均氣溫呈波動式上升趨勢，其年平均氣溫變化傾向率是０．３0 ℃／１０年，通過了顯著性水平α＝０．０５的顯著性檢驗；近５０年的平均氣溫為７．６ ℃，年平均最高氣溫是９．１ ℃（２００６年），年平均最低氣溫是５．６ ℃（１９６９年）；１９６５～１９８９年年平均氣溫以負距平為主，處于低溫階段，１９８９年以后，年平均氣溫一直呈上升趨勢；在１９９７年以后的１３年里，增溫幅度十分明顯，達到了０．５２ ℃／１０年。

２．１．２瑪納斯河流域降水變化特征分析從圖２可知，近５０年瑪納斯河流域降水總的呈增多趨勢，在１９６１～１９９２年的３２年里，降水主要以負距平為主，負距平出現２３年，占總數的７１％；在１９９２～２００９年的１８年中，降水正距平的年份明顯增多，且正距平的數值都較大；１９８７年以后年平均降水量一直呈上升趨勢，１９８７～２００９年比１９６１～１９８６年年平均降水量偏多３３％。對比圖１與圖２可知，溫度和降水的變化趨勢具有相似性，溫度升高降水量也明顯增大，這與北疆氣候已從暖向暖濕轉型這一結論基本一致。降水顯著增加的原因可能是空氣中水汽含量的增加和有利的天氣形勢。空氣中水汽的增減是降水量變化的重要條件。王紹武等［１２］研究發現西北有兩個水汽含量相對高值中心，一個位于南疆盆地，最大中心平均值超過５０ ｍｍ，另一個位于北疆，大于４０ ｍｍ。全球變暖驅動水循環過程加快，Ｂｏｎｄ等［１３］曾估算溫室氣體加倍所導致的升溫，將使大氣中水汽含量增加１５％，陸地降水量增加８％。

２．１．３瑪納斯河流域蒸發變化特征分析分析結果表明，近５０年來蒸發量呈波動式下降的趨勢。從圖３可知，１９７３～１９８３年蒸發量１０年滑動平均曲線呈上升的態勢，１９８４年以后基本上都呈下降的態勢。蒸發和降水具有不一致性，降水量呈增加趨勢，而蒸發量呈下降態勢，說明空氣濕度增加。該結論與現有的一些研究結果是基本一致的。

２．１．４瑪納斯河流域可利用降水量變化特征分析由圖４可知，可利用降水量變化要比以上三要素復雜，距平值呈波浪式在零線附近擺動。變化明顯的３個階段是１９７３～１９８３年呈下降趨勢，１９８４～１９８９年、１９９８～２００７年呈上升趨勢。周期分析結果顯示，可利用降水量變化存在４年、２８年的周期。

可利用降水量與溫度、降水量、蒸發量的相關分析結果表明，溫度與可利用降水量的線性相關系數是－０．１３２，相伴概率是０．３６５，沒有通過α＝０．０５的顯著性檢驗，說明溫度對可利用降水量的直接影響并不大；降水量、蒸發量與可利用降水量的線性相關系數分別是０．９９９和－０．８７８，相伴概率均為０．０００，通過了α＝０．０１的顯著性檢驗，降水量和蒸發量對可利用降水量的影響很大。降水量與蒸發量呈負相關，相關系數是-０．８５５，通過了α＝０．０５的顯著性檢驗，表明降水量與蒸發量的變化本身具有較強的不一致性，即降水量加大（減小），蒸發量則同步減小（增大）。這就使得與降水量、蒸發量關系密切的可利用降水量的變化具有不確定性。

２．２未來５年瑪納斯河流域溫度、降水及可利用降水量變化趨勢預測

以２０００～２００９年數據對未來５年瑪納斯河流域年平均氣溫變化建立ＧＭ（１，１）預測模型。

原始數據序列為：

ｘ（０）＝［７．８４，８．４０，８．５0，７．４0，７．９0，７．７0，９．１0，８．７0，

８．８0，８．５0］

對原始數據序列作一次累加生成處理得到生成數序列：

ｘ（１）＝［７．８４，１６．２４，２４．７４，３２．１４，４０．０４，４７．７４，

５６．８４，６５．５４，７４．３４，８２．８４］

由（６）式得：

Ｂ＝-12.04，1-20.49，1-28.44，1-36.09，1-43.89，1-52.29，1-61.19，1-69.94，1-78.59，1，Y＝8.408.507.407.907.709.108.708.808.50

由（５）式解得：ａ＝－０．０１０ ３４８ｕ＝７．８７０ ０１６

因此得到的預測模型為：ｘ（１）（ｔ＋１）＝

７６８．３６９ ６０8ｅ０．０１０ ３４８ｔ－７６０．５２９ ６０８

令ｔ＝１，２…，９解得模型值，再由（７）式還原得出２００１～２００９年平均氣溫預測值分別為７．９９２、８．０７５，８．１５９、８．２４４、８．３３0、８．４１６、８．５０４、８．５９２、８．６８２ ℃。由表1可以看出，相對誤差的絕對值為０．０２１～０．１０3，說明模型模擬的精確度較好，可以進行預測。

利用模型ｘ（１）（ｔ＋１）＝７６８．３６９ ６０８ｅ０．０１０ ３４８ｔ－７６０．５２９ ６０８，當ｔ＝１０，１１，１２，１３，１４時，即２０１０、２０１１、２０１２、２０１３、２０１４年的平均氣溫預測值分別是８．７７0、８．８６0、８．９５0、９．０５0、９．１４0 ℃。

同理利用瑪納斯河流域２０００～２００９年降水量和可利用降水量的原始數據對２０１０～２０１４年的降水量和可利用降水量進行預測，其結果是２０１０～２０１４年的年降水量預測值分別是２１７．８、２１４．７、２１１．８、２０８．８、２０５．９ ｍｍ；２０１０～２０１４年可利用降水量預測值分別是１９３．４、１９０.0、１８６．６、１８３．３、１８０．１ ｍｍ。

從預測結果顯示，在未來的５年里，瑪納斯河流域溫度將比常年（１９８０～２００９年均值）偏高，而降水量及可利用降水量呈下降趨勢。

３結論

對１９６１～２００９溫度、降水、蒸發和可利用降水量資料的分析表明，近５０年來瑪納斯河流域氣溫、降水量和可利用降水量總體均呈波動式上升趨勢，蒸發量呈下降趨勢，表明該流域空氣濕度有增大的趨勢，這與北疆地區氣候由暖干向暖濕轉型的結論相一致；溫度、降水、蒸發和可利用降水量的相關分析結果表明，可利用降水量的變化受氣溫影響小，主要是受降水量和蒸發量的影響，降水量與蒸發量呈負相關，可見降水量與蒸發量的變化本身具有較強的不一致性，即降水量加大（減小），蒸發量則同步減小（增大），這就使得與降水量、蒸發量關系密切的可利用降水量的變化具有不確定性。

未來５年要素變化趨勢預測結果表明，溫度有繼續升高的趨勢，降水量與可利用降水量將進入偏少的時期。因此，在未來５年中，應考慮可利用降水量將減少的預測結果，合理規劃，注重水資源的保護和合理利用，以保證水資源能滿足干旱區瑪納斯河流域綠洲可持續發展的要求。

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