“一帶一路”西亞地區降水時空特征及空間均衡分析

王豪杰，左其亭,2，郝林鋼，韓春輝，馬軍霞

(1.鄭州大學水利與環境學院，河南 鄭州 450001； 2.鄭州大學水科學研究中心，河南 鄭州 450001)

“一帶一路”倡議是“絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的合稱。我國政府提出“一帶一路”倡議，目的在于促進歐、亞、非大陸的經貿合作關系，形成一個完整的海上、陸路經貿合作圈和利益共同體。國家發展改革委員會、外交部和商務部在2015年聯合發布《推動共建絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路的愿景與行動》[1]，標志著我國的“一帶一路”倡議進入了全面推進階段。“一帶一路”倡議提出后，受到了國際社會的熱烈支持和響應，尤其在西亞地區受到了廣泛的支持。

西亞地區位于亞、歐、非三大陸的交界處，是國家和地區間交流合作的重要廊道，地理位置十分重要。西亞地區自然資源分布極不均衡，擁有世界上最豐富的石油資源，同時也是世界上淡水資源最缺乏的地區，無流區和內流區分布廣泛，地面常年干燥缺水，除地中海、黑海沿岸等地區外，年降水量常年在300 mm以下，是世界上干旱問題最嚴重的地區之一[2]。在“一帶一路”倡議實施背景下，西亞地區水資源極度短缺的問題可能會給地區發展帶來更加沉重的壓力，其水資源安全對西亞地區的發展起著至關重要的作用。

目前，關于西亞地區降水和水資源特征的研究較少，且由于地區降水資料缺乏等因素，涉及西亞地區降水研究的成果多為全球性或區域性的大尺度研究。李若麟[3]通過分析北半球干旱區的降水轉化和再循環特征，得出在過去的30余年，隨著全球氣溫的上升，西亞干旱區的降水再循環率呈現出增加趨勢，而降水呈現出減少趨勢；趙天保等[4]評估了CMIP5對包括西亞在內的全球典型干旱區降水變化特征的模擬，得出西亞地區降水未來變化情景表現出明顯減少趨勢的結論；常遠勇等[5]基于1988—2010年TRMM(tropical rainfall measuring mission)衛星數據，對全球中低緯度降水時空特征進行了分析，指出中東等地區在全球范圍內屬于降水偏少區域；馬秀卿[2]總結了西亞地區的水資源問題，并提出了相應的對策建議。現有研究成果缺乏對西亞地區整體及“一帶一路”西亞主體水資源區降水時空變化特征的系統分析。基于此，本文通過對西亞地區降水資料的收集和整理，分析“一帶一路”西亞主體水資源區的降水時空特征及其趨勢變化、周期演變等規律，并對西亞地區的降水空間均衡情況進行定量分析，以期為“一帶一路”倡議在西亞地區的實施提供支撐。

1 研究區概況

西亞又稱西南亞，位于亞洲西南部地區，處于東經74°56′～26°16′，北緯43°34′～12°35′。主要包括沙特阿拉伯、土耳其、伊朗、伊拉克、敘利亞等國家。氣候類型主要為熱帶沙漠氣候、亞熱帶草原沙漠氣候和亞熱帶地中海氣候，除土耳其西部受地中海氣候影響，氣候溫暖濕潤，其他地區均為常年炎熱干燥氣候，水資源極度匱乏，且水資源時空分布不均，除兩河流域外，其余地區均為短小河流或無流區，年內降水很少，且地區蒸發強烈，造成水資源短缺情況更加嚴重。

“一帶一路”主體水資源區是左其亭等[6-7]基于“一帶一路”倡議，通過分析大量文獻資料和政策文件確定“一帶一路”主體路線后，綜合考慮主體路線沿線的地形地貌、水資源情況及行政區劃等因素確定的，其中西亞主體水資源區范圍見圖1。本文研究區域“一帶一路”西亞主體水資源區是“一帶一路”主體水資源區位于西亞的部分，包括沙特阿拉伯、也門、阿曼、土耳其、伊朗5個國家，涉及面積約為551.77km2，主要分布在西亞地中海、黑海、紅海、波斯灣等沿海地區和國際交通要道。

圖1 “一帶一路”西亞地區及西亞主體水資源區

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

數據來源于CRU(climatic research unit)全球高分辨率降水數據集中西亞地區的逐月降水數據，分辨率為0.5°×0.5°。由于西亞地區本身為極度缺水地區，且部分地區由于歷史原因缺乏完善的降水資料歷史觀測記錄，導致本文所使用的CRU數據集在空間上也存在一定的數據缺失。通過對降水數據的分析，發現整個西亞地區90%以上的格點降水數據覆蓋了1961—2016年的完整降水數據，因此，選取1961—2016年的格點降水數據進行分析，針對部分缺乏降水資料的格點，基于克里金插值法，使用GIS軟件在空間上對其進行插補。

2.2 研究方法

a. 降水集中度。該方法由張錄軍等[8]提出，是在降水分析過程中將降水量看作矢量的一種度量降水年內非均勻分配的方法，能夠反映總降水量年內非均勻分配特性。降水集中度反映降水總量在研究時段內各個月的集中程度，是一個無量綱數，如果某一年的降水集中度越接近于1，說明該年降水越集中于某一月，如果某一年的降水集中度越接近于0，說明降水越不集中，即降水在一年之中接近于平均分配[8-10]。

b. M-K秩次相關檢驗。在長時期水文時間序列分析研究中，M-K秩次相關檢驗是一種被廣泛應用的非參數檢驗方法[11-12]，該方法對水文時間序列要求較低，計算靈活簡便，可以挖掘水文時間序列自身內含的特征。通過對M-K秩次相關檢驗的統計變量Z值進行分析，可以得出水文序列的長期變化趨勢及變化趨勢的顯著性。

圖2 “一帶一路”西亞地區及西亞主體水資源區多年平均降水量空間分布

c. 小波分析。該方法最早由Morlet在研究地震的時間尺度變化中提出，并于20世紀90年代由學者引入水文序列分析中[13]，主要用于分析水文序列的時間周期變化特征和周期震蕩強度[14-15]。小波分析法能定量提取出水文時間序列中隱含的周期特征及周期的連續穩定性和強度。

d. 降水空間均衡計算方法。對降水空間均衡進行的分析是基于左其亭等[16]2017年提出的水資源分布空間均衡計算方法。空間均衡指空間中任意點或單元相對于空間中平均水平的接近程度。空間均衡系數CSEC是對空間均衡程度的量化，取值范圍為[0,1]，系數越接近于1說明越均衡，反之則越不均衡。西亞地區降水隨空間變化較大且空間點較多，因此，選取降水空間均衡系數計算公式為

(1)

3 結果與分析

3.1 多年平均降水量特征分析

a. 多年平均降水量空間分布特征。利用GIS軟件，繪制的“一帶一路”西亞地區及西亞主體水資源區多年平均降水量空間分布圖(圖2)。由圖2可知，“一帶一路”西亞地區降水量呈現出明顯的空間差異性，表現出明顯的從西北向東南遞減的趨勢，這是由于西亞西北部位于地中海和黑海沿岸，屬于地中海氣候，而其他地區多為熱帶沙漠氣候和亞熱帶草原沙漠氣候，氣候炎熱干燥，降水稀少。

對“一帶一路”西亞主體水資源區進行分析，綜合考慮地區間的降水差異性、受氣候帶影響情況和國家地區劃分等因素，將“一帶一路”西亞主體水資源區分為土耳其地區、伊朗地區和阿拉伯半島地區，各子地區之間降水和氣候特性都有較明顯差異。其中，土耳其地區降水量相對比較充足，多年平均降水量范圍為300～900 mm，地區多年平均降水量704.2 mm，降水量分布呈由周邊地區向中心遞減的趨勢，這是由于土耳其地區毗鄰地中海，周邊沿海地區主要受地中海氣候控制，降水相對比較充沛。阿拉伯半島地區主要受熱帶沙漠氣候影響，終年炎熱干燥，多年平均降水量最低，為0～295 mm，地區多年平均降水量162 mm，在研究區乃至全球范圍內都處于極低水平。伊朗地區位于多個氣候帶交匯處，氣候條件復雜，受溫帶大陸性氣候、熱帶沙漠氣候和地中海氣候的共同影響，導致多年平均降水量介于土耳其和阿拉伯地區之間，為68～503 mm，地區多年平均降水量為397.8 mm，在空間上呈由西向東遞減的趨勢。

圖3 “一帶一路”西亞地區及西亞主體水資源區多年平均降水集中度分布

b. 多年平均降水集中度。根據1961—2016年的月尺度格點降水數據，得到研究區內各格點的多年平均月降水量，根據降水集中度計算方法，得出各格點的多年平均降水集中度，繪制“一帶一路”西亞地區及西亞主體水資源區多年平均降水集中度分布圖(圖3)。由圖3可以看出，“一帶一路”西亞主體水資源區內降水集中度差異較大，最低值為0.12，位于土耳其北部地區，最高值為0.74，位于伊朗東部，在空間上表現為距離海岸線越遠，降水集中度越高的變化趨勢；相比非主體水資源區，主體水資源區降水集中度整體較低，降水年內分配相對平均；土耳其地區降水集中度基本在0.4以下，降水年內分配相對平均，整體表現出顯著地受地中海氣候影響的降水模式；阿拉伯半島地區降水集中度低值主要分布在沙特阿拉伯，該地區位于沙特阿拉伯塞拉特山脈，降水受山地地形、地中海氣候和熱帶沙漠氣候的共同影響。

3.2 降水變化趨勢特征分析

根據CRU降水數據集，使用M-K秩次相關檢驗法分析每個格點的降水數據的時間變化趨勢，計算降水的M-K秩次相關檢驗統計量Z值，并利用GIS軟件，繪制“一帶一路”西亞地區及西亞主體水資源區Z值分布圖(圖4)。由圖4可知，“一帶一路”西亞地區降水整體上表現出明顯的地區差異性。降水呈增加趨勢的區域大多分布在沿海地區，且增加趨勢強度逐漸向內陸遞減；降水呈減少趨勢的區域在整個西亞地區廣泛分布，在數量和強度上均占據主導優勢地位；降水顯著減少區域在西亞中部地區集中分布，在伊拉克東部和伊朗西部地區大面積呈現出超過99%顯著性水平的減少趨勢，最小Z值達到-3.16。西亞地區降水呈現出大面積減少趨勢，部分地區減少趨勢特別顯著，對西亞地區特別是西亞中部水資源短缺地區將會帶來更加嚴峻的壓力。

圖4 “一帶一路”西亞地區及西亞主體水資源區Z值分布

對“一帶一路”西亞主體水資源區進行分析，降水變化趨勢比較復雜，土耳其地區中部及北部呈上升趨勢，并在中北部和東部少數地區出現顯著上升特征，其余地區均呈現出非顯著的下降趨勢，土耳其地區整體多年平均降水量的Z值為0.501 8，為非顯著上升趨勢。伊朗地區降水變化則呈現出整體下降的趨勢，在西部地區和東北部地區達到95%顯著下降水平，并在西南部地區達到99%的顯著下降水平，僅在中部部分地區有輕微的上升趨勢，伊朗地區整體多年平均降水量的Z值為-1.844 6，達到90%置信水平，并接近95%顯著性下降水平，整體降水量呈現出明顯的下降趨勢。阿拉伯半島地區降水量長期趨勢變化情況比較復雜，沙特阿拉伯地區東部及也門西部位于阿拉伯半島塞拉特山脈，降水演變呈非顯著上升趨勢，沙特阿拉伯西部及阿曼東部等地區呈非顯著下降趨勢，位于也門中部的地區降水變化為顯著下降趨勢，阿拉伯半島地區整體的Z值為-0.954 1，為非顯著下降水平。對“一帶一路”西亞主體水資源區像元尺度計算所得的Z值進行統計，并根據不同顯著性水平繪制柱狀圖(圖5)。由圖5可見，“一帶一路”西亞主體水資源區的降水，整體有64%的像元呈減少趨勢，其中有10%左右達到顯著下降水平，有36%的像元為增加趨勢，其中僅有1%呈顯著增加趨勢；伊朗地區降水超過95%的像元均呈現出減少的趨勢，有近30%的像元為顯著減少趨勢，且減少趨勢顯著性水平達到99%的像元均分布在伊朗地區內，說明伊朗地區的未來整體降水量將呈明顯的減少趨勢，且在西部地區減少趨勢更加嚴重；土耳其地區降水變化呈增加趨勢的像元約為60%，呈顯著增加趨勢的像元約占土耳其地區總像元的3%，整體呈現出不顯著的增加趨勢；阿拉伯半島地區降水變化趨勢與土耳其地區相反，呈減少趨勢的像元約占60%，整體呈現減少趨勢但不顯著。

圖5 “一帶一路”西亞主體水資源區降水變化趨勢像元百分比分布

3.3 降水周期特征分析

針對“一帶一路”西亞主體水資源區3個分區，采用小波分析法分別進行周期性檢驗，使用matlab軟件分析其周期演變特征，并繪制各分區小波變換系數實部方差圖和小波變換方差圖(圖6)。從圖6可看出，“一帶一路”西亞主體水資源區內各分區均存在不同尺度的周期演變特征。土耳其地區存在20～25 a的周期變化特征，但周期在整個研究期內較不穩定，1961—1985年20～25 a周期穩定存在，1985—2005年周期有向10～15 a演變的趨勢，又在2005年之后重新回到20～25 a周期；伊朗地區存在穩定的8～10 a周期的變化特征，且周期一直貫穿于整個研究期內；阿拉伯半島地區存在8～10 a和 22～25 a兩類周期變化特征，且周期特征表現均較穩定，其中8～10 a周期變化對降水序列的方差貢獻程度最大，是阿拉伯地區降水變化的第一主周期，22～25 a周期為第二周期。

3.4 降水空間均衡分析

計算“一帶一路”西亞地區及西亞主體水資源區多年平均降水空間均衡系數，并繪制降水空間均衡系數分布圖(圖7)。根據空間均衡計算原理，空間均衡系數越接近于1，說明該點的降水量越接近于平均值，而系數越接近于0，則該點降水量偏離降水平均值的程度越高，此時的降水量可能偏大或偏小，導致易發生洪澇干旱等水災害。由圖7可以看出，西亞地區降水最均衡的地區分布在伊朗地區附近，伊朗部分地區均衡系數接近于1，說明伊朗地區的多年平均降水量在整個西亞地區范圍內處于平均水平；阿拉伯半島地區降水空間均衡系數除少部分沿海地區外均在0.4以下，并在阿拉伯半島西部地區和中東部地區形成兩個降水空間均衡系數低值中心，結合阿拉伯地區降水特征，說明阿拉伯半島地區的降水在西亞地區處于較低水平，而在阿拉伯半島西部和中東部地區降水量最低，且呈集中式分布；土耳其地區降水空間均衡系數呈由中心向四周遞減的趨勢，且隨距離遞減速度加快，結合地區降水特征，說明土耳其地區周邊地區降水量偏離平均值較大，且向中心處降水量快速衰減。

(a) 土耳其地區小波變換系數實部方差 (b) 土耳其地區小波變換方差

(c) 伊朗地區小波變換系數實部方差 (d) 伊朗地區小波變換方差

(e) 阿拉伯半島地區小波變換系數實部方差 (f) 阿拉伯半島地區小波變換方差圖6 “一帶一路”西亞主體水資源區各分區小波分析結果

圖7 “一帶一路”西亞地區及西亞主體水資源區多年平均降水空間均衡系數分布

4 結 論

a. 將“一帶一路”西亞主體水資源區分為土耳其地區、伊朗地區和阿拉伯半島地區，3個分區降水空間差異明顯，土耳其地區降水最充足，阿拉伯半島地區降水最稀少。

b. 在趨勢變化方面，土耳其地區Z值為0.501 8，降水呈非顯著上升趨勢；伊朗地區Z值為-1.844 6，降水呈明顯的下降趨勢，達到90%置信水平；阿拉伯半島地區Z值為-0.954 1，降水呈非顯著的下降趨勢。

c. 周期變化方面，土耳其地區存在不穩定的20～25 a周期變化特征，伊朗地區存在穩定的8～10 a周期變化特征，阿拉伯地區存在8～10 a和22～25 a兩類周期變化，且8～10 a周期為第一主周期。

d. 在降水空間均衡方面，伊朗地區降水空間均衡系數最高，降水在研究區內處于平均水平，阿拉伯半島地區降水空間均衡系數較低，且在西部和中東部地區呈集中式分布。

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