和田河典型站點徑流及氣象因子變化規律分析

高云　郭維華

摘要：新疆和田河流域環境脆弱，徑流極易受氣候變化的影響。基于此，通過對和田河典型站點1980-2013年間的數據資料分析得出：同古孜魯克站年降水量總體呈現明顯增加趨勢，增加率為18 mm/（10a），降水量發生兩次突變，1993年突變發生以后年降水量呈現減少趨勢，2001年發生第二次突變，突變發生之后降水量呈增加趨勢；年平均氣溫呈0.232 ℃/（10a）的上升趨勢，2007年出現最高氣溫，最低氣溫出現在2012年；年日照時數以傾向率為21.5 [JP2]W/（m2·（10a））的速度趨勢減少；年徑流量以23.5×107 m3/（10a）的速率在增加；徑流與前期氣溫的相關性強于降水。

關鍵詞：氣候變化；全球變暖；徑流變化；小波分析；半干旱荒漠區

中圖分類號：P333文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02008706

Abstract：

The environment in Hetian river basin is fragile.The runoff is extremely vulnerable to climate changes.Through the analysis of data from 1980 to 2013，we found that the annual precipitation at Tong Gu Zi Lu Ke station showed a significant increasing trend at a rate of 18 mm/（10a）.The annual average temperature was increasing by 0232 ℃/（10a）.The highest temperature appeared in 2007；the lowest temperature appeared in 2012.The annual sunshine hours were decreasing at a rate of 215 W/（m2·（10a））.The annual runoff was increasing at a rate of 235×107 m3/（10a）.The runoff had a stronger correlation with antecedent temperature than precipitation.

Key words：climate change；global warming；runoff variation；wavelet analysis；semiarid desert area

和田河是塔里木河的主源之一，發源于昆侖山和喀喇昆侖山北麓，以冰川融水補給為主[1]。隨著全球變暖，近30年來新疆和田河流域也出現了氣候變暖的趨勢，這將對水文水資源產生重大影響[213]。其上游徑流量的變化直接關系到和田綠洲及南疆塔河流域用水的安全性及生態穩定性[1416]。深入開展氣候變化對和田河徑流量影響研究，對促進和田流域綠洲經濟發展，實現區域水資源可持續利用，維護和改善綠洲內的生態環境具有重要的現實意義[1725]。

本文采用同古孜魯克站水文站1980-2013年氣象及徑流資料進行分析研究，該站點設置在和田河東支玉龍喀什河出山口處，由于該地區人口稀少，受人類活動影響小，接近天然徑流，因此出山徑流的變化主要受氣候變化的影響，該支流屬于冰雪融水及高山降水混合補給型河流，年徑流主要受氣溫及山區降水的影響，因此，降水量、氣溫、日照等重要氣象要素的時空分布在一定程度上決定了徑流量的變化[2627]。

1分析方法

由于和田河上游徑流主要產生于受人類活動影響較少的山區，平原基本不產生徑流，出山徑流的變化反映了氣候因素影響下天然徑流的變化。本文針對同古孜魯克站34年的逐月徑流、降水、氣溫、日照資料，運用距平、5 a滑動平均、趨勢分析法[7，9]詳細分析了和田河流域徑流、降水、氣溫、日照時數的年內分配以及年際變化規律，運用MannKendall突變檢驗[16]分析其突變特征，采用Morlet小波分析法[19，21]進一步識別了徑流及關鍵氣候要素的周期演變特征，并研究氣候變化對和田河上游徑流量的影響。

2徑流量及氣象要素的變化規律

2.1徑流量的變化規律

2.1.1時間變化規律

圖1為1980-2013年同古孜魯克站逐年徑流量距平的時間變化過程。可以看出，年徑流量的最大正距平值為1264×107 m3，出現在2010年，最大負距平值為-850×107 m3，出現在1993年；20世紀80年代至90年代末為年徑流量的偏少期，進入21世紀以后徑流量有明顯的增加趨勢。

2.1.2突變檢驗

為了檢驗同古孜魯克站年徑流量隨時間的變化有無突變的顯著性發生，采用了MannKendall突變檢驗（此后簡稱MK突變檢驗）。圖中UF曲線的值大于零表明該要素序列呈上升趨勢，小于零則表明呈下降趨勢；當其值超過臨界線（-196和196）時，說明變化趨勢顯著，通過了a=0.05顯著性水平檢驗；UF和UB曲線的交點即為突變點。根據圖2所示，第一次突變發生在2004年，發生突變之后序列呈現增加趨勢，表明21世紀初該站水資源短缺現象有所緩解，但增加趨勢未超過95%顯著水平。

2.1.3周期分析

為了分析同古孜魯克站年徑流量變化的振蕩周期，本文利用Morlet小波變換，將同古孜魯克站1980-2013年的年徑流量序列的頻率特征在時域上展現出來。圖3清晰地反映了序列各種周期的強弱和分布情況，小波系數為正時，表示可利用降水量相對偏多，為負時表示相對偏少。由圖可見，該站存在12～15 a左右的年代際周期和5 a左右的年際變化周期。12～15 a左右的年代際周期在20世紀90年代至21世紀初較強烈，5 a左右的周期在20世紀80年代至90年底明顯，之后減弱。

2.2降水量的變化規律

2.2.1時間變化規律

圖4給出了同古孜魯克站1980-2013年降水量的時間分布，年降水量的多年平均值為757 mm。由圖4可看出20世紀80年代至90年代初期降水量呈增加趨勢，在1987年、1993年出現過較大的降水過程；20世紀90年代中至末期出現34年來降水量最少的年份，最小值出現在1997年，值為106 mm；進入21世紀后年降水量呈增加趨勢，大部分年份降水量高于多年平均，2010年出現34年來最大的降水量，值為2158 mm。

2.2.2突變檢驗

為了進一步明確年降雨量的突變時段，對同古孜魯克站1980-2013年的年降水量進行了MK突變檢驗（圖5）。根據圖5中兩條曲線在臨界值之間的交點位置，可以確定第一次突變發生在1993年，突變發生以后年降水量呈現出明顯的減少；2001年發生第二次突變，突變發生之后降水量呈增加趨勢。

2.2.3周期分析

為了明確年降水量的周期性，利用Morlet小波變換分析了同古孜魯克站1980-2013年的年降水量序列的頻率特征。由圖6可見，20世紀80年代至90年代末3～5 a左右的小尺度周期存在，進入21世紀之后振蕩中心在8～10 a左右的時間尺度表現強烈，15 a的年代際變化周期貫穿整個研究時期。

2.3氣溫的變化規律

2.3.1時間變化規律

圖7為同古孜魯克站年平均氣溫隨時間的變化規律。由圖可見，近34年來同古孜魯克站年平均氣溫呈線性增加趨勢，增加率為0232 ℃/10a，多年平均氣溫為1269 ℃，近34年來的最高氣溫出現在2007年，比多年平均偏高112 ℃，最低氣溫出現在2012年，值為117 ℃。

2.3.2突變檢驗

圖8為同古孜魯克站年平均氣溫突變檢驗分布，可以確定該站年均氣溫在1989年發生突變，1989年之后UF線有明顯的上升趨勢，特別是2001年之后氣溫增高更顯著。

2.3.3周期分析

圖9為同古孜魯克站1980-2013年的年平均氣溫序列的小波分析圖，從圖可看出該站年平均氣溫的年際變化最強的信號是2～3 a和6～10 a的周期振蕩。其中20世紀90年代之后8 a左右的周期振蕩最明顯，年代際尺度周期主要是25 a左右。

2.4日照的變化規律

2.4.1時間變化規律

圖10為同古孜魯克年日照時數序列隨時間的變化情況。由圖可見，近34年來該站日照時數總體上呈線性減少趨勢，減少率為215 W/（m2[KG-*2]·[KG-*4]（10a）），多年平均日照時數為2 5833 W/m2，近34年來的最強[JP3]日照時數出現在1997年，值為3 0701 W/m2，最低日照時數出現在1995年，比多年平均偏低4038 W/m2。

2.4.2突變檢驗

圖11為同古孜魯克年日照時數的MK突變檢驗分布。由圖可知，該站年日照時數在1982年發生過突變，發生突變之后UF線有明顯的減少趨勢，特別是1985年之后日照強度減少更顯著，2002年之后逐漸進入增加趨勢，但2011年之后又呈現減少趨勢。

2.4.3周期分析

圖12為同古孜魯克1980-2013年的年日照時數序列的Morlet小波分析圖，該站年日照時數6～8 a左右的年際變化周期貫穿整個研究時期。3 a左右的周期在20世紀80年代至90年代中期較明顯，之后不穩定，年代際尺度的周期不顯著。

3氣象要素對徑流量的影響

為了明確氣候變化對研究區徑流量的響應，通過單相關系數法對年徑流量與降水、氣溫、日照進行相關分析，用t檢驗來考察其顯著程度，選定信度α=005后從t分布表中查出相應的ta，當|t|>ta時，認為在這一信度下兩者間相關性顯著，否則認為不顯著，從中挑選出對年徑流量影響顯著的因子。

由于當年的逐月實測徑流量不僅受當年各項氣象因子的影響，前期氣象因子對其也可能具有一定的影響，因此分析同期徑流量與氣象要素之間的相關性時，還應分析其與錯開1年和2年的氣象要素的滯后效應。分析年徑流量與同期氣象要素相關關系時，資料長度n=34，α=005時，ta=1691，γa=0339；年徑流量與前1年的各氣象要素相關關系時，資料長度n=33，α=005時，ta=1691，γa =0334；年徑流量與前2年的各氣象要素相關關系時，資料長度n=32，α=005時，ta =1694，γa =0349。

表1為同古孜魯克站年徑流量與同期及前期降水、氣溫之間的相關系數。由表可以看出，年徑流量與同期以及前期降水量呈線性正相關，但只有年徑流量與同期年降水量、夏季降水量以及提前1年的夏季降水量之間的正相關性均通過顯著性檢驗，其余季節降水對年徑流量影響不大（未通過顯著性檢驗）；年徑流量與同期的氣溫呈正相關，但未通過α=005的顯著性檢驗，提前1年春季、夏季、秋季氣溫與年徑流量的相關系數分別為0614、0515、0578，均通過α=005的顯著性檢驗，說明年徑流量與之明顯的正相關性；提前1年前三個季節氣溫與徑流量的相關系數比夏季降水量的相關系數更大，表示前期氣溫對徑流量的影響比降水更大；年徑流量與同期和前期日照時數的相關性分析發現，同期秋季日照時數和提前1年冬季日照時數對年徑流量影響顯著。

4結論

同古孜魯克站年降水量呈現出明顯的增加趨勢，增加率為18 mm/（10a），存在3～5 a、8～10 a和15 a左右的震蕩周期，而平均氣溫呈以0232 ℃/（10a）的上升趨勢，進入21世紀后氣溫先降低后增高，最后呈現出降低趨勢，年日照時數則呈現出以傾向率為215 W/（m2·（10a））的速度減少趨勢，20世紀80年代至21世紀初日照時數呈現出逐漸減少趨勢，雖然21世紀10年代中末期呈現出略微增加趨勢但之后又進入減少狀態，1982年發生過突變，存在3 a、6～8 a左右的周期。通過進一步的分析發現徑流與前期氣溫的相關性強于降水，氣溫升高對徑流的影響高于降水增加的影響，前期氣溫增加會加快冰雪融化，對徑流量產生直接的影響。

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