基于地統計學和M-K檢驗的頭屯河流域降水時空變化分析

李亞麗

(新疆頭屯河流域管理局 水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

降水是全球大氣系統在耗散過程中的矢量之一，也是氣候變化背景下敏感的生態因子。受水循環機制、降水時空模式影響，區域降水量具有非線性、隨機性的特點，并對生態系統演進和人類社會可持續發展帶來重大影響[1-2]。相關學者研究表明，近60年來全球不同地區的干旱、高溫、洪澇、風暴等極端氣候現象頻發且不確定性加強，而這均被認為與降水變化顯著相關[3]。研究區域降水時空分布規律，為氣象減災、氣候預報、水資源利用提供基礎信息。

1 研究區域與資料方法

1.1 研究區概況

頭屯河流域位于新疆烏魯木齊市西北，地理坐標介于E87°50′46″-E87°28′52″、N43°50′46″-N43°54′36″，流域面積275.49 km2，人口12.5萬人。區域屬盆地地形，高程介于623～759 m，總體呈自南向北傾斜，起伏度低。頭屯河呈自西南-東北流向，干流長度26 km，平均比降1.02‰，徑流量達53.86×104m3。該流域屬于溫帶大陸性干旱風氣候區，季候分明、溫差變化大，年平均氣溫9.62℃，各地降水量介于134～378 mm，>10℃積溫達2 800℃～3 500℃，干旱、大風、暴風雪水等災害天氣頻現。近50年來，榃濱河流域氣溫變化斜率為0.054℃/10 a，與此同時降水也呈波動性變化。

1.2 Mann-Kendall突變檢驗

降水是具有時間特性的自然隨機變量，對于其一維趨勢的測量，Mann-Kendall(M-K)檢驗法具有不受樣本值、分布類型等影響的特點，準確挖掘其隱含信，在降水變化研究領域中得到廣泛應用。其檢驗統計量S公式為[4]：

(1)

式中：Sgn()為符號函數，規則如下：

(2)

S為正態分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，當n>10時，正太分布統計量計算如下：

(3)

若Z>0，則表明降水在該時間序列呈增加趨勢，否則為降低趨勢；且Z≥1.28、1.96、2.32時，表明降水變化趨勢通過了0.001、0.01、0.05水平的信度檢驗[4]。

1.3 地統計學

降水不僅具有時序變化特征，在一定空間范圍內其亦具有分布差異。半方差函數(Semi-variogram)是基于地質統計學建立起來的空間分析方法，其能夠解釋降水量空間相關、分布、聚集性特征，公式如下：

(4)

式中：γ(h)為半方差函數；N為觀測樣點數量；h為觀測點之間的距離；Z(xi)和Z(xi+h)分別為變量(氣溫或降水)在位置xi和xi+h處的大小。

根據半方差理論，可對觀測區內其他不同位置上點值屬性進行無偏估測，即Kriging插值法[5]：

式中：λi為第i個樣點的權重系數；Zx、Z(X)分別為目標點和輔助點的估測值。

1.4 數據來源與處理

本研究數據由國家氣象中心(http://dctc.cmc.cn/)提供，時間跨度為1980～2016年，能夠反映降水變化現勢性特征。為度量其季節性特征，按照常規方法進行劃分：春季(3-5月份)、夏季(6-8月份)、秋季(9-11月份)、冬季(12-2月份)。運用Matlab 2017b軟件對年季節降水量進行趨勢檢驗； Excel 2016軟件匯總逐日降水量數據，并繪制其變化趨勢圖；應用GS+9.0和surfer13.0進行地統計分析，并繪制降水量空間分布圖。

2 結果分析

2.1 頭屯河流域降水量傾向斜率分析

一元線性回歸能夠直觀表達降水量宏觀趨勢，頭屯河流域1980-2016年全年與各季節降水量時間變化見圖1。

圖1 頭屯河流域年降水和四季降水時間變化

由圖1可知，頭屯河流域年降水量總體呈減少的趨勢特征，變化斜率為6.86/10 a，其最小值為1997年的134.12 mm，最大值為1981年的315.6 mm。各季節降水量分配不均，夏季降水占年降水量的45%～65%，其中夏季降水的變化趨勢達-35.23/10 a，表明夏季降水減少最大。而春、冬季節降水量的變化斜率分別為-4.17和-3.05 mm/10 a，變化趨勢不顯著。秋季降水量略呈增加趨勢，變化斜率達11.02 mm/10 a。秋季為該地區作物收獲時節，該季節降水量增多容易導致作物減產以及汛期延長；而春夏時節的降水減少，不利于作物生長，但能夠一定程度緩解夏季洪澇風險。

2.2 頭屯河流域降水量M-K突變分析

圖2為頭屯河流域年和四季降水量M-K突變分析，可進一步顯示其時間序列降水局部細節變化。圖2中，方框為UB值，其代表降水量變化量Z，其值大于0,說明降水量呈增加變化；其值小于0，說明降水量呈減少的特征；菱形表示UF值，為降水量變化趨勢顯著性檢驗值，如果其值達到閾值線水平，說明其降水變化顯著。由圖2可知，春季降水的UF和UB檢驗值存在多個交點，表明該時域內降水量發生多次突變，其中僅有部分年份UF值>0，表明區域年降水總趨勢為較少特征。春季降水量UF值在1998年達到最大值，為-3.076，表明該年降水減少顯著;其與UB在1982年處存在交點，但未達到閾值線。由于夏季降水為頭屯河年降水量的主體，因而其M-K檢驗特征與年降水的變化趨勢一致。在1989-2004和2013-2016這兩個時段，秋季降水UF值>0，研究時域內秋季降水整體增多。冬季降水量的UF、UB曲線在2014年相交，但未達到閾值線水平(P<0.05)。

圖2 頭屯河流域年降水/季降水量M-K檢驗

2.3 頭屯河流域降水量半方差結構分析

半方差分析能夠檢驗降水空間分布特征。GS+9.0軟件平臺根據區域性變量特征設計了高斯、指數、球面、線性4種模型予以擬合其空間結構，基于決定系數R2接近于1、殘差RSS接近于0的原則，選取最優擬合模型，結果見表1。由表1可知，頭屯河流域年降水和冬季降水量空間分布符合高斯模型，其塊金結構分別為35.31%和29.30%，達到中等空間自相關性，但其低于50%，說明區域年、冬季降水量空間分布受結構因素如地形、大氣循環穩定性機制控制，導致降水在不同空間位置上具有相關性。春、夏、秋季降水量空間分布分別以線性、球面、指數模型擬合最佳，塊金結構相差不大，依次為32.22%、27.93%和36.34%，說明降水量空間變異以結構性變異為主，隨機性變異較少。需要指出的是，頭屯河流域降水量空間分布的半方差結構約為30%左右，說明降水過程機制仍然受到一定程度的隨機因素影響，這可能是氣候變化背景下大氣環流過程存在不確定性因子干擾。

表1 頭屯河降水量半方差模型及參數

2.4 頭屯河流域降水量空間分布分析

根據前面部分計算的半方差結構參數，以各站點年和季節降水量平均值為基礎，在Surfer環境下運用Cokriging插值法，繪制其空間分布圖，結果見圖3。由圖3可知，區域降水量存在一定空間差異。總體來看，頭屯河流域年和季節降水量呈現自西北向東南遞減的分布趨勢。年降水量高值區集中于西北與北部，局部可達300 mm，西北部地區地形開闊，其地理位置便于接受來自北冰洋和北大西洋水汽，因而降水量較多；而東南部降水量明顯較低，局部少于100 mm，主要由于東南部地形封閉，周邊為高大山系阻擋，隔絕了水汽運移，降水多為地形雨。各季節降水量的分布趨勢與年降水量分布一致，但在局部特征方面略有差異。

圖3 頭屯河流域降水量空間分布特征

3 結 論

頭屯河流域是新疆干旱半干旱地區典型的冰川積雪溶水型自流區，區域降水稀少卻是本區生態安全、環境演變必不可缺的水循環要素。本文研究顯示，區域降水量總體呈減少趨勢，主要由于近現代以來氣候變化加劇導致高緯度季風和北大西洋季風存在異常，進而影響了西北地區的降水常態；各季節性降水變量趨勢與速率存在差異，這將給區域植被生長帶來深刻影響。本文初步揭示了區域降水時空特征，可為區域氣象研究和農業資源規劃提供實踐依據。