基于M-K 檢驗和信息熵的烏魯木齊市降水時空變化分析

新素依爾·道恩德格

（新疆烏魯木齊水文勘測局，新疆 烏魯木齊 830000）

水資源是居民生產生活與生態過程發展的必需資源之一，是農業生產的基礎，水循環過程為環境發展和經濟社會提供必不可少的水資源[1-2]。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）研究指出，以氣候變暖為主要特征的全球氣候變化已成事實[1]，與此同時，水資源循環過程機制、時空分布模式也將發生改變。研究水資源的時空變化規律，對分析氣候變化背景下農業氣候適應性和防御旱澇災害具有重要意義。烏魯木齊平原是我國西北新疆地區工農業重鎮，區域綠洲聚集、地下水相對豐富、日照時數豐富，為農業發展提供良好的自然環境。然而近半世紀以來該區氣溫呈顯著升高趨勢，同時西伯利亞高壓與西風環流異常導致干旱、暴雪、冰雹等災害頻現。鑒于此，以烏魯木齊市67 年來水資源數據為基礎，采用Mann－Kendall 非參數檢驗法分析區域水資源時間變化趨勢。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

烏魯木齊地處我國西北邊疆，區域面積13788 km2。區域地處博達山、喀拉扎山、天格爾山環繞的腹地，地勢周高中低，高程介于490.6 m～5445 m，地勢起伏懸殊，以山地、平原、盆地為主。由于深居歐亞大陸中心，常年受西伯利亞高壓控制，氣候干燥少雨，偶爾西風環流強勁帶來一定雨雪，冬季寒冷漫長、夏季炎熱少雨、晝夜溫差較大，其多年平均降水量為194 mm，溫度為7.8℃。區域地表覆被程度低，森林覆蓋率為4.75%，荒漠與牧草用地達45%以上，水源涵養能力差。2012 年數據顯示該市水資源總量為9.969 億m3，其中地表水資源為9.198 億m3，地下水僅占0.771 億m3。

1.2 Mann-Kendall 檢驗

水資源受降水及地下水的時序波動與蒸發量影響，因而具有趨勢變化特性。Mann-Kendall(M-K)檢驗法具有不受樣本值、分布類型等的影響，深刻挖掘時間序列時間內部隱含信息從而得出其規律，被廣泛應用于自然變量的時間分析研究中。對于時間序列變量(X1，X2，…，Xn)，n 為時間序列長度，M-K 法定義了統計量S：

其中Sgn()為符號函數，規則如下：

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：

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，并且絕對值越大，則趨勢越明顯；且1.28、1.96、2.32 時分別通過90%、95%、99%的信度檢驗，在該水平上顯著[3～4]。

1.3 研究數據

研究數據為新疆維吾爾自治區統計年鑒提供的水資源數據，由該市水文水資源局測取提供。水資源包含地表徑流資源、地下水資源，除去過境資源量與重復計算部分，即為該市有效水資源量。為解析水資源總量變化原因，從中國氣象局國家氣候中心網站提取了烏魯木齊市氣溫年值數據。采用Excel 2016 軟件進行數據匯總，并進行線性回歸分析；Matlab2018b 軟件編程實現M-K 突變檢驗。

2 結果與分析

2.1 水資源總體概況

如圖1 所示，1951 年～2017 年烏魯木齊市水資源呈波動變化，年水資源量最大值為1996 年的18.94 億m3，最低值為1967 年的6.30 億m3，平均值為11.37 億m3。水資源總量呈現弱的增加趨勢，其傾向斜率為0.0531 億m3/a，但未達到顯著水平(P＞0.05)，增加趨勢不顯著。為量化其年際變異性，根據其標準差與均值之比計算變異系數(CV)，得到CV=28.95%，介于0～1 之間，屬于中等程度變異，表明其年際波動性略強。另外，采用5年移動平均法模擬其波動規律，結果表明其存在多個波峰波谷，總體趨勢復雜。

圖1 1951 年～2017 年烏魯木齊市水資源時間變化趨勢

2.2 水資源M-K 趨勢

圖2 1951 年～2017 年烏魯木齊市水資源M-K 趨勢檢驗

采用M-K 非參數檢驗法，繪制變量離差平方和曲線(UF)與變化過程曲線(UB)來反映變量局部信息。如圖2 所示，圖中虛線為設定顯著性水平為0.05，閾值線為±1.96,UF、UB 曲線在1980 年交匯，說明該年為突變點，結合其發展趨勢可知由減少趨勢突變為增加趨勢，然而UB 值并未觸發閾值線，說明該突變特征不顯著(P＞0.05)。另外，結合UB 值域變化，可識別烏魯木齊水資源量年代變化，可知1951 年～1965 年間UB 的檢驗值多超過閾值1.96 的水平，說明在這些年內其增加總趨勢相對明顯，而在1965 年～2003 年之間呈現減少的趨勢，2003 年～2017 年為增加的趨勢。

2.3 年水資源變化與氣候變化的關系

圖3 1951 年～2017 年烏魯木齊市水資源變化與降水、氣溫的關系

利用烏魯木齊市降水與氣溫的同步數據與區域水資源總量數據對比分析可知 (圖3)，前后兩者幾乎呈同頻變化趨勢。其中，烏魯木齊市近67 年來降水量的變化形式為(y=0.5376x+153.93，R2=0.5871)，在0.05 水平上 顯著，表明區域降水量增加趨勢十分明顯，這與黃家強等[5]學者研究結果一致。而氣溫的變化形式為(y=0.0351x+6.7078，R2=0.444)，也通過了5%水平信度檢驗，說明區域增溫趨勢明顯，這與劉盛梅[6]的研究結論吻合。降水是水資源的直接、有效來源，近67 年來烏魯木齊市降水量逐漸增加，然而水資源的增加趨勢并不顯著，這主要由于該區氣溫升高較大，最高速率可達1.28℃/10 a，增加的降水量受蒸散影響未能形成有效水資源所致。

3 結論

烏魯木齊市深居干旱氣候帶上，區域降水稀少、徑流缺失、水資源呈資源性缺乏，是區域可持續發展的限制因素之一。隨著全球氣候變化加劇，西風環流與北大西洋氣流活動有所增強，一定程度上增加了降水量，然后暖干化的氣候變化趨勢導致區域蒸發旺盛，降水難以產流匯聚形成有效水資源，因而區域水資源緊缺的問題無法依賴于氣象變化來緩解。雖然烏市水資源總體呈弱的增加趨勢，然而該區人均水資源占有量仍然處于全國低值水平，今后的工作應該考慮加強水資源的科學規劃與空間調配，為水資源安全提供長宜之計。