新疆某河流域氣溫、降水變化趨勢分析及徑流響應關系

肉孜買買提·阿不來提

(新疆伊犁水文勘測局，新疆 伊寧 835000)

在全球氣候變暖及人類活動加劇的大背景下，新疆伊犁某河流域氣溫、降水與徑流呈現出一定的規律性變化[1],研究分析區域的水文氣象要素變化特征有利于認識氣候變化影響下流域水資源的演變規律，對局部洪澇災害的防治有著重要的現實意義,因此分析研究不同區域氣候的變化特征及其影響是目前全球變化研究的重要內容之一[2],分析研究流域內水文氣象要素變化特征及徑流變化影響因素等問題是十分必要的[3～5]，該研究對指導生態環境健康發展、水資源合理開發利用以及洪水預警和防災減災提供重要科學依據。

目前,對該流域徑流變化特征的研究較多，而對氣溫、降水及徑流等多因子水文氣象要素變化規律的綜合分析研究較少。鑒于此，本文基于前人研究成果，以新疆北山區某河流域為研究區，利用流域出山口基本水文站1959 年～2015 年實測水文、氣象資料，利用多種數理統計類分析方法來分析某河流域近57年來氣溫、降水及徑流的變化特征。利用小波分析方法進一步分析了該流域各水文氣象要素的多尺度周期變化規律，并確立了該時間域的主要周期，以便了解并掌握其歷史變化的特征和趨勢，采用不同的方法分析徑流對氣候水文要素變化的響應關系。

1 研究區概況及資料來源

某河是新疆北山區主要河流之一，其發源于中國天山西部支脈科古琴山南坡，流域范圍在東經80°10′～81°44′和北緯43°56′～44°26′之間[6]，伊犁河一級支流。流域內山體寬闊，支溝發育，河流自北向南。河流的出山口處設有水文站，該測站的高程為890 m，測站以上的集水面積為794 km2，河長為45.0 km,自1956 年設站觀測至今。

某河流域地勢北高南低，由東北向西南傾斜，海拔高程在1100 m～3700 m 之間，沒有冰川覆蓋。該流域的氣候特點是光照豐富、四季分明、雨水較為充沛等，因此屬半濕潤大陸性溫帶氣候。水文站多年平均氣溫在9.7℃；最高月平均氣溫為23.8℃，出現在7 月, 極端最高氣溫于1974 年7 月出現，達到39.0℃；最低月平均氣溫為-5.7℃，出現在1 月；極端最低溫度于1984 年12 月出現，達到-27.0℃。水文站多年平均降水量分布在250 mm～600 mm 之間，降水區的降水量垂直分布有明顯的地域性分布規律。

選取新疆伊犁某河流域匹里青水文站1959 年～2015 年的年平均氣溫、降水、年徑流量資料系列進行分析，數據來源于新疆水文年鑒。

2 研究方法

采用線性趨勢分析[7]、累積距平法[8]分析氣溫、降水及徑流量時間序列的趨勢性變化;采用Mann-Kendall 非參數趨勢檢驗法[9]確定并進行檢驗各水文要素序列的突變位置;采用Morlet連續復小波法[10]分析氣溫、降水及徑流多時間尺度的周期性變化規律。

3 流域水文氣象時間序列分析

3.1 變化幅度

某河流域多年年平均氣溫、年總降水量、年徑流量的年際變化趨勢見圖1。由圖1 可知，氣溫整體呈上升的趨勢，并且以20 世紀90 年代到本世紀初氣溫上升趨勢尤為顯著，其以0.50℃/10 a 的增幅在升高。流域的降水趨勢呈波動式變化，降水波動在1987 年以前較為平緩，1987 年以后波動性變化較強，但整體上呈上升趨勢，且以20.4 mm/10 a 的速度增大。流域年徑流量的變化趨勢不太明顯，趨勢線幾乎為平行于X 軸的斜率為0.001 的一條直線。

圖1 多年平均氣溫、降水、年徑流年際變化趨勢分析圖

采用累積距平法分析研究區各水文氣象要素多年的變化趨勢，從曲線變化過程我們可以判斷出此水文要素序列的變化趨勢,同時可以診斷出發生突變的大致時間[6]。

由圖2（a）可以看出,該研究區的年平均氣溫變化趨勢階段性變化較明顯, 總體呈現出下降- 上升的主要階段性趨勢過程。氣溫在1986 年以前呈持續下降趨勢，1986 年以后迅速上升，并持續保持升高的態勢。圖2（b）中可看出，流域降水同樣在1986 年以前呈持續減少趨勢,1959 年～1986 年之間為少雨期；從1986 年以后流域降水呈波動增加趨勢，1986 年～2001年之間降水波動變化較為頻繁,2001 年后降水呈持續增多趨勢。由圖2（c）可看出，流域年徑流在1959 年～1996 年之間豐枯交替出現，從1997 年～2006 年之間屬于豐水期，2006 年以后年徑流呈波動性減少趨勢。

圖2 某河流域多年氣溫、降水、徑流累計距平曲線趨勢圖

從以上近57 年來的氣溫、降水、徑流累積距平圖(圖3)中可以看出,年氣溫、年降水、年徑流增加的趨勢基本一致,也就是說氣溫和降水因子對該研究區徑流趨勢的變化影響較大。從圖中還可看出,年降水量和年徑流量之間雖然年際間波動變化較大,但總體上呈增加的趨勢,并且年降水量增加的趨勢明顯高于年徑流量的變化趨勢。

3.2 變化趨勢

采用Mann-Kendal 突變檢驗法來分析研究區年平均氣溫、降水、徑流量系列的發生突變位置以及其變化趨勢。設定其顯著性水平為0.05，詳情見圖3。由圖4 可知，研究區平均氣溫在1994 年發生突變，氣溫從1985 年開始呈較顯著的持續上升趨勢，自2001 年開始UF＞0，氣溫呈顯著的上升趨勢，氣溫序列在57 年內呈現明顯的上升趨勢；研究區降水分別在1993 年、2004年、2013 年發生突變，從整體上看，降水序列從1979 年開始呈持續增長態勢，在2013 年發生突變呈顯著增長趨勢；徑流量序列則在1960 年、1989 年、2008 年相交，說明徑流量在這三年發生明顯突變，從整體檢驗結果來看，徑流序列在近57 年內波動性較強，在1960 年發生突變，呈減少趨勢，并于1968 年后UF＜0，徑流量呈顯著減少趨勢。從1989 年發生突變，呈增加趨勢，2008 年后開始呈減少趨勢，預計未來幾年內該流域徑流量仍呈減少趨勢。

圖3 某河流域年均氣溫、年降水量及年徑流量Mann－Ke ndall 統計量曲線

3.3 變化周期

利用Morlet 小波分析方法來分析某河流域近57 年的水文氣象要素序列變化周期，氣溫、降水和徑流小波分析等值線圖和小波系數方差曲線見圖4～圖6。由圖5 可知，流域多年平均氣溫序列存在于22 a～30 a 的時間尺度上的演變規律。在這個時間尺度上周期震蕩最明顯，從1959 年至今表現為低、高、低、高、低等5 個中心。從由圖5 可看出，氣溫序列小波系數方差曲線有一個較為明顯的峰值，最大的峰值對應著26 年左右的時間尺度，說明年氣溫序列在26 年左右的周期振蕩最強，為第一主周期。

圖4 某河流域氣溫序列小波系數實部等值線圖及小波方差圖

由圖5 可知，流域降水序列經歷了6 a～12 a 和22 a～32 a左右的兩類時間尺度上的變化規律。其中22 a～32 a 時間尺度上的周期振蕩特別明顯，其間年降水經歷了3 個“少- 多- 少”的循環過程；其次15 a～22 a 尺度上的周期振蕩也較明顯，其間降水經歷了“少- 多”6 個循環過程。由圖5 小波方差圖中可看出，降水系列的第一、二主周期分別約為26 a、9 a。

圖5 某河流域降水序列小波系數實部等值線圖及小波方差圖

利用水文站近57 a 年徑流序列資料通過小波變換后做年徑流小波系數實部等值線圖，可以反映出年徑流在各時間尺度上的周期性演變規律，從而可以預測未來年徑流在各時間尺度上的變化趨勢。當徑流為豐水期時，實部值為正數；若徑流為枯水期時，實部值為負數。基于得到的實部等值線圖（圖6），分析出年徑流共有3 類周期變化規律，分別存在于4 a～9 a，12 a～19a和22 a～29 a的時間尺度上。在20 a～29 a的尺度上年徑流有4次枯水期到豐水期的變換；在12 a～19 a 的尺度上發生了3 次枯、豐水期的變換；在4 a～9 a 的尺度上共有13 次枯、豐水期的變換。由圖6 可知，某河流域年徑流量在3 個尺度下的小波方差極值最為顯著，分別在24 a、16 a 和6 a 時間尺度上出現3 個峰值；因此，徑流序列的第一、二、三主周期分別約為26 a、16 a 和6 a。

圖6 某河流域徑流序列小波系數實部等值線圖及小波方差圖

4 結論

1）某河流域多年氣溫、降水序列均呈不同程度的上升趨勢，且分別以0.50℃/10 a 和20.4 mm/10 a 的速度上升，流域年徑流量的變化趨勢不太明顯，趨勢線幾乎為平行于X 軸的斜率為0.001 的一條直線。年平均氣溫總體上呈現出“下降- 上升”的主要階段性趨勢。1986 年以前氣溫持續下降，1986 年以后氣溫迅速上升，并保持持續升高的態勢。流域降水同樣在1986 年以前呈持續減少趨勢,1959 年～1986 年之間為少雨期；從1986 年以后降水呈波動增多狀態，1986 年～2001 年降水波動較為頻繁,2001 年后降水持續增多。流域年徑流在1959 年～1996 年之間豐枯交替出現，從1997 年～2006 年之間屬于豐水期，2006 年以后年徑流呈波動性減少趨勢。氣溫、降水序列均有顯著上升趨勢，而流域徑流序列整體上有微弱的上升趨勢，但不顯著。

2）研究區多年氣溫、降水、徑流序列均通過了顯著性水平為0.05 的檢驗，年氣溫序列在1994 年發生了突變，降水序列則在1993 年、2004 年、2013 年發生突變，而徑流序列在1960 年、1989 年、2008 年發生了突變。

3）某河流域水文氣象要素均存在多時間尺度特征效應，流域氣溫、降水序列年代年際變化周期一致，均以26 年為第一主周期，而年徑流則以24 年為第一主周期。流域內氣溫呈升高趨勢，且將持續若干年；降水序列也呈增大趨勢，且在持續若干年后將逐漸減少；徑流趨勢呈增加趨勢，這種趨勢持續若干年后將轉向枯水期。

4)本文通過從不同時間尺度深入分析了某河流域近57 年來各水文氣象要素變化過程與其年徑流演變特征的響應關系，該流域的徑流量的豐枯變化受降水、氣溫及其他多種因素的影響，未來氣候變化將在時空上改變流域的水文情勢。目前，春夏之交突發的山洪災害已成為北疆地區小河流主要的洪災類型，而且近幾年以來其發生洪災的頻次與量級日益增加，已嚴重影響到當地生態環境建設及社會經濟發展。深入分析未來氣候變化趨勢，科學評估未來氣候變化下某河流域水資源情勢是為了更好的保護生態環境及合理利用水資源，有效控制洪水災害的發生提供有力保障。