伊寧縣降水量及氣溫演變規律分析

趙大壯

（伊犁水文勘測局，新疆 伊寧 835000）

1 研究方法及數據來源

1.1 Kendall秩次相關檢驗法分析趨勢性

Kendall秩次檢驗法分析趨勢性時，在時間序列T1，T2…，Tn中，確定i＜j條件下所有對偶值（Ti，Tj）中出現Ti＜Tj的次數di，通過如下公式計算檢驗統計量U：

若檢驗統計量U ＞0，該序列為遞增趨勢，反之趨勢遞減。

1.2 R/S法分析持續性

應用R/S 技術進行伊寧縣關鍵氣候要素變動趨勢的時間序列分析，并借助Hurst指數具體取值進行這一時間序列趨勢變動規律及關鍵點特征持續情況分析與驗證。根據得出的Hurst指數H（0＜H＜1）分三種情況：當0＜H＜0.50時，表現為反持續性，總體趨勢與過去相反；當0.50＜H＜1時，表現為持續性，總體趨勢與過去相同；當H=0.50時，時間序列為隨機序列。

1.3 功率譜分析法對周期性的分析

功率譜分析法進行降水、氣溫等關鍵性水文要素所對應的非平穩序列量化確定以及所對應的內部不同周期振動結構分析的過程中，基于頻率的視角根據各參數量方差值的大小，進行不同頻率振動結構量化分解，得到在振動結構總變動量中貢獻最大頻率所在，進而根據周期頻率與影響變量對應關系，在得出譜分析優勢頻率基礎上，得出時域上同樣占據主要優勢的周期因子，并得到是否存在顯著性差異的結論。若是差異顯著，則非周期過程不是譜估計值產生的原因，有周期存在；如果差異不顯著，則周期不存在。

1.4 Mann-Kendall法分析突變性

Mann-Kendall檢驗法（計算公式見文獻［4］）采用非參數統計檢驗，且在分析過程中并不要求樣本必須遵從一定的函數分布趨勢，計算及分析過程均較為簡便。

1.5 累積距平法分析突變性

累積距平法直觀地通過曲線判斷變化趨勢，在診斷分析中，常用距平序列代替變量本身，算出n 個時刻的累積距平值便可得到累積距平曲線，由曲線直觀判斷突變發生的時間。假設某一時刻t在一時間序列yi中的累積距平為y，則

降水量及氣溫趨勢性采用Kendall 秩次相關檢驗法，持續性采用R/S 法，周期性采用功率譜分析法，突變性采用Mann-Kendall法及累積距平法共同分析。

1.6 數據來源

降水資料：使用伊寧縣境內托海水文站1955-2019年的年降水量距平資料，數據系列長度為65年。

氣溫資料：使用伊寧縣境內托海水文站1957-2019年的年平均氣溫距平資料，數據系列長度為63年。

2 結果分析

2.1 降水量及氣溫年際和年內變化分析

對托海水文站多年降水量距平的年際變化和年內分配計算顯示，1955-2019 年降水量為快速波動上升趨勢，2008 年達到最小值，2016年升至最大值，同時降水量1995年接近歷史最小值，1998年接近歷史最大值，從圖1中看出20世紀末及21世紀初，降水量變化非常劇烈。降水量年內分配情況顯示，春夏季降水量占全年降水量56.60%，而在冬季開始的一段時期，降水量占比增加。進一步分析可知，全年1、2、9、10 四個月降水量最小，由此可見伊寧縣境內降水量主要集中在春夏季，開春前和立秋前后降水量較少。

圖1 降水量年際和年內變化

對托海水文站多年氣溫距平資料進行基本統計分析，1957-2019 年平均氣溫總體表現為快速的波動上升趨勢，在1960年出現最低平均溫度，在2007年出現最高平均溫度，1983年及2000年前后，氣溫變化劇烈，其他年份變化比較平緩。由氣溫的年內變化情況可知，開春前及冬季氣溫最低，春夏季氣溫最高。5-9 月出現全年最高氣溫，而1、2、12 氣溫較低，由此可見伊寧縣境內氣溫春夏季高，開春前及冬季氣溫低。

2.2 功率譜分析法周期性分析

托海站年降水量距平周期結果主要通過采用功率譜分析法而得出，所對應的自相關函數r（1）=3.63E-02＞0，具體的序列應當通過紅色噪聲譜加以校驗和分析。當波數取7、信度取0.05 的情況下，所對應的平滑譜為852.54 及相應否定域上界845.06，前者大，表明序列存在顯著的5.71年周期。

托海站年平均氣溫距平周期結果同樣采用功率譜分析法得出，當自相關函數r（1）=0.26＞0時，意味著通過紅色噪聲譜進行結果校驗切實可行。當波數取16、信度取0.05的情況下，所對應的平滑譜為4.51E-02 及相應否定域上界3.64E-02，前者大，也從側面反映出該序列所對應的顯著周期為2.50年。

2.3 Mann-Kendall法及累積距平法突變性分析

結合Mann-Kendall法和累積距平法分析托海站年降水量突變特性。從圖2 看出，曲線UF 與UB2000 年左右及2008-2014 年間有多個相交點，且相交點均在置信區間內，表明出現降水量突變，而且UF 曲線2014 年與UB 相交后迅速上升至+1.96，說明降水量存在少到多的顯著性突變。由圖3 看出，2000 年前后有明顯上升趨勢，2008-2014 年漲落不明顯。托海站年降水量序列顯著突變發生在20世紀末。

圖2 降水量距平MK值

圖3 降水量累積距平值

結合Mann-Kendall法和累積距平法分析托海站年平均氣溫突變特性。曲線UF 與UB 在1983 年及2001 年有兩個相交點，其中只有2001年的相交點在置信區間內，表明這段時間有出現氣溫的突變，而且UF 曲線與UB 在2001 年相交后迅速上升至+1.96，說明氣溫存在少到多的顯著性突變。2000 年前后有明顯上升趨勢，1983年前后氣溫變化不明顯。因此，托海站年平均氣溫序列顯著突變發生在2000年前后。

3 結語

①1955-2019 年降水量為顯著遞增趨勢，未來仍會持續；春夏季降水量占全年降水量56.60%，降水量主要集中在春夏季；1957-2019年氣溫為顯著遞增趨勢，未來仍會持續；春夏季氣溫最高，開春前及冬季氣溫最低；②年降水量序列具有顯著的5.7年周期；年平均氣溫序列具有顯著的2.5年周期；③降水量由少到多的顯著突變發生在20 世紀末；氣溫由低到高的顯著突變發生在2000年前后。