乌鲁木齐城区近40年来降水量的变化特征

蒋慧敏 刘春云 宫恒瑞

摘要

利用线性回归、气候趋势法及R/S等数理统计方法，对乌鲁木齐地区1971～2010年5个测站逐日的降水量变化进行研究。结果表明，近40年乌鲁木齐地区降水量呈上升趋势，气候倾向率为22.29 mm/10a;而年平均降水日数也呈上升趋势，但相比较降水量的增加来说，降水日数的增加不是很明显，其气候倾向率为1.12 d/10a，其中市区降水天数增加的最为明显;除秋季外，其余季节降水量均呈增加趋势，而四季的降水日数均呈正趋势，各站逐月降水量和降水日数分布表现不一致;乌鲁木齐地区降水量和降水日数的R/S分析结果表明，在未来的一段时间内两者均保持着上升趋势。

关键词 降水量;乌鲁木齐;变化特征

中图分类号 S161.6  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2014）34-12215-04

Variation Features of Precipitation in Urumqi Region in Recent 40 Years

JIANG Huimin， LIU Chunyun， GONG Hengrui

（Urumqi Weather Bureau in Xinjiang， Urumqi， Xinjiang 830002）

Abstract The daily precipitation of the five meteorological stations in Urumqi from 1971 to 2010 were studied by using the methods of linear regression， climate trend method and rescaled range analysis（R/S） method. The results showed that the average annual rainfall overall presented an increasing trend at the variation tendency rate of 22.29 mm/10a in the Urumqi region in recent 40 years. The precipitation days also increased， but compared with the precipitation amount， the increase of precipitation days is not obvious with the tendency rate of 1.12 d/10a， and urban precipitation days increase most obvious. In addition to the autumn， the other season precipitation were increased， trends of fourseason precipitation days were all positive， monthly precipitation and precipitation days distribution performance is inconsistent in five stations. R / S analysis showed precipitation quantity and precipitation days will maintain an upward trend winthin a period in the future.

Key words  Precipitation; Urumqi; Variation characteristics

新疆地處我国的西北地区，是著名的干旱区，位于新疆中北部的乌鲁木齐地处欧亚大陆中心、天山中段北麓、准葛尔盆地南缘。水资源是地处内陆干旱区的乌鲁木齐市最宝贵的资源，人均淡水资源占有量仅为全国人均的1/5、世界的1/21，是我国30个严重缺水的城市之一。     近年来，随着经济的发展和城市建设，乌鲁木齐生产、生活和生态用水矛盾变得更加尖锐突出，水资源的短缺和合理开发利用已经成为一个极为现实的问题。乌鲁木齐存在着冰川融水、地表径流和地下径流等不同形态的水资源，降水是水资源的补给来源，降水的变化直接影响水资源的变化。因此，乌鲁木齐市自然降水的变化成为关注的重点[1-4]。笔者在此对1971～2010年乌鲁木齐地区年、季、月降水量和雨日的变化特征进行详细分析，研究乌鲁木齐市降水量的变化规律。

1  资料与方法

1.1   资料选取

利用乌鲁木齐市市区、米泉、达坂城、小渠子和大西沟5个国家站1971～2010年逐日降水资料，建立月、季、年降水量的逐年时间序列，市区、米泉、达坂城、小渠子和大西沟分别代表乌鲁木齐市的中部、北部、东部、山区中山带和高山带。季节划分为春季（3～5月份）、夏季（6～8月份）、秋季（9～11月份）、冬季（12月～次年2月份）。

1.2  分析方法

降水量、降水日数变化趋势分析采用气候倾向率[5]，并通过对相关系数进行显著性检验，来判断这种回归趋势是否显著;为了更明确地了解降水的年际变化特征，计算了降水量和降水日数的变幅Pm，Pm=（Amax-Amin）/A×100%[6]， 式中，Amax、Amin和A分别为年最大、年最小、年平均降水量或降水日数，并结合R/S分析法对各站的降水日数和降水量的未来趋势进行分析。

R/S（重标度）分析方法是由英国水文学家H.E.Hurst于1965 年在总结尼罗河的多年水文观测资料时提出的一种时间分行特征的统计方法[7]。B.B.Mandelbrot和Wallis又在理论上对该方法进行补充和完善，从而为研究时间序列的长期持续性提供了理论与依据，因此该方法被广泛地应用于水文、经济、气象等领域，其基本原理为：

考虑一个时间序列{ξ（t）}，1，2，…，对于任意正整数τ≥1，定义均值序列

<ξ>τ=1τ∑τt=1ξ（t）（τ=1，2，…），

累积离差为

X（t，τ）=∑tu=1（ξ（u）-<ξ>τ）（1≤t≤τ），

极差为

R（τ）=max1≤t≤τX（t，τ）-min1≤t≤τX（t，τ）（τ=1，2，…），

标准差为

S（τ）=[1τ

∑τt=1（ξ（t）-<ξ>τ）2]12（τ=1，2，…），

现考虑比值R（τ）/S（τ）ΔR/S，若存在R/S∝τH关系，

则说明所分析的时间序列存在Hurst现象，H成为Hurst指数。H值可根据计算出的（τ，R/S）的值，用线形回归的方法解出。根据H的大小可以判断该时间序列是完全随机的抑或是存在趋势性成分。趋势性成分是表现为持续性还是反持续性。当H=0.5，表明时间序列表现为随机性，呈相互独立、方差有限的正态分布，此时序列具有不可预测性;0.5

2  结果与分析

2.1 乌鲁木齐地区降水的年际变化特征分析

2.1.1

年平均降水量的年际变化特征。由表1可见，1971～2010年新烏鲁木齐区域年平均降水量为321.5 mm，最多为467.5 mm，最少为181.1 mm，其中位于山区的小渠子和大西沟年平均降水量分别为551.7和464.1 mm，其次位于平原的市区和米泉的年平均降水量明显减小，分别为279.6和239.3 mm，降水最少的区域出现在达坂城，为72.9 mm，最大和最小降水量的分布与平均降水量的分布一致;从倾向率和趋势系数分析，各区的年降水量均呈现增加的趋势，平均增加的速率达22.29 mm/10a，趋势系数为36.52，其中小渠子和大西沟的变化趋势最为明显，分别为32.12、30.17 mm/10a，且回归效果达到了α=0.01的显著水平，城区、达坂城也呈明显的增加趋势，分别通过了α=0.01和α=0.05的显著水平，米泉虽呈上升趋势，但回归效果的显著性不明显。5站的年降水量的标准差差别也较大，为33.40～101.90不等，而变幅的区域范围主要分布在73%～174%。

表1   1971～2010年乌鲁木齐地区年平均降水量统计特征

站点 降水量∥mm

最大最小平均倾向率

mm/10a趋势系数相关系数标准差变幅∥%

市区419.5131.3279.627.3443.490.43**72.57103

米泉365.5121.4239.312.7226.050.2656.40102

达坂城151.324.772.99.0931.430.31*33.40174

小渠子769.0334.8551.732.1236.390.36**101.9079

大西沟632.4293.4464.130.1745.230.45**77.0273

平均467.5181.1321.522.2936.520.36**68.26106

注：*表示通过0.05显著性检验，**表示通过0.01显著性检验。

2.1.2

年平均降水日数的年际变化特征。由表2可见，全区的年平均降水日数与年平均降水量的空间分布较为一致，总体差异较为明显。40年来乌鲁木齐区域年平均降水日数为93 d，最多为113 d，最少为71 d，其中位于山区的小渠子和大西沟年平均降水日数分别为124和149 d，其次位于平原的市区和米泉的年平均降水日数明显减小，分别为84和79 d，降水日数最少的区域仍为达坂城，为31 d，最大和最小降水日数的分布与平均降水日数的分布一致;从倾向率和趋势系数分析，各区的年降水日数均呈现增加的趋势，平均增加的速率达1.12 d/10a，趋势系数为12.14，其中变化趋势最明显的为市区，为2.08 d/10a，其他各区也有所增加但不明显，5站的回归效果的显著性均不明显;5站的年降水量的标准差差别位于41.77～75.83，而变幅的区域范围主要分布在27.52%～93.54%。

表2  1971～2010年乌鲁木齐地区年平均降水日数统计特征

站点 降水日数∥d

最大最小平均倾向率

d/10a趋势系数相关系数标准差变幅∥%

市区10662842.0820.090.2075.8352.38

米泉10253791.2914.300.1466.0062.03

达坂城4415310.376.500.0641.7793.54

小渠子1471001241.0611.780.1165.6837.90

大西沟1651241490.788.020.0871.5727.52

平均11371931.1212.140.1264.1754.67

2.2 乌鲁木齐地区降水的季变化特征分析

2.2.1

平均降水量的季变化特征。

由表3可见，近40年乌鲁木齐区域夏季降水量增加趋势最大，为12.21  mm/10a;其次为春季7.68  mm/10a，冬季增加趋势较弱，而秋季的降水趋势呈现减小的趋势。高山带大西沟站全年4个季节的降水量均呈现增加的趋势，其中春夏季回归效果达到显著水平，秋、冬季未达到显著水平;城区和米泉站变化趋势与中山带一致，春、夏、冬季均为上升趋势，但冬季上升趋势较弱，秋季为下降趋势，而米泉仅冬季回归效果达到显著水平;市区在春、夏、冬季均达到显著水平，而达坂城区春、秋季均为下降趋势，而夏冬两季呈现上升趋势，其中夏季回归达到了显著水平。综上所述，春夏两季降水量的增加对年降水量的增加贡献最大。高山带降水量四季均为上升趋势，中山带、城区和平原区为相同的趋势，而达坂城区春季和其他各区呈相反趋势。

2.2.2

平均降水日数的季变化特征。从乌鲁木齐地区各季降水日数的倾向率分析（表4）来看，四季降水日数的变化趋势均不是很明显，但趋势又呈不同的变化，中山带小渠子四季均呈弱增长趋势，回归效果均不显著;高山带大西沟仅秋季降水日数有所增加，并通过了0.05的回归显性分析;米泉和达坂城变化的较为一致，夏、冬两季降水日数增加，而春秋季的降水日数有所减少，其中米泉的春季回归效果超过了0.01的显著性检测，而其他季节均呈不显性;达坂城四季降水日数的回归效果均呈不显性;市区春夏冬季的降水日数均略有增加，秋季呈相反趋势，同样四季均呈不显性。

表3   1971～2010年烏鲁木齐地区各站四季降水量气候倾向率与相关系数

站名春季

倾向率

mm/10a相关系数

夏季

倾向率

mm/10a相关系数

秋季

倾向率

mm/10a相关系数

冬季

倾向率

mm/10a相关系数

米泉6.050.225.580.19-3.660.194.220.38**

市区10.090.31*11.310.33*-1.250.056.800.46**

小渠子15.860.42**13.290.23-0.150.013.270.34**

大西沟6.650.43**21.900.38**1.160.060.390.12

达坂城-0.230.048.970.36**-0.250.020.610.25

平均7.680.2912.210.30-0.830.073.060.31

注：*表示通过0.05显著性检验，**表示通过0.01显著性检验。

表4       1971～2010年乌鲁木齐地区各站四季降水日数气候倾向率与相关系数

站名春季

倾向率

d/10a相关系数

夏季

倾向率

d/10a相关系数

秋季

倾向率

d/10a相关系数

冬季

倾向率

d/10a相关系数

米泉-0.240.55**0.420.110-0.430.121.410.29

市区0.480.110.440.120-0.130.031.120.21

小渠子0.660.120.010.0010.190.040.120.03

大西沟-0.030.01-0.630.1301.350.32*-0.060.02

达坂城-0.760.290.760.230-0.410.020.670.23

平均0.020.220.200.1100.110.120.650.16

注：*表示通过0.05显著性检验，**表示通过0.01显著性检验。

2.3 乌鲁木齐地区降水的月变化特征分析

从近40年来乌鲁木齐地区5站的月平均降水量变化和月平均降水日数（图1）可以看出，各站月平均降水量和月平均降水日数的变化趋势较为一致，而5站的变化趋势又不尽相同，小渠子和大西沟逐月降水量和降水日数趋势变化基本一致，呈现明显的单峰型分布，5～8月是全年降水活动活跃的月份，其中6～7月降水活动最为频繁，这与夏季太阳辐射强、水汽条件充沛、足够的热力加上山区的地形作用容易形成局地性的强对流天气密切相关;而其他3站明显呈现多波动状态，6～7月和12月～次年1月为米泉、市区和达坂城月平均降水量的相对大值区，而在降水日数分布图中，米泉和市区的降水日数变化趋势不明显，而达坂城的日数变化也是呈现单峰型，集中在6～8月，对比分析发现，山区的降水主要以雨的形式突出体现，而城区、米泉和达坂城12月～次年1月份降水日数不多，但降水量明显有所加强，说明冬季3站降水量级较大，以中到大雪或暴雪为主。

2.4 乌鲁木齐地区降水的未来趋势分析

2.4.1

各站年平均降水量的未来趋势。

用R/S法分析乌鲁木齐市各站降水量近40年来的的H指数，从图2可以看出，乌鲁木齐市各站的降水量均呈明显的Hurst现象，各站的Hurst指数均远大于0.5，说明未来各站降水量与过去40年具有相同的趋势，即乌鲁木齐市各站的降水量均将维持增长的趋势，即降水量未来将继续增加，参考冯新灵等对Hurst进行的分级[8]，大西沟站的Hurst值超过了0.8，为5级，持续性强度方面表现出非常强的势头，其他站的Hurst也到4级，也表现出很强的持续性，并结合气候倾向率以及显著性检验综合分析得出，明显是小渠子增加最大，所以两者结合来看，未来的一段时间内将是小渠子的降水量增幅最大，其次依次为大西沟、市区、米泉和达坂城。

2.4.2

各站年平均降水日数的未来趋势。

从图3可以看出，乌鲁木齐市各站的降水日数同样存在着明显的Hurst现象，R/S分析结果表明年平均降水日数的长期相关特征表现为持续性，即乌鲁木齐市各站的降水日数均将维持增长的趋势，说明降水日数未来将继续增加;其中市区的Hurst指数达到5级，米泉、达坂城达到4级，3站的持续性强度均表现非常强;大西沟达到3级，也表现出较强的持续性;仅小渠子达到2级，持续性强度方面表现相对较弱。乌鲁木齐地区各站的年平均降水量和年平均降水日数有着几乎一致的增加趋势，但增加趋势的持续性强度方面表现出不一致，总的来说，降水量序列增加趋势的持续性强劲势头好于降水日数系列。

3  结论

（1）乌鲁木齐地区1971～2010年降水量以增加趋势为主，中、高山带以30.17～32.12 mm/10a的显著趋势增加，而全市年降水日数也呈增加趋势，但总体表现不显著，其中市区以2.08 d/10a的速率增加。

（2）四季中，夏季降水量增加趋势最大，为12.21 mm/10a;其次为春季7.68  mm/10a，冬季增加趋势较弱，而秋