近50 a玛纳斯河流域上游气候变化的分析

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(石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)

1 研究背景

自20世纪以来，全球气候总体出现变暖趋势，各地区气候环境都呈现出不同类型的响应程度，气候变暖已成为当今世界关注的重要问题，IPCC(气候变化专门委员会)在第四次评估报告中指出，到2100年全球平均气温将上升1.1～6.4℃[1]。由气候变化而引起的冰川融化、河流萎缩及土地荒漠化等生态问题己严重影响到人类社会的正常发展[2-4]。自20世纪80年代中期以来，新疆气候出现了由暖干向暖湿的转变，新疆近40 a来气温呈上升趋势，北疆变暖幅度大于南疆，而且变暖主要在冬季[5-7]。

玛纳斯河流域地处新疆天山北麓，是新疆重点开发的农业产业化基地，该地区主要的经济基础为绿洲农业。相关研究表明，近50 a来玛纳斯河流域经历了一个增温趋湿的过程，主要表现在气温升高与降水量增加[8-9]。目前，针对玛纳斯河流域气候变化的研究相对较多，但大部分是基于气候变化的简单分析，且集中在径流量对气候变化的响应方面，对气候变化特征的研究较少。因此，以气象要素变化为基础，分析玛纳斯河流域上游气候变化特征及演变规律，对当地的社会经济建设、绿洲农业的可持续发展和生态环境保护都具有重要意义。

2 玛纳斯河流域概况

玛纳斯河流域位于新疆天山北麓，准葛尔盆地南缘(图1)，地理位置东经85°01′～86°32′，北纬43°27′～45°21′，发源于新疆和静县天山北麓的依连哈比尔尕山山脉，北接古尔班通古特大沙漠，东起塔西河，西至巴音沟河，地形南高北低，流域总面积19 800 km2，山区面积5 150 km2，平原面积14 650 km2。玛纳斯河是流域绿洲生存的命脉，属于冰川融雪及降水混合补给型河流，丰枯变化与气候变化关系密切，上游山区形成的径流是供给中下游地区的重要水资源，维持着流域社会经济系统和生态系统的发展[10]。肯斯瓦特水文站为玛纳斯河流域上游控制站，是研究流域上游气候变化的代表性站点，始设于1955年5月，地理位置为北纬43°58′，东经85°57′，集水面积4 637 km2 [11]。

图1 玛纳斯河流域上游水系及水文站点分布

3 数据资料及处理方法

3.1 数据资料

本文根据肯斯瓦特水文站1959—2008年气温、降水量以及1984—2000年蒸发量观测资料，分别计算了气温、降水量及蒸发量的月、年均值。其次，根据新疆气象局制定的季节划分标准[12]，统计冬季(12—次年2月份)、春季(3—5月份)、夏季(6—8月份)、秋季(9—11月份)4个季节气温和降水量的平均值。

3.2 处理方法

本次研究主要采用线性回归、Pearson相关系数、5 a滑动平均3种方法分析气温、降水量及蒸发量的变化趋势，同时应用Mann-Kendall非参数统计检验以及Morlet小波对玛纳斯河流域上游气温和降水量进行突变及周期分析。

3.2.1 线性倾向估计

设yi为某一气象要素变量，ti为yi所对应的时间(本文为年或月)，建立yi与ti之间的一元线性回归,即

yi=b0+b1ti， (i=1,2,…,n) 。

(1)

式中：b0为回归常数；b1为变化倾向率，它实际上是由最小二乘法进行估计得到的观测数据和时间的线性回归系数。对气温和降水的变化倾向率，单位分别为℃/10 a和mm/10 a。b1计算公式为

(2)

式中：n为样本数量(年数)。b1是反应上升或下降的变化趋势，b1<0表示在计算时段内呈下降趋势，b1>0表示呈上升趋势，b1值绝对值的大小可以度量其演变趋势上升、下降的程度[13]。

3.2.2 Mann-Kendall突变检验

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法，其优点是不遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适合于类型变量和顺序变量，计算方便，其统计量为

(3)

对于n个样本的时间序列x构造一秩序列,即

(4)

其中

(5)

从上式可知，式(4)中的秩序列Sk是第i时刻大于第j时刻(t，j分别为时间序列x的某一时刻)数值个数的累计数ri的累计值。式(3)中，UF1=0,E(Sk),Var(Sk)是累积数Sk的均值和方差，所有UFk组成一条曲线。将同样的方法用到反序列中，得到另一条曲线UB，通过分析统计序列UFk和时间序列x的趋势变化，可以明确突变的时间,指出突变的区域。若UFk值大于0，表明序列呈上升趋势，反之，序列呈下降趋势；当其超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著；如果UFk和UB两条曲线出现交点，并且交点在临界线之间，则交点对应的时刻便是突变的开始时间[14-15]。

3.2.3 Morlet复值小波分析

近年来小波分析在科学研究领域广泛应用，其分析方法具有良好的时、频局部化特性，可以很好地描述序列随时间推移的变动状况[16]。文中采用Morlet复值小波对该站气温、降水序列进行连续小波变换，得到小波变换系数的实部、虚部等信息，其中实部是一个重要变量，它表示不同特征时间尺度信号在不同时间上的分布和位相两方面的信息。通过分析这些信息，揭示流域气温、降水变化的多时间尺度结构[17]。对于任意函数f(t)∈L2(R)的连续函数小波变换系数计算公式如下：

Wf(a,τ)=[f(t),øa,τ(t)]=

(6)

式中：a为尺度因子；τ为平均因子；Wf(a,τ)为小波系数。

为了判断各气象要素时间序列的主要周期，进行小波方差检验，计算公式为

(7)

式中：a为尺度因子，反映小波的周期长度;b为时间因子，反映时间平移；Var(a)为小波方差;Wf(a,b)为小波系数。

4 气象要素变化分析

4.1 降水年际变化

近50 a流域上游降水量年际变化呈微小增多趋势，年均降水量为339.12 mm，其变化倾向率为4.32 mm/10 a，平均每年增多0.43 mm(图2)；由相关系数检验可知降水量没有达到0.05显著性水平，说明降水量增加趋势并不显著(表1)；从5 a滑动平均线可以看出，降水量自20世纪60年代初期至70年代初期呈不规则波动变化，从70年代初期至80年代初期呈现出下降的趋势，从80年代初期至今呈上升趋势。

图2 玛纳斯河流域年际降水变化曲线

表1 玛纳斯河流域平均气温及年降水量一元线性回归

图3 玛纳斯河流域年际气温变化曲线

4.2 气温年际变化

近50 a玛纳斯河流域上游年平均气温存在年际间的微小波动(图3)，并且呈现出明显的上升趋势，多年平均气温为6.35℃，2006年平均气温最高，其值为9.04℃，1964年平均气温最低，其值为4.39℃，年平均气温上升幅度为0.53℃/10 a，略高于玛纳斯河流域中下游的升温幅度0.44℃/10 a，也高于全国的升温幅度0.3 ℃/10 a[18]，由相关系数检验可知年平均气温达到0.01极显著性水平，说明年际气温增温趋势显著(表1)。

4.3 降水、气温年内变化分析

4.3.1 年内降水变化

图4 玛纳斯河流域四季降水变化曲线

由图4可知，近50 a流域上游年降水量在春、冬两季呈增加趋势，相反在夏季降水量呈现出减少趋势，而秋季降水量基本保持不变。春、夏、秋、冬四季降水倾向率分别为3.36,-0.93, 0.30,1.86 mm/10 a。通过对上游降水量的分析与计算得出，降水量主要集中在春、夏两季，分别占到年降水总量的32.64%和42.61%，说明降水量年内分配不均匀；由表1可知，四季降水量变化趋势均没有达到0.05显著性水平，说明春、冬两季降水量增加趋势不显著，同样夏季降水量减少趋势也不显著，这与降水量年际变化情况一致。

图5 玛纳斯河流域四季气温变化曲线

4.3.2 年内气温变化

由图5可知，玛纳斯河流域上游春、夏、秋3季平均气温总体都呈现出比较明显的上升趋势，只有冬季气温略有上升；从5年滑动平均线可以看出，20世纪60年代四季平均气温均呈现出下降趋势，70年代处于波动期，从80年代开始增温趋势较为明显，说明玛纳斯河流域上游气温从20世纪80年代开始升高；由表1可知，春、夏、秋、冬四季气温变化倾向率分别为0.64,0.98,0.69,0.05℃/10a，其中夏、秋两季气温变化趋势达到0.01极显著性水平，而春、冬两季没有达到0.05显著性水平，说明春、冬两季气温增加趋势不显著，而夏、秋两季气温增加趋势显著。

4.4 蒸发量变化

分析流域上游近20 a(1984—2000年)蒸发量数据资料(数据由E601型蒸发皿测得)可知，蒸发量多年均值为1 651.2mm，期间未出现明显的上升与下降趋势，年值围绕均值上下波动，最大值出现在1997年，为2 116.5 mm，最小值出现在1988年，为1 383.7 mm。其倾向变化率为51.08 mm/10a，蒸发量总体呈微小增加趋势(图6)。

图6 玛纳斯河流域蒸发变化曲线

4.5 相关性分析

本文对玛纳斯河流域上游气温、降水和蒸发三者年均值标准化时间序列进行相关分析，发现蒸发量同气温间的相关系数为0.589，同降水量间的相关系数为-0.729，根据相关系数显著性检验(t检验)，年降水量与蒸发量的相关系数通过了a=0.01显著性检验，说明降水量和蒸发量之间呈负相关，降水量多的年份往往年蒸发量较小。气温与蒸发量的相关系数也通过了a=0.05显著性检验，说明气温与蒸发量之间是正相关，气温高的年份蒸发量也往往相对较高(表2)。

表2 气温、降水与蒸发相关性分析结果 (1984—2000年)

5 降水、气温突变分析

从图7(a)可以看出流域降水量在1959—1973年期间呈现出先减少后增加的波动，但没有达到显著水平，随后又进入了减少阶段，其中1981—1987年期间达到显著水平，到80年代末减少趋势有所缓和，到20世纪90年代末基本呈增加趋势，虽然UF和UB曲线在 (a=0.05)信度临界值之间有明显交点，即在1998年发生突变，但没有超过0.05显著性水平线，说明近50 a该流域上游降水量虽然增加，但是不太显著。

从图7(b)可以看出该流域气温在1959—2008年总体呈上升趋势，并且升高趋势显著，只在1960—1962年有一个短暂的下降过程，在1990年发生突变，并且超过0.05显著性水平线，说明该流域气温在90年代初期进人了一个显著增温阶段。

注:|UF|=1.96为0.05信度临界值

6 降水、气温周期分析

小波系数的实部包括在给定的时间和尺度下，相对于其他时间和尺度的信号强度和位相两方面的信息[19]。如图8所示，小波系数实部为正时，表示降水偏多或温度偏高，图中用实线绘出，为负时表示降水偏少或温度偏低，图中用虚线绘出。从不同尺度下的气象要素位相结构可以看出，不同的时间尺度所对应的气象要素变化是不同的，且大尺度的气象要素变化又包含了多个小尺度的变化结构。综上所述，以小波系数变化代表气象要素的变化，能够真实地反映出该地区气象要素的变化特征。

图8 玛纳斯河流域气温、降水小波变换实部等值线

由气温和降水小波变换实部等值线(图8)可知，上游年平均气温存在明显的年际变化和年代际变化，在30～35 a尺度上表现为持续增温的趋势，并且由于等值线没有闭合，在未来的一段时间内气温将表现为持续升高；年降水量在25～45 a的时间尺度上降水量主要经历了“丰—枯—丰”3个变化过程，且在2008年等值线仍没有闭合，同样表明在未来的一段时间内年降水量将表现为持续增加。

由小波方差(图9)可知，年平均气温在4 a和45 a有2个峰值，说明近50 a的年平均气温主要震荡周期是4 a和45 a，其中45 a为第一主震荡周期；年降水量在4，19，43 a有3个峰值，说明近50 a降水量主要震荡周期4，19，43 a，其中43 a为第一主震荡周期；而事实上气温、降水量在该尺度上无法确定是否存在更大周期的震荡变化，但能够说明气温、降水量在主周期时间尺度上的震荡变化最明显，以第一主震荡周期时间尺度预测气候变化，得出玛纳斯河流域上游在未来5～10 a间仍将处于偏暖、多降水期。

图9 玛纳斯河流域气温、降水小波方差

7 结 论

(1) 近50 a玛纳斯河流域上游气温、降水量均呈上升趋势，其中气温升高十分显著，基本上与我国西北地区气候由暖干向暖湿转变趋势相一致；对于年内气温，夏、秋两季增温趋势比较显著，而春、冬两季不太显著；对于年内降水量，主要集中在春、夏两季，春、冬两季降水量呈增多趋势，而夏季呈减少趋势，秋季基本保持不变；说明该流域上游气温与降水变化存在明显的季节差异。

(2) 流域上游年际蒸发量大，多年均值为1 651.2 mm(1984—2000)，期间未出现明显的波动趋势。该地区蒸发量同气温呈正相关，其相关系数为0.589，同降水成负相关，其相关系数为-0.729，说明气温高的年份蒸发量往往相对较高，而降水量多的年份往往蒸发量相对较小。

(3) 根据Mann-Kendall检验结果显示，玛纳斯河流域上游气候突变发生在20世纪90年代期间，其中气温有一个显著的升高过程，而降水量增加并不显著。同时通过Morlet小波分析发现流域年降水量与气温变化具有明显的阶段性与周期性，由于降水与气温的小波变换实部等值线没有闭合，所以预计玛纳斯河流域上游仍将处于偏暖、多降水期，而且在未来5～10 a间不会发生太大变化。

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