浅析新疆伊犁河流域50余年降水时空分布

(河南省豫北水利勘测设计院新疆分院，新疆 乌鲁木齐 830052)

1 概 述

降水是影响地区农业生产管理、社会经济发展及其水资源管理利用的重要因素，同时也是影响径流和其他水文要素的一个重要因素，其年际和季节变化规律对于地区水资源的变化具有重要的影响。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告显示，1901—2013年期间，全球表面平均气温升高了0.89℃，降水模式也发生了改变，这些变化将会使地表径流发生变化，导致更多的干旱或洪涝事件，从而进一步影响地区生态系统和社会经济的健康发展[1]。因此，研究地区降水的时空变化模式及其年、季变化规律，对于分析气候变化背景下水循环、预测旱涝事件发生规律和未来气候变化具有重要意义。

目前，许多学者从年、季、月等各个尺度，采用线性回归、累计距平、Mann-Kendall检验、滑动平均、小波分析、有序聚类、集中度和集中期等不同分析方法对不同地区降水的时空变化趋势进行了研究[2-4]。在众多区域尺度研究中，伊犁河流域作为我国重要的粮食产区，已有不少学者对其降水的时空变化特征进行了研究。伊犁河流域地处西北地区，距离海洋较远，其降水量的变化必然会对该流域的社会经济和生态环境的健康发展产生深远的影响，但是已有研究工作多倾向于研究流域降水的年变化或单个季节变化，而缺乏对伊犁河流域降水特征的全面分析，因此有必要对该流域全年和四季的降水变化特征进行进一步的分析。鉴于此，本文采用1960—2013年降水资料，辅以线性回归、经验正交函数(EOF)分解和突变性检验的方法，分析伊犁河流域全年和四季降水的时空分布及其变化规律，以期为了解该流域气候变化，充分认识和利用气候资源，保障伊犁河流域的生态环境和社会经济的可持续发展提供参考。

2 数据和方法

2.1 数据来源

本文采用伊犁河流域6个站点1960—2013年逐年和逐月降水数据。考虑到伊犁河流域气象站点分布的不均匀与地势的起伏，采用基于面积权重的方法估算整个流域的降水量，其权重的系数是指每个气象站点控制的面积占整个流域面积的百分比，通过泰森多边形的方法进行估算。

2.2 计算方法

2.2.1 回归分析

回归分析常用来分析一个或多个变量的变化对另一个变量的影响程度。本文中降水和时间两个变量用来建立线性回归方程，其具体回归方程如下：

P=aT+b

式中P——1960—2013年或季度降水；

T——时间序列;

a,b——参数，a一般为年或季度降水的变化趋势。

2.2.2 突变点分析

a. Mann-Kendall检验。Mann-Kendall(M-K)检验是一种非参数的检验方法，其优点在于不受少数异常值的干扰且数据不需要服从特定的分布，M-K检验方法的具体计算步骤见文献[5]。

b. Pettitt检验法。Pettitt检验是一种非参数的检验方法，广泛应用在水文和气象数据的检验中。该方法采用Mann-Whitney的统计量Ut,N来检验同一个总体x(t)的两个样本，计算步骤见文献[6]。

另外文中还用到了经验正交函数(EOF)分解等常用方法。

3 结果分析

3.1 降水量时间变化特征

伊犁河流域年降水、春季和秋季降水在1960—2013年呈下降趋势，其气候倾向率分别为-4.62mm/10a、-6.23mm/10a和-4.78mm/10a，年降水和秋季降水的下降趋势不显著，未通过显著性检验(P>0.05)；春季降水通过显著性检验(P<0.05)，减小的趋势显著。夏季降水和冬季降水呈现增加趋势，其气候倾向率分别为4.86mm/10a和0.70mm/10a，但是均未通过显著性检验(P>0.05)，增加的趋势不显著。

为进一步分析伊犁河流域降水量的时间变化特征，对1960—2013年伊犁河流域全年及其四季降水的时间序列进行突变检验，结果见表1。春季UFk和UBk在1977—1992年期间出现多个交点(P=0.05)，说明伊犁河流域春季降水存在多个突变点，UFk值小于0或很少大于0，说明伊犁河流域春季降水总体呈现下降趋势；结合Pettitt检验可知其突变年份为1991年，且P<0.05，突变显著(见表1)。由夏季降水的检验结果可以看出，UFk和UBk出现多个交点，UFk曲线处于信度的上下限之间，从1978年开始，其值大于0，说明伊犁河流域的夏季降水呈现增加趋势(P=0.05)；由Pettitt检验可知夏季降水在1977年发生突变，但是P>0.05，突变不显著。秋季降水的M-K检验显示，在0.05置信水平下，UFk和UBk在1970年出现交点，UFk值在1993—2000年期间超出信度的下限，表明该时段秋季降水下降显著；由Pettitt检验可知秋季降水在1970年发生突变，但P>0.05，突变不显著。冬季降水的M-K检验表明，在0.05置信水平下，UFk和UBk震荡剧烈，除了1975年以外，UFk曲线都处于信度的上下限之间，UFk值大于0或很少小于0，表明伊犁河流域冬季降水总体呈现上升的趋势；结合Pettitt检验可知冬季降水在1986年发生突变，但P>0.05，突变同样不显著(见表1)。全年降水的M-K检验结果显示，在0.05置信水平下，UFk和UBk在1985—1989年之间出现多个交点，进一步结合Pettitt检验可知伊犁河流域全年降水的突变年份为1985年，但是P>0.05，突变并不显著。

表1 伊犁河流域全年及各季平均降水的Pettitt突变检验

3.2 降水量时空分布特征

为进一步研究伊犁河流域全年及其四季降水的空间分布特点，对伊犁河流域6个气象站点1960—2013年的降水数据进行经验正交函数(EOF)分析。结果表明，前两个特征向量累计方差贡献率处于55.6%～81.7%之间，方差贡献率较大，因此，研究前两个特征向量的空间分布情况，可以较好地反映伊犁河流域全年与四季降水量空间异常分布的基本特征。

3.2.1 年降水的主要空间分布型

采用EOF对伊犁河流域6个气象站点的降水距平百分比矩阵进行分解，前3个特征向量的特征值和贡献率见表2。可以看出，其前两个特征向量的累计贡献率接近65%，因此，这两个特征值可以说明伊犁河流域年降水量的两种分布类型。

第一特征的方差贡献率为47.81%，是伊犁河流域的主要空间分布型式。其站点的特征值都为正，表明1960—2013年期间，伊犁河流域的降水具有高度的一致性。该模态特征向量的高值区出现在流域的南部，其原因可能是该地区降水主要受到南部山脉的影响，降水的变化率较大；而低值区出现在北部地区。1975年、1983年和2003年为该流域降水一致偏多的年份，1995年和1997年为该流域干旱少雨的年份，时间系数具有明显的年际震荡变化特征。

第二特征向量的空间分布在东南部为正值，在西北部为负值。该降水型代表了西北与东南部的差异。从时间系数来看，正值较多，20世纪90年代和21世纪初表现出明显的正值趋势，尤其以2011年最为典型，代表了东南部降水较多、西北部降水较少的空间型。

表2 年降水前3个特征向量特征值及其方差贡献

3.2.2 春季降水主要空间分布型

伊犁河流域春季降水量前3个特征向量特征值及其方差贡献率见表3。可以看出，前两个特征向量的累计贡献率已经达到71.45%，因此，这两个特征值可以很好地说明1960—2013年伊犁河流域春季降水量的两种分布类型。第一特征值都为正，且呈现从南向北减小的趋势，表明流域春季降水在1960—2013年期间具有高度的一致性。时间系数以负值居多，尤其是进入20世纪90年代以后更为明显，表明流域降水总体偏少，容易出现春旱。1967年、1983年和1998年的值较大，表明这些年份春季雨水较多。

3.2.3 夏季降水主要空间分布型

对伊犁河流域夏季降水进行EOF分解，取前3个主成分进行分析。其特征向量特征值及其方差贡献率见表3。可以看出，其前两个特征向量的累计贡献率已经达到55.58%，因此这两个特征值可以说明1960—2013年伊犁河流域夏季降水量的两种分布类型。其空间分布特征与全年相似。

3.2.4 秋季降水主要空间分布型

秋季降水的前3个特征向量的贡献率见表3，其累计贡献率为85.67%，其中前两个特征向量的累计贡献率为81.69%，因此，这两个特征值可以很好地说明1960—2013年伊犁河流域秋季降水量的两种分布类型。第一特征向量的空间分布在整个流域被正值覆盖，呈现由西北向东南增加的趋势，表明流域降水具有空间的一致性，并受到大尺度天气系统的控制，具有同旱同涝的特点。

3.2.5 冬季降水主要空间分布型

冬季降水的前3个特征向量的累计贡献率为82.12%，其中前两个特征向量的累计贡献率为76.22%，因此，这两个特征值可以很好地说明1960—2013年伊犁河流域冬季降水量的两种分布类型。冬季降水第一特征向量在整个流域被正值覆盖，呈现由西北向东南增加的趋势，表明伊犁河流域冬季降水具有空间的一致性特点。从时间系数来看，1975年、1988年和1989年出现正极值，表明这些年份伊犁河流域冬季降水偏多，1982年、1998年代表了伊犁河流域冬季降水偏少的年份。

表3 四季降水前3个特征向量特征值及其方差贡献

4 结 论

采用线性回归、EOF分解、Mann-Kendall及Pettitt突变性检验的方法，对伊犁河流域6个气象站点1960—2013年全年及其四季降水的时空分布进行了分析，得到以下结论：

a.从时间变化趋势来看，除春季降水呈现明显的减小趋势外，其他季节和年平均降水量的变化均不明显；Mann-Kendall突变分析表明伊犁河流域的春季降水存在多个突变点，其春季降水总体呈现下降趋势；夏季降水同春季降水相似，存在多个突变点，震荡剧烈，总体呈现上升的趋势；秋季降水在1970年前后出现突变点，UFk值在1993—2000年期间超出信度的下限，表明该时段秋季降水下降显著；冬季降水在1960—1987年期间出现突变点，震荡剧烈，其总体呈现上升的变化趋势。Pettitt检验结果表明，春季、夏季、秋季、冬季和全年的降水突变点分别为1991年、1977年、1970年、1986年、1985和1990年，但只有春季降水突变显著(P<0.05)。

b. 1960—2013年，伊犁河流域全年和四季降水空间分布不均，总体呈现由东南向西北减小的趋势；从年降水的空间变化趋势分布来看，上游的减小趋势较中游更为明显。从四季降水的空间变化趋势来看，春季降水和秋季降水基本呈现下降的趋势。

c. EOF分析表明，伊犁河流域全年和四季降水的空间分布存在总体一致型和东南——西北区域反位相型的分布类型。全年和四季降水的第一特征场表明流域全年和四季降水在空间上具有高度一致性，从其特征向量对应的时间系数来看，全年和季节降水的震荡较大。

d.研究表明，伊犁河流域降水的时空变化受到地形条件、地理位置和大气环流的共同影响，地理位置决定了流域降水量的平均量级，地形条件和大气环流使伊犁河流域的降水呈现一定的空间分布特征。伊犁河流域地形复杂，具有山地、平原、丘陵等多种地形，因此流域内各区域的降水差异较大，如何根据流域内不同区域的特点对流域进行进一步划分，从而更加深入细致地探讨流域内降水的变化情况是未来需要进一步研究的问题。

[1] Qin D,Plattner G K,Tignor M,et al.Climate Change 2013:The Physical Science Basis[M].Cambridge,UK and New York:Cambridge University Press,2014.

[2] 向亮,郝立生,安月改.51a河北省降水时空分布及变化特征[J].干旱区地理,2014,37(1):56-65.

[3] 包云,李晓兵,黄玲梅.1961—2007年内蒙古降水时空分布[J].干旱区地理,2011,34(1):52-61.

[4] 陆文秀,刘丙军,陈俊凡.近50a来珠江流域降水变化趋势分析[J].自然资源学报,2014,29(1):80-90.

[5] Kendall M G.Rank Correlation Measures[M].Charles Griffin,London,1975.

[6] Pettitt A N.A non-parametric approach to the change-point problem[J].Applied Statistics,1979,28(2):126-135.