基于地统计学和M-K检验的头屯河流域降水时空变化分析

李亚丽

(新疆头屯河流域管理局 水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

降水是全球大气系统在耗散过程中的矢量之一，也是气候变化背景下敏感的生态因子。受水循环机制、降水时空模式影响，区域降水量具有非线性、随机性的特点，并对生态系统演进和人类社会可持续发展带来重大影响[1-2]。相关学者研究表明，近60年来全球不同地区的干旱、高温、洪涝、风暴等极端气候现象频发且不确定性加强，而这均被认为与降水变化显著相关[3]。研究区域降水时空分布规律，为气象减灾、气候预报、水资源利用提供基础信息。

1 研究区域与资料方法

1.1 研究区概况

头屯河流域位于新疆乌鲁木齐市西北，地理坐标介于E87°50′46″-E87°28′52″、N43°50′46″-N43°54′36″，流域面积275.49 km2，人口12.5万人。区域属盆地地形，高程介于623～759 m，总体呈自南向北倾斜，起伏度低。头屯河呈自西南-东北流向，干流长度26 km，平均比降1.02‰，径流量达53.86×104m3。该流域属于温带大陆性干旱风气候区，季候分明、温差变化大，年平均气温9.62℃，各地降水量介于134～378 mm，>10℃积温达2 800℃～3 500℃，干旱、大风、暴风雪水等灾害天气频现。近50年来，榃滨河流域气温变化斜率为0.054℃/10 a，与此同时降水也呈波动性变化。

1.2 Mann-Kendall突变检验

降水是具有时间特性的自然随机变量，对于其一维趋势的测量，Mann-Kendall(M-K)检验法具有不受样本值、分布类型等影响的特点，准确挖掘其隐含信，在降水变化研究领域中得到广泛应用。其检验统计量S公式为[4]：

(1)

式中：Sgn()为符号函数，规则如下：

(2)

S为正态分布，其均值为0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，当n>10时，正太分布统计量计算如下：

(3)

若Z>0，则表明降水在该时间序列呈增加趋势，否则为降低趋势；且Z≥1.28、1.96、2.32时，表明降水变化趋势通过了0.001、0.01、0.05水平的信度检验[4]。

1.3 地统计学

降水不仅具有时序变化特征，在一定空间范围内其亦具有分布差异。半方差函数(Semi-variogram)是基于地质统计学建立起来的空间分析方法，其能够解释降水量空间相关、分布、聚集性特征，公式如下：

(4)

式中：γ(h)为半方差函数；N为观测样点数量；h为观测点之间的距离；Z(xi)和Z(xi+h)分别为变量(气温或降水)在位置xi和xi+h处的大小。

根据半方差理论，可对观测区内其他不同位置上点值属性进行无偏估测，即Kriging插值法[5]：

式中：λi为第i个样点的权重系数；Zx、Z(X)分别为目标点和辅助点的估测值。

1.4 数据来源与处理

本研究数据由国家气象中心(http://dctc.cmc.cn/)提供，时间跨度为1980～2016年，能够反映降水变化现势性特征。为度量其季节性特征，按照常规方法进行划分：春季(3-5月份)、夏季(6-8月份)、秋季(9-11月份)、冬季(12-2月份)。运用Matlab 2017b软件对年季节降水量进行趋势检验； Excel 2016软件汇总逐日降水量数据，并绘制其变化趋势图；应用GS+9.0和surfer13.0进行地统计分析，并绘制降水量空间分布图。

2 结果分析

2.1 头屯河流域降水量倾向斜率分析

一元线性回归能够直观表达降水量宏观趋势，头屯河流域1980-2016年全年与各季节降水量时间变化见图1。

图1 头屯河流域年降水和四季降水时间变化

由图1可知，头屯河流域年降水量总体呈减少的趋势特征，变化斜率为6.86/10 a，其最小值为1997年的134.12 mm，最大值为1981年的315.6 mm。各季节降水量分配不均，夏季降水占年降水量的45%～65%，其中夏季降水的变化趋势达-35.23/10 a，表明夏季降水减少最大。而春、冬季节降水量的变化斜率分别为-4.17和-3.05 mm/10 a，变化趋势不显著。秋季降水量略呈增加趋势，变化斜率达11.02 mm/10 a。秋季为该地区作物收获时节，该季节降水量增多容易导致作物减产以及汛期延长；而春夏时节的降水减少，不利于作物生长，但能够一定程度缓解夏季洪涝风险。

2.2 头屯河流域降水量M-K突变分析

图2为头屯河流域年和四季降水量M-K突变分析，可进一步显示其时间序列降水局部细节变化。图2中，方框为UB值，其代表降水量变化量Z，其值大于0,说明降水量呈增加变化；其值小于0，说明降水量呈减少的特征；菱形表示UF值，为降水量变化趋势显著性检验值，如果其值达到阈值线水平，说明其降水变化显著。由图2可知，春季降水的UF和UB检验值存在多个交点，表明该时域内降水量发生多次突变，其中仅有部分年份UF值>0，表明区域年降水总趋势为较少特征。春季降水量UF值在1998年达到最大值，为-3.076，表明该年降水减少显著;其与UB在1982年处存在交点，但未达到阈值线。由于夏季降水为头屯河年降水量的主体，因而其M-K检验特征与年降水的变化趋势一致。在1989-2004和2013-2016这两个时段，秋季降水UF值>0，研究时域内秋季降水整体增多。冬季降水量的UF、UB曲线在2014年相交，但未达到阈值线水平(P<0.05)。

图2 头屯河流域年降水/季降水量M-K检验

2.3 头屯河流域降水量半方差结构分析

半方差分析能够检验降水空间分布特征。GS+9.0软件平台根据区域性变量特征设计了高斯、指数、球面、线性4种模型予以拟合其空间结构，基于决定系数R2接近于1、残差RSS接近于0的原则，选取最优拟合模型，结果见表1。由表1可知，头屯河流域年降水和冬季降水量空间分布符合高斯模型，其块金结构分别为35.31%和29.30%，达到中等空间自相关性，但其低于50%，说明区域年、冬季降水量空间分布受结构因素如地形、大气循环稳定性机制控制，导致降水在不同空间位置上具有相关性。春、夏、秋季降水量空间分布分别以线性、球面、指数模型拟合最佳，块金结构相差不大，依次为32.22%、27.93%和36.34%，说明降水量空间变异以结构性变异为主，随机性变异较少。需要指出的是，头屯河流域降水量空间分布的半方差结构约为30%左右，说明降水过程机制仍然受到一定程度的随机因素影响，这可能是气候变化背景下大气环流过程存在不确定性因子干扰。

表1 头屯河降水量半方差模型及参数

2.4 头屯河流域降水量空间分布分析

根据前面部分计算的半方差结构参数，以各站点年和季节降水量平均值为基础，在Surfer环境下运用Cokriging插值法，绘制其空间分布图，结果见图3。由图3可知，区域降水量存在一定空间差异。总体来看，头屯河流域年和季节降水量呈现自西北向东南递减的分布趋势。年降水量高值区集中于西北与北部，局部可达300 mm，西北部地区地形开阔，其地理位置便于接受来自北冰洋和北大西洋水汽，因而降水量较多；而东南部降水量明显较低，局部少于100 mm，主要由于东南部地形封闭，周边为高大山系阻挡，隔绝了水汽运移，降水多为地形雨。各季节降水量的分布趋势与年降水量分布一致，但在局部特征方面略有差异。

图3 头屯河流域降水量空间分布特征

3 结 论

头屯河流域是新疆干旱半干旱地区典型的冰川积雪溶水型自流区，区域降水稀少却是本区生态安全、环境演变必不可缺的水循环要素。本文研究显示，区域降水量总体呈减少趋势，主要由于近现代以来气候变化加剧导致高纬度季风和北大西洋季风存在异常，进而影响了西北地区的降水常态；各季节性降水变量趋势与速率存在差异，这将给区域植被生长带来深刻影响。本文初步揭示了区域降水时空特征，可为区域气象研究和农业资源规划提供实践依据。