新疆伊犁地区巩乃斯河流域1972～2015年气温及降水时间序列的变化特征及趋势分析

·，

(新疆伊犁水文勘测局，新疆 伊犁 835000)

20世纪以来的全球变暖趋势已成为公认的事实[1]，在全球气温趋于变暖的大背景下，不同地区的气候也发生了不同程度的变化，引起了不同国家、学者的关注，为更好的应对气候变化所引起的一系列问题，投入了大量的精力与财力，寻求较好的解决途径与应对措施。由于水资源对全球变暖趋势有着敏感的响应，并且水资源的合理配置制约着社会经济发展，因此目前不同学者关于全球气候变暖对水资源的响应方面展开了大量的研究，取得一定成果。伴随着全球气候的变暖、人类的强烈活动，极端水文事件的频发，给人类的发展带来了巨大的损失，给当地居民的生产和生活带来的一定的危害，这就急需去重新认识人为及外界因素干扰下的水文循环规律，尤其是像新疆这种大多数据河流发源于高山冰川积雪消融区的区域。因此，开展该区域的水文规律分析有助于所在区域加强冰雪融水的开发利用、水文过程的再现以及水资源合理开发利用等。

水文规律分析主要分为序列的趋势性分析、序列的突变性分析以及水文序列的周期性变化规律分析的三个方面，其中对序列规律分析中被大量采用的方法有M-K法、小波分析方法、最小二乘法等。总而言之，由于地理位置和气候的差异，我国各地气候长期变化具有不同的特征。目前，新疆地区与内地有明显的气候差异，新疆地区主要河流易受气候变化及人类活动的影响，但有关学者对新疆南北疆地区的气候变化规律也有不少研究[8-10]，主要涉及气候变化特征研究等内容。如赵泽珍等[11]于2012年对新疆伊犁河流域的水文序列变化规律进行研究，其中包括流域的气温序列、降水序列以及径流序列的变化趋势。叶佰生[12]于1997年利用近三十年气象资料对天山山区伊犁河流域中低山区的五个典型水文站点详细分析了降水和气温的变化规律，总结出该地区中低山带的降水和气温与其对应高度的关系夏季较好,冬季较差的结论。马建勇[13]于2012年对北疆地区近半个世纪以来的20个气象站点的气温、降水要素进行了全面详细的分析。

由于近年来受人类活动、气候变化以及水资源开发利用等因素的影响，使不同区域所在河流发生的极端水文灾害事件的频次增加、强度增强，给所在区域带来了极大自然灾害损失，如研究区所在的巩乃斯河流域。因此，为了更好的认识所在区域的产汇流规律、指导所在流域雨、洪资源的合理开发利用、自然灾害的预估、预警与应对等，对所在研究区的水文气象序列的变化特征以及趋势分析具有重要研究意义。

1 研究区概况及资料来源

巩乃斯河为伊犁河上的第三大支流，河流起源于艾肯达坂区，从东向西横穿巩乃斯河谷，最后汇入伊犁河。流域全长280 km，集水总面积为7 707 km2；流域平均高程2 940 m，自西向东由800 m递增至4 000 m以上,使西来的水汽逐渐抬升促使降水的形成，自西向东多年平均年降水量为3 600～850 mm。流域控制断面处为则克台水文站，水文站处于东经83°16′、北纬43°31′处，海拔为840 m。

本文选取新疆巩乃斯河流域则克台水文站1972—2015年的年平均气温、降水资料系列进行趋势分析，数据来源于新疆水文年鉴。

2 研究方法

本文借助线性趋势分析法[2]、滑动平均法[3]对流域的气温、降水时间序列进行趋势性变化分析；借助M-K法[4]对流域的气温、降水时间序列的突变情况进行分析；借助小波变换分析法[5]揭示了流域的气温、降水时间序列的周期性演变规律。

3 分析结果

3.1 年际变化趋势分析

根据对研究区年气温序列的统计分析可知，巩乃斯河流域多年气温的平均值为8.4℃，其中2006年出现最高气温10.1℃，1972年出现最低气温5.6℃。从气温序列的变化趋势图(图1)中可知，研究区气温序列在1972～2015年持续增长，年平均气温变化倾向率为0.65℃/10a。由气温的5年滑动平均曲线可知，其变化可明显分为上升-下降-上升-下降四个阶段，1983年之前序列呈上升趋势，1984～1988年之间序列呈下降趋势；1989～2010年之间气温变化呈持续上升趋势，且从1994年开始气温明显高于多年均值，但从2010年以后气温变化呈下降趋势。

根据研究区年降水序列统计分析可知，流域多年平均降水量为514.9 mm，主要集中于3～8月份，占全年的63.5%；1998年为特丰水年，雨量为913.0 mm，1995年为特枯水年，雨量为316.4 mm。对降水年际变化进行线性分析如图1所示。由图1可以看出，巩乃斯河流域年降水量波动幅度较大，但总体上降水量逐年增加，1972～2012年总的降水倾向率值为17.2 mm/10a。由5年滑动平均降水曲线分析得出，流域降水变化趋势可分为两个时段， 1972～2002年降水量明显波动增加，其降水倾向率的值为55.8 mm/10a，这一阶段降水量较为丰富。2002年后降水量下降，并以2003年为临界时，2003年以后降水量明显减少，降水倾向率的值为-75.8 mm/10a。

图1 巩乃斯河流域 1972～2015 年

3.2 Mann-Kendall突变分析

M-K法是一种非参数统计检验方法，判定其突变的参数为α=0.05、U0.05=±1.96。如果|UFm|>U0.05，则代表序列有显著的变化。当UF或UB大于零，代表有上升的变化，反之则有下降的变化。若两值相交于参数的区域内，相交处则表示为序列的突变点。本研究主要借助M-K法对巩乃斯河流域的年气温、年降水序列进行突变特性分析，确定序列相应的突变时间。

从M-K检验曲线(图2)中可以看出：近44年来，年均气温具有突变现象，气温从较冷的阶段向较暖阶段进行越变；从UF曲线可见，1970～1980年气温处于持续上升时期，1984至1989年呈气温逐年降低，1991年又开始出现较显著的持续上升趋势；同时在置信区间内UF曲线与UB线于1991年左右相交，故认为1991年为突变年份。年平均气温在1998年以后上升超过α=0.05的置信水平线，表明巩乃斯河流域平均气温从1998年开始上升趋势是较为明显的，这与全球性的气候变暖是相一致的。

图2 巩乃斯河流域年均气温及

年降水量变化情况由图2(b)可知，UF线与UB线都在α=0.05的信度下，UF线在信度的上下限之间，自1979年以前UF值<0，说明从1972～1979年之间降水序列呈减少-增加两个变化趋势；1980～1997年之间降水序列呈波动性减少趋势，自1998～2010年之间UF值>0，降水呈波动增长趋势，但不显著；2011年以后UF值>0，但降水呈减少趋势。UF和UB两条曲线的交点出现在1979年、1982年和2012年处，说明降水序列在这三年有突变情况。

3.3 研究区气温及降水的主周期特性分析

3.3.1 气温序列的小波变换分析及主周期分析

将则克台水文站年气温序列通过小波变换后，同时基于suffer8.0软件做系数的等值线图(图3、图4)。从图3中分析得到气温序列在17～25年和26～32年的时间尺度上有周期性演变规律， 26～32年的尺度上周期震荡较为明显，从1972年至今表现为高低交替3个中心。在17～25年的尺度上也发生了3次低、高的周期变换。基于气温模方等值线图(图4)，得到最大的模方值出现在24～32年的时间尺度上，表示该尺度的规律最显著。

图3 气温序列小波系数实部等值线图

图4 气温小波系数模方等值线图

从气温小波方差图(图5)中发现，巩乃斯河流域年均气温方差的第一峰值是22年，代表该时间尺度下气温的震动周期最强，是第一主周期；小波方差值的第二峰值是29年，为年气温序列变化的第二主周期。

基于则克台气温序列小波系数方差的检验(图5)得知第一主周期(最大峰值)出现在22年时间尺度上，说明在22年前后的周期变换规律最为突出，可以代表气温序列的周期变换趋势。基于气温序列主周期图(图6)，在22年尺度上，有2次偏冷期到偏暖期的变换，平均变换周期在15年左右；第二主周期(第二峰值)出现在29年时间尺度上，也有2次偏冷期到偏暖期的变换，平均变换周期在19年左右。

图5 气温变化的小波方差图

图6 温度序列22年和29年时间尺度周期趋势图

3.3.2 年降水的小波变换分析及主周期特性分析

基于则克台站44年年降水序列通过小波变换系数后得到相应的等值线图(图7)。可看出，该序列在于5～13年，15～22年和23～32年的时间尺度上，存在演变规律。自20世纪80年代中期开始，降水在5～13年的时间尺度上完成了6次枯水-丰水交替过程；在15～22年的尺度上完成了了枯水-丰水交替的3次循环，在23～32年的尺度上完成2次降水枯水-丰水交替过程。

图7 降水小波系数实部等值线图

从年降水小波系数模方等值线图(图8)，可得到6～11年时间尺度有最大的模方值，表示该时间尺度下降水周期变化规律最显著。从研究区年降水小波方差图9中可以看出，巩乃斯河流域年降水的方差的第一峰值是27年，第二峰值是8年，第三峰值是17年，说明年降水量在这三年的时间尺度上周期振荡最强，分别为年降水量序列的第一、二和三主周期。

基于则克台降水序列小波变换系数方差的检验(图9)得知第一主周期(最大峰值)出现在27年时间尺度上，说明27年左右的周期变化规律最为显著，第二至第三峰值分别出现在8年和17年时间尺度上，依次为第二、三主周期。这3个周期的变化规律可以表示降雨序列的周期变化趋势。基于降水序列主周期趋势图(图10)，可以分析出第一主周期和第二主周期分别有2次和6次降水偏少期到偏多期的变换过程，平均周期在18年和7年左右。

图8 降水小波系数模方等值线图

图9 降水变化的小波方差图

图10 降水序列27年和8年时间尺度周期趋势图

4 结语

为科学合理的指导研究区的水资源合理开发利用，本文借助了气候倾向率、滑动平均法、M-K法以及小波分析法对巩乃斯河流域近44年的平均气温及降水变化特征进行了分析，可以看出：

(1)巩乃斯河流域近44年气温波动中有明显上升，平均每10年增加0.65℃，高于全球气温增长率。气温冷暖变化交替出现，在1989～2010年之间气温变化呈持续上升趋势，且从1994年开始气温明显高于多年均值，但从2010年以后气温变化明显下降。研究区年降水量波动变化比较大，但总体表现为增加，其降水倾向率是17.2 mm/10a。降水量在1972～2002年之间波动呈明显增加，其降水倾向率是55.8 mm/10a，这一阶段降水量较为丰富。进入21世纪后，降水减少，并以2003年为临界时，2003年以后降水量呈明显减少，降水倾向率为-75.8 mm/10a。

(2)巩乃斯河流域气温序列的突变时间在1991年左右，于1998年以后气温增暖趋势超过了α=0.05的置信水平线，上升趋势十分显著；研究区年降水量UF线在置信水平上下限之间，说明降水减少-偏多变化趋势交替出现，但不显著；年降水量在1979、1982、2012年存在着突变。

(3)研究区气温和降水序列在近44年的变化趋势中包含了多个不同时间尺度的周期变化特性。年平均气温存在着明显的17～25年和26～32年的时间尺度上的周期震荡。从其周期变换的情况中可以推断，巩乃斯河流域的年气温在未来几年内仍会偏高，属于暖期。年平均降水量在5～13年，15～22年及23～32年有较为明显的周期性变化规律。15～22年及23～32年较5～13年振动周期表现较弱，在5～13年时间尺度上的周期振荡特别明显，其间年降水经历了6个少-多-少的循环过程。小波系数方差结果揭示了27年在1972～2015年整个时间域内，周期振动最强，为降水序列的第一主周期。

以上表明：全球气候的变化影响着研究区的自然水文循环规律，但由于部分流域水文监测站点分布较稀疏，设备较落后，为了更好的指导所在流域雨、洪资源的合理开发利用及应对，因此要合理布置气象数据监测站点，提高分析手段，以便为所在流域水文气象要素变化特征及趋势预测进行全面分析。