乌恰县近60年气象要素变化分析

杨鹏鹏

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075)

0 前 言

近年来，伴随着全球气温的不断升高[1]，引起了诸如降水时空分布不均，极端天气频发等一系列的气候问题，气候作为人类赖以生存的自然环境的最重要组成部分，对人类的生存与发展有决定性的影响[2-3]。因此，研究区域气候特征变化非常必要，中国已有大量的学者进行了这一方面的研究。

鹿翠华[4]根据枣庄市1971—2008年各月10 min最大风速资料，利用趋势分析法和耿贝尔分布函数分析得出最大风速呈递减的“双峰双谷”形变化。陈朝基[5]利用1953—2008年玉门镇四季降水量，分析了近56 a玉门的四季降水量变化趋势、气候变异、异常年份等。仙米西努尔·克里木[6]利用1960—2010年莎车县气象站逐月风速、风向数据系列和1980—2010年风向数据，通过一元线性趋势分析等方法分析了莎车县风速年、季气候变化。刘芸芸[7]等利用西北干旱区1961—2007 年77 个观测站的逐日降水资料序列，将西北干旱区分为5 个主要气候区，分析了全球变暖背景下西北干旱区雨季的降水时空变化特征，并预测降水的未来变化趋势。苏宏超[8]利用全疆106 处水文、气象站1956—2005年的降水资料以及相关分析研究成果, 从水资源的角度对新疆降水的形成条件、时空分布特征和对水资源、生态环境的影响进行了分析。

目前，关于新疆维吾尔自治区乌恰县气象要素变化的分析很少。乌恰县隶属于新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜自治州；位于天山南麓与昆仑山的结合部，坐落于中国最西部。东与阿图什市、疏附县毗邻，南与阿克陶县接壤，西北与吉尔吉斯坦交界。作为中国最西部的县级城市，是一带一路沿线的重要城市。

乌恰县地广人稀，地势东南低，西北、西南高，群山环绕，属典型山地地形，海拔高度1 760.00～6 146.00 m，平面呈马蹄形，北接南天山山脉西端，南靠帕米尔高原、昆仑山北麓。全县山地、戈壁、荒滩占总面积的99.8%，人均耕地不足0.04 hm2，自然资源丰富，交通不够发达，目前主要以农林牧业为第一产业，人民生活水平相对较低，大多数人基本属于靠天吃饭的生活状态。乌恰县属温带干旱气候区。年平均气温7.3 ℃，极端最高气温34.7 ℃，极端最低气温-29.9 ℃，年平均日照时数2 797.2 h，≥10 ℃的积温2 529.3 ℃，无霜期135 d，年平均降水量172 mm。

为了准确把握当地气候要素变化规律，弄清变化趋势规律，为工业发展提供可靠的理论参考。本文拟根据已有的气象资料，进行乌恰地区近60 a来气候变化规律的分析。

1 资料与方法

本文根据中国气象数据网(http://data.cma.cn/)乌恰县气象站1956—2016年逐月各气象要素资料(极端最低、最高气温，平均最低、最高气温，平均气温，日照时数，最小相对湿度，平均水汽压，平均相对湿度，降水量等),利用M-K法和小波分析分别分析各气象要素的变化趋势和周期。

1.1 M-K法

M-K法是一种基于秩的非参数统计检验方法，变量可以不具有正态分布的特征，常用来预测气温、径流等时间序列资料的长期变化趋势，是世界上广泛应用的非参数检验方法[9-10]。

x1,x2,…,xn表示样本容量n的时间序列变量，该方法定义统计量S，见式(1)：

(1)

其中，

(2)

式中:xk、xj分别是时间序列为j、k时的序列值，k>j。

定义正态分布统计量Z。

(3)

式中:Var(s)为方差。对于某一给定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，则时间序列在置信水平时存在明显上升或下降趋势，反之,不存在。

1.2 小波分析

小波分析早在1984年，法国的地质学家J.Morlet首先将小波概念引入到信号分析中，利用此方法来对气候因子进行周期分析，不仅可以看出气候变化的时间和位置，还可以看到气候变化的尺度[11]。

小波变换的离散形式为：

(4)

式中:Δt为取样间隔；n为样本容量；ψ(t)为基本小波函数。

水文分析中，由于Morlet小波分析容易受到噪声干扰，气象因子分析中较常用墨西哥帽子(Mexican hat)小波函数分析法，能满足容许性条件。

本文采用墨西哥帽小波,标准化的墨西哥帽小波是：

(5)

把小波变换结果绘制成二维图像，以序列时间作为横坐标，频率参数作为纵坐标，小波系数为图中对应的数值，另外，小波方差图可以更加准确判断序列存在周期以及其显著性。

2 结果分析

2.1 趋势分析

对气象站各要素资料采用Mann-Kendall检验法进行趋势分析，统计结果见表1。

表1 各气象因子月系列趋势分析统计(Z值)表

注：黑色粗体Z值表示在5%显著水平。

表1分析结果可以看出，各月极端最低气温、平均最低气温、平均气温、平均最高气温Z值基本为正值，说明气温系列均有升高的趋势，其中极端最低气温、平均最低气温各月Z值基本都达到了5%的显著水平，表明上升的趋势显著；极端最高气温也有升高的趋势，各月变化不显著；日照时数在夏秋季有增加的趋势，春冬季有减小的趋势；平均风速的各月Z值均为正，表明各月风速均有增大的趋势；最小相对湿度及平均相对湿度Z值基本为负值，说明该地区湿度有减小的趋势；平均水汽压、降水量及降水日数Z值基本为正值，说明三气象要素月系列有增加的趋势。

为了进一步分析各气象要素变化规律，根据各气象要素的年值系列，其变化趋势如图1所示。

图1 年极端气温变化趋势图

图1可以看出，年极端最高气温呈上升的趋势，趋势线较平，斜率为0.006 8，说明上升变化不明显，这与各月的分析结果相同；年极端最低气温也有上升趋势，趋势线斜率较大，为0.110 3，说明上升变化比较显著，这也进一步印证了在全球气候变暖的大背景下，该地区温度也有上升的趋势。

乌恰气象站年降水量、气温、风速、平均水汽压、日照时数系列均有上升的趋势，年最小相对湿度有减小的趋势，各气象要素年系列变化趋势与月值变化结果相似，因此可以看出，乌恰气象站1956—2016年呈现出温度上升、风速增大、日照时间变长、降水量增加及湿度减小的变化趋势，见图2。

利用M-K法分析各气象因子年系列变化趋势统计如表2。

表2 各气象因子年系列趋势分析统计(Z值)表

注：黑色粗体Z值表示在5%显著水平。

由表2可以看出，相对湿度年系列有下降的趋势，趋势变化不明显；其余各气象因子均有上升的趋势，其中气温、风速、水汽压系列变化显著，达到了5%的显著水平。

2.2 周期性分析

根据乌恰气象站各气象要素年值资料，利用小波分析研究的变化周期如表3。

表3 各气象站气象因子年系列周期分析统计表 /a

从表3可以看出，降雨、气温的周期为10 a，相对湿度、风速有8 a的周期，日照和水汽压系列的周期分别为16 a和6 a，说明各气象要素的变化具有一定的周期性。

3 结 语

(1) 本文利用乌恰气象站长系列的气象资料，根据科学的统计方法，了解了乌恰县过去60 a来气候变化及其变化趋势，但没有做相关的变化量预测分析。

图2 气象因子变化趋势图

目前关于乌恰地区气候变化的研究很少，缺少合理的对比研究成果；后续还应将气候变化与当地农作物生长、资源开发利用结合起来。

(2) 采用Mann-Kendall趋势检验法得出：乌恰气象站各月气象因素除湿度外，其他各因子基本都有上升的趋势，年系列与月系列变化趋势相似，其中温度、日照、水汽压系列变化趋势显著。

(3) 根据小波分析结果，各气象因子除具有趋势性外，还有一定的振荡周期，其中日照系列的周期较长为16 a，水汽压系列的周期较短为6 a，其他各气象因素变化周期介于二者之间。