塔里木盆地極端弱降水的時空變化特征

王新萍 楊青

(1中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所 新疆烏魯木齊830002 2新疆大學數學與系統科學學院新疆烏魯木齊830046)

塔里木盆地位于中國西北部的新疆，是中國面積最大的內陸盆地。盆地處于天山和昆侖山、阿爾金山之間。東西長1500公里，南北寬約600公里，面積達53萬平方公里，海拔高度在800-1300，地勢西高東低。盆地的中部是著名的塔克拉瑪干沙漠，邊緣為山麓、戈壁和綠洲。

普宗朝[1]等研究了近47年塔克拉瑪干沙漠周邊地區平均氣溫、降水量、年潛在蒸散量和地表干燥度的變化趨勢、突變時間和周期，結果表明前兩種氣候要素都呈上升和增多趨勢，后兩種氣候要素有減小的趨勢，整個區域出現較明顯的濕化趨勢。劉曉陽[2]等利用地基GPS水汽探測結合靜止氣象衛星FY2C紅外分裂窗水汽反演，得到塔克拉瑪干沙漠地區高時空分辨率的水汽分布。黃俊利[3]等研究了塔克拉瑪干沙漠南緣極端降水的變化趨勢與突變特征，結果表明沙漠南緣極端降水頻率與極端降水量呈較好的正相關。楊青[4]等利用塔里木盆地周邊站點的降水、水氣壓資料和沙漠腹地的觀測數據，重建了塔中氣象站1961-1998年逐月水氣壓序列，分析了沙漠周邊地區大氣含水量的時空變化，得出了新的水汽分布形式。

基于上述對塔里木盆地降水和水汽的研究工作，特別是考慮到該地區的極端干旱情況，本文與以往研究工作的不同之處在于重點研究塔里木盆地的極端弱降水的時空分布情況。文中首先計算反映極端弱降水的4種降水指標，利用M-K法對各指標的變化趨勢進行檢驗，同時采用基于F檢驗的線性分析法計算各指標的變化率，并且利用Monte Carlo模擬方法對研究區的區域顯著性進行檢驗，以此得出各弱降水指標的時空分布特征。

1 數據

利用塔里木盆地40個氣象站1961-2009年的逐日降水資料，研究了以下4種極端弱降水指標（表1），其中無降水日數指降水量<0.1mm的天數。考慮到在塔里木盆地，如果選取非常極端的閾值，則會出現無極端降水發生，但干旱災害嚴重的情況，因而本文選取75%及25%作為降水指標的計算閾值。

表1 極端弱降水指標

2 方法

在5%的置信水平下，采用Mann-Kendall檢驗[5]對各站點的極端弱降水指標進行趨勢分析，結合線性分析法計算各站點這些指標的變化率，其顯著性通過F檢驗來檢驗。

在隨機情況下，在某個區域內，有可能出現一定數量具有顯著趨勢的站點，而實際上該區域并不具有顯著性趨勢。因此，在區域內檢驗出顯著趨勢站點并不能說明該區域具有顯著趨勢，必須對其進行區域的顯著性檢驗[6]。本文利用MonteCarlo模擬方法對塔里木盆地的區域趨勢模擬1000次，以此得到該區域的顯著性水平。

3 結果

3.1 CDD的時空變化特征

統計塔里木盆地40個站點的CDD序列，求出不同CDD的發生頻率(圖1(a))。出現頻率最高的CDD是90-100天，達到13%；頻率次高的是70-80天，達到12.3%；CDD超過170天的頻率極低。年內最容易發生持續時間為70-100天的最長連續無降水事件。

從圖1(b)中可以看出，80-100天的CDD自1961-2009年間分布的較為均勻；大于140天的CDD主要出現在1980年之前；100-140天的CDD基本上出現在1993年之前；而60-80天的CDD出現在1964-1969年及1982年之后；40-60天的CDD自1983年之后出現的較多；2004年之后才出現了較短長度的CDD（20-40天）。綜上所述，塔里木盆地的CDD主要集中在80-100天/年，大于100天的CDD隨時間的變化出現的頻率越來越低，而小于100天的CDD自1985年之后出現的越來越多。這一現象表明該區域的最長連續無降水日數在縮短，極端干旱的情況在逐年減輕，這與普宗朝[1]等得到該區域氣候總體呈較明顯的濕化趨勢相一致。

1961-2009年平均CDD呈顯著的減少，變化率為-5.4d/10a，通過了的顯著性檢驗。CDD多年平均值為97.2d。CDD在20世紀60年代至70年代相對偏多，80年代至今相對偏少，CDD在1982年發生突變。最大連續無降水日數的減少，有力地說明了整個盆地的極端干旱情況有所減輕。

圖1 CDD的頻率分布(a)及時間演變(b)

從CDD的M-K趨勢分析結果可以看出（圖2(a1)），塔里木盆地大部分站點的CDD有顯著減少的趨勢，其中23個站顯著減少，僅有4個不顯著上升的站。絕大部分站CDD的減少幅度達到-9.1-0d/10a，6個站點的 CDD減少幅度較大，達到 -18.3--9.2d/10a。增長率為0-5.6 d/10a的站點主要分布在盆地的西南部（圖 2(a2)）。

CDD從盆地西北部向東南部增大。盆地西北部的CDD多為75-105d，東南部的CDD多為105-135d。盆地西北部的年最長連續無降水日數少于盆地東南部的最長連續無降水日數，說明盆地西北部的極端干旱情況明顯較東南部輕。

盆地絕大多數站點CDD呈現減少趨勢的結果與上一部分中分析CDD隨時間演變的結果一致。從圖1(b)分析得出，20世紀80年代中期以前，歷時較長的CDD出現較多，但這一情況從80年代中期以后發生了改變，80年代中期以后CDD的持續時間開始變短。CDD隨時間演變的規律與采用M-K分析得出各站點的趨勢相一致，正是由于絕大多數站點CDD顯著減少導致了整個盆地CDD持續時間的改變。

圖3 D25的頻率分布(a)及時間演變(b)

圖 2(a1)CDD、(b1)D25、(c1)P25的 M-K 趨勢；(a2)CDD、(b2)D25、(c2)P25變化率

3.2 D25的時空變化特征

頻率最高的D25是5-10天，達到45.2%；頻率次高的是0-5天，達到43.1%；D25超過20天的頻率非常低（圖3(a)）。由此可見該區域年內最容易出現0-10天的極端弱降水。

從圖3(b)中可以看出，0-10天的D25自1961-2009年間分布的較為均勻；大于30天的D25主要出現在1966年之前；20-30天的D25基本上出現在1964年之前；而10-20天的D25主要出現在1980年之后。綜上所述，塔里木盆地每年的D25主要集中在0-10天，大于20天的D25隨時間的變化出現的頻率越來越低，而長度處于10-20天的D25自1980年之后開始出現的較多。

1961-2009年，D25呈增加的趨勢，變化率為0.3d/10a，通過了的顯著性檢驗。D25多年平均值為5.7d，20世紀80年代中期以前，D25相對偏少；80年代中期以后，D25開始偏多。D25的增加，說明盆地極端弱降水日數有所增加，但增加的速度十分緩慢。

塔里木盆地絕大部分站點的D25有上升趨勢，其中有27個顯著上升的站，不顯著上升的站主要集中在盆地的西南部（圖2(b1)）。D25增長幅度較大的站主要分布在盆地的西北部，增長率達到1.1-2.1d/10a；D25增長幅度較小的站主要分布在盆地的西南部和東北部，增長率達到0-1.0d/10a（圖2(b2)）。

D25從盆地西北部向東南部減少，與CDD的空間分布相反，表明盆地西北部的極端弱降水日數多于盆地的東南部。盆地西北部的D25集中在5-11d，東南部的D25集中在3-5 d。

盆地的D25有增多趨勢，與CDD的變化趨勢相反，表明該區域年最長連續無降水日數在逐步減少的同時，極端弱降水日數卻在增加。兩者的變化幅度差異很大，D25的增加率僅達到1.1-2.1d/10a，而CDD的減少率卻達到-9.1-0d/10a，說明CDD的變化幅度明顯于D25的變化幅度。盡管絕大多數站點的D25有顯著增加的趨勢，但因其變化率較小導致D25的增加較為緩慢，未來很長一段時間D25基本上仍處于0-20d/a。

3.3 P25的時空變化特征

出現頻率最高的P25是0.5-1.0mm，達到38.9%；頻率次高的是0-0.5mm，達到27.8%；頻率較高的是1.0-1.5mm，達到17.9%（圖(4a)）。年內P25超過4.0 mm的頻率非常低，由此可見年內最容易發生P25為0-2.0mm的極端降水事件。

從圖4(b)中可以看出，0-2.0mm的P25自1961-2009年間分布的較為均勻；介于2.0-3.0mm的P25主要出現在2000年之后；3.0-4.0mm的P25基本上出現在1965年之前；而4.0-6.0mm的P25在1961-2009年間極少出現。這一現象表明該區域的年內極端弱降水量基本上在2.0mm以下，超過2.0mm以上的極端降水極少出現。目前這種極端弱降水的降水量還沒有出現較大的改變，一般情況下會少于2.0mm/a。

P25在1961-2009年呈增加的趨勢，變化率為0.06mm/10a，通過了的顯著性檢驗。P25多年平均值為0.84mm，20世紀80年代中后期以前，P25相對偏少；80年代中后期以后，P25開始偏多。P25在1986年發生突變。P25的增加說明盆地的極端弱降水量有增加，但增加的速度同樣十分緩慢。

圖4 P25的頻率分布(a)及時間演變(b)

從P25的M-K趨勢分析結果可以看出（圖2(c1)），塔里木盆地絕大部分站點有上升趨勢，其中有一半站點有顯著上升趨勢，這些顯著上升的站主要集中在盆地的西北部。P25增加率達到0.17-0.33mm/10a的站點主要分布在盆地的西北部；有23個站點的 P25增加幅度達到 0-0.16mm/10a；P25減少率為 -0.51-0 mm/10a的站點主要集中在盆地的西南部（圖2(c2)）。

P25的空間分布與D25的空間分布相似，都是從盆地西北部向東南部減少，表明極端弱降水日數多的區域，相應的極端降水量也多。盆地西北部的P25集中在0.8-1.6mm，東南部的P25集中在0.5-0.8mm。

3.5 區域顯著性檢驗

結合F檢驗的線性計算和M-K檢驗來分析各極端弱降水指標的區域顯著性（表2），采用這兩種檢驗方法得到的各站點顯著性有可能不同，但這兩種檢驗方法得到的趨勢基本上保持一致。運用Monte Carlo模擬方法來檢驗各極端弱降水指標變化趨勢在塔里木盆地的顯著性，大部分指標的區域顯著程度超過95%，說明這些指標在該區域具有顯著趨勢。從表2中可以看出，CDD和P25的兩種檢驗結果比較接近，顯著上升和顯著下降的站點數相差不大。

表2 區域顯著性檢驗結果

4 結論

本文研究塔里木盆地極端弱降水指標的時空變化和分布特征，得到如下結論：

⑴CDD主要集中在80-100天/年，歷時較長的CDD（≥100天）自20世紀80年代中期以后出現的較少，歷時較短的CDD（≤80天）基本上是從80年代中期以后開始出現。一半以上站點的CDD有顯著下降趨勢，塔里木盆地的年最長連續無降水日數有減少的趨勢。

⑵D25主要集中在0-10天，歷時較長的D25（≥20天）集中在60年代中期以前出現，歷時介于10-15天的D25主要從80年代開始出現。一半以上站點的D25有顯著上升趨勢，塔里木盆地的這種極端弱降水日數有增加的趨勢。大多數站點D25的增加幅度不超過1d/10a。

⑶P25主要集中在0-1.5mm，介于2-3mm的P25基本上從2000年之后才開始出現。有超過一半的站點P25增加幅度達到0-0.16mm/10a。目前這種極端弱降水的降水量基本上少于2.0mm/a。

[1]普宗朝,張山清,李景林,等.近47年塔克拉瑪干沙漠周邊地區氣候變化[J].中國沙漠,2010,30(2):413-421.

[2]劉曉陽,毛節泰,張帆,等.塔克拉瑪干沙漠地區水汽分布特征[J].地球科學,2012,42(2):267-276.

[3]黃俊利,魏文壽,楊青,等.塔克拉瑪干沙漠南緣極端降水變化趨勢與突變[J],沙漠與綠洲氣象,2012,6(2):30-34.

[4]楊青,魏文壽,李軍.塔克拉瑪干沙漠及周邊地區大氣水汽量的時空變化[J].科學通報,2008,53:62-68.

[5]Chu PS,Wang JB.Recent climate change in the tropical western Pacific and Indian Ocean regions as detected by outgoing longwave radiation records[J].Journal of Climate,1997,10:636-646.

[6]Livesey R E,Chen W Y.Statistical field significance and its determination by Monte-Carlo techniques[J].Mon.Wea.Rev.,1983,111:46-59.