1957-2009年烏魯木齊河徑流與氣候變化的對應關系

穆艾塔爾·賽地, 熱孜燕, 阿不都·沙拉木

(1.新疆水利水電科學研究院, 烏魯木齊 830049; 2.鞏留縣水利局, 新疆 鞏留 835400)

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1957-2009年烏魯木齊河徑流與氣候變化的對應關系

穆艾塔爾·賽地1, 熱孜燕2, 阿不都·沙拉木1

(1.新疆水利水電科學研究院, 烏魯木齊 830049; 2.鞏留縣水利局, 新疆 鞏留 835400)

以1957—2009年烏魯木齊河徑流量、氣溫和降水量數據為基礎，采用線性分析、Mann-Kendall檢驗方法、相關性分析和灰色關聯度分析法等方法，研究烏魯木齊河年徑流量、氣溫和降水量的變化特征以及影響徑流量的氣象因子。結果表明：(1) 50多年間烏魯木齊河年徑流量變化呈增加趨勢，氣溫顯著升高而降水量緩慢減少。從徑流量的年際變化來看，烏魯木齊河年徑流量變化出現平水期(1957—1990年)、豐水期(1991—2000年)和平水期(2001—2009年)，總體呈現波動增加趨勢；從年內分配來看，烏魯木齊河年徑流量主要集中在夏季和秋季，而春季和冬季較少；從月分布來看，6月、7月、8月份徑流量最大，其他月份較少。(2) Mann-Kendall檢驗表明，1957—2009年烏魯木齊河年徑流量、春季徑流量和冬季徑流量均顯著上升，而夏季和秋季徑流量上升趨勢不顯著。(3) 相關性分析和灰色關聯度分析表明，烏魯木齊河年徑流量變化主要受降水的影響。

烏魯木齊河; 年徑流量; Mann-Kendall檢驗; 相關性分析; 灰色關聯度分析

氣候變化直接影響水資源徑流的大小及空間分布，是徑流變化的主要驅動因素[1-2]，而氣溫和降水變化是氣候變化的主要體現。氣溫變化可以引起流域潛在蒸發和實際蒸發變化，降水量年內與年際變化在下墊面引起流域水分垂向和橫向再分布，由此會影響流域徑流情勢變化[3]。本文以烏魯木齊河上游出山口英雄橋水文站1957—2009年年徑流量、氣溫和降水量等數據為基礎，研究近50多年烏魯木齊河年徑流量變化趨勢及其與氣溫、降水等氣象因子的關系，以期為了解全球及區域氣候變化背景下的干旱區內陸河流域水資源變化提供參考。

1 研究區概況

烏魯木齊河是新疆干旱區典型的內陸河，位于天山山脈北坡中段，補給以冰雪融水、降雨及地下水混合補給為主，是新疆維吾爾自治區烏魯木齊市工、農業生產和城市生活用水的主要水源[5]。烏魯木齊河多年平均徑流量為2.44億m3，年最大徑流量為3.44億m3。烏魯木齊河由烏魯木齊河水系組成，包括發源于南山的烏魯木齊河及水西溝等10條支流以及發源于東山的水磨溝、蘆草溝、鐵廠溝、白楊溝等15條小河和山泉。烏魯木齊河徑流量在出山口附近達到最大值，在中下游逐漸散失，并最終消失在米泉市西北部的古爾班通古特沙漠中。烏魯木齊河流域是新疆水利水電建設中水資源開發利用程度較高、工程效益發揮較好的地區，河流上游建有青年渠、知青渠、黃草梁渠以及大西溝水庫等；中游攔河筑壩建有烏拉泊水庫和紅雁池水庫；下游平原地區修建了猛進水庫、八一水庫。流域水資源利用和開發程度高，水資源變率對城市生產、生活影響極大[4-6]。

2 數據與方法

2.1 數 據

利用烏魯木齊河出山口英雄橋水文站1957—2009年實測年徑流量、降水量和氣溫等數據，采用線性回歸分析、相關分析、Mann-Kendall檢驗法和灰色關聯度分析等方法定量研究烏魯木齊河年徑流量、氣溫與降水量變化趨勢以及徑流量與氣溫、降水量變化的相關性，分析烏魯木齊河年徑流量變化的原因及與氣候因子的相關性。

2.2 灰色關聯度分析

灰色理論方法視不確定的信息為灰數，應用灰色數學處理不確定量，可以最終使不確定量量化[7-8]。

假設有n個時間序列：

(1)

2.3 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗法是一種非參數統計檢驗方法，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，計算比較簡單，是目前較為常用的氣候、氣象趨勢判斷方法[9-12]。

假設H0為時間序列數據(X1,…,Xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；備擇假設H1，是雙邊檢驗，對于所有的k，j

(2)

統計變量S的取值由符號函數Sgn(Xj-Xk)決定，其中：

(3)

S服從正態分布，其均值為0，方差var(S)計算公式為：

(4)

當n≥10時，Z收斂于標準正態分布，正態分布檢驗統計量Z計算公式為：

(5)

Mann-Kendall趨勢檢驗法可以進行序列變化的突變檢驗。對于時間序列x1,x2,…,xn定義統計量Tj，表明第j個樣本xj大于xi的累計數，其中j=1,2,…,n；i=1,2,…,j-1。

(6)

在原序列隨機獨立的假定下，定義統計變量U(t)為：

(7)

其中，E(Tj)，var(Tj)分別為累計統計量Tj的均值和方差，其計算為：

E(Tj)=[j(j-1)]/4

(8)

var(Tj)=[j(j-1)(2j+5)]/72

(9)

3 結果與分析

3.1 徑流量與氣象因子的變化

運用距平分析法和時間序列法分析研究烏魯木齊河上游氣象要素的時程變化特征。由圖1可以看出，1957年以來烏魯木齊河年徑流量呈增加趨勢。其中：1957—1990年平均年徑流量為2.35億m3，接近于多年平均水平，總體呈波動增加趨勢；1991—2000年為豐水期，徑流量大于多年平均徑流量，在1996年徑流量達到最大正距平值，為0.42；2001—2009年徑流量存在一定的波動，在2001年徑流量達到最大負距平值，為-0.28，總體上接近于多年平均徑流量，相對于前一段而言是流域的平水期。如圖2所示，從徑流量的季節性分布來看，春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)和冬(12—次年2月)4個季節分別占年總徑流量的10.28%，69.37%，15.74%，4.73%。從徑流量的月平均值來看，6月、7月、8月份徑流量最大，分別占19.3%，28.6%，21.4%。

圖1 1957-2009年烏魯木齊河年徑流量、氣溫和降水量變化

運用時間序列分析法分析烏魯木齊河上游1957—2009年氣溫和降水量的變化規律(圖1)。結果表明，烏魯木齊河上游出山口氣溫變化總體呈上升趨勢，線性傾向率為0.018℃/a，相當于每10a平均氣溫升高0.18℃。根據1957—2009年的氣溫變化總體情況，將氣溫變化趨勢可以分成4個時段，分別為1957—1979年、1980—1983年、1984—2004年、2005—2009年。其中，1957—1979年和1984—2004年兩個時期氣溫均呈顯著上升趨勢，而1980—1983年和2005—2009年氣溫變化總體上呈上升趨勢，但個別年份氣溫發生明顯的下降(<-1℃)，其中在1979年、1982年、1983年，2005年出現氣溫低值(0～1℃)；從1957—2009年烏魯木齊河上游降水量歷年變化可以看出，降水量在整個研究時段總體上呈緩慢降低的趨勢，線性傾向率為1.36mm/a。

3.2 Mann-Kendall檢驗法

利用Mann-Kendall檢驗法計算1957—2009年序列實測徑流量資料，在0.05的置信水平上獲得烏魯木齊河年徑流量和四季徑流量的變化趨勢特征，計算結果如表1所示。

計算結果表明，在0.05的置信水平上，烏魯木齊河上游年徑流量、春季和冬季徑流量的Z值分別為2.11，2.45，4.41，均大于檢驗臨界值1.89，表明在1957—2009年烏魯木齊河上游年徑流量、春季徑流量和冬季徑流量均呈顯著的上升趨勢；與此對比，烏魯木齊河上游夏季和秋季徑流量的Z值分別為1.03，1.61，均小于檢驗臨界值1.89，表明該時段徑流量的上升趨勢不顯著。

突變檢驗分析表明(圖3)，在1957—2009年除1974年外，其他時間U(t)的統計變量取值均大于零，表明在研究期間烏魯木齊河上游年徑流量的變化呈顯著的上升趨勢。其中除了1963—1967年、1994—2005年U(t)的曲線超過臨界線外，在其他時間段U(t)和U(t)′的統計曲線均落在0.05置信水平上的檢驗臨界線之間，表明烏魯木齊河上游年徑流量的變化趨勢不顯著。

計算可知，1986年以前烏魯木齊河上游年徑流量上升變化有較大的波動，而1986年后其徑流量變化呈逐漸增長的趨勢。1957—2009年烏魯木齊河上游年徑流量的U(t)和U(t)′統計曲線落在兩條檢驗臨界線之間的部分在1970年、1972年、1978年出現交點，代表其年徑流量變化的突變發生時間。

圖2 1957-2009年烏魯木齊河徑流量年內變化特征

表1 烏魯木齊河上游徑流量變化趨勢檢驗結果

圖3 烏魯木齊河上游出山口年徑流量Mann-Kendall檢驗曲線

3.3 烏魯木齊河上游年徑流量與氣溫、降水的關系

通過徑流量和氣溫、降水量等氣象因子的相關分析可知，烏魯木齊河年徑流量與降水量的相關性較好(R2=0.857)，通過0.01置信水平上的顯著性檢驗；而徑流量與氣溫的相關性不顯著(R2=0.457)，未通過0.01置信水平上的顯著性檢驗，表明烏魯木齊河年徑流量變化受降水的影響較顯著，受氣溫的影響不顯著。為了進一步驗證以上相關分析結果，利用灰色關聯度分析方法分析烏魯木齊河上游地區年徑流量與降水和氣溫的關聯度。首先通過對1957—2009年烏魯木齊河上游年徑流量與氣溫、降水的原始數據進行均值化轉換，采用如下公式：

(10)

原始數據標準化處理后，以年徑流量為參考序列X0，以氣象因子(氣溫和降水量)為比較序列X1，求得比較序列與參考序列的絕對差值，從而計算出烏魯木齊河流域上游地區年徑流量與氣象因子的關聯系數，比較其大小，確定年徑流量與氣象因子之間的相關性。比較時，以L01代表徑流量與降水量間的關聯系數，以L02代表徑流量與氣溫間的關聯系數。計算可得L01=0.851 7，L02=0.715 8；年徑流量與降水和氣溫的關聯度的大小順序為L01>L02，表明烏魯木齊河上游降水量對徑流量的影響比氣溫更顯著，該結論與相關性分析的結果一致。

表2 徑流量、氣溫和降水量的標準化值

注：Rt,Tt,Pt分別為徑流標準化值、氣溫標準化值、降水標準化值。

4 結 論

本文通過分析1957—2009年烏魯木齊河年徑流量變化及其與氣溫、降水量的關系得出如下結論：

(1) 從徑流量的年際變化來看，1957—1990年平均年徑流量接近于多年平均水平，1991—2000年徑流量大于多年平均徑流量，2001—2009年與多年平均徑流量基本一致，總體呈增加的趨勢，出現平水期(1957—1990年)、豐水期(1991—2000年)和平水期(2001—2009年)的變化過程。徑流量主要集中在夏季和秋季，春季和冬季徑流量比重較小。

(2) 烏魯木齊河上游徑流量的變化與降水量的變化趨勢一致；徑流量增長的同時氣溫顯著升高而降水量緩慢減少。

(3) Mann-Kendall檢驗表明烏魯木齊河年徑流量、春季徑流量和冬季徑流量均呈顯著上升趨勢，而夏季和秋季徑流量上升趨勢不顯著。

(4) 相關分析表明，烏魯木齊河徑流量與降水量的相關性較好，而與氣溫的相關性不顯著。灰色關聯度法分析表明徑流量與降水量間關聯系數大于其與氣溫間關聯系數，表明降水量對徑流量影響更顯著。

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Corresponding Relationship Between the Runoff and Climate Change in the Upper Urumqi River Basin During the Period from 1957 to 2009

Muattar Saydi1, Reziyan2, Shalamu Abudu1

(1.XinjiangResearchInstituteofWaterResources,Urumqi830049,China;2.WaterConservancyBureauofGongliu,Gongliu,Xinjiang835400,China)

We analyzed the annual and interannual variability of runoff discharge and the related influential factors in Urumqi River basin during the hydrological years from 1957 to 2009 using linear analysis, Mann-Kendall test, correlation and grey correlation analysis methods based on the annual runoff, temperature, and precipitation data from the hydrological station located at the river outlet. Results showed that: (1) annual runoff had the increasing trend during the study period, and the annual average temperature increased significantly while the annual precipitation decreased slightly; the runoff had relatively greater value and was sufficient during the period from 1991 to 2000, and had average value during the hydrological years from 1957 to 1990 and from 2001 to 2009; in terms of seasonal distribution, the runoff in Urumqi River basin mainly concentrated in summer and fall seasons while runoff was relatively small in winter and spring; the runoff was the greatest in June, July and August within a year; (2) Mann-Kendall analysis showed that the annual, spring and winter runoff had significant increasing trend while the increasing trend for runoff in summer and fall seasons was insignificant; (3) the correlation and gray correlation analysis showed that the increased runoff in Urumqi River basin was mainly caused by precipitation during the study period.

Urumqi River; annual runoff; Mann-Kendall test; correlation analysis; grey correlation analysis

2014-09-23

2014-10-22

新疆維吾爾自治區科技計劃項目(20126013);國家自然科學資助項目(51069017);新疆大學綠洲生態重點實驗室項目(XJDX0201-2013-04);新疆維吾爾自治區公益性科研院所基本科研業務經費自助項目(KY2014044)

穆艾塔爾·賽地(1984—),女,新疆策勒縣人,工程師,主要從事水文水資源研究。E-mail:895798730@qq.com

阿不都·沙拉木(1968—),男,新疆鞏留人,研究員,主要從事水文水資源研究。E-mail:shalamu3@gmail.com

P339

1005-3409(2015)05-0289-05