巴音河流域德令哈市氣象站近60年來降水變化特征分析

文廣超， 王文科， 段 磊， 李一鳴， 趙家輝， 趙 振

(1.長安大學 旱區水文與生態效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054； 2.河南理工大學 資源環境學院， 河南 焦作 454000； 3.青海省環境地質勘查局， 青海 西寧810007)

1 研究背景

IPCC第四次(2007)和第五次(2013)評估報告[1-2]指出，全球氣候變暖將改變降水的時空分布特征和水文循環過程，進而影響水資源時空分布格局。降水作為水循環的重要組成部分，是開展水資源合理開發利用等的重要依據，研究降水的時空演變特征，對分析水循環對全球氣候變暖的響應具有重要的意義[3]。

近年來，眾多學者對中國西北地區降水特征開展了大量研究[4-7]，施雅風等[8]指出，西北氣候自1987年突然變化開始，由暖干向暖濕轉型，降水量顯著增加；王暉等[9]分析了中國西北地區東部54個氣象站的降水資料，指出中國西北地區東部降水量呈現微弱下降趨勢；黃小燕等[10]分析了中國西北地區1960-2011年111個觀測站的氣象資料，認為近年來西北全區年降水量變化呈現微弱上升趨勢，平均每年上升0.17mm；任國玉等[11]研究指出，在最近的半個多世紀，西北地區降水量存在明顯的上升趨勢，特別是21世紀的前10年，降水上升趨勢更加明顯；邵雪梅等[12]、黃磊等[13]、劉洪濱等[14]對基于樹木年輪資料重建的德令哈地區近千年來降水量的分析，認為德令哈地區降水量突變與東亞夏季風的年代際變化有密切聯系，該地區近千年年降水量變化存在顯著的多尺度周期變化特征，近200年則以準120a的周期振蕩為主；馬季芳[15]分析了德令哈市1971-2012年的氣候特征，認為年及四季降水量均呈現增多趨勢，夏季降水增多最明顯；劉波等[16]預估了德令哈地區2016-2075年氣候變化，分析了氣溫及降水的總體趨勢、年代際變化及突變特征。然而，已有的研究中，基于實測降水資料，分析巴音河流域近60年來降水量與干旱特征的較少。巴音河作為德令哈市的“母親河”，是德令哈市社會經濟生活的基礎資源，隨著經濟社會的快速發展，流域水資源開發利用的矛盾日益突出。在全球氣候變暖的的背景下，深入研究巴音河流域降水量與干旱變化特征，對流域水資源合理開發利用、生態環境保護具有重要意義。

2 研究區概況

巴音河流域位于青藏高原的東北部，柴達木盆地的東北邊緣，跨柴達木盆地和祁連山山地兩大地貌單元，境內山川湖盆相間。巴音河流出山口后，經黑石山水庫與白水河匯合，流經山前平原大部分泄露補給地下水，至洪積扇前緣溢出地表，形成泉集河，最終補給可魯克湖、托素湖和尕海，流域總面積17 608 km2[17-18]，見圖1。據德令哈氣象站資料，巴音河流域多年平均氣溫3.9℃，多年平均降水量169.3 mm，多年平均蒸發量2 036.3 mm。流域干旱少雨、蒸發量大、日照充足，屬于典型的高原荒漠半荒漠干旱氣候[18-19]。

3 數據與方法

3.1 數據來源

降水數據為德令哈市氣象站地面降水要素的月平均觀測資料，時間為1956年1月-2013年12月。季節劃分方法為：春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12-翌年2月)。

圖1 巴音河流域示意圖

3.2 分析方法

本文采用線性擬合分析方法[20-21]判斷降水要素的變化趨勢；采用Mann-Kendall方法檢驗變化趨勢的顯著性[22-24]；采用Mann-Kendall方法和滑動t檢測法檢驗降水序列的突變點[22,25-26]；采用小波分析方法檢驗降水序列變化的周期性[25,27]；采用R/S方法分析降水的持續性[28]；采用標準化降水指數(SPI)[29-30]分析12個月時間尺度的干旱特征。

4 結果與分析

4.1 降水的變化趨勢

4.1.1 降水的年代際變化 圖2給出了近60年來全年及四季降水量的年代距平(年代降水量平均值-多年平均降水值)變化特征。

圖2 1956-2013年降水量年代距平特征

由圖2可以看出，1956-2013年全年降水量總體呈增加趨勢，存在明顯的年代際變化特征，20世紀70年代末期之前多以干旱為主，20世紀80年代后降水量整體呈現增加趨勢，進入21世紀，雨水明顯增多。春季在20世紀70年代末期之前及20世紀90年代為干旱期，20世紀80年代為明顯的多雨期；夏季在20世紀60年代末期之前為干旱期，進入21世紀為明顯的多雨期；秋季相對少雨，僅在21世紀的前10年為多雨期，降水量波動較大；冬季降水量變化相對平穩。

4.1.2 降水的年際及季節變化 圖3給出了降水量年際和季節變化特征，由圖3可知， 1956-2013年年降水量以21.16mm/10a的氣候傾向率呈顯著(α=0.001) 上升趨勢，四季降水量傾向率分別為4.56、12.35、3.12、1.24mm/10a，均呈現上升趨勢，夏季傾向率最大，冬季降水傾向率最小。夏季通過

α=0.001的顯著性水平檢驗，春、秋、冬季通過α=0.05的顯著水平檢驗。

4.2 降水的Mann-Kendall趨勢檢驗

基于Mann-Kendall方法計算了降水量變化趨勢(用M值表示)，全年及四季的M值分別為4.55、2.60、3.74、1.87、3.23，由M值可知，1956-2013年年際和季節降水量均呈顯著增加趨勢，全年、春季、夏季、冬季降水量均通過了α=0.01的顯著水平檢驗，秋季降水量通過了α=0.1的顯著水平檢驗。

4.3 降水的突變分析

Mann-Kendall突變判別曲線(見圖4)表明，1956-2013年年降水突變發生在1973年，利用滑動t檢驗法[10]，對突變點進行突變檢驗，通過α=0.01的顯著水平檢驗，突變前平均降水量為118.1mm，突變后平均降水量為195.3mm，突變后降水量比突變前降水量增加了77.2mm。

春季降水在0.01的顯著水平下在1981年發生突變，突變后降水量比突變前降水量增加了19.8mm。夏季降水在0.01的顯著水平下在1973年發生突變，突變后降水量比突變前降水量增加了48.0mm。秋季降水量的Mann-Kendall突變判別曲線中UF和UB曲線有3個交點，分別在1976、1991、1995年，利用滑動t檢驗法對突變點進行信度檢驗，在0.01的顯著水平下未發生突變。冬季降水在0.01的顯著水平下在1976年發生突變，突變后降水量比突變前降水量增加了4.7mm。從上述分析可以看出，20世紀70年代前后，降水量明顯變化，夏季降水量與年降水量突變規律一致。

圖3 1956-2013年降水量年際和季節變化特征

圖4 1956-2013年年及季節降水量Mann-Kendall突變判別曲線

4.4 降水量變化的周期性分析

1956-2013年年及季節降水量在不同時間尺度下的震蕩周期見圖5，圖5(a)為年降水量小波系數實部等值線圖，圖中實線為大于或等于零的等值線，表示降水處于較多階段；圖中虛線為小于零的等值線，表示降水處于較少階段，圖5(b)為全年降水量小波方差圖，用來確定降雨演化過程中存在的主周期。從圖5(a)和5(b)可以看出，年降水存在3、5、9、18a的震蕩周期，18a的周期震蕩最強，為流域降水變化第一主周期。從圖5(a)可以看出，在各時間尺度下，2013年以后小波系數實部等值線均為正相位，且等值線未閉合，推測未來一段時間巴音河流域將處于年降水偏多期。

從圖5(c)～5(f)四季降水小波系數實部等值線可知，春季降水存在6、9、19a的震蕩周期；夏季降水存在5、9、18、28a的震蕩周期，18和28a左右的周期震蕩顯著；秋季降水存在4和11a的震蕩周期，11a的周期震蕩較明顯；冬季降水存在5、10、27a的震蕩周期，10和27a的周期震蕩最強。結合四季降水小波方差圖(圖略)，由小波系數實部等值線閉合情況可知，未來一段時間，四個季節的降水量將處于偏多期。

4.5 降水的持續性分析

為了分析降水變化的持續性，基于R/S方法計算了年及季節的Hurst指數，結果見表1。從表1可以看出，年際及各季降水量的Hurst指數H均大于0.5，說明將維持原來的變化趨勢，由前面的分析可知，1956-2013年降水量的年際及季節變化均呈增長趨勢，因此，未來年及各季降水量將維持原來的增長趨勢。

表1 1956-2013年降水量的年及各季節的Hurst指數

4.6 干旱的變化特征

基于1956-2013年的降水實測數據，在12個月的時間尺度下，計算了標準化水體指數(SPI)，SPI隨時間變化的趨勢見圖6。由圖6可知，1956 -2013年SPI呈波動上升，1973年之前(包括1973年)之前，SPI多數處于負值區，普遍處于干旱期，1972年為極端干旱年；1973年之后，SPI上升多為正值，轉為相對濕潤期，但1978、1984、2007、2013年的SPI值明顯為負值，表明德令哈地區這些年處于干旱期，其中2007年為極度干旱年，全年降水量僅為80.8 mm，旱情僅次于1972年(82.5 mm)，SPI指數分析的干旱事件與實際一致。

比較降水量距平與SPI，兩者相關系數為0.99，說明降水距平和SPI密切相關，可用于反映近60年來干旱的變化規律。利用Mann-Kendall法檢驗對SPI進行突變分析(圖略)，由UF、UB曲線交點位置可知干旱突變的年份為1973年。由UF曲線可知，1975年以后，SPI值增長趨勢明顯，超過了顯著水平0.05臨界線，20世紀90年代以后，這種增長趨勢甚至超過了0.001顯著性水平，表明SPI上升趨勢顯著，干旱緩解趨勢明顯。基于小波分析，借助于小波系數等值線圖(圖略)和小波方差圖(圖略)，可知SPI指數存在5、18a的震蕩周期，這與郭慧等[31]研究我國西部地區降水的時空變化特征得出的結論基本一致。

圖5 年及四季降水量Morlet小波系數實部及全年降水量小波方差圖

圖6 1956-2013年標準化水體指數(SPI)年際變化

5 討 論

(1) 德令哈氣象站位于巴音河流域的中部，在空間上具有一定的代表性，這與邵雪梅等[12]通過對比德令哈與格爾木、烏蘭、大柴旦等站點同時期降水量資料后，得到的德令哈氣象站站點對其所在的區域具有一定的代表性結論一致，德令哈氣象站點降水量的變化，可以反映巴音河流域降水變化特征。

(2) 線性趨勢分析表明：1956-2013年年際及四季降水量均呈上升趨勢，夏季降水傾向率最大。該結論與相關學者對我國西北地區降水量特征研究所得結論一致[32-34]，與黃磊等[13]基于樹木年輪資料重建的德令哈近千年來降水量變化特征和馬季芳[15]根據實測資料分析的降水量變化特征相似，但降水傾向率幅度與前人有差異，主要原因可能是所使用的時間長度不一致。

(3) 基于Mann-Kendall方法的突變分析表明，年際和夏季降水量在1973年左右發生了突變，春季降水量在1981年前后發生了突變，冬季降水量在1976年前后發生了突變，均通過了0.01的置信度檢驗。20世紀60年代發生了氣候突變，宋燕等[35]的研究表明，突變發生在1967年前后；黃磊等[13]認為德令哈降水量超過95%顯著性水平的突變出現在1964 年。這與本文結論有差異，可能是由于研究過程中使用數據及研究尺度不同所致。

(4) 小波分析表明，降水量年際及四季均存在顯著的周期變化特征，既存在3～9a的短周期，也存在18～28a的長周期。陳志昆等[36]在對中國西北地區128個氣象站1971-2009逐月降水資料分析的基礎上，認為西北地區降水異常區普遍存在3～5a左右的短周期和10和20a左右的長周期，這與本文結論基本一致。劉洪斌等[14]分析了德令哈地區近千年來年降水量變化特征，得出德令哈地區年降水量變化存在顯著的多周期變化特性，與本文結論一致。但由于數據來源及研究尺度的差異，得出的震蕩周期略有差異。

6 結 論

(1) 年代際分析表明，20世紀80年代之前年、春季、夏季、冬季處于降水偏少期，20世紀80年代至今處于降水偏多期，且降水總體上呈上升趨勢，冬季降水變化相對平穩。

(2) 線性趨勢及Mann-Kendall趨勢檢驗表明，近60年來年與四季降水量呈上升趨勢，年降水量氣候傾向率為21.16mm/10a，四季降水量傾向率分別為4.56、12.35、3.12、1.24mm/10a，均呈現上升趨勢，夏季降水傾向率最大，冬季傾向率最小。R/S分析表明，年及季節降水量具有持續性，未來將維持增長趨勢。

(3) 突變分析表明，在0.01的顯著水平下，年、春季、夏季和冬季降水均發生了由少到多的顯著突變，秋季降水無顯著突變。年和夏季降水突變均發生在1973年，說明夏季降水對全年降水影響較大，春季降水突變發生在1981年，冬季降水突變發生在1976年，秋季降水無顯著突變。

(4) 小波分析表明，降水存在多周期變化的特征；夏季降水的周期性變化特征與年降水變化特征相似，說明夏季降水對年降水量的變化有重要的影響；除秋季外，其它降水均存在18～28a的長周期變化。從主震蕩周期看，未來一段時間年及四季將處于年降水偏多期。

(5) 相關分析表明，SPI指數和降水量距平密切相關(相關系數0.99)，可用于反映1956-2013年干旱及降水特征。M-K檢驗表明，1956-2013年SPI指數上升趨勢顯著，干旱呈減弱趨勢，1973年為突變年；干旱變化具有周期性，小波分析表明干旱變化的周期為5和18a。

[1]IPCC(IntergovernmentalPanelonClimateChange)．ClimateChange2007：ThePhysicalScienceBasis[M]．Cambridge：CambridgeUniversityPress，2007．

[2]IPCC(IntergovernmentalPanelonClimateChange)．Climatechange2013：Thephysicalsciencebasis[M]．Cambridge：CambridgeUniversityPress，2013．

[3]莊曉翠，楊森，趙正波．新疆阿勒泰地區降水變化特征分析[J]．干旱區研究，2012，29(3)： 487-494．

[4]陳豫英，馮建民，陳 楠，等．西北地區東部可利用降水的時空變化特征[J]．干旱區地理，2012，35(1)：56-66．

[5]董斯揚，薛 嫻，徐滿厚，等．氣候變化對青藏高原水環境影響初探[J]．干旱區地理，2013，36(5)：841-853．

[6]馬新平，尚可政，李佳耘，等．1981-2010年中國西北地區東部大氣可降水量的時空變化特征[J]．中國沙漠，2015，35(2)：448-455．

[7]趙 麗，韓雪云，楊 青．近50a西北干旱區極端降水的時空變化特征[J]．沙漠與綠洲氣象，2016，10(1)：19-26．

[8]施雅風，沈永平，李棟梁，等．中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的特征和趨勢探討[J]．第四紀研究，2003，23(2)：152-164．

[9]王 暉，隆 霄，馬旭林，等．近50a中國西北地區東部降水特征[J]．干旱區研究，2013，30(4)： 712-718．

[10]黃小燕，李耀輝，馮建英，等．中國西北地區降水量及極端干旱氣候變化特征[J]．生態學報，2015，35(5)：1359-1370．

[11]任國玉，袁玉江，柳艷菊，等．我國西北干燥區降水變化規律[J]．干旱區研究，2016，33(1)：1-19．

[12]邵雪梅，黃 磊，劉洪濱，等．樹輪記錄的青海德令哈地區千年降水變化[J]．中國科學(D輯:地球科學)，2004，34 (2)：145-153．

[13]黃 磊，邵雪梅，劉洪濱．青海德令哈地區千年來降水量的突變分析[J]．地理學報，2006，61(7)：713-719．

[14]劉洪濱，邵雪梅，黃 磊，等．青海省海西州德令哈地區近千年來年降水量變化特征分析[J]．第四紀研究，2005，25(2)：176-183．

[15]馬季芳．德令哈市近40年氣候特征分析[J]．青海氣象，2014(4)：2-5．

[16]劉 波，劉金勝，束龍倉，等．SRESA1B情景下德令哈盆地2016-2075 年氣候變化預估[J]．干旱區地理，2015，38(2)：232-238．

[17]嚴應存，校瑞香，肖建設，等．青海省巴音河流域LUCC遙感調查及驅動分析[J]．中國沙漠，2012，32(1)：276-283．

[18]李 健，王建軍，黃 勇，等．青海德令哈市巴音河流域水資源開發利用[J]．干旱區研究，2009，26(4)：483-489．

[19]尹常亮，姚檀棟，田立德，等．德令哈大氣水汽中δ18O的時間變化特征——以2005年7月～2006年2月為例[J]．中國科學(D輯：地球科學)，2008，38(6)：723-731．

[20]白松竹，李春芳，王 磊．近45 年5-9 月阿勒泰地區強降水氣候變化趨勢與突變特征[J]．暴雨災害，2009，28(1)：84-87．

[21]GOCICM，TRAJKOVICS．AnalysisofprecipitationanddroughtdatainSerbiaovertheperiod1980-2010[J]．JournalofHydrology，2013，494(12)：32-42．

[22]魏鳳英．現代氣候統計診斷與預測技術(第二版) [M]．北京：氣象出版社，2007．

[23]KISIO，AYM．ComparisonofMann-KendallandinnovativetrendmethodforwaterqualityparametersoftheKizilirmakRiver，Turkey[J]．JournalofHydrology，2014，513(5)：362-375．

[24]GOCICM，TRAJKOVICS．AnalysisofchangesinmeteorologicalvariablesusingMann-KendallandSen'sslopeestimatorstatisticaltestsinSerbia[J]．GlobalandPlanetaryChange，2013，100(1)：172-182．

[25]高 妍，馮 起，李宗省，等．1957-2012 年討賴河流域降水變化特征[J]．干旱區研究，2016，33(2)：275-282．

[26]符淙斌，王 強．氣候突變的定義和檢測方法[J]．大氣科學，1992，16(4)：482-493．

[27]邱海軍，曹明明，曾 彬．基于小波分析的西安降水時間序列的變化特征[J]．中國農業氣象，2011，32(1)：23-27．[28]莊曉翠，趙正波，楊 森，等．西北干旱區阿勒泰地區暖季干濕氣候變化及R/S分析[J]．干旱地區農業研究，2010，28(5)：259-265．

[29]洪興駿，郭生練，周研來. 標準化降水指數SPI分布函數的適用性研究[J].水資源研究，2013，2(1)：33-41.

[30]謝 培，顧艷玲，張玉虎，等. 1961-2015 年新疆降水及干旱特征分析[J]. 干旱區地理，2017，40(2)：332-339.

[31]郭 慧，李棟梁，林 紓，等. 近50多年來我國西部地區降水的時空變化特征[J]. 冰川凍土，2013，35(5)：1165-1175.

[32]陳冬冬，戴永久．近五十年我國西北地區降水強度變化特征[J]．大氣科學，2009，33(5)：923-935．

[33]賈文雄．近50 年來祁連山及河西走廊降水的時空變化[J]．地理學報，2012，67(5)：631-644．

[34]李延林，許存平，許顯花，等．近50a青海黃南州降水變化特征[J]．干旱區研究，2012，29( 5)：854-861．

[35]宋 燕，季勁均．60年代亞非夏季風十年尺度的突變[J]．大氣科學，2001，25(2)：200-208．

[36]陳志昆，張書余，雒佳麗．中國西北地區降水異常的氣候分析[J]．中國沙漠，2013，33(6)：1874-1883．