1954年~2014年昌吉州降水量時間序列變化特征分析

賀 穎

（昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100）

昌吉地處我國西北邊疆的天山北麓、北疆準噶爾盆地東南部，高原山地、平原盆地相間，地形分異明顯；由于地處大陸板塊中心，海洋水汽難以到達，形成了溫帶干旱大陸性氣候。氣候特點為冬季寒冷漫長、夏季炎熱短促，年內與晝夜溫差均較大；年均溫6.8℃，降水量190 mm，≥10℃積溫為3450℃。區域降水主要來自西風環流帶來的北冰洋水汽和蒸騰雨，降雨量十分缺失；由于境內冰川廣布，達1033 km2，區域水資源主要由冰川融化構成，年徑流量達25.5億m3。由于全球氣候暖化影響，我國西北地區氣溫升高明顯，同時局部降水或有增加、或有減少，而昌吉州降水量變化趨勢不明[1~3]。基于此，本文以1954年~2014年該州逐日降水資料為基礎，通過趨勢分析、滑動濾波和Mann-Kendall檢驗法，研究該區降水量變化規律。

1 資料與方法

1.1 數據資料

中國氣象局國家氣候中心網站(http://data.cma.cn/)提供的昌吉境內(昌吉、呼圖壁、奇臺、阜康、瑪納斯、吉木薩爾、木壘哈薩克等)7個站點逐日降水資料，分析整理了區域年均、季均降水量。運用Excel軟件展開分析。

1.2 滑動平均法

降水是時間序列隨機函數，對于時間序列為n的降水量樣本，當其滑動長度為k時，其滑動的平均序列如下：

1.3 傾向斜率法

解析氣候變量隨時間變化的宏觀趨勢，通常采用兩變量計算其回歸系數α，其值大于0，表明降水量時間序列為增加趨勢，小于0，則呈減少趨勢。其形式如下：

β分別為總體回歸方程參數。

1.4 M-K趨勢檢驗

對于時間序列變量 (X1，X2，…，Xn)，n為時間序列長度，Mann-Kendall(M-K)法定義了統計量S：

其中Sgn()為符號函數，規則如下：

S為正態分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，當n>10時，正太分布統計量計算如下：

若Z>0，則表明降水在該時間序列呈增加趨勢，否則為降低趨勢，并且絕對值越大，則趨勢越明顯；且1.96、2.32時分別通過90%、95%、99%的信度檢驗，在該水平上顯著[3~5]。

2 結果分析

2.1 昌吉州降水量年代變化分析

圖1直觀顯示1954年~2014年昌吉州年季降水量波動特征。可知，春季降水量最大波動區間為5.2 mm(1993年)~87 mm(2010年)，其中2010年厄爾尼諾現象導致東亞地區初春時節降水量異常增多，昌吉州降水量亦受此影響顯著。擬合趨勢表明，近60年間，昌吉州春季降水量平均值為40.77 mm，其主要以降雪的形式出現；變化形式為(y=0.0692x-96.574，R2=0.0044，P>0.05)說明該地春季降水總趨勢逐漸增多，從細節來看，1957年~1967年、1988年~1997年兩個時段降水量有所減少，在1967年~1972年、1997年~2010年兩個時段增加趨勢顯著。夏季降水量在1993年達到歷史高值，為157.3 mm，1962年最低，僅為7.4 mm，平均值為60.44 mm，近60年呈現3個明顯階段性特征，1957年~1982年、2001年~2009年降水量呈負向變化；1982年~1993年為正向變化，其綜合變化為增加趨勢(y=0.2109x-358.3,R2=0.0151)。其中秋季降水量的年代分異特征不明顯，僅在1967年~1971年、1991年~1997年內存在相對異常值，而在其他大多數年份呈漸進演替，綜合趨勢為(y=0.1684x-285.4,R2=0.0219)，其均季降水量達51.69 mm，其中1992年、1962年異常年份。冬季降水量年代趨勢相對清晰，其中1954年~1967年降水量呈減少變化，1968年~2014年呈起伏增加態勢，極大值發生在2010年，達144.5 mm，極小值出現在1967年，為14.5 mm，季均降水量為46.04 mm，其變化形勢為(y=0.2216x-393.64,R2=0.023)。該州年降水量年代特征與其冬季降水變化特征相似，其在1957年~1963年、1975年~1985年時段內略有減少，在2008年~2014年間波動幅度較大，總體呈增加趨勢，多年平均值為198.94 mm，變化形式表現為(y=0.918x-1617.1,R2=0.0643)。

圖1 昌吉州年、季降水量波動特征

2.2 昌吉州降水量距平值分析

基于公式，計算得到各年降水量距平值，見圖2，其絕對值越大，表明該年降水量偏離均年水平越遠，則其變率越大。依圖2-a可知，1954年~2014年昌吉州春季降水量距平值超過70%的有9次，其中26年春季降水距平值介于20%~70%之間，另外26年春季降水量相對平穩，距平值低于20%。夏季降水量距平值最高為1993年的160%，該年夏季降水量達157 mm，為歷史最高值，其中高于平均值的有28年，另外31年夏季降水低于均值水平；其距平值達到50%的有16年。秋季降水量距平差相對較小，其中距平值超過50%的僅為15年，大部分年份秋季降水據平差在30%以內，說明近60年內昌吉州秋季降水變化率較小。冬季降水量距平差值較大，其中8個年份距平差超過70%，21個年份據平差介于25%~70%之間。就年降水量來看，有18年次降水量據平差超過±50%，21年次降水量據平差小于20%，余下20年次的距平差介于20%~50%之間。

圖2 各年降水量距平值

2.3 昌吉州降水量M-K檢驗分析

應用Mann-Kendall趨勢檢驗方法，在Excel里計算并繪制了昌吉州年、季降水量趨勢檢驗圖，其結果見圖3。其中UF值為降水量序列五點三次濾波擬合值，UB為信度為5%水平，閾值為1.96水平下的檢驗值。

圖3 昌吉州年、季降水量M-K趨勢檢驗

如圖3-a所示，2004年之前UB值大部分小于0，說明該時段內昌吉市春季降水量趨勢為減少特征，隨后UB值均高于0，表明其為增加趨勢；其中1965年的UB值為-2.65，超過閾值水平，表明該年春季降水量減小十分顯著。其中UF、UB曲線在1968年、1973年相交，其中前者表明其春季降水由減少突變為增加特征，后者突變為減少特征，然而其并未觸及閾值線，表明該突變不顯著(P>0.05)。其中夏季降水量的突變點有3個，分別是1955年、1961年、1971年，由于1955年距離研究起點1954年較近，故而該點判斷為虛變點，1954年~1961年降水為增加趨勢，1961年~1971為減少趨勢，從1971年之后突變為增加趨勢。秋季降水量的UF、UB值在1980年相交，其由減少特征突變為增加態勢。冬季降水量并無明顯突變，其線性增加特征相對明顯，這與2.1部分的分析結果一致，表明近半世紀以來全球氣候變化對該州冬季降水影響較大。就年降水量來看(圖3-e)，其突變點在1972年，在1954年~1972年之間其變化趨勢不明顯，隨后突變為增加的趨勢。總而言之，研究時域內昌吉年際降水量存在多個復雜突變，但均通過閾值檢驗，說明其降水量觀測還有待加強，以便深入分析。

3 結論

昌吉州降水量稀少、氣候干旱的環境背景一直是本區生態環境發展與生態承載力提高的限制因素之一，雖然近半世紀以來該地區降水量持續增多，然而這對于區域降水總量與干旱的氣候條件來說依然是杯水車薪，并且這種降水變化演替帶來的環境與社會影響尚不明確。對于水文工作者來講，今后要加強降水變化對地表徑流、蒸散過程的研究，從而為精確計算水資源總量夯實基礎。