焉耆縣1960-2019年氣溫與降水變化特征研究

達 偉

(巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000)

全球氣候變化背景下，極端水文事件頻發，研究流域內水文事件對水資源循環，農業生產及生態系統有積極作用。氣候要素的不斷變化對人類生產和發展產生嚴重威脅，如“洪旱并存”，“洪旱交替”等極端水文事件對人類生存和發展帶來巨大挑戰。其中氣溫和降水是表征氣候變化的主要因子，學者通過研究其演變特征分析流域內氣候變化。學者通過數學模型、數理統計、非參數檢驗等方法，從時間序列空間變化分析氣候要素變化特點。如謝賢勝綜合運用克里金插值法、Morlet小波分析法、Mann-Kendall檢驗等方法研究西江流域降水和氣溫突變趨勢，研究結果對應對氣候變化形式，促進流域可持續發展提供有益參考。吳國棟[2]根據ITA法和ITA-CB法從季節、年內分析錫林河流域56 a降水和平均氣溫，分別從宏觀和微觀的角度研究處降水和氣溫呈減少趨勢，然后再從整體趨勢進行分析。焉耆縣降水稀少，蒸發量大，地表水主要依靠冰川積雪融水，研究降水和氣溫變化特征能為焉耆縣合理規劃水資源提出參考價值。本文基于焉耆縣1960-2019年逐月平均氣溫和降水觀測資料，對其變化趨勢、突變年、周期和突變以及相關性進行分析，旨在更好地應對氣候變化形勢，促進流域可持續發展提供有益參考。

1 研究區概況

焉耆縣位于我國新疆巴州境內，與博湖縣、和靜、和碩縣、以及庫爾勒市接壤。全縣總面積2 570.88 km2。因縣城受到高原和高山阻礙，縣城內水汽稀少，所以形成了夏季炎熱，冬季寒冷的大陸性干旱氣候。焉耆縣以開都河為補給源，但是隨著人類進步，水資源明顯不夠，加上人們非法開荒，擠占生態環境，不合理修建導致焉耆地下水位急速下降，土地退化和鹽漬化日益嚴重。

2 數據來源與研究方法

2.1 數來源

為研究區域時間的一致性，筆者采用長時間序列1960-2019年焉耆站逐月降水、氣溫資料，水文站降水數據由巴州水文局提供，氣象站氣溫資料通過中國氣象網下載獲取。部分月份缺測降水數據通過新疆水文年鑒及加權平均法完成插補。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦并廣泛用于研究水文和氣候長時間序列的非參數檢驗方法，具有結果受少數異常值干擾小，能顯示數據顯著突出和突變的優點，因此得到了廣泛的應用。本研究利用非參數檢驗Mann-Kendall法進行年降水顯著性檢驗，在給定顯著水平下，假定該序列無趨勢，若通過雙尾檢驗，在正態分布表中查臨界值Z1-α/2，若|Z|Z1-α/2，拒絕原假設，即趨勢顯著。Z>0表示降水呈上升趨勢，Z<0表示降水呈下降趨勢，Z的絕對值越大，說明降水變化趨勢越顯著。根據Mann-Kendall統計值，分析繪制UFK和UBK趨勢圖，若UFK的值大于0，則表明焉耆盆地降水量、氣溫呈上升趨勢，小于0則表明呈相反趨勢；當統計值超過95%信度時，表明降水、氣溫變化趨勢顯著；若兩條曲線的交點位于信度線之間，則此點可能就是突變點的開始。

2.2.2 線性趨勢

因線性趨勢原理性描述較多，此處不再描述，具體參考文獻[5-6]。

2.2.3 小波分析

本研究中小波分析是用來描述周期隨時間尺度的變化特征。它是一種信號的時間尺度分析方法，具有自動調節時頻窗，能在高分辨率中調節表針信號的局部特征優點，因此在水文氣象中廣泛應用[7-8]。本文應用使用較多的Morlet小波函數，連續小波變換公式為：

(1)

在時間尺度上的對關于a的所有小波變換系數平方進行積分后可得到一簇小波方差，該方差可反應波動能量隨時間尺度的分布情況，該方差公式為：

(2)

式中：var(a)為在a尺度下的小波方差。根據小波方差隨a的變化尺度來決定將水序列存在的最大主周期。

3 結果分析

3.1 降水和平均氣溫特征

3.1.1 降水特征

根據圖1可以看出年內降水主要集中在汛期(5-8月)占總降水量的70%，盡管汛期占主導地位，即使在7月月降水量僅為17.16 mm，說明該地區降水極少，基本無降水。在年變化中可以看出，多年平均降水75.75 mm，并且以0.21 mm/a的趨勢遞增，5 a滑動過程線表明，焉耆縣降水變化趨勢呈“W”形，經歷了“枯-豐-枯”演變過程。根據M-K檢驗，在0.05顯著水平下，焉耆縣降水統計量為0.95，圖2可以看出，60 a內焉耆縣年降水呈非顯著上升趨勢，從年變化趨勢可知，上世紀60年代-80年代，焉耆縣降水呈下降趨勢，80年代-90年代經過短暫 “上升-下降”交替后，呈極顯著上升且在21世紀初超出顯著水平，同時可以看出在1980年UFk和UBk相較于一點，所以1980年為降水的第一突變點。

圖1 降水年內、年變化趨勢

圖2 焉耆縣降水M-K突變檢驗

為研究60 a降水周期變化，根據Morlet小波分析(圖3)表明焉耆站4 a左右震蕩周期在60年代到80年代較為明顯，而7 a左右的震蕩周期在80年代到21世紀10年代較為明顯，并且存在以4 a為第一主周期，7 a為第二主周期的變化特征，以4 a為主周期表明下一個4 a周期呈豐水期，以7 a為主周期表明下一個7 a主周期呈枯水期。

圖3 Morlet小波分析

3.1.2 氣溫特征

由圖4可以看出，焉耆縣年內平均氣溫呈“單峰形”，最高氣溫在7月(23.5℃)，最低氣溫為1月(-12.56℃)，最高和最低氣溫相差約11℃，低于0℃平均氣溫長達4個月份，冬季寒冷而漫長，平均20℃以上氣溫為6-8月，經過短暫的炎熱后，氣溫迅速下降，進入秋季。在年尺度上，焉耆縣以0.031℃/a的趨勢上升，60 a內，年平均氣溫上升約2℃，在5 a滑動平均內，氣溫波動較大，呈現出“上升-下降-上升”趨勢，增溫與降溫交替進行，但總體上呈上升趨勢，這與20世紀90年代全球變暖后，西北干旱區溫度顯著升高有密切聯系。M-K檢驗表明：焉耆縣氣溫M-K統計值為1.32，小于1.96說明氣溫亦呈上升趨勢，圖5中可以看出，上世紀60年代-70年代氣溫升降變化幅度大，70年代-90年代上升趨勢，90年代-21世紀00年代呈下降趨勢，2012年，兩曲線相交，因此在2012年發生突變，突變后氣溫持續上升，可以看出氣溫5a滑動平均和M-K變化幅度較大，說明焉耆縣氣溫不穩定，這將影響焉耆縣融雪地表徑流。

圖4 氣溫年內、年變化趨勢

圖5 焉耆縣氣溫M-K突變檢驗

為研究焉耆縣60 a氣溫周期變化，根據圖6Morlet小波分析表明焉耆站3a左右震蕩周期在上世紀70年代到90年代較為明顯，而8a左右的震蕩周期在上世紀70年代到21世紀10年代較為明顯，26 a左右震蕩周期在上世紀60年代到上世紀末最明顯并且存在以8 a為第一主周期，26 a為第二主周期的變化特征，以8 a為主周期表明下一個8 a主周期溫度繼續升高，和降水變化趨勢一致。

圖6 Morlet小波分析

3.2 相關性分析

相關性分析可研究變量之間的相互依賴性，探討變量之間的相關程度。本文用相關系數來衡量氣溫的相關程度、方向。相關系數計算公式為：

(3)

式中：x表示氣溫，也表示降水；r介于-1到1之間，r大于0表示正相關，r小于0表示負相關，根據spss軟件分析得出相關系數僅為0.125，且未通過0.05顯著檢驗，說明焉耆縣氣溫和降水不存在相關性，焉耆縣地處盆地內，受高原和高山阻礙，水汽不能及時到達盆地內，所以降水和氣溫相關性較差。

4 結語

根據焉耆盆地1960-2019年監測氣溫降水數據，采用線性趨勢和小波分析表明對其變化趨勢及周期進行分析得出以下結論：

(1)降水在年內分配不均，但在汛期最大月份降水量也僅為17.16 mm，但在年尺度上，降水量以0.21 mm/a的趨勢遞增，并且在1980年發生突變，突變后經歷長達30 a豐水期；通過Morlet小波分析表明降水存在以4 a為第一主周期，7 a為第二主周期，兩周期在下一個循環周期內存在相反變化趨勢。

(2)氣溫在年內呈“單峰型”，最高溫度和最低溫度相差11℃，冬季寒冷漫長，夏季炎熱短暫。受全球變暖影響，氣溫以0.031℃/a的趨勢上升，60 a內升溫2℃，且在2012年氣溫發生突變，突變后氣溫快速升高；氣溫存在分別以8 a、26 a為第一、二主周期。

(3)相關性分析表明，焉耆縣降水和溫度相關系數為0.125，未通過0.05顯著檢驗，說明兩者不存在相關性，說明氣溫和升降不影響降水變化。