新疆阿勒泰地區(qū)近60年降水變化特征分析

降水是循環(huán)中最重要的因素之一。合理確定一個(gè)地區(qū)的降水量大小是進(jìn)行生態(tài)需水核算、水資源規(guī)劃配置及水土資源合理開發(fā)利用等工作的依據(jù)。研究降水的空間分布規(guī)律及時(shí)間演變特征,對于分析氣候變化情景下的水循環(huán)具有重要意義。多年來,許多學(xué)者對降水特征作了大量研究。如施雅風(fēng)等研究指出,西北氣候在1987年前后發(fā)生由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型;楊明等指出,新疆區(qū)域年降水量呈顯著增加趨勢;張家寶等指出,近40a來新疆氣溫呈明顯上升趨勢,降水量變化的總趨勢是增加明顯;史玉光等研究了新疆區(qū)域面雨量分布特征及其變化規(guī)律;辛渝等根據(jù)新疆年降水量的時(shí)空變化特征,將該區(qū)年降水量場劃分為6個(gè)子區(qū)域,并研究了各區(qū)域年降水量的變化趨勢;袁玉江等對天山山區(qū)近40a降水變化特征與南、北疆進(jìn)行了比較研究;楊蓮梅等對新疆北部冬季降水異常成因進(jìn)行了研究;莊曉翠等利用阿勒泰地區(qū)1960-2003年的月降水量資料,研究表明該地區(qū)降水量呈增多趨勢,平均以11.30mm/10a的傾向率增多,四季中冬季增多最為顯著,春季最弱,還研究了該地區(qū)20cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化特征及其與氣象因子的關(guān)系,同時(shí)也對該地區(qū)積雪變化進(jìn)行了分析;張林梅等分析了阿勒泰地區(qū)的降水情況。然而,已有的工作或僅限于其中的某地區(qū),或分析的側(cè)重點(diǎn)不同,尤其是對阿勒泰地區(qū)降水量的突變、周期性變化等研究較少。在全球氣候變暖的大背景下,深入分析阿勒泰地區(qū)降水量的變化特征,不僅對于了解該地區(qū)氣候背景、充分認(rèn)識和利用氣候資源,以及保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展等具有重要意義,而且可為短期氣候預(yù)測提供依據(jù)。1數(shù)據(jù)和分析1.1質(zhì)量初步控制利用新疆阿勒泰地區(qū)1961-2009年逐月和2010年1~3月完整的7個(gè)國家級基準(zhǔn)、基本氣象站(圖1)的月總降水量資料。該資料由新疆氣象局信息中心審核,進(jìn)行了初步的質(zhì)量控制;在計(jì)算之前,剔除了1961年以前的不完整記錄。以7站的平均值代表阿勒泰地區(qū)的平均值。根據(jù)阿勒泰地區(qū)氣候及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn),將4~5月劃分為春季,6~8月為夏季,9~10月為秋季,11月至次年3月為冬季。氣候值取世界氣象組織(WMO)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)氣候值時(shí)段(1971-2000年)的平均值。1.2月內(nèi)月氣動(dòng)量參數(shù)變化的模擬分析采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法、線性趨勢檢驗(yàn)法、Cubic函數(shù),定性分析降水變化的轉(zhuǎn)型特征,極小值對應(yīng)要素值由下降(少)轉(zhuǎn)為上升(多),反之為上升(多)轉(zhuǎn)為下降(少)的轉(zhuǎn)型時(shí)間。突變采用Mann-Kendall方法;用R/S法;Morlet小波變換法分析降水變化的持續(xù)性及特征,本文取其實(shí)部和模擬值分析降水變化的周期性。當(dāng)樣本長度足夠長,序列的自相關(guān)性基本不影響Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法的結(jié)果,本文采用了延伸法來消除序列自相關(guān)性的影響。小波變換法客觀上存在邊緣效應(yīng),在資料的開頭和結(jié)尾有很大扭曲,本文采用了對稱延伸法來部分地消除邊緣效應(yīng)。2結(jié)果與分析2.1降水量的變化趨勢采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法,計(jì)算每個(gè)實(shí)測站的M值。M=1.96和2.56時(shí),變化趨勢分別達(dá)到95%和99%的信度檢驗(yàn),被認(rèn)為存在顯著的變化趨勢;M值為正,表明具有上升或增加趨勢;M值為負(fù),則意味著下降或減少的趨勢。由表1可知,阿勒泰地區(qū)年降水量呈顯著的增多趨勢,通過了0.05的顯著性檢驗(yàn);增多最顯著的是布爾津站,其次是哈巴河站,福海站增多相對最慢,且沒有通過顯著性檢驗(yàn)。各季中,只有冬季降水量呈顯著的增多趨勢,通過了0.01的顯著性檢驗(yàn),其他季節(jié)降水量沒有顯著的變化;冬季哈巴河站降水量增加最多,其次是布爾津站,青河站增加最少;夏季只有富蘊(yùn)站呈顯著增多趨勢。上述結(jié)論與文獻(xiàn)不一致。2.2降雨量的線性趨勢2.2.1c膜函數(shù)曲線由圖2可知,近49a來阿勒泰地區(qū)年降水量線性增多趨勢極顯著(r=0.419,通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)),傾向率為12.33mm/10a。各站點(diǎn)中,吉木乃和福海站變化不顯著,其他站均呈顯著的增多趨勢;增加最多的是哈巴河站(與文獻(xiàn)不一致);最少的是福海站(表略)。就全區(qū)平均而言,Cubic函數(shù)曲線在1964年達(dá)到谷值(143.46mm),此后開始上升,到2000年達(dá)到峰值(192.30mm,圖2),之后有所下降;表明該地區(qū)從20世紀(jì)60年代中期開始降水量發(fā)生由少到多的轉(zhuǎn)型,在21世紀(jì)初(2000年以后)降水量有下降趨勢。降水的這種變化趨勢在各站分布上有一定差異,吉木乃和哈巴河站呈單調(diào)上升趨勢,沒有明顯的峰谷點(diǎn),其他站變化趨勢與全區(qū)基本一致(圖略);谷值出現(xiàn)在1964年前后,峰值出現(xiàn)的時(shí)間各站相差較大,阿勒泰、布爾津、青河站與全區(qū)平均一致,福海和富蘊(yùn)站出現(xiàn)在1996年、1997年,而吉木乃和哈巴河站出現(xiàn)在2007年、2009年,相差約10a。2.2.2降水的線性變化趨勢就各季來看,冬季降水量增加呈極顯著(r=0.507,通過α=0.001顯著性檢驗(yàn)),傾向率為9.74mm/10a,其他季節(jié)降水量變化不顯著。就各站而言,冬季全地區(qū)7個(gè)站降水量均呈顯著的增多趨勢,均通過α=0.01顯著性檢驗(yàn),哈巴河站增加最多,傾向率達(dá)13.57mm/10a,增加最少的是福海站(4.19mm/10a);夏季只有富蘊(yùn)站降水量增加趨勢顯著(6.46mm/10a);春秋季各站降水量變化均不顯著(表略)?？梢?阿勒泰地區(qū)降水量的線性變化趨勢與Mann-Kendall趨勢變化基本一致。由Cubic函數(shù)擬合曲線(圖3)來看,春、冬季降水量基本呈單調(diào)上升趨勢,沒有明顯的峰谷點(diǎn),即峰谷點(diǎn)分別出現(xiàn)在2009年(97.46mm)和1961年(37.01mm)。夏季有2個(gè)谷點(diǎn),分別出現(xiàn)在1970年(48.14mm)、2009年(43.31mm),峰值出現(xiàn)在1995年(69.18mm);可見夏季降水量出現(xiàn)了多、少、多、少的變化,目前處于低值點(diǎn)。秋季變化不明顯,相對的峰谷值分別出現(xiàn)在1980年(29.91mm)和1961年(24.23mm),1980年之后略有減少。各季時(shí)空分布存在較大的差異。站點(diǎn)中,冬季福海站谷值(21.58mm)出現(xiàn)在1971年和1972年,峰值出現(xiàn)在2009年(49.89mm),即該站冬季降水量在20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了由少到多的轉(zhuǎn)型,其他站的變化均與全區(qū)相同。春季阿勒泰、福海、青河站的變化趨勢與全區(qū)一致,即在1961年降水量出現(xiàn)由少到多的轉(zhuǎn)型;其他站與全區(qū)略有不同,西部3縣(吉木乃、哈巴河站、布爾津站)在80年代末到90年代初出現(xiàn)由少到多的轉(zhuǎn)型;富蘊(yùn)站則出現(xiàn)在2000年,比西部(吉木乃、哈巴河站、布爾津站)滯后8a左右。夏季各站變化趨勢與全區(qū)基本一致,不同之處是吉木乃站的第2個(gè)峰值出現(xiàn)在1986年(69.10mm)。秋季布爾津站峰值出現(xiàn)在1986年、東部2站(富蘊(yùn)、青河站)出現(xiàn)在90年代初;其他站具有相對少、多、少、多的變化,即谷點(diǎn)分別出現(xiàn)在1961年和90年代中后期,峰點(diǎn)出現(xiàn)在70年代中期到80年代初和2009年,目前處于相對高值點(diǎn)(圖略)。2.3降水的突變分析2.3.1克氏原螯蝦a、c、c年變化結(jié)果氣候突變是指在短時(shí)期內(nèi)由一種相對穩(wěn)定的氣候狀態(tài)過渡到另一種氣候狀態(tài)的變化,它是氣候系統(tǒng)非線性的一種表現(xiàn)。通過M-K突變檢測法,對阿勒泰地區(qū)近49a年降水量時(shí)間序列進(jìn)行突變檢測。由圖4a可知,C1和C2曲線于1983年相交于信度為0.05的置信線±1.96之間,并且C1自1983年以來基本呈持續(xù)上升趨勢,說明1983年以來年降水量增多趨勢顯著,因此,1983年是近49a阿勒泰地區(qū)氣候增濕的突變點(diǎn)。各站點(diǎn)中,福海站無顯著突變點(diǎn),阿勒泰和東部(富蘊(yùn)、清河站)在1986-1988年發(fā)生了突變,哈巴河站在1962年、吉木乃和布爾津站分別在1983年和1980年發(fā)生了突變,且通過了0.05的檢驗(yàn)。可見,阿勒泰地區(qū)年降水量大部分站突變時(shí)間在20世紀(jì)80年代初和中后期,哈巴河站突變的時(shí)間比全區(qū)要早20a左右(表2)。2.3.2降水增加但呈較快增從各季來看,春、秋季降水量無顯著的突變點(diǎn);夏季降水量在1987年發(fā)生了顯著的突變(圖4b),通過了0.05的檢驗(yàn);冬季降水量在研究時(shí)段內(nèi)無突變點(diǎn)(圖4c),但C1自1983年以來基本持續(xù)呈上升趨勢,說明1983年以來降水量增多趨勢顯著,且在1993年和1999年分別超過了1.96線和2.56線,通過了0.05和0.01的檢驗(yàn)。各站中春季富蘊(yùn)和青河站分別于1967年、1975年發(fā)生了顯著突變;夏季降水量阿勒泰、布爾津、富蘊(yùn)站在1988年和1987年發(fā)生了顯著的突變,通過0.05的檢驗(yàn),富蘊(yùn)站通過0.01的檢驗(yàn),其他站無顯著的突變點(diǎn)(表2);冬季降水量哈巴河和福海站分別在1975年、1985年有一突變點(diǎn),且分別在1990年和2009年通過了0.01的檢驗(yàn);青河站沒有發(fā)生顯著突變;其他站與全區(qū)一致,在研究時(shí)段內(nèi)無突變點(diǎn),但C1曲線均通過了0.05和0.01的檢驗(yàn),說明冬季降水量突變的時(shí)間要早。2.4降雨量周期變化2.4.1年際周期特征由圖5a可知,全區(qū)年降水量一直存在著明顯的年代際和年際尺度的周期變化。年代際變化以29~37a,24~26a,19~21a和12a尺度的顯著周期信號,模擬值均>0.5,且變化是全時(shí)域的。年降水量還存在著4a的年際尺度的顯著周期變化。對比分析圖5b可知,在19~21a尺度上20世紀(jì)60年代和70年代最強(qiáng),之后較弱,但模擬值均>0.5(圖5b)。就各站而言,除哈巴河站外都具有顯著的31~37a的年代際周期;另外,除哈巴河和布爾津站外,還有25a周期;除阿勒泰站外,還有14~17a的年代際周期變化均較顯著。除吉木乃站外都有4a的年際變化顯著周期(圖略)。從模擬值來看上述周期信號都較顯著,均>0.5(圖略)。另外,各站還存在其他不同的年代際和年際變化顯著周期。2.4.2降水的年代際變化春季降水量存在著25~37a,15~18a的年代際周期和10~11a,8a,6a和4a年際尺度的顯著周期變化。各站而言,除吉木乃站外都具有28~35a周期,除布爾津站外,還有20a的年代際周期;阿勒泰站無年際周期變化,其他站均具有10a左右的年際周期變化。從模擬值來看,上述周期信號都較顯著,模擬值均>0.5(圖略)。夏季降水量存在著26~37a和13a的年代際周期和10~11a,9a和7a年際尺度的周期變化;26~37a的周期變化最強(qiáng)最顯著,小波系數(shù)的正負(fù)中心均出現(xiàn)在所討論的時(shí)域中,信號都比較強(qiáng),其模擬值>2.0,而其他周期模擬值>0.5(圖6)。各站而言,都具有29~36a周期,除布爾津站外,具有20a的年代際周期變化;阿勒泰和哈巴河站無年際尺度的周期;吉木乃和布爾津站和東部具有11a的年際周期變化(圖略)。秋季降水量存在著17~23a,10~11a和4a的年代際和年際尺度的周期變化。各站而言,福海和東部具有29a的年代際周期(圖略)。冬季降水量存在著34~37a,17~24a,10~12a和6a的年代際和年際尺度周期變化(模擬值>0.5);各站中,除吉木乃和哈巴河站外,都具有36a的年代際周期,阿勒泰、福海站和東部(富蘊(yùn)、青河站)都具有17~22a的年代際周期變化,除哈巴河站外,具有11a左右的年際周期變化,以上周期變化模擬值均>0.5。四季各站點(diǎn)除上述周期外,還存在其他不同顯著性的年代際和年際尺度周期變化。2.5降水量的時(shí)間和季節(jié)差異根據(jù)R/S分析基本原理,對阿勒泰地區(qū)年及各季降水量變化的持續(xù)性進(jìn)行了分析,計(jì)算相應(yīng)的H指數(shù)(表3)。阿勒泰地區(qū)年及各季降水量Hurst指數(shù)在0<H<0.5,說明過去49a降水量的增多(減少)趨勢在未來會逐漸轉(zhuǎn)為減少(增多)趨勢。四季中春季的Hurst指數(shù)最小,表明在未來春季降水量的反持續(xù)性相對其他季節(jié)要強(qiáng),其次是夏季;秋季的反持續(xù)性相對較弱。站點(diǎn)中,年和秋季是阿勒泰站、春夏季是布爾津站、冬季是福海站最小,表明在未來這些站的降水量在相應(yīng)的季節(jié)反持續(xù)性相對較強(qiáng)。綜上所述,阿勒泰地區(qū)降水量呈顯著的增多趨勢;根據(jù)R/S分析結(jié)果可知,在未來該地區(qū)降水量將逐漸轉(zhuǎn)為減少的趨勢,尤其是年和冬季。3降水量、豐富時(shí)間及特性(1)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)表明,阿勒泰地區(qū)年和冬季降水量呈顯著的增多趨勢,其他季節(jié)降水量沒有顯著的變化。站點(diǎn)中,福海站年降水量沒有明顯的變化;富蘊(yùn)站夏季呈顯著增多趨勢,其他站沒有顯著的變化。