葛朝霞,曹麗青,薛 梅,宋穎玲,曹 琨

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098)

新疆維吾爾自治區(qū)位于中緯度歐亞大陸腹地,山脈與盆地相間排列,屬干旱和半干旱地區(qū).天山山脈將其分成氣候差異顯著的南疆和北疆,北疆的降水量多于南疆,多年平均年降水量北疆244mm,南疆123.9 mm[1].研究[2]表明,近幾十年來,在全球氣候變暖的大背景下,新疆氣候有了較大的變化,全區(qū)氣溫、降水呈上升和明顯的增濕趨勢(shì).氣候變暖,會(huì)使得水循環(huán)加快,可利用降水量分布發(fā)生變化,水文極端事件發(fā)生頻率增加,對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響極大.這種問題已引起國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的普遍關(guān)注[3-6].南疆降水量偏少,水資源一直是制約和影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素.在全球氣候變暖的背景下,南疆氣溫、降水和可利用降水量發(fā)生了什么變化?未來變化趨勢(shì)如何?是當(dāng)?shù)卣浅ｊP(guān)心的問題.本文對(duì)近50a來南疆地區(qū)降水、氣溫、蒸發(fā)和可利用降水量變化特征進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析,并采用逐步回歸周期分析方法對(duì)未來5a各要素變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè).

1 研究所用資料和方法

本文所指的南疆地區(qū)為34.3°～43.5°N,73.6°～96.4°E范圍.選用7個(gè)氣象站(吐魯番,庫車,喀什,和田,且末,若羌,哈密)作為代表站.利用1951～2006年56a逐月降水和溫度資料,根據(jù)高橋浩一郎公式[7]計(jì)算了南疆地區(qū)年平均蒸發(fā)量.高橋浩一郎公式為

式中:P——月總降水量,mm;θ——地面月平均氣溫,℃;E——月總蒸發(fā)量,mm.

定義可利用降水量[8-9]為

從氣象角度考慮,降水(P)與蒸發(fā)(E)之差越大(P-E＞0),則局地可利用降水量越豐富,從大氣中得到的水資源量越多;反之,可利用降水量及從大氣中得到的水資源量越少.

根據(jù)逐步回歸周期分析原理[10],確定溫度、降水、蒸發(fā)、可利用降水量的隱含周期,對(duì)未來5a的變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè).逐步回歸周期分析是周期均值疊加法的推廣,其數(shù)學(xué)模型為

設(shè)有n個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)x1,x2,…,xn,按某一時(shí)間間隔分為bi=2,3,…,m組(樣本數(shù)n為偶數(shù)時(shí),m=n/2;n為奇數(shù)時(shí),m=(n-1)/2).計(jì)算出各組的平均值作為逐步回歸的因子;按照逐步回歸的原理篩選因子,被選中的因子,就是序列存在的隱含周期.要素t時(shí)刻的值即為其各隱含周期在t時(shí)刻值的疊加.

2 近50a來南疆地區(qū)氣候變化及可利用降水量特征

為了從10a時(shí)間尺度上了解反映氣候特征因子及可利用降水量的演變特征,本研究采用10a滑動(dòng)平均的方法[11],繪制了各要素距平(取1971～2000年平均作為平均值)的滑動(dòng)平均值變化曲線,如圖1～4所示.

圖1 南疆地區(qū)溫度距平10a滑動(dòng)平均值變化曲線Fig.1 Variation of 10-year moving average values of temperature anomaly in southern Xinjiang

圖2 南疆地區(qū)降水距平10a滑動(dòng)平均值變化曲線Fig.2 Variation of 10-year moving average values of precipitation anomaly in southern Xinjiang

圖3 南疆地區(qū)蒸發(fā)距平10a滑動(dòng)平均值變化曲線Fig.3 Variation of 10-year moving average values of evaporation anomaly in southern Xinjiang

圖4 南疆地區(qū)可利用降水量距平10a滑動(dòng)平均值變化曲線Fig.4 Variation of 10-year moving average values of available precipitation anomaly in southern Xinjiang

2.1 南疆地區(qū)溫度變化特征分析

由圖1可知:1960～1965年溫度有所上升,1966～1976年溫度呈下降態(tài)勢(shì);1976年以后,年平均溫度一直呈上升趨勢(shì);在1997年以后的10a里,增溫幅度十分明顯,增幅大于或等于0.5℃的就有9a.

2.2 南疆地區(qū)降水變化特征分析

降水資料分析結(jié)果表明:在1951～1987年的37a中,降水以負(fù)距平為主,負(fù)距平出現(xiàn)的年數(shù)有30a,占總年數(shù)的90%;在1987～2006年的20a中,降水正距平的年份明顯增多,且正距平的數(shù)值都較大,平均可達(dá)1.59mm.從圖2可知,1970年以后年平均降水量呈上升態(tài)勢(shì),增幅明顯的2個(gè)階段是1992～1998年、2002～2005年,后一階段降水量顯著偏多,增幅在1.17～2.83mm之間.對(duì)比圖1與圖2可知,溫度和降水的變化趨勢(shì)具有相似性,溫度升高降水量也明顯增大.這證明南疆氣候已從偏干向偏濕型轉(zhuǎn)變.該結(jié)論與現(xiàn)有的一些研究結(jié)果是基本一致的[3].

2.3 南疆地區(qū)蒸發(fā)變化特征分析

分析結(jié)果表明,蒸發(fā)與降水變化具有一致性,線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99.從圖3可知,1970年以后蒸發(fā)量10a平均滑動(dòng)曲線也一直呈上升態(tài)勢(shì),增幅明顯的2個(gè)階段是1992～1998年、2002～2005年,后一階段蒸發(fā)量顯著偏多,增幅在1.13～2.64mm之間.

2.4 南疆地區(qū)可利用降水量變化特征分析

由圖4可知,可利用降水量變化要比以上3要素復(fù)雜,距平值呈波浪式在零線附近擺動(dòng).周期分析結(jié)果顯示:可利用降水量變化存在準(zhǔn)16 a周期;在近期的2002～2006年,曲線出現(xiàn)了明顯的上升態(tài)勢(shì),5a中有4a出現(xiàn)了正距平,距平值在0.04～0.2mm之間.

溫度、降水、蒸發(fā)與可利用降水量的相關(guān)分析結(jié)果表明:溫度與可利用降水量的線性相關(guān)系數(shù)是-0.16,沒有通過信度為0.05的顯著性檢驗(yàn);降水、蒸發(fā)與可利用降水量的線性相關(guān)系數(shù)分別是0.49和0.56,均通過了信度為0.05的顯著性檢驗(yàn).

從以上分析可以看出,南疆地區(qū)1997年開始已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)持續(xù)快速升溫的階段,升溫幅度達(dá)到0.5℃以上,在此背景下降水量也有明顯增大的趨勢(shì),特別是在1987年以后的20a里,平均增幅達(dá)1.59mm.進(jìn)一步分析可知,溫度對(duì)可利用降水量的直接影響并不大,而降水量和蒸發(fā)量對(duì)可利用降水量的影響較大,且降水量與蒸發(fā)量的變化本身具有較強(qiáng)的一致性,即降水量加大(減小),蒸發(fā)量也同步增大(減小).這就使得與降水量、蒸發(fā)量關(guān)系密切的可利用降水量的變化具有不確定性.

3 未來5 a南疆地區(qū)溫度、降水及可利用降水量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

3.1 溫度、降水、蒸發(fā)及可利用降水量的擬合

利用逐步回歸周期分析法,建立了各個(gè)要素的預(yù)報(bào)方程.取信度0.05,對(duì)所有預(yù)報(bào)方程進(jìn)行預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn),均獲通過.在此基礎(chǔ)上對(duì)1951～2006年的溫度、降水、蒸發(fā)和可利用降水量值進(jìn)行了擬合.按照SL 10250—2000《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》,誤差(實(shí)測(cè)值-預(yù)報(bào)值)小于最大變幅的20%為預(yù)報(bào)合格,則各要素?cái)M合預(yù)報(bào)合格率分別為:溫度87.5%,降水92.9%,蒸發(fā)92.9%,可利用降水量100%.這表明,模型精度超過規(guī)范要求,完全可以用于預(yù)報(bào).

3.2 未來5a溫度、降水、蒸發(fā)及可利用降水量的預(yù)報(bào)

表1 未來5a各要素值和距平值預(yù)報(bào)Table1 Values of various elements and predicted results of anomalies for coming5 years

表1顯示,在未來的5a里,南疆地區(qū)溫度將比常年(1971～2000年均值)偏低,降水偏少,蒸發(fā)和可利用降水量也基本呈減少態(tài)勢(shì)(除2010年外).

4 結(jié) 語

對(duì)1951～2006年降水、溫度和可利用降水量資料的分析表明:自1976年以后,南疆地區(qū)年平均溫度一直呈上升趨勢(shì).特別是1997年以后的10a里,增溫幅度十分明顯,增幅超過了0.5℃.在此背景下,降水和蒸發(fā)也相應(yīng)地進(jìn)入了持續(xù)上升通道,南疆氣候已從偏干向偏濕型轉(zhuǎn)變.但可利用降水量的變化并沒有出現(xiàn)單一的上升或下降趨勢(shì),而是呈現(xiàn)正負(fù)距平交替的波狀變化特征,存在著準(zhǔn)16a的振蕩周期.降水和蒸發(fā)對(duì)可利用降水量影響較大,而蒸發(fā)與降水變化具有一致性.也就是說,蒸發(fā)加大,降水量增大;當(dāng)降水引起可利用降水量的增大幅度大于蒸發(fā)引起可利用降水量的增大幅度時(shí),水資源就會(huì)增加,反之水資源將會(huì)減少.溫度與可利用降水量之間并不存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,即氣候變暖,并不意味著可利用降水量就一定增大.

未來5a要素變化趨勢(shì)預(yù)報(bào)結(jié)果表明,溫度、降水、蒸發(fā)將以偏低(少)的態(tài)勢(shì)出現(xiàn),可利用降水量也將進(jìn)入偏少的時(shí)期.因此,在未來5a中,應(yīng)考慮可利用降水量將減少的預(yù)測(cè)結(jié)果,合理規(guī)劃,注重水資源的保護(hù)和合理利用,以保證水資源能滿足南疆地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的要求.

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