达 伟

(新疆巴州水文勘测局， 新疆 库尔勒 841000)

降水是表征气候与气候变化的关键指标，它的变化不仅影响着地表径流和农作物的生长，而且还影响着该地的农业生产，由降水引发的干湿变化趋势对该地区生产建设和规划决策具有重要意义[1]。因此众多学者对降水年际变化特征[2-3]、空间变化[4-5]、水文模型模拟[6]以及影响因素[7]做了相关研究，如谢培等[8]计算了新疆地区的逐日降水分析计算干旱指数(SPI)，分析新疆55 a来降水量时空变化和年际变化情况。为准确评估蒙古高原气候变化以及合理提出生态环境决策，那音太等[9]用蒙古高原气象站点的月降水量数据，研究了该地区降水特征及其时空变化规律。马爱华等[10]运用线性趋势分析、克里金插值法、Mann-kendall检验、Morlet小波分析和主成分分析等方法研究了内蒙古地区近60 a来极端降水时空变化、周期规律和气象灾害效应。宁珊等[11]引入相对湿度、NDVI、地形和经纬度等地理环境因子用于新疆不同地貌区降水量估算的可行性，模拟并探讨新疆降水比降尺度与时空分布特征。刘向培等[12]为更全面分析中国降水特点，运用降水集中程度Q，研究中国降水集中程度的时空特征，发现中国年平均Q值呈南北较低中间较高，就降水集中程度而言，冬季和秋季较高，夏季和春季相对较低，年降水集中程度变化趋势较小，总体上略有上升，东南升高西北降低；降水集中程度和降水量共同影响水旱灾害受灾面积。以上学者针对我国大区域作出了广泛研究，而针对新疆巴州地区焉耆盆地小区域尺度年将水量变化特征研究鲜不多见。

全球变暖背景下降水系统及其结构正在发生明显变化，近50 a来，我国西部降水增加趋势明显，其中西北地区最为显著[13-14]。焉耆盆地位于我国西北干旱地区，空气干燥，成为了典型干旱区绿洲气候，该地区降水量的变化是评价干旱指数的一项重要指标，而且降水量不仅影响当地农业生产，还是带动当地经济发展，农民脱贫致富的着力点和新经济的增长点。

为探究焉耆盆地近60 a降水变化特征及周期变化情况，本研究拟采用Mann-Kendall趋势及突变分析，Morlet小波分析等方法，分析焉耆盆地降水年内、年际及时空变化特征，为该地区科学利用水资源和生态保护提供科学依据。

1 研究区域概况

焉耆盆地位于新疆塔里木盆地东北侧，是天山主脉与其支脉之间的中生代断陷盆地，东西长170 km，南北宽80 km，面积约1.3×104km2，因盆地中的焉耆县而得名。焉耆盆地呈西北向菱形形态，盆地西界为铁门关断裂，东界为榆树沟—硫磺山断裂中天山南缘断裂东段，南界为库鲁克塔格山前的辛格尔断裂，北界为中天山南缘—桑树园子断裂。地理坐标介于东经85°30′～87°51′和北纬41°35′～42°30′之间。焉耆盆地年均气温8.5℃，日平均气温≥10℃的活动积温达35.11·℃/d，极端最高气温为38.8℃，极端最低气温为-30.7℃，最冷月平均气温-11.2℃，年平均气温日较差14.8℃，年平均降水量79.8 mm，年平均蒸发量1 876.7 mm。该地区属于典型大陆性干旱气候，冬季严寒而漫长，夏季气候温和，干旱少雨，蒸发强烈，昼夜温差大。

2 数据来源与研究方法

2.1 资料来源

为研究区域时间的一致性，笔者采用长时间序列1960年—2019年周边低山区的大山口、黄水沟、克尔古提、他什店水文站的降水量资料，盆地中部的焉耆、和硕气象站降水量资料(水文站与气象站相对位置见图1)，水文站降水数据由巴州水文局提供，气象站降水资料通过中国气象网下载获取。其中塔什店水文站1967年、1971年缺测数据通过新疆水文年鉴及加权平均法完成插补。各站点地理位置如表1所示。

图1 焉耆盆地示意图

表1 焉耆盆地各站点地理位置特征

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐并广泛用于研究水文和气候长时间序列的非参数检验方法，具有结果受少数异常值干扰小，能显示数据显著突出和突变的优点，因此得到了广泛的应用[15-16]。本研究利用非参数检验Mann-Kendall法进行年降水显著性检验，在给定显著水平下，假定该序列无趋势，若通过双尾检验，在正态分布表中查临界值Z1-α/2，若|Z|Z1-α/2，拒绝原假设，即趋势显著。Z>0表示降水呈上升趋势，Z<0表示降水呈下降趋势，Z的绝对值越大，说明降水变化趋势越显著。根据Mann-Kendall统计值，分析绘制UFK和UBK趋势图，若UFK的值大于0，则表明焉耆盆地降水量呈上升趋势，小于0则表明呈相反趋势；当统计值超过95%信度时，表明降水变化趋势显著；若两条曲线的交点位于信度线之间，则此点可能就是突变点的开始。

2.2.2 小波分析

本研究中小波分析是用来描述周期随时间尺度的变化特征。它是一种信号的时间尺度分析方法，具有自动调节时频窗，能在高分辨率中调节表针信号的局部特征优点，因此在水文气象中广泛应用[17-18]。本文应用使用较多的Morlet小波函数，连续小波变换公式为：

(1)

在时间尺度上的对关于a的所有小波变换系数平方进行积分后可得到一簇小波方差，该方差可反应波动能量随时间尺度的分布情况，该方差公式为：

(2)

式中：Var(a)为在a尺度下的小波方差。根据小波方差随a的变化尺度来决定将水序列存在的最大主周期。

2.2.3 线性趋势和滑动平均

因线性趋势和滑动平均法的原理性描述较多，此处不再描述，具体参考文献[19-20]。

3 结果与分析

3.1 降水量的年内分配特征

1960年—2018年焉耆盆地降水量年内分配如图2及表2所示。年内降水呈“单峰型”，且分配极不均匀，降水量主要集中在汛期，冬春两季干燥且少雨，5月—9月为汛期连续最大5个月降水集中期，占全年降水量的79.31%～89.26%(黄水沟最大)，非汛期占全年降水量的10.74%～20.69%(和硕最大)。每年1月—4月与10月—12月份降水量较少，分别占全年降水量的6.6%～14.5%和4.1%～8.7%。多年平均最大月降水量是最小月的11倍～45倍。由于降水年内分配不均，导致焉耆盆地部分地区出现“洪旱交替”的自然现象，给当地农业灌溉带来巨大困难。

图2 焉耆盆地月均降量水图

表2 降水年内分配统计表

汛期M-K检验结果表明焉耆、塔什店M-K统计量在显著水平α=0.05范围内(-1.96

3.2 降水量多年变化趋势

3.2.1 趋势性分析

影响焉耆盆地降水的水汽来源主要有三个方面，一方面是来自西北方向北冰洋寒流；另一方面，气温较高时，南印度洋水汽进入焉耆盆地形成降水；第三方面是焉耆盆地西风环流的大西洋水汽。焉耆盆地各站点降水随时间变化规律如图3所示。从图3和表2可以看出，近60 a来焉耆盆地各站降水均为增加趋势，部分站点超过α=0.05的显著水平，表现为显著增加趋势。5 a滑动平均变化表明，和硕站年均降水92.17 mm，增幅为0.69 mm/a，呈“下降-上升-下降-上升” 的变化趋势；焉耆站年均降水75.75 mm，增幅为0.21 mm/a，呈现出3个“下降-上升”的交替变化；大山口站年均降水111.85 mm，增幅为0.75 mm/a，呈现出“上升-下降”的变化趋势；黄水沟年均降水为92.22 mm，增幅为焉耆盆地最大(0.81 mm/a)，亦呈现出3个“下降-上升”的交替变化特征；克尔古提年均降水最大(145.32 mm)增幅为0.45 mm/a，呈现出“下降-上升-下降-上升”变化趋势；塔什店年均降水最小，仅为75.42 mm，增幅为0.43 mm/a，变化趋势与克尔古提一致。综上所述，近60 a来除焉耆站和克尔古提站降水呈微弱增加趋势外，其余站点均表现为显著增加趋势。

图3 焉耆盆地多年降水量变化趋势

3.2.2 突变分析

为分析焉耆盆地近60 a年降水量变化趋势及突变特征，对各站降水量进行Mann-Kendall非参数突变检验，结果如图4所示。检验结果表明：在0.05显著水平下，和硕站1960年—1989年降水量UFk值小于0，说明降水呈减少趋势，1990年突变后呈显著增加趋势，这与前面的线性回归分析趋势一致。焉耆站UFk和UBk年降水量有多个突变点，说明焉耆站在研究时段内经历了多次变化，最终确定1980年为该站的突变点，突变后仍然以增加趋势呈现。大山口站位于焉耆站上游山区，突变前与焉耆有相同的增加下降趋势，但突变时间(1979)提前于焉耆站1年，突变后呈极显著增加态势。黄水沟站降水量表现为增加趋势，1976年突变后增加趋势显著，超过了0.05的显著水平。克尔古提站1960年—1961年、1967年—1989年均表现为减少趋势，其余年代呈增加趋势，1985年突变后上升经过剧烈的增加后，持续保持增加趋势。1960年—1983年塔什店降水量为减少趋势，1981年突变后经过短暂的丰枯交替后，降水量明显增加，在0.05显著水平上波动，增加趋势显著。

就整个焉耆盆地而言，降水量的突变时间发生在20世纪70年代—80年代，说明在大尺度上突变一致，但因为空间和地理位置表现的差异性，在盆地中心和盆地以及南北走向上存在小尺度差异。

图4 焉耆盆地降水量Mann-Kendall突变检验

3.2.3 年际变化分析

焉耆盆地属大陆性干旱气候，降水量季节性变化显著，年际变化相差悬殊，多雨年与少雨年相差5倍～11倍。受地形和多种因素的影响，盆地内降水的垂直分布和南北差异比较明显，地处海拔高度1 400 m的克尔古提站多年平均降水量在144 mm，他什店站海拔高度1 050 m，多年平均降水量为75 mm；北部天山山前区降水量大于南部库鲁克塔格山前区降水量，西边霍拉山山前区降水量大于东面的克孜勒山前区降水量。

将各站近60 a降水资料按每十年一个阶段划分，各阶段距平分析结果如表3所示。分析该表可以看出，各站点降水量在20世纪60年代至21世纪呈稳定增加趋势， 20世纪60年代—70年代各站点降水量均以平水期和丰水期为主，80年代各站点降水量均以平水期为主，90年代各站点降水量明显偏丰，21世纪近二十年各站降水量以丰转平演进。降水变差系数Cv值介于0.33～0.47之间，和硕站(Cv=0.47)年降水量变差系数最大，最大年与最小年降水量相差约4.6倍～11.0倍，相差倍数最大亦为和硕站。

表3 各站不同年代降水量丰枯变化表

3.2.4 周期性分析

为分析焉耆盆地降水震荡周期，分别对6个站年降水量进行小波分析。各站点年降水序列小波等高线图如图5所示。在等高线图中，呈现出颜色深浅相间的等高线图，颜色深表示降水偏少，反之，降水偏多。

图5 焉耆盆地降水量Morlet小波分布等高线图

小波分析表明：不同区域不同时间震荡周期略有不同。和硕站年降水量有4 a、7 a及24 a左右的震荡周期，其中4 a左右震荡周期一直比较明显，而7 a左右震荡周期在60年代到70年代较为明显，24 a左右的震荡周期在19世纪60年代到21世纪00年代尤为显著，结合小波方差图可以看出，和硕站以24 a为第一主周期，第二、三主周期依次为7 a、4 a。焉耆站4 a左右震荡周期在60年代到80年代较为明显，而7 a左右的震荡周期在80年代到21世纪10年代较为明显，并且存在以4 a为第一主周期，7 a为第二主周期的变化特征。大山口存在17 a的第一主周期，8 a的第二主周期，黄水沟存在9 a的第一主周期，依次为15 a、2 a的第二、三主周期，克尔古提存在24 a的第一主周期，和7 a的第二主周期，塔什店存在25 a的第一主周期，和7 a的第二主周期。

综上所述，尽管焉耆盆地不同站点年降水量主周期各不相同，但其间也有相似性，并都存在着7 a～9 a的主周期；不同站点因为海拔和地理位置不同呈现出滞后性，具体表现为海拔越高，第一主周期越小；南北走向上，越靠近北方周期越小。

3.3 降水量空间分布特征

焉耆盆地水汽受西风环流的大西洋影响，降水量在空间分布上呈现出自西向东、自北至南逐渐减少，北部低山区平均年降水量在90 mm～140 mm，南部浅山区平均年降水量在70 mm～80 mm，东部浅山区平均年降水量在60 mm～70 mm，盆地中部平原区平均年降水量为70 mm～80 mm，焉耆盆地区域平均年降水量只在80 mm左右。综合分析表1—表3可以看出，盆地内降水量和海拔呈正比例关系，经相关分析，年降水量与海拔高度的相关性较高，相关系数r=0.894，相关方程如下：

y=18.03e0.0014x

(3)

式中：y为多年平均年降水量，mm；x为海拔高度,m。

说明随着海拔升高，降水量亦逐渐增大，而年降水量Cv值和年最大、最小降水量相差倍数逐渐减小。海拔越高空气柱越短，海拔越低空气柱越高，因此高海拔地区降水量大于低海拔地区，与此同时，在西风带控制下，南北差异也决定了降水量的空间分布。

4 结 论

依据焉耆盆地六个水文、气象站点1960年—2019年降水量数据，采用Mann-Kendall趋势分析和小波分析对焉耆年降水量的时空变化特征进行了研究，得出以下主要结论：

(1) 焉耆盆地降水量年内分配极不均匀，汛期连续最大5个月降水主要集中在5月—9月，其中又以6、7、8三个月最为集中，降水量的年内分配不均易于导致该区发生“冬枯夏洪”现象，因此，当地水资源部门应做好防洪抗旱的预案。

(2) 各站点降水量在20世纪60年代至21世纪呈逐渐增加的趋势，大山口、黄水沟及塔什店站呈显著增加趋势(α=0.05)；盆地内降水量自西向东、自北至南逐渐减少，焉耆盆地区域平均年降水量只在80 mm左右，年际变化中60年代到80年代为平枯交替，90年代后丰水期占据主导地位，这与西风环流的大西洋水汽有密切关联。

(3) Mann-Kendall统计检验法对降水量趋势及突变分析表明，高海拔地区突变时间早于低海拔地区；盆地南部地区突变时间早于北部地区，突变后呈显著增加趋势。在0.05的显著水平下，在高海拔地区突变后长时间处于显著增加状态，这也增加了焉耆山区冰雪洪水爆发的可能性。

(4) 降水量Morlet小波分析结果表明，各个站点存在7 a～9 a的变化周期，但因海拔和地理位置的不同，降水的变化主周期也不相同，表现为低海拔地区降水量的主周期小于高海拔地区，北部地区主周期小于南部地区，这种不同步的交错滞后现象对焉耆盆地地表径流具有削峰补枯的调节作用，也有利于焉耆盆地水资源的有效利用。