伊犁河谷喀什河流域降水变化特征分析

摘要 利用喀什河流域1965—2018年逐日降水量实测资料，采用线性趋势分析、Mann-Kendall趋势检验、突变检验、Morlet小波分析方法对近54年新疆喀什河流域气候变化背景下的降水特征进行研究。结果表明，近54年喀什河流域年降水量总体呈24.14 mm/10 a的增加趋势，降水量在20世纪90年代增加最显著;喀什河流域降水量在冬季上升显著，夏季和秋季增加趋势较缓慢;喀什河流域降水量在冬季1月和2月增加明显。喀什河流域年降水量突变时间为1986、1988、1990年，春季降水量突变年份为1993、1994、1995、1997年，冬季降水量突变年份为1993年。喀什河流域年降水量主要存在15、6年2种周期性变化，其中15年为第一主周期，6年为第二主周期。由此可见，喀什河流域降水量呈显著增加趋势，冬季降水量对年际降水量增加贡献最大，1、2月份降水量对冬季降水量增加贡献最大。

关键词 伊犁河谷喀什河流域;降水量;变化特征;Mann-Kendall检验;小波分析

中图分类号 P426.6  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）10-0190-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.043

Analysis of Precipitation Variation Characteristics in Kashi River Basin in Ili Valley

WU Li-ping，YANG Yu-hui，YANG Jing-yan et al

（College of Geography Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi，Xinjiang 830054）

Abstract Using the measured daily precipitation data in the Kashi River Basin from 1965 to 2018， the linear trend analysis， Mann-Kendall trend test， mutation test and Morlet wavelet analysis methods were used to study the precipitation characteristics of the Kashi River Basin in Xinjiang under the background of climate change in the past 54 years.The results showed that in the past 54 years， the annual precipitation in the Kashi River Basin showed an overall increasing trend of 24.14 mm/10 a， and the precipitation increased most significantly in the 1990s. The precipitation in the Kashi River Basin increased significantly in winter， and the increase trend was slower in summer and autumn.The precipitation in the Kashi River Basin increased significantly in January and February in winter.The sudden change of annual precipitation in the Kashi River Basin was 1986， 1988 and 1990， the sudden change of spring rainfall was 1993， 1994， 1995 and 1997， and the sudden change of winter rainfall was 1993.The annual precipitation in the Kashi River Basin mainly had two cyclical changes of 15 and 6 years， of which 15 years was the first main cycle and 6 years was the second main cycle.It can be seen that the precipitation in Kashi River Basin shows a significant increase trend， and the precipitation in winter has the largest contribution to the increase in inter-annual precipitation， and the precipitation in January and February has a greater contribution to the increase in winter precipitation.

Key words Kashi River Basin in Ili Valley;Precipitation;Variation characteristics;Mann-Kendall test;Wavelet analysis

基金项目 新疆“天山青年计划”优秀科技人才培养项目（2018Q026）;国家自然科学基金项目（41761004）。

作者简介 吴丽萍（1996—），女，甘肃酒泉人，硕士研究生，研究方向：气候变化及环境演变。通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事气候变化及环境响应方面的研究。

收稿日期 2021-08-24

降水作为气候变化的基础因素，其变化对区域环境、水资源具有重要的影响作用[1]。王艳姣等[2]研究表明我国不同区域降水变化复杂，而且有显著差异。刘洪兰等[3]研究得出1961—2011年西北地区春季降水量空间分布极不均匀。陈发虎等[4]研究指出1930—2009年中亚干旱区在年降水量和各季降水量都表现出微弱增加趋势，在短尺度上也存在气候变化的“西风模式”。已有部分学者对新疆降水特征进行了研究[5-7]。新疆作为亚欧大陆的典型干旱区，水资源是新疆生态环境系统的核心，其水资源补给类型主要是冰雪融水补给[8]。姚俊强等[9]研究表明1961—2011年西北干旱区降水增加明显。韩雪云等[10]研究表明近51年来新疆天山山区降水量呈上升趋势，年降水量变化表现出一致增强的趋势。刘濛濛等[11]研究表明近58年巴音布鲁克气候由暖干向暖湿转型，未来降水将持续增加。杨昕馨[12]分析表明1960—2013年新疆伊犁河流域全年和四季降水量的时空分布总体存在一致性。

新疆气候变化与中亚地区和我国西北地区基本一致，但新疆面积广阔，自然环境具有独特性和复杂性等特点，在其气候变化方面也表现出明显的地域特点[13]。在全球气候研究背景下，对小流域气候变化关注较少。基于此，笔者选择喀什河流域尼勒克气象站1965—2018年的逐日降水资料，分析其变化规律，以期为今后该流域优化水资源配置、生态环境建设以及防灾抗旱等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

喀什河流域位于新疆伊犁河谷境内，地处北疆西部、北天山南坡、伊犁地区东北部，地理位置为81°55′～84°58′E、43°25′～44°17′N。流域西连伊宁县，西北与精河县为邻，东北与乌苏县接壤，东与和静县相连，东南与新源县交界。由东向西延伸，呈长条形，似柳叶状。地势东北高，西南低，中间夹河谷阶地，自北向南相间排列。海拔800～4 600 m，年平均气温5.8 ℃，年均降水量388 mm，属典型温带大陆性气候。

1.2 资料来源

选取1965—2018年新疆喀什河流域尼勒克国家气象站逐日降水资料。季节划分为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。研究资料来自新疆维吾尔自治区气象信息中心，资料真实可靠。

1.3 研究方法

1.3.1

倾向率分析。使用一元一次线性方程对研究区降水量进行变化趋势分析，计算方法如下：

xi=a+bti（1）

式中，a为回归常数，b为回归系数。用线性回归系数b分析降水线性变化趋势，气候倾向率为正值，表示降水资源随时间呈增加趋势，反之呈减少趋势。

1.3.2 Mann-Kendall趋势检验。采用Mann-Kendal趋势检验分析降水变化特点及其规律，公式如下：

s=n-1i=1nj=i+1sgn（xj-xi）（2）

式中，xi和xj为连续的数据值，n为数据集合的长度，sgn是符号函数，其定义如下：

sgn（θ）=1（θ>0）

0（θ=0）

-1（θ<0）（3）

式（2）中统计量s的理论均值大致服从正态分布，其均值为0，方差如下：

E（s）=0

Var（s）=n（n-1）（2n+5）-ni=1[ti（i-1）（2i+5）]18（4）

其中，ti是第i组数据点的数目。

对于样本数大于10的集合，标准化统计量ZC按照以下公式计算：

ZC=s-1Var（s）（s>0）

0（s=0）

s+1Var（s）（s<0）

（5）

1.3.3 突变检验法。采用Mann-Kendall（简称M-K）法[14-16]对降水要素进行突变分析。以气温和降水量的时间序列xi为基础，构造秩序列：

Dk=ki=1i-1jdij  （2≤k≤n）（6）

dij=1  Xi>Xj

0  Xi≤Xj （j=1，2，3，…，i）（7）

假设时间序列是独立随机的，定义统计变量：

UFk=Dk-E（Dk）Var（Dk） （k=1，2，3，…，n）（8）

式中，E（Dk）=k（k-1）/4，方差Var（Dk）=k（k-1）（2k+5）/72，其中2≤k≤n。

将时间序列逆序xi排列，同时满足：

UBk=-UFkk=n+1-k （k=1，2，3，…，n）（9）

UFk与UBk的值分别为2条曲线，在显著水平α=0.05内，如果置信区间内存在交点，那么该交点为突变点。

1.3.4 小波分析。采用小波分析各因子的周期性变化，小波分析对原始数据要求低，其适用性较好[17-19]。以Morlet小波为母小波的变化，此小波形式为：

ψ0（η）=π-1/4eiwote-12t2（10）

式中，w0是无量纲频率;i为虚部;t为时间。

基于小波基本形式由小波变化方程得到小波方差。小波系数实部图能反映不同时间尺度周期变化在时间上的分布;小波方差可以反映信号能量随着时间尺度分布的情况，从而得到信号中不同尺度变化的强弱和主周期[15，18-19]。

2 结果与分析