新疆南疆地区降水量的时空变化特征

张加敏++徐华君++边英英++杨辽

摘要：根据新疆维吾尔自治区南疆地区47个气象观测站点1961-2013年逐月的降水量观测资料，运用Mann-Kendall非参数检验法与降水量距平百分率从时间上分析了南疆地区的降水规律，并运用surfer9.0做出了年与季节降水量的等值线图，对南疆地区降水量进行了空间变化分析。结果表明，南疆地区近53年来降水量总体呈增加的趋势，降水量的年际变化较大；降水量集中在春、夏两季，但以夏季为主；降水空间分布非常不均衡，主要集中在北部地区，中部降水稀少。

关键词：降水量；时空变化；Mann-Kendall法；新疆南疆地区

中图分类号：P426.61+3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5496-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.015

Spatio-temporal Characteristics of Precipitation Variation

in the Southern Xinjiang Regions

ZHANG Jia-min， XU Hua-jun， BIAN Ying-ying， YANG Liao

（Institute of Resources and Environment Science，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Abstract： According to the precipitation data of 47 typical meteorological stations in the southern Xinjiang Uygur autonomous region from 1961 to 2013，this paper analyzed the changing characteristics of precipitation by using Mann-Kendall rank analysis method and precipitation anomaly percentage to finish examination of annual and seasonal precipitation trends in research region. In addition，the isograms of annual and seasonal rainfall were drawn through surfer9.0 to analyze the spatial change of precipitation in research region. The results showed that，the precipitation in research region in recent 53 years showed an increasing trend，the annual variation of precipitation was relatively large. Rainfall concentrated in spring and summer，but mainly in summer. The spatial distribution of precipitation was very uneven，mainly concentrated in the northern region，central precipitation was scarce.

Key words： precipitation； spatio-temporal variation； Mann-Kendall method； southern Xinjiang regions

全球气候变暖已经引起了众多学者的关注，研究表明，全球气候变暖不仅导致许多区域降水量发生变化，而且还会引起降水量时空上的重新分配[1]。对处于干旱区的地区而言，降水量不仅是表征水循环的重要气象要素之一，而且降水量的时空变化对其社会经济发展也具有深刻的影响。因此，研究降水量的时空分布规律，不仅对分析气候变化情景下的水循环具有非常重要的意义，而且对区域经济的可持续发展也有很大的影响[2]。为此，已有众多学者对新疆地区的降水量进行了研究。从时间变化上的研究来看，如慈晖等[3]采用新疆50个气象观测站1961-2010年逐日降水资料探讨了新疆降水事件的发生与变化；戴新刚等[4]研究了近60年新疆降水记录的波动与趋势特征。从空间变化上的研究来看，张延伟等[5]根据1961-2004年新疆地区55个气象观测站逐日降水观测资料分析了新疆地区降水极值序列的时空分布特征和概率分布模式；张强等[6]依据新疆地区53个雨量站1957-2009年日降水资料，采用Copula非参数估计方法研究了新疆地区降水极值概率变化的空间演变特征。此外，还有众多学者对新疆地区降水异常的影响因素进行了研究[7-10]。从近年来的研究方法上来看，刘政鸿[11]使用陕西省以及臨近陕西省近50年来的39个站点年降水数据，运用Mann-Kendall非参数检验法、累积距平法和GIS插值，分析了近50年陕西省的降水变化趋势和降水时空分布及变化特征。袁瑞强等[12]应用时间序列聚类、突变点检验、趋势分析和小波-支持向量机模型揭示降水时空变化并进行预测，按降水变化特点把山西划分为北部高纬区、太行山高山区、北部高山高原区、中部盆地区、中西部高山高原区和南部盆地区等子区。徐利岗等[13]依据中国西北干旱区95个站点1951-2008年月降水资料，运用自然正交分解法、Morlet小波分析、轮次分析、游程理论、极差分析、季节性指数分析、Mann-Kendall检验及气候趋势系数分析等方法分析了西北干旱区降水时空变化特征及其未来趋势。新疆幅员辽阔，南北疆的气候差异很大，全区降水量主要集中在北疆。以2013年为例，北疆多年平均降水量为244 mm，南疆为124 mm，可见新疆地区的降水量大都集中在北疆地区。因此，大多数学者只是对整个新疆地区的降水量时空变化进行了分析研究，而对南疆地区降水量进行的研究相对较少。仅唐小英等[14]和郑红莲等[15]对南疆地区的降水特征及极端气候事件进行了分析。

根据已有研究，在全球变暖的背景下，新疆自1987年来气候出现由“暖干”向“暖湿”转型现象，新疆地区降水总体上呈增加趋势，南疆降水量增加的幅度大于北疆[16]。前人关于南疆地区降水变化研究主要集中于极端气候事件或代表性站点降水的变化特征，对南疆地区降水时空变化特征研究的准确性有待考证。由于南疆地区资源丰富、生态环境非常脆弱，并且在全球变暖背景下降水时空变化特征对南疆地区农牧业生产及经济发展具有重要影响。因此，随着最新气候资料的不断积累，有必要进一步详细了解南疆地区降水时空变化的最新特点。本研究根据目前研究降水量时空变化特征的主流方法，运用Mann-Kendall非参数检验法与降水量距平百分率对南疆地区47个气象观测站点1961-2013年逐月的降水量进行了分析，并在此基础上运用surfer 9.0做出了年与季节降水量的等值线图，对南疆地区降水量进行了空间变化分析，以期丰富全球气候变化的区域降水效应研究，为预测今后降水及水资源、水环境变化趋势提供科学依据，并为本区以农牧业为主的社会经济发展提供部分参照依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

新疆南疆地处亚欧大陆腹地，位于天山山脉南部，总面积106万km2，约占全疆土地总面积的64%。整个地域由山地、沙漠、平原三大地貌单元构成，属于典型的大陆性干旱气候，蒸发量远大于降水量，水土资源分布不均衡，天然植物少，结构单调，生态系统非常脆弱。但光、热及土地资源丰富，并且拥有丰富的石油和天然气资源，具有发展农牧业得天独厚的资源条件[15]。

1.2 数据来源

数据来源于新疆维吾尔自治区气候中心提供的南疆地区47个雨量站1961-2013年逐月降水量数据。站点缺失数据采用下面方法进行插补：缺失数据时间较短，如缺失1～2 d的数据，采用相邻数据的平均值进行插补；缺失数据时间较长，则以计算整个数据序列对应时期的平均值进行插补。因此观测资料都比较齐全，数据可靠性和连续性均能满足研究的需求。在分析的过程中，将其进行季节性划分，3-5月为春季、6-8月为夏季、9-11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

1.3 研究方法

非参数Mann-Kendall统计检验方法常用来预测如水质、径流、气温、降水等水文气象时间序列资料的长期变化趋势。使用Mann-Kendall方法进行趋势检验时，无需事先假定样本的统计分布，以原假设H0（即假设序列平稳且随机独立分布）为前提，Mann-Kendall统计检验方法用下式表示：

Zx=

，S>0

0 ，S=0

，S<0 （1）

其中，S=sgn（Xk-Xi） （2）

sgn（Xk-Xi）= 1，Xk-Xi>0

0，Xk-Xi=0

-1，Xk-Xi<0 （3）

式中，Xk、Xi为要进行检验的随机变量，且k>i，n为所选数据序列的长度；Zx为一个正态分布的统计量，var（S）为方差。在给定的α置信水平，此处取α=0.05，如果|Zx|≤1.96，则接受原假设，即时间序列数据不存在明显的上升或下降趋势；|Zx|>1.96，则拒绝原假设，即时间序列存在显著的变化趋势。其变化趋势的大小用β表示，计算如下：

β=Median（），?i

若β为正，表示呈上升趋势；若β为负，表示呈下降趋势[17，18]。

2 结果与分析

2.1 降水量时间分布规律

2.1.1 年降水量变化特征 以南疆地区53年的年降水量序列为依据，依据Mann-Kendall趋势检验法，得到南疆地区年降水量趋势检验结果β为3.37，可见近53年来南疆地区的降水量总体上呈增加趋势。从南疆地区53年的年降水量（图1）来看，近53年来年降水量变化幅度呈波动型，在1985年降水量达到最低点82 mm，在1996年降水量达到最多324 mm。它的线性趋势与Mann-Kendall趋势检验结果一致。从图1还可以看出，1987年以前3年滑动平均降水量曲线基本处于多年平均线以下，说明在1987年以前南疆地区降水量较少，属于“暖干”型气候；从1987年以后3年滑动平均降水量曲线基本处于多年平均线以上，可以看出自1987年以后南疆地区降水量增多，气候由“暖干”向“暖湿”型转变。与此同时，从降水距平百分率（图2）来看，在1987年以前，降水距平百分率以负值为主，1987年以后以正值为主，可见在1987年以前南疆地区比较干旱，在1987年以后，降水增多逐渐湿润。这一结论与许多学者提出的中国西北地区自20世纪80年代以来气候向“暖湿”型转变的观点一致[19，20]。

2.1.2 季节降水量变化特征 依据Mann-Kendall趋势检验法得出南疆地区季降水量统计特征值，结果见表1。由表1可知，春、夏两季的β为正指标，说明南疆地区春、夏两季的降水量呈增加的趋势，并且夏季的统计值Zx>1.96，说明夏季降水量增加趋势显著，春季降水量增加幅度为0.32 mm/年，夏季降水量增加幅度为0.87 mm/年；秋、冬两季为负值，说明南疆地区秋、冬季节的降水量呈下降趋势，并且下降趋势不显著，秋季降水量减少幅度为0.34 mm/年，冬季降水量减少幅度为0.22 mm/年。

2.2 降水量空间分布特征

2.2.1 年降水量空间分布 依据现有站点的降水数据绘制了南疆地区多年平均降水量的等值线图，如图3所示，南疆地区降水量空间分布呈现出由北向南逐渐减少的趋势，降水量主要集中在西北、正北、东北部3个地区，降水量最多的地区是靠近伊犁河谷的巴音布鲁克，年降水量为274 mm，降水量最少的地区是托克逊，年降水量为7 mm，反映出该地区多年平均降水量地域分布的不均性。西北部降水量主要集中在喀什平原地区，正北部的降水量主要集中在伊犁谷底东南、天山中部南麓的巴音布鲁克地区，东北部的降水量主要集中在哈密地区北部。并且南疆有大量的冰川，随着全球气候的变暖，必将造成冰川的加速消融，同等面积的冰川上空水气含量也将会随之上升，降水机会增大，冰川对局部地区降水的贡献会随之增大。加之已有研究表明塔里木盆地周圍中山带年均气温变化1 ℃将引起年降水量变化约200 mm[21]。所以南疆地区的降水主要分布在天山山脉南部及塔里木盆地北缘。

2.2.2 季降水量空间分布 从图4可以看出，各季节的降水量分布情况与年降水量一致，降水都主要集中在北部，中部塔克拉玛干沙漠降水稀少。从等值线可以看出南疆地区的降水主要集中在春、夏两季。春季降水量主要分布在西北部喀什平原地区；夏季降水量主要集中在巴音布鲁克地区；秋季降水在南疆北部地区分布比较均匀，降水量由北向南递减；冬季南疆地区降水都比较少。

3 结论

本研究主要采用非参数Mann-Kendall检验方法分析了南疆地区47个气象站1961-2013年的降水量时空分布特征和变化趋势，根据研究结果，可初步得出：①从时间尺度来看，降水偏多和偏少时期呈现出波动性，且年际变化较大。Mann-Kendall法检验得出，近53年来，年平均降水量趋势β为2.07，表明降水量在波动中有上升的趋势，这与西北地区降水变化是同步的，这种增加的趋势主要是由春、夏两季降水量增加所引起的，尤其以夏季降水量增多趋势最为明显，其β为0.87，可见在全球气候变暖的背景下，一定会造成冰川的加速融化，因此同等面积的冰川上空水气含量也将会随之上升，降水机会增大，所以冰川对南疆地区降水的贡献也会越来越大，南疆地区夏季的降水也会逐渐增多。②从空间尺度来看，南疆地区降水量主要集中在北部地区，降水主要来自于山地，并且随着全球变暖的加剧呈上升趋势。

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