臺蘭水文站氣候變化分析

臺蘭水文站氣候變化分析

根據(jù)國家間氣候變化委員會（ipcc，2007）的評估報告，（1）世界人均表溫在100年前（1906年至2005年）增加了0.56-0.92。預(yù)測的結(jié)果表明，21世紀末的世界平均氣溫可達到1.10-60。（2）在印度支那半島的旱干區(qū)，年流量將減少10%-30%，干旱影響區(qū)域的面積將進一步擴大。臺蘭河發(fā)源于西南天山托木爾峰南麓,最終注入塔里木盆地,主要為平原區(qū)的灌區(qū)和易墾荒地以及糧、棉、油等種植業(yè)的發(fā)展提供水資源保障,同時擔(dān)負著向下游塔里木盆地生態(tài)輸水的重要任務(wù)。在全球氣候變化的背景下,該區(qū)域水文氣象要素是否發(fā)生改變直接影響著當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。因此,研究水文氣象要素的變化特征有著實際的意義。1當(dāng)前分工和數(shù)據(jù)選擇1.1臺蘭河上游的自然知識產(chǎn)權(quán)臺蘭河流域位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi),地理位置位于東經(jīng)80°21′44〞-81°10′44〞,北緯40°41′44〞-42°15′13〞之間。流域總面積為5146km2,其中山區(qū)面積為1324km2,平原區(qū)的面積3822km2。臺蘭河上游由大臺蘭河、小臺蘭河在距出山口前8km處匯合后稱臺蘭河,流向自北向南,全長90km,為一典型內(nèi)陸河,是一獨立水系。臺蘭河流域共發(fā)育現(xiàn)代冰川115條,冰川總面積431km2,其中長度超過10km的冰川有4條,總面積達307.7km2,冰川儲量73.132km3,平均雪線海拔4290m。流域內(nèi)布設(shè)有臺蘭水文站、小臺蘭氣象站以及塔格拉克氣象站(見圖1、表1)。1.2主要氣象站點的選擇臺蘭水文站是國家基本水文站,測站建設(shè)及資料整編嚴謹科學(xué),數(shù)據(jù)資料可靠;小臺蘭以及塔格拉克氣象站是依托2010年水利部公益項目由新疆水文水資源局負責(zé)建設(shè),由于上述2個氣象站點在2011年才建設(shè)好,其所獲資料不能足夠反映該流域水文氣象要素的變化情況,而臺蘭水文站有50多年的資料,故選用臺蘭水文站的資料作為分析依據(jù)。2學(xué)習(xí)方法2.1比例自由度降低滑動平均法是一種基礎(chǔ)的趨勢擬合方法,相當(dāng)于一個濾波器消弱數(shù)據(jù)系列的獨立性,使數(shù)據(jù)序列的自由度降低,從而顯示其變化趨勢。數(shù)據(jù)滑動處理后變幅的程度與滑動平均的階數(shù)k有關(guān),滑動平均的階數(shù)k越大,數(shù)據(jù)序列中保留的信號越少,反之亦然。其公式為:式中:yt——新序列值;k——階數(shù),當(dāng)k=2時,為5點滑動平均,當(dāng)k=3時,為7點滑動平均;2.2u3000研究對象的變化Mann-Kendall趨勢檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,能夠客觀地表征樣本序列的整體變化趨勢,計算也較簡便,且具有檢測范圍寬、人為影響小、定量化程度高的特點。M-K統(tǒng)計檢驗方法可定義如下:式中:Zc為統(tǒng)計意義的趨勢評價值;S為統(tǒng)計時間序列中有區(qū)別的值的個數(shù),其計算公式為:式中:Xi、Xj——均為研究的時間序列值;n——數(shù)據(jù)資料的時間長度。Sgn(Xj-Xi)的公式為:隨機序列si(i=1,2,…,n)近似地服從正態(tài)分布,當(dāng)數(shù)據(jù)序列長度n≥8時,方差如下所示:式中:m——相同數(shù)的個數(shù);ti——第i個組的資料個數(shù)。當(dāng)-Z1-a/2≤Zc≤Z1-a/2時,表示研究對象沒有變化趨勢,其中±Z1-α/2表示在顯著性水平α下,標準正態(tài)分布中值為1-α/2時的統(tǒng)計值。取α為0.05,±Z1-α/2=±1.96。若Zc值大于0,則表明序列呈上升趨勢,小于0則表明呈下降趨勢。當(dāng)他們超過臨界值時,表明上升或下降趨勢顯著,如若超過顯著性α=0.05的臨界值時,則說明趨勢變化顯著。3分析的結(jié)果3.1降水量和徑流基于臺蘭站1957-2010年多年月平均資料,由圖2可以看出多年平均氣溫在7月份達到最高為21.9℃,在1月份最低為-9.6℃;多年月平均降水量在7月份最大為36.2mm,在12月份最低為3.65mm;徑流也在7月份達到最高為74m3/s,在2月份最低為4.3m3/s。徑流的年內(nèi)分配與降水和氣溫在時間上基本是同步的,從夏季到冬季的變化趨勢基本一致,在春季隨著降水的明顯增多,徑流并沒有明顯增加,而是在氣溫升高后才呈現(xiàn)出增多的趨勢,由此也可說明:在春季氣溫是導(dǎo)致徑流增加的主要因素。3.2基于滑動平均法對研究區(qū)水文元素變化的分析3.2.1服務(wù)上升幅度根據(jù)臺蘭水文站1957-2010年的月降水量資料,多年平均降水量為182.6mm。由圖3可見,降水量在這54年間上升下降趨勢交替出現(xiàn),用5年滑動平均法對資料進行處理可發(fā)現(xiàn)總體呈現(xiàn)出緩慢上升趨勢,上升幅度為1.08mm/a。從圖3中還可發(fā)現(xiàn)1973年以前降水量圍繞多年均值變幅不大,但1973年以后波動加劇,由此可知降水量年際變幅增大,但多年平均值基本穩(wěn)定。汛期(6-9月)降水量的變化趨勢與年降水量的變化趨勢呈現(xiàn)出很好的同步性,汛期多年平均降水量為116mm,約占全年總降水量的64%。汛期降水量的最大值出現(xiàn)在1981年為255.4mm,占同年全年降水量的78.5%,高出汛期平均降水量139.4mm(120.1%),最低值出現(xiàn)在1986年僅為34.4mm,占同年全年降水量的32.8%,比汛期平均降水量低81.6mm(70.3%)。3.2.2緩慢上升態(tài)勢根據(jù)臺蘭水文站1957-2010年的月平均氣溫資料,多年平均氣溫為8.7℃,總體呈現(xiàn)出緩慢上升趨勢,上升幅度為0.5℃/10yr。由圖4可知,氣溫在這54年間的變化情況可以分為兩個階段即:1957-1980年的緩慢下降階段和1981-2010年的快速上升階段。3.2.3均流量的變化規(guī)律根據(jù)臺蘭水文站1957-2010年月均流量資料,將年平均流量及5年滑動平均流量繪于圖5,從圖中可以發(fā)現(xiàn):1957-1980年有緩慢下降的趨勢,1981-2000年上升趨勢相對較明顯,2001-2010年又有明顯的下降趨勢,總體來看有上升的趨勢,上升幅度為0.0015(m3/s)/a。3.3春季與春季的時代變化利用臺蘭水文站各水文氣象要素資料,通過M-K趨勢性檢驗,將結(jié)果繪制于表2,從表中可發(fā)現(xiàn)降水在春季有著明顯減少的趨勢,而在夏、秋、冬季有著增大趨勢,其中秋季增大趨勢顯著,從全年角度來看增大趨勢也較明顯;氣溫在四季以及年的時間尺度上都呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢,其中秋季變化最為顯著;徑流四季都有上升的趨勢,其中春季由于降水有著明顯減少的趨勢而氣溫呈顯著上升趨勢,說明在春季徑流的補給主要來自積雪消融,而在夏秋冬季,降水和氣溫對徑流都起到一定的影響,其中秋季由于降水與氣溫上升趨勢明顯增加,導(dǎo)致徑流也呈現(xiàn)出顯著上升趨勢。4文化景觀要素在時間尺度上的變化利用臺蘭水文站1957-2010年水文氣象月平均資料分析發(fā)現(xiàn):降水量年際變幅增大,但多年平均值基本穩(wěn)定,總體有著上升的趨