近48年区域气候变化对精河地表径流的影响分析1
柯 琳1 ,叶 茂*1,2 ,凌红波3 涂文霞1 ,陈 幺4
(1新疆师范大学地理科学与旅游科学学院, 自然地理 2011级 乌鲁木齐 830054; 2新
疆干旱区湖泊环境与资源实验室,乌鲁木齐 830054;3中国科学院新疆生态与地理研究所,
乌鲁木齐 830011;4 陕西师范大学旅游与环境学院,西安710062)
摘要:利用精河源流区近48年的降水、气象以及径流数据,借助非参数检验、小波分析、周期性叠加趋势模型等方法分析了精河流域气候因子及年径流量的变化趋势以及气候因子对径流影响量分离。结果表明:(1)在未来的50年气温、降水以及径流量仍将保持原来增加的趋势。(2)在年际变化上,年气温、降水量和径流量均存在11、14、16年的变化周期。
(3)利用周期性叠加趋势模型对源流来水量进行模拟和预测,1998~2008年气候变化对径流量的影响是积极的,分离出近十年气候变化对径流量的影响量知降水量变化对精河径流影响更突出。
关键词:精河源流区;气候变化;小波分析;突变检验 ;趋势预测
【中图分类号】P9.170.5520
Analysis of regional climate change impacts on surface runoff in Jinghe river
Kelin,Yemao,Linghongbo,Renming,Tuwenxia,Chenyao
(Xinjiang Normal University, School of geographical sciences and tourism Xinjiang Urumqi
830,054)
Abstract :Using non-parametric tests, wavelet transform, cyclical overlay trend model analysis
methods such as temperature, precipitation in Jinghe River basin and the developing trend of
annual runoff and the separation of influence of climate factors on runoff volume base on the
precipitation,meteorological and flow data in Jinghe source area for nearly 48 years, Results
show that: 1, In the next 50 years temperatures, rainfall and runoff may still change trend of
increase will remain the same. 2, In the interannual variations, the temperature, precipitation and
runoff there were 11, 14, 16 years of change cycle. (3) Using periodic superimposed trend model
to simulate and forecast 'origin, 1998 ~ 2008, the influence of climate change on runoff is positive, separating out nearly 10 years of climate change on runoff influence quantity know precipitation
change on JingHe runoff influence more. outstanding. 国家基金:新疆干旱区湖泊环境与资源实验室(XJDX0909-2010-11)基金资助。
作者简介:柯琳 (1988-)女, 汉, 陕西安康人,在读研究生,主要从事干旱区水资源研究。
E-mail: [1**********]
通讯作者:叶茂(1977-),女,教授,主要从事干旱区生态水文过程研究。E-mail:[email protected]
Key words: Jinghe source area; climat change; wavele analysist; abrupt change test;Trend Prediction
0 引 言
未来气候的潜在变化将对河流系统造成深远的影响。作为自然界水循环过程中两大要素的气温和降水, 对水资源的形成、发展和演化具有极其重要的作用[1]。新疆干旱区水资源的一个显著特点是依赖山区冰川融水和大气降水,因此温度升高和降水量的变化以及时空分布都将引起径流的变化[2]
精河流域径流补给主要依靠源流山区降水与冰川融水补给,因此该流域气候变化对其年径流量的影响也更为显著。以往大量的研究多集中于对精河流域径流气候因子进行简单的趋势分析和关联检验,而对于流域源流山区气候因子的变化,其对径流的影响量分离以及对未来气温、降水量和径流变化趋势预测的研究成果却少见报道。而博尔塔拉河、精河流域是目前艾比湖仅有的入湖水量,研究精河流域的地表径流变化及影响因子,有助于艾比湖流域水资源的合理配置和可持续发展战略研究,为该流域可持续发展提供理论依据。
1 研究区概况
精河发源于天山中段的婆罗科努山北坡,地理位置介于东经93°45′~94°18′、北纬43°00′~43°10′之间,全长114km,由南向北流,出山口后经过精河县城注入艾比湖[2],精河流域属于温带大陆性干旱和半干旱。
气候, 年平均气温7.8 ℃ , 极端最高气温41.5℃, 极端最低气温- 36.4 ℃, 多年平均蒸发量2 447.1mm, 多年平均降水量251.9mm。精河源区为现代冰川作用区和永久积雪覆盖区[3],]精河流域有129 条冰川, 冰川面积91km2 , 冰川总储量54.598 × 108m3 , 冰川年融水量为0.96 ×108m3, 占河川径流量的20.6%。精河多年平均径流量为4.75 ×108m3[2]。精河上游主要由乌图精河与冬都精河两大源流汇合而成,出山口设有精河山口水文站。
2 数据收集及研究方法
2.1数据收集
为了分析精河流域年径流的变化趋势,本文收集了精河1961-2008年间统计年鉴数据和精河山口水文站实测的年平均气温、年降水量、精河年径流量等气象水文数据。由于该水文站位于河流源区,人类对水的利用数量相对较少,因而其水文监测数据基本上接近于自然状态,可看作天然径流量。
2.2研究方法
2.2.1 非参数检验
在非参数检验中,原假设认为时间序列的增减趋势或者阶段转换的跳跃不明显; 而备择性假设认为时间序列变化趋势显著[4]。从检验能力上看,使用非参数Mann-Kendall 单调趋势检验和Mann-Whitney 阶段转换检验要优于参数t 检验,并且无须事先假定样本的统计分布[5]。在非参数Mann–Kendall单调趋势检验中,原
假设H0认为气候及径流时间序列没有发生显著性变化,而备择假设H1则表示待测时间序列变化显著。该方法在处理非独立的时间序列和随机正态分布变量时能直观地表现时间序列的年度变化趋势,且不必先假定数据的分布特征。已有大量文献详细阐述[6],本文不再具体介绍。
2.2.2 R/S分析方法
R/S 法是由Hurst 在分析尼罗河水文资料时提出的一种分析方法[7, 8] , 近些年该方法在分形研究中得到了许多应用, 是一种非线性的科学预测方法. 其基本步骤如下::对于一个时间序列x(t),t=1,2….均值序列为:
Y()
累积离差为: x()t11,=1,2… (1)
F(t,)
极差为: x(u)Y() 1≤t≤ (2) u1t
R()=maxF(t,)minF(t,) =1,2… (3) 1t1t
标准差为:
S()=12(x(t)Y()) =1,2… (4) t112
Mandelbrotetal证实了Hurst的研究,并得出了更广泛的指数律,即:
R/S = (5) 2H
式中H为赫斯特系数. 上述分析方法被称为R/S分析法. 对公式(10)两边同时取对数即得到赫斯特经验公式,基于时间序列并利用赫斯特经验公式得到的一簇H值进行最小二乘法拟合,得出的直线斜率即为修正后的赫斯特指数(0
只是短程相关; 当00.5时,意味着未来的变化状况与过去一致, 这个过程具有持续性, 即过去的增长趋势意味着将来也具有增长趋势, 反之亦然, H越大持续性越强
2.2.3 小波变换
小波分析可以较好的甄别出实测序列在多时间尺度下周期变化的位相和强度,并能够为短期气候及径流量预测提供科学依据[9-11]。本文利用Morlet小波变换探讨精河流域源流区气候因子与年径流量的多时间尺度的变化特征[12, 13]。
小波函数为一组震荡变换的伸缩平移基(t)。将小波母函数(t)进行伸缩平移,就可以得到一组函数序列(t):
a,(t)1t a,R, a0 (6) aa
式中,a为伸缩因子,为平移因子,(t)为子小波。
Morlet小波函数为复数小波,其表达式为:
式中c为常数;i表示虚部。
小波变换是把一称为基本小波的函数做位移后,再在不同的尺度域下对待分析信号做内积。
2.2.4 周期性叠加趋势模型
(t)eictet2 (7)
假设径流量的变化除具有周期性变化特点外并有一定的趋势水平, 则利用周期性叠加趋势模型预测水资源变化的趋势, 在时段T + S的期望值为[14]
LT+ t = aT + bS + DT+S ( 8)
式中: aT 是时段T 的平均水准, bS 是该时段的斜率, DT + S是在时段T + S的季节增量。利用
历史资料建立预测预报模型分两步: 第一步, 先根据完整周期的时间序列的历史数据( x 1, x2, x3, ,, xT )来估计第T 个周期(时段)中aT 的估值a^T、bS 的估值b^T 和DT + S的估计值dT + S ( S= 1, 2, ,, M ), 并对未来时段进行预测; 第二步, 用余下不够一个完整周期的数据更新预报模型, 并作相应的预测, 从而建立T 在对未来第S时段的完整预测模型:
X^T ( S) = a^T + b^T S+ dT+ S ( S = 1, 2, ,, M ) ( 9)
3结果与分析
3.1气候因子与精河流域地表径流的变化趋势分析
从表1中可以看出,精河流域气温、降水量及精河来水量总体表现为增加走势。近48年来,精河流域气温以0.03℃/a的速率强势升高,并据气温统计量Zc=3.84 >Z0.01=2.58在0.01检验水平下达到极显著。降水量的检验统计量Zc=2.85 >Z0.01=2.58,以1.18mm/a的速率增加,且趋势极显著。据径流量的检验统计量Z c =2.1953<Z0.05=1.96,在0.05检验水平下接受原假设,
表明其径流量以0.039×108m3的年变化率呈显著增加走势。经过R/S分析,1961~2008年的气温、降水量及径流量的H值分别为0.8505、0.7698和0.798(图1),皆大于0.5,具有较强的持续性,表明在2008年后的一段时间内, 精河流域气温和降水量仍将保持上升趋势。这与西北地区由暖干向暖湿化转化,年降水量有所增加的趋势相同[15],精河年径流量在未来50年仍可能保持增加趋势。
表 1Mann-Kendall趋势检验及R/S分析预测
Table 1 Ttest and R/S analysis of Mann-Kendall trends forecast
因子
气 温(℃)
降水量
径流量 时段(年) 1961-2008 1961-2008 1961-2008 标准差 1.049 41.7033 1.067 平均值 7.1049 157.1121 12.6643 Zc 3.8485 2.8531 2.1953 0.0375 1.1815 0.0399 H0 显著 显著 显著 趋势 递增 递增 递增 Hurst指数 0.8505 0.7698 0.798
在干旱区气候因子是驱动区域水文的主要动力,气温的变化影响着源流区的山区冰川与积雪的消融,而大气降水是地表水资源的根本补给来源,因此气温、降水量变化对区域地表径流的形成与转换至关重要,将累积距平曲线变化中上升段定义为气温偏暖、降水增加、径流量增加阶段, 下降段定义为气温偏冷、降水减少、径流量减少阶段,利用曲线上的微小变化可以考察气象要素的短期变化趋势, 利用长期的变化趋势则可反映气象要素长期演变趋势[16], 利用1961-2008年气温、降水量及径流量实测数据借助累积距平值以分析其变化特征(图 1)。气温趋势变化为1961~1982 年, 1984~1988年.1991-1996年曲线趋势下降, 亦为变冷期。
图1R/S分析预测
Fig.1 R/S analysis forecasting
1982~1984年.1988-1991年.1996-2008年曲线趋势上升, 亦为变暖期。降水量的变化趋势为1961-1985年降水量为波动下降趋势,亦为降水减少。1985-2006年曲线趋势为波动上升趋势,亦为降水增加。2006-2008年趋势为下降趋势,亦为降水减少。年降水累积距平曲线和年气温累积距平曲线总的变化趋势比较一致。与施雅风研究西北干旱地区由暖干向暖湿转化的趋
势相同。径流量趋势变化1961-1997年曲线为波动下降趋势,亦为径流量减小。1998-2008年曲线为上升趋势,亦为径流量增加。这与气温、降水的总趋势相同,精河径流补给主要依靠降水以及冰川融水,气温与降水增加补给径流,径流量与气温、降水量趋势相同。
图 1 气候因子及径流累积距平值
Fig. 2 Climatic factors accumulate anomalies
从表 1可看出,经过Mann-Whitney 阶段转换检验,精河气温和降水量均存在突变点且分别出现在1996 年、1985年,并依此为基点将气温的时间序列分为1961~1996 与1997~2008两个时间区段,降水量的时间序列也分为1961~1985与1986~2008年两个时间区段,径流量的时间序列也可分为1961~1997与1998~2008年两个时间区段。根据表 1,对精河气温序列进行Mann-Whitney突变检验,其检验统计量| Zw | = 3.905 > Z0.01( 经查表,Z0.01 =2.58) ,在0.01 水平下跃变极为显著。降水量检验统计量为3.023,大于2.58( 经查表,Z0.01 =2.58),即拒绝原假设,表明其跃变在0.01 检验水平下呈现极显著性,精河来水量的检验统计量4.158大于
2.58( 经查表,Z0.01 =2.58),在0.01检验水平下拒绝原假设,说明精河流域气温、降水量和径流量在1997 年、1986年1998年分别发生显著跃变,温度升高加快,降水强度、径流增加速度明显增加。
表 1 精河流域气候因子的Mann-Whitney突变检验
Table 2 Mann-Whitney mutation testing of climatic factors in Jinghe River basin
气候因子
气温
降水量
径流量 时段(年) 1961-1996 1997-2008 1961-1985 1986-2008 1961-1997
1998-2008 标准差 0.7602 1.0985 30.2238 45.236 0.513 0.4879 平均值 6.7493 8.1719 140.2704 175.4183 4.617 5.076 Zw 3.905 3.023 4.158 H0 显著 显著 显著
3.2气候因子与地表径流的周期分析
利用研究区48年气温和降水量数据,借助Morlet
小波函数得到其时间序列的时频分布图、小
波系数图中,小波系数值大于0时为正位相,表示径流量、降水量偏多或气温偏高,小于0为负位相,表示径流量、降水量偏少或气温偏低,0点处表示突变年,意味着在该年径流量、降水量发生了由偏少(偏多)向偏多(偏少)的突变,气温发生了由偏低(偏高)向偏高(偏低)的突变)。
由精河流域气温小波方差图(图 2)可知,气温存在4年、11年和17年的显著周期。4年周期处的小波系数存在明显正负位相交替变换,且在1984年后小波系数值较小,周期性不强。11a周期在1962-1965,1971-1974,1979-1983,1988-1991,1997-2000和2005-2008年表现为正位相,气温处于偏高期,而17a周期在1961-1962,1975-1986和1999-2008年为正位相,气温偏高。
图 2 气温的小波方差及小波系数图
Fig.3 The temperature variance of wavelet and Wavelet coefficients plot
图 3为精河流域降水量小波方差图,从图 3可看出精河流域降水量存在5a和14a的显著周期。5a周期存在明显的丰枯交替变化的高频振荡。14a周期在1968-1974,1983-1990和1999-2005年为正位相,降水量偏多,而其他时期为负位相,降水量偏少。
图 3降水量小波方差及小波系数图
Fig. 4 Precipitation over wavelets and Wavelet coefficient of variance
利用研究区48年径流量数据,借助Morlet小波函数得到其时间序列的时频分布图中显示了精河流域年径流量小波方差图。由图5可知,径流量存在6年、11年和16年的显著周期。6a周
期处小波系数振幅变化不大。11a周期1961-1965,1970-1973,1979-1982,1987-1991,1997-2001和2007-2008年为正位相,径流量偏多;而正位相在16a周期处的表现在1961-1966,1977-1987和1998-2008年,径流量偏多。
图 5精河流域径流的小波分析
Fig.5 Wavelet analysis of runoff in Jinghe River basin
由以上分析可知,精河流域气温、降水量和径流量存在明显的周期性和趋势性,且大周期内包含小周期的高频振荡。综合R/S分析结果可知,研究区降水量、气温和径流量在未来的一段时间将呈波动性减少和下降。以精河气温(11年)、降水量(14年)和径流量(16年)的最强主周期(小波方差最大值)为依据,对三者未来的周期性变化和突变进行预测,这可为研究区实现水资源的合理配置提供理论依据。利用研究区气温、降水量和径流量在11年、14年和16处的小波系数值,分别建立与年份(t)之间的回归方程见
表 2根据拟合方程,综合考虑研究区气温、降水量和径流量主周期未来可能持续的时间长度,并借鉴姜世中等的研究成果[17]。
表 2基于小波系数的非线性拟合方差
Table 3 Nonlinear fitting based on wavelet coefficient of variance
气候因子
气温
降水量
径流 时段 1961-2008 1961-2008 1961-2008 周期 11a 14a 16a 拟合方程 Y=1.1474sin(2πx/9.0754-6.28) Y=1.4841sin(2πx/15.861-6.28) Y=1.8871sin(2πx/21.0292-6.28) R2 0.768 0.9422 0.9605 F 74.4927 367.0409 547.6157 P
2028年的径流量在2020年发生了1次突变,在2020年发生了由偏低向偏高的突变。
图 6基于小波系数预测
Fig. 6 forecasting based on wavelet coefficient
3.3 气候变化对地表径流的影响量分离
考虑到精河径流量具有周期性和趋势性, 因此采用周期性叠加趋势模型, 对精河径流量进行模拟与预测(图)。将周期16 a与1961-1997年的径流数据代入模型, 周期性叠加趋势模型参数如下:周期均值平滑参数=0.01000000;周期内斜率平滑参数=0.01000000;周期增量平滑参数=0.01000000;周期均值A=12.2542;斜率B=0.0076, 均方拟合误差为0.83;模型X(τ)=12.2542+0.0076×τ+dt+τ
X (τ)为预测结果, τ为时段, dt+τ为周期增减量。
对比1961-1997年的模拟值与实测值, 均方拟合误差为0.83;这表明该模型的精度较好。
图7气候变化对精河流域径流量的影响量分离
Fig. 7 Impacts of climate change on runoff in Jinghe basin separation
根据预测模型,可分离出近十年气候变化对径流量的影响量见表 。1998~2008年气候变化对径流量的影响是积极的,年影响总量为22.846×108 m3。1998~2008年各年影响量见表4。
精河流域气候与径流量总体多表现为显著的正相关,在1998~2003年的正影响量呈波动上升的趋势,2003~2007年正影响量呈波动下降的趋势,在2008年气候变化对径流影响负相关,
1998-2003年气温处于负相位,温度呈逐渐下降的趋势,2003-2008年由负相位~正相位且温度呈上升的趋势,1998-2003降水量处于正相位且降水量呈逐渐上升趋势,2003-2008年降水量处于正相位,降水量呈逐渐下降趋势。
表 4气候变化对精河流域径流的影响量
Table 4 impacts of climate change on runoff in Jinghe basin
年
影响量
(108m3) 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 -1.114 总计 22.846 2.837 1.235 2.174 2.929 5.788 4.105 1.593 0.396 1.794 1.109
分析其原因,即2003-2008年精河流域气温逐渐升高,冰川融水量逐渐增加,降水量逐渐下降,而精河径流总量逐渐减小,说明冰川融水补给对精河径流总量影响不大,可知降水量变化对精河径流影响更突出。这与精河流域径流补给主要依靠源流山区降水与冰川融水补给,冰川融水补给占精河来水总量的20.4%的结论是一致的。
4结论
精河流域径流及气候系统是一个复杂的非线性系统。本文利用小波分析、R/S分析和周期性趋势叠加分析模型,从多时间尺度探讨了径流及气候因子的非线性变化特征和相关关系,其结论如下:
(1)通过线性趋势分析,1961~2008年精河源流区气温、降水量和径流均为增加趋势,结合R/S分析,三者的Hurst指数皆大于0.5,具有持续性,这表明在未来的50年三者仍可能将保持原来增加的变化趋势,温度升高,降水增加将潜在地给该地区带来丰沛的水源,对该区的生态保护具有重要意义。
(2)精河源流区水文过程是一个复杂的非线性系统,具有周期性和突变特性。根据小波分析,在年际变化上,研究区年气温、降水量和径流量均存在11、14、16年的主周期变化。 据已有研究成果,在西北干旱区,降水量河夏季干旱指数均存在9~14年的显著周期,这与精河降水主周期一致。
(3)利用年气温、降水量和径流量主周期处的小波系数值进行周期性拟合并预测,未来20年气温在2011、2015、2020、2025年发生了偏少、偏多、偏少、偏多的四次交替性突变;降水量在2015~2023年处于偏多时期,而其他时段为偏少期;径流量在气温在2017年发生了周期性的减少突变。
(4)从周期性叠加趋势分析模型看,可分离出近十年气候变化对径流量的影响量。1998~2008年气候变化对径流量的影响是积极的,径流量增加22.846×108 m3,1998~2003年的正影响量呈波动上升的趋势,2003~2007年正影响量呈波动下降的趋势,在2008年气候变化对径流影响负相关,分析其原因,2003-2008年精河流域气温逐渐升高,冰川融水量逐渐增加,降水量逐渐下降,而精河径流总量逐渐减小,说明冰川融水补给对精河径流总量影响不大,可知降水量变化对精河径流影响更突出,与精河流域径流补给主要依靠源流山区降水与冰川融水补给,冰川融水补给占精河来水总量的20.6%的研究成果[2]是一致的。
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近48年区域气候变化对精河地表径流的影响分析1
柯 琳1 ,叶 茂*1,2 ,凌红波3 涂文霞1 ,陈 幺4
(1新疆师范大学地理科学与旅游科学学院, 自然地理 2011级 乌鲁木齐 830054; 2新
疆干旱区湖泊环境与资源实验室,乌鲁木齐 830054;3中国科学院新疆生态与地理研究所,
乌鲁木齐 830011;4 陕西师范大学旅游与环境学院,西安710062)
摘要:利用精河源流区近48年的降水、气象以及径流数据,借助非参数检验、小波分析、周期性叠加趋势模型等方法分析了精河流域气候因子及年径流量的变化趋势以及气候因子对径流影响量分离。结果表明:(1)在未来的50年气温、降水以及径流量仍将保持原来增加的趋势。(2)在年际变化上,年气温、降水量和径流量均存在11、14、16年的变化周期。
(3)利用周期性叠加趋势模型对源流来水量进行模拟和预测,1998~2008年气候变化对径流量的影响是积极的,分离出近十年气候变化对径流量的影响量知降水量变化对精河径流影响更突出。
关键词:精河源流区;气候变化;小波分析;突变检验 ;趋势预测
【中图分类号】P9.170.5520
Analysis of regional climate change impacts on surface runoff in Jinghe river
Kelin,Yemao,Linghongbo,Renming,Tuwenxia,Chenyao
(Xinjiang Normal University, School of geographical sciences and tourism Xinjiang Urumqi
830,054)
Abstract :Using non-parametric tests, wavelet transform, cyclical overlay trend model analysis
methods such as temperature, precipitation in Jinghe River basin and the developing trend of
annual runoff and the separation of influence of climate factors on runoff volume base on the
precipitation,meteorological and flow data in Jinghe source area for nearly 48 years, Results
show that: 1, In the next 50 years temperatures, rainfall and runoff may still change trend of
increase will remain the same. 2, In the interannual variations, the temperature, precipitation and
runoff there were 11, 14, 16 years of change cycle. (3) Using periodic superimposed trend model
to simulate and forecast 'origin, 1998 ~ 2008, the influence of climate change on runoff is positive, separating out nearly 10 years of climate change on runoff influence quantity know precipitation
change on JingHe runoff influence more. outstanding. 国家基金:新疆干旱区湖泊环境与资源实验室(XJDX0909-2010-11)基金资助。
作者简介:柯琳 (1988-)女, 汉, 陕西安康人,在读研究生,主要从事干旱区水资源研究。
E-mail: [1**********]
通讯作者:叶茂(1977-),女,教授,主要从事干旱区生态水文过程研究。E-mail:[email protected]
Key words: Jinghe source area; climat change; wavele analysist; abrupt change test;Trend Prediction
0 引 言
未来气候的潜在变化将对河流系统造成深远的影响。作为自然界水循环过程中两大要素的气温和降水, 对水资源的形成、发展和演化具有极其重要的作用[1]。新疆干旱区水资源的一个显著特点是依赖山区冰川融水和大气降水,因此温度升高和降水量的变化以及时空分布都将引起径流的变化[2]
精河流域径流补给主要依靠源流山区降水与冰川融水补给,因此该流域气候变化对其年径流量的影响也更为显著。以往大量的研究多集中于对精河流域径流气候因子进行简单的趋势分析和关联检验,而对于流域源流山区气候因子的变化,其对径流的影响量分离以及对未来气温、降水量和径流变化趋势预测的研究成果却少见报道。而博尔塔拉河、精河流域是目前艾比湖仅有的入湖水量,研究精河流域的地表径流变化及影响因子,有助于艾比湖流域水资源的合理配置和可持续发展战略研究,为该流域可持续发展提供理论依据。
1 研究区概况
精河发源于天山中段的婆罗科努山北坡,地理位置介于东经93°45′~94°18′、北纬43°00′~43°10′之间,全长114km,由南向北流,出山口后经过精河县城注入艾比湖[2],精河流域属于温带大陆性干旱和半干旱。
气候, 年平均气温7.8 ℃ , 极端最高气温41.5℃, 极端最低气温- 36.4 ℃, 多年平均蒸发量2 447.1mm, 多年平均降水量251.9mm。精河源区为现代冰川作用区和永久积雪覆盖区[3],]精河流域有129 条冰川, 冰川面积91km2 , 冰川总储量54.598 × 108m3 , 冰川年融水量为0.96 ×108m3, 占河川径流量的20.6%。精河多年平均径流量为4.75 ×108m3[2]。精河上游主要由乌图精河与冬都精河两大源流汇合而成,出山口设有精河山口水文站。
2 数据收集及研究方法
2.1数据收集
为了分析精河流域年径流的变化趋势,本文收集了精河1961-2008年间统计年鉴数据和精河山口水文站实测的年平均气温、年降水量、精河年径流量等气象水文数据。由于该水文站位于河流源区,人类对水的利用数量相对较少,因而其水文监测数据基本上接近于自然状态,可看作天然径流量。
2.2研究方法
2.2.1 非参数检验
在非参数检验中,原假设认为时间序列的增减趋势或者阶段转换的跳跃不明显; 而备择性假设认为时间序列变化趋势显著[4]。从检验能力上看,使用非参数Mann-Kendall 单调趋势检验和Mann-Whitney 阶段转换检验要优于参数t 检验,并且无须事先假定样本的统计分布[5]。在非参数Mann–Kendall单调趋势检验中,原
假设H0认为气候及径流时间序列没有发生显著性变化,而备择假设H1则表示待测时间序列变化显著。该方法在处理非独立的时间序列和随机正态分布变量时能直观地表现时间序列的年度变化趋势,且不必先假定数据的分布特征。已有大量文献详细阐述[6],本文不再具体介绍。
2.2.2 R/S分析方法
R/S 法是由Hurst 在分析尼罗河水文资料时提出的一种分析方法[7, 8] , 近些年该方法在分形研究中得到了许多应用, 是一种非线性的科学预测方法. 其基本步骤如下::对于一个时间序列x(t),t=1,2….均值序列为:
Y()
累积离差为: x()t11,=1,2… (1)
F(t,)
极差为: x(u)Y() 1≤t≤ (2) u1t
R()=maxF(t,)minF(t,) =1,2… (3) 1t1t
标准差为:
S()=12(x(t)Y()) =1,2… (4) t112
Mandelbrotetal证实了Hurst的研究,并得出了更广泛的指数律,即:
R/S = (5) 2H
式中H为赫斯特系数. 上述分析方法被称为R/S分析法. 对公式(10)两边同时取对数即得到赫斯特经验公式,基于时间序列并利用赫斯特经验公式得到的一簇H值进行最小二乘法拟合,得出的直线斜率即为修正后的赫斯特指数(0
只是短程相关; 当00.5时,意味着未来的变化状况与过去一致, 这个过程具有持续性, 即过去的增长趋势意味着将来也具有增长趋势, 反之亦然, H越大持续性越强
2.2.3 小波变换
小波分析可以较好的甄别出实测序列在多时间尺度下周期变化的位相和强度,并能够为短期气候及径流量预测提供科学依据[9-11]。本文利用Morlet小波变换探讨精河流域源流区气候因子与年径流量的多时间尺度的变化特征[12, 13]。
小波函数为一组震荡变换的伸缩平移基(t)。将小波母函数(t)进行伸缩平移,就可以得到一组函数序列(t):
a,(t)1t a,R, a0 (6) aa
式中,a为伸缩因子,为平移因子,(t)为子小波。
Morlet小波函数为复数小波,其表达式为:
式中c为常数;i表示虚部。
小波变换是把一称为基本小波的函数做位移后,再在不同的尺度域下对待分析信号做内积。
2.2.4 周期性叠加趋势模型
(t)eictet2 (7)
假设径流量的变化除具有周期性变化特点外并有一定的趋势水平, 则利用周期性叠加趋势模型预测水资源变化的趋势, 在时段T + S的期望值为[14]
LT+ t = aT + bS + DT+S ( 8)
式中: aT 是时段T 的平均水准, bS 是该时段的斜率, DT + S是在时段T + S的季节增量。利用
历史资料建立预测预报模型分两步: 第一步, 先根据完整周期的时间序列的历史数据( x 1, x2, x3, ,, xT )来估计第T 个周期(时段)中aT 的估值a^T、bS 的估值b^T 和DT + S的估计值dT + S ( S= 1, 2, ,, M ), 并对未来时段进行预测; 第二步, 用余下不够一个完整周期的数据更新预报模型, 并作相应的预测, 从而建立T 在对未来第S时段的完整预测模型:
X^T ( S) = a^T + b^T S+ dT+ S ( S = 1, 2, ,, M ) ( 9)
3结果与分析
3.1气候因子与精河流域地表径流的变化趋势分析
从表1中可以看出,精河流域气温、降水量及精河来水量总体表现为增加走势。近48年来,精河流域气温以0.03℃/a的速率强势升高,并据气温统计量Zc=3.84 >Z0.01=2.58在0.01检验水平下达到极显著。降水量的检验统计量Zc=2.85 >Z0.01=2.58,以1.18mm/a的速率增加,且趋势极显著。据径流量的检验统计量Z c =2.1953<Z0.05=1.96,在0.05检验水平下接受原假设,
表明其径流量以0.039×108m3的年变化率呈显著增加走势。经过R/S分析,1961~2008年的气温、降水量及径流量的H值分别为0.8505、0.7698和0.798(图1),皆大于0.5,具有较强的持续性,表明在2008年后的一段时间内, 精河流域气温和降水量仍将保持上升趋势。这与西北地区由暖干向暖湿化转化,年降水量有所增加的趋势相同[15],精河年径流量在未来50年仍可能保持增加趋势。
表 1Mann-Kendall趋势检验及R/S分析预测
Table 1 Ttest and R/S analysis of Mann-Kendall trends forecast
因子
气 温(℃)
降水量
径流量 时段(年) 1961-2008 1961-2008 1961-2008 标准差 1.049 41.7033 1.067 平均值 7.1049 157.1121 12.6643 Zc 3.8485 2.8531 2.1953 0.0375 1.1815 0.0399 H0 显著 显著 显著 趋势 递增 递增 递增 Hurst指数 0.8505 0.7698 0.798
在干旱区气候因子是驱动区域水文的主要动力,气温的变化影响着源流区的山区冰川与积雪的消融,而大气降水是地表水资源的根本补给来源,因此气温、降水量变化对区域地表径流的形成与转换至关重要,将累积距平曲线变化中上升段定义为气温偏暖、降水增加、径流量增加阶段, 下降段定义为气温偏冷、降水减少、径流量减少阶段,利用曲线上的微小变化可以考察气象要素的短期变化趋势, 利用长期的变化趋势则可反映气象要素长期演变趋势[16], 利用1961-2008年气温、降水量及径流量实测数据借助累积距平值以分析其变化特征(图 1)。气温趋势变化为1961~1982 年, 1984~1988年.1991-1996年曲线趋势下降, 亦为变冷期。
图1R/S分析预测
Fig.1 R/S analysis forecasting
1982~1984年.1988-1991年.1996-2008年曲线趋势上升, 亦为变暖期。降水量的变化趋势为1961-1985年降水量为波动下降趋势,亦为降水减少。1985-2006年曲线趋势为波动上升趋势,亦为降水增加。2006-2008年趋势为下降趋势,亦为降水减少。年降水累积距平曲线和年气温累积距平曲线总的变化趋势比较一致。与施雅风研究西北干旱地区由暖干向暖湿转化的趋
势相同。径流量趋势变化1961-1997年曲线为波动下降趋势,亦为径流量减小。1998-2008年曲线为上升趋势,亦为径流量增加。这与气温、降水的总趋势相同,精河径流补给主要依靠降水以及冰川融水,气温与降水增加补给径流,径流量与气温、降水量趋势相同。
图 1 气候因子及径流累积距平值
Fig. 2 Climatic factors accumulate anomalies
从表 1可看出,经过Mann-Whitney 阶段转换检验,精河气温和降水量均存在突变点且分别出现在1996 年、1985年,并依此为基点将气温的时间序列分为1961~1996 与1997~2008两个时间区段,降水量的时间序列也分为1961~1985与1986~2008年两个时间区段,径流量的时间序列也可分为1961~1997与1998~2008年两个时间区段。根据表 1,对精河气温序列进行Mann-Whitney突变检验,其检验统计量| Zw | = 3.905 > Z0.01( 经查表,Z0.01 =2.58) ,在0.01 水平下跃变极为显著。降水量检验统计量为3.023,大于2.58( 经查表,Z0.01 =2.58),即拒绝原假设,表明其跃变在0.01 检验水平下呈现极显著性,精河来水量的检验统计量4.158大于
2.58( 经查表,Z0.01 =2.58),在0.01检验水平下拒绝原假设,说明精河流域气温、降水量和径流量在1997 年、1986年1998年分别发生显著跃变,温度升高加快,降水强度、径流增加速度明显增加。
表 1 精河流域气候因子的Mann-Whitney突变检验
Table 2 Mann-Whitney mutation testing of climatic factors in Jinghe River basin
气候因子
气温
降水量
径流量 时段(年) 1961-1996 1997-2008 1961-1985 1986-2008 1961-1997
1998-2008 标准差 0.7602 1.0985 30.2238 45.236 0.513 0.4879 平均值 6.7493 8.1719 140.2704 175.4183 4.617 5.076 Zw 3.905 3.023 4.158 H0 显著 显著 显著
3.2气候因子与地表径流的周期分析
利用研究区48年气温和降水量数据,借助Morlet
小波函数得到其时间序列的时频分布图、小
波系数图中,小波系数值大于0时为正位相,表示径流量、降水量偏多或气温偏高,小于0为负位相,表示径流量、降水量偏少或气温偏低,0点处表示突变年,意味着在该年径流量、降水量发生了由偏少(偏多)向偏多(偏少)的突变,气温发生了由偏低(偏高)向偏高(偏低)的突变)。
由精河流域气温小波方差图(图 2)可知,气温存在4年、11年和17年的显著周期。4年周期处的小波系数存在明显正负位相交替变换,且在1984年后小波系数值较小,周期性不强。11a周期在1962-1965,1971-1974,1979-1983,1988-1991,1997-2000和2005-2008年表现为正位相,气温处于偏高期,而17a周期在1961-1962,1975-1986和1999-2008年为正位相,气温偏高。
图 2 气温的小波方差及小波系数图
Fig.3 The temperature variance of wavelet and Wavelet coefficients plot
图 3为精河流域降水量小波方差图,从图 3可看出精河流域降水量存在5a和14a的显著周期。5a周期存在明显的丰枯交替变化的高频振荡。14a周期在1968-1974,1983-1990和1999-2005年为正位相,降水量偏多,而其他时期为负位相,降水量偏少。
图 3降水量小波方差及小波系数图
Fig. 4 Precipitation over wavelets and Wavelet coefficient of variance
利用研究区48年径流量数据,借助Morlet小波函数得到其时间序列的时频分布图中显示了精河流域年径流量小波方差图。由图5可知,径流量存在6年、11年和16年的显著周期。6a周
期处小波系数振幅变化不大。11a周期1961-1965,1970-1973,1979-1982,1987-1991,1997-2001和2007-2008年为正位相,径流量偏多;而正位相在16a周期处的表现在1961-1966,1977-1987和1998-2008年,径流量偏多。
图 5精河流域径流的小波分析
Fig.5 Wavelet analysis of runoff in Jinghe River basin
由以上分析可知,精河流域气温、降水量和径流量存在明显的周期性和趋势性,且大周期内包含小周期的高频振荡。综合R/S分析结果可知,研究区降水量、气温和径流量在未来的一段时间将呈波动性减少和下降。以精河气温(11年)、降水量(14年)和径流量(16年)的最强主周期(小波方差最大值)为依据,对三者未来的周期性变化和突变进行预测,这可为研究区实现水资源的合理配置提供理论依据。利用研究区气温、降水量和径流量在11年、14年和16处的小波系数值,分别建立与年份(t)之间的回归方程见
表 2根据拟合方程,综合考虑研究区气温、降水量和径流量主周期未来可能持续的时间长度,并借鉴姜世中等的研究成果[17]。
表 2基于小波系数的非线性拟合方差
Table 3 Nonlinear fitting based on wavelet coefficient of variance
气候因子
气温
降水量
径流 时段 1961-2008 1961-2008 1961-2008 周期 11a 14a 16a 拟合方程 Y=1.1474sin(2πx/9.0754-6.28) Y=1.4841sin(2πx/15.861-6.28) Y=1.8871sin(2πx/21.0292-6.28) R2 0.768 0.9422 0.9605 F 74.4927 367.0409 547.6157 P
2028年的径流量在2020年发生了1次突变,在2020年发生了由偏低向偏高的突变。
图 6基于小波系数预测
Fig. 6 forecasting based on wavelet coefficient
3.3 气候变化对地表径流的影响量分离
考虑到精河径流量具有周期性和趋势性, 因此采用周期性叠加趋势模型, 对精河径流量进行模拟与预测(图)。将周期16 a与1961-1997年的径流数据代入模型, 周期性叠加趋势模型参数如下:周期均值平滑参数=0.01000000;周期内斜率平滑参数=0.01000000;周期增量平滑参数=0.01000000;周期均值A=12.2542;斜率B=0.0076, 均方拟合误差为0.83;模型X(τ)=12.2542+0.0076×τ+dt+τ
X (τ)为预测结果, τ为时段, dt+τ为周期增减量。
对比1961-1997年的模拟值与实测值, 均方拟合误差为0.83;这表明该模型的精度较好。
图7气候变化对精河流域径流量的影响量分离
Fig. 7 Impacts of climate change on runoff in Jinghe basin separation
根据预测模型,可分离出近十年气候变化对径流量的影响量见表 。1998~2008年气候变化对径流量的影响是积极的,年影响总量为22.846×108 m3。1998~2008年各年影响量见表4。
精河流域气候与径流量总体多表现为显著的正相关,在1998~2003年的正影响量呈波动上升的趋势,2003~2007年正影响量呈波动下降的趋势,在2008年气候变化对径流影响负相关,
1998-2003年气温处于负相位,温度呈逐渐下降的趋势,2003-2008年由负相位~正相位且温度呈上升的趋势,1998-2003降水量处于正相位且降水量呈逐渐上升趋势,2003-2008年降水量处于正相位,降水量呈逐渐下降趋势。
表 4气候变化对精河流域径流的影响量
Table 4 impacts of climate change on runoff in Jinghe basin
年
影响量
(108m3) 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 -1.114 总计 22.846 2.837 1.235 2.174 2.929 5.788 4.105 1.593 0.396 1.794 1.109
分析其原因,即2003-2008年精河流域气温逐渐升高,冰川融水量逐渐增加,降水量逐渐下降,而精河径流总量逐渐减小,说明冰川融水补给对精河径流总量影响不大,可知降水量变化对精河径流影响更突出。这与精河流域径流补给主要依靠源流山区降水与冰川融水补给,冰川融水补给占精河来水总量的20.4%的结论是一致的。
4结论
精河流域径流及气候系统是一个复杂的非线性系统。本文利用小波分析、R/S分析和周期性趋势叠加分析模型,从多时间尺度探讨了径流及气候因子的非线性变化特征和相关关系,其结论如下:
(1)通过线性趋势分析,1961~2008年精河源流区气温、降水量和径流均为增加趋势,结合R/S分析,三者的Hurst指数皆大于0.5,具有持续性,这表明在未来的50年三者仍可能将保持原来增加的变化趋势,温度升高,降水增加将潜在地给该地区带来丰沛的水源,对该区的生态保护具有重要意义。
(2)精河源流区水文过程是一个复杂的非线性系统,具有周期性和突变特性。根据小波分析,在年际变化上,研究区年气温、降水量和径流量均存在11、14、16年的主周期变化。 据已有研究成果,在西北干旱区,降水量河夏季干旱指数均存在9~14年的显著周期,这与精河降水主周期一致。
(3)利用年气温、降水量和径流量主周期处的小波系数值进行周期性拟合并预测,未来20年气温在2011、2015、2020、2025年发生了偏少、偏多、偏少、偏多的四次交替性突变;降水量在2015~2023年处于偏多时期,而其他时段为偏少期;径流量在气温在2017年发生了周期性的减少突变。
(4)从周期性叠加趋势分析模型看,可分离出近十年气候变化对径流量的影响量。1998~2008年气候变化对径流量的影响是积极的,径流量增加22.846×108 m3,1998~2003年的正影响量呈波动上升的趋势,2003~2007年正影响量呈波动下降的趋势,在2008年气候变化对径流影响负相关,分析其原因,2003-2008年精河流域气温逐渐升高,冰川融水量逐渐增加,降水量逐渐下降,而精河径流总量逐渐减小,说明冰川融水补给对精河径流总量影响不大,可知降水量变化对精河径流影响更突出,与精河流域径流补给主要依靠源流山区降水与冰川融水补给,冰川融水补给占精河来水总量的20.6%的研究成果[2]是一致的。
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