塔里木河流域源流区降水量变化的小波分析.doc

1、1塔里木河流域源流区降水量变化的小波分析摘要：降水量（P）是估算水资源各分量的一个重要物理量。选取了塔里木河流域源流区 5 个站点近 50 年的降水量序列资料，进行了Kendall 秩次相关检验和小波分析，揭示了塔里木河流域源流区降水变化的多时间尺度的复杂结构，从而为未来流域源流区降水量及相关水系径流量变化的预测提供依据。结果表明：近 40 年来流域源流区降水量呈现增加趋势，各站降水量的变化趋势显著性程度有所不同。在低频变化层次上，沙里桂兰克、卡拉贝利、乌鲁瓦提 3 站的大尺度周期震荡比较明显。在高频变化层次上，各站都存在 510 年不等的震荡主周期，但局部化特征有所差异。 关键词：塔里木河流

2、域；降水量；Kendall 秩次检验；小波分析 降水的形成过程是一个涉及到水文、气象、地形、植被等因素的复杂过程，既受到确定性因素的作用又受到随机因素的影响，因而其变化非常复杂，对其未来的精确描述也十分困难。传统的统计判别方法很难判别其演化过程，而被誉为“数学显微镜”的小波分析由于其在时域和频域同时具有良好的局部化性质，能同时在时间和频率 2 个尺度上展现数据序列的变化特征，特别适合做非线性现象的检测与分析，尤其是在多尺度的气候诊断中的应用，已取得一些很好的成果。如尤卫红1用Morlet 小波和 Marr 小波分析了云南近百年气温的变化；邓子旺等2用DB16 正交小波对南方涛动与北大西洋涛动进

3、行了分析；戴新刚等利用2Morlet 小波对华北降水频谱变化及其可能机制进行了分析3。笔者采用Morlet 小波对塔里木河流域源流区降水量的演变规律进行了初步的分析，探讨了源流区近 50 年降水时间序列多时间尺度的变化特点，这对于该流域相关水系未来径流量的预测以及合理利用流域水资源具有重要参考价值。 1 研究资料与方法 1.1 研究区域概况 塔里木河流域是中国最大的内陆河流域，主要包括塔里木河干流和源流区域。源流区河流主要由叶尔羌河、阿克苏河、和田河等汇合而成，其中阿克苏河由昆马立克河与托什干河两源汇合而成，见图 1。塔里木河流域总面积 102 万 km2（国内流域面积 99.6 万 km2）

4、 。流域内气候干燥、干旱少雨、昼夜温差大，是典型的大陆性气候，其生态系统是一个由高山冰川高山冷湿草甸中山湿润森林低山半干旱灌草平原干旱荒漠绿洲构成的脆弱生态系统，也正是由于高山冰川和山区降水形成了塔里木河水系，而在径流组成中，冰川融水占 48.2%，雨、雪混合补给占27.4%。因此，山区气温和降水是影响塔里木河流域源流水量大小最重要的环境要素4-5。 1.2 研究资料 由于新疆特殊的地理环境，塔里木河流域水文气象站点分布稀少，笔者采用塔里木河流域源流区 5 个与水系发生联系的气象站近 40 多年来的年降水量资料来代表源流区降水量变化趋势。5 个站分别是卡群、协合拉、沙里桂兰克、乌鲁瓦提、卡拉贝

5、利，对应水系见图 1 所示。 31.3 研究方法 1.3.1 小波分析 小波变换是把小波母函数（t）作位移 b、在伸缩尺度 a 下与所要分析的函数 f（t） （笔者以年降水量）作内积，对于函数 f（t） L2（R） ，连续小波变换的公式6-8： 2 结果与分析 图 2ae 给出了 5 个站降水量时间序列的线形函数趋势、5 年滑动平均特征，图 3ae 为各站多年降水距平值图。图 4ae 显示了塔里木河源流区各站降水量在不同时间尺度上的周期震荡。信号的强弱通过小波系数的大小来表示。从小波变换图上可看出不同时间层次上降水量的变化情况，图中实线表示降水增加，虚线表示降水的减少；各图上半部分为低频，等值

6、线相对稀疏，对应较长尺度周期的震荡，各图下半部分是高频，等值线相对密集，对应较短尺度周期的震荡。实际降水量的变化可以看成各个层次变化叠加的结果，它的大小取决于各时间层次上的变化情况及其对时间降水量的方差贡献。 卡群站的 5 年降水量趋势线倾向率为 1.9070 mm，多年的年平均降水量为 69.95 mm，年际变化比较剧烈（CV=0.49） 。见表 1。经 5 年滑动平均后卡群站降水量的年代际变化得以明显表现（见图 2a） 。20 世纪 60 年代中期-70 年代中期有 2 次明显的增加。20 世纪 70 年代末-80 年代末有2 次明显的减少，期间略有回升。20 世纪 90 年代回升趋势比较

7、明显。降水距平值（见图 3a）：20 世纪 70 年代初-80 年代中期以负距平值为主，最大降水正距平值为 71.25 mm，出现在 1974 年，最大降水负距平值为-461.05 mm，出现在 1985 年。由图 4a 可见，其年际尺度和年代际尺度特征十分明显。60 年代中期以后主要存在 58 年周期，且周期由长变短。在 2000 年附近，系数线为虚线，表明降水量减少，这与距平值图反映的情况一致。 卡拉贝利站的 5 年降水倾向率为 5.4155 mm，年际变化较剧烈（CV=0.38） ，见表 1。从 5 年滑动平均曲线上可清楚看到 1965-1970 年降水有一次明显的增加（见图 2b） 。

8、20 世纪 50 年代中期-80 年代中期，降水距平以负距平值为主，20 世纪 90 年代初-2000 年降水量持续增加，见图 3b。从其小波变换图的高频部分上可看出，年际时间尺度在时间域上分布不均匀，降水周期由较短向较长周期发展。 沙里桂兰克站的 5 年降水倾向率为 7.7645 mm，增加趋势最为明显，见表 1。其降水年际变化相对稳定。从距平值图 2c 上可看出从 20 世纪50-80 年代初期，降水距平以负距平值为主，即偏干旱年出现的频率大于偏湿润年。其中 20 世纪 70-80 年代降水偏少，80 年代末期降水逐渐增加，一直到 90 年代末，以正距平值为主。从沙里桂兰克 1957-20

9、00 年降水量变化趋势图上可见（图 3c） ，总体上降水量呈上升趋势。由小波变换图（图 4c）可见其降水量在 20 世纪 60-90 年代初时，58 年时间尺度上的周期震荡最明显。 乌鲁瓦提站的 5 年降水倾向率为 0.197 mm，增加趋势最不明显，年际变化最为稳定（CV=0.35） ，见表 1。20 世纪 50 年代中期-60 年代末，降水距平以正距平值为主（图 3d） ，20 世纪 70 年代初-80 年代中后期，降水距平以负距平值为主。20 世纪 80 年代以前，主要以 5 年左右的周期5为主，从大的周期尺度来看，整个时间序列来看，期间经历了由多少多 3 个循环交替（图 4d） 。 协

10、合拉站的 5 年降水倾向率为3.5610 mm，其滑动平均曲线波动不是很明显（见图 2e） ，20 世纪 70 年代以前以负距平值为主（图 3e） 。其小波变换图上以 5 年周期为主（图4e） ，20 世纪 70 年代中期以前还存在一个 15 年左右的长周期。 3 初步结论 3.1 源流区乌鲁瓦提、卡拉贝利、沙里桂兰克站降水年际变率较为接近。从各站多年降水量 5 年滑动平均曲线的变化过程大致可以看出：塔里木河流域源流区的站点的降水量都存在逐步增多的趋势；各站都曾发生过几段多雨期和少雨期，且各段的持续时间并不固定。根据 Kendall秩次相关检验结果来看，除沙里桂兰克外，其余 4 站的降水量增加

11、趋势在统计上都不明显。周期分析表明，各站的降水具有不同的长短周期震荡。小波分析很清楚地反映了各站降水量不同时间尺度震荡的交替作用。在高频变化层次上，各站都存在 510 年左右的震荡周期，其中卡群、卡拉贝利的短周期震荡比较明显。沙里桂兰克、乌鲁瓦提两站降水量时间序列的高频部分在时间域上分布不均匀，具有明显的局部化特征。在低频变化层次上，沙里桂兰克、卡拉贝利、乌鲁瓦提三站的大尺度周期震荡比较明显。虽然各站的降水都有增加趋势，但在 2000 年附近，卡拉贝利、沙里桂兰克、协合拉站的降水小波系数在低频部分为虚线，这预示着 21 世纪的最初几年，这几个站点可能处于一个降水偏少的时期。 3.2 塔里木河流

12、域自 20 世纪六七十年代以来，灌溉面积不断扩大，引水量不断增大，平原区的水蒸发量增大，空气湿度增大，当出现有利6的降水环流时，首先会形成更多的降水量，其次在降水环流条件弱，原来不能产生降水的情况下，可能出现弱的降水天气。因此，从人类活动的角度来看，这有可能是引起源流区降水量增加的一个原因。 3.3 20 世纪 80 年代中期以来，西北地区的气候转型问题已引起众多学者的关注13-16，一些学者认为新疆的气候开始由暖干向暖湿转型，这种转变首先出现在受西风环流带影响的地区，并且以天山西部最为强劲。还有一些学者认为流域径流量的增加只能说明塔里木河正处于一个丰水期。笔者对降水量增加趋势的显著性检验还不

13、能证明源流区降水增加的假设。因此， “转型学说”是否适用于塔里木河流域源流区还有待于进一步深入探究。 3.4 一般而言，不同的周期变化是由不同的机制产生的，降水量多时间层次结构的变化也可以说明：不同的机制在不同的时期内作用强度不同，就形成了降水量变化的非周期性和复杂性。因此，塔里木河流域降水量特别是源流区降水量的演变规律及其产生机制的研究还有待于进一步深入探究。 参考文献 1 尤卫红.气候变化的多尺度诊断分析和预测的多种技术方法研究M.北京：气象出版社，1998：9-42. 2 邓自旺，施能，王永波.南方涛动（SO）与北大西洋涛动（NAO）百年变化的正交小波分析J.热带气象学报，2001，17

14、（1）：57-64. 3 戴新刚，汪萍，张培群，等.华北降水频谱变化及其可能机制分7析J.自然科学进展，2003，13（11）：1182-1188. 4 徐海量，叶茂，宋郁东，等.塔里木河流域水资源变化的特点与趋势J.地理学报，2005，60（3）：487-494. 5 陈亚宁，崔旺诚，李卫红，等.塔里木河的水资源利用与生态保护J.地理学报，2003，58（2）：215-222. 6 飞思科技产品研发中心.小波分析理论与 MATLAB7 实现M.北京：电子工业出版社，2005，29-37. 7 丁晶，邓育仁.随机水文学M.成都：成都科技大学出版社，1988. 8 Jury M R， Melic

15、e J L. Analysis of Durban rainfall and Nile river flow 1871-1999J.Theoretical and Applied Climatology，2000，67：161-169. 9 Torrence C. A practical guide to wavelet analysisJ. Bulletin of the American Meterological Society，1997，79（1）：61-78. 10 宋郁东，樊自立，雷志栋，等.中国塔里木河流域水资源与生态问题研究M.乌鲁木齐：新疆人民出版社，2000：39. 11

16、Kendall M， Gibbons J D. Rank Correlation MethodsM. London： A Charles Griffin Book，1990：10-35. 12 张家宝，史玉光.新疆气候变化及短期气候预测研究M.北京：气象出版社，2002. 13 施雅风，沈永平，胡汝骥.西北气候由暖干向暖湿转型的信号、8影响和前景初步讨论J.冰川动土，2002，24（3）：219-226. 14 胡汝骥，姜逢清，王亚俊，等.新疆气候由暖干向暖湿转变的信号及影响J.干旱区地理，2002，25（3）：194-201. 15 胡汝骥，王东亮，冯国华，等.怎能让塔里木河下游干涸的悲剧重现中游地区：2002 年塔里木河流域 3 条源流区间耗水评析J.干旱区研究，2004，21（3）：199-203. 16 胡汝骥，马虹，樊自立，等.新疆水资源对气候变化的响应J.自然资源学报，2002，17（1）：22-26.