1961—2018年新疆降水量时空变化特征
武夷学院学报
JOURNAL  OF  WUYI  UNIVERSITY
第 40 卷 第 3 期2021 年 3 月
Vol.40 No.3
Mar. 2021
1961—2018年新疆降水量时空变化特征
胡文峰1,2,3，姚俊强1,2*，张文娜4
(1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002； 2.阜阳师范大学历史文化与旅游学院，安徽阜阳236037；
3.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐830002；
4.新疆建设职业技术学院，新疆乌鲁木齐830054)
摘 要：利用1961—2018年新疆地区89个气象台站的逐月降水观测数据，采用M-K 突变检验、小波分析及EOF
分析等方法，研究了新疆区域降水的时空变化规律。结果表明：1961—2018年新疆降水量呈明显的增加趋势,21世纪以
来降水量增加趋势放缓；降水量在1987年发生突变，但变化特征时间和空间上存在一定的差异；降水量存在着22〜30、 12〜18、6〜9和3~4 a 时间尺度的变化周期；从时空模态变化来看，新疆降水量在空间上具有全区一致性、东一西部反向变
化、西北一东南部反向变化以及天山西部一周边地区反向变化等4个时空变化模态，时空模态在时间变化上也存在一定 的差异。研究结果对于对新疆区域应对气候变化和区域水资源管理，以及“一带一路”核心区的战略规划有着一定的参考
价值。
关键词：降水量；时空变化；时空模态；新疆中图分类号:P94
文献标识码:A
文章编号：1674-2109(2021)03-0045-07
在全球变暖背景下，全球及区域尺度降水的时空
布，构成典型的山-盆体系，形成“三山夹两盆”的独特
分布及其变化特征研究受到学者们的关注。研究表明
陆地上的总降水量增加趋势不明显，但存在明显区域 差异，其中北半球中高纬度陆地上的降水量呈增加趋 势［1］，而其他地区呈现相反的趋势叫认为全球变暖会导
致降水分布不平衡更显著，出现“干旱区越干，湿润区
越湿”的趋势［1^°此外，也有学者研究指出“干旱区越
干，湿润区越湿”并不适用于全球绝大部分地区［7-］°
新疆地处亚欧大陆腹地，盆地和高大山脉交错分
收稿时间：2020-04-29
基金项目：中国博士后科学基金(2019M653905XB)曰中央
级公益性科研院所基本科研业务费专项资金
项目(IDM2018001)；荒漠与绿洲生态国家重 点实验室开放基金(G2018-02-02)；安徽省高校人文社科研究重点项目(SK2019A0335,
SK2019A0306)°
作者简介：胡文峰(1978-)，男，汉族，讲师，主要从事气候
变化与环境研究。
通讯作者：姚俊强(1987-)，男，副研究员，主要从事气候
变化与水循环研究。
地形。新疆区域内山地、荒漠与绿洲共存并相互作用，
形成了独特的、具有全球代表性的“山地一绿洲一荒
以快乐为题的作文
漠”生态系统格局［9］°众多学者从新疆降水的时空特
征［10-11］、降水的环流背景［12］、水汽来源［13］及降水动力机
理网进行了大量的研究，并取得了一些进展。21世纪 初施雅风等咱15暂指出我国西北地区气候可能出现暖干
向暖湿转型，而西北西部的新疆降水增速达到0.4〜
0.5 mm/a ［16-19］，增加趋势显著，且北疆的降水增加幅度
比更为明显［20］°然而，另有学者研究却指出，新疆
养育之恩气候格局不会发生大改变，在增温的背景下，蒸散发
量上升，干旱频次将可能增多的，并从多个角度研究指
出从1997年后新疆地区出现由暖-湿向暖-干转折的 可能信号［22-23］°
新疆是全球气候变化的敏感区，同时是“一带一
路”规划中丝绸之路经济带核心区，区域降水对其生
态环境和经济发展影响显著。在全球气候的变化背景
下, 开展对新疆降水的变化格局和发展趋势, 尤其是
对时空模态及变化特征的研究, 对新疆区域应对气候
变化和区域水资源管理，乃至“一带一路”倡议的发展
•46•《武夷学院学报》2021年第3期有着重要的现实意义。
1数据来源与研究方法
利用新疆105个气象站逐月降水观测数据，数据
来自新疆气象信息中心，经过了严格的气象业务应用怎么扣出水指法图
质量控制。为了保证研究时间序列的统一和数据的完
整性，选取其中89个站点、从1961—2018年的降水
观测数据作为本文的分析对象。所选站点分布相对均
匀，基本能反映新疆全域降水变化的基本事实。本文
所用地图是通过国家测绘地理信息局标准地图服务网站(v)下载，审图号为GS (2019)3333号的标准地图制作，底图无修改。
1.1突变检验
Mann-Kenddall检验法是一种气候诊断与预测技术，由于其是一种非参数统计检验方法，样本不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰。应用Mann-Kendall检验法可以判断气候序列中是否存在气候突变，若有突变则同时能确定出突变发生的时间。Mann-Kendall检验法也经常用于气候变化影响下的降水、干旱频次趋势检测。具体计算和分析过程见文献［24］。
1.2小波分析
Morlet小波分析(wavelet analysis)是一种具有时-频多分辨率功能的分析方法，可以研究一个时间序列的不同尺度(周期)随时间的变化情况。可以利用其本身的伸缩和平移等运算功能对非平稳时间序列进行多尺度细化分析，充分反映系统在不同时间尺度的变化趋势，是研究气象要素长期变化的重要工具，具体计算和分析过程见文献［25］。
1.3EOF分析
经验正交函数分解(EOF分析)的主要作用是以时空数据为对象，将时间序列所构成的要素场分解为不依赖于时间变化的空间函数和只依赖于时间变化的时间函数线性组合，以此来分析要素场的时间和空间结构，该方法现已广泛应用于地质学、气候变化及气象预报等领域，具体计算和分析过程见文献［25］，其空间可视化用ArcGIS软件实现。
图1研究区及站点分布
Fig.1Study areas and distribution of the stations
2结果分析
2.1降水量的时间变化趋势
1961—2018年新疆多年平均降水量为163.4mm，其中1997年降水量最小，为114.7mm；2016年降水最大，为246.9mm。1961—2018年新疆降水量呈明显的增加趋势，增加速率达到0.99mm/a(P<0.05)(图2a)o考虑到新疆降水变化趋势空间差异，把新疆分为北疆、天山山区和3个区域。北疆(图2b)多年平均降水量要高于全区平均值，为199.1mm，其中1962年为北疆降水最小年，降水量为126.9mm,2016年是北疆降水最大年，降水量达到310.3mm；北疆降水增加趋势为1.22mm/a，增加速率大于全区。天山山区(图2c)是新疆降水最丰富的区域，多年平均降水量为348.2mm，其中1997年为降水最小年，降水量为246.9mm,2016年是降水最大年，降水量达到496.1mm。天山山区是新疆降水增加趋势最大的区域，增加速率达到1.60mm/a (P<0.05)；(图2d)多年平均降水量为60.6mm，其中1985年为降水最小年，仅为28.2mm,2010年是降水最大年，降水量为118.9mm，降水增加速率为0.54mm/a(P<0.05)，小于北疆和天山山区变化趋势。总体来讲，新疆降水量增加趋势明显，高于我国西北地区平均水平(0.59mm/a)［26］。
从年代际上来看,20世纪60年代和70年代降水偏少,80年代和90年代降水增加趋势明显。但是21世纪以来降水增加趋势放缓。此外，降水量年际
变化
胡文峰，等：1961—2018年新疆降水量时空变化特征-47-
波动更大，处于高位震荡期，这同YAO[23,27]等人的研究一致。
-
1
-
m
长
邀
19601970198019902000201020201960197019S01990200020102020
时间时间
图21961—2018年降水量的时间变化
Fig.2The change of precipitation from1961to2018
从季节上来看，新疆降水季节分布不均（图3）o降水最多的季节是夏季，多年平均降水量为69mm，占全年降水量的42.2%；其次是春季，降水量为43.2mm，占全年降水量的26.4%；秋季降水量为33.7mm，占全年降水量的20.8%；最少的是冬季，平均降水17.5mm，占全年降水量的10.6%o1961—2018年四个季节中降水量均呈增加趋势，但是增加的趋势不明显，速率也存在差异，其中夏季增加速率最大，为0.39mm/a，其次是春季的0.21mm/a和秋季的0.20mm/a，最小的是冬季，为0.19mm/a（图3）。从春、夏、秋、冬四季降水各自占全年降水的比重来看，均呈波动变化，趋势不明显，说明新疆降水增加量与降水的季节分布一致。2.2降水的突变与周期分析
1961—2018年新疆降水量发生了明显的突变（图4a）。M-K突变分析表明新疆降水有突变型增加特征，其中在1987年发生了突变，并通过了显著水平检验。因此,1961—1987年间新疆降水量虽有所增加但不显著，而1987年以后新疆降水量增加显著。
考虑到新疆降水的区域差异，进一步分析了北疆、天山山区和的降水量的突变特征。M-K突变分析发现新疆及各区域的降水量均呈增加趋势，且降水的增加是全域性，均发生了突变，且通过了显著性检验。北疆和均在1987年发生了突变（图4b和4d），而天山山区发生突变的时间相对延后，出
现在1992年（图4c），并通过了显著性检验，说明虽然和北疆降水比天山山区要少，但其对气候变化的响应更为敏感。从降水的季节尺度上来看，其突变比较复杂，春季（图5a）从其UF（正序列）和UB（逆序列）曲线值大于0，但基本没有超过1.96（0.05显著水平）的临界值，说明春季降水量呈增加趋势但不显著，也意味着UF（正序列）和UB（逆序列）曲线虽然分别在1996年、1998年、1990年，2001年,2011年,2013年,2014年均有交汇，但没有突变发生。夏季（图4b）、秋季（图4c）和冬季（图5d）的UF（正序列）和UB（逆序列）曲线均指示着降水均呈增加趋势，通过了显著性检验，且均发生了突变，但突变时间并不同步，其中夏季的突变时间出现在1989年，秋季出现在1982年，冬季出现1985年。
时间时间
Fig.3The temporal changes of the seasonal precipitation and its proportion in Xinjiang from1961to20181（c）天山（b）南軀
UF
UB
0.05显署水半（a）全疆
197019801990200020102020
年份
197019801990200020102020
年份
90200020102020
年份
1960197019801990200020102020
年份
（b）北鴉
图4年降水量的突变检验
Fig.4The mutation test of annual
precipitation
•48・《武夷学院学报》2021年第3期
«七塢
——UF
--------UB
••…0.05显着水平,
19601970198019902000201020201960197019801990200020102020年份年份
图5季节降水量的突变检验
Fig.5The mutation test of seasonal precipitation 由于小波系数实部等值线图能反映降水序列不同
时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，故能通过小波分析判断在不同时间尺度上降水的变化趋势。对新疆年平均降水进行小波分析（图5），可以看出新疆降水演化过程中存在多时间尺度特征。总的来说，新疆降水量变化存在22〜30、12〜18、6〜9以及3〜4a4个尺度的周期变化规律。其中，在22〜30a尺度上降水出现了由多到少交替的准4次震荡，在1961—2018年表现不稳定；在12〜18a时间尺度上存在准8次震荡，但在1985—2000年表现的不显著；而6-9a尺度的周期变化，在20世纪80年代以后表现得显著,3〜4a尺度的周期变化在整个分析时段有所体现，但显著性不强。新疆降水的小波方差图中（图6）存在4个较为明显的峰值，它们依次对应着28、18、9和4a的时间尺度。其中，最大峰值对应着28a的时间尺度，说明28a左右的周期震荡最强，为新疆降水变化的第1主周期; 9a时间尺度对应着第2峰值，为新疆降水的第2主周期；第3、第3峰值分别对应着18、4a的时间尺度，它们依次为新疆降水的第3和第4主周期。这说明这4个周期的波动控制着新疆域内降水的时间的变化特征°
时间
（a）小波系数的模等值线
O5101520253035
时间尺度
（b）小波方差图
图6年降水量的小波分析
Fig.6Wavelet analysis of annual precipitation
2.3降水的空间分布与规律
图7为单站年平均降水量的空间分布，从图中可以看出新疆降水具有明显的空间差异。从降水量的丰富程度上来看，天山山区降水量最为丰富，其次是北疆地区，降水量最少；另一个明显的规律是，新疆降水量跟海拔有明显的关联，海拔较高的天山、阿尔泰山降水量明显要大于其他海拔较低的地区。
N
70°东80°东90°东100°东
图7单站年平均降水量的空间分布
Fig.7Spatial distribution of annual average precipitation
为了新疆降水变化的结构，根据EOF分析法，分解出新疆降水量空间特征向量场，前4种模态累积方差贡献量达到70.6%，对这4种模态进行可视化（如图8）°第1模态特征向量场的分布如图8a所示，其方差贡献率为47.7%，是主要模态，因此是新疆降水
的
胡文峰，等：1961—2018年新疆降水量时空变化特征•49•
主要分布形式。在第一模态下，新疆特征值由北向南逐渐升高，呈现“北低南高”格局，全区特征值为负值，意味着新疆全域内降水变化具有整体的一致性特征，全区降水增多或减少。高值中心位于，反映降水变化量大，也是气候异常最敏感的区域，低值中心位于北疆的西部。整个地区的降水变化程度要高于北疆地区。第2模态特征向量场的分布如图8b，其方差贡献率为10.4%，在这种模态下特征值由东向西逐渐升高，在东部博格达山一一大黑山一带形成一个负低值中心，西部的喀拉铁克山一带形成一个正高值中心，整体呈现“东低西高”格局，说明在这种模态下新疆东、西部降水具有反向性的分布特征。第3模态特征向量场的分布如图8c所示，其方差贡献率为7.5%，在这种模态下特征值由西北向东南逐渐降低，在吐鲁番盆地形成一个低值中心，在伊犁河谷形成一个高值中心，整体呈现为“西北高东南低”，说明在这种模态下新疆西北部和东南部降水呈现反向性的分布特征。第4模态特征向量场的分布如图8d，其方差贡献率为5.0%，在这种模态下特征值由天山西部的一个负低值为中心，分别向北、东、南逐渐升高为正值，整体呈现“中低周高”格局，说明在这种模态下天山西部一
带降水变化与周边地区降水呈现反向性的分布特征。这4种模态的模式与南庆红[28]2003年研究基本保持一致，这是说明在进入21世纪后，新疆降水变化结构没有发生根本性的变化。
70°'东80°'东90°'东100。东70°'东80。'东90°'东100°东
70°东80°东90°东100°东7080。'东90。'东W东
图8降水量EOF分析的空间特征向量场Fig.8Spatial distribution of annual average precipitation
with EOF analysis
EOF分析4种模态所对应的时间系数随时间变化如图9所示。第1模态时间系数变化（图9a）总体趋势在减弱。同时，把第1模态时间系数变化（图9a）与全疆年平均降水量变化对比可知，第1模态时间系数变化等同于全疆年平均降水量的变化，时间系数越大，表示降水量越少，时间系数小，表示降水量越大。从图9a中可以看出在这种模态下在1990年以前，新疆平均降水量偏少,1990年以后降水量偏多，总体趋势是降水增多这也与前文分析的新疆降水变化规律保持一致。第2模态时间系数变化（图9b）中可以看出，这种新疆东、西部降水具有反向性的分布特征在上世纪80年代中期以前呈减弱趋势，以后呈增强趋势。第3模态时间系数变化（图9c）中可以看出，这种新疆西北部和东南部降水呈现反向性的分布特征基本呈减弱趋势。第4模态时间系数变化（图9d）中可以看出，这种天山西部一
带降水变化与周边地区降水呈现反向性的分布特征在上世纪90年代中期以前呈增强趋势，以后维持着震荡状态。
800
600
九阴真经轻功怎么获得400
2000
-200
-400
-600
-800
1000
1
100^
8
8
o
g
g
413
2
1
电势能公式-1
个性签名大全2013最新版的
-24
19601970198019902000201020201960197019801990200020102020
时间时间
图9降水量EOF分析的时间系数
Fig.9Temporal distribution of annual average
precipitation with EOF analysis
3结论
利用新疆地区89个台站1961—2018年的降水观测数据，采用M-K突变检验、小波分析及EOF分析等方法进行分析，结果表明：
（1）新疆降水量呈明显的增加趋势，增加速率达到0.99mm/a，但降水增加趋势存在时空差异。北疆地区降水增加速率达到1.22mm/a，天山山区降水增加速率达到1.60mm/a；地区降水增加速率为0.54mm/a；夏

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。