西南干热河谷非参数趋势检验法与未来变化趋势预测分析

西南干热河谷非参数趋势检验法与未来变化趋势预测分析

西南干热河谷是中国西南横断山脉的一个特殊地理环境和自然气候区域。由于受地理位置、地形深切、大气环流以及焚风效应的影响,具有土壤瘠薄、植被稀疏、热量充足、干湿季分明、水土流失严重等特点,是我国典型的生态脆弱带和特殊环境生态系统类型之一。西南干热河谷区主要呈插花状分布于金沙江、元江、怒江和澜沧江等流域部分河段的干热河谷地带,特点以显著的低纬、山原和季风特征为背景,突出了极端的“干”、“热”状况组合。一直以来,降水量少,蒸发量大,水热矛盾突出是西南干热河谷区典型的气候特征,本文就45a来西南干热河谷降水蒸发的变化规律进行了研究,并通过建立基于分形理论的模型,进一步探讨了未来一定时期内降水和蒸发的变化趋势,以期对西南干热河谷区水资源的开发利用和特殊环境下的生态建设和保护提供参考和依据。1典型干热河谷典型流域蒸发量测定中的样品数据由于西南干热河谷气象监测站点偏少,实测气象资料残缺不齐,考虑区域分布及资料情况,本次研究主要选取位于西南地区川滇交界的金沙江,纵向岭谷区的元江、澜沧江和怒江等四大流域的典型干热河谷代表站点(分别为元谋、元江、道街坝和旧州)1956～2000年的降水和蒸发时间序列为研究对象,其中蒸发量均以20mm口径蒸发皿的实测数据为准。为更加突出河谷区干湿季节分明的特点,本文分全年、枯季(11～5月)和雨季(6～10月)3个时间尺度对干热河谷区降水和蒸发变化趋势进行研究。2非参数趋势检验水文气象时间序列是一种非正态分布的时间序列,尽管常规的参数检验方法具有方便和简洁易懂的优点,但是使用非参数检验方法比使用参数检验方法在非正态分布的数据检验中更为适合,本文采用目前常用的气象水文变化趋势分析方法Mann-Kendall和Spearman秩次相关非参数趋势检验法对过去的变化趋势一致性进行相互对比和验证,并运用基于分形理论的R/S分析方法对降水和蒸发变化趋势进行预测。2.1序列趋势性的变化Mann-Kendall非参数秩次相关检验法(简称M-K法)主要用于水文气象资料的趋势检验,如水质、流量、气温和降水等。首先假定序列无变化趋势,给定显著水平α后,可在正态分布表中查得临界值Uα/2,当|U|<Uα/2时,则趋势性不显著;当|U|>Uα/2时,拒绝假设,即序列的趋势性显著。|U|越大,则在一定程度上可以说明序列的趋势性变化(增加或减小)越显著。且统计量U也可以作为水文序列趋势性大小衡量的标度,当U为正时表示上升或增加的趋势,反之则为下降或减少的趋势。2.2水文序列的趋势性检验。在tSpearman秩次相关检验主要用于分析水文序列xi与其时序i的相关性从而检验水文序列是否具有趋势性。利用两变量的秩次大小作线性相关分析,对原始变量的分布不作要求,属于非参数统计方法。通常采用t检验法检验水文序列的趋势性是否显著,首先假设原序列为无趋势,则根据水文序列的秩次相关系数计算统计量T,然后选择显著水平α,在t分布表中查出临界值tα/2,当|T|≥tα/2时,则拒绝原假设,说明序列随时间有相依关系,从而推断序列趋势明显,否则,接受原假设,趋势不显著。统计量T可作为水文序列趋势性大小衡量的标度,|T|越大,则在一定程度上可以说明序列的趋势性变化越显著。2.3时间序列分析的基本原理H.E.Hurst于1965年提出了一种时间序列分析方法,即R/S分析(重新标度极差分析法),该方法在分形理论中得到许多应用,特别适合用于研究水文气象过程(时间序列)的变异点。该分析算法可通过已知的时间序列计算出Hurst指数H,从而定性地分析该时间序列的发展趋势,并体现趋势性成分的强度。当0.5<H≤1时,表明时间序列具有长期正相关性,即未来的趋势与过去一致,且H越接近1,持续性越强;当0≤H<0.5时,表明时间序列具有长期反相关性,即未来的总体趋势与过去相反,过程具有反持续性,H越接近0,反持续性越强;当H=0.5时,表明时间序列是一个随机游动序列,反映在各指标上则是各次观测结果之间完全独立,相互没有依赖,各指标变化是随机的。Hurst指数的分析步骤可参见有关文献。3降水蒸发的发展趋势3.1降水和蒸发变化首先,采用常规的线性回归和滑动平均法,对干热河谷代表站点的降水和蒸发变化趋势进行分析。限于篇幅,在图1和图2中仅绘出元江站年均降水和蒸发的变化及其5a均过程。从图1、2可以看出,元江站45a来的降水和蒸发分别经历了一个“增—减—增”和“减—平—减”的变化过程,但就总体趋势而言,降水上升趋势变化比较平缓,而蒸发表现为明显下降趋势。为进一步分析验证变化趋势的显著与否,采用前述介绍的Spearman秩次相关检验和M-K秩次相关检验法对各代表站降水和蒸发变化趋势性进行检验,结果如表1和表2所示。由表1可以看出,除元江站外,其余各站点雨季降水均呈上升趋势,变率为8.6～20.3mm/10a;枯季降水均呈上升趋势,变率为8.3～17.6mm/10a,其中元谋站变化显著;各站点年均降水均呈上升趋势,变率为6.7～29.9mm/10a,道街坝站变化显著。总体上,干热河谷代表站点各时间尺度降水呈明显上升趋势,其中元谋站枯季和道街坝站全年降水上升趋势显著。由表2可以看出,除旧州站变化趋势不明显外,干热河谷代表站点各时间尺度蒸发下降趋势均十分显著,而元谋站变化较异常。3.2干热河谷区蒸发饼蒸发量变化特征降水和蒸发的变化趋势同地理位置、地形、平均气温、气温日较差、日照时数、平均相对湿度、水汽压和平均风速等诸多因子密切相关,其中气温是其主要影响因子之一。根据《气候变化国家评估报告》,至2020年中国平均气温可能升高1.3～2.1℃,年均降水量可能增加2%～3%,由于温度升高,蒸发增加,气候变暖将导致作物生长加快,生长期缩短,种植制度改变,带来产量不稳定性加剧,化肥、农药施用增加等一系列问题。而具体到干热河谷区,通过对当前干热河谷各站点的气温序列资料分析发现,过去45a以来干热河谷各站点的枯季、雨季和年平均气温总体呈缓慢上升趋势,分别为0.28、0.09℃/10a和0.18℃/10a。对比表1和表2降水和蒸发的变化结果,发现干热河谷降水的变化趋势是和气温变化趋势一致,而蒸发皿蒸发量的变化则与气温变化呈十分显著的相反趋势,即随着气温的升高(降低),蒸发量将减少(增多)。而这种发生在局部区域的蒸发皿蒸发量下降的趋势,与人们的预期相矛盾的现象被称之为“蒸发悖论”。一直以来,干热河谷植被的自然演化就相当缓慢,且滞后于气候演化,而45a以来,干热河谷的河谷平原部分由于土地大面积灌溉和植被覆盖条件明显改善的结果,导致降水增加,气温升高,蒸发减少。这表明,干热河谷区脆弱生态环境的演化及其对受人类活动的响应越来越明显,干热河谷气候可能正朝向有利于人类生存和资源利用的良性方向发展,同时为干热河谷退化生态的开发性治理提供了科学依据。4降水将和全年降水h近地层变化相关上节结论表明了45a来干热河谷降水和蒸发的总体变化趋势,对于未来的变化趋势,笔者运用基于分形理论的R/S方法计算得到表征各代表站点降水和蒸发的未来变化趋势的Hurst指数H,详见表3。从表3可以看出,降水方面,除元谋站雨季和旧州站雨季及全年降水H接近0.5,未来变化趋势表现出一定的随机性外,其余各站降水H都明显大于0.5,意味着未来的总体趋势将与过去一致即呈正相关,表现为较强的持续性;与表1数据中反映的降水呈上升趋势相对照,干热河谷区未来年降水将呈持续上升的趋势;蒸发方面,各典型代表站点H明显大于0.5,表现为很强的持续性,其中元谋站和旧州站各时间尺度H均大于0.835,持续性最强,意味着蒸发的未来总体趋势将与过去呈正相关,表现为较强的持续性,与表2数据中反映的蒸发呈下降趋势相对照,干热河谷区未来蒸发的总体变化趋势将与过去一致,即未来年蒸发将出现持续的下降趋势。结果表明,未来一定时期内,干热河谷降水的变化总体上表现为持续性,而蒸发的变化持续性更强,存在明显的Hurst现象。5干热河谷水文序列趋势预测分析(1)采用M-K和Spearman非参数趋势检验法对45a西南干热河谷内元谋、元江、旧州及道街坝等典型站点的降水和蒸发变化趋势进行了检验,结果的一致性说明了降水变化呈上升趋势,蒸发下降趋势均十分显著,表明西南干热河谷区水文气候可能正朝向有利于人类生存和资源利用的良性方向发展。(2)应用基于分形理论的R/S模型分析蒸发和降水的未来变化趋势,未来一段时期干热河谷的降水和蒸发仍将维持与过去相同的变化趋势,即继续维持降水增加,蒸发减少的变化趋势。(3)分析表明,M-K和Spearman非参数趋势检验法在水文序列变化趋势的显著性识别和检验上具有较好的一致性和良好的使用价值;而针对水文序列由于存在大量的不确定性和随机性所导致的中长期水文预报难题,应用具有坚实理论基础的R/S分析理论进行水文时间