乌鲁木齐河上游径流过程及其对气候变化的响应Word格式文档下载.docx
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theaveragemonthlyprecipitation,averagemonthlytemperaturesandSSN.
Keywords:
climatechange;
runoffvariation;
cross-wavelet;
UrumqiRiver
1绪论
1.1研究目的和意义
气候变化和水资源问题是当今社会普遍关注的焦点（Barnett等，2005；
Crowley，2000；
Boone等，2004；
Bing等，2012；
陈亚宁等，2012）。
而对于气候变化背景下，我国西北干旱区水资源的时空变化已经引起了许多学者的关注（Barnett等，2005；
陈亚宁等，2012；
Duan等，2012）。
其特殊的地理位置和地貌格局决定了其独特的水资源形成、分布及水分循环过程（Chen等，2005；
Burns等，2007；
刘友存等，2013）。
干旱区的径流过程与其气候要素密切相关（李艳玲等，2013；
李忠勤等，2003），例如气温、降水、太阳黑子数、ENSO和北极涛动（AO）等。
径流过程的变化主要是由气候变化引起（郭渠等，2008；
李艳玲等，2013）。
IPCC第五次评估报告指出，全球气候变暖已经被证实为毋庸置疑的客观事实（沈永平等，2013），这将对全球水资源的形成、分布和水循环带来巨大影响，特别是以冰雪融化为补给的流域（Douglas等，2007；
丁贞玉等，2007；
Duan等，2012）。
径流的形成主要是受气候变化和下垫面条件综合作用产生的（Douglas等，2007），而气候变化直接影响径流的大小和时空分布（Ye等，2005；
Chen等，2005）。
径流的产生与降水、气温和蒸发等气候因子的变化密切相关（夏军等，2011）。
依据IPCC报告，随着近100a来的气候变化，气温升高已经使得区域水资源在时间和空间上分布的得到了再次分配（周秀骥，2002；
张强等，2008；
Montes-hugo等，2009；
张雪芹等，2010；
夏军等，2011）。
因此，冰川补给型河流由于气温升高而导致其径流受到强烈的蒸发（施雅风等，2001；
Sancheze等，2011；
沈永平等，2013a，2013b）。
尤其在我国西北内陆干旱区年平均降水量较少，一般均低于200mm，其蒸发作用强烈（陈亚宁等，2009，2012）。
西北高山区普遍发育有现代冰川，成为山区河流重要的补给水源。
同时，冰川充当着“高山固体水库”的角色，高山区的气候对全球变暖响应尤为敏感，特别是气温和降水因子，对流域出山口径流有着显著的影响（沈永平等，2013a）。
因此，河流的径流对气候因子变化的响应颇为敏感（陈亚宁等，2009；
Wang等，2011）。
以山区降水和融雪补给为主的西北干旱区水资源系统显得尤为脆弱，气候变化改变了水文循环要素，加剧了水文系统的不稳定性，从而导致暴雨洪涝（吴素芬等，2006；
王钧等，2008），其中高温干旱等极端气候出现的次数和强度有明显的加剧趋势（杨明金等，2010；
杨金虎等，2012），西北干旱区其特殊的地理位置和地貌格局决定了其独特的水资源形成、分布及水分循环过程（陈亚宁等，2012；
许民等，2013；
刘友存等，2013b），致使水资源量及其时空分布的转变问题尤为突出。
即使细微的气候因子的变化，例如气温、降水、太阳黑子数、ENSO和北极涛动（AO）等，也会导致河流径流过程较大的变化（刘友存等，2013b）。
作为我国西部典型的内陆河流，乌鲁木齐河（以下简称乌河）是山前绿洲及下游工农业生产和城市生活用水的重要水源。
流量变化是影响区域可持续发展的重要因素之一，因而备受关注（蓝永超等，2010；
毛炜峄等，2012）。
随着气温显著升高，流域蒸发量增大，冰川退缩，冻土退化，径流已发生较大变化（吴素芬等，2006；
孙美平等，2012）。
近几十年来，乌河流域的气候、水文变化及其对全球气候环境变化的响应受到高度重视（蓝永超等，2011；
焦克勤等，2011），未来这些量的变化已成为研究的焦点。
因此，研究乌河径流变化及其对气候因子变化响应，探讨其相互作用的周期变化，对防灾减灾、区域水安全具有十分重要的意义。
此外，这不仅能反映亚欧大陆腹地近半个世纪以来区域气候变化对水资源的影响，同时，可以为我国西部干旱区生态环境建设和水资源合理利用提供理论依据，为社会的可持续发展提供科学支撑，并对全球气候变化研究具有一定的参考价值。
1.2国内外研究进展
20世纪80年代以来，小波分析被广泛运用在水文学中进行对时间序列变化特性、系统多时间尺度和随机模拟系统多时间尺度的分析。
1980年初，Morlet首次将小波分析运用到对水文气象现象形成特征和内在变化规律的分析中来。
P-Kumar和E-Foufoula-Georgiou（1993）在探索空间降水尺度和震荡特征时运用正交小波变换的方法。
之后，V.Venckp和E-Foufoula-Georgiou（1996）采用了小波包理论分解降水时间序列。
薛小杰等（2002）运用小波分析把水文时间序列分解为高、低频成分，低频成分经重构后得趋势变化。
王文圣等（2003）根据1890-1987年长江宜昌站年平均流量的观测数据，使用Marr小波与Morlet小波变换的方法详细描绘出年平均流量的内部存在复杂的结构。
王钧等（2007）把小波变换分析的方法和神经网络模型方法组合起来，分析了黑河流域年径流量的周期特征。
张伟等（2008）应用Morlet小波函数和小波变换的方法分析了玛纳斯河在不同时间尺度背景下年径流量的周期变化和丰水枯水突变点。
郭渠等（2008）应用了交叉小波的变换方法揭示了西北地区近56a来气候变化与北极涛动间的相互关系。
郭良才等（2009）运用多种数值诊断系统地分析了河西走廊三大内陆河出山径流的分布特征。
孙卫国等（2010）运用交叉小波的分析方法，揭示了黄河源区季节尺度下的径流量变化与气象要素之间相关性。
邴龙飞等（2012）将长江、黄河水文站观测到的1965-2007年的春夏汛期和枯水期流量数据，分析得出各自的周期特征。
李艳玲等（2013）采用谐小波分析方法来诊断渭河华县站44a径流序列的变异点。
董林垚等（2013）应用交叉小波方法探究了多时间尺度下西江流域年径流量与气象要素的相互关系。
总结前人的研究成果发现，小波分析方法已经广泛应用于水分气象的分析中，并取得了很好的研究成果。
但对以我国西部内陆河的径流与气象要素的多时间尺度特征的研究较少，特别是在时间域和频率域中它们之间的相关关系的研究更不多见，尤其是洪-枯水期不同时频域中的相关关系研究更未见诸报端。
1.3本文的研究思路和主要研究内容
本文把乌河上游作为研究对象，运用相应软件对该流域观测的水文、气象资料进行处理并利Morlet小波函数进行小波变换，进而得到在不同时间频域下流域不同水文、气象要素的连续小波谱。
运用交叉小波变换分析方法，分析乌河流域上游气温、降水、太阳黑子数等气象要素间及它们与出山径流之间的联合统计特征。
通过统计分析，获得交叉小波相关系数、小波凝聚谱和位相差等数据，分析任意二者在时间和频率空间中存在的多时间尺度相互关系及其所涉及的周期特征。
从不同时间尺度上，研究流域水资源变化的原因和水资源与气温、降水和太阳黑子数等水文气象因子存在内在联系，为客观评价和准确预测流域径流以及合理利用水资源的提供理论依据和技术支持。
2乌鲁木齐河的流域概况
2.1地理、地貌以及地质特征
乌河发源于东天山中段的天格尔
峰——1号冰川末端（海拔4480m）。
流域范围在86°
45´
-87°
56´
E、43°
00´
-44°
07´
N之间，流域总面积4684km2（LiuY等，2008，2011）。
河流走势呈北东北方向，出山口到乌拉泊水库后折转向正北，经过乌鲁木齐市区，最后在米泉县境内消失，流域全长可达214km。
出山口以上的乌河长度约为63km，流域面积可达924km2，平均海拔约为3083m（图2.1），其中冰川覆盖面积为35.7km2（李江风等，2006），占山区流域面积的3.84%（图2.1）。
图2.1乌河上游水文气象观测点位置
Fig.2.1Sketchmapshowinghydro-meteorologicalobservationsitesintheupstreamofUrumqiRiverBasin
2.2水文特征
乌河水资源来源主要是冰雪融水、降水和地下水补给，然而水系整体分布不均衡（如图2.1），有21条支流分布于河流左岸，有14条支流分布在河流右岸。
通过49年来对英雄桥水文站的数据监测可知，年均径流量2.43×
108m3，且年际变化较大，最大年径流量达到3.45×
108m3，最小年径流量约1.750×
108m3，二者比值为1.97。
其来水所占径流量比例分别为：
高山区冰川融水量约占12%，积雪融水约占37%，降水约占36%，地下水补给量约为15%。
径流量的季节性变化较强，其中6月到9月的河水径流量所占比例在年径流量中高达79%（如图2.2）。
根据1999年新疆维吾尔自治区水利厅公布的统计数据，乌河河源区拥有的冰川所占面积约为37.95km2，冰川覆盖比例为4.1%，且冰川补给融水量约为2.36×
107m3。
（新疆维吾尔自治区水利厅，新疆水利学会，1999）
2.3气候特征
河流是气候的产物，通过降水和蒸发影响径流形成过程。
气候不但直接决定河流的形成，而且也控制着河流的地理分布。
从微观上，气候可以调节河流的水文特征，例如水位、流速等；
从宏观上，气候也可以调节流域内冰川的运动和河流所在地表的周围的地貌形态（沈玉昌等，1986）。
乌河上游居于天山中段北坡，具有大陆山地气候的特点，降水在中高山带的形式主要以降雪的形式为主，这从而影响了径流在年内和年际分配的变化。
山区是乌鲁木齐河流域的径流形成区，主要气候要素见表2.1。
表2.1乌鲁木齐河山区流域主要气候要素（1985-2006）
站名
海拔（mm）
年均气温（℃）
气温年较差（℃）
年降水量（mm）
降雪百分比
大西沟
3539
-4.87
35.9
452
74.5
总控
3408
-4.72
46.5
438
跃进桥
2336
0.7
48.3
470
34.5
后峡
2130
0.8
55.1
409
英雄桥
1920
1.5
53.2
466
31.3
从表2.1可以看到，乌鲁木齐河山地河谷的年平均气温在-4.8°
C和-1.5°
C之间，年较差大35°
C。
随海拔的升高，年均气温降低，年较差缩小，年均温度递减率为0.4°
C/100m，但冬季气温随海拔升高呈“低-高-低”的变化，反映中山带存在逆温层。
从1984-2006的23年间，气温年均波动不大，总体上呈显著的增加趋势，年均气温分别升高大约1°
C（如图2.2）；
中山带和高山带的气温年均变化趋势非常相似。
图2.21958-2006年乌河上游月均气温、月降水和月均径流变化
Fig.2.2Themonthlyaveragetemperature,monthlyprecipetationandmonthlyaveragerunofffrom1958to2006
乌河流域降水除随海拔上升递增外，还有西部山区大于东部山区，河谷大于山坡等特点。
据1985-2006年资料，流域年平均降水量为451.2mm，随海拔上升呈双峰型变化，海拔1900m上下的前峡降水量最大，为466mm（英雄桥站1985-2006年资料）；
高山区次之，为452mm（大西沟气象站1985-2006年资料）；
后峡盆地年降水为409mm（中科院冰川站基地站1986-2006年资料），中山带以上降水递增率为3.1mm/100m。
夏季降水占年降水总量的61.8%，冬季仅占4.1%，年内分配极不均匀。
流域内固态降水占年降水量比重较大，其值随海拔升高而增加。
降水年际波动较大，以大西沟为例，降水量从最低的不足300mm（1985年）到最高值632mm（1996年）。
3水文气象要素的连续小波分析
3.1资料来源与分析方法
3.1.1资料来源
乌河资料英雄桥水文站始建于1958年，是我国西北地区水文观测序列最长的河流水文站点之一，从2007年开始，在该站以上5km处修建的大西沟水库对径流产生人为调节作用。
大西沟气象站（N43°
06′，E86°
50′）始建于1958年，它位于乌河源区1号冰川末端（海拔3543.8米），为国家气象观测二级站。
该站具有连续的气温、降水、辐射和蒸散发等观测资料。
因此，本文选取了1958-2006年共49年的英雄桥水文站的月均径流和大西沟气象站的月均气温、月累积降水资料进行分析研究。
将每年的5-10月份划为洪水期，11月到次年的4月份划为枯水期，分别进行小波分析。
研究时域内的逐月太阳黑子数资料来源于美国国家气候预测中心（CPC）网站。
1958-2006年太阳黑子常数逐年变化如图3.1所示。
图3.1太阳黑子常数滑平逐年变化
Fig3.1theannualvalueofsmoothedsunspotnumber
此外，根据经验（王文圣等，2005；
Labat等，2010），本文中用于小波分析的数据均经过了零均值正态化处理，这有助于增加分析结果的可靠性和显著性。
3.1.2小波分析方法和机理
针对水文序列多时间尺度变化特征的研究，连续小波分析方法最直接有效（Grinsted等，2004；
王文圣，2005；
孙卫国等，2008；
Jevrejeva等，2013；
其目的是得到时间序列发生在不同时间尺度下局部和瞬态现象的完整的时间尺度。
在小波分析中采用复Morlet小波（ω0=6）连续小波变换，此时小波的傅里叶周期
，可以认为小波的尺度参数几乎等于傅里叶周期（Labat等，2010；
Hao等，2012；
通过对小波功率谱的分析，可以确定不同时间尺度下序列信号的强弱。
对于一个时间序列
定义小波功率谱为
（3.1）
其中
为尺度伸缩参数
和时间平移参数
下的小波变换系数，
代表复共轭。
在分析作图时，将小波功率谱正规化为
，
为序列
的方差。
对于气温和降水量对径流量的影响，仍采用交叉小波（CrossWavelet）和小波相关（WaveletCoherence）来分析研究，包括交叉小波功率谱（WTC）、交叉小波凝聚谱（WTC）和位相谱的计算（Torrence等，1998；
Labat，2010；
Hao等，2012）。
对于两个时间序列
和
之间交叉小波谱（XWT）定义为
（3.2）
式中：
小波变换系数，
小波变换系数的复共轭。
交叉小波功率谱能够反映两个序列经过小波变换后具有相同能量谱区域，从而揭示两序列在不同时频域上相互作用的显著性。
另一个用来反映两个小波变换在时频域相干程度的量是小波凝聚谱（WTC）。
定义为
（3.3）
是平滑算子。
小波相关谱能够反映两个小波变换在时频域相关程度，表明信号随时间变动情况。
位相谱则可以反映两序列在不同时域的滞后时间特征。
根据相位可分析在时频域内两序列之间的正负相关性。
3.2洪水期的连续小波分析
对研究区1958-2006年间的洪水期的气温、降水和径流资料进行统计计算，并结合太阳黑子滑平资料，运用Morlet小波函数进行小波变换，从而分别对其洪水期的时空变化进行多时间尺度分析，结果如图3.2所示。
图中谱值越高（即振荡能量越强），表明该周期振荡通过信度检验越显著；
细弧线为小波影响锥（COI），为避免边界效应及小波高频虚假信息，小波影响锥以内区域为有效谱值（下同）；
为了方便谱值的在图中的对比分析并发现通过检验的较小周期，图中功率谱值进行了对数化处理（下同）。
图3.21958-2006年间洪水期英雄桥径流（YR）、太阳黑子数滑平（SSN）、大西沟平均气温（DT）和大西沟降水量（DP）小波功率谱图（虚线表示COI）
Fig.3.2ThecontinuouswaveletpowerspectrumofYingxiongqiaoRunoff（YR）,SmoothedSunspotNumber（SSN）,MeanTemperatureinDaxigou（DT）andPrecipitationinDaxigou（DP）duringfloodperiodfrom1958to2006（Theconeofinfluence（COI）whereedgeeffectsmightdistortthepictureisshownasadashed）
3.2.1径流分析
从洪水期的平均径流量小波功率谱图上可以看出：
洪水期平均径流量存在3个通过90%置信度检验但显著性不同的周期，即：
a）1962-1978年间存在的3-4a的显著性较高的周期；
b）1996-2000年间存在的2a左右的周期；
c）1972-1990年间存在的6a左右的周期。
从小波功率谱图可知，在3-4a尺度上存在较为强烈的震荡，且产生的震荡能量较高，乌河英雄桥平均径流量在1962-1978年间迅速增加，并在6a左右尺度内，保持较为稳定的震荡能量，径流量呈现稳定增长。
但在随后1996-2000年间，能量存在一个较小周期的震荡，但是强度比之前较弱。
3.2.2SSN分析
从洪水期的小波功率谱图上可以看出，洪水期SSN仅存在1个通过90%置信度检验的为1970-1996年间的8-12a的周期，且贯穿于整个时间序列，说明该周期具有较好的全局性特征，且高能量区主要集中在1973-1994年间的10a左右尺度的周期上。
3.2.3气温分析
从洪水期的平均气温小波功率谱图上可以看出：
洪水期大西沟平均气温存在4个通过90%置信度检验但显著性不同的周期，分别为：
a）1963-1972年存在2-4a的周期；
b）1970-1976年存在4a左右的周期；
c）1978-1984年存在3a左右的周期；
d）1985-1996年存在显著性较高的3-6a的周期。
1985年之前的3个周期，震荡程度相当，能量在这3个周期的分布相当，而在1985-1996年周期为3-6a震荡频率较高，能量较强，气温较1985年之前的有显著的增长，这与李忠勤等研究的乌河源区气温、降水变化的结果非常接近相同（李忠勤等，2003）。
3.2.4降水分析
从洪水期的月均降水量小波功率谱图上可以看出：
洪水期大西沟平均降水量存在3个通过90%置信度检验但显著性不同的周期，分别为：
a）1967
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