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田綠洲水循環(huán)要素變化的特征
田綠洲水循環(huán)要素變化的特征 摘要:應(yīng)用距平及差積曲線分析和坎德?tīng)?Kendall)秩次相關(guān)檢驗(yàn)表明,和田綠洲氣溫存在著遞增趨勢(shì),處于變暖期;受氣溫影響,蒸發(fā)能力、空氣濕度也呈增加趨勢(shì),但不顯著;降水年際變化較大,年內(nèi)分配趨于集中,有降水異�，F(xiàn)象出現(xiàn);由于人類(lèi)活動(dòng),河流徑流減少十分顯著。
關(guān)鍵詞:和田河流域 氣溫 濕度 蒸發(fā) 降水 徑流
由于人類(lèi)活動(dòng)影響,目前全球氣候有增溫趨勢(shì)[1,2],研究氣候變化對(duì)水循環(huán)的影響已成為水文工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。和田綠洲氣候變化引起了水循環(huán)要素的變化,蒸發(fā)和空氣濕度呈增加趨勢(shì),但不明顯;降水異�，F(xiàn)象出現(xiàn);由于人口增長(zhǎng),灌溉面積擴(kuò)大,引水量顯著加大,導(dǎo)致河流徑流顯著減小。
1 和田綠洲概況
和田綠洲位于新疆塔里木盆地南部邊緣,曾經(jīng)是絲綢之路上一顆璀璨的明珠。綠洲內(nèi)灌溉農(nóng)業(yè)歷史悠久,形成了獨(dú)具特色的綠洲小氣候。和田綠洲內(nèi)有墨玉縣、和田縣、洛浦縣及和田市,綠洲與沙漠交錯(cuò)分布,生態(tài)環(huán)境極其脆弱[3]。和田綠洲降水稀少,蒸發(fā)劇烈,光熱資源豐富,屬典型的大陸性干旱氣候。綠洲內(nèi)是以維吾爾族為主的少數(shù)民族聚居區(qū),又是一個(gè)以灌溉農(nóng)業(yè)為生存依據(jù)的經(jīng)濟(jì)落后地區(qū),氣候條件及人類(lèi)活動(dòng)所引起的變化,導(dǎo)致
河流徑流銳減,威脅了綠洲的生存。和田綠洲年降水量3.4~100.9mm,多年平均為36.4mm,農(nóng)作物依賴(lài)和田河水灌溉。和田河發(fā)源于昆侖山和喀拉昆侖山北麓,流出高山峽谷,澆灌了和田綠洲,自南向北縱貫塔北克拉瑪干大沙漠,匯入塔里木河,目前是塔里木河三大源流之一。和田河多年平均流入和田綠洲的水量為44.8億m3,由于綠洲用水以及沿程蒸發(fā)滲漏損失,注入塔里木河多年平均水量?jī)H10.47億m3。和田河屬冰川融雪及降水混合補(bǔ)給型河流,豐枯與氣候變化密切相關(guān),直接影響綠洲內(nèi)各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng),也影響向塔里木河干流的輸水。
2 氣溫變化
和田綠洲內(nèi)有洛浦、和田、墨玉3個(gè)氣象站,分析中采用了1954~2000年實(shí)測(cè)的年平均氣溫,以及1971~1995年的月平均氣溫。
2.1 氣溫的年際變化 表1列出了1954~1995年實(shí)測(cè)氣溫、比濕、降水和蒸發(fā)變化情況。由表1可知,從1954年到2000年,和田綠洲氣溫持續(xù)上升,增加了0.86℃,說(shuō)明該段時(shí)期氣候處于變暖期,與全球氣候變化相一致[1]。50~60年代氣溫變化不大;而70~80年代氣溫增加顯著。
表1 和田綠洲氣溫及水循環(huán)要素歷年變化
時(shí)段
1954~1959
1960~1969
1970~1979
1980~1989
1990~2000
平均溫度(℃)
平均比濕(%)
平均降水量/mm
平均蒸發(fā)量/mm
12.00
41.33
38.0
2466
12.01
42.04
34.1
2543
12.28
42.47
32.8
2649
12.42
41.96
57.6
2803
12.86
42.02
37.6
2694
氣溫逐年增長(zhǎng)主要受全球氣候變暖趨勢(shì)的影響,同時(shí)也與綠洲內(nèi)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)規(guī)模擴(kuò)大有關(guān)。氣候的變暖必然導(dǎo)致和田河流域的水循環(huán)時(shí)空的變化,依賴(lài)和田河水資源生存和發(fā)展的和田綠洲因而面臨新問(wèn)題。
2.2 氣溫年內(nèi)變化 和田綠洲多年平均氣溫12.2℃。以多年平均值為基礎(chǔ)分析各月氣溫,全年大于平均氣溫的時(shí)間從4月持續(xù)到10月,共7個(gè)月。用變差系數(shù)Cv作為衡量年內(nèi)各月平均氣溫相對(duì)變化性[3],其結(jié)果見(jiàn)表2。其中5~9月的變率相對(duì)較小,多年來(lái)其平均氣溫的變化幅度在3~4.9℃,即夏季氣溫相對(duì)穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)極端酷暑或涼夏的異�，F(xiàn)象。冬季,11~2月為最寒冷季節(jié),氣溫變率相對(duì)較大,極端最低氣溫可達(dá)到-23.2℃,比該年的月平均最低氣溫低10.1℃。冬季氣溫的急劇變化會(huì)給當(dāng)?shù)厝嗣裆詈徒】祹?lái)一定的負(fù)面影響,但有利于同年的病蟲(chóng)害防治,農(nóng)業(yè)豐收。
表2 和田綠洲多年月平均氣溫及其變率
月
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年平均
最小
最大
平均
Cv
-12.1
-1.9
-4.7
-0.46
-6.8
3.2
0.0
/
6.5
10.8
8.5
0.15
14.2
19.4
16.5
0.08
18.2
23.1
20.8
0.06
22.0
26.1
23.9
0.05
22.7
27.7
25.5
0.04
22.3
26.8
24.4
0.05
17.7
20.7
19.7
0.04
10.6
14.4
12.4
0.08
1.7
7.4
4.3
0.30
-8.8
0.1
-3.0
-0.72
11.1
13.2
12.2
0.04
注:上表中溫度單位為℃;Cv為系列的變差系數(shù)。
2.3 氣溫變化的趨勢(shì)性 圖1表明過(guò)去近50年來(lái)和田綠洲氣溫具有遞增趨勢(shì)。依據(jù)坎德?tīng)?Kendall)秩次相關(guān)檢驗(yàn)[4],當(dāng)n=47,信度水平α=0.05時(shí),檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U=-2.37,其絕對(duì)值大于Uα/2=1.96,表明和田綠洲氣溫遞增趨勢(shì)明顯。和田綠洲氣溫線性趨勢(shì)回歸方程為:
T=11.92+0.0147t
(1)
式中:T表示年平均氣溫;t表示時(shí)間,t=1,2,…47。利用線性趨勢(shì)的回歸檢驗(yàn)[4],統(tǒng)計(jì)量T=2.57,大于Tα/2=2.23;可判定和田綠洲氣溫的線性趨勢(shì)顯著。
依據(jù)這一趨勢(shì)性預(yù)測(cè)的2050年平均氣溫為13.3℃;即比1954年增長(zhǎng)1.4℃。文獻(xiàn)[9]應(yīng)用Hadley中心海-氣耦合模式,同時(shí)考慮溫室氣體和氣溶膠的作用預(yù)測(cè)塔里木盆地氣溫 田綠洲水循環(huán)要素變化的特征變化趨勢(shì),其結(jié)果與本研究基本相符;但本研究表明冬季增溫顯著,夏季氣溫穩(wěn)定;這則與文獻(xiàn)[9]差異較大。與IPCC最新公布的4個(gè)大氣與海洋耦合GCMs情景模擬的平均結(jié)果相比,也很接近;IPCC4個(gè)模式在該區(qū)域
圖1 和田綠洲氣溫差積與距平曲線
2020~2039年平均增溫0.9℃(引自http//ipcc-ddc.cru. uea. ac. uk),本研究表明在這一時(shí)段內(nèi)增溫約0.7℃。
3 蒸發(fā)變化
和田綠洲氣候干旱,實(shí)測(cè)年蒸發(fā)量為2219~3137mm,多年平均2684mm,遠(yuǎn)大于降水量,足以說(shuō)明和田綠洲的蒸發(fā)劇烈程度。用干燥指數(shù)來(lái)描述氣候干旱程度,則和田綠洲的干燥指數(shù)為25~842。最小值發(fā)生在1987年,降水量達(dá)最大100.9mm,但蒸發(fā)量2505mm不是最小值;最大值發(fā)生在1985年,降水量為最小3.4mm,蒸發(fā)量則高達(dá)2864mm。
3.1 蒸發(fā)的年際變化 由表1和圖2可知,和田綠洲的蒸發(fā)量在80年代后呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),與氣溫變化基本一致。和田氣候變暖會(huì)引起蒸發(fā)加劇,從而降低作物的水分利用效率,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。
3.2 蒸發(fā)的年內(nèi)變化 和田綠洲年內(nèi)各月蒸發(fā)量實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3。月蒸發(fā)量隨季節(jié)變化而變化,冬季(11~2月)蒸發(fā)最小,只占蒸發(fā)總量的953%;初春秋末(3月和10月)由于氣溫升降快,蒸發(fā)變化迅速,占總蒸發(fā)量的13.8%;年內(nèi)蒸發(fā)主要集中在4~9月,與氣溫變化一致。
圖2 和田綠洲年蒸發(fā)量的距平和差積曲線
從蒸發(fā)變率來(lái)看,蒸發(fā)量越大,蒸發(fā)變率越小,蒸發(fā)越穩(wěn)定;冬季蒸發(fā)變率大于夏季,即夏季蒸發(fā)較冬季穩(wěn)定。分析冬季(11~2月)蒸發(fā)序列表明,存在與冬季氣溫變化一致的顯著遞增趨勢(shì),其線性回歸方程為:
E=232.9+1.95t R=0.419
(4)
式中:E為冬季蒸發(fā)量;其余符號(hào)同上。
表3 和田綠洲歷年各月蒸發(fā)及其變率(單位:mm)
月
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年
最小
最大
平均
均值比
Cv
16
58
42
1.54
0.25
28
106
76
2.81
0.26
136
248
195
7.22
0.17
226
391
311
11.5
0.11
289
444
376
13.9
0.11
329
474
397
14.7
0.09
314
497
393
14.5
0.09
284
406
339
12.5
0.10
185
359
260
9.60
0.13
145
221
178
6.58
0.10
67
128
96
3.55
0.15
20
63
44
1.63
0.25
2219
3137
2648
0.08
注:上表中月數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1971~1995年,年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1954~1995年;均值比例指各月的平均值與多年平均值(2707mm,即1971~1995年的均值)之比。
從以上分析得知,和田綠洲蒸發(fā)主要受氣溫的影響。通過(guò)冬季氣溫與蒸發(fā)的相關(guān)分析,二者的相關(guān)系數(shù)為0.853,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于年氣溫與蒸發(fā)之間的相關(guān)系數(shù)(0.490),而在其余季節(jié),二者的相關(guān)系數(shù)為0.507,即冬季氣溫對(duì)冬季蒸發(fā)的影響更大,其余季節(jié)次之。和田綠洲氣溫,尤其是冬季氣溫的升高,對(duì)當(dāng)?shù)氐乃胶夂蜕鷳B(tài)環(huán)境將會(huì)產(chǎn)生重要影響,值得關(guān)注。
4 濕度變化
4.1 比濕的年際變化 比濕是衡量空氣濕度的重要指標(biāo),收集到和田1954年以來(lái)年平均值和1970以來(lái)的月平均值。蒸發(fā)的增大一般會(huì)使空氣濕度增大,但和田綠洲內(nèi)部綠地與沙漠交錯(cuò)分布,外部又三面被塔克拉瑪干大沙漠包圍,蒸發(fā)的水汽迅速擴(kuò)散消耗,導(dǎo)致綠洲濕度沒(méi)有增加。由圖3可以看出,47年來(lái)比濕變化與蒸發(fā)相接近;依據(jù)坎德?tīng)?Kendall)秩次相關(guān)檢驗(yàn)[4],當(dāng)n=47,信度水平α=0.05時(shí),檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U=1.68,其值小于Uα/2=1.96,表明濕度無(wú)明顯遞增趨勢(shì)。
4.2 濕度的年內(nèi)變化 表4列出了1970~2000年比濕的各月特征值。由表4可知,冬季(12~2月)比濕較高,但變化也較大,反映在Cv較大上;春季(3~5月)較低;夏季比濕相對(duì)穩(wěn)定,Cv較小。冬季和田綠洲沒(méi)有農(nóng)作物生長(zhǎng),這時(shí)空氣濕度高沒(méi)有實(shí)際意義。春季因風(fēng)多,空氣中的水汽擴(kuò)散很快,因此濕度最低,故需要大量灌水,以滿(mǎn)足作物發(fā)芽和生長(zhǎng)。
圖3 和田綠洲比濕距平與差積曲線
表4 和田綠洲歷年各月比濕及其變率
月
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年均
最大
最小
平均
Cv
75
38
54.7
0.15
81
24
45.7
0.28
53
27
35.0
0.22
39
24
29.5
0.16
& 田綠洲水循環(huán)要素變化的特征nbsp; 47
26
34.8
0.15
48
31
38
0.14
55
34
43.2
0.13
55
35
45.1
0.10
59
37
44.1
0.12
57
33
42.7
0.13
59
37
45.6
0.13
76
37
45.6
0.13
48.7
35.5
42.8
0.08
注:上表中月均值計(jì)算時(shí)段為1971~1995年,年均值為1954~1995年;比濕單位為kg/kg。
5 降水變化
和田綠洲降水量極少,不直接產(chǎn)流,是該地區(qū)干旱的主要原因之一。降水變化特征分析,對(duì)了解其變化趨勢(shì)及未來(lái)雨水資源利用具有重要意義。
5.1 降水的年際變化 和田綠洲降水實(shí)測(cè)值如表1所示。從50年代到70年代,年平均降水量逐漸減少,到80年代開(kāi)始上升,90年代降水量達(dá)到最高。年降水量存在不明顯的遞增趨勢(shì),降水變率Cv 為0.59,比甘肅敦煌的0.57稍大[3]。
由表1可知,50年代中后期到70年代末,降水量都小于多年平均降水量(36.4mm),并且在逐漸減小;其中70年代為枯水期,降水量比多年平均值低9.9%。80年代與90年代降水都高于多年平均情況,其中80年代為豐水期,降水量超出多年平均值的30.8%。年降水量差積曲線如圖4所示,和田綠洲的年降水量變化可分為3個(gè)階段,1954~1971年之間,年降水量呈遞減趨勢(shì),但不十分明顯;1972年為偏豐年,使差積曲線抬升,隨后從1973~1986年之間,年降水量逐漸遞減,較前一遞減段的趨勢(shì)更明顯;第3段初期,1987年和1988年連續(xù)出現(xiàn)豐水年;進(jìn)入90年代后降水豐枯交替頻繁。
利用氣候異常的概念[5]來(lái)分析年際降水量的變化。如果某年降水量Pi滿(mǎn)足下式則認(rèn)為該年降水量異常:
式中:σ為年降水系列的均方差,經(jīng)分析計(jì)算σ=21.4。在42年的實(shí)測(cè)序列中,只有72、87和88年降水量偏多異常,而沒(méi)有出現(xiàn)降水量偏少異常,見(jiàn)圖4。
5.2 降水的年內(nèi)變化 和田綠洲歷年降水的年內(nèi)分配見(jiàn)表5。降水主要集中于5~8月,降水量為25.9mm,占全年降水量的72.8%。初春和晚秋時(shí)降水最少,不利于春季播種。同月年際間的降水變化很大,從0.0~42.3mm,導(dǎo)致降水變率也大。從降水變率分析可知,降水較多季節(jié)的降水相對(duì)較穩(wěn)定,而降水稀少季節(jié)的變率大,穩(wěn)定性差。
圖4 和田綠洲降水量距平與差積曲線
表5 和田綠洲歷年月降水及其變率
月
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2
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4
5
6
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8
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11
12
年
最小
最大
邊續(xù)無(wú)降水日數(shù)
平均
Cv
0.0
11.1
11
1.6
1.68
0.0
11.9
8
2.3
1.54
0.0
9.9
16
0.8
2.81
0.0
11.2
10
1.6
1.75
0.0
42.3
4
7.3
1.56
0.0
27.5
2
8.3
1.08
0.0
21.7
3
5.6
1.17
0.0
28.7
5
4.7
1.58
0.0
20.6
14
2.1
2.23
0.0
14.2
20
1.2
2.59
0.0
1.1
22
0.1
2.91
0.0
7.9
14
1.7
2.39
3.4
100.9
22
35.6
0.59
注:上表中降水單位mm;以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自1971~1995年;無(wú)降水月數(shù)是在25年的實(shí)測(cè)月降水資料中統(tǒng)計(jì)得到;Cv 為系列的變差系數(shù),又稱(chēng)做降水變率。
6 徑流
如前所述,和田河是綠洲生存的命脈。由于氣候原因,和田河支流玉龍喀什河與喀拉喀什河在出山口處的流量已表現(xiàn)出不明顯的遞減趨勢(shì)。和田河流入灌區(qū)后,由于人類(lèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大,灌溉面積逐年增加,灌溉用水也不斷增大。70年代以后,隨著節(jié)水灌溉措施的推廣,引水量有減少傾向,但不明顯。這導(dǎo)致和田河匯入塔里木河的水量遞減趨勢(shì)相當(dāng)明顯,其線性趨勢(shì)以方程表達(dá)為:y=-0.1555t+12.562[6]。如果按此趨勢(shì)發(fā)展下去,和田河
將在80年后斷絕與塔里木河的水力聯(lián)系[7]。為了和田綠洲自身的發(fā)展,也為了塔里木河下游生態(tài)環(huán)境的重建,和田綠洲都需要加大節(jié)水力度,特別是農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水。這樣,才能保證綠洲經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
7 結(jié)語(yǔ)
近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)和田綠洲正處于變暖期,氣溫總體呈遞增趨勢(shì),經(jīng)Kendall秩次檢驗(yàn)趨勢(shì)性顯著。蒸發(fā)量主要受氣溫變化影響,其變化與氣溫較一致,存在遞增趨勢(shì)。和田綠洲由于土壤母質(zhì)、氣候以及人類(lèi)活動(dòng)等原因,灌區(qū)內(nèi)土壤鹽堿化和次生鹽堿化較嚴(yán)重。降水變化與氣溫相差甚大,隨氣溫的增加,降水是先減少后又增加,年際之間的變化很大,從3.4~100.9mm。由于和田綠洲三面為塔克拉瑪干大沙漠包圍,盡 田綠洲水循環(huán)要素變化的特征管蒸發(fā)增大,但因水汽迅速向周?chē)稍锏纳衬當(dāng)U散,故空氣濕度并無(wú)明顯變化。從水循環(huán)角度看,由于氣溫升高,蒸發(fā)增大,降水趨于集中,而濕度無(wú)明顯變化。這表明水分在和田綠洲滯留時(shí)間變短,換言之,側(cè)支水循環(huán)增大而河川地表徑流減少,使這一極端干旱區(qū)可利用水資源更加短缺。對(duì)農(nóng)業(yè)而言,這將導(dǎo)致土壤蒸發(fā)增大會(huì)使土壤積鹽更為嚴(yán)重;因?yàn)樯倭拷邓荒軡駶?rùn)土壤,達(dá)不到洗鹽的效果,反而會(huì)引起下層土壤鹽分的上升[8],不利于作物生長(zhǎng)。因此,有必要在研究氣溫變化對(duì)水資源影響的同時(shí),關(guān)注其對(duì)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的影響。
參 考 文 獻(xiàn):
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