和田綠洲水循環(huán)要素變化特征

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簡介： 應(yīng)用距平及差積曲線分析和坎德爾(Kendall)秩次相關(guān)檢驗(yàn)表明，和田綠洲氣溫存在著遞增趨勢，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，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)；由于人類活動(dòng)，河流徑流減少十分顯著。
關(guān)鍵字：和田河流域 氣溫 濕度 蒸發(fā) 降水 徑流

中圖分類號：P339文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

　　由于人類活動(dòng)影響，目前全球氣候有增溫趨勢^[1,2]，研究氣候變化對水循環(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，但不明顯；降水異常現(xiàn)象出現(xiàn)；由于人口增長，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僅10.47億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

　　氣溫逐年增長主要受全球氣候變暖趨勢的影響，同時(shí)也與綠洲內(nèi)人類經(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，依賴和田河水資源生存和發(fā)展的和田綠洲因而面臨新問題。

　　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)C_v作為衡量年內(nèi)各月平均氣溫相對變化性^[3]，其結(jié)果見表2。其中5～9月的變率相對較小，多年來其平均氣溫的變化幅度在3～4.9℃，即夏季氣溫相對穩(wěn)定，沒有出現(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硪欢ǖ呢?fù)面影響，但有利于同年的病蟲害防治，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 

C_v

-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℃；C_v為系列的變差系數(shù)。

　　2.3 氣溫變化的趨勢性 圖1表明過去近50年來和田綠洲氣溫具有遞增趨勢。依據(jù)坎德爾(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，其絕對值大于U_α/2=1.96，表明和田綠洲氣溫遞增趨勢明顯。和田綠洲氣溫線性趨勢回歸方程為：

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。利用線性趨勢的回歸檢驗(yàn)^[4]，統(tǒng)計(jì)量T=2.57，大于T_α/2=2.23；可判定和田綠洲氣溫的線性趨勢顯著。

　　依據(jù)這一趨勢性預(yù)測的2050年平均氣溫為13.3℃；即比1954年增長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)測塔里木盆地氣溫變化趨勢，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)測年蒸發(fā)量為2219～3137mm，多年平均2684mm，遠(yuǎn)大于降水量，足以說明和田綠洲的蒸發(fā)劇烈程度。用干燥指數(shù)來描述氣候干旱程度，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，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)測值見表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9?53%；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，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 

C_v

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年以來年平均值和1970以來的月平均值。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)致綠洲濕度沒有增加。由圖3可以看出，47年來比濕變化與蒸發(fā)相接近；依據(jù)坎德爾(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U_α/2=1.96，表明濕度無明顯遞增趨勢。

　　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C_v較大上；春季(3～5月)較低；夏季比濕相對穩(wěn)定，C_v較小。冬季和田綠洲沒有農(nóng)作物生長，這時(shí)空氣濕度高沒有實(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，以滿足作物發(fā)芽和生長。

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 

C_v

75

38

54.7

0.15

81

24

45.7

0.28

53

27

35.0

0.22

39

24

29.5

0.16

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，對了解其變化趨勢及未來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，降水變率C_v 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，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]來分析年際降水量的變化。如果某年降水量P_i滿足下式則認(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)測序列中，只有72、87和88年降水量偏多異常，而沒有出現(xiàn)降水量偏少異常，見圖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

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

年

最小 

最大 

邊續(xù)無降水日數(shù) 

平均 

C_v

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)來自1971～1995年；無降水月數(shù)是在25年的實(shí)測月降水資料中統(tǒng)計(jì)得到；C_v 為系列的變差系數(shù)，又稱做降水變率。

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。和田河流入灌區(qū)后，由于人類農(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相當(dāng)明顯，其線性趨勢以方程表達(dá)為：y=-0.1555t+12.562^[6]。如果按此趨勢發(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

　　近半個(gè)世紀(jì)以來和田綠洲正處于變暖期，氣溫總體呈遞增趨勢，經(jīng)Kendall秩次檢驗(yàn)趨勢性顯著。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。和田綠洲由于土壤母質(zhì)、氣候以及人類活動(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，盡管蒸發(fā)增大，但因水汽迅速向周圍干燥的沙漠?dāng)U散，故空氣濕度并無明顯變化。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荒軡駶櫷寥?，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。因此，有必要在研究氣溫變化對水資源影響的同時(shí)，關(guān)注其對土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的影響。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 高前兆.塔里木南緣水資源與生態(tài)環(huán)境建設(shè)戰(zhàn)略 [J].冰川凍土，2000，22(4)：298-308.

[2] 湯懋蒼，程國棟，林振耀，等.青藏高原近代氣候變化以及對環(huán)境的影響 [M].廣州：廣東科技出版社，1998

[3] 王玉璽，張武，等.甘肅降水與干旱規(guī)律的研究，中國北方干旱氣候研究 [M].北京：氣象出版社，1996

[4] 丁晶，鄧育仁.隨機(jī)水文學(xué) [M].成都：成都科技大學(xué)出版社，1988

[5] 王玉璽，栗珂，等.陜西氣候異常的研究，中國北方干旱氣候研究 [M]. 北京：氣象出版社，1996

[6] 黃領(lǐng)梅，沈冰，等.和田河地表徑流動(dòng)態(tài)變化趨勢分析 [J].水土保持學(xué)報(bào)，2000，14(6)：84-87.

[7] Shen Bing, Huang Lingmei, et al. Preliminary study on trend of surface water of the Hotan River under condition of climate change [C]. Proceedings of international symposium of industry and city environment protection, Xi'an, China, 2000

[8] 宋郁東，等編著.中國塔里木河水資源與生態(tài)問題研究 [M].烏魯木齊：新疆人民出版社，2000

[9] 耿全震，丁一匯，陸爾，等.HADLEY中心海-氣耦合模式對中國未來區(qū)域氣候變化情景的預(yù)測 [A].丁一匯主編.中國的氣候變化與氣候影響研究 [M].北京：氣象出版社，1997.

收稿日期：2002-04-10

作者簡介：沈冰（1948-），男，浙江湖州人，教授，主要從事旱區(qū)水文水資源研究。