和田绿洲水循环要素变化特征

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

简介： 应用距平及差积曲线分析和坎德尔(Kendall)秩次相关检验表明，和田绿洲气温存在着递增趋势，处于变暖期；受气温影响，蒸发能力、空气湿度也呈增加趋势，但不显著；降水年际变化较大，年内分配趋于集中，有降水异常现象出现；由于人类活动，河流径流减少十分显著。
关键字：和田河流域 气温 湿度 蒸发 降水 径流

中图分类号：P339文献标识码：A

　　由于人类活动影响，目前全球气候有增温趋势^[1,2]，研究气候变化对水循环的影响已成为水文工作者关注的焦点。和田绿洲气候变化引起了水循环要素的变化，蒸发和空气湿度呈增加趋势，但不明显；降水异常现象出现；由于人口增长，灌溉面积扩大，引水量显著加大，导致河流径流显著减小。

1 和田绿洲概况

　　和田绿洲位于新疆塔里木盆地南部边缘，曾经是丝绸之路上一颗璀璨的明珠。绿洲内灌溉农业历史悠久，形成了独具特色的绿洲小气候。和田绿洲内有墨玉县、和田县、洛浦县及和田市，绿洲与沙漠交错分布，生态环境极其脆弱^[3]。和田绿洲降水稀少，蒸发剧烈，光热资源丰富，属典型的大陆性干旱气候。绿洲内是以维吾尔族为主的少数民族聚居区，又是一个以灌溉农业为生存依据的经济落后地区，气候条件及人类活动所引起的变化，导致 

　　河流径流锐减，威胁了绿洲的生存。和田绿洲年降水量3.4～100.9mm，多年平均为36.4mm，农作物依赖和田河水灌溉。和田河发源于昆仑山和喀拉昆仑山北麓，流出高山峡谷，浇灌了和田绿洲，自南向北纵贯塔北克拉玛干大沙漠，汇入塔里木河，目前是塔里木河三大源流之一。和田河多年平均流入和田绿洲的水量为44.8亿m³，由于绿洲用水以及沿程蒸发渗漏损失，注入塔里木河多年平均水量仅10.47亿m³。和田河属冰川融雪及降水混合补给型河流，丰枯与气候变化密切相关，直接影响绿洲内各种经济活动，也影响向塔里木河干流的输水。

2 气温变化

　　和田绿洲内有洛浦、和田、墨玉3个气象站，分析中采用了1954～2000年实测的年平均气温，以及1971～1995年的月平均气温。

　　2.1 气温的年际变化 表1列出了1954～1995年实测气温、比湿、降水和蒸发变化情况。由表1可知，从1954年到2000年，和田绿洲气温持续上升，增加了0.86℃，说明该段时期气候处于变暖期，与全球气候变化相一致^[1]。50～60年代气温变化不大；而70～80年代气温增加显著。

表1 和田绿洲气温及水循环要素历年变化

时段

1954～1959

1960～1969

1970～1979

1980～1989

1990～2000

平均温度(℃)

平均比湿(%)

平均降水量/mm

平均蒸发量/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

　　气温逐年增长主要受全球气候变暖趋势的影响，同时也与绿洲内人类经济活动规模扩大有关。气候的变暖必然导致和田河流域的水循环时空的变化，依赖和田河水资源生存和发展的和田绿洲因而面临新问题。

　　2.2 气温年内变化 和田绿洲多年平均气温12.2℃。以多年平均值为基础分析各月气温，全年大于平均气温的时间从4月持续到10月，共7个月。用变差系数C_v作为衡量年内各月平均气温相对变化性^[3]，其结果见表2。其中5～9月的变率相对较小，多年来其平均气温的变化幅度在3～4.9℃，即夏季气温相对稳定，没有出现极端酷暑或凉夏的异常现象。冬季，11～2月为最寒冷季节，气温变率相对较大，极端最低气温可达到-23.2℃，比该年的月平均最低气温低10.1℃。冬季气温的急剧变化会给当地人民生活和健康带来一定的负面影响，但有利于同年的病虫害防治，农业丰收。

表2 和田绿洲多年月平均气温及其变率

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：上表中温度单位为℃；C_v为系列的变差系数。

　　2.3 气温变化的趋势性 图1表明过去近50年来和田绿洲气温具有递增趋势。依据坎德尔(Kendall)秩次相关检验^[4]，当n=47，信度水平α=0.05时，检验统计量U=-2.37，其绝对值大于U_α/2=1.96，表明和田绿洲气温递增趋势明显。和田绿洲气温线性趋势回归方程为：

T=11.92+0.0147t

(1)

式中：T表示年平均气温；t表示时间，t=1,2,…47。利用线性趋势的回归检验^[4]，统计量T=2.57，大于T_α/2=2.23；可判定和田绿洲气温的线性趋势显著。

　　依据这一趋势性预测的2050年平均气温为13.3℃；即比1954年增长1.4℃。文献[9]应用Hadley中心海-气耦合模式，同时考虑温室气体和气溶胶的作用预测塔里木盆地气温变化趋势，其结果与本研究基本相符；但本研究表明冬季增温显著，夏季气温稳定；这则与文献[9]差异较大。与IPCC最新公布的4个大气与海洋耦合GCMs情景模拟的平均结果相比，也很接近；IPCC4个模式在该区域

图1 和田绿洲气温差积与距平曲线

2020～2039年平均增温0.9℃(引自http//ipcc-ddc.cru. uea. ac. uk)，本研究表明在这一时段内增温约0.7℃。

3 蒸发变化

　　和田绿洲气候干旱，实测年蒸发量为2219～3137mm，多年平均2684mm，远大于降水量，足以说明和田绿洲的蒸发剧烈程度。用干燥指数来描述气候干旱程度，则和田绿洲的干燥指数为25～842。最小值发生在1987年，降水量达最大100.9mm，但蒸发量2505mm不是最小值；最大值发生在1985年，降水量为最小3.4mm，蒸发量则高达2864mm。

　　3.1 蒸发的年际变化 由表1和图2可知，和田绿洲的蒸发量在80年代后呈现逐渐增加的趋势，与气温变化基本一致。和田气候变暖会引起蒸发加剧，从而降低作物的水分利用效率，对农业生产不利。

　　3.2 蒸发的年内变化 和田绿洲年内各月蒸发量实测值见表3。月蒸发量随季节变化而变化，冬季(11～2月)蒸发最小，只占蒸发总量的9?53%；初春秋末(3月和10月)由于气温升降快，蒸发变化迅速，占总蒸发量的13.8%；年内蒸发主要集中在4～9月，与气温变化一致。

图2 和田绿洲年蒸发量的距平和差积曲线

　　从蒸发变率来看，蒸发量越大，蒸发变率越小，蒸发越稳定；冬季蒸发变率大于夏季，即夏季蒸发较冬季稳定。分析冬季(11～2月)蒸发序列表明，存在与冬季气温变化一致的显著递增趋势，其线性回归方程为：

E=232.9+1.95t R=0.419

(4)

式中：E为冬季蒸发量；其余符号同上。

表3 和田绿洲历年各月蒸发及其变率(单位：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：上表中月数据统计时段为1971～1995年，年数据统计时段为1954～1995年；均值比例指各月的平均值与多年平均值(2707mm，即1971～1995年的均值)之比。

　　从以上分析得知，和田绿洲蒸发主要受气温的影响。通过冬季气温与蒸发的相关分析，二者的相关系数为0.853，远远高于年气温与蒸发之间的相关系数(0.490)，而在其余季节，二者的相关系数为0.507，即冬季气温对冬季蒸发的影响更大，其余季节次之。和田绿洲气温，尤其是冬季气温的升高，对当地的水平衡和生态环境将会产生重要影响，值得关注。

4 湿度变化

　　4.1 比湿的年际变化 比湿是衡量空气湿度的重要指标，收集到和田1954年以来年平均值和1970以来的月平均值。蒸发的增大一般会使空气湿度增大，但和田绿洲内部绿地与沙漠交错分布，外部又三面被塔克拉玛干大沙漠包围，蒸发的水汽迅速扩散消耗，导致绿洲湿度没有增加。由图3可以看出，47年来比湿变化与蒸发相接近；依据坎德尔(Kendall)秩次相关检验^[4]，当n=47，信度水平α=0.05时，检验统计量U=1.68，其值小于U_α/2=1.96，表明湿度无明显递增趋势。

　　4.2 湿度的年内变化 表4列出了1970～2000年比湿的各月特征值。由表4可知，冬季(12～2月)比湿较高，但变化也较大，反映在C_v较大上；春季(3～5月)较低；夏季比湿相对稳定，C_v较小。冬季和田绿洲没有农作物生长，这时空气湿度高没有实际意义。春季因风多，空气中的水汽扩散很快，因此湿度最低，故需要大量灌水，以满足作物发芽和生长。

图3 和田绿洲比湿距平与差积曲线

表4 和田绿洲历年各月比湿及其变率

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：上表中月均值计算时段为1971～1995年，年均值为1954～1995年；比湿单位为kg/kg。

5 降水变化

　　和田绿洲降水量极少，不直接产流，是该地区干旱的主要原因之一。降水变化特征分析，对了解其变化趋势及未来雨水资源利用具有重要意义。

　　5.1 降水的年际变化 　　和田绿洲降水实测值如表1所示。从50年代到70年代，年平均降水量逐渐减少，到80年代开始上升，90年代降水量达到最高。年降水量存在不明显的递增趋势，降水变率C_v 为0.59，比甘肃敦煌的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)，并且在逐渐减小；其中70年代为枯水期，降水量比多年平均值低9.9%。80年代与90年代降水都高于多年平均情况，其中80年代为丰水期，降水量超出多年平均值的30.8%。年降水量差积曲线如图4所示，和田绿洲的年降水量变化可分为3个阶段，1954～1971年之间，年降水量呈递减趋势，但不十分明显；1972年为偏丰年，使差积曲线抬升，随后从1973～1986年之间，年降水量逐渐递减，较前一递减段的趋势更明显；第3段初期，1987年和1988年连续出现丰水年；进入90年代后降水丰枯交替频繁。

　　利用气候异常的概念^[5]来分析年际降水量的变化。如果某年降水量P_i满足下式则认为该年降水量异常：

式中：σ为年降水系列的均方差，经分析计算σ=21.4。在42年的实测序列中，只有72、87和88年降水量偏多异常，而没有出现降水量偏少异常，见图4。

　　5.2 降水的年内变化 和田绿洲历年降水的年内分配见表5。降水主要集中于5～８月，降水量为25.9mm，占全年降水量的72.8%。初春和晚秋时降水最少，不利于春季播种。同月年际间的降水变化很大，从0.0～42.3mm，导致降水变率也大。从降水变率分析可知，降水较多季节的降水相对较稳定，而降水稀少季节的变率大，稳定性差。

图4 和田绿洲降水量距平与差积曲线

表5 和田绿洲历年月降水及其变率

月

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

年

最小 

最大 

边续无降水日数 

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：上表中降水单位mm；以上统计数据来自1971～1995年；无降水月数是在25年的实测月降水资料中统计得到；C_v 为系列的变差系数，又称做降水变率。

6　径流

　　如前所述，和田河是绿洲生存的命脉。由于气候原因，和田河支流玉龙喀什河与喀拉喀什河在出山口处的流量已表现出不明显的递减趋势。和田河流入灌区后，由于人类农业生产规模扩大，灌溉面积逐年增加，灌溉用水也不断增大。70年代以后，随着节水灌溉措施的推广，引水量有减少倾向，但不明显。这导致和田河汇入塔里木河的水量递减趋势相当明显，其线性趋势以方程表达为：y=-0.1555t+12.562^[6]。如果按此趋势发展下去，和田河 

　　将在80年后断绝与塔里木河的水力联系^[7]。为了和田绿洲自身的发展，也为了塔里木河下游生态环境的重建，和田绿洲都需要加大节水力度，特别是农业灌溉节水。这样，才能保证绿洲经济和生态环境的可持续发展。

7 结语

　　近半个世纪以来和田绿洲正处于变暖期，气温总体呈递增趋势，经Kendall秩次检验趋势性显著。蒸发量主要受气温变化影响，其变化与气温较一致，存在递增趋势。和田绿洲由于土壤母质、气候以及人类活动等原因，灌区内土壤盐碱化和次生盐碱化较严重。降水变化与气温相差甚大，随气温的增加，降水是先减少后又增加，年际之间的变化很大，从3.4～100.9mm。由于和田绿洲三面为塔克拉玛干大沙漠包围，尽管蒸发增大，但因水汽迅速向周围干燥的沙漠扩散，故空气湿度并无明显变化。从水循环角度看，由于气温升高，蒸发增大，降水趋于集中，而湿度无明显变化。这表明水分在和田绿洲滞留时间变短，换言之，侧支水循环增大而河川地表径流减少，使这一极端干旱区可利用水资源更加短缺。对农业而言，这将导致土壤蒸发增大会使土壤积盐更为严重；因为少量降水只能湿润土壤，达不到洗盐的效果，反而会引起下层土壤盐分的上升^[8]，不利于作物生长。因此，有必要在研究气温变化对水资源影响的同时，关注其对土壤水盐运动的影响。

参 考 文 献：

[1] 高前兆.塔里木南缘水资源与生态环境建设战略 [J].冰川冻土，2000，22(4)：298-308.

[2] 汤懋苍，程国栋，林振耀，等.青藏高原近代气候变化以及对环境的影响 [M].广州：广东科技出版社，1998

[3] 王玉玺，张武，等.甘肃降水与干旱规律的研究，中国北方干旱气候研究 [M].北京：气象出版社，1996

[4] 丁晶，邓育仁.随机水文学 [M].成都：成都科技大学出版社，1988

[5] 王玉玺，栗珂，等.陕西气候异常的研究，中国北方干旱气候研究 [M]. 北京：气象出版社，1996

[6] 黄领梅，沈冰，等.和田河地表径流动态变化趋势分析 [J].水土保持学报，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] 宋郁东，等编著.中国塔里木河水资源与生态问题研究 [M].乌鲁木齐：新疆人民出版社，2000

[9] 耿全震，丁一汇，陆尔，等.HADLEY中心海-气耦合模式对中国未来区域气候变化情景的预测 [A].丁一汇主编.中国的气候变化与气候影响研究 [M].北京：气象出版社，1997.

收稿日期：2002-04-10

作者简介：沈冰（1948-），男，浙江湖州人，教授，主要从事旱区水文水资源研究。