中国西北玛纳斯河流域（1956–2006）气候变化分析外文翻译资料

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中国西北玛纳斯河流域（1956–2006）气候变化分析

Fenghua Zhang , Munir A. Hanjra ,Fan Hua ,Yunqiao Shu ,Yuyi Li

摘要:本文利用过去50 年（1956～2006）的四个气象站收集的数据重点探讨了中国的西北地区，玛纳斯河流域的短期气候变化（温度和降水的变化）。结果表明，年平均温度有上升的趋势，每年增加了大约0.4℃。MK试验表明，只有在1988年之后总体趋势才升高。温度的升高最为显著的是冬季和春季（分别是每十年增加0.8、0.7 °C），在夏季和秋季增加的很少（每十年增加0.1 °C）。研究结果表明：1956-1982年之间温度是呈现下降的趋势的；而年降水量是增加的，尤其是在作物生长季节。关于气温和降水变化的时间特征尺度的分析应用表明，温度的年际变化约是5到15 年之间的时间尺度，与峰值差9 年时间尺度。在作物生长的季节，降水量会显著增加，每十年增加6.7mm。时间尺度小于10 年的在温度和降水的突变更为常见，因为其复杂性和短期气候变化的不确定性。玛纳斯河流域气候变化的原因可能包括密集的人类活动和农田扩张等人为因素。全球气候变化也可能对当地的气候变化有一定的影响，地方和区域气候趋势分析能更好地让该区域适应气候变化。

关键词:回归分析；趋势分析；气候的变化；土地利用政策；水政策

1. 引言

气候是农业生产和水利用的主要驱动因素 (Harmsen et al.2009; Fang et al. 2010)。目前的研究都证实了气候变化，包括温度，降水和极端天气的变化频率和强度是对粮食作物的生产有影响的。比如说，降水的变化会导致干旱或者洪涝，温度的变化会改变作物生长期的长度等；从而还能改变食物的价格，市场还有供需的多少。特别是在农业占国民经济主导地位的国家，气候变化对其影响是很大的。

本文主要研究的是位于中国西北部的玛纳斯河流域，它是新疆地区经济活动的命脉也是新疆省最重要的农作物生产区域。在过去的60年里主要是由于人类的干预，玛纳斯河流域平原沙漠变成了一片繁荣的绿洲。农业成为了这一地区经济的支柱，约占10.1%的国内生产总值，人口约2100万（Zhang et al. 2009a, b）。在许多方面，过去的2000年里玛纳斯河流域农业开发类似于其他地区的发展（Zhang et al. 2012）。近60年来绿洲快速扩张导致了灌溉农业的巨大扩张，这也引发了一系列个问题（Ling et al.。2013）。这个过程不是只有负责农业生产的集约化，也受到该地区地表水文的影响，而土壤盐分的问题更是威胁到该区域的环境可持续性。这种发展影响在当地的气候，更长远地说，影响范围会不断扩大（亚宁等人。2009）。因此，深入分析气候变化是这个地区社会经济发展和可持续性发展的重要前提。

因此，本文的目的是通过检查新疆玛纳斯河流域1950年之后的温度和降水的变化来研究当地气候的短期变化。目标是更好地了解当地的气候变异和局部过程。我们利用MK突变分析方法来检验气候变化趋势。

1. 数据与方法

2.1研究区域概况

玛纳斯河流域是位于中国西北部的一个流域，在天山山脉和准格尔盆地之间（图1）。它的经度范围是从东经85°01′到东经 86°32′ ，纬度范围是北纬43°27′到北纬 45°21′ ，高度范围时56到5342m之间，面积是31000平方公里。平均高度为3022米，最低点是在玛纳斯湖，这里目前干旱。山区的安全带通常覆盖着3900米以上的积雪和冰川作为玛纳斯河流域主要水资源（Ling et al.2011）。冰川面积608.25平方公里，径流的主要来源34.5％是雨水和冰川融化。

图1 玛纳斯河流域

绿洲地区植被和土壤的分布格局对经济发展起着重要的作用。谷中的主要景观就是随高度变化的山区-绿洲-荒漠。在3200米和3900米之间的地方山地被植被所覆盖，但是植被比较稀疏，也有扁平的土地和苔原。在2850米和3200米之间的地方被小山地所覆盖密度70%–95%。1650米和2850米之间的被森林覆盖。1100米和1650米被山地草原覆盖。800米和1100米的山脚下都有沙漠草地覆盖。平原低于800米有绿洲和沙漠，这一地区的表层覆盖第四纪黄土或砂。沿山麓向准噶尔盆地，根据相对高度和空间位置，平原可分为五个区域：1）温带荒漠草原区位于冲积、洪积扇（410–800米）；2）在冲积扇边缘地带的温带草甸沼泽湿地植被区（370-410米）；3）位于冲积平原（350 - 370米）的温带沙漠地带；4）在旧冲积平原（260 - 350米）的温带沙漠沙地植被区；5）温带-咸水沼泽区周围的终端湖（程等。2006）。绿洲主要位于冲积、洪积冲积扇，或边缘地区。冲积平原沿河流采取条纹或修补的形式（Cheng et al. 2006）。洪积和冲积平原的一个平缓的斜坡为0.1%，0.3%是由五个冲积扇所有的河流，农业和作物种植的关键领域所组成的。

农田土壤类型主要为砂壤土。土壤类型与分布格局通过使用2个土壤图，在1987和2006的14个土壤类型进行评估，发现随着时间的推移，玛纳斯河流域土壤的空间分布有广泛的变化(Yu et al. 2011)。

玛纳斯河水流是绿洲系统和农业的命脉。在玛纳斯河流域五条主要河流，从东到西为塔西河、玛纳斯河，宁基河、金沟河、巴沟河。所有这些的源头都是天山，由南流到北到准噶尔盆地（图1）。玛纳斯河流入盆地南部边缘，然后转向西北。该地区的水资源约为2573*106立方米，径流量约2291*106立方米（汤等。2012）。水的主要来源低地是冰川和天山雪场的融化（Luo et al. 2013）。农业生产在很大程度上依赖于灌溉，并大量使用来自降雨和冰川融化的河水（Ling et al.2012）。更多关于灌溉的信息可在文献中找到(Ruisen et al. 2009; Zhang et al. 2012)。

河谷气候是典型的大陆性干旱气候，夏季气候炎热干燥，冬季寒冷（Zhang et al.2012）。年平均风速为1.7米/秒。冰雹、暴雨和洪水时有发生。绿洲荒漠区年平均降水量变化为110至300毫米。年平均气温约为6.6℃，年平均蒸发量为1500至2000毫米（Ling et al. 2012）。农业灌溉是农业的基本条件。

1949后，中国最大的人工绿洲在玛纳斯河流域开发，新疆成为中国第四大灌区。灌溉农田在夫权流域面积2005约4314平方公里（Cheng et al。2006）。根据四个时期的空间数据分析显示，在过去的30年里（Qingqing et al.2012）和50年Feng et al. 2011）土地利用和土地覆盖逐渐增多。天然草地减少91.43平方公里/年和耕地增加121.38平方公里（主要是开垦荒地和草地）。这变化是人类活动的相互作用（经济的、社会的因素）和环境变化（Qingqing et al.2012）的结果，这种相互作用的机制是全球环境变化研究的关键（Feng et al.2011）。这里的主要作物是棉花（如草棉），约占整个作物区的70%（Yang et al.2012）。此外，冬小麦、玉米、蔬菜和水果也是重要的农作物（Zhang et al。2009年，B）。棉花生长季节是从十月开始的。冬小麦从十月到六月上旬。小麦生育期可分为六个阶段：播种、越冬、复苏、拔节、开花，和成熟。夏玉米，从六月到九月，有四个阶段：播种，出苗、拔节开花、灌溉。作物发育期受到气候变化的影响，包括温度和降雨量的变化，这样在发育期再人为地用水灌溉作物是作物产量提高的必然趋势。

2.2研究方法

2.2.1数据来源

本文探讨玛纳斯河流域气候变化的一般趋势，气象数据包括1956年到2006年间四个气象站点（西固城北站、西固城南站、四胡谭站和乌兰乌苏站）的温度，降水和日照时数。这四个站点的海拔都是412米，可以从图1看到其他的站点细节。

我们将每天的温度和降水量都存储下来，再用简单的平均算术法得出年平均气温和降水量，空间位置变化可以忽略。再对日照时数进行处理，分析研究了研究区内作物的生长季节；日照时数对作物的生产时间，作物产量有一定的影响。

2.2.2方法

Mann-Kendall检验法通常是来检测泾河合水川流域降水的长期变化趋势和突变情况。在时间序列趋势分析中，Mann-Kendall检验方法，最初由Mann和Kendall提出，许多学者不断应用Mann-Kendall方法分析降水、径流、气温和水质等要素时间序列趋势变化。Mann-Kendall检验不需要样本遵循一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算方便。

在Mann-Kendall检验中，原假设 为时间序列数据,是n个独立的、随机变量同分布的样本；假设是双边检，对于所有的k，jle;n，且kne;j，和 的分布是不相同的，检验的统计量S计算如下

其中n是时间序列的长度，(ximinus;xj)lt;0时，(ximinus;xj)=-1；(ximinus;xj)=0时(ximinus;xj)=0；(ximinus;xj)gt;0时(ximinus;xj)=1.

S为正态分布，其均值为0，。当ngt;10时，标准的正态系统变量通过下式计算：

给定显著性水平alpha;=0.05，则统计量UF和UB的临界值为plusmn;1.96。UFgt;0，表示序列呈上升趋势；反之，表明呈下降趋势，大于或小于plusmn;1.96，表示上升或下降趋势明显。

其中agt;0

其中K是波数，h（k）是傅立叶级数。

确保Cg在傅立叶域里面。g（x）满足以下条件：

这种情况意味着由小波范围的面积是零，并确保傅立叶函数的形状与参数的值总是成比例的。在这项研究中还使用“墨西哥帽”。

当-4lt;xlt;4的时候，x=(t - b)/a。

（9）是离散分析，时间尺度上如下式：

小波变换在气候变化研究中的应用日益增多。纳肯（1999）应用连续小波变换（CWTS）检测降水的时空变化特征。它的局限性和注意事项以及分析方法可以在文献中找到（eg， Hirsch et al. 1993; Jiang et al. 1997）。改进的小波变换分析也在其中（2013）。本文也有一个非常严重的限制数据集的术语。60年的气象数据是不严格的气候变化，但它也能说明一部分的问题。显然，我们有一个短期的数据集：100年的数据，以证实气候变化的趋势。

3结果分析

3.1气温

年平均气温的MK方法检验结果如图2.自从1950年以后气温就呈增加的趋势，每年增加约为0.039℃这种增加趋势一直到1988年，并且在1988年到2006年之间每年增加0.018℃，这比全中国甚至世界的年均温增加量都要高了。其中变化点的多元回归分析表明，在这五十年里有三个不同的温度段：1756–1929、1930–1988、1989–2006。

图2气候变化趋势图（2）和多元回归分析（b）

从表1可以看出2001到2006年的平均气温是1℃，2.8℃，1.6℃，1.5℃，1℃和0.2℃，分别高于1950s, 1960s, 1970s, 1980s 和1990s的平均水平。然而气候变暖的趋势不是连续的。通过MK方法可以看出在1990年，趋势是明显增加的，在1989到2006年时这种增加趋势达到显著水平。

季节平均气温（表1）的分析也表明，气候变暖不同季节的趋势是不一致的。冬天和春天特别显著，但在夏天和秋天就不明显了。平均增量冬季和春季为每十年增加0.7℃和0.8℃，但在秋季每十年仅增加0.1℃。年代际变化分析中，季节性变化比较明显。在1951至2006冬季和春季，温度升高，但它在70年代有一个小的下降，之后2001到2006夏季温度变化趋势是递减的。秋季的温度也在20世纪60年代有一个总的增长趋势一直到2006。其中春季气温上升和频繁的干旱会造成重大损害和严重影响到作物的生产力。

温度序列的小波分析结果如图3。当时间尺度超过25年，小波变换的模式是一致的趋势分析结果。在1990年时有负的异常值，负异常值反映了温度的显著降低，正异常反映了气温显著增加。在过去15年的研究时间里，1965至1960年间出现正异常，这也反映在图2a时间序列的周期性时间尺度里面。其中时间尺度范围从约5至15年，实际对应的周期接近9年。小波方差出现在时间尺度上的间隔从图3b可以看出。年平均气温变化曲线图中有2个峰分别是9年和30年的时间尺度。在9年的时间范围内，最强的周期性变化被发现。年平均气温的第一大周期变化大约是9年。这样看来，周期的需求大约要30年（图3b）。然而，由于数据的限制，似乎还需要进一步研究。

表1 年代际平均温度

图3 小波变换a和小波方差b

3.2降水

MK方法做出的年平均降水量如图4。自1982以来，整体年平均降水量都增加了（图4a）。表1显示，2001到2006平均降水量分别为49.6，65.8，64.6，50.2和41.1毫米，高于年代际平均50年代，60年代，70年代，80年代和90年代。然而，趋势也是不连续的。MK检验结果显示（图4B）1982年时是一个突变点。基于参数B的定义式（4）估算表明，降水变化在从1998到2006年的趋势达到了一个显着的水平。随着近9年来玛纳斯河流域的温度上升，降水也经历了一个高峰期，并呈逐年增加的趋势，但实际还是滞后温度升高。

表1显示了不同季节的降水趋势是不一致的。夏

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