新疆北疆气候对地表水资源变化的影响与评估，本文主要内容关键词为：北疆论文,新疆论文,地表论文,水资源论文,气候论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号 P343文献标识码 A
1 概况
新疆南北疆以天山山脊线为界，北疆的行政区包括了五地州、四市和两县，即阿勒泰地区、伊犁地区、塔城地区、昌吉地区、博尔塔拉自治州、乌鲁木齐市、石河子市、奎屯市、克拉玛依市，及哈密地区的巴里坤县和伊吾县。总面积448803km[2]，占新疆总面积的27.24%。北疆区地表水资源量为392.3×10[8]m[3]，占新疆地表水资源总量的49.4%。（注：北疆各地州地表水资源量数据来源于“九五”国家重点科技攻关项目《西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究》报告之一《新疆水资源评价》成果数据）这个区域由于水资源相对比较丰沛，交通、文化比较发达，是新疆国民经济发展的重心所在。截止1996年年底，北疆地区国内生产总值占全疆的63.9%，其中乡及乡以上工业企业总产值占全疆乡及乡以上工业企业总产值的78.1%，国有工业企业总产值占全疆国有工业企业总产值的80.0%。正确估算北疆各地、市、县地表水资源量和评估不同气候背景下主要气候因子对地表水资源的定量影响，有助于合理地利用地表水资源，及时指导和部署水库、渠系运作，为北疆经济的迅速发展提供可靠的科学依据。
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影响北疆及部分地州地表水资源的主要气候因子和最优时段分析
北疆横跨纬度42°10′N～49°10′N的范围，大部分地区地处西风环流带内，一些海拔较高的山体易于拦截来自西、北及西北方向的水汽，形成多个冰川作用中心。这些高大的山体及其连成的山区是北疆地区降水最丰沛的地区，也是北疆地表水资源形成的重要区域。作为山区，降水量的多寡直接影响地表径流量输入项的大小。而山区气温的高低，风力的大小又直接影响地表径流量输出项一陆面蒸发量的大小。因此，降水和气温是影响地表产流量大小的重要气候因子，也是影响区域地表水资源年变化的重要因素。
北疆地表水资源量代表序列主要来自五地、州，其占北疆实际地表水资源量的96.2%。城市中除了乌鲁木齐市有产水外，克拉玛依市、奎屯市、石河子市基本不产水（位于平原区）。哈密地区的伊吾县和巴里坤县因山区面积小，平原、戈壁极为干旱，地表水资源量少，其占北疆地表水资源量的1.45%，乌鲁木齐市地表水资源量也仅占北疆地表水资源量的2.34%，因此，北疆五地州地表水资源量的变化直接影响北疆地表水资源量的变化。本文重点分析影响北疆五地州及北疆地区地表水资源量变化的主要气候因子。
2.1 北疆各地州年降水量与地表水资源相关的最优时段分析
通过对气象、水文部门在北疆设立的几十个降水站与地区地表水资源量相关普查可以发现，一些冰川作用中心流域所在地的降水代表站与该地、州地表水资源量有着较高的正相关系数。因新疆山区10月以后大面积降水为固态（降雪），部分山区9月已开始大面积固态降水，而 10～12月或9～12月这一部分降水要在来年形成地表径流， 通过代表站两种水文年（10月～次年9月、9月～次年8 月）及日历年年降水量与地区地表水资源量的分析对比发现：一些降水量丰沛地区，水文年年降水量与地区地表水资源的正相关系数要高于日历年年降水量与地区地表水资源的正相关系数。但在平原区，日历年年降水量与水文年年降水量差异不大，与所在地、市的地表水资源相关系数也基本一致（表1）。
表1
北疆地区降水代表站不同时段年降水量与地区地表水资源量的相关系数比较
Tab.1 Comparison of correlation coefficient between differentperiods of annual precipitation and regional surface waterresources at precipitation representative stations in the Northern of Xinjiang
地州阿勒泰地区 伊犁地区塔城地区
降水代表站 群库勒
托海卡琅古尔
P[,日]～W[,地] 0.6400.716 0.748
样本数 34
4038
P[,水]～W[,地] 0.7770.831 0.808
P[,水]～W[,地] 0.7900.827 0.796
样本数 35
3938
P[,水]～W[,北] 0.7220.791 0.807
P[,水]～W[,北] 0.7530.782 0.812
样本数 35
3938
地州 昌吉地区
博尔塔拉州
降水代表站 开垦 精河
P[,日]～W[,地] 0.696 0.511
样本数 3940
P[,水]～W[,地] 0.731 0.523
P[,水]～W[,地] 0.753 0.553
样本数 3740
P[,水]～W[,北] 0.636 0.512
P[,水]～W[,北] 0.687 0.510
样本数 3740
注：P[,日]：日历年年降水量；P[,水]：上年10月至当年9 月水文年年降水量；P[,水]：上年9月至当年8月水文年年降水量；W[,地]：相关地区年地表水资源量；W[,北]：北疆地区年地表水资源量。
从表1可以看见：（1）北疆各地州两种水文年年降水量与本地州及北疆地表水资源的相关系数，一般大于日历年年降水量与之的相关系数。（2）两种水文年年降水量与本地州地表水资源的相关系数，以9月～次年8月水文年年降水量相关系数偏大的居多，占6／10。
2.2 各地、 州代表站不同时段月平均气温累积值与地表水资源量相关的最优时段分析
从北疆水文、气象站已有的系列较长的月、年平均气温统计资料与所在地、州地表水资源量的相关普查可以发现，气温影响陆面蒸发，从而间接影响地表水资源量的主要时段在春末夏仲（5～7月），尤以5 月气温对地表水资源量的影响比较显著。北疆各地州，一年中最大风速及全年大风日数多出现在春季，春季由于气温回升，积雪融化，森林、草场萌生又需要大量水分，加之气温高、风大使得实际陆面蒸发量（包括植被蒸腾水量）变大，导致地表径流量减少，故春季气温与地州地表水资源量呈反相关。地表水资源主要形成于山区，因此山区代表站春季气温与本地、州地表水资源量的负相关系数远高于平原区代表站。
表2
北疆地区气温代表站不同时段月平均气温累积值与地区地表水资源量相关系数比较
Tab.2 Comparison of correlation coefficient between different periods of
cumulativevalue
of
monthly
mean temperature and regional surface water resources at air emperature representative stations in the Northern of Xinjiang
地州 阿勒泰地区
伊犁地区 塔城地区 昌吉地区
博尔塔拉州
气温代表站群库勒
卡甫其海卡琅古尔天池温泉
T[,5月]～W[,地] -0.666 -0.653 -0.553-0.625 -0.563
∑T[,5～7]～W[,地] -0.491 -0.723
-0.598-0.674 -0.261
样本数
3639 3937 38
T[,5月]～W[,北] -0.612 -0.678 -0.667-0.663 -0.510
∑T[,5～7月]～W[,北]-0.508 -0.697
-0.661-0.672 -0.537
样本数
3639 393738
注：T[,5月]：5月平均气温；∑T[,5～7月]：5～7月月平均气温累积值；W[,地]：相关地区年地表水资源量；W[,北]：北疆地区年地表水资源量
从表2可见：阿勒泰地区的群库勒站、博尔塔拉自治州的温泉站5月月平均气温与本地州地表水资源量的负相关系数高于5～7月月平均气温累积值与之的负相关系数。而伊犁地区、塔城地区、昌吉地区的代表站却是5～7月月平均气温累积值与本地州地表水资源量的负相关明显高于5月平均气温与之的负相关。 这与这些地州间不同的山区径流组成及汛期时间有关。阿尔泰山、阿拉套山其山区平均海拔高程较低，径流的组成多为融雪径流，且多为春汛，出现在4～7月，因此5 月气温对地表径流形成期的陆面蒸发量具有重要减少作用，进而影响到地表水资源的形成。伊犁地区、天山北坡地区，其山区坡度较陡，平均海拔高程较高，年径流量在0.5×10[8]m[3]以上的河流，其冰川融水补给较为显著，同时高海拔山区的融雪径流一般也推迟到6～8月，导致这些地区汛期多出现在5～8月或6～9月。因此5～7月的月平均气温状况对径流形成期的陆面蒸发产生的影响远高于5月平均气温对它的影响。
3 气候与北疆及各地州地表水资源的最优相关分析
气温、降水是北疆地表水资源形成的主要影响因子〔1〕。 从前文所做的工作可以看出，降水量对地表水资源量的影响大于气温对地表水资源量的影响。通过地表水资源与气温、降水多站（或单站）组合因子的回归分析〔2〕，可以提高气候因子对地表水资源量的估算精度， 达到在当年9月或10月就能提早预测当年地表水资源量的目的。
表3 北疆各地州气候因子与本地州、北疆地表水资源量的相关方程
Tab.3 Correlation equations between composite climatic factor in each region and surface water resources in region and in the Northern of Xinjiang
相关地区
编号 相关方程
1 W[,地]=10.88+0.4406P[,水,群库勒与青河平均]
阿勒泰地区 2 W[,地]=-11.955+0.5445P[,水,群库勒与青河平均]
3 W[,地]=36.72+0.412P[,水,群库勒与青河平均]－1
.4745T[,5月,群库勒]
1 W[,地]=54.63+0.274P[,水,托海]
伊犁地区2 W[,地]=51.884+0.289P[,水,托海与卡甫其海平均]
3 W[,地]=163.9+0.247P[,水,托海民卡甫其海平均]
-1.671∑T[5-7月,卡甫其海]
塔城地区1 W[,地]=23.82+0.0777P[,水,卡琅古尔]
2 W[,地]=19.967+0.1496P[,日,塔城地区]
1 W[,地]=15.245+0.0296[,水,开垦]
昌吉地区2 W[,地]=-65.681+0.625P[,日,昌吉地区]
3 W[,地]=30.813+0.0762P[,日,吉昌地区]-0.4091
∑T[,5-7月,天池]
1 W[,地]=20.788+0.0432P[,水,精河]
博尔塔拉州 2 W[,地]=34.317-0.7065T[,5月,温泉]
3 W[,地]=30.689+0.030P[,水,精河]-0.6563T[,5月,
温泉]
1 W[,北]=94.874+0.8089P[,水,托海、群库勒与卡琅
古三站平均]
2 W[,北]=105.08+0.8966P[,水,托海、群库勒与肯斯
瓦特三站平均]
北疆地区3 W[,北]=54.41+0.7899P[,水,托海、群库勒、卡琅古尔
与开垦四站平均]
4 W[,北]=365.415+0.7774P[,水,托海、群库勒与肯
斯瓦特三站平均]-4.0708∑T[,5-7月,卡甫其海与卡
琅古尔两站平均]
5 W[,北]=338.03+0.6579P[,水,托海、群库勒、卡琅
古尔与开垦四站平均]-4.8106∑T[,5-7月,天池与卡
甫其海两站平均]
相关地区 年数 相关系数
36
0.833
阿勒泰地区34
0.878
34
0.880
39
0.831
伊犁地区 39
0.882
39
0.905
塔城地区 38
0.808
40
0.825
37
0.753
昌吉地区 40
0.775
40
0.792
40
0.553
博尔塔拉州38 －0.563
38
0.664
35
0.909
36
0.910
北疆地区 32
0.928
35
0.922
32
0.940
注：W[,地]为本地州地表水资源量；W[,北]为北疆地表水资源量：P[,日]指日历年降水量；P[,水]指10月～次年9月水文年降水量；P[,水]指9月次年8月水文年降水量；T[,5月]是5月平均气温；∑T[,5～7月]指5～7月月平均气温累积值；塔城及昌吉地区日历年降水量系“九五”攻关成果数据。
从表3可见，除博尔塔拉自治州降水量、 气温等气候因子对该地州地表水资源量的影响程度较小外（因博尔塔拉州山区地质条件较复杂，地表水与地下水转化较频繁，博尔塔拉河地表径流汛期一般出现在秋冬，不同于其它山区），其它地区经过优选，降水量单因子与所在地区地表水资源量的相关系数，或降水量、气温双因子与所在地区地区地表水资源量的复相关系数能达到0.75以上，与北疆地表水资源量的相关系数能达到0.90以上，最高双因子复相关系数可达到0.94。
从优选的因子来看，影响北疆地表水资源量多寡的降水、气温站点多位于北疆西部81°E～87°E降水量丰沛的流域区内。如布尔津河流域的群库勒站，喀什河和巩乃斯河流域的托海站，特克斯河流域的卡甫其海站，塔城西北部山地卡琅古尔河流域的卡琅古尔站，玛纳斯河流域的肯斯瓦特站，博尔塔拉河流域的温泉站。这些代表站所在流域的年均面平均雨量一般都在500mm以上〔3〕，对北疆地表水资源量的大小贡献最为突出。从在北疆地表水资源量中，伊犁地区地表水资源量所占比重为38.34%、阿勒泰地区27.63%、塔城地区15.50%看， 这些地区代表站的重要作用也是完全合理的。
从表3 中代表站水文年年降水量与北疆地表水资源量所具有的较高正相关系数（0.909～0.928）可知，当降水出现丰水年时，地表水资源量也相对较丰，当降水出现枯水年时，地表水资源量也相对较枯。且9月～次年8月水文年降水与北疆地表水资源的相关系数（0.928）大于10月～次年9月水文年降水与之的相关系数。对照表2与表3 中的单相关系数可知：代表站气温与北疆地表水资源量的负相关系数的绝对值要低于水文年降水与北疆地表水资源量的相关系数，这表明，水文年降水，特别是9月～次年8月的水文年降水，是影响北疆地表水资源的主导气候因子，温度（5～7月月平均气温累积值或5月平均气温）是辅助气候因子。其原因前文已有叙述。
4 气候对北疆地表水资源量变化影响的评估
根据表3中影响北疆地表水资源的最佳相关方程（方程5，复相关系数为0.94），加以计算可得到表4，本文以此作为综合分析降水、气温对北疆地表水资源影响的依据。
表4 代表站5～7月月平均气温累积值距平、9月至次年8 月水文年
降水距平百分率对北疆地表水资源距平百分率的影响与定量评估
Tab.4 Influence and quantitative assessment of anomaly ofcumulative value of monthly mean temperature from May to Julyand anomaly of percentage of
annual
precipitation
in hydrological year from September in the last year to August in the concurrent year on anomaly percentage of surface water resource in the Northern of Xinjiang at representative station
30
－30
－15 －10 －5
0 5 10 15
－6 －14.8 －4.3 －0.7 +2.8 +6.3 +9.9 +13.4 +16.9 +27.5
－4 －17.3 －6.7 －3.2 +0.4 +3.9 +7.4 +10.9 +14.5 +25.1
－2 －19.7 －9.2 －5.6 －2.1 +1.4 +5.0 +8.5 +12.0 +22.6
－1 －21.0 －10.4－6.9 －3.3 +0.2 +3.7 +7.3 +10.8 +21.4
0 －22.2 －11.6－8.1 －4.5 －1.0 +2.5 +6.0 +9.6 +20.2
1 －23.4 －12.8－9.3 －5.8 －2.2 +1.3 +4.8 +8.3 +18.9
2 －24.7 －14.1－10.5－7.0 －3.5 +0.1 +3.6 +7.1 +17.7
4 －27.1 －16.5－13.0－9.5 －5.9 －2.4 +1.1 +4.7 +15.3
注：降水代表站：托海、群库勒、卡琅古尔、开垦；气温代表站：卡甫其海、天池
从表4 中可见北疆气候对地表水资源量的影响主要表现在以下几个方面：
（1）北疆地表水资源量随着水文年年降水量的增加而增加， 随着当年5～7月月平均气温累积值的增加而减少。从30多年实测资料分析，降水为平水年，5～7月月平均气温偏高的极值年份，北疆地表水资源量最大减少量可达5～6%。这与表4中的水文年降水量距平百分率为零，5～7月月平均气温累积值偏高4℃时，北疆地表水资源偏少5.9%的结果相一致。
（2）气温、降水对北疆地表水资源的各自影响表现为：5～7月月平均气温累积值为多年平均值时，水文年降水增加或减少10%，北疆地表水资源增加6.0%或减少8.1%。水文年降水量为多年平均值时，5～7月月平均气温累积值偏高或偏低2℃，则北疆地表水资源减少3.5%或增加1.4%。
（3）气温、 降水对北疆地表水资源的综合影响表现在以下方面：5～7月月平均气温累积值偏低2℃时，水文年降水增加或减少10%， 北疆地表水资源增加8.5%或减少5.6%；5～7月月平均气温累积值偏高2℃时，水文年降水增加或减少10%，北疆地表水资源增加3.6%或减少10.5%。可见冷湿气候有利于北疆地表水资源偏多，反之，暖干的气候会使北疆地表水资源偏少，而暖湿与冷干的气候对北疆地表水资源的影响情况比较复杂，可从表4看出个大概情况。
（4）水文年降水为负距平年时，北疆地表水资源并非一概减少。 而当5～7月月平均气温累积值距平△T≤－4℃时，只有当9月～次年8月水文年降水量减少5%以上，北疆地表水资源量才有所减少， 反之略有增加。
（5）水文年降水为正距平年时，5～7月月平均气温累积值距平△T为负值时，北疆地表水资源量增加明显；当△T为正值时，北疆地表水资源量增幅随其增大而变小。当△T≥4℃时，只有当水文年年降水量增加10%以上，北疆地表水资源量才有所增加，否则减少。
应注意的是，上述评估仅限于对所选用代表站的气候因子所做的分析。选用不同代表站其结果是会有一定差异的。这是因为北疆地区中、高山区面积大，其上的水文、气象观测站点极少，且不同山系不同海拔高度代表站的降水量、气温的差异又很大，因此要准确求算可能与北疆地表水资源具有最佳关系的北疆全区水文年面平均雨量和5～7月面平均气温是极为困难的事。故本文所得到的气候对北疆地表水资源的影响的定量评估，也只能是在现有条件下，用统计方法得到的一种相对较好的大致估算。
5
北疆气候对地表水资源变化的影响及地表水资源的未来趋势
根据方程4将北疆代表站10月～次年9月水文年降水量、5～7月月平均气温累积值、北疆地表水资源量三要素的模比系数差积曲线绘制成图1可见：北疆地表水资源的多年变化与水文年年降水量多年变化几乎完全同步，说明北疆水文年年降水量是影响北疆地表水资源变化的最重要因子，这和前文的结果相符。 图中1956 ～1973 年的升段为丰水期， 1974～1992年的降段为枯水期，除个别年份外，其峰、谷完全对应。根据1996年以后的实况分析（北疆1996年地表水资源量为偏丰年，1997年为平水年，1998年为丰水年），1993～1998年北疆地表水资源量又进入了丰水期。北疆气温代表站5～7月月平均气温累积值与北疆水文年降水量和地表水资源量的多年变化在1956～1992年基本呈反向关系。从气候变化型看，1956～1973年为冷湿期，1974～1992年为暖干期，与北疆地表水资源量1956～1973年为丰水期、1974～1992年为枯水期相对应。这与前文所做5～7月月平均气温累积值偏低、水文年年降水偏多的冷湿气候有利于北疆地表水资源偏多，反之，暖干的气候会使北疆地表水资源偏少的结果相一致。近年来由于全球气候变暖，北疆地区也不例外，5～7月气温也处于升温阶段。持续高温引起冰川多年调节失衡， 造成陆面蒸发量明显增大，降低丰水期水文年降水对地表水资源量的增幅。
从塔城气象站、伊犁气象站1940～1955年部分实测年份水文年降水量和5～7月月平均气温累积值分析，四十年代至1951年为暖干期，降水量偏少，气温偏高；1952～1955年为冷湿期，降水量偏多，气温偏低。综合分析，北疆水文年降水量的完整周期为41年。1952～1973年是丰水期，共22年；1974～1992年为枯水期，共19年，北疆地表水资源量多年变化与此同步。有趣的是，北疆水文年年降水量的变化周期与太阳黑子活动的双周期较一致，其变化周期比太阳黑子活动周期提前2～3年。太阳黑子从1954年第19周的极小值开始到1975年第20周末的次小值，其双周长度正好22年〔4〕，与丰水期周期相一致；从1976年第21 周极小值开始到1995年第22周末的次小值，其双周长度为20年，与枯水期长度基本一致。因此可认为，北疆地表水资源的多年变化与太阳活动周期密切相关，太阳活动可能是北疆水文年年降水量、地表水资源变化的主要成因之一。
从周期变化趋势分析〔5〕，自1993年开始， 北疆地表水资源量将会出现20年左右的丰水期，但若2000年后全球依然处于高温期，其北疆地表水资源量的偏丰程度就会大打折扣，形成暖湿气候条件下平水年与偏丰年频繁交替的状况。
收稿日期：1999-08-18；修回日期：2000-04-07