1. 引言
全球变暖导致区域水循环变化、水资源时空分布的改变，甚至影响区域生态环境和社会经济的发展。和田河位于塔里木盆地最南缘，上游发源于昆仑山，和田河流域面积约48,870 km2。刘时银 [1] 分析和田地区冰川数为564条，冰川面积为6812.67 km2，冰储量为632.66 km3，各占新疆冰川总量的27.25%、30.11%和29.36%；对比第一次冰川编目，冰川减少了272条，面积减少了601.67 km2。沈永平 [2] 分析中提出，玉龙喀什河冰川融水量59.3%，喀拉喀什河冰川融水量45.7%，雪线高度基本在5760~6120 m。和田河两条支流出山径流的年内分布不均，夏季径流比例分别高达80.7%和72.9%，和田河地表水资源着重来源于冰川融化，主要集中在夏季。近几年许多学者对和田河流域地表径流变化做了分析和讨论，和田河的年径流量和夏季流量均呈现出不显著的线性下降趋势 [3] - [11]，由于缺乏和田流域高山区监测资料，河流量变化原因的讨论极其少。为了深入开展和田河夏季流量变化对气候变化的响应研究，对实现区域水资源可持续利用，维护流域生态环境，促进和田流域绿洲经济发展，使用多年连续监测记录的0℃层高度和500 hPa高空气温资料具有重要的意义。
2. 资料与方法
选取和田地区气象站1961~2016年夏季零度层高度，500 hPa高空气温、和田河上游(乌鲁瓦提和同古孜洛克)站的夏季平均流量和降水量资料。1) 夏季0℃层高度，500 hPa气温、夏季平均流量、夏季山区降水量标准化处理；2) 线性趋势倾向系数由最小二乘法求的；3) 先由每日两次的探空资料求平均得到的日平均和月平均值，再由其求季平均来定0℃层平均高度；4) 利用两河夏季月平均流量资料求平均得到季平均，再由其求为和田河夏季平均流量；5) 5年滑动，累积距平值、M-K突变检验方法。
3. 夏季流量、0℃层高度、500 hPa气温、降水量趋势分析
3.1. 夏季平均流量递减
和田河近56a夏季平均流量呈微弱的线性递增趋势(图1)，1961~2016年递增率0.186 m3s−1·(10a)−1在56a中，有35a为负距平，21a为正距平。从1961年开始夏季平均流量的变化可分4个阶段：1961~1965年枯水阶段，1966~1981年丰水阶段，1982~2009年枯水阶段，2010~2016年丰水阶段。1961年夏季平均流量最大，为336.8 m3s−1，偏多为118.9 m3s−1，1965年为最小，为108.3 m3s−1，偏少为101.24 m3s−1，2010年以来夏季平均流量增加趋势非常明显。
Figure 1. Standardization series curve of Hotan River summer annual run off
图1. 和田河夏季平均流量标准化序列曲线图
3.2. 夏季0℃层高度下降
夏季0℃层高度升降是干旱区影响河流径流量变化的一个至关重要因素。夏季0℃层高度上升(下降)使高山区冰川环境温度升高(降低)，暴露在0℃层之下的冰川积增大(缩小)，致使冰川消融加剧(减缓)，物质积累减少(增加)，冰川融水径流增加(减少)，最终影响到出山径流量的变化 [12] [13]。和田市夏季0℃层高度近56a总体呈下降趋势，以14.63 gpm的倾向率递减，与中国西北地区，新疆的其它区域的变化截然不同 [12] [13]。和田地区1961至1978年夏季0℃层高度(图2)平均4867 gpm，相对偏高41 gpm；1979至2009年平均值为4787 gpm，相对偏低39 gpm。偏高阶段分别是1961至1978年、1994至1997年、2010至2016年，偏低阶段为1979至1993年、1998至2009年。夏季0℃层高度上世纪60年代偏高88.9 gpm，70年代偏高26.3 gpm，80年代和1991~2009年分别偏低42 gpm、40 gpm，2010~2016年偏高39.4 gpm。
Figure 2. Standardization series curve of Hotan 0˚C level height in summer
图2. 和田夏季0˚C层高度标准化序列曲线图
3.3. 夏季山区降水量的变化特征
和田河上游山区(乌鲁瓦提和同古孜洛克水文站)近56a夏季标准化降水量和5年滑动变化如(图3)可以看出，山区降水量总体呈上升趋势，以1.27 mm·(10a)−1的倾向率增加。降水量在1961~1987年以负距平为主，1987~2016年正负距平出现次数相当，但到2010年开始降水量不但增加趋势明显，而且降水变率增大显著。1968~1974年，1987~1994年、2010~2016年为偏多阶段；1961~1967年、1975~1986年、1995~2009年为偏少阶段。夏季降水量最大出现在2010年，为113.4 mm，偏多74 mm，最小出现在1985年，为1.3 mm，偏少38.1 mm。
Figure 3. Standardization series curve of summer precipitation over the upper Hotan River
图3. 和田河上游山区夏季标准化降水量变化曲线图
3.4. 高空500 hPa气温变化
张鲜鹤分析中国冰川高度结构特征中指出 [14]，昆仑山冰川平衡线高度在5582 m，500 hPa的平均高度夏季为5441 gpm左右。夏季500 hPa平均气温变化能够反映出高山区的气候变化特征。
由图4看以出，和田河流域和田市夏季500 hPa高空平均气温近56a总体呈上升趋势，其变化率0.114℃·(10a)−1，高空气温变化趋势与地面气温变化趋势一致。5年滑动曲线反映出1968~1973年，1992~2001年、2010~2016为偏暖阶段；1961~1967年，1974~1991年、2002~2007年为偏冷阶段。其峰点是1994年(平均气温为−5.0℃，距平1.7℃)，谷点是1965年(平均气温为−8.3℃，距平−1.6℃)。
Figure 4. Standardization series curve of Hotan 500 hPa temperature in summer
图4. 和田地区夏季高空500 hPa气温标准化序列曲线图
4. 夏季流量与0℃层高度突变分析
4.1. 夏季平均流量突变分析
M-K非参数检验法对时间序列突变点的定义，UF和UB交点处在置信线之间(图5)，而随后UF线超过置信线，交点被认为有突变发生。由(图5)可见，1961~1967年UF线在零线以下振动，夏季流量偏枯阶段，1968~1974年UF曲线零线以上，夏季流量偏丰阶段，夏季流量偏丰阶段。UF曲线与UB曲线1978年以前多次相交，之后UF曲线下降趋势十分明显，自1979年以来UF下降趋势显著；和田河夏季平均流量自1961年来1978年发生了突变由丰到枯的。
Figure 5. M-K nonparamatic test of abrupt charge for Hotan river run off in summer
图5. 和田河夏季平均流量M-K突变检验
4.2. 夏季0℃层高度突变分析
应用M-K非参数检验法分析和田市夏季0℃层序列，1961~1963年UF线位于零线以下(图6)，1964~1968年UF线零线以上，1993年超过信度线。表明；从1969年以来零度层高度不断下降，下降倾向占优势。UF曲线从1979年开始下降趋势十分明显。夏季0℃层高度在1978年发生了由高到低的突变。
Figure 6. M-K nonparamatic test of abrupt for the Hotan 0˚C level in summer
图6. 和田地区夏季0℃层M-K突变检验
4.3. 夏季降水量突变分析
1963~1970年UF线在零线以下振动，表示夏季降水量偏少阶段，1971~1978年间UF曲线以上(图7)，表示夏季降水量偏多阶段，UF曲线与UB曲线1975年以前多次相交，UF曲线从1978年开始下降趋势十分明显，从1979~2002年夏季降水量明显下降，UF曲线自2003年起呈上升趋势。因此，可以认为自1961年以来夏季降水量在1987年发生了突变。
4.4. 夏季高空500 hPa气温突变分析
由(图8)可见，1961~1968年UF线在零线以下，高空500 hPa气温偏低阶段，1969年开始UF曲线零线以上高空500 hPa气温偏高阶段。UF曲线与UB曲线1980年以前多次相交，之后UF曲线上升趋势十分明显，于1994年超过0.05显著性水平，自1961年以来和田河夏季平均流量在1979年发生了突变。
Figure 7. M-K nonparamatic test of abrupt charge for the summer precipitation over the Hotan River
图7. 和田河夏季降水量M-K突变检验
Figure 8. M-K nonparamatic test of abrupt charge for the Hotan 500 hPa temperature in summer
图8. 和田夏季高空500 hPa气温M-K突变检验
4.5. 夏季流量、0℃层高度、降水量距平累积分析
累积距平曲线(图9)显示，夏季和田河平均流量和山区降水量1971年以前变化具有明显的同位相特征，与0℃层高度的变化有明显的反位相特征。1979年为转折点，1979~2009年累积距平曲线持续下降，平均流量，山区降水量和零度层高度呈减少趋势；平均流量，山区降水量和零度层高度的变化表现出同位相变化特征，2010~2016年累积距平曲线持续上升，呈上升趋势显著。
5. 典型年特征分析
为了分析不同气候典型年夏季和田河流域0℃层高度，500 hPa高空气温、和田河夏季平均流量、夏季山区降水量，设定气候典型年的基本条件为：夏季平均流量，出山口降水量、高空500 hPa气温和0℃层高度标准化距平大于1.0的年份为偏多(偏高)，距平小于−1.0的年份为偏少(偏低)；距平大于2.0的年份为异常偏多(偏高)，距平小于−2.0的年份为异常偏少(偏低)依此选定和田河流域夏季典型的异常偏高、异常偏低和异常偏多、异常偏少年。
Figure 9. Standardized runoff in summer, standard height of 0˚C level in summer and cumulative distance curve of precipitation in mountain area
图9. 夏季标准化流量，夏季标准化零度层高度和山区降水量累积距平曲线
以这个标准得到了夏季流量2个异常偏多年份(1961，1978年)，1个异常偏少年份(1965年)；1961、1978、1994年零度层高度异常偏高，1974、1989年异常偏低，山区降水量4个异常偏多年份(1972、1974、2010、2012年)没有出现异常偏少年份；1978、1994年高空500 hPa气温异常偏高，1965年异常偏低；标准化流量，高空500 hPa气温的典型异常年份与0℃层高度异常年份十分相似，而山区降水量异常偏多年集中在20世纪70年代和2010、2012年。陈亚宁 [15] 最新研究结果显示，西北干旱区河川径流量的长时期序列检测发现，一些冰川融水补给较大的河流在1994年前后普遍出现了一次径流“突变型”增加的过程与气候典型异常年份较一致。夏季0℃层高度偏高、偏低年的夏季平均流量的差别很明显，在0℃层高度标准化距平大于1.0的10a中，夏季流量偏多年占90%，而在0℃层高度标准化距平小于1.0的9a中，夏季流量偏少年占78%。夏季平均流量、0℃层高度、山区降水量在1978年发生突变，500 hPa气温在1979年发生突变。夏季0℃层高度突变前(1961~1978年)平均为4877.8 gpm，突变后(1979~2016年)平均为4802 gpm，突变后比突变前下降了75.8 gpm。夏季平均流量突变前1961~1978年为220.26 m3s−1，突变后1979~2016年平均204.47 m3s−1，突变后比突变前下降了15.8 m3s−1。山区降水量突变前(1961~1986年)平均32.8 mm，距平为−5.0 mm，突变后(1987~2016年)平均45.0 mm，距平为7 mm，突变后比突变前增多了12 mm。
6. 结论
1) 1961~2016年，和田河属冰雪融水补给型河流，夏季流量以0.186 m3s−1·(10a)−1的倾向率递增、和田市0℃层高度以14.63 gpm·(10a)−1的倾向率递减，山区降水量以1.27 mm·(10a)−1的倾向率增加，500 hPa气温以0.114℃·(10a)−1倾向率增加。
2) 1978年和田河夏季平均流量、夏季高空0℃层高度在发生突变，1987年山区降水量在发生突变，1979年500 hPa高空气温发生突变，突变前后平均流量、0℃层高度有明显差异。
3) 夏季0℃层高度与夏季流量和500 hPa高空气温均正相关，相关系数分别为0.664、0.738，均通过0.01信度显著性检验；夏季流量与山区降水量存在负相关，相关系数−0.25，相关性较差，没有通过0.01的显著性水平。
4) 和田河夏季流量对和田地区0℃层高度的变化都有很好的响应。
基金项目
新疆少数民族科技人才特殊培养计划基金项目(2017D03026)唯一资助。