金沙江上游近60年徑流變化對氣候的響應

魏曉玥，黃曉榮，2，潘 犖，張 浪

(1.四川大學水利水電學院，四川成都610065；2.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610065)

由于洪水、干旱、風暴和極端溫度對人類社會的巨大影響，極端氣候事件引起了公眾、政府和學術界越來越多的關注。氣候變化最重要的影響之一可能是區(qū)域水文循環(huán)的變化以及之后河流流量的變化。例如，洪水和低流量。水在社會和自然中的巨大重要性強調了了解氣候變化如何影響區(qū)域供水的必要性。

近年來，國內外已經開展了許多研究來描述徑流量的變化趨勢。孫悅[1]等分析了渭河上游徑流的變化特點及其對氣候驅動因子的響應；Gustavo Marini[2]等對美國東北部地區(qū)徑流的變化趨勢以及變異性進行了分析；Yurong Hu[3]等研究了1959年～2008年黃河源區(qū)水文情勢的變化及其與當地氣候的聯(lián)系。本文選取金沙江上游兩個代表水文站1954年～2013年的徑流量資料以及對應氣象站點近60 a的降雨和氣溫資料，對金沙江上游徑流的變化以及與當地氣候之間的關系進行了研究。

1 研究區(qū)域和數據

從青海省玉樹州直門達直至云南省石鼓鎮(zhèn)為金沙江的上游，上游河段總長965 km。金沙江上游為典型的高寒地帶，人為活動較少，其氣候及生態(tài)環(huán)境的變化直接影響著“三江源”地區(qū)資源開發(fā)利用和經濟建設[4]。本文的徑流資料采用金沙江上游直門達和石鼓兩個水文站1954年～2013年的逐月徑流量數據，選取玉樹、清水河、石渠、巴塘、德格、稻城和麗江站等7個氣象站與水文站同時段近40 a的年降雨和年平均氣溫數據，并對資料中缺測的數據進行了修正。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢驗法

如果x1，x2，…，xn是長度為n的時間序列，則M-K檢驗的統(tǒng)計量

(1)

(2)

(3)

式中，Z為一個正態(tài)分布統(tǒng)計量；Var(S)為方差。在顯著性水平為α的雙尾檢驗中，若|Z|>Z1-α/2，則拒絕原假設。即，序列有顯著的上升或下降趨勢[5]。

2.2 Mann-Kendall突變分析法

M-K分析僅考慮要分析的序列x1，x2，…，xn中所有項的相對值。對于每個項，Pi計算為序列中其值超過xi的后續(xù)項數量，M-K秩序統(tǒng)計量

(4)

在無趨勢的零假設下，dk為正態(tài)分布統(tǒng)計量，其均值E(dk)及方差Var(dk)為

E(dk)=k(k-1)/4

(5)

Var(dk)=k(k-1)(2k+5)/72,2≤k≤n

(6)

基于上述假設，統(tǒng)計量

(7)

根據序列的逆序可以計算得到統(tǒng)計量UB，繪制出UF和UB曲線，如果UF和UB兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點[6]，則交點對應的時刻即為突變開始的時間。本文采用0.05置信水平，臨界值為±1.96[7]。

2.3 累積距平法

如果x1，x2，…xn是長度為n的時間序列，則時刻t的累積距平為

(8)

(9)

3 結果與分析

3.1 徑流、降雨和氣溫的變化

3.1.1年際變化

從1954年～2013年間，金沙江上游的年徑流量浮動變化極大，但總體呈微弱的下降趨勢(圖1a)，未通過顯著性檢驗見表1[8-9]；年徑流量5 a滑動結果顯示(見圖1a)，金沙江上游年徑流量在1954年～2013年間的不同時期呈上升或減少的趨勢，且增加和減少的趨勢交替出現(xiàn)。分析圖1b和圖1c可知，年降雨量和年平均氣溫總體均呈明顯的上升趨勢，且增加趨勢均通過了顯著性檢驗(見表1)，并與年徑流量一樣均具有分階段變化的特點，年平均氣溫的上升趨勢相比年降雨量更為明顯。這符合近些年來氣候不斷變暖的特點。

由金沙江上游年徑流量M-K突變檢測結果(見圖1d)可知，金沙江上游的年徑流UF和UB曲線均只有少數幾個點在臨界線之外[10]，盡管2條曲線存在幾個交點；但都沒有超出臨界線的情況。這說明兩站年徑流量在95%置信區(qū)間內無突變點[11]，據此得出金沙江上游徑流量的變化相對較穩(wěn)定[12]，年降雨量和年平均氣溫在95%置信區(qū)間內亦無突變(圖1e、1f)。

表1 金沙江上游M-K趨勢檢驗

注：*表示達到5%顯著水平。

3.1.2年內變化

對金沙江上游各年代徑流的年內分配曲線進行分析(見圖2a)可看出，金沙江上游徑流的年內分布十分不均勻，徑流量集中在每年的6月～10月，約占全年徑流量的70%左右[13]；因此，每年的6月～10月為金沙江上游的汛期。由圖2a可以看出，除20世紀80年代年內分配曲線呈6月和9月的雙峰結構外，其余各年代的徑流年內分配均呈8月為峰值的單峰結構，且峰型十分陡峭；除此之外，亦可看出金沙江上游的月徑流量在1990年和2000年左右發(fā)生了兩次大的轉變，1990年以前月徑流量一直在下降，之后又不斷地增加，而2000年以后又大幅下降。由圖2b可知，上游汛期的徑流量占全年徑流量的百分比浮動很大，總體呈極微弱的下降趨勢。這說明金沙江上游近60年來汛期徑流量占比大的趨勢未發(fā)生明顯改變，徑流量年內分配一直很不均勻。

圖1 金沙江上游年徑流、降雨、氣溫趨勢變化及M-K突變檢測

從年內各季節(jié)來說，在近60年來的徑流變化中，夏季徑流量變化最大，秋季次之(圖2c)，春、冬兩季的徑流量浮動都很小，但均未通過顯著性檢驗(見表1)。年內徑流量主要集中在夏秋兩個季節(jié)(2d)，分別占了全年徑流量的45%和35%左右，冬季徑流量占全年總徑流量的百分比最小，但與春季相差不大。總的來說，夏季徑流量在全年各季節(jié)中變化最大，且占全年總徑流量的百分比也最大，說明夏季徑流量對年徑流量的影響最大，年徑流量的減少主要來源于夏季流量的減少。

圖2 金沙江上游徑流、降雨及氣溫的年內變化

分析月降雨分布(圖2e)可得，金沙江上游降雨年內分布極不均勻，降雨量集中分布在6-10月，也即為金沙江上游的汛期，汛期降雨量占全年總降雨量的78.16%。各年代降雨峰值均出現(xiàn)在7月，而徑流量的峰值基本上都出現(xiàn)在8月，即徑流的峰現(xiàn)時間比降雨推遲了一個月，這是由于降雨轉化成徑流之前，要先經過下滲、填洼等一系列過程，這些過程需要大量的時間才能完成。

金沙江上游年溫差極大(圖2f)，從1969至2011年間金沙江上游多年平均氣溫5.01 ℃，年內最大溫差為17.89 ℃，各年代的氣溫峰值均出現(xiàn)在7月，最低氣溫出現(xiàn)在1月。在2001年以后，各月平均氣溫上升趨勢極為明顯，這與20世紀后全球氣候變暖的趨勢相符合。

圖3 金沙江上游降雨量、徑流量及氣溫累積距平

3.2 徑流對氣候變化的響應

對比分析金沙江上游年降雨量與年徑流量累積距平(見圖3a)，可發(fā)現(xiàn)年降雨量和年徑流量的變化過程十分相似，只在極少數階段變化趨勢相差較大，例如在1994年～1996年，且年降雨量與年徑流量的相關系數為0.852(見表2)，相關性十分顯著，說明年降雨量的變化對年徑流量的影響很大；而年徑流量和年平均氣溫的變化過程雖然不是很相似，但在大部分時段的變化趨勢亦相差不大[14]。

對于年內各季節(jié)而言，除冬季以外的春、夏、秋3季的降雨量和徑流量的變化過程均比較一致(見圖2c和2e)，且夏、秋兩季降雨量和徑流量的相關性都超過了0.01的置信水平；因此，降雨量的變化對夏、秋兩個季節(jié)的徑流量影響十分明顯，尤其是對夏季的影響最為明顯。由圖2d和圖2f可看出，春、夏、秋3個季節(jié)的氣溫與徑流量的變化過程在大部分時段比較一致，而冬季的氣溫和徑流量在很多時段變化趨勢均相反，呈負相關。這與表2中的結果也相一致。

表2 金沙江上游徑流量與同期降雨量、平均氣溫相關系數

注：**，在置信度為0.01時，相關性顯著。

總的來說，四季降雨量和徑流量以及年降雨量和年徑流量都呈正相關關系，且年和夏、秋兩季的降雨徑流相關系數均通過了置信水平為0.01的顯著性檢驗。因此，降雨量和徑流量之間呈顯著正相關；而年和四季的徑流氣溫相關系數均沒有通過顯著性檢驗，說明氣溫變化對徑流的影響比較小。

4 結 論

通過分析金沙江上游直門達站與石鼓站1954年～2013年的徑流量以及同期近40 a降雨量和氣溫數據可知：

在1954年～2013年間，年徑流量呈較弱的下降趨勢，而年降雨量和年平均氣溫均呈顯著的上升趨勢，說明除了氣候，可能還有人類活動等影響了金沙江上游的徑流變化。在分析時段內，年徑流量、年降雨量以及年平均氣溫均未發(fā)生突變，說明金沙江上游的徑流變化相對穩(wěn)定。金沙江上游徑流分布在年內極為不均勻，徑流量主要集中在每年的6月～10月，春、冬兩季的徑流浮動比較??；而夏、秋兩季徑流變化十分明顯，夏季徑流量對年徑流量的影響最大，年徑流量的減少主要來源于夏季流量的減少。降雨量年內分布亦極為不均勻，降雨變化對徑流的影響十分明顯，尤其是在夏、秋兩個季節(jié)影響最為明顯；相比之下，氣溫與徑流量之間的關系略差。

在金沙江上游，降雨和氣溫變化均對徑流量產生了影響，降雨的影響最為明顯；而氣溫的影響比較小。本文只探究了降雨和氣溫兩個氣候因子對徑流的影響，以此分析氣候變化對徑流的影響并不是很全面，在未來的研究中，應該更全面地研究各個氣候因子對徑流的影響，全面分析徑流對氣候變化的響應。