近50年来疏勒河上游气候变化及其对地表径流的影响

2014-01-26徐浩杰杨太保张晓晓

水土保持通报 2014年4期

徐浩杰，杨太保，张晓晓

中国西北干旱区地处欧亚大陆腹地，在过去半个多世纪里气温上升速率达（0.36±0.03）℃／10a，明显高于中国和全球平均值，是气候变化极度敏感区［1－3］。西北干旱区以山地和绿洲荒漠为主体，水资源是制约该区社会经济发展、影响生态安全的关键要素［4］，而干旱区水资源主要来源于山区降水和冰雪融水，其变化对山前中游绿洲带的社会经济发展与下游荒漠带的生态环境演变有至关重要的作用［5］。随着气候变化和人类活动影响的不断加剧，该区干旱化和水资源问题将日益凸显，因此研究干旱区山地气候变化及其对径流变化的影响对指导该区经济社会和生态环境的可持续发展具有重要意义。疏勒河发源于祁连山境内的疏勒南山和陶勒南山之间的沙果林那穆吉木岭，是河西走廊三大内陆河之一，其上游山区位于西北干旱区中部，祁连山区西部，是季风气候区与干旱气候区的过渡地带。疏勒河地表水资源变化直接与山区气候相联系，其数量和质量制约着玉门、瓜州乃至敦煌等中下游地区社会经济的发展规模和水平，进而影响着与地表水、地下水密切相关的生态环境条件的变化［6］。基于此，本文研究了疏勒河上游山区气候要素平均值的年际和季节变化趋势、波动性、突变性和持续性。在径流变化成因分析中，考虑了地下水对径流变化的影响以及径流对气候要素变化的响应，对理解气候变暖背景下出山径流变化规律具有重要意义，研究结果可服务于区域水资源管理和经济社会发展决策。

1 数据与方法

研究区为疏勒河干流出山口昌马堡水文站（96°51′E，39°49′N，海拔2 080m，1946年设站观测）以上流域，流域面积1.16×104km2。选取1961—2010年昌马堡水文站月流量数据用于径流变化特征分析，该数据由甘肃省水文与水资源局提供。为了保证气象资料的同步性和一致性，选取1961—2010年研究区及周边25个标准气象站（未迁站）逐月平均气温和降水量数据，该数据来自中国气象数据共享服务网（http：∥ede.ema.gov.cn）。为了模拟研究区气温和降水量在整个空间上的分布，引入经度、纬度、海拔3个影响气温和降水量时空分布的主要变量，采用AMMRR（多元线性回归＋残差分析）法对气象要素进行空间插值［7］，并利用ArcGIS的空间分析模块，统计研究区气温和降水量的平均状况。按3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2月为冬季，1—12月为全年对气象要素和径流进行时间划分，研究其年际和季节变化特征。Mann—Kendall（M—K）法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量与顺序变量，计算比较简便，可量化序列变化趋势的显著性并明确突变开始时间，被广泛运用于气象和水文要素等的时间序列分析［8］。本研究采用 M—K法研究气温、降水和径流时间序列的年际变化特征及突变性。为了明确时间序列突变开始时间，同时采用5a滑动t检验法［9］对M—K突变检测中存在多个明显交叉点的时间序列进行显著性突变检测。R／S分析法（rescaled range analysis）是一种处理时间序列分形结构的分析方法，常用于气象和水文要素时间序列的变异点和持续性分析［10］。采用R／S分析法研究气温、降水和径流的持续性特征，并预测其未来可能的变化趋势。多元线性回归研究因变量与多个自变量之间的线性关系。采用此方法研究气温、降水与基流对径流变化的影响。由于径流、气温、降水数据量纲不同，使其不具可比性，影响径流变化的权重分析，因此在回归分析前采用标准差标准化消除各变量的量纲。变量经标准化处理后不影响彼此之间的相关性，且自变量线性回归系数的大小在一定程度上反映其对因变量贡献的强弱。

2 结果与分析

2.1 气温变化特征

1961—2010年疏勒河上游山区年均温整体呈波动上升趋势（图1），增温速率为0.455℃／10a，气温变化趋势的M—K值为6.11＞2.57，表明近50a来研究区气温呈极显著上升趋势（p＜0.01）。从气温的年际波动来看，1961—1966年气温呈不显著上升趋势（p＞0.05），并在1966年达到气温的极大值；1967—1986年气温波动性较大，但增温趋势较弱；1986年以后气温呈显著上升趋势（p＜0.05），并在1990年左右发生暖突变。采用R／S分析法研究气温的持续性特征，结果表明气温的Hurst指数为0.93＞0.85，气温变化趋势的持续性极强，未来一段时间内气温将继续保持极显著上升趋势。

图1 疏勒河上游山区年均温的年际变化特征

由图2可见，近50a来研究区四季气温均呈波动上升趋势，春季、夏季、秋季和冬季的增温速率分别为0.228，0.372，0.511和0.715℃／10a。四季气温变化趋势的 M—K值分别为2.40，4.36，5.23和4.86，表明除春季平均气温呈显著上升趋势外，夏季、秋季和冬季平均气温均呈极显著上升趋势，秋季升温趋势最为显著，其次为冬季和夏季；冬季升温速率最快，其次为秋季、夏季和春季。从四季气温的年际波动来看，春季平均气温呈“升高—降低—升高”变化，1961—1975年研究区气温呈不显著上升趋势；1976—1995年研究区气温呈不显著下降趋势；1995年以后气温再次呈上升趋势，2007年以后增温趋势显著。夏季平均气温整体呈先降低后升高变化，1961—1988年研究区气温呈不显著降低趋势；1988年以后气温呈上升趋势，1998年以后增温趋势显著。秋季和冬季气温整体呈持续上升趋势，并分别在1985和1988年以后达到显著性水平。从四季平均气温的突变特征来看，春季、夏季、秋季和冬季平均气温分别于1996，1995，1985和1988年发生暖突变，秋季和冬季暖突变时间相比春季和夏季提前约10a。采用R／S分析法预测未来四季气温的变化情况，结果表明四季平均气温的 Hurst指数分别为0.58，0.83，0.91和0.76，均大于0.5，气温变化具有持续性特征，未来一段时间内研究区四季平均气温的上升趋势仍将持续。

图2 疏勒河上游山区气温的季节变化特征

2.2 降水量变化特征

1961—2010年疏勒河上游山区降水量整体呈波动上升趋势（图3），增长率为16.95mm／10a，降水量变化趋势的M—K值为3.35＞2.57，表明近50a来研究区降水量呈极显著增加趋势。从降水量的年际波动来看，其大致经历了5个变化阶段：增加（1961—1965年）—稳定（1966—1973）—增加（1974—1989年）—减少（1990—1997年）—增加（1997—2010年），2002年以后降水量增加趋势显著。在研究时段内，降水量在1998年发生由少到多的突变。采用R／S分析法研究降水量的持续性特征，结果表明降水量的Hurst指数为0.66＞0.65，其变化趋势的持续性较强，未来一段时间内降水量将继续呈极显著增加趋势。

从疏勒河上游山区四季降水量的年际变化趋势来看（图4），近50a来除春季降水量呈减少趋势外，夏季、秋季和冬季降水量均呈增加趋势，四季降水量变化率分别为－1.04，＋13.41，＋4.01和＋0.573mm／10a。四季降水量变化趋势的 M—K值分别为－0.46，3.34，2.38和2.43，表明除春季降水量呈不显著减少趋势外，夏季、秋季和冬季降水量均呈显著上升趋势，夏季降水量增加趋势最为显著，其次为冬季和秋季；夏季降水量增加速率最快，其次为秋季和冬季。

图3 疏勒河上游山区年降水量的年际变化特征

从四季降水量的年际波动来看，春季降水量呈“增加—减少—增加—减少”变化，两个增加阶段分别为1961—1965年和1978—1987年，两个减少阶段分别为1966—1977年和1988—2010年。夏季、秋季和冬季降水量年际波动形式基本一致，除在20世纪90年代出现减少趋势外，在其余时段均呈增加趋势。从四季降水量的突变特征来看，除夏季和秋季降水量分别于1994和2000年发生由少到多的突变外，春季和冬季降水量不存在显著突变特征。采用R／S分析法预测未来四季降水量的变化情况，结果表明四季降水量的 Hurst指数分别为0.55，0.69，0.66和0.62，均大于0.5，降水量变化具有持续性特征，未来一段时间内研究区四季降水量的变化趋势仍将保持。

2.3 径流量变化特征

1961—2010年疏勒河上游山区年径流量呈波动上升趋势（图5），增长率为1.038×108m3／10a，径流变化趋势的M—K值为3.99＞2.57，表明近50a来研究区径流量呈极显著增加趋势。从径流的年际波动来看，1961—2001年，径流呈不显著增加趋势，期间波动性较大，在1972，1981，1989和1999年出现明显的极大值，在1968，1976和1990年出现明显的极小值；2001年以后，径流呈显著增加趋势，并在2000年左右发生由少到多的突变。采用R／S分析法研究径流的持续性特征，结果表明径流的Hurst指数为0.78＞0.65，径流变化趋势的持续性较强，若研究区气候变化和人类活动依然保持现有趋势或变化更为剧烈时，未来一段时间内径流将与现在保持相同的趋势，即极显著增加趋势。从疏勒河上游山区四季径流量的年际变化趋势来看（图6），近50a来研究区四季径流量均呈波动增加趋势，春季、夏季、秋季和冬季径流增长率分别为1.23×107，5.5×107，2.47×107和1.18×107m3／10a。

春、夏、秋、冬四季径流量变化趋势的M—K值分别为3.71，3.17，3.82和5.7，表明四季径流量均呈极显著增加趋势，冬季径流量增加趋势最为显著，其次为秋季、春季和夏季；夏季径流量增加速率最快，其次为秋季、春季和冬季。从四季径流量的年际波动来看，春季、夏季和秋季径流量波动形式基本一致，20世纪60—90年代中期，径流量呈微弱增加趋势，1995年以后，径流量增加趋势逐渐趋于显著，2000年以后径流量增加趋势十分明显。冬季径流量在1970年以后均呈显著增加趋势，但在20世纪80年代至90年代末径流量增加不明显，2000年以后，径流量呈极显著增加趋势。

从四季径流量的突变特征来看，春季、夏季、秋季和冬季径流量分别于2003，1999，1999和1997年发生由少到多的突变。采用R／S分析法预测未来四季径流量的变化情况，结果表明四季径流量的Hurst指数分别为0.82，0.66，0.75和0.86，均大于0.5，径流变化具有持续性特征，若研究区气候变化和人类活动依然保持现有趋势或变化更为剧烈时，未来一段时间内四季径流量变化趋势仍将持续。

图4 疏勒河上游山区降水量的季节变化特征

图5 疏勒河上游山区年径流量的年际变化特征

图6 疏勒河上游山区径流量的季节变化特征

2.4 径流变化影响因素

疏勒河上游山区各月径流影响因子显著影响径流变化，回归方程均通过p＜0.001的显著性检验（表1）。从各月影响因子的偏回归系数来看，12月至翌年3月基流对径流变化的影响程度普遍高于70%，表明冬季径流主要依靠夏季贮存于土壤和近地表中的地下水补给［11］。4月份径流变化主要受控于基流与当月气温，两者的影响程度分别为62.4%和43.0%，基流对径流的影响程度较冬季和初春开始下降，表明随着气温回升，季节性积雪和冻土开始融化，积雪融水和土壤水开始调节径流变化。5—8月径流变化同时受基流、当月气温和降水量、前月气温影响，但当月气温和降水量已代替基流成为是影响径流变化的主要因素。随着气温和降水量逐渐增加，春末和夏季径流的补给主要来源为降水量和冰雪融水量，在气温最高的7—8月，冰雪融水量对径流的影响程度甚至超过了降水量。值得注意的是，5—7月径流与气温的关系呈现出有趣的现象，表现为当月径流与前一月气温呈反相关，而与当月气温为正相关。当气温较高时，降水固、液态比例将会减小，也就是当月能在地表存留的冰雪减少，其对径流的影响就是增加当月径流，减弱下月径流。在9月份经过雨季降水量的补给，冻土活动层、土壤水和地下水得到充分补给，降水下渗减少而直接补给径流，此外气温下降后冰雪融水补给径流的比例也迅速减少，因此表现为径流变化主要受降水量影响。10—11月降水量和气温回归到低值，基流再次成为影响径流变化的主要因素。

疏勒河上游山区在秋季和冬季气温低于0℃，降水量多以雪的形式降落，此时冰雪融水和降水均无法补给径流，因此秋季和冬季径流补给主要依靠地下水。春季气温快速上升，中低山区气温普遍达到0℃以上，秋季和冬季积累的季节性积雪由于气温升高开始融化并转化为融雪径流。加上春季降水量多以液态水的形式降落，其与积雪融水一起影响春季径流变化。夏季气温较春季进一步升高，高山区气温也普遍高于0℃，冰川、积雪和季节性冻土大量融化并转化为地表径流，加上夏季降水量丰沛，产流丰富，因此夏季径流主要受降水和冰雪融水影响。

表1 疏勒河上游山区各月径流量影响因子回归系数

3 结论

（1）在全球变暖大背景下，近50a来疏勒河上游山区气温变化与全球和中国西北干旱区保持良好的同步性，但升温速率极快，且主要以冬季和秋季增温为主，独特的下垫面条件（低植被覆盖）可能造成了该区地表温度对全球变暖的强敏感性。气温年际波动呈明显的阶段性，20世纪60—70年代气温偏低，1986年以后气温显著上升，并在1990年左右发生暖突变，突变后变暖速率进一步加快。

（2）疏勒河上游山区降水量变化可能受西风、极地环流、青藏高原加热场以及局地气候等多个气候系统影响［5－6］。近50a来研究区降水量整体呈极显著增加趋势，增加幅度接近同期西北干旱区降水量变化的1.8倍［3］且主要以夏季和秋季降水量增加为主。降水量的年际波动同样存在阶段性，20世纪60—70年代，降水量相对偏少，从80年代开始降水量显著增多，但90年代前中期降水量相对偏少，2000年以后降水量再次显著增加。全球变暖可能引起赤道中、东太平洋海温升高，海温升高导致南方涛动减弱，并使得中低纬度Walker环流与Hadley环流减弱，大气环流减弱引起青藏高原热低压减弱，从而使依靠夏季风输送水汽的祁连山东部地区降水减少，而使受行星西风带影响的山区西段降水增加［12］，此外中纬度西风带和北冰洋水汽输送的增强也可能同时引起了该区降水量的显著增加［13］。

（3）疏勒河上游山区气候在20世纪80年代中期由暖干向暖湿转型，气候转型时间与西北干旱区西部基本同步［14］。受暖湿化气候影响，研究区出山径流整体呈显著增加趋势且以夏季和秋季径流增加为主。出山径流量在20世纪60—90年代中期变化平稳，2000年左右径流发生由少到多突变，突变后径流增加趋势显著。冰川物质平衡的年际变化佐证了径流变化结果［15］。疏勒河属冰雪融水和降水混合补给型河流，地下水、降水和冰雪融水是影响径流变化的主要因素，地下水的影响主要体现在冬季和秋季，降水的影响主要体现在5—9月，而冰雪融水（受气温控制）对径流变化的影响主要体现在4—8月。

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