金沙江流域近60年气候变化趋势及径流响应关系

卢璐， 王琼， 王国庆， 刘艳丽， 刘翠善

(1.河海大学 水文学院，江苏 南京 210098； 2.中国水利学会，北京 100053；3.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)



金沙江流域近60年气候变化趋势及径流响应关系

卢璐1， 王琼2， 王国庆3， 刘艳丽3， 刘翠善3

(1.河海大学 水文学院，江苏 南京 210098； 2.中国水利学会，北京 100053；3.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

以长江上游金沙江流域为研究对象，采用线性回归法和Mann-Kendall非参数检验法诊断了近60年来金沙江流域气温、降水、径流的演变趋势以及径流对气候要素变化的响应关系。结果表明：①金沙江流域的气温具有显著的升高趋势，年均气温线性增加率为0.025 2 ℃/a，其中，冬季升温最为显著；②降水量呈现明显的丰枯年交替的演变规律，尽管年降水量总体上具有非显著性增加趋势(M-K值为1.48)，但秋季降水量呈现弱减少趋势；③受降水、气温、积雪和冰川等因素变化的影响，金沙江流域的流量总体上呈增加趋势，然而，近20年具有明显的减少趋势；④年和季节降水量与径流具有较好的正相关性，尽管年气温与流量具有不显著的负相关性，但由于气温和降水的季节同步性，季节气温与径流呈现出较好的正相关性。

金沙江流域；气候要素；流量；演变趋势；响应关系

近几十年来，全球气候都在发生着不可忽视的变化，根据IPCC第5次评估报告，1880—2012年间全球地表平均气温大约上升了0.85 ℃，特别是在北半球，增温幅度更加明显，而且1983—2012年可能是过去1 400 a中最暖的30 a[1]。气候变化将会引起水文循环的变化，导致水资源时空分布上的重新分配及水资源总量的改变，引发部分流域极端气候及水文事件的频率和强度增加，加剧了洪旱灾害频发的风险[2-4]。同时，气候变化将可能进一步加剧中国“南涝北旱”的水资源分布格局，使区域洪旱灾害更加突出[5]。

金沙江水能资源丰富，可开发水能资源达9 000万kW，是我国具有重要战略地位的最大水电基地之一。因此，分析金沙江流域气候要素及河川径流演变规律，揭示径流与气候变化的响应关系，对金沙江流域未来水电能源开发、生态环境保护等方面均具有重要的科学意义和现实价值。

本文采用线性回归法、Mann-Kendall非参数检验法等数理统计方法，系统地诊断了近60年来金沙江流域气温、降水、径流的演变特征，初步分析了径流对气候要素变化的响应关系，以期为金沙江流域的开发和管理提供科学依据。

1　资料与方法

1.1研究区概况

金沙江流域位于90°～105°E、24°～36°N，起源于青藏高原唐古拉山主峰格拉丹东雪山，向东流经青海、西藏、云南高原西北部、川西南地区，到四川盆地西南部的宜宾接纳岷江为止，全长2 316 km,流域面积34万km2。流域北以巴颜喀拉山与黄河上游分界，东以大雪山与大渡河为邻，南以乌蒙山与珠江接壤，西以宁静山与澜沧江分水。流域地形广阔，地形极为复杂，高原、盆地、峡谷、丘岭交错其间。植被类型丰富多样，从半荒漠的干旱河谷演变到森林、高山灌木、高山草甸直至高原荒漠。受热带季风、副热带季风以及高原季风的影响，流域气候复杂多样[4-7]。

在流域内及临近周边收集整理了34个雨量站1951—2010年的逐日气温、降水资料以及流域下游控制站攀枝花站逐日实测资料。流域水系及水文、气象站点位置如图1所示。

图1　金沙江流域水系及水文、雨量站位置示意图

1.2研究方法

Mann-Kendall检验方法是一种非参数趋势检验方法，其优点就是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，其适用非正态分布的数据，可判断时间序列中是否具有上升或是下降的趋势，是目前研究水文、气象要素演变趋势较为常见的一种方法[8-9]。因此，本文采用Mann-Kendall非参数趋势检验法结合直观的线性趋势分析方法，诊断金沙江流域的年和季节水文、气候要素的变化趋势，探讨气候变化与径流间的响应关系。

根据气温、降水的年内分配，4个季节定义为：春季(3—5月份)，夏季(6—8月份)，秋季(9—11月份)，冬季(12月至次年2月份)。

2　结果与讨论

2.1金沙江流域气候要素演变趋势

2.1.1气温

图2给出了1951—2010年金沙江流域面平均年气温过程及趋势显著性检验结果。由图2可以看出：①金沙江流域多年平均气温为3.04 ℃，虽然气温年际变化有增有减，但整体呈现上升趋势；2009年气温最高，约为4.60 ℃。②年气温的多年平均线性增加率为0.252 ℃/10 a；在20世纪80年代中期之前，气温变化以波动为主，之后具有显著的升高趋势，线性增加率超过0.500 ℃/10 a。③Mann-Kendall趋势检验结果与年气温变化趋势一致，近60年金沙江流域年气温具有显著的升高趋势，M-K统计值为5.18，远超过置信水平0.05的临界值1.96；自1985年以来，升温趋势尤为突出。

图2　金沙江流域年气温变化过程与显著性检验

表1给出了金沙江流域季节气温1951—2010年的特征值及趋势诊断结果。由表1可以看出：①金沙江流域夏季气温最高，平均气温超过10.00 ℃，冬季气温最低，多年平均气温约为-5.72 ℃，春、秋季气温基本相当，约为3.50 ℃。②季节气温年际变化也较大，特别是春、秋季，如春季最低气温不到1.50 ℃，而春季最高气温接近5.00 ℃，相差超过3.50 ℃；夏季气温变化幅度相对较小，夏季最高和最低气温相差约2.50 ℃。③季节气温均出现显著的升温趋势，M-K统计值均超过置信水平α=0.05的显著性水平检验；就多年平均线性升率而言，冬季气温上升率最大，约为0.331 ℃/10 a，夏季气温升率最小，约为0.176 ℃/10 a。

表1　金沙江流域季节气温1951—2010年的特征值及趋势诊断结果

2.1.2降水

图3给出了1951—2010年金沙江流域面平均年降水量过程及趋势显著性检验结果。由图3可以看出：①金沙江流域多年平均年降水量637 mm，1951—2010年降水量总体具有略微增加的趋势，平均线性增加率为2.075 mm/10 a；年降水量的年际变化较大，最大年降水量约800 mm(1954年)，最小值约550 mm(1992年)。②近60年的年降水量变化趋势诊断结果表明，M-K统计值为1.67，低于置信水平0.05的临界值，说明年降水量呈现非显著性增加趋势；M-K统计值变化过程表明金沙江流域年降水量呈现先减少后增加的趋势。

图3　金沙江流域年降水量过程与显著性检验

表2给出了金沙江流域季节降水量1951—2010年的特征值及趋势诊断结果。

表2　金沙江流域季节降水年际变化特征值及趋势诊断结果

由表2可以看出：①降水主要集中在夏季，多年平均夏季降水量为383.8 mm，约占全年降水量的60%；秋季次之，为145.1 mm；冬季降水量最少，不到年降水量的3%。②季节降水量的年际变化较大，最大季节降水量一般为最小相应季节降水量的1.6～4.7倍，其中，冬季降水量变化差异最为显著。③金沙江流域季节降水量变化趋势并不一致，其中，秋季降水呈减少趋势，平均线性变化率为-1.467 mm/10 a，其他3个季节的降水量呈现增加趋势，其中，春季降水量的线性增加率最大，为3.162 mm/10 a，且增加趋势显著。

2.2近50年来攀枝花站实测流量演变趋势

攀枝花站多年平均流量1 760 m3/s，图4给出了1966—2014年攀枝花站年均流量过程及趋势显著性诊断结果。由图4可以看出：①1966—2014年实测流量整体具有非显著性增加趋势，M-K统计值为1.78，低于置信水平0.05的临界值，多年平均线性增加率为51.7 m3/s/10 a；②流量变化的阶段性也较为明显，尽管1998年之前出现了一个连续4 a的枯水期(1994—1997年)，但总体呈现增加趋势，平均线性增加率为37.5 m3/s/10 a；1998—2010年实测流量的减小趋势显著，平均线性减少率为355.4 m3/s/10 a。

表3给出了攀枝花站季节流量统计特征值和趋势诊断结果。由表3可以看出：①夏季和秋季流量较大，分别为3 138.2、2 483.0 m3/s，冬、春季流量相对较小且基本相当，在700 m3/s左右。②夏、秋季流量的年际变化较大，最大季节流量约为最小季节流量的2.4倍；冬、春季流量的年际变化相对较小，最大季节流量约为最小季节流量的1.4～1.9倍；由此说明，夏、秋季流量以地表径流为主，其变化幅度受降水影响明显，而冬、春季流量以地下径流为主，对降水变化的响应较弱。③ 4个季节的流量均出现增加趋势，春季流量增加趋势显著；夏、秋季流量线性增加率较大，分别约为13.2、11.4 m3/s/10 a。

图4　攀枝花站年平均流量趋势与显著性检验

季节最大值/(m3/s)最小值/(m3/s)均值/(m3/s)线性斜率/(m3/s/10a)M-K值春960．0511．2738．63．62461．946夏4756．81987．33138．213．20201．008秋3592．71455．82483．011．35301．236冬787．4546．7647．91．98451．633

2.3流量与气候要素之间的响应关系

2.3.1年尺度流量与气候要素之间的关系

根据资料序列长度，划分为3个长度接近的时段，点绘了3个阶段的年尺度流量与气温、降水之间的关系，如图5所示。

图5　年尺度流量与气候要素之间的响应关系

由图5可以看出：

1)年气温与流量之间的关系散乱，统计结果表明二者在3个阶段的相关系数均小于0.1。理论上，尽管气温升高可引起蒸发能力增强，进而可导致径流减少，但在年尺度上，二者之间的这种负相关性并不明显。分析认为，金沙江流域存在一定数量的冰川和雪盖，气温升高在增大蒸发损失的同时，也可导致冰川快速融化，进而对径流有一定的补充作用。气温这2个方面的正负影响可能是流量对气温变化不敏感的主要原因。

2)与之相反，年流量与年降水量之间具有较好的正相关关系，二者在3个阶段的相关系数均在0.5以上，达到了显著相关的水平，说明降水是金沙江流域径流的主要来源。降水与径流关系的变化在一定程度上反映了流域人类活动对区域水文的影响，3个阶段的降水-流量关系点群分布并没有明显的差异，说明人类活动等外界非自然因素对区域的年尺度水文影响并不明显。

2.3.2季节尺度流量与气候要素之间的关系

不同尺度的水文过程对气候变化的响应存在差异，图6给出了不同季节月流量与气温、降水之间的响应关系。

图6　季节尺度流量与气候要素之间的响应关系

由图6可以看出：

1)冬季12月份至来年2月份，气温均在0 ℃以下，流量变化平稳，流量以地下径流为主。春季3—5月份，随着气温升高，流量有增大趋势，该时期冰川和积雪的融化可能对径流增加起到一定的作用。在秋季9—11月份，随着气温升高，流量增加，二者具有较好的正相关关系，这与传统认识相悖(流量随气温升高而减小)。气温与降水的相关分析结果表明，秋季的月气温和降水具有较好的正相关性，降水是金沙江流域径流的主要来源，气温较高月份的降水也较大，这应该是流量与气温具有正相关性的主要原因。夏季6—8月份，气温较高，一般在10 ℃以上，流量的变化幅度较大，介于1 000～7 500 m3/s，与气温没有明显的关系。

2)冬季降水较少，流量与降水点群集中；春季降水和流量具有较好的线性关系，相关系数在0.65以上。夏、秋季随着降水量的增多流量增大，二者之间的正相关性明显，然而，在同样的降水条件下，秋季流量明显大于夏季流量。分析认为，这与流域径流的组成和前期退水有很大关系。金沙江流域径流由地表径流、地下径流和融雪(冰)径流组成。夏季地下径流的大小由前期土壤含水量决定，春季降水较少，土壤含水量相对较低；夏季降水较多，土壤含水量则相对较大。因此，秋季的地下径流大于夏季的地下径流，这样，在同样的降水条件下，实测的秋季流量大于夏季流量。

3　结语

在全球变暖背景下，近几十年来金沙江流域总体上具有气温升高、降水增多、流量增大的特点，这与杨烨等[8]在金沙江上游流域的研究结论基本一致。

此外，本文从不同时间尺度分析了径流演变特征及其对气候要素变化的响应关系。金沙江流域流量的丰枯变化受降水、气温、冰雪融化等多种因素的影响，流量与流域的降水量具有显著的正相关性，而气温对径流的影响较复杂，气温升高可导致冰雪融化，提供更多的融雪水资源，但是气温升高又会导致蒸发增大，更多地消耗水资源，使流量减小。

未来气候变化将在时空上改变流域的水文情势，深入分析未来气候变化趋势，科学评估未来气候变化下流域水资源情势是金沙江流域水电开发中亟待开展的重要科学研究。

[1]IPCC.Climate Change 2014:Impacts,Adaptation,and Vulnerability[M].Cambridge,UK:Cambridge University Press，2014.

[2]王荃如,薛联青,王思琪,等.气候变化条件下洪泽湖以上流域水资源演变趋势[J].水资源保护,2015,31(3):57-62.

[3]WANG Guoqing,ZHANG Jianyun,THOMAS C P，et al.Idenepsying contributions of climate change and human activity to changes in runoff using epoch detection and hydrologic simulation[J].Journal of Hydrologic Engineering,2013,18(11):1385-1392.

[4]陈媛，王顺久，王国庆,等.金沙江流域径流变化特性分析[J].高原山地气象研究,2010,30(2):26-30.

[5]李武阶，王继竹，郭英莲，等.金沙江中下游流域面雨量特征分析[J].长江流域资源与环境,2014,23(6):846-853.

[6]何自立.气候变化对流域径流的影响研究:以美国加州圣华金河上游源区为例[D].西安:西北农林科技大学，2012.

[7]唐芳芳,徐宗学,左德鹏,等.黄河上游流域气候变化对径流的影响[J].资源科学,2012,34(6):1079-1088.

[8]杨烨,陆桂华,吴志勇,等.金沙江上游流域水文循环要素变化特征分析[J].水电能源科学,2012,30(3):8-10.

(责任编辑：乔翠平)

Trend of Climate Change over the Recent 60 Years and its Hydrological Responses for Jinsha River Basin

LU Lu1, WANG Qiong2, WANG Guoqing3, LIU Yanli3, LIU Cuishan3

(1. College of Hydrology, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Chinese Hydraulic Engineering Society, Beijing 100053, China; 3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

Taking the Jinsha River Basin as a study area, the variation trends of temperature, precipitation, runoff over the recent 60 years were detected by using linear regression and Mann-Kendall test, and hydrological responses to climate change were investigated at different temporal scales. The results show: ① The annual temperature in Jinsha River has a significant rising trend with a linear rising rate of 0.025 2 ℃/a and the most significant rising occurs in winter; ② The annual precipitation exhibits an alternative occurrence of wet and dry. Although an insignificant increasing trend is detected with the M-K value of 1.48, but the seasonal precipitations in general have an increasing trend with exception of autumn precipitation; ③ Affected by changes in precipitation, temperature, snow and glaciers and other factors, the flow rate in Jinsha River Watershed increased generally, however, the past 20 years has a significant decreasing trend; ④ The annual and seasonal precipitation and runoff have good positive correlation. Although the annual temperature and flow rate have no significant negative correlation, but because of the seasonal synchronization of temperature and precipitation, the seasonal temperature and the runoff show a good positive correlation.

Jinsha River Basin; climatic elements; discharge; variation trend; response relationship

2016-07-05

全球变化及应对国家重点研发计划(2016YFA0601501)；国家自然科学基金项目(41330854，41371063)；国际科技合作项目(2014DFA71910)联合资助。

卢璐(1991—)，女，湖北黄石人，硕士生，主要从事水文水资源方面的研究。E-mail：2455387933@qq.com。

王国庆(1971—)，男，山东成武人，教授，博导，主要从事气候变化和水文水资源方面的研究。E-mail：gqwang@nhri.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.003

TV11；P333.6

A

1002-5634(2016)05-0016-06