金沙江上游近60年径流变化对气候的响应

魏晓玥，黄晓荣，2，潘 荦，张 浪

(1.四川大学水利水电学院，四川成都610065；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065)

由于洪水、干旱、风暴和极端温度对人类社会的巨大影响，极端气候事件引起了公众、政府和学术界越来越多的关注。气候变化最重要的影响之一可能是区域水文循环的变化以及之后河流流量的变化。例如，洪水和低流量。水在社会和自然中的巨大重要性强调了了解气候变化如何影响区域供水的必要性。

近年来，国内外已经开展了许多研究来描述径流量的变化趋势。孙悦[1]等分析了渭河上游径流的变化特点及其对气候驱动因子的响应；Gustavo Marini[2]等对美国东北部地区径流的变化趋势以及变异性进行了分析；Yurong Hu[3]等研究了1959年～2008年黄河源区水文情势的变化及其与当地气候的联系。本文选取金沙江上游两个代表水文站1954年～2013年的径流量资料以及对应气象站点近60 a的降雨和气温资料，对金沙江上游径流的变化以及与当地气候之间的关系进行了研究。

1 研究区域和数据

从青海省玉树州直门达直至云南省石鼓镇为金沙江的上游，上游河段总长965 km。金沙江上游为典型的高寒地带，人为活动较少，其气候及生态环境的变化直接影响着“三江源”地区资源开发利用和经济建设[4]。本文的径流资料采用金沙江上游直门达和石鼓两个水文站1954年～2013年的逐月径流量数据，选取玉树、清水河、石渠、巴塘、德格、稻城和丽江站等7个气象站与水文站同时段近40 a的年降雨和年平均气温数据，并对资料中缺测的数据进行了修正。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall检验法

如果x1，x2，…，xn是长度为n的时间序列，则M-K检验的统计量

(1)

(2)

(3)

式中，Z为一个正态分布统计量；Var(S)为方差。在显著性水平为α的双尾检验中，若|Z|>Z1-α/2，则拒绝原假设。即，序列有显著的上升或下降趋势[5]。

2.2 Mann-Kendall突变分析法

M-K分析仅考虑要分析的序列x1，x2，…，xn中所有项的相对值。对于每个项，Pi计算为序列中其值超过xi的后续项数量，M-K秩序统计量

(4)

在无趋势的零假设下，dk为正态分布统计量，其均值E(dk)及方差Var(dk)为

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

(5)

Var(dk)=k(k-1)(2k+5)/72,2≤k≤n

(6)

基于上述假设，统计量

(7)

根据序列的逆序可以计算得到统计量UB，绘制出UF和UB曲线，如果UF和UB两条曲线在临界线之间出现交点[6]，则交点对应的时刻即为突变开始的时间。本文采用0.05置信水平，临界值为±1.96[7]。

2.3 累积距平法

如果x1，x2，…xn是长度为n的时间序列，则时刻t的累积距平为

(8)

(9)

3 结果与分析

3.1 径流、降雨和气温的变化

3.1.1年际变化

从1954年～2013年间，金沙江上游的年径流量浮动变化极大，但总体呈微弱的下降趋势(图1a)，未通过显著性检验见表1[8-9]；年径流量5 a滑动结果显示(见图1a)，金沙江上游年径流量在1954年～2013年间的不同时期呈上升或减少的趋势，且增加和减少的趋势交替出现。分析图1b和图1c可知，年降雨量和年平均气温总体均呈明显的上升趋势，且增加趋势均通过了显著性检验(见表1)，并与年径流量一样均具有分阶段变化的特点，年平均气温的上升趋势相比年降雨量更为明显。这符合近些年来气候不断变暖的特点。

由金沙江上游年径流量M-K突变检测结果(见图1d)可知，金沙江上游的年径流UF和UB曲线均只有少数几个点在临界线之外[10]，尽管2条曲线存在几个交点；但都没有超出临界线的情况。这说明两站年径流量在95%置信区间内无突变点[11]，据此得出金沙江上游径流量的变化相对较稳定[12]，年降雨量和年平均气温在95%置信区间内亦无突变(图1e、1f)。

表1 金沙江上游M-K趋势检验

注：*表示达到5%显著水平。

3.1.2年内变化

对金沙江上游各年代径流的年内分配曲线进行分析(见图2a)可看出，金沙江上游径流的年内分布十分不均匀，径流量集中在每年的6月～10月，约占全年径流量的70%左右[13]；因此，每年的6月～10月为金沙江上游的汛期。由图2a可以看出，除20世纪80年代年内分配曲线呈6月和9月的双峰结构外，其余各年代的径流年内分配均呈8月为峰值的单峰结构，且峰型十分陡峭；除此之外，亦可看出金沙江上游的月径流量在1990年和2000年左右发生了两次大的转变，1990年以前月径流量一直在下降，之后又不断地增加，而2000年以后又大幅下降。由图2b可知，上游汛期的径流量占全年径流量的百分比浮动很大，总体呈极微弱的下降趋势。这说明金沙江上游近60年来汛期径流量占比大的趋势未发生明显改变，径流量年内分配一直很不均匀。

图1 金沙江上游年径流、降雨、气温趋势变化及M-K突变检测

从年内各季节来说，在近60年来的径流变化中，夏季径流量变化最大，秋季次之(图2c)，春、冬两季的径流量浮动都很小，但均未通过显著性检验(见表1)。年内径流量主要集中在夏秋两个季节(2d)，分别占了全年径流量的45%和35%左右，冬季径流量占全年总径流量的百分比最小，但与春季相差不大。总的来说，夏季径流量在全年各季节中变化最大，且占全年总径流量的百分比也最大，说明夏季径流量对年径流量的影响最大，年径流量的减少主要来源于夏季流量的减少。

图2 金沙江上游径流、降雨及气温的年内变化

分析月降雨分布(图2e)可得，金沙江上游降雨年内分布极不均匀，降雨量集中分布在6-10月，也即为金沙江上游的汛期，汛期降雨量占全年总降雨量的78.16%。各年代降雨峰值均出现在7月，而径流量的峰值基本上都出现在8月，即径流的峰现时间比降雨推迟了一个月，这是由于降雨转化成径流之前，要先经过下渗、填洼等一系列过程，这些过程需要大量的时间才能完成。

金沙江上游年温差极大(图2f)，从1969至2011年间金沙江上游多年平均气温5.01 ℃，年内最大温差为17.89 ℃，各年代的气温峰值均出现在7月，最低气温出现在1月。在2001年以后，各月平均气温上升趋势极为明显，这与20世纪后全球气候变暖的趋势相符合。

图3 金沙江上游降雨量、径流量及气温累积距平

3.2 径流对气候变化的响应

对比分析金沙江上游年降雨量与年径流量累积距平(见图3a)，可发现年降雨量和年径流量的变化过程十分相似，只在极少数阶段变化趋势相差较大，例如在1994年～1996年，且年降雨量与年径流量的相关系数为0.852(见表2)，相关性十分显著，说明年降雨量的变化对年径流量的影响很大；而年径流量和年平均气温的变化过程虽然不是很相似，但在大部分时段的变化趋势亦相差不大[14]。

对于年内各季节而言，除冬季以外的春、夏、秋3季的降雨量和径流量的变化过程均比较一致(见图2c和2e)，且夏、秋两季降雨量和径流量的相关性都超过了0.01的置信水平；因此，降雨量的变化对夏、秋两个季节的径流量影响十分明显，尤其是对夏季的影响最为明显。由图2d和图2f可看出，春、夏、秋3个季节的气温与径流量的变化过程在大部分时段比较一致，而冬季的气温和径流量在很多时段变化趋势均相反，呈负相关。这与表2中的结果也相一致。

表2 金沙江上游径流量与同期降雨量、平均气温相关系数

注：**，在置信度为0.01时，相关性显著。

总的来说，四季降雨量和径流量以及年降雨量和年径流量都呈正相关关系，且年和夏、秋两季的降雨径流相关系数均通过了置信水平为0.01的显著性检验。因此，降雨量和径流量之间呈显著正相关；而年和四季的径流气温相关系数均没有通过显著性检验，说明气温变化对径流的影响比较小。

4 结 论

通过分析金沙江上游直门达站与石鼓站1954年～2013年的径流量以及同期近40 a降雨量和气温数据可知：

在1954年～2013年间，年径流量呈较弱的下降趋势，而年降雨量和年平均气温均呈显著的上升趋势，说明除了气候，可能还有人类活动等影响了金沙江上游的径流变化。在分析时段内，年径流量、年降雨量以及年平均气温均未发生突变，说明金沙江上游的径流变化相对稳定。金沙江上游径流分布在年内极为不均匀，径流量主要集中在每年的6月～10月，春、冬两季的径流浮动比较小；而夏、秋两季径流变化十分明显，夏季径流量对年径流量的影响最大，年径流量的减少主要来源于夏季流量的减少。降雨量年内分布亦极为不均匀，降雨变化对径流的影响十分明显，尤其是在夏、秋两个季节影响最为明显；相比之下，气温与径流量之间的关系略差。

在金沙江上游，降雨和气温变化均对径流量产生了影响，降雨的影响最为明显；而气温的影响比较小。本文只探究了降雨和气温两个气候因子对径流的影响，以此分析气候变化对径流的影响并不是很全面，在未来的研究中，应该更全面地研究各个气候因子对径流的影响，全面分析径流对气候变化的响应。