梧州站1959—2005年径流变化对气候变化的季节响应
2019-12-23孙雯王月杨聪剑梁彬兰
孙雯，王月，2，3，杨聪剑，梁彬兰
(1.广西师范大学环境与资源学院，广西桂林541004；2.岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室，广西桂林541004；3.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，广西桂林541004)
全球的气候变化是环境变化的重要部分，一直是全球关注的核心问题。据IPCC[1]第四次评估报告可知，1906—2005年全球地表温度的线性趋势为0.74℃，预计到2100年,全球平均气温将上升1.1～6.4℃。近百年来，全球的气候呈现变暖的趋势变化特征。气候变化会对全球水文循环的现状产生影响，水循环的降水、蒸发、径流、土壤湿度等过程因此而发生改变，引起水资源在时空分布上的重新分配[2]。近年来，多地的气温呈上升趋势，降水呈减少趋势。因此，探究在气候变化影响下，径流变化在不同季节的变化特征，对流域的防汛抗旱减灾工作有重要意义。
有关西江流域气候、径流变化的研究众多，张立杰等[3]在SPEI和SPI指数的基础上研究了西江流域干旱多时间尺度变化特征，得出近50 a来，西江流域大部分地区的干旱强度呈显著加重趋势，夏旱和秋旱更频繁；陈立华等[4]利用M-K法、小波分析等方法分析了西江流域干流的干旱状况变化趋势及特征，得出西江流域干流径流呈减少趋势，且有3类变化周期；刘绿柳等[5]利用HBV-D水文模型对西江流域的逐日径流过程进行了多气候模式、多温室气体排放情景模拟，得出西江流域整体上气温呈增加趋势，降水量与径流量呈减少趋势。前人站在季节性的角度对气候变化下西江流域的径流响应研究较少，主要集中于全年及全流域的趋势分析。作为西江流域干流的重要控制点，梧州站的气象及水文要素可以较好地反映西江流域中游阶段径流在气候变化影响下的变化特征。本文以梧州站为站点，利用距平法、斯皮尔曼秩次相关检验法及R/S分析法，重点分析了西江流域中游气象要素以及径流的变化特征，可为西江流域中游的防汛减灾工作提供决策参考及建议。
1 资料与方法
1.1 数据资料
西江发源于云南马雄山，干流自西向东流，流域面积大，径流丰富，洪峰集中，持续时间长。梧州水文站于1900年1月挂牌成立，集水面积327 006 km2，占西江流域集水面积的94.6%，控制了广西境内85%的来水[7]，研究范围见图1。
资料选取了1960—2005年径流数据及气候要素数据。日径流数据来自于梧州水文站，梧州站地面气象观测站，1960—2005年逐日平均气温、最高气温、最低气温、日降水数据来自于中国气象局国家气候中心。
1.2 研究方法
a) 距平法。距平法常用于判断距离平均值的变化程度，序列x某一时刻t的距平表示为：
(1)
b) 斯皮尔曼秩次相关检验法[10]。该法是水文序列趋势性分析的一种常用方法，其主要是通过分析水文序列αi与其时序i的相关性而检验水文序列是否具有趋势性。在运算时，水文序列αi用其秩次Ri(即把序列αi从大到小排列时，αi所对应的序号)代表，则秩次相关系数为：
(2)
式中n——序列长度;di=Ri-i。如果秩次Ri与时序i相近,则di较小秩次相关系数较大，趋势性显著。
通常采用t检验法检验水文序列的趋势性是否显著，统计量T的计算公式为:
(3)
T服从自由度为n-2的t分布，原假设为序列无趋势， 则根据水文序列的秩次相关系数计算T统计量，然后选择显著水平α，在t分布表中查出临界值tα/2，当|T|≥Tα/2时，则拒绝原假设，说明序列随时间有相依关系，从而推断序列趋势明显，否则，接受原假设，趋势不显著。
c)R/S分析法。根据Hurst指数的大小，可以分析时间序列趋势的成分持久性即长期记忆特征[12]。计算公式如下：
ln(R/S)=Hlna+HlnN
(4)
式中R——极值差；S——标准差；H——Hurst指数；N——时间序列长度。0
2 梧州站气候变化特征
2.1 气温变化特征
将西江流域梧州站1960—2005年逐日气温数据进行5 a滑动平均之后进行线性回归，求得气温变化率。由表1可见，1960—2005年，西江流域中游春季平均气温与平均最高、最低气温均呈下降趋势。其中，日平均最高气温下降最多，为-0.022℃/a，最高气温与平均气温的变化率分别通过了α=0.01及α=0.05的显著性检验，变化特征显著。除春季之外，其余各季节的日平均最高气温及日平均最低气温均有显著上升趋势，且冬季的变化率最高，夏季与秋季的上升幅度均不如冬季。其中，冬季气温变化率分别为0.031℃/a(日平均最低气温)、0.021℃/a(日平均最高气温)、0.027℃/a(日平均气温)。
从整体上看，西江流域中游冬季和夏季的平均日最低气温增加幅度较大，且其增加趋势均为极显著。同时，平均日最高气温的增加趋势也呈显著，但增加幅度小于平均最低温度。平均气温的增加在很大程度上是由于夜间温度的增加，在地面温度的升高过程中，多数地区最低温度的增加幅度明显高于最高温度，表现出日夜增暖的不对称性，使得日温差变小[13-14]。
表1 西江流域中游梧州站气温变化率 单位：℃/a
注：*通过α=0.01显著性检验，**通过α=0.05显著性检验。
2.2 降水变化特征
将1960—2005年间日降水量按月进行汇总，得出西江流域中游径流梧州站的降水量月份分配情况。从图2中可以看出，降水集中的月份集中于汛期，即4—9月，降水量依次为199.82、243.60、228.03、180.05、195.00、97.87 mm，分别占年降水量的12.47%、15.20%、14.23%、11.23%、12.17%、6.11%；枯水期时间段(10月至次年3月[7])降水相对较少，占全年降水总量的19.77%。其中，年平均降水量为1 461.17 mm。
表2为不同年代西江流域中游梧州站四季降水量距平。从表中看出，四季的降水量变化并不平稳。20世纪60年代，春季与冬季降水量较平均值偏少，冬季更甚，而夏秋两季降水量偏多；20世纪70年代，冬季降水量偏少，其余季节较平均值偏多，春季增加量最大，夏季偏多的程度最小；20世纪80年代，夏季降水量偏少，其余季节偏多；20世纪90年代，秋季降水量偏少，其余季节偏多，冬季值最大；21世纪初，除夏季降水量少许偏多之外，春夏秋的值均偏小，且都小于10%。
表2 西江流域中游梧州站降水量距平
将降水量进行5 a滑动平均后线性回归，得出结论:年降水量呈下降趋势，通过了α=0.05显著性检验;西江流域中游四季降水量变化趋势大多不显著，冬季的降水量有增加趋势,秋季的变化率最大，达到了-0.018 mm/a，呈显著减少趋势。
3 西江流域中游径流量季节性变化特征
3.1 径流月份分配情况
西江流域的径流补给主要以大气降水为主[9]。图3列出了西江流域中游径流梧州站的径流量月份分配情况。由图可知，西江流域中游径流的年内分布不均，季节性差异明显，枯水期的径流量远小于丰水期。其中，冬季(上年12月至当年2月)所占比重最小，仅占全年径流总量的7.6%，春季(3—5月)所占比重达到19.55%，夏季(6—8月)所占比重为51.97%，秋季(9—11月)为20.79%。
3.2 季节径流变化
表3为不同年西江流域中游梧州站四季径流量距平。由表可知，1960—2005年，春季的径流量波动变化大。20世纪80年代开始，径流量较平均值的差值减小，90年代开始小于平均值。夏季径流量起伏剧烈，20世纪80年代低于平均值的19.56%，90年代上升至15.33%。秋季径流量呈现先增加后减少的趋势，20世纪70—80年代高于平均值的15%左右，20世纪90年代至21世纪初均小于平均值。冬季径流量起伏不大，21世纪初变化量最大，距平值为9.24%。
表3 西江流域中游梧州站不同年代四季径流量距平
同时，1960—2005年间，整体来看，径流量呈微弱上升趋势，变化率为0.059 m3/(s·a)。除秋季外，西江流域梧州站冬、春、夏季平均径流量则呈现上升趋势，春季变化最大，增长率则依次为0.09、0.039、0.202 m3/(s·a)。四季的径流量变化率均未通过显著性检验，变化趋势并不明显。
4 气候变化对西江流域中游梧州站径流量影响分析
4.1 气候因子与径流量相关性分析
将1960—2005年的梧州站年均气温、降水数据分别与年径流量数据进行相关性分析，得出以下结果。
图4所示，年均气温与年径流量呈负相关，相关系数为-0.049，且未通过显著性检验；年均降水量与年径流量呈正相关，相关系数为0.544，通过α=0.01的显著性检验。由此可见，降水量增加会引起径流量显著增多，气温升高则对径流量影响不大。西南地区夏季洪涝多发，很大一部分原因来自于夏季降水量急剧增多。有研究认为，在全球气候变暖的大背景下，气温升高有可能会加剧水循环过程，促使旱涝灾害的频率和强度增加[15]，同时也将改变水资源的时空分配规律，使得水资源分配不均匀性加剧[11]。
4.2 径流对降水的长程相关性
由上文分析得知，径流量对降水的响应显著。故采用R/S法对由年降水、年径流的趋势进行分析，由计算结果得知，降水量的Hurst指数值为0.25(<0.5)，降水量未来呈负持续性变化，即不显著的增加趋势；而径流量的Hurst指数值为0.34(<0.5)，则径流量也呈负持续性变化，即不显著的减少趋势。
5 结论
a) 梧州站冬、春、夏季气温均有上升趋势，冬季的增幅高于春季和夏季，平均气温增幅达到了0.31℃/10a；冬季和夏季的平均日最低气温增加幅度较大，且其增加趋势均为极显著。平均日最高气温的增加趋势也呈显著，但增加幅度小于平均最低温度。
b) 梧州站四季的降水量变化并不平稳。其中，四季年降水量除冬季外都有减少的趋势，趋势大多不显著。秋季的变化率最大，达到了-0.018 mm/a，呈显著减少趋势。
c) 梧州站冬、春、夏季径流总量都有增加趋势，秋季径流总量则呈现下降趋势，年径流总量的变化率为0.059 m3/(s·a)。但均未通过显著性检验，变化趋势并不明显。
d) 气温与径流量呈负相关，但相关性不明显，未通过显著性检验，降水与径流量呈显著性正相关。由此可见，降水量增加会引起径流量显著增多。并且降水量未来呈增加趋势，径流量呈减少趋势。由于数据量不足，故只选取了1960—2005年进行分析。希望在今后的研究中，在更齐全的数据资料基础上，对整个流域径流量变化进行更全面细致的分析研究。
