气候变化背景下石羊河下游径流特征

李兴宇 丁文魁 蒋菊芳 任丽雯 杨华 程倩 王鹤龄

摘要：利用近50年石羊河下游蔡旗水文站径流观测资料和该站上游凉州、古浪、乌鞘岭、永昌4个气象站气温、降水、蒸发量观测数据，运用累计距平、Mann-Kendall（M-K）突变检验、Morlet小波分析和皮尔逊相关系数法分析气候变化背景下石羊河下游径流量的变化特征。结果表明，石羊河的径流变化存在2年、4年、22年变化周期，其中以22年时间尺度径流的变化最为明显，径流量在该尺度上表现为丰水期-枯水期-丰水期-枯水期-丰水期交替变化，截至2017年，径流量表现持续增加趋势。流域内气温、蒸发量呈上升趋势，降水量变化趋势平稳，三者变化周期较一致，在2年、3年、4年、5年、20年、22年等年际和年代际尺度上，径流量变化与气温、蒸发量变化呈显著负相关关系，且时间尺度越大相关性越强;降水量在年际和多时间尺度上对径流量变化有一定影响，但2-5年时间尺度上无明显相关性，20年、22年时间尺度上却呈显著负相关关系，说明石羊河径流量变化可能还与除气候变化外的人类活动等其他因素有很大关系。

关键词：气候变化;石羊河流域;径流;特征;气温;降水;蒸发量

中图分类号：S273.29 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）18-0286-08

收稿日期：2019-09-18

基金项目：国家自然科学基金（编号：41775107、41275118）;公益性行业（气象）科研专项（重大专项）（编号：GYHY201506001-2）。

作者简介：李兴宇（1990—），男，甘肃古浪人，硕士，工程师，主要从事农业与生态气象业务和科研工作。E-mail：Daniel_0817@126.com。

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC） 第5次报告指出，全球变暖加剧[1]，且在北半球中纬度地区尤为明显[2]。区域气候条件变化会直接影响陆-气水循环结构，使水资源系统配置的时空分布发生变化，进而导致区域水资源问题更加突出[3-6]。近几十年来，我国西北地区气候总体向偏暖偏湿方向发展，气温、降水、蒸发量等气候要素发生明显变化，对径流变化影响显著[7-11]。

近年来，许多学者利用时间序列分析方法通过分析水文观测资料研究石羊河径流变化情况。郭静等利用小波分析法，指出石羊河流域8条支流出山口径流的周期变化特征，指出石羊河各支流出山口径流变化的主要周期是45年和30年[12]。杨正华利用石羊河流域8个出山口长度为55年的水文资料，对石羊河各支流径流长期变化趋势进行显著性检验，指出流域内各支流出山口径流变化呈减少趋势[13]。还有学者结合流域内气象观测资料，分析径流变化与气候演变的关系，刘明春等以石羊河流域支流西营河为例，分析1961—2009年径流变化趋势、年内分配特征与气象因素间的关系，指出汛期内气温升高伴随的蒸发量增大对径流量的减少起主导作用，气候变暖较不利于流域内径流量的增加[14]。周俊菊等研究了石羊河上游出山径流对气候变化响应的情况，指出石羊河上游天祝出山口径流量呈微弱波动并减少的趋势，在1956—2009年中存在3个丰水期、2个枯水期，出山径流量变化与降水量呈显著正相关关系，与气温、蒸发量变化呈显著负相关关系[15]。以上研究多是以石羊河各支流出山口径流观测数据为对象，讨论径流变化特征及其与气候变化的关系。目前来看，针对气候变化背景下石羊河各支流在祁连山区汇流穿过河西走廊平原地区抵达下游时演变特征的研究[16-17]并不多。位于石羊河中下游的蔡旗断面是评判流域水文状况的重要位置，上游河道所有来水在这里汇集后流入红崖山水库，这里的来水量与下游民勤绿洲生态安全密切相关，研究蔡旗断面径流变化状况及其与流域上游气候变化的关系，对保护流域生态平衡具有现实意义。

1 研究区概况

石羊河古称谷水，位于我国西北地区甘肃省，属干旱、半干旱气候过渡带，东以乌峭岭、毛毛山、老虎山与黄河流域为界，西以大黄山、马营滩与黑河流域为界。水资源是影响当地社会发展和人们生存的重要自然资源，同时也是区域经济增长和自然生态可持续发展的重要瓶颈。石羊河河流水系全长 250 km 左右，自西南向东北贯穿甘肃省武威市、金昌市，行政区划上包括金昌市永昌县，武威市凉州区、民勤县、古浪县及天祝县的一部分。石羊河主要支流包括大靖河、古浪河、黄羊河、金塔河、西营河、东大河以及西大河，是河西走廊第三大水系。石羊河發源于东部祁连山区冷龙岭北麓大雪山，位于上游的祁连山区自然降水资源丰富，还拥有约65 km2的冰川和残留林木，充沛的降水量和冰雪融水成为整个河系的重要水流补给。中游流经河西走廊平原地区，形成凉州、永昌等绿洲，灌溉农业较为发达。流域下游为民勤绿洲，拥有亚洲最大的沙漠水库红崖山水库和青土湖等终端湖（图1）。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本试验所用的石羊河流域蔡旗水文站1967—2017年径流量数据为甘肃省武威市水务局累年实测数据。气温、降水量、蒸发数据来自流域内凉州、古浪、乌鞘岭、永昌4个国家基本气象观测站逐年平均（合计）资料。

2.1 研究方法

2.1.1 累计距平

累计距平是在时间序列距平值的基础上，按年序叠加得到的距平累计序列。累计距平持续增大表明该时段序列持续为正;累计距平持续减小表明该时段序列持续为负[18]。

2.1.2 M-K检验

M-K检验是非参数统计检验方法，由时间序列标准化统计量（UF值）及其反序列的标准化统计量（UB值）判断序列变化趋势，UF值与UB值2条曲线在置信区间内的交点确定为突变点。当突变点通过置信检验，若UF>0，表示增加趋势;若UF<0，表示减少趋势[19]。

2.1.3 Morlet小波分析

Morlet小波是一种使用普遍的复值小波，母函数为Ψ（t）=e-t22eiω0t（t为时间长度，在本研究中的单位为年;i为虚数;ω0为无量纲频率），是经Gauss函数平滑得到的谐波，比实值小波更为实用[20]。本研究采用Morlet小波变换方法分析多时间尺度下径流量和气候要素的变化周期。

2.1.4 Pearson相关分析

相关分析法可以度量不同序列关系密切程度，Pearson相关系数用于度量2个序列之间的相关性。相关系数定义为2个变量协方差和标准差的商[21]。

3 径流变化趋势和多时间尺度特征

3.1 径流总体变化趋势和突变性

为了解径流总体变化趋势，计算50年间蔡旗水文站年平均径流量和累计距平值。时间序列突变性分析采用M-K突变检验方法，置信度水平为005，置信区间[-1.96，1.96]。从图2可以看出，过去50年中，石羊河年径流量呈明显非线性变化，总体呈减少趋势，大致经历了丰水期-平水期-枯水期-丰水期4个变化阶段：1967—1975年累计距平曲线上升，对应第1个丰水期;1976—1990年累计距平曲线起伏不大，整体呈微弱减小趋势，15年中径流量接近多年平均值，为平水期;1991—2009年，累计距平持续下降，年径流量不断减少，石羊河枯水期长达19年，枯水期持续时长超过水文记录时长（50年）的1/3;而2010—2017年，年径流累计距平曲线持续回升，年径流量高于多年平均值，迎来第2个丰水期。

图3结果较好地对应了累计距平曲线所反映的径流变化趋势。蔡旗径流在1973年发生突变并通过0.05置信度水平的置信检验（UF<0），序列由波动变化转为明显减少，证实了1967—1975年为第1个丰水期的可靠性;而在1974—1993年，UF曲线上下震荡变化，总体为下降趋势，下降速度较缓，较好地对应了1976—1990年的平水期;此后直到2007年，UF曲线呈明显下降趋势，说明径流量明显减少，很好地证明了石羊河在1991—2009年经历了枯水期;自2008年开始，UF曲线呈现明显上升趋势，虽然尚未发生突变，但能说明石羊河径流量有变大趋势，这与累计距平曲线呈现的第2个丰水期非常一致。

3.2 径流的多时间尺度特征

为了解径流量在多时间尺度上的周期变化特征，利用Morlet小波对石羊河径流序列进行小波变换分析，得到其小波变换系数的实部等值线（图4-a）和功率谱（图4-b）。

由图4-a可知，径流量变化在多个时间尺度上存在周期性变化特征，主要表现为22年尺度周期变化，另外在部分时段还有微弱的2年、4年、5年3类变化尺度。结合图4-b可知，2年、4年、22年的功率谱值通过0.05置信水平显著性检验，根据各尺度周期功率谱值大小，22年尺度为第1主周期，4年和2年尺度分别为第2和第3主周期，这2个主周期功率谱值虽然通过了显著性检验，但是仅出现在1970年之前和2000年之后的个别时段，属非全域周期，因此只讨论22年尺度的周期特征。

22年周期在整个变化时段表现最为明显，具有全域性。50年中径流变化在该周期尺度上经历了5个强弱变化时期，在整个时间域内交替出现3个高值中心和2个低值中心，分别对应3个强变化时期和2个弱变化时期，表明石羊河径流量在过去50年里经历了丰水期-枯水期-丰水期-枯水期-丰水期交替变化。高值中心依次为1969年、1991年、2015年，这3年属于丰水期，其中第3个为强变化时期，截至2017年仍处在未闭合等值线圈，说明石羊河目前仍处在丰水期，径流量有持续增加的趋势;低值中心分别是1980年和2004年，这2个时期径流量偏少，石羊河处于枯水期。

4 气候趋势特征及其突变性和周期性

4.1 石羊河流域年均气温变化

图5-a反映了1967—2017年间石羊河流域年平均气温变化情况，近50年里，年平均气温呈明显的线性上升趋势（3次多项式拟合曲线：y=-105x3+0001 6x2+0.001 2x+3.938 2，r2=0.761 4），尤其从1997年开始，年平均气温持续升高。M-K突变检验结果（图5-d）表明，气温在1996年发生突变且通过0.05置信度水平的显著性检验（UF>0），UF曲线在此后持续上升，流域气温不断升高，检验结果与气温变化特征一致。通过计算不同时间尺度气温变化功率谱密度（图5-g）发现，石羊河流域气温变化依次存在明显的21年、19年、4年、3年和3年周期性变化特征。

4.2 石羊河流域降水变化

降水量在年際和年代际尺度上变化均比较平稳，呈微弱线性增加趋势（3次多项式拟合曲线：y=-0.008 0x3+0.086 1x2-2.248 0x+298.170 0，r2=0298 0）。结果表明，径流变化总体经历了先减少后增多的过程，具体为1967—1985年缓慢减少，大多时段低于历年值，自1986年开始缓慢增多，到2002年开始高于历年值（图5-b）。分析M-K突变检验结果（图5-e）发现，降水在1967年、1994年、2002年、2009年、2013年和2015年发生多次突变，均未通过0.05置信度水平显著性检验，突变不显著。UF曲线的变化趋势和降水量变化特征有较高的一致性，进一步说明近50年中石羊河流域降水较为稳定，变化不大。在周期变化上表现有23年、18年、5年、30年的变化特征。

4.3 石羊河流域蒸发量变化

蒸发量变化趋势（图5-c）与气温的变化趋势一致性很高，二者相关系数为0.723**（**代表通过了0.01置信度水平的显著性检验，下同）。蒸发量呈线性增加趋势（3次多项式拟合曲线：y=-0001 3x3+0.055 5x2+4660 5x+1 859.800 0，r2=0.355 0）。在1986—1990年间共计发生3次突变，但是均未通过0.05置信度水平的显著性检验（图5-f）。而在第3次突变发生后UF曲线持续上升，从1996年开始UF>1.96，蒸发量明显增多。蒸发量在周期特征上表现出17年、23年、27年、3年、4年共5个时间尺度（图5-i）。

前述得出气温、降水、蒸发量的变化趋势和周期特征与蒋菊芳等研究结果[22-23]一致。

5 径流与气候变化的关系

5.1 径流与气候变化的年际关系

径流量对流域内气候变化十分敏感，尤其是内陆河[24]。蔡旗径流序列与流域上游气温、降水、蒸发量的相关系数分别为-0.401**、0.206、-0.534**。结合前文得出气温和蒸发量显著正相关关系的结果，可知气温、蒸发量变化对流域径流量影响明显：气温越高（低）伴随蒸发量越多（少），对应有径流量减少（增加）;降水量偏多（少），虽然对径流增加（减少）存在正向有利作用，但相关性不显著。由图6可知，径流波动趋势较气候要素变化更明显剧烈，说明50年中在年际变化上可能还有除气候变化外的其他要素影响径流变化，例如农业产业结构、作物种植结构和人为调控调水等[25-26]。

5.2 不同时间尺度上径流量与气候变化的关系

综上所述，气温、降水、蒸发量变化都存在1个准22年的主要变化周期，与径流量变化的22年周期相同;此外，径流量变化的周期特征还在2年、4年等年际尺度上与各气候因子存在很大相似性，这与丁贞玉等的研究结果[23]一致。充分说明径流量与气候因子之间存在相互影响的关系，气候变化直接或间接地影响径流量变化。

因此，结合前文中得出的各要素变化周期，分别计算径流量与气温、降水、蒸发量在2年、3年、4年、5年、20年、22年时间尺度上的皮尔逊相关系数（表1），以便进一步了解径流量变化在不同时间尺度上与气温、降水、蒸发量各气候要素变化间的关系。

结果表明，径流量变化与气温、蒸发量在各个时间尺度上都有显著的负相关关系，且随着时间的增加相关性越来越密切，进一步说明气温起伏和蒸发量的变化直接影响着径流量的变化，在各个时间尺度上都表现出气温偏高伴随蒸发量增大，径流量减小;气温降低伴随蒸发量减少，径流量增加。而径流量演变与降水量变化在2～5年时间尺度上的相关性均不显著，但在20年、22年时间尺度上却存在显著负相关关系，这与一般降水量与径流量间的相互关系不符合，这可能说明石羊河径流量变化与近年来西营河人工输水、景电二期工程延伸向民勤调水及其他人类活动影响密切相关[27-29]。

本研究仅在气象条件变化的情景中讨论了石羊河径流变化状况及其与不同气候要素间的关系，但是流域内径流量的演变还受到水资源调配模式、从其他河道人工输水、兴建水电工程等多种人类活动的影响。因此，在讨论气象条件变化的同时应考虑人类活动对径流变化的影响，对有效保护石羊河流域水资源生态环境和优化水资源调控模式具有深远意义，这将是下一步的工作。

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