博斯腾湖流域气候变化对开都河径流量的影响

赛米热·托合提 迪丽努尔·阿吉 , 2

1 新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054 2 新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，乌鲁木齐 830054

1 引言

气候变化已不再局限在理论上的探讨（秦伯强, 1993），IPCC第五次评估报告指出，气候变暖是毋庸置疑的事实，全球所有地区几乎都有升温现象，从1901～2012年期间全球陆地和海洋温度平均上升了0.89°C（王润等, 2006）。国内学者（张强等, 2000; 丁一汇等, 2006; 秦大河等, 2007）研究表明，20世纪以来中国地表年平均气温升高了0.5～0.8°C，略高于同期的全球平均值。气候变暖影响气候系统各圈层间的关系（李红梅和李林, 2015），尤其对内陆干旱区河流径流量影响较大。全球气候变化所导致的气温升高、降水量变率增加、冰川积雪面积退缩（Yu and Lu, 2015）极大程度影响了区域水资源量及水文循环过程，并直接改变河川的径流过程，使气候变化对径流量的影响研究得到了进一步关注。吴立钰等（2020）研究表明，水量丰沛的年份伊逊河流域径流有稳定的基流，降水量的增加使径流量随之增加，而平、枯水期，降水量下渗，减少地表径流对径流量的补充，从而导致流域径流减少。王玉洁（2017）对西北干旱区典型流域研究显示，径流量与年降水量和年均气温呈显著正相关关系，使黑河和疏勒河流域径流量呈增加趋势。金庆日（2020）对塔里木河流域径流量的研究显示，61年间流域径流量增加了39. 85×108m3，温度变化是影响流域径流的主要气候因素。

博斯腾湖是我国内陆最大的吞吐型淡水湖，也是南疆工农业、居民生活的主要水源地。开都河以粒雪冰的形式储存源头高大山脉的冰雪，并常年向博斯腾湖供水。然而在生态环境中有着多重角色的博斯腾湖近年来面临着一系列的环境问题，气候变暖虽为干旱、半干旱地区带来了湿润的雨季，但也带来了诸多方面的环境问题，不能彻底的改变一个区域的气候特征，反而会使其区域的气候逐渐恶化；流域人口的增加、耕地面积的扩张和各种水利工程等人类活动减少了入湖流量。本文利用博斯腾湖流域具有代表性的气象站及水文站数据，重点对流域年均气温、年降水量、年蒸发量（蒸发皿蒸发）及径流量进行趋势分析和突变检验，系统揭示博斯腾湖流域1980～2018年气候变化对开都河径流量的影响，为博斯腾湖流域水资源保持、合理开发利用和可持续发展提供科学支撑。

2 数据来源与方法

2.1 研究区概况

博斯腾湖位于天山南簏焉耆盆地东南部（荣其瑞, 1989; 努 尔 比 耶·艾 合 买 提 等, 2014; 赵 慧 等,2020），是孔雀河源头也是开都河的尾闾，更是我国最大的内陆吞吐型淡水湖，中心位置在 （41°45'N～42°10'N，86°15'E～86°55'E），流域面积2.7×104km（乔泸等, 2016, 2017; 李波和迪丽努尔·阿吉, 2017）。气候类型属于温带大陆性干旱气候，整个流域干燥少雨，平原盆地降水稀少，多年实测平均降水量约70 mm、年蒸发量达1141 mm、年均气温8.2～10.5°C。开都河是新疆年径流量超过30×108m3的六大河流之一。其中流入博斯腾湖的水量95%均来自开都河，其次来自黄水沟和清水河等（左其亭等, 2003; 夏库热·塔伊尔, 2014;迪丽努尔·阿吉等, 2014）。

2.2 数据来源

本文分析博斯腾湖流域内（图1）焉耆、库尔勒、库米什、和硕、和静、巴仑台、巴音布鲁克和尉犁8个气象站点1980～2018年的年均气温、年降水量和年蒸发量（本文统一将蒸发皿测得蒸发量简称为蒸发量）。原始气象数据来自于中国气象数据网，为逐日资料。本研究先根据逐日数据计算月均值，再得到年均值。原始数据中，2003～2013年4～9月间焉耆、巴仑台、库米什、库尔勒和巴音布鲁克等站点蒸发量数据缺失。本研究使用线性插值法根据3月和10月月值，依次插补得到缺失月份的月值气象数据（插补数据用红色点区分）。开都河径流量数据来自开都河大山口水文站、相关参考文献及新疆统计年鉴。利用Excel、Spss软件进行数据处理、插值和分析，利用Origin2018、Arcgis10. 5软件进行制图。

图1 新疆博斯腾湖流域气象站点分布Fig. 1 Distribution of meteorological stations in the Bosten Lake basin in Xinjiang

2.3 研究方法

2.3.1 线性回归分析法

线性趋势分析法是用一元线性方法描述年均气温、年降水、年蒸发量的变化趋势，即

其中，y为气象要素（年均气温、年降水量、年蒸发量），b为回归系数，x为时间序列。回归系数b表示气象要素y的趋势倾向，b＞0为上升趋势，b＜0为下降趋势。通常用10b表示y的变化速率，单位为°C/10 a或mm/10 a（康丽娟等, 2018）。

2.3.2 M-K突变检验法

Mann-Kendall突变检验法在气候突变的普适定义为：气候从一种稳定状态跳跃式地转变到另一种稳定状态的现象，它表现为气候在时空上从一个统计特性到另一个统计特性的急剧变化（符淙斌和王强, 1992），找出各站点气温、降水和蒸发要素的突变年限，不仅能表明突变开始的时间，同时也能够反映发生突变的区域，在统计中，给定显著性水平α，当UF及UB两条曲线在临界线范围之内存在交点，可认为这一相交点显著，有突变出现。曲线UF＞0，结果呈上升趋势；相反，则呈下降趋势，大于或小于±1. 96，表示上升或下降趋势显著。

3 分析与结果

3.1 气候变化趋势分析

3.1.1 流域气温变化趋势分析

以每5年为变化曲线，分析了博斯腾湖流域年均气温变化。结果显示（图2a-2h），焉耆、和静、和硕、巴仑台、库米什、巴音布鲁克、库尔勒、尉犁最高年均气温依次出现在2017年的11. 13°C、2002年的11. 12°C、2006年的9. 43°C、2007年的8. 36°C、2017年的11. 01°C、1998年的-1. 85°C、2015年的13. 46°C和1999年的11. 88°C，研究时段内流域年均气温最高为2013年的13. 29°C，最低记录则是1996年的-6. 38°C。其中焉耆、和静、库米什、巴音布鲁克和尉犁年均气温变化幅度大，气温呈明显上升趋势，和硕、巴仑台和库尔勒年均气温变化幅度小，除巴音布鲁克年均气温为-4. 11°C外，其余各站点年均气温在5. 38～12. 09°C之间，其变化速率为0. 03～0. 44°C （10 a）-1，均呈上升趋势。气温平均距平值逐年变化显示（图2i、2j），结合表1，整个研究期间流域年均气温为7. 85°C，变化速率为0. 15°C （10 a）-1，流域气温增暖趋势明显。

表1 1980～2018年新疆博斯腾湖流域气温、降水量、蒸发量年际变化速率Table 1 Interannual variations in temperature, precipitation, and evaporation in the Bosten Lake basin, Xinjiang from 1980 to 2018

图2 1980～2018年新疆博斯腾湖流域（a）焉耆、（b）和静、（c）和硕、（d）巴仑台、（e）库米什、（f）巴音布鲁克、（g）库尔勒、（h）尉犁年均气温（点）及其变化趋势（直线），（i）流域年均气温变化趋势及（j）流域年均气温距平Fig. 2 Annual average air temperature (points) and trend (straight lines) in (a) Yanqi, (b) Hejing, (c) Hoxud, (d) Balguntay, (e) Kümüx, (f)Bayanbulak, (g) Korla, and (h) Yuli, (i) annual average temperature trends and (j) yearly changes of the whole Bosten Lake basin, Xinjiang from 1980 to 2018

3.1.2 流域降水量变化趋势分析

年降水量变化趋势（图3a-3h）显示，焉耆、和静、和硕、巴仑台、库米什、巴音布鲁克、库尔勒、尉犁最高年降水量依次出现在2016年的154.50 mm、1992年的161.30 mm、1992年的184.30 mm、2000年的350.70 mm、1998年的108.20 mm、1999年的406.6 mm、2016年的141.10 mm、1987年的151 mm。就降水量变化速率而言，除和硕年均降水量95.65 mm，变化速率为-0.7 mm （10 a）-1外，其余各站点年均降水量在50.31～285.16 mm之间，其变化速率为0.3～3.74 mm （10 a）-1。

除和硕外，其他站点降水量速率均缓慢增加。降水量距平值逐年变化显示（图3i、3j），博斯腾湖流域年降水量呈缓慢增加趋势，整个研究期间年均降水量115.69 mm，增长速率为0.765 mm （10 a）-1，呈较湿润状态。

图3 同图2，但为年降水量Fig. 3 Same as Fig. 2, but for annual precipitation

3.1.3 流域蒸发量变化趋势分析

年蒸发量变化趋势显示（图4a-4h），整个研究期间年蒸发量变化中出现两个最高和最低值，最高值分别是和静2001年的3081.2 mm和库米什1997年的3294.8 mm，最低值则分别是焉耆2002年的1195 mm和巴音布鲁克2018年的727.5 mm。焉耆、和静与和硕年蒸发量变化幅度较小，年蒸发量均处于逐渐下降趋势。就变化速率而言，除焉耆、和硕、尉犁年均蒸发量1843.62～2325.51 mm之间，其变化速率为0. 32～10.31 mm （10 a）-1外，其余站点年均蒸发量均在1091.2～2960.30 mm之间，其 变 化 速 率 为-36.63～-7.38 mm （10 a）-1，2003～2013年4～9月蒸发量插值结果显示，该时段内年均蒸发量2091. 2 mm，变化速率为-5. 65 mm （10 a）-1，呈下降趋势。蒸发量距平值逐年变化显示（图4i、4j），结合表1，整个研究期间流域年均蒸发量为2070.72 mm，变化速率为-11. 6 mm （10 a）-1，蒸发量呈减少趋势。

图4 同图2，但为年蒸发量Fig. 4 Same as Fig. 2, but for annual evaporation

3.2 开都河径流量变化趋势

开都河径流量20世纪50年代至90年代中期总体偏少，后期偏多，径流量变化呈V形（邱慧琼和刘俊, 2016）。从大山口水文站年径流量（努尔比耶·艾合买提等, 2014）、新疆统计年鉴主要河流基本情况等资料中获取开都河年径流量数据，并对其1980～2018年的年径流量数据进行整理分析，结果表明，1980～2018年开都河年径流量为36.77×108m3，呈波动中增加态势（图5a）。自20世纪80年代初至90年代中期，各年径流量处于平均值以下（图5b），20世纪80年代末至90年代初，其径流量增加幅度较小，而20世纪90年代末至2010年开都河径流量处于平均值以上，2010～2018年正负距平均匀出现，表现出年径流量以0.204×108m3（10 a）-1的速率平稳增加。

图5 1980～2018年新疆开都河年径流量（a）变化趋势与（b）距平Fig. 5 (a) Annual trend of runoff volume and (b) yearly change of Kaidu River in Xinjiang from 1980 to 2018

3.3 气候变化对径流量的影响

3.3.1 气候变化趋势对径流量的影响

年均气温和径流量变化趋势分析表明，博斯腾湖流域年均气温持续呈现波动性增温趋势，随流域气温不断上升，开都河径流量也呈波动中增加态势 （图6），2002年流域年均气温为8. 66°C时，其年径流量峰值为57.1×108m3，2003～2018年气温及径流量变化趋向降低，当2007年最高气温为8. 86°C时，年径流量达40×108m3，突破2013～2016年的径流量均值33. 5×108m3。初步认为，流域气温的升高，加速了上游冰川积雪的融化速度，使得开都河径流量出现逐渐增加的明显迹象，此结果与高闻宇（2011）、朱弯弯等（2014）结论基本一致，从1970～2009年对开都河流域冰川面积及其蓄水量研究显示，1970～2000和2000～2009年间冰川面积退缩率为0. 9% a-1和1. 1% a-1，而导致此变化的主要原因是气温的升高。

年降水量和径流量变化趋势分析表明，降水量的缓慢增加，使开都河径流量也呈波动中增加态势 （图6）。博斯腾湖流域最高年降水量为2015年的153.5 mm，最低年降水量为1984年的79.03 mm，整个研究期间年均降水量为115.69 mm，增长速率为0.765 mm（10 a）-1。径流量在1988年、1995年、2001年、2007年、2010年和2018年随相应年份降水量的增加而逐渐增加，伴随流域气候呈现由干转湿的转变。

年蒸发量和径流量变化趋势分析表明，博斯腾湖流域年蒸发量呈减少趋势（图6），最高年蒸发量为1985年的2328.7 mm，最低年蒸发量为2018年的1655.5 mm，整个研究期间年均蒸发量为2070.72 mm，增长速率为-11. 6 mm（10 a）-1。蒸发量在1982年、1989年、1994年、2001年、2005年、2013年出现峰值时径流量出现低值，而蒸发量出现低值时径流量结果相反。

图6 1980～2018年新疆博斯腾湖流域（a）年均气温、（b）年降水量、（c）年蒸发量与开都河径流量变化趋势Fig. 6 Trends of (a) annual mean temperature, (b) annual precipitation, and (c) annual evaporation and runoff of Kaidu River in Bosten Lake Basin, Xinjiang from 1980 to 2018

3.3.2 气候突变对径流量的影响

气温突变检验结果（图7）显示，博斯腾湖流域1980～2018年年均气温与径流量UF、UB值均超出U0.05=±1.96显著性置信区间，甚至超过U0.01=±2.56显著性水平，气温与径流量UF值从1985年开始处于上升趋势，在U0.05=±1.96区间内均有突变点。气温1993年间发生突变，径流量1996年发生突变，自突变年开始气温与径流量增加趋势显著。1996年开始的气温显著增温趋势说明在该时间段气温发生由冷变暖的突变并使年径流量呈明显增加态势。

降水量突变检验结果（图7）显示，1980～2018年年降水量UF、UB值有短期超出U0.05显著性置信区间，除1986年发生的突变外，其余年均不能满足突变要求，不能作为突变点。因此发生突变点为1986年，降水量显著增加，与此同时径流量从1986年开始迅速增加，表明该时间段研究区处于湿润态势。

蒸发量突变检验结果（图7）显示，1980～2018年年蒸发量UF、UB值均超过U0.05和U0.01置信区间。1986～1996年、2009～2018年蒸发量UF值显著下降，1996～2009年显著上升，且UF、UB曲线在U0.05的置信区间内有3个突变点。对比分析发现1991年、2014年不满足突变要求，不能成为突变点，因此蒸发量突变点为1996年，蒸发量出现降低时径流量增加趋势显著。

图7 1980～2018年新疆博斯腾湖流域年均气温、年降水量、年蒸发量及年径流量突变Fig. 7 Abrupt changes in annual mean temperature, annual precipitation, annual evaporation and runoff in the Bosten Lake basin, Xinjiang from 1980 to 2018

3.3.3 气候各要素与径流量的相关性分析

根据表2，气温、降水量、蒸发量和径流量间的相关性分析显示，流域年均气温和开都河年径流量间的相关性最大，相关系数为0. 463，年降水量和年蒸发量呈负相关，相关系数为-0.516，均通过0.01的显著性水平检验；年径流量与降水量相关系数为0.276，与蒸发量相关系数为-0.03，相关性不大。对比分析发现，博斯腾湖流域气候变化对开都河径流量的影响从大到小依次为年均气温＞年降水量＞年蒸发量。

表2 1980～2018年新疆博斯腾湖流域气象因子变化趋势与径流量相关性分析Table 2 Correlation analysis of meteorological factor trends and runoff in the Bosten Lake basin, Xinjiang from 1980 to 2018

4 结论与讨论

2003～2013年4～9月间对流域蒸发量的插值结果显示，插值年内年均蒸发量2091.2 mm，其变化速率为-5.65 mm （10 a）-1，其余年份年均蒸发量2067.8 mm，其变化速率为-7.7 mm （10 a）-1，均呈负值，蒸发量出现降低趋势。

蒸发量增减变化与流域相对湿度和风速有密切联系，结合流域相对湿度和风速研究（表3）发现，流域降水量与蒸发量的相关系数为-0. 516，与相对湿度的相关系数0. 453，均通过0.01的显著性检验；相对湿度与蒸发量呈负相关，相关系数为-0.165；风速与降水量的相关系数为-0. 072，与相对湿度的相关系数为-0. 220，均呈负相关，因此可推断，降水量的增加使流域相对湿度增多，湿润的空气中弱风不易将水汽带到大气，因而降低蒸发速度导致蒸发量的减少。

表3 1980～2018年新疆博斯腾湖流域蒸发量与降水量、相对湿度、风速间的相关性分析Table 3 Correlation analysis between evapotranspiration and precipitation, relative humidity, and wind speed in the Bosten Lake basin, Xinjiang from 1980 to 2018

20世纪80年代和90年代气温处于递增趋势，到90年代末转为正距平；降水量20世纪80年代为-9.70%的负距平，说明此阶段为降水量偏少时期，90年代转为正距平为10.61%，降水量逐渐增加；蒸发量从20世纪80年代正距平转入90年代负距平。气候因子距平百分率与流域内不同区域气候年均变化趋势一致。对径流变差系数分析中得知，开都河流域变差系数为0.17，年径流量变化小，处于平稳状态。努尔比耶·艾合麦提托合提（2015）1960～2012年根据气候变化与人类活动对开都河径流的影响研究得出，不同年代由于人类活动影响时间的不同，自然因素（如：气候变化）在径流增减趋势上占主导地位，后期人为因素占主导地位；洪波等（2015）在相似的研究中得出，气候变化使水量增加，其贡献率为122%，而人类活动使水量减少，其贡献率为22% ，虽然气候变化在径流增减过程中有重要作用，但随社会经济的发展，人类活动将成为影响径流变化的主导因素。

现阶段根据气候变化对径流的影响研究发现，气候变化为博斯腾湖流域添加了湿润的特征，同时也加剧了流域的高温闷热，降水量的增加没有使高温条件有所改善，反而使其越来越高。这种气候变化未来可能会引起一些极端气候事件的发生（王英等, 2006; 王蕊等, 2015; 赵丹丹, 2019），因此进一步研究气候变化对径流量的影响是必要的。本文定量分析博斯腾湖流域气候变化对径流量的关系，得出结论如下:

（1）1980～2018年博斯腾湖流域年均气温呈波动中上升趋势，其变化速率为0.15°C（10 a）-1，相关系数为0.563，增暖趋势显著，年降水量则以0.765 mm（10 a）-1的速率增加，而年蒸发量出现以-11.6 mm（10 a）-1的速率逐渐下降态势，流域气候出现由干向湿的趋势；

（2）开都河径流量对气候因子突变的响应表明，1980～2018年间开都河径流量通过0.05的水平上呈显著增加态势；

（3）流域气候变化与开都河径流量的关系研究表明，流域年均气温和开都河径流量间的相关性最显著，相关系数为0.463，年降水量、年蒸发量与径流量之间相关不大，相关系数分别为0.276、-0. 03。对比分析发现，博斯腾湖流域气候变化对开都河径流量的影响从大到小依次为年均气温＞年降水量＞年蒸发量。