白河流域年径流量对气候变化的响应研究

王春学 , 陈 超 , 李小兰 , 秦宁生 , 庞艳梅

（1. 四川省气候中心/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 成都 610072；2. 中国气象局成都高原气象研究所, 成都 610072）

引言

黄河是中国第二大河流，流域大部分地区为干旱半干旱区，流域内水资源短缺，生态环境脆弱[1]，20世纪70年代以来，黄河中上游的径流量呈显著减少趋势[2-4]。研究表明，黄河流域径流量变化主要受气候变化影响，其中20世纪90年代黄河源区径流量减少是气温上升和降水减少共同造成的[5-7]。保卫黄河是事关中华民族伟大复兴和永续发展的千秋大计，黄河流域生态保护和高质量发展已经上升为重大国家战略[8]。一些研究指出，黄河流域径流量有增多的变化趋势[9-11]，但也有研究认为未来60年黄河流域径流呈微弱的减少趋势[12]。近年来，在全球气候变暖和日趋频繁的人类经济活动的共同影响下，黄河源区的生态结构受到严重破坏，生态系统功能显著退化[13-15]。

白河是黄河的一级支流，发源于巴颜喀拉山东端，由南往北流经红原，在若尔盖的唐克镇附近流入黄河，流域面积5488 km2，干流全长270 km[16]。白河流域位于九曲黄河第一湾，是黄河上游湿润区之一，具有水源涵养、补给和调节区域气候等重要功能，在维持黄河流域水资源和生态安全方面发挥着关键作用[17-18]。以往有关白河径流的研究比较少，多关注径流年内分配、丰（枯）水期年代际波动、径流预报以及气候变化和人类活动对白河径流变化的影响等方面[19-20]，有关未来白河流域径流量变化的预估研究鲜有报道。本研究拟利用第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）数据，预估不同典型浓度路径下未来白河流域年径流量变化，以期为白河流域水资源合理开发利用提供科学依据，为黄河流域生态保护和高质量发展提供科学参考。

1 资料与方法

（1）观测数据包括1981~2012年唐克水文站的年径流量资料，1961~2012年若尔盖、红原和阿坝气象站的平均气温、最高气温、最低气温和降水量资料。水文站和气象站分布如图1所示。

图1 白河流域气象站（点）和水文站（十字）分布

（2）模式资料来自国家气候中心发布的《中国地区气候变化预估数据集》[21]，主要使用了CMIP5的21个全球气候模式集合平均资料，1961~2005年为模拟回算数据，2006~2100年为预估数据，分辨率为1°×1°，分低（RCP2.6）、中（RCP4.5）、高（RCP8.5）3种典型浓度路径，利用双线性插值将模式资料插值到气象站点上。本研究以1986~2005年为基准期，分别以2021~2040年、2041~2060年、2081~2100年代表21世纪前、中、末期。

2 结果与分析

2.1 白河流域年径流量变化特征

图2为1981~2012年唐克站年径流量逐年变化和10 a低频高斯滤波曲线。如图所示，年径流量有明显的年际波动和年代际变化特征，20世纪80年代初期年径流量处在最多阶段，其中1983年最大（36.2×108m3），随后呈逐渐减少趋势，2002年最小（2.6×108m3），2006年以后又呈缓慢增加趋势。

图2 1981~2012年唐克站年径流量逐年变化（实线）和10 a低频高斯滤波（虚线）

2.2 径流与气象要素的关系

分析1981~2012年唐克站年径流量与白河流域各气象站年降水量、年平均气温、年平均最高气温和最低气温的相关系数（表1）可知，年径流量与各气象站年降水量、年平均最高气温的相关性最好，均通过了0.01水平的显著性检验，其中与阿坝和红原站年降水量的相关系数分别达0.75和0.88，表明降水量对白河流域年径流量变化起主导作用，其次是最高气温。

表1 唐克站年径流量与气象要素相关系数

2.3 模式模拟效果评估

分别将若尔盖、红原和阿坝站降水量和CMIP5模拟回算降水量进行平均，得到1961~2005年白河流域年降水量观测值和模拟值的时间变化序列（图3），发现模式回算结果较观测值的波动偏小，均没有明显的变化趋势。从相关系数分析（表2）来看，1961~2005年CIMP5与若尔盖、红原和阿坝站降水量均为正相关。

图3 1961~2005年白河流域年降水量观测值和CMIP5模拟回算值时间变化

表2 1961~2005年白河流域年降水量、年平均最高气温观测值与CMIP5模拟回算值的相关分析

将若尔盖、红原和阿坝气象站年平均最高气温和模式模拟回算值分别进行平均，得到1961~2005年白河流域年平均最高气温的观测值和模拟回算值的变化序列（图4），发现模式回算结果较观测值的波动幅度偏小，但是年际波动和年代际变化趋势基本一致。相关分析（表2）表明， 1961~2005年CMIP5模拟回算结果与气象站观测值均为正相关，并且都通过了0.01水平的显著性检验。

图4 1961~2005年白河流域年平均最高气温观测值与CMIP5模拟回算值时间变化

2.4 未来径流变化预估

上文分析表明CMIP5对3个气象站年平均最高气温的模拟效果均比较理想，对年降水量的模拟效果稍差，但年际变化也都呈正相关，所以确定3个站的6个气象因子均参与统计建模。以唐克站年径流量（R）为因变量，若尔盖年降水量（Pr）、若尔盖年平均最高气温（Tr）、红原年降水量（Ph）、红原年平均最高气温（Th）、阿坝年降水量（Pa）、阿坝年平均最高气温（Ta）为因变量，建立多元线性回归方程，1981~2000年为拟合期，2001~2012年为检验期。建模结果显示Pr的系数为负、Tr的系数为正，这与其和径流量的相关性不一致，所以剔除这两个因子，重新进行多元线性回归拟合，回归方程通过了0.01水平的显著性检验。具体方程如下：

拟合期中的年径流量观测值与拟合值基本吻合，20年中有17年为同位相，同号率达85%。验证期中的12年均为同位相，同号率达到100%，说明拟合方程稳定可靠（图5）。

图5 1981~2012年唐克站年径流量距平变化曲线

图6是CMIP5模式预估2021~2100年白河流域年平均最高气温和年降水量变化。如图所示，RCP2.6情景下，白河流域年平均最高气温呈先增加后减少的变化趋势，2050~2060年出现峰值；年降水量也呈先增加后减少的变化趋势，峰值出现在2070年前后。RCP4.5情景下，白河流域年平均最高气温呈逐渐升高的变化趋势，2081~2100年稳定在峰值；年降水量也呈逐渐增多的变化趋势，2090年前后达到峰值。RCP8.5情景下，年平均最高气温呈显著的线性升高趋势，到21世纪末期偏高5°C以上；年降水量也呈线性增多趋势，但是实际增量不超过20%。

图6 CMIP5模式预估不同情景下2021~2100年白河流域年平均最高气温和年降水量变化

利用CMIP5预估产品，根据年径流量拟合方程，预估不同情景下（RCPs）白河流域年径流量变化（图7）。如图所示，RCP2.6情景下，2006~2100年白河流域年径流量没有明显的变化趋势，波动幅度变化也不大，说明在低浓度排放情景下白河流域年径流量可以维持在当前水平。RCP4.5情景下，白河流域年径流量呈减少趋势，气候倾向率为-0.28×108m3/10 a，21世纪前期与低浓度排放情景变化接近，与基准年相比21世纪中期减少17%，21世纪末减少19%。RCP8.5情景下，白河流域年径流量呈显著减少趋势，气候倾向率为-1.1×108m3/10 a，与基准年相比21世纪前期年径流量减少20%，21世纪中期减少24%，21世纪后期减少49%。

图7 RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5下2021~2100年白河流域年径流量变化

3 结论和讨论

本文利用第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）数据，预估不同典型浓度路径下未来白河流域年径流量变化，得到如下主要结论：

（1）1981~2012年白河流域年径流量呈先减少后增加的变化趋势，年径流量与年降水量、年平均最高气温均显著相关。1961~2005年CIMP5模式回算的年降水量较观测值波动偏小，两者都没有明显的变化趋势；模式回算的年平均最高气温与观测值的年际波动和年代际变化趋势基本一致，通过了0.01水平的显著性检验。

（2）以唐克站年径流量为因变量，红原年降水量、年平均最高气温，阿坝年降水量、年平均最高气温为因变量，建立多元线性回归方程。拟合期同号率达85%，验证期同号率达到100%，说明拟合方程稳定可靠。

（3）低浓度排放情景下2006~2100年白河流域年径流量没有明显的变化趋势，波动幅度变化也不大。中等浓度排放情景下，21世纪中、末期年径流量分别减少17%和19%。高浓度排放情景下，21世纪前期年径流量减少20%，21世纪中期减少24%，到21世纪后期减少49%。

河川径流的形成和变化机理非常复杂，多项研究表明气候变化对水文过程影响预估的不确定性主要来源于气候模式，而气候模式本身也存在较大的不确定性[22-23]，本文仅从气候变化角度通过统计模型对白河流域的年径流量进行了预估，其结果只是未来演变的可能之一，后期还需要进一步引入SWAT、HBV等水文模型加以验证[24-25]。