ENSO事件对长江源区径流演变的影响

邵 骏,钱晓燕,谢 珊,杜 涛,汤瑶瑶,向碧为

(1.长江水利委员会水文局,武汉 430010; 2.武汉市水务科学研究院,武汉 430014; 3.长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局,重庆 400020; 4.上海勘测设计研究院有限公司,上海 200435)

0 引 言

水文循环是气候系统的重要组成部分。全球气候变化通过影响气温、降水、蒸发、径流、土壤水分等水文循环过程,对径流的时空分布产生重大改变[1-3]。由于降水是影响河川径流年际和年代际变化的主要驱动因子,而降水本身又取决于一定的大气环流形势与局地天气过程,因此河川径流的演变与大气环流是联系在一起的。ENSO(El Nio Southern Oscillation)是以赤道东太平洋海表温度异常为特征的周期性现象,是全球气候系统中最为显著的年际信号。ENSO事件对我国气候的影响得到了广泛关注和研究,Blender等[4]和Wei等[5]研究表明长江流域的降水和径流受东亚夏季季风和ENSO事件影响较大;Gong等[6]研究发现我国东部冬季、秋季降水量与ENSO事件有显著的关系,并在ENSO暖事件(El Nio)年降水量显著减少;王根绪等[7]研究发现ENSO事件与黄河源区降水与径流年际波动变化有很好的相关性,暖事件对应年份黄河源区径流量减少,而冷事件则使其增加;Zhu[8]的研究发现,在ENSO发展阶段中国北方降水偏少,而在ENSO衰减阶段长江流域降水偏多;彭俊等[9]研究发现长江流域径流量与ENSO事件具有相同的2～8 a周期变化,在El Nio发生期,径流量较低,在ENSO冷事件(La Nia)发生期,径流量较高;蓝永超等[10]研究发现El Nio事件发生当年,祁连山东段降水偏少、径流偏枯,El Nio事件次年祁连山区东段降水减少、径流偏估的程度不如El Nio事件当年那样显著。

长江源区近些年来受全球气候变化影响巨大,主要表现在气温升高、径流持续增加并一直延续至今。长江源区位于青藏高原腹地,其河川径流受青藏高原大尺度气候影响显著。研究表明,ENSO事件显著影响次年青藏高原西南部夏季季节和月平均降水与温度[11]。ENSO事件发生以后,通过直接影响Walker环流、Hadley环流和西北太平洋异常反气旋(Northwest Pacific Anomalous Anticyclone,NWPAC),从而调制太平洋副热带高压和西太平洋夏秋季台风,影响孟加拉湾和印度洋水汽向青藏高原的输送[11],进而影响长江源区的天气系统和局地气候。目前尚未有研究关注长江源区径流变化对ENSO事件的响应。研究长江源区径流演变与ENSO事件之间的响应关系,可为长江源区中长期径流预测、水资源管理和保护政策的制定提供重要的参考。

径流与气候之间的关系是非线性的、非平稳的,仅通过分析观测到的径流数据的变化规律,很难将水文变化与气候变化充分联系起来。同时由于ENSO事件的发生和发展机理较为复杂,其对河川径流的影响并非存在直接的关联性,因此利用统计学方法来分析长江源区径流对ENSO事件的响应不失为有效方法之一。本文旨在通过沱沱河水文站、直门达水文站实测径流数据,分析长江源区径流演变事实,利用海洋尼诺指数分析ENSO事件的强度与时间特征,研究径流丰枯变化对ENSO事件的响应规律及联系,为揭示气候变化背景下长江源区水循环机制提供支撑。

1 研究数据及研究方法

1.1 研究数据

ENSO是厄尔尼诺-拉尼娜事件以及南方涛动的合称,表征ENSO的指标较多,本文选取海洋尼诺指数(Oceanic Nio Index,ONI)作为研究指标。ONI是中东太平洋Nio 3.4区(5°N—5°S,120°W—170°W)的海表温度距平的3个月滑动平均值。研究数据来源为美国国家海洋和大气管理局(NOAA)气候预测中心。

根据NOAA对ENSO事件的确定标准,ONI连续5个月≥0.5 ℃(≤0.5 ℃)定义为1次El Nio(La Nia)事件。参考文献[12]的研究成果,对ONI指数累积值ΣONI进行标准化处理,将强度划分为极强、强、中等、弱、极弱5个等级(表1)。

表1 ENSO事件的海温强度指标Table 1 Sea surface temperature (SST) intensity indexof ENSO event

本研究水文数据采用长江源区沱沱河站和直门达站1960—2020年实测月均流量。

1.2 研究方法

本研究主要采用Mann-Kendall非参数检验、交叉小波变换[13]等方法,简述如下。

1.2.1 Mann-Kendall非参数检验

时间序列数据(x1,…,xn)是n个独立的、随机变量同分布的样本,对于所有的k,j

(1)

其中,

(2)

定义统计变量:

(3)

其中:

E(sk)=k(k-1)/4 ;

(4)

Var(sk)=k(k-1)(2k+5)/72 。

(5)

式中UFk为标准正态分布。对于给定显著性水平α,若|UFk|>UFα/2,则表明序列存在明显的趋势变化。

1.2.2 交叉小波变换

r(X,Y)=

(6)

通过小波凝聚谱可以量度时频范围内两者之间局部相关的密切程度,其表达式为

式中S表示平滑函数。本文选择Morlet小波为小波基函数。

2 研究结果与讨论

2.1 长江源区径流演变趋势

图1为沱沱河站、直门达站年径流量的滑动平均曲线和Mann-Kendall曲线。由两站的滑动平均曲线可见,沱沱河站在20世纪70—80年代呈现略微下降的态势,在2000年之后呈现出大幅增加的态势。直门达站在2000年之前基本维持在均值附近小幅震荡,在2005年之后呈现升高的态势。由两站的Mann-Kendall曲线可见,2002年左右沱沱河站正、逆序列出现交叉,2009年左右直门达站正、逆序列出现交叉,表明两站在2002年、2009年均发生突变增加的态势。采用Mann-Kendall检验对两站年径流量进行趋势检验(结果见表2),两站Mann-Kendall检验结果均通过置信度为95%的显著性检验,表明两站均呈现显著的上升趋势。

图1 沱沱河站、直门达站年径流量滑动平均曲线与Mann-Kendall曲线Fig.1 Moving-average curves and Mann-Kendall curves of annual runoff at Tuotuohe and Zhimenda hydrological stations

表2 沱沱河站、直门达站年径流量Mann-Kendall检验结果Table 2 Mann-Kendall test results of annual runoff at Tuotuohe and Zhimenda hydrological stations

2.2 径流变化对ENSO事件的响应

2.2.1 径流丰枯变化与ENSO事件的关系

将1960年1月—2020年12月以来的ENSO事件强度进行划分,成果如表3所示。同时,统计沱沱河站和直门达站相应于ENSO事件对应年份的年径流距平程度,结果也列于表3。为便于直观分析,将表征ENSO事件强度的ONI变化过程线与沱沱河站、直门达站径流距平过程线绘制于图2。

图2 1960—2020年ENSO事件及与沱沱河站、直门达站年径流量过程线对比Fig.2 ENSO events during 1960-2020 and comparison with annual runoff hydrograph of Tuotuohe and Zhimenda hydrological stations

表3 1960—2020年ENSO事件特征值及沱沱河站、直门达站年径流距平成果Table 3 Characteristic values of ENSO events and annual runoff anomalies at Tuotuohe and Zhimenda hydrological stations during 1960-2020

从表3可以看出,1960年以来出现过多次极强的ENSO暖事件(1982-05—1983-06、1997-05—1998-05、2015-03—2016-05)和极强的ENSO冷事件(1998-07—2001-03)。在极强暖事件发生当年或次年,沱沱河站和直门达站径流均在不同程度上表现出偏枯的态势;而在极强冷事件的发展阶段(当年),沱沱河站呈现出偏丰态势、直门达站呈现偏枯态势,在衰减阶段(次年)两站均呈现偏丰或略偏丰态势。对于1972-05—1973-03、1986-09—1988-02、1991-06—1992-07出现的强暖事件,两站径流基本上均呈现偏枯态势;对于1973-06—1974-07出现的强冷事件,两站在发展阶段均呈现偏枯态势,在衰减阶段呈现略偏丰态势。从上述分析可知,当ENSO发生强暖事件和暖事件期间,长江源区径流基本上表现出偏枯的态势,而在强冷和冷事件期间,在发展期呈现偏枯、衰落期呈现偏丰的态势。

同样,对于中等、弱、极弱的暖事件和冷事件出现年份和沱沱河站、直门达站径流变化规律进行分析,可以得出以下结论:对于中等暖事件长江源区两站基本处于偏丰态势,对于弱和极弱暖事件两站基本处于偏枯态势。而对于中等、弱和极弱冷事件而言,根据上节结论,以2000年为分界点:1960—2000年对于中等冷事件,在发展阶段两站径流处于偏枯、衰落阶段处于偏丰态势;对于弱和极弱冷事件,两站径流基本处于偏枯态势。2000—2020年受长江源区气候变暖等因素影响,无论对于中等、弱还是极弱冷事件,基本上都呈现出偏丰态势。

2.2.2 径流丰枯变化对ENSO事件的响应

根据ENSO事件发生年份,以2000年为节点,分两段(1960—2000年、2000—2020年)统计长江源区沱沱河站、直门达站径流的距平程度及丰枯概率。其中ENSO事件发生年份分为发展阶段(当年)和衰减阶段(次年),丰枯程度按照距平正值(+)、距平负值(-)分为偏丰和偏枯,成果列于表4。

表4 ENSO事件发生年份沱沱河站、直门达站径流丰枯概率统计Table 4 Probability of dry or abundant runoff at Tuotuo-he Station and Zhimenda Station in ENSO event years

从表4成果可以得出以下结论:

(1)1960—2000年期间,暖事件发生年份,无论是当年还是次年,长江源区沱沱河站、直门达站出现径流偏枯的概率较高。对于暖事件发生当年,两站径流偏枯的概率均为76.9%;次年偏枯的概率分别为84.6%、76.9%。

(2)1960—2000年期间,冷事件发生年份,两站均呈现出在当年偏枯、次年丰枯概率基本相当的态势。两站当年偏枯的概率均为77.8%;次年丰枯概率分别为4∶5和5∶4,出现概率基本相当。

(3)2000年以后,长江源区径流偏丰态势尤为显著。对于暖事件发生年份,沱沱河站表现为当年偏丰(66.7%概率)、次年丰枯相当(各50%概率),直门达站在当年径流仍偏枯(66.7%概率)、次年丰枯相当(各50%概率)。对于冷事件发生年份,无论是当年还是次年,两站均表现为偏丰概率大于偏枯概率。

朱钰等[14]研究发现,对于地处青藏高原的三江源区,降水较少的冬半年多伴随着暖事件(El Nio)的出现;而降水峰值多伴随着冷事件(La Nia)的出现。薛殷宗[15]在研究青海湖水位变化规律时发现,当暖事件(El Nio)增强时,青海湖地区降水量明显减少;冷事件(La Nia)增强时,降水增加趋势明显。上述研究成果与本研究结论基本吻合。

2.3 径流与ENSO事件的多尺度相关特征及响应机制

采用交叉小波变换进一步分析长江源区径流与ENSO事件之间的多尺度相关特征,结果见图3。交叉小波变换重点突出时频域中高能量区的相互关系,小波相干则重点突出时频域中低能量区的相互关系。现有研究表明,ENSO事件存在2～8 a时间尺度上的年际周期变化[16],这也直接体现在ENSO事件与沱沱河站、直门达站的交叉小波功率谱上。由图3可见,径流与ENSO事件两者之间在整个1960—2020年时间轴上具有8～16个月时间尺度上的共振周期,其中1960—1970年时间轴上,两者基本呈现同频同位相变化态势;在1970—2000年共振周期位相关系复杂,既有同位相、也有反位相变化态势;2000年以后,两者之间呈现近似的同位相变化态势。综上分析可知,在1970年以前和2000年以后,长江源区径流与ENSO事件之间的时频结构具有一定程度的正相关性。

图3 沱沱河站和直门达站月径流与ONI之间的交叉小波功率谱与小波凝聚谱Fig.3 Cross wavelet transform and wavelet coherence between monthly runoff and Oceanic Nino Index at Tuotuohe station and Zhimenda station

ENSO事件作为大尺度海洋与大气交互作用的事件,可通过海-气相互耦合直接影响热带大气环流,并通过大气遥相关影响青藏高原季风产生影响,从而进一步影响长江源区降水和径流的时空分布。ENSO事件发生时,赤道中、东太平洋增暖,赤道太平洋西部与东部之间的温差减小,减弱甚至破坏纬向Walker环流,导致赤道太平洋对流活跃区东移到中太平洋,西太平洋和印度洋因海温下降、大气对流活动减弱,降水减少[17-18]。Walker环流和Hadley环流强度变化之间是相互制约的[19]。当赤道东太平洋增暖时,纬向Walker环流减弱,而经向Hadley环流加强,从而增加了向极地方向的热量输送;Hadley环流加强后,定常涡旋向极经向动量输送加强,中纬度西风加强,进而副高减弱,并向东向南收缩,东亚夏季风减弱[20]。中纬度地区西风带位置南压,西太平洋夏秋季台风减少。王绍武和龚道溢在研究ENSO事件影响机制时[21-23],提出ENSO事件的影响模式:赤道中、东太平洋海温低(高)→南方涛动强(弱)→Walker环流强(弱)→Hadley环流西强东弱(东强西弱)→太平洋副热带高压西强东弱(东强西弱)→西太平洋夏秋季台风不活跃(活跃)。

青藏高原河川径流主要受夏季的降水影响。青藏高原的水汽来源有3条路径:一是阿拉伯海和孟加拉湾,二是中国南海,三是中纬度西风带[24]。太平洋海温异常远距离影响着南亚地区的降水以及青藏高原的水汽供给,尤其是印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)和ENSO事件[25]。正事件(即印度洋正偶极子、El Nio以及二者共同作用)会使得源于阿拉伯海、孟加拉湾、南海和东南季风输送到青藏高原的水汽输送减弱,导致青藏高原降水量减少,而负事件(印度洋负偶极子、La Nia以及二者共同作用)会使得水汽输送加强[26]。薛殷宗[15]研究发现,ENSO事件发生后引起纬向和经向大气环流异常,改变青藏高原气压场和风场的位置以及强度,使得海洋向高原热量和水汽输送产生变化,从而影响青藏高原降水。梁涵洲等[11]研究表明,ENSO事件主要有3条途径显著影响青藏高原夏季降水和温度:第1条途径直接通过改变Walker环流、Hadley环流和NWPAC异常响应,影响南亚和印度洋向青藏高原的水汽输送;第2条途径直接通过激发东亚-太平洋(EAP)遥相关型波列,使得青藏高原东北部夏季受EAP北部反气旋影响,不利于降水发生;第3条途径在La Nia发展年夏季印度降水增加,造成中西亚地区西北侧对流层中高层异常反气旋环流,通过Rossby频散沿着夏季急流激发环球遥相关(Circumglobal Teleconnection,CGT),进而影响整个高原降水与温度。

3 结论与展望

针对近60 a来长江源区径流变化事实,采用沱沱河站、直门达站1960—2020年实测径流系列研究长江源区年径流的演变趋势,利用ONI指数分析近60 a来ENSO事件的强度与时间特征,研究两站径流丰枯变化及其对ENSO事件的响应,探讨ENSO事件对径流的可能影响机制。通过上述研究得到以下结论:

(1)长江源区沱沱河站与直门达站的径流变化趋势基本一致,即总体上均呈现震荡上升的趋势,尤其是在2000年以后呈现出大幅度增加的趋势。Mann-Kendall检验结果表明,两站在进入2000年以后均发生突变,并呈现出显著的上升趋势。

(2)1960—2000年期间,暖事件发生年份,无论是当年还是次年,长江源区沱沱河站、直门达站出现径流偏枯的概率较高。冷事件发生年份,两站均呈现出在当年偏枯、次年丰枯概率基本相当的态势。2000年以后,长江源区径流偏丰态势尤为显著。对于暖事件发生年份,丰枯基本相当。对于冷事件发生年份,无论是当年还是次年,两站均表现为偏丰概率大于偏枯概率。

(3)径流与ENSO事件两者之间在整个1960—2020年时间轴上具有8～16个月时间尺度上的共振周期,其中1960—1970年时间轴上,两者基本呈现同频同位相变化态势;在1970—2000年共振周期位相关系复杂,既有同位相、也有反位相变化态势;2000年以后,两者之间呈现近似的同位相变化态势。

(4)青藏高原的水汽来源有3条路径,一是阿拉伯海和孟加拉湾,二是中国南海,三是中纬度西风带。ENSO事件发生后引起纬向和经向大气环流异常,改变青藏高原气压场和风场的位置以及强度,使得海洋向高原热量和水汽输送产生变化,从而影响青藏高原降水。

ENSO事件与径流变化之间的作用机制是十分复杂的,本文初步分析了长江源区径流变化及其与ENSO事件之间的响应关系,并通过现有研究成果,初步梳理了ENSO事件对青藏高原气候的可能影响机制。然而,在全球气候变暖的背景下,气温升高对青藏高原降水和源区径流的影响远大于ENSO事件对大气的遥相关影响。一方面气温升高导致冰川和融雪补给增加,直接影响源区径流;另一方面气温升高导致青藏高原热低压和夏季风的加强,强化了阿拉伯海和孟加拉湾水汽向青藏高原输送,间接影响源区径流[27]。本文研究结果也显示,2000年以后长江源区径流偏丰态势尤为显著,其丰枯变化机制并不遵循2000年以前的变化规律,也从侧面印证长江源区作为青藏高原腹地对全球气候变暖的响应最为敏感。今后还将进一步深入研究全球气候变化对青藏高原水循环和径流形成机制。