谷梓鵬，彭 俊，俞珊妮

(滁州學(xué)院)

1 研究背景

地表徑流是陸面水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，在地球陸-氣系統(tǒng)的物質(zhì)和能量交換中起到關(guān)鍵作用[1-2]，對(duì)于全球氣候變化具有重要的指示意義.全球氣候變暖加快了地表水循環(huán)過(guò)程，改變了水資源的時(shí)空分布格局和水資源總量，引發(fā)了一系列突出的水資源問(wèn)題，制約了生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[3].近年來(lái)，環(huán)境變化對(duì)水資源影響已成為國(guó)際上水文、氣象領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是水循環(huán)演變規(guī)律及其機(jī)理分析[4-5].

ENSO是具有2～7a周期的全球海-氣耦合系統(tǒng)最強(qiáng)信號(hào)，東亞夏季風(fēng)是具有準(zhǔn)2a周期的影響我國(guó)夏季天氣變化的重要環(huán)流系統(tǒng)[7-8].ENSO是季風(fēng)年際變率的重要強(qiáng)迫因素，其與東亞夏季風(fēng)配合共同影響我國(guó)季風(fēng)區(qū)的水汽輸送[9-10]，兩者的周期振蕩必然對(duì)流域地表徑流過(guò)程造成影響.已有研究表明，ENSO和東亞夏季風(fēng)對(duì)我國(guó)不同流域徑流變化過(guò)程存在影響，如長(zhǎng)江流域[11]、黃河流域[12]、珠江流域[13]等，但以往的研究多側(cè)重于ENSO或東亞季風(fēng)單一要素對(duì)流域徑流過(guò)程的作用.而流域徑流變化的成因是十分復(fù)雜的，考慮ENSO和東亞夏季風(fēng)的聯(lián)合作用對(duì)徑流過(guò)程的影響不能忽視.

洞庭湖流域是我國(guó)典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，流域內(nèi)發(fā)育有山地、丘陵、平原，水系豐富、產(chǎn)水能力強(qiáng).受季風(fēng)氣候的影響，旱澇災(zāi)害已成為最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[6]，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)洞庭湖流域徑流過(guò)程進(jìn)行過(guò)大量研究工作[6,14]，但較少關(guān)注氣候變化對(duì)洞庭湖流域徑流過(guò)程的影響[15]，尤其是徑流過(guò)程對(duì)ENSO和東亞夏季風(fēng)的響應(yīng)還有待進(jìn)一步探究.因此，該文利用1951～2017年洞庭湖流域湘江、資水、沅江和澧水(簡(jiǎn)稱(chēng)四水)水文觀測(cè)站的逐年徑流資料，以及同期多元ENSO指數(shù)(MEI)、東亞夏季風(fēng)指數(shù)(EASMI)，利用小波分析探討ENSO和東亞夏季風(fēng)的單一和聯(lián)合作用對(duì)徑流變化過(guò)程的影響，揭示洞庭湖四水徑流變化過(guò)程對(duì)氣候變化指示因子的響應(yīng)，以期為洞庭湖流域中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)、水資源管理和旱澇災(zāi)害防控提供科學(xué)指導(dǎo).

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

洞庭湖流域位于長(zhǎng)江中游荊江南岸，流域范圍介于24°35′～30°27′N(xiāo)，107°13′～114°18′E之間，覆蓋湖南省大部分地區(qū)和貴州省、湖北省、廣東省、廣西壯族自治區(qū)等地，流域總面積約26萬(wàn)km2(如圖1所示).洞庭湖北接松滋、藕池、太平三口分流，南納湘、資、沅、澧四水等河湖徑流，為長(zhǎng)江中游典型的吞吐、調(diào)蓄型湖泊.流域地形地貌復(fù)雜多樣，東、西、南三面環(huán)山，中部為低矮的丘陵、盆地，北部為洞庭湖平原，呈現(xiàn)出馬蹄形的空間分布特征[15-16].洞庭湖流域?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均降雨量1429mm，降水時(shí)空分布不均，徑流年內(nèi)變化大，易發(fā)生水旱災(zāi)害，具有“小水大災(zāi)，洪旱并存”的水情特征[17].

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

該文選取洞庭湖流域湘江(湘潭站)、資水(桃江站)、沅水(桃源站)、澧水(石門(mén)站)4個(gè)水文觀測(cè)站的徑流資料，時(shí)間序列為1951～2017年，時(shí)間分辨率為逐年，資料來(lái)源于水利部發(fā)布的《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》和水利部長(zhǎng)江委員會(huì)水文局.多元厄爾尼諾指數(shù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家和海洋大氣局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室.東亞季風(fēng)指數(shù)采用李建平、曾慶存等定義的東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)(10°N～40°N，110°E～140°E)850hPa處的夏季6～8月緯向風(fēng)差異的標(biāo)準(zhǔn)化值，來(lái)源于李建平教授主頁(yè)[18].

2.3 研究方法

該文利用變差系數(shù)指標(biāo)、5a滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法[19]和連續(xù)小波變換[20]分析四水水文站徑流量的年際變化、趨勢(shì)變化和周期變化.利用交叉小波和小波相干[21-22]分析四水水文站徑流量在時(shí)頻域中對(duì)ENSO和東亞夏季風(fēng)單一作用的響應(yīng)關(guān)系.應(yīng)用多元小波相干[23]分析四水水文站徑流量對(duì)ENSO和東亞季風(fēng)聯(lián)合作用的響應(yīng)關(guān)系.

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量的變化過(guò)程

3.1.1 徑流量的年際變化

對(duì)1951～2017年湘江(湘潭站)、沅江(桃源站)、資水(桃江站)、澧水(石門(mén)站)徑流序列數(shù)據(jù)進(jìn)行5a滑動(dòng)平均和計(jì)算變差系數(shù)處理(如圖2所示).四水年徑流量在均值上下發(fā)生小幅度波動(dòng)，存在多個(gè)波峰(20世紀(jì)50年代初期、20世紀(jì)60年代末～20世紀(jì)70年代和90年代)和波谷(20世紀(jì)50年代末～60年代初、20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)前10年)，呈現(xiàn)豐枯交替特征，這種變化特征與洞庭湖流域降水量變化具有很好的一致性[24]，說(shuō)明降雨是洞庭湖流域四水徑流量補(bǔ)給的主要來(lái)源.

從徑流量5a滑動(dòng)平均過(guò)程線可以看出，湘潭站在1954～1965年、1975～1986年、1996～2009年，桃源站在1954～1961年、1969～1986年、1997～2007年，桃江站在1954～1958年、1969～1985年、1996～2009年，石門(mén)站在1959～1977年、1982～1986年、1997～2007年呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，其余時(shí)段呈現(xiàn)增加的趨勢(shì).徑流量變差系數(shù)(CV)計(jì)算結(jié)果顯示，湘潭站、桃源站、桃江站石門(mén)站的CV值分別為0.24、0.19、0.21和0.26，表明四水入湖徑流量較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)劇烈的年際波動(dòng).

3.1.2 徑流量的趨勢(shì)變化

湘潭站、桃源站徑流量的Z統(tǒng)計(jì)量分別為0.88和0.54，均未突破α=0.05顯著性檢驗(yàn)的臨界值±1.96，呈不顯著的增加趨勢(shì)，兩站徑流量增加速率分別為1.009×108、0.428×108m3/a(見(jiàn)表1).桃江站、石門(mén)站徑流量Z統(tǒng)計(jì)量分別為-0.02和-0.52，均未突破α=0.05顯著性檢驗(yàn)的臨界值±1.96，呈不顯著的減少趨勢(shì)，兩站徑流量減少速率分別為0.002 m3×108、0.135×108m3/a(見(jiàn)表1).

3.1.3 徑流量的周期變化

四水各站年徑流量的周期變化(在95%置信水平下)具有如下特征；湘潭站存在3個(gè)顯著的周期[如圖3(a)所示]，分別為2～3a(1969～1975年)、7～8a(1960～1967年)和19～25a(1978～1992年).桃江站存在3個(gè)顯著的周期[如圖3(b)所示]，分別為2～3a(1970～1974年)、3～4a(1995～2003年)和22～25a左右(1980～1989年).桃源站存在2個(gè)顯著的周期[如圖3(c)所示]，分別為2～4a(1975～1981年)、22～23a(1981～1989年).石門(mén)站存在3個(gè)顯著的周期[如圖3(d)所示]，分別為2～4a(1978～1984年)、5～6a(1957～1965年)和4～7a(1999～2007年).

四水各站年徑流量從1950年末開(kāi)始呈間歇式振蕩，2007年以后無(wú)顯著周期，可能是由于2000年以后進(jìn)入少水期，徑流量波動(dòng)變化不明顯造成的[6,16].四水各站年徑流量在時(shí)頻域內(nèi)具有多個(gè)周期，其中顯著的能量區(qū)集中在2～4a的時(shí)間尺度上，這與ENSO的2～7a周期和東亞夏季風(fēng)的準(zhǔn)2a周期相對(duì)應(yīng)，表明洞庭湖流域四水徑流量年際變化可能受控于ENSO和東亞夏季風(fēng)等大尺度環(huán)流的作用.

3.2 徑流量對(duì)ENSO和東亞夏季風(fēng)的響應(yīng)

3.2.1 徑流量對(duì)ENSO的響應(yīng)

在高能量區(qū)，MEI與四水各水文站徑流量的顯著共振周期主要集中在1956～1960年、1967～1975年、1978～1988年和1995～2004年2～5a的尺度上[如圖4(a1)～(d1)所示]，且徑流量變化滯后MEI變化.其中，MEI與桃源站、石門(mén)站徑流量在1956～1960年呈正相位共振關(guān)系，在1978～1988年呈反相位共振關(guān)系；MEI與湘潭站、桃江站徑流量在1956～1960年呈反相位共振關(guān)系，在1967～1975年相位關(guān)系較為復(fù)雜；除石門(mén)站外，MEI各站年徑流量在1995～2004年呈正相位共振關(guān)系.在低能量區(qū)，MEI與四水各水文站徑流量在2～5a的顯著共振周期區(qū)域明顯減少，其顯著共振周期主要集中在1956～1959年、1968～1975年和1996～2002年[如圖4(a2)～(d2)所示]，在1956～1959年和1996～2002年的共振周期上兩者以正相位關(guān)系為主，在1968～1975年的周期上兩者呈反相位關(guān)系.在這些周期上徑流量變化主要表現(xiàn)出超前MEI變化.此外，MEI與四水各水文站徑流量還存在其他尺度的共振周期，如MEI與湘潭站年徑流量存在8～12a(1961～1970年)和3～4a(2007～2013年)的共振周期，MEI與桃江站年徑流量存在2～3a(1961～1965年和1969～1974年)以及7～9a(1960～1966年)、11～13a(1999～2003年)的共振周期，MEI變化與桃源站徑流量存在10～12a的共振周期.

上述分析表明，四水各水文站年徑流量與MEI在時(shí)頻域中存在著多個(gè)不同尺度的顯著共振周期，且主要集中在2～5a的尺度上，在該周期上兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7以上，且以滯后響應(yīng)為主.在20世紀(jì)50年中后期～60年代初和90年代中后期～21世紀(jì)前10年初的2～5a的尺度上，兩者均以正相位共振關(guān)系為主，且在時(shí)頻域高能量區(qū)2～5a尺度的周期上各水文站徑流量對(duì)MEI的響應(yīng)比低能量區(qū)更為敏感.

3.2.2 徑流量對(duì)東亞夏季風(fēng)的響應(yīng)

在高能量區(qū)，EASMI與四水各水文站年徑流量的顯著共振周期主要集中在1969～1974年和1977～1985年2～4a的尺度上[如圖5(a1)～(d1)所示]，兩者以反相位共振關(guān)系為主，且徑流量變化滯后EASMI變化.此外，在高能量區(qū)EASMI與湘潭站、桃源站徑流量在1965～1978年存在10～14a尺度的反相位共振周期.在低能量區(qū)，EAMSI與四水各水文站年徑流量的顯著共振周期主要分布在1968～1974年和1976～1985年2～4a的尺度上[如圖5(a2)～(d2)所示]，兩者以反相位共振關(guān)系為主，且徑流量變化滯后EASMI變化.此外，EASMI與桃江站、桃源站年徑流量在1993～2009年分別存在2～3a和6～7a尺度的反相位共振周期，兩站徑流量變化均滯后EASMI變化.在低能量區(qū)EASMI與各水文站徑流量顯著共振周期的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.7以上，徑流量對(duì)EASMI的響應(yīng)較強(qiáng).

圖5 徑流量與EASMI的交叉小波譜和小波相干譜[(a1)～(a2)，(b1)～(b2)，(c1)～(c2)，(d1)～(d2)分別為湘潭站，桃江站，桃源站、石門(mén)站]

上述分析表明，四水各水文站年徑流量與EASMI在時(shí)頻域中均具有較好的相關(guān)性，在低能量區(qū)的顯著性大于高能量區(qū)，說(shuō)明四水年徑流量對(duì)EASMI的響應(yīng)在低能量區(qū)更為敏感.兩者在時(shí)頻域中的顯著共振周期主要集中在2～4a的尺度上(60年代末～80年代初)，在該周期上四水年徑流量與EASMI以反相位關(guān)系為主，且徑流量變化對(duì)EASMI以滯后響應(yīng)為主.在80年代中后期～90年代末的2～4a的尺度上未有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的高能量區(qū)域，說(shuō)明在該周期上四水年徑流量對(duì)EASMI的響應(yīng)呈減弱趨勢(shì)，這與葉許春等[25]的研究結(jié)果相似.這種變化與70年代開(kāi)始的東亞夏季風(fēng)活動(dòng)減弱、赤道海溫和太平洋海溫突變的時(shí)段相吻合[26-27]，說(shuō)明海溫和大氣環(huán)流在70年代的突變可能造成四水徑流量在2～4a尺度上周期波動(dòng)的衰減.

3.2.3 徑流量對(duì)ENSO和東亞夏季風(fēng)聯(lián)合作用的響應(yīng)

“MEI—EASMI—湘潭站徑流量”多元小波相干譜如圖6.湘潭站徑流量對(duì)ENSO和東亞夏季風(fēng)的響應(yīng)主要發(fā)生在2～4a(2007～2013年)、8～10a(1962～1965年)和10～13a(1983～2004年)的周期上[如圖6(a)所示].桃江站徑流量對(duì)ENSO和東亞夏季風(fēng)的響應(yīng)主要集中在2～4a(2007～2012年)、3～5a(1991-1999年)、8～10a(1962-1967年)和9～13a(1994～2005年)的周期上[如圖6(b)所示]，桃源站徑流量對(duì)ENSO和東亞夏季風(fēng)的顯著影響主要發(fā)生在2～3a(1997～2002年)、2～4a(1998～2012年)、4～5a(1955-1959年)和5～7a(1958-1961年)的周期上[如圖6(c)所示]，石門(mén)站徑流量對(duì)ENSO和東亞夏季風(fēng)年徑流量的顯著影響主要發(fā)生在2～4a(2006～2013年和1956～1958年)、7～8a(2000～2008年)和18～24a(1977～1992年)的周期上[如圖6(d)所示].

圖6 徑流量和MEI-EASMI的多元小波相干譜[(a),(b),(c),(d)分別為湘潭站，桃江站，桃源站，石門(mén)站]

上述分析表明，四水徑流量對(duì)ENSO和東亞季風(fēng)的響應(yīng)主要分布在3～4a(21世紀(jì)前10年末～21世紀(jì)10年代初)和10～13a(20世紀(jì)80年代～21世紀(jì)前10年)的周期上，且能量強(qiáng)度明顯高于ENSO和東亞夏季風(fēng)的單一作用對(duì)徑流量的影響，說(shuō)明在時(shí)頻域內(nèi)四水徑流量年際和年代際尺度上的波動(dòng)對(duì)ENSO和東亞夏季風(fēng)聯(lián)合作用的響應(yīng)增強(qiáng).

4 結(jié)論

(1)1951～2017年洞庭湖流域四水各水文站站徑流量呈現(xiàn)多個(gè)波動(dòng)上升或下降過(guò)程，表現(xiàn)出豐枯交替變化，其中湘潭站、桃源站徑流量呈不顯著的增加趨勢(shì)，徑流量增加速率分別為1.009×108、0.428×108m3/a；桃江站、石門(mén)站徑流量呈不顯著的減少趨勢(shì)，徑流量減少速率分別為0.002×108、0.135×108m3/a.

(2)洞庭湖流域四水各水文站徑流量在時(shí)頻域內(nèi)均存在多個(gè)顯著的間歇式周期振蕩，以2～4a年際尺度為主.在時(shí)頻域內(nèi)2～4a的尺度上，四水年徑流量與MEI以正相位共振關(guān)系為主，與EASMI以反相位共振關(guān)系為主，且在該尺度上均具有較好的相關(guān)性，以滯后響應(yīng)為主.

(3)在年際和年代際尺度上，四水徑流量對(duì)MEI-EASMI聯(lián)合作用的響應(yīng)顯著增強(qiáng)，這種響應(yīng)可能與“ENSO-反氣旋/氣旋-西北太平洋副熱帶高壓-東亞夏季風(fēng)”耦合系統(tǒng)有關(guān).需要指出的是，該文僅探討了ENSO和東亞夏季風(fēng)對(duì)洞庭湖流域徑流變化過(guò)程的影響，然而流域徑流變化過(guò)程的影響因素是復(fù)雜的，流域水文水資源監(jiān)測(cè)和預(yù)估仍然存在不確定性.隨著地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展，需要融合多源數(shù)據(jù)，綜合大尺度環(huán)流、局部小氣候、太陽(yáng)活動(dòng)和人類(lèi)活動(dòng)等多種因素，在地球系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究框架下，開(kāi)展多尺度、多過(guò)程和多模型的集成研究，有助于推動(dòng)現(xiàn)代水文科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展.