邵 駿

(1.長江水利委員會水文局 長江水文水資源分析研究中心,武漢 430010;2.長江水利委員會水文局 西南諸河水文水資源勘測局,昆明 650051)

0 引 言

長江源區(qū)地處青藏高原腹地,廣布冰川、積雪、凍土、河流、湖泊和沼澤,是“中華水塔”“亞洲水塔”的重要組成部分。長江源區(qū)對氣候變化的響應較為敏感[1],其河川徑流也隨之產(chǎn)生了明顯的變化。其中最顯著的變化就是近20 a來長江源區(qū)徑流發(fā)生較為顯著的增加趨勢并一直延續(xù)至今。在全球氣候變暖背景下,長江源區(qū)年徑流量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢,并與降水、氣溫等要素呈顯著正相關關系[2]。進一步研究變化成因后發(fā)現(xiàn),降水是導致長江源區(qū)徑流顯著增加的主要因素[3-5];氣候變化和下墊面對徑流的貢獻率分別約2/3和1/3[4]。

近年來長江源區(qū)已成為青藏高原高寒旱區(qū)氣候環(huán)境變化研究的重點區(qū)域,尤其是在氣候變化和人類活動雙重影響下,源區(qū)冰川消融加劇、凍土退化、濕地萎縮,直接影響著高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化和水資源安全。過去許多研究分析了長江源區(qū)的氣候變化及水資源變化特征,但多集中在年際和年代際變化分析上,針對長江源區(qū)徑流變化及其與影響因素之間關系的研究較少。本研究采用長江源區(qū)共5個氣象站1960—2022年實測水文氣象資料,分析長江源區(qū)徑流變化規(guī)律及其影響因素,為更好地理解長江源區(qū)徑流的演變機制和驅(qū)動機制提供基礎。

1 研究數(shù)據(jù)及研究方法

長江源區(qū)一般是指直門達水文站以上的長江流域,包括沱沱河、當曲、楚瑪爾河和通天河,干流全長約1 174 km,流域面積約14.2萬km2。本研究采用的氣象數(shù)據(jù)為長江源區(qū)沱沱河、五道梁、曲麻萊、玉樹、清水河5個氣象站1960—2022年逐日降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、水面蒸發(fā)和相對濕度等實測數(shù)據(jù),采用經(jīng)驗貝葉斯克里金插值法將單站數(shù)據(jù)插值為流域面數(shù)據(jù)[6]。水文數(shù)據(jù)采用直門達水文站1960—2022年實測日均流量資料。本研究采用的主要方法包括:經(jīng)驗貝葉斯克里金插值法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗、Pearson相關分析、交叉小波分析、主成分分析等[6-8]。

2 長江源區(qū)徑流變化規(guī)律分析

2.1 年徑流變化規(guī)律

直門達站年徑流量的5 a、10 a滑動平均曲線和Mann-Kendall曲線如圖1所示。從圖1(a)可見,1960—2022年直門達站年徑流總體呈現(xiàn)震蕩上升的趨勢,整體線性傾向率為8.06億m3/(10 a),尤其是近20 a來呈現(xiàn)出大幅度增加的趨勢。自1960年代以來,直門達站年徑流量呈現(xiàn)多次豐枯交替的變化態(tài)勢:豐(1960年代中期)→枯(1970年代)→豐(1980年代前中期)→枯(1990年代)→豐(2000年以后)。從圖1(b)可見,Mann-Kendall曲線在2008—2016年出現(xiàn)多次交叉,表明該站在進入2008年以后發(fā)生多次突變。

圖1 直門達站年徑流量滑動平均曲線與Mann-Kendall曲線Fig.1 Moving average and Mann-Kendall curves of annual runoff at Zhimenda hydrological station

進一步采用Mann-Kendall檢驗對該站的年徑流變化趨勢進行顯著性檢驗,成果列于表1。在置信度P=95%條件下,Uα/2=1.96,直門達站年徑流量UF=2.54,通過了顯著性檢驗,表明直門達站年徑流量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。

表1 直門達站年徑流量和季節(jié)性徑流量Mann-Kendall檢驗結(jié)果Table 1 Mann-Kendall test results of annual and seasonal runoff at Zhimenda hydrological station

2.2 季節(jié)性徑流變化規(guī)律

將直門達站四季劃分為:春季3—5月份、夏季6—8月份、秋季9—11月份、冬季12月份—翌年2月份。

由圖2(a)可見,1960年以來直門達站春季徑流呈現(xiàn)顯著增加的趨勢,其中2000年以前春季徑流圍繞均值附近小幅振蕩,但無明顯趨勢性變化;2000年至今增加趨勢尤為明顯。從Mann-Kendall曲線可知,直門達站春季徑流在2009年發(fā)生突變增加,并通過了置信度P=95%的顯著性檢驗。

圖2 直門達站季節(jié)性徑流變化趨勢和Mann-Kendall曲線Fig.2 Variation trends and Mann-Kendall test curves of seasonal runoff at Zhimenda hydrological station

直門達站夏季徑流(圖2(b))與春季徑流類似,在1960—2000年期間沒有表現(xiàn)出明顯的趨勢性,其中在1960年代末期、1970年代中期和末期、1990年代中期出現(xiàn)4次較為明顯的負距平極值,在1960年代前中期、1980年代前中期和末期、1990年代中期出現(xiàn)4次較為明顯的正距平極值。2000年以后,直門達站夏季徑流呈現(xiàn)大幅度增加態(tài)勢并延續(xù)至今。Mann-Kendall檢驗顯示夏季徑流在2008年和2017年前后發(fā)生突變,但未通過置信度P=95%的顯著性檢驗,表明該站夏季徑流增加的態(tài)勢不顯著。

秋季徑流(圖2(c))在2000年之前無顯著性變化趨勢,并在1990年代中后期出現(xiàn)負距平極值。1990年代末期之后,直門達站秋季徑流呈現(xiàn)顯著增加態(tài)勢并延續(xù)至今,其中在2005年、2009年、2014年和2018年出現(xiàn)4次正距平極值。Mann-Kendall檢驗顯示秋季徑流在2008年前后發(fā)生突變,并通過了置信度P=95%的顯著性檢驗。

圖2(d)顯示直門達站冬季徑流變化特征,在2005年之前直門達站冬季徑流變化趨勢不明顯,2005年之后開始逐年增加,Mann-Kendall檢驗顯示冬季徑流在2016年前后發(fā)生突變,并通過了置信度P=95%的顯著性檢驗。2000年以后冬季徑流與春、夏、秋季徑流基本呈現(xiàn)類似規(guī)律,呈現(xiàn)大幅度上升趨勢并延續(xù)至今。

由此可見,直門達站各季節(jié)性徑流均呈現(xiàn)增加的態(tài)勢,除夏季徑流外其余季節(jié)徑流均呈現(xiàn)顯著增加態(tài)勢。

3 長江源區(qū)徑流影響因素分析

3.1 徑流與影響因素之間的相關關系

長江源區(qū)由于其特殊的地理位置及海拔高程,河川徑流受氣象氣候、人類活動及下墊面變化等綜合影響較大。本次選取直接影響徑流的6種氣象要素,即:降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、水面蒸發(fā)量和相對濕度,分析月尺度徑流變化與月尺度氣象要素間的相關關系,結(jié)果見表2和圖3。

表2 直門達站月徑流量與氣象要素間的相關關系Table 2 Correlation between monthly runoff and meteoro-logical elements at Zhimenda hydrological station

圖3 直門達站月徑流量與氣象要素間的相關關系Fig.3 Correlation between monthly runoff and meteoro-logical elements at Zhimenda hydrological station

從表2可知,影響直門達站月徑流最為密切的為降水量,相關系數(shù)達0.846;其次為最低氣溫、相對濕度、平均氣溫、最高氣溫等氣象要素,相關系數(shù)達到0.70以上,并通過了置信度P=99%的顯著性檢驗;而徑流與水面蒸發(fā)(代表蒸發(fā)能力)關系不顯著。

進一步分析長江源區(qū)徑流與氣象要素之間的交叉小波特征。交叉小波功率譜重點突出時頻域中高能量區(qū)的相互關系,小波凝聚譜則重點突出時頻域中低能量區(qū)的相互關系[8],結(jié)果見圖4。小箭頭表示交叉小波功率譜與小波凝聚譜之間的位相關系,→表示交叉小波功率譜與小波凝聚譜之間為同位相,說明交叉小波功率譜與小波凝聚譜為正相關關系,←表示反位相,說明交叉小波功率譜與小波凝聚譜為負相關關系,↓表示氣象要素變化超前徑流變化90°,↑表示氣象要素變化落后徑流變化90°。圖中粗實線區(qū)域表示通過95%置信水平的顯著性檢驗。為避免邊界效應及小波高頻虛假信息,小波影響椎(圖中弧線)以內(nèi)區(qū)域為有效譜值。通過交叉小波功率譜分析可知,直門達站月徑流與各氣象要素之間均存在8～16個月時間尺度上的共振周期,其顯著性相關基本上持續(xù)整個1960—2022年時間軸。從小波凝聚譜可見,直門達站月徑流與降水量的關系最為密切,兩者顯著性相關幾乎持續(xù)整個4～128個月時間尺度,可見降水對徑流的最直接和最顯著影響遠超過其他氣象要素。此外,與最低氣溫、相對濕度、平均氣溫、最高氣溫的顯著性相關貫通整個時間軸,與水面蒸發(fā)量的顯著性次之。此結(jié)果與前文采用Pearson相關分析得到的結(jié)論基本一致。

3.2 徑流與影響因素之間的主成分分析

通過3.1節(jié)分析可知,降水、最低氣溫、相對濕度、平均氣溫、最高氣溫等氣象要素對直門達站徑流影響關系較為密切,而與水面蒸發(fā)量的相關性較弱。為進一步分析徑流與氣象要素之間的關聯(lián)度,對上述氣象要素進行主成分分析,成果見表3。

表3 影響直門達站徑流的主要氣象要素主成分分析特征值及貢獻率Table 3 Eigenvalues and contribution rates of principal component analysis of primary meteorological elements that affect the runoff at Zhimenda Station

根據(jù)表3成果,從中選取累積貢獻率>80%的成分作為影響徑流的主成分,由此可以提取出1個主成分,主成分貢獻率達到82.99%。進一步分析各氣象要素主成分與原始變量之間的因子載荷,載荷矩陣中絕對值越大,表明兩個變量之間的相關關系越密切。影響直門達站徑流的主要氣象要素主成分因子載荷矩陣如表4所示,根據(jù)表4成果可知,徑流影響因素第一主成分(F1)中,與降水量、最低氣溫、平均氣溫、最高氣溫、相對濕度等氣象要素因子載荷較高,與水面蒸發(fā)量因子的載荷略低,表明影響直門達站徑流的主要氣象要素為降水量、氣溫、濕度等。主成分分析結(jié)果與3.1節(jié)相關關系分析結(jié)論基本一致。

表4 影響直門達站徑流的主要氣象要素主成分因子載荷矩陣Table 4 Principal component factor matrix of meteorological elements that affect the runoff at Zhimenda Station

3.3 討 論

長江源區(qū)產(chǎn)匯流機制復雜,既有降水量直接產(chǎn)生的徑流,也有冰川、凍土和融雪產(chǎn)生的徑流。青藏高原河川徑流在最近十幾年的變化趨勢主要受降水量影響[9],其次是冰雪融水和土壤儲水[10]。降水量作為表征氣候變化的重要因素,對長江源區(qū)河川徑流具有直接影響[11]。降水量對長江源區(qū)徑流量的變化起著最為顯著的影響[12],并且降水量對徑流的影響遠大于氣溫[4]。2000年以后長江源區(qū)年徑流和季節(jié)性徑流的明顯增加,與同期降水量明顯增加具有一致變化的特征[13]。其中,夏季降水量對徑流的影響最為顯著,并主要集中在6—10月份,且具有一定的持續(xù)性[4,11-12]。本研究結(jié)論與上述研究成果吻合,再次證明降水量是影響長江源區(qū)徑流變化的主導因素。

除降水量外,徑流與最低氣溫、平均氣溫、最高氣溫之間也存在顯著的正相關,其中以最低氣溫對徑流的影響最為密切。最低氣溫升高導致源區(qū)凍土退化、釋放地下水、補給基流,從而直接或間接影響河流徑流。由此說明長江源區(qū)河川徑流對氣溫變化的響應較為敏感。對于長江源區(qū)而言,氣溫對徑流的影響并不如降水量影響那樣直接。氣溫主要通過影響青藏高原冰川、積雪消融、蒸發(fā)量和降水形態(tài),從而影響源區(qū)河川徑流[10,13-14]。因此,氣溫是影響長江源區(qū)徑流的重要原因。

相對濕度和水面蒸發(fā)量實際上表征了流域?qū)嶋H蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)。蒸散發(fā)是陸面地表水轉(zhuǎn)化為水蒸氣進入大氣的過程,蒸散發(fā)是流域水循環(huán)的重要組成部分。長江源區(qū)屬青藏高原高寒旱區(qū),多年平均降水量僅300～400 mm,而水面蒸發(fā)量達1 300～1 400 mm,蒸發(fā)量遠大于降水量,對產(chǎn)流影響至關重要的實際蒸散發(fā)對源區(qū)徑流的影響程度遠大于潛在蒸散發(fā),因此相對濕度對徑流的相關性大于水面蒸發(fā)量。

4 結(jié) 論

本研究采用長江源區(qū)水文站和氣象站實測數(shù)據(jù),從統(tǒng)計學角度研究了長江源區(qū)直門達站徑流的變化規(guī)律,分析了與主要氣象要素之間的關聯(lián)性,初步探討了徑流變化與氣象要素之間可能存在的聯(lián)系及作用機制。

(1)總體上看,1960—2022年期間,直門達站各季徑流均呈現(xiàn)出增加的趨勢;除夏季徑流外,其余季節(jié)徑流均通過置信度P=95%的顯著性檢驗;1960—2000年期間,各季徑流存在相同變化規(guī)律,即:無顯著性增加或減少態(tài)勢,基本上圍繞均值附近小幅波動。

(2)2000—2022年期間,各季節(jié)性徑流均呈現(xiàn)出增加的態(tài)勢并延續(xù)至今。

(3)通過Pearson相關分析、交叉小波分析、主成分分析可知,對直門達站月徑流影響最為密切的氣象要素主要為降水量、最低氣溫、相對濕度、平均氣溫、最高氣溫等。

由于長江源區(qū)存在較多的冰川、凍土與積雪,徑流形成原理與內(nèi)地其他河流顯著不同,產(chǎn)匯流物理機制較為復雜。下一步將繼續(xù)通過青藏科考獲取實測數(shù)據(jù),并與適合于長江源區(qū)的多圈層分布式水文模型相結(jié)合,揭示長江源區(qū)徑流演變機理,展望未來變化趨勢。