1961－2010年白龍江上游氣溫、降水和徑流的變化特征,水文學(xué)論文

1961－2010年白龍江上游氣溫、降水和徑流的變化特征,水文學(xué)論文白龍江屬長(zhǎng)江二級(jí)支流,嘉陵江一級(jí)支流,河流全長(zhǎng)535km,流域面積32810km2,多年平均徑流約40108m3,起源于甘肅省碌曲縣與四川省若爾蓋縣交界的郎木寺鄉(xiāng),向東流經(jīng)碌曲、若爾蓋、迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣、青川及廣元9個(gè)縣(市),于昭化縣舊城北部匯入嘉陵江(圖1)。白龍江上游(武都水文站以上流域)多高山峽谷地貌,地勢(shì)險(xiǎn)峻,降水集中且多為強(qiáng)降水,生態(tài)環(huán)境脆弱,對(duì)水文氣象要素變化特別敏感[1]。近幾十年來(lái)隨著氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響的不斷加劇,氣候資源與水資源對(duì)白龍江上游經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境變化的制約效應(yīng)日益加強(qiáng)。當(dāng)前已有不少研究牽涉白龍江上游徑流年內(nèi)、年際變化特征及徑流變化與氣象要素互相關(guān)系等[2,3],但在氣溫、降水和徑流三者的變化趨勢(shì)、波動(dòng)性、周期性、持續(xù)性和互相關(guān)系等方面的研究還較少。

文中基于氣溫、降水和徑流資料,采用Mann-Kendall法、R/S分析法和Morlet小波分析法研究了白龍江上游氣溫、降水和徑流的變化特征,并采用多元線性回歸分析法討論了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響,研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、水資源合理開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保衛(wèi)均具有重要意義[4]。

1、材料與方式方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

1961-2018年武都水文站月徑流數(shù)據(jù)來(lái)自甘肅省水文年鑒與水資源公報(bào)。選取1961-2018年白龍江流域及其周邊區(qū)域20個(gè)典型氣象站月均溫與月降水資料,詳細(xì)包括瑪曲、碌曲、臨潭、卓尼、岷縣、郎木寺、迭部、宕昌、若爾蓋、禮縣、西和、成縣、武都、南坪、文縣、康縣、平武、青川、廣元、劍閣。引入經(jīng)度、緯度、海拔三個(gè)主要影響氣溫和降水時(shí)空分布的影響因子,采用多元線性回歸加殘差分析法[5]對(duì)氣溫和降水進(jìn)行空間插值,得到白龍江上游氣溫和降水的時(shí)空分布。采用穿插檢驗(yàn)法,以誤差平均值和誤差標(biāo)準(zhǔn)差為指標(biāo)對(duì)插值前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn),結(jié)果表示清楚在99%的置信度下絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)的顯著性概率均大于0.01,插值結(jié)果可靠。

1.2研究方式方法

文中采用Mann-Kendall(MK)法[6]研究年均溫、年降水和年徑流變化的趨勢(shì)性和突變性。根據(jù)3~5月為春季、6~8月為夏季、9~11月為秋季、12月~翌年2月為冬季進(jìn)行季節(jié)劃分,研究氣溫、降水和徑流的季節(jié)變化趨勢(shì)。利用R/S分析法[7]對(duì)將來(lái)年均溫、年降水及年徑流可能的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)Morlet小波分析[8]研究了年均溫、年降水和年徑流的周期性變化,并采用0.05信度紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜[9]對(duì)準(zhǔn)周期進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),以確定主周期。為了明確時(shí)間序列的突變時(shí)間,文中同時(shí)使用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[10]對(duì)多個(gè)MK突變點(diǎn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2、結(jié)果與分析

2.1水文氣象要素趨勢(shì)變化

1961-2018年白龍江上游年均溫整體呈極顯著上升趨勢(shì)(圖2和表1),其年際變化率為0.38℃/10a,并主要受冬季氣溫變化趨勢(shì)影響(表2)。年均溫在1976年出現(xiàn)最小值為1.81℃,1998年出現(xiàn)最大值為4.25℃,并在1967年、1970年、1983年先后出現(xiàn)3個(gè)氣溫谷值,在1990年、2003年、2006年先后出現(xiàn)3個(gè)氣溫峰值。5年滑動(dòng)平均曲線顯示1982-1986年5年的年均溫最低,為2.09℃,而5年最大值出如今2006-2018年,為3.74℃。年均溫累積距平曲線顯示,1961-2018年氣溫大致經(jīng)歷平穩(wěn)變化-快速上升兩個(gè)階段,1961-1988年氣溫呈微弱的波動(dòng)上升趨勢(shì),其年際變化率為0.06℃/10a,而1988-2018年氣溫呈快速上升趨勢(shì),其年際變化率為0.40℃/10a。采用R/S分析法預(yù)測(cè)將來(lái)年均溫可能的變化趨勢(shì)(表1),其Hurst指數(shù)為0.950.5,表示清楚將來(lái)氣溫仍將持續(xù)上升。

1961-2018年白龍江上游年降水呈微弱減少趨勢(shì)(圖3和表1),其年際變化率為-3.0mm/10a,并主要受秋季降水變化趨勢(shì)影響(表2)。年降水最大值出如今1992年,為840.52mm,最小值出如今1965年,為463.92mm,并在1972年、1987年、1997年、2002年先后出現(xiàn)4個(gè)降水低值,在1967年、1984年、2003年先后出現(xiàn)3個(gè)降水高值。5年滑動(dòng)平均曲線顯示年降水大致經(jīng)歷減少(1961-1972年)-增加(1972-1985年)-減少(1985-1997年)-增加(1997-2018年)4個(gè)變化階段,各階段變化率分別為-10.25mm/a、6.99mm/a、-1.28mm/a、3.63mm/a。累積距平曲線顯示年降水在1960s偏多,1970s偏少,1980s初期至1980s中期偏多,1980s后期偏少,1990s初期至1990s中期偏多,1990s中期至2018年偏少。采用R/S分析法預(yù)測(cè)將來(lái)年降水可能的變化趨勢(shì)(表1),其Hurst指數(shù)為0.450.5,表示清楚將來(lái)降水可能呈微弱增加趨勢(shì)。

1961-2018年白龍江上游年徑流呈極顯著減少趨勢(shì)(圖4和表1),其年際變化率為-3.94108m3/10a,并主要受秋冬季徑流變化趨勢(shì)影響(表2)。年徑流最大值出如今1967年,為62.70108m3,最小值出如今2002年,為22.88108m3,并在1964年、1984年先后出現(xiàn)兩個(gè)徑流低值,在1997年、2004年先后出現(xiàn)兩個(gè)徑流高值。5年滑動(dòng)平均曲線顯示年徑流大致經(jīng)歷減少(1961-1973年)-增加(1973-1985年)-減少(1985-1998年)-增加(1998-2018年)4個(gè)變化階段,各階段變化率分別為-1.16108m3/a、0.82108m3/a、-1.15108m3/a、0.10108m3/a。累積距平曲線顯示年徑流在1961-1968年呈增加趨勢(shì),1968-1972年短暫減少,1972-1985年持續(xù)增加,1985-1993年平穩(wěn)變化,1993-2018年持續(xù)減少。采用R/S分析法預(yù)測(cè)將來(lái)年徑流可能的變化趨勢(shì)(表1),其Hurst指數(shù)為0.880.5,表示清楚將來(lái)年徑流仍可能呈極顯著減少趨勢(shì)。

2.2水文氣象要素突變性

水文氣象要素Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果表示清楚,年均溫從1972年開(kāi)場(chǎng)整體呈持續(xù)上升趨勢(shì),在1990年到達(dá)顯著性升溫水平,并在1992年發(fā)生氣暖和突變(圖5)。降水在1961-1985年整體呈波動(dòng)變化且無(wú)顯著趨勢(shì)性,1985年以后降水整體偏少,然而降水正序列曲線在研究時(shí)段內(nèi)未到達(dá)顯著性水平,因而不存在顯著突變點(diǎn)。徑流在1961-1986年呈波動(dòng)變化且呈微弱趨勢(shì)性,1986年以后呈持續(xù)減少趨勢(shì),在1996年到達(dá)顯著性減少水平,并在1990年發(fā)生徑流由多到少的突變。1970s初期以來(lái)白龍江上游氣候不斷變暖,1980s中期以后伴隨降水的減少,氣候不斷呈暖干化趨勢(shì)。受氣候暖干化影響,徑流在1980s中期以后呈持續(xù)減少趨勢(shì),并在1990s到達(dá)顯著減少水平。

2.3水文氣象要素周期變化

1961-2018白龍江上游氣溫、降水和徑流具有周期性變化特征,但周期性不顯著(圖6)。年均溫有6年、12年準(zhǔn)周期,年降水有13年、20年準(zhǔn)周期,年徑流有7年、13年準(zhǔn)周期。

年均溫12年主周期變化結(jié)果表示清楚(圖6a),1964-1967年、1972-1974年、1979-1983年、1988-1991年、1997-2000年、2005-2008年溫度偏高;1961-1963年、1968-1971年、1975-1987年、1984-1987年、1992-1996年、2001-2004年、2018-2018年溫度偏低。在1985-2018年間表現(xiàn)出了比擬強(qiáng)的6年左右的時(shí)間振蕩。

年降水20年主周期變化結(jié)果表示清楚(圖6b),1961-1963年、1970-1976年、1984-1989年、1996-2002年降水偏少;1964-1969年、1977-1983年、1990-1995年、2003-2018年降水偏多。在1961-2000年間表現(xiàn)出比擬強(qiáng)的13年左右的時(shí)間振蕩。

年徑流13年主周期變化結(jié)果表示清楚(圖6c),1961-1964年、1970-1973年、1978-1982年、1987-1990年、1995-1998年、2003-2005年徑流偏枯;1965-1969年、1974-1977年、1983-1986年、1991-1994年、1999-2002年、2006-2018年徑流偏豐。在1980-1995年期間表現(xiàn)出比擬強(qiáng)的7年左右的時(shí)間振蕩。

2.4徑流-氣溫-降水的變化關(guān)系

1961-2018年降水與徑流大致呈正相位變化,1964、1967、1984、1992年具有較強(qiáng)的降水經(jīng)過(guò),徑流經(jīng)過(guò)也在1964、1967、1984、1992年到達(dá)峰值(圖7)。氣溫與徑流大致反相位變化,氣溫偏低,徑流偏豐,氣溫偏高,徑流偏枯(圖7)。徑流與氣溫和降水的多元線性回歸分析結(jié)果表示清楚(表3),1961-2018年降水與氣溫的年際變化趨勢(shì)和年際波動(dòng)能夠很好地解釋徑流的年際變化特征(R2=0.71),氣溫與徑流呈極顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.72),與降水呈極顯著正相關(guān)性(r=0.75),且降水對(duì)徑流的影響稍大于氣溫。徑流突變前后,降水和氣溫對(duì)徑流的解釋度下降,徑流-氣溫-降水的相關(guān)性下降。

3、討論

1961-2018年白龍江上游年均溫上升速率高于白龍江和嘉陵江流域氣溫變化率[5,11]。冬季氣溫的顯著上升是引起年均溫上升的主要原因。白龍江上游降水受東南季風(fēng)、西南季風(fēng)和局地地形的綜合影響,近50年來(lái)降水整體呈不顯著下降趨勢(shì),秋季降水量減少最為顯著,這與白龍江和嘉陵江流域降水變化特征一致,但變化速率偏小[5,11]。降水與氣溫的變化導(dǎo)致了1980s中期以來(lái)白龍江上游氣候的暖干化趨勢(shì)。

河川徑流變化是氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)作用下的綜合產(chǎn)物。1961-2018年白龍江上游徑流呈顯著減少趨勢(shì),與白龍江和嘉陵江流域徑流變化趨勢(shì)一致,但變化速率偏小[5,12]。氣溫和降水是影響白龍江上游徑流變化的主要?dú)夂蛞蛩?。徑流主要受降水補(bǔ)給,但氣溫升高可能引起區(qū)域蒸散發(fā)量增加,導(dǎo)致徑流減少,表現(xiàn)出徑流與氣溫呈負(fù)相關(guān)性。然而不同時(shí)段徑流變化的影響因素不同,1960s至1980s年代,徑流變化主要受氣候變化影響,此時(shí)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的作用有限。1990s年代以來(lái)氣候變化對(duì)徑流影響的比重開(kāi)場(chǎng)下降,反映了人類(lèi)活動(dòng)因素對(duì)徑流變化的作用程度正不斷加強(qiáng)。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)白龍江上游徑流變化的影響主要有兩個(gè)方面:1)通過(guò)生態(tài)保衛(wèi)工程改變流域的土地利用、土地覆被狀況,進(jìn)而改變下墊面狀況,進(jìn)而影響徑流的產(chǎn)生及聚集經(jīng)過(guò)[13];2)通過(guò)大量引水以知足灌溉、工業(yè)和城鎮(zhèn)的需水要求,使徑流大幅度減少[4]。

1990s以來(lái)白龍江上游徑流減少是暖干化氣候和人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果,但其各自的奉獻(xiàn)率還有待進(jìn)一步研究。

4、結(jié)論

(1)1961-2018年白龍江上游氣溫呈顯著上升趨勢(shì),50年間氣溫升高了1.91℃,且以冬季氣溫上升為主。氣溫升高在1990年到達(dá)顯著性水平,在1992年發(fā)生暖突變。在將來(lái)的一段時(shí)段內(nèi)氣溫仍將持續(xù)上升。

降水在研究時(shí)段內(nèi)呈微弱減小趨勢(shì),50年間降水量減少了14.96mm,占多年平均降水量的2.47%,且以秋季降水減少為主要特征。1985年以后降水整體偏少,但未發(fā)生顯著突變。在將來(lái)的一段時(shí)段內(nèi),降水量將可能呈微弱增加趨勢(shì)。徑流在研究時(shí)段內(nèi)呈顯著減小趨勢(shì),50年間徑流減少了19.74108m3,占多年平均徑流量的36.17%,且以秋季徑流減少為主。徑流在1986年以后持續(xù)減少,并在1990年發(fā)生由多到少的突變。在將來(lái)的一段時(shí)段內(nèi),徑流仍可能持續(xù)減少。年均溫有6年、12年準(zhǔn)周期,年降水有13年和20年準(zhǔn)周期,徑流有7年和13年準(zhǔn)周期。

(2)1961-2018年白龍江上游在氣溫顯著升高、降水略有減小的氣候組合情況下,徑流呈顯著減少趨勢(shì),講明氣候因素對(duì)徑流具有直接影響。將來(lái)在氣溫顯著升高、降水微弱增加的氣候情景下,徑流仍將持續(xù)減少。不同時(shí)間段徑流的變化因素不同,1990年以前徑流變化主要受氣候變化影響,人類(lèi)活動(dòng)影響較小。1990年以后徑流變化主要受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的綜合影響,兩者作用相當(dāng)。

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