白龙江属长江二级支流,嘉陵江一级支流,河流全长 535km,流域面积 32810km2,多年平均径流约 40× 108m3,发源于甘肃省碌曲县与四川省若尔盖县交界的郎木寺乡,向东流经碌曲、若尔盖、迭部、舟曲、宕昌、武都、文县、青川及广元 9 个县(市) ,于昭化县旧城北部汇入嘉陵江(图 1) 。白龙江上游(武都水文站以上流域) 多高山峡谷地貌,地势险峻,降水集中且多为强降水,生态环境脆弱,对水文气象要素变化十分敏感[1]。近几十年来随着气候变化和人类活动影响的不断加剧,气候资源与水资源对白龙江上游经济社会发展与生态环境变化的制约效应日益增强。目前已有不少研究涉及白龙江上游径流年内、年际变化特征及径流变化与气象要素相互关系等[2,3],但在气温、降水和径流三者的变化趋势、波动性、周期性、持续性和相互关系等方面的研究还较少。
文中基于气温、降水和径流资料,采用Mann - Kendall 法、R / S 分析法和 Morlet 小波分析法研究了白龙江上游气温、降水和径流的变化特征,并采用多元线性回归分析法探讨了气候变化和人类活动对径流变化的影响,研究结果对指导该区经济社会发展、水资源合理开发利用与生态环境保护均具有重要意义[4]。
1、 材料与方法
1. 1 数据来源与预处理
1961 - 2010 年武都水文站月径流数据来自甘肃省水文年鉴与水资源公报。选取 1961 - 2010 年白龙江流域及其周边区域 20 个典型气象站月均温与月降水资料,具体包括玛曲、碌曲、临潭、卓尼、岷县、郎木寺、迭部、宕昌、若尔盖、礼县、西和、成县、武都、南坪、文县、康县、平武、青川、广元、剑阁。引入经度、纬度、海拔三个主要影响气温和降水时空分布的影响因子,采用多元线性回归加残差分析法[5]对气温和降水进行空间插值,得到白龙江上游气温和降水的时空分布。采用交叉检验法,以误差平均值和误差标准差为指标对插值前后的数据进行 t 检验,结果表明在 99% 的置信度下绝大部分数据的显著性概率均大于 0. 01,插值结果可靠。
1. 2 研究方法
文中采用 Mann - Kendall(MK) 法[6]研究年均温、年降水和年径流变化的趋势性和突变性。按照 3 ~5月为春季、6 ~8 月为夏季、9 ~11 月为秋季、12 月 ~ 翌年 2 月为冬季进行季节划分,研究气温、降水和径流的季节变化趋势。利用 R/S 分析法[7]对未来年均温、年降水及年径流可能的变化趋势进行预测。通过Morlet 小波分析[8]研究了年均温、年降水和年径流的周期性变化,并采用 0. 05 信度红噪声标准谱[9]对准周期进行显著性检验,以确定主周期。为了明确时间序列的突变时间,文中同时使用滑动 t 检验法[10]对多个 MK 突变点进行显著性检验。
2、 结果与分析
2. 1 水文气象要素趋势变化
1961 - 2010 年白龙江上游年均温整体呈极显著上升趋势 (图 2 和表 1) ,其年际变化率为 0. 38℃ /10a,并主要受冬季气温变化趋势影响(表 2) 。年均温在 1976 年出现最小值为 1. 81℃ ,1998 年出现最大值为 4. 25℃,并在 1967 年、1970 年、1983 年先后出现 3 个气温谷值,在 1990 年、2003 年、2006 年先后出现3 个气温峰值。5 年滑动平均曲线显示 1982 - 1986 年 5 年的年均温最低,为 2. 09℃ ,而 5 年最大值出现在2006 - 2010 年,为 3. 74℃ 。年均温累积距平曲线显示,1961 - 2010 年气温大致经历" 平稳变化 - 快速上升"两个阶段,1961 -1988 年气温呈微弱的波动上升趋势,其年际变化率为 0. 06℃ /10a,而 1988 -2010 年气温呈快速上升趋势,其年际变化率为 0. 40℃ /10a。采用 R/S 分析法预测未来年均温可能的变化趋势(表 1) ,其 Hurst 指数为 0. 95 >0. 5,表明未来气温仍将持续上升。
1961 - 2010 年白龙江上游年降水呈微弱减少趋势(图 3 和表 1) ,其年际变化率为 - 3. 0mm /10a,并主要受秋季降水变化趋势影响(表 2) 。年降水最大值出现在 1992 年,为 840. 52mm,最小值出现在 1965 年,为 463. 92mm,并在1972 年、1987 年、1997 年、2002 年先后出现4 个降水低值,在1967 年、1984 年、2003 年先后出现 3 个降水高值。5 年滑动平均曲线显示年降水大致经历"减少(1961 -1972 年) - 增加(1972 -1985 年) - 减少(1985 - 1997 年) - 增加(1997 - 2010 年) " 4 个变化阶段,各阶段变化率分别为 - 10.25mm /a、6. 99mm / a、- 1. 28mm / a、3. 63mm / a。累积距平曲线显示年降水在 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 2010 年偏少。采用R / S 分析法预测未来年降水可能的变化趋势(表 1) ,其 Hurst 指数为 0. 45 < 0. 5,表明未来降水可能呈微弱增加趋势。
1961 - 2010 年白龙江上游年径流呈极显著减少趋势(图 4 和表 1) ,其年际变化率为 -3. 94 ×108m3/10a,并主要受秋冬季径流变化趋势影响(表 2) 。年径流最大值出现在1967 年,为 62. 70 × 108m3,最小值出现在2002 年,为 22. 88 × 108m3,并在 1964 年、1984 年先后出现两个径流低值,在 1997 年、2004 年先后出现两个径流高值。5 年滑动平均曲线显示年径流大致经历" 减少(1961 -1973 年) - 增加 (1973 - 1985 年) - 减少(1985 -1998 年) - 增加(1998 -2010 年) "4个变化阶段,各阶段变化率分别为 -1. 16×108m3/ a、0. 82 × 108m3/ a、- 1. 15 × 108m3/ a、0. 10 × 108m3/ a。累积距平曲线显示年径流在 1961 - 1968 年呈增加趋势,1968 -1972 年短暂减少,1972 -1985 年持续增加,1985 -1993 年平稳变化,1993 -2010 年持续减少。采用 R/S 分析法预测未来年径流可能的变化趋势(表 1) ,其 Hurst 指数为 0. 88 >0. 5,表明未来年径流仍可能呈极显著减少趋势。
2. 2 水文气象要素突变性
水文气象要素 Mann - Kendall 检验结果表明,年均温从 1972 年开始整体呈持续上升趋势,在 1990 年达到显著性升温水平,并在 1992 年发生气温暖突变(图 5) 。降水在 1961 -1985 年整体呈波动变化且无显著趋势性,1985 年以后降水整体偏少,然而降水正序列曲线在研究时段内未达到显著性水平,因此不存在显著突变点。径流在 1961 -1986 年呈波动变化且呈微弱趋势性,1986 年以后呈持续减少趋势,在 1996年达到显著性减少水平,并在 1990 年发生径流由多到少的突变。1970s 初期以来白龙江上游气候不断变暖,1980s 中期以后伴随降水的减少,气候不断呈暖干化趋势。受气候暖干化影响,径流在 1980s 中期以后呈持续减少趋势,并在 1990s 达到显著减少水平。
2. 3 水文气象要素周期变化
1961 - 2010 白龙江上游气温、降水和径流具有周期性变化特征,但周期性不显著(图 6) 。年均温有 6年、12 年准周期,年降水有 13 年、20 年准周期,年径流有 7 年、13 年准周期。
年均温 12 年主周期变化结果表明(图 6a) ,1964 - 1967 年、1972 - 1974 年、1979 - 1983 年、1988 -1991 年、1997 - 2000 年、2005 - 2008 年温度偏高; 1961 - 1963 年、1968 - 1971 年、1975 - 1987 年、1984 -1987 年、1992 - 1996 年、2001 - 2004 年、2009 - 2010 年温度偏低。在 1985 - 2010 年间表现出了比较强的6 年左右的时间振荡。
年降水 20 年主周期变化结果表明(图 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 - 2009 年降水偏多。在 1961 -2000 年间表现出比较强的 13 年左右的时间振荡。
年径流 13 年主周期变化结果表明(图 6c) ,1961 - 1964 年、1970 - 1973 年、1978 - 1982 年、1987 -1990 年、1995 - 1998 年、2003 - 2005 年径流偏枯; 1965 - 1969 年、1974 - 1977 年、1983 - 1986 年、1991 -1994 年、1999 - 2002 年、2006 - 2009 年径流偏丰。在 1980 - 1995 年期间表现出比较强的 7 年左右的时间振荡。
2. 4 径流 - 气温 - 降水的变化关系
1961 - 2010 年降水与径流大致呈正相位变化,1964、1967、1984、1992 年具有较强的降水过程,径流过程也在 1964、1967、1984、1992 年达到峰值(图 7) 。气温与径流大致反相位变化,气温偏低,径流偏丰,气温偏高,径流偏枯(图 7) 。径流与气温和降水的多元线性回归分析结果表明(表 3) ,1961 -2010 年降水与气温的年际变化趋势和年际波动能够很好地解释径流的年际变化特征(R2= 0. 71) ,气温与径流呈极显著负相关性(r = -0. 72) ,与降水呈极显著正相关性(r =0. 75) ,且降水对径流的影响稍大于气温。径流突变前后,降水和气温对径流的解释度下降,径流 - 气温 - 降水的相关性下降。
3、 讨论
1961 - 2010 年白龙江上游年均温上升速率高于白龙江和嘉陵江流域气温变化率[5,11]。冬季气温的显著上升是引起年均温上升的主要原因。白龙江上游降水受东南季风、西南季风和局地地形的综合影响,近 50 年来降水整体呈不显著下降趋势,秋季降水量减少最为显著,这与白龙江和嘉陵江流域降水变化特征一致,但变化速率偏小[5,11]。降水与气温的变化导致了 1980s 中期以来白龙江上游气候的暖干化趋势。
河川径流变化是气候变化和人类活动作用下的综合产物。1961 - 2010 年白龙江上游径流呈显著减少趋势,与白龙江和嘉陵江流域径流变化趋势一致,但变化速率偏小[5,12]。气温和降水是影响白龙江上游径流变化的主要气候因素。径流主要受降水补给,但气温升高可能引起区域蒸散发量增加,导致径流减少,表现出径流与气温呈负相关性。然而不同时段径流变化的影响因素不同,1960s 至 1980s 年代,径流变化主要受气候变化影响,此时人类活动对径流变化的作用有限。1990s 年代以来气候变化对径流影响的比重开始下降,反映了人类活动因素对径流变化的作用程度正不断增强。人类活动对白龙江上游径流变化的影响主要有两个方面:1) 通过生态保护工程改变流域的土地利用、土地覆被状况,从而改变下垫面状况,进而影响径流的产生及汇集过程[13]; 2) 通过大量引水以满足灌溉、工业和城镇的需水要求,使径流大幅度减少[4]。
1990s 以来白龙江上游径流减少是暖干化气候和人类活动共同作用的结果,但其各自的贡献率还有待进一步研究。
4、 结论
(1) 1961 - 2010 年白龙江上游气温呈显著上升趋势,50 年间气温升高了 1. 91℃,且以冬季气温上升为主。气温升高在 1990年达到显著性水平,在 1992 年发生暖突变。在未来的一段时段内气温仍将持续上升。
降水在研究时段内呈微弱减小趋势,50 年间降水量减少了14. 96mm,占多年平均降水量的2. 47%,且以秋季降水减少为主要特征。1985 年以后降水整体偏少,但未发生显著突变。在未来的一段时段内,降水量将可能呈微弱增加趋势。径流在研究时段内呈显著减小趋势,50 年间径流减少了 19. 74 ×108m3,占多年平均径流量的 36. 17%,且以秋季径流减少为主。径流在 1986 年以后持续减少,并在 1990 年发生由多到少的突变。在未来的一段时段内,径流仍可能持续减少。年均温有 6 年、12 年准周期,年降水有 13 年和20 年准周期,径流有 7 年和 13 年准周期。
(2) 1961 -2010 年白龙江上游在气温显著升高、降水略有减小的气候组合情况下,径流呈显著减少趋势,说明气候因素对径流具有直接影响。未来在气温显著升高、降水微弱增加的气候情景下,径流仍将持续减少。不同时间段径流的变化因素不同,1990 年以前径流变化主要受气候变化影响,人类活动影响较小。1990 年以后径流变化主要受气候变化和人类活动的综合影响,两者作用相当。
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