李寶富, 熊黑鋼, 廉麗姝, 孫小銀, 周長春

(1.曲阜師范大學 地理與旅游學院, 山東 日照 276826; 2.北京聯(lián)合大學 應用文理學院, 北京100083)

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沂河徑流非線性變化特征對氣候變化的響應

李寶富1, 熊黑鋼2, 廉麗姝1, 孫小銀1, 周長春1

(1.曲阜師范大學 地理與旅游學院, 山東 日照 276826; 2.北京聯(lián)合大學 應用文理學院, 北京100083)

[目的] 研究沂河水文和氣候因子在不同時間尺度上的非線性變化特征，為進一步了解徑流對氣候變化的復雜響應過程提供理論依據(jù)。[方法] 采用集合經(jīng)驗模態(tài)分解(EEMD)、Mann-Kendall檢驗、相關分析和線性回歸等分析方法。 [結(jié)果] 1951—2013年沂河徑流呈顯著下降態(tài)勢(p<0.01)，下降速率為3.33×108m3/10 a，但在1976年前后徑流則呈相反變化趨勢。同時，徑流可分解為4個經(jīng)驗模態(tài)分量(IMF)，其中在年際尺度上(周期為3和6 a)的變化對徑流總體變化的貢獻率較大，為58%，其次是在數(shù)年代際(周期為31 a)尺度上的變化，貢獻率為11%，而在年代際(周期為13 a)尺度上的變化對徑流總體變化的貢獻較小，僅為6%。故徑流變化的非線性變化趨勢對徑流變化的貢獻率為25%。 [結(jié)論] 氣候因子在不同時間尺度上對徑流的作用方式和影響機理具有明顯差異，其中在年代際和數(shù)年代際尺度上氣候因素與徑流關系更為密切。

徑流; 非線性變化; 不同時間尺度; 氣候變化

文獻參數(shù)： 李寶富, 熊黑鋼, 廉麗姝, 等.沂河徑流非線性變化特征對氣候變化的響應[J].水土保持通報，2016,36(4)：169-174.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.031

中國是一個嚴重缺水的國家，人均淡水資源僅為世界平均水平的1/4，在世界上名列110位，是全球人均水資源最貧乏的國家之一[1]。而山東省作為經(jīng)濟強省，人均水資源量卻不到全國平均水平的1/6[2]。水資源短缺已成為山東省社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”和關鍵制約因素。因此，本研究以淮河流域的重要支流、魯南地區(qū)的主要水源地之一、臨沂地區(qū)的母親河——沂河為例，開展徑流演化過程及其影響因素研究，這不僅有助于提高對水資源變化機理的認識，而且可為水資源極度匱乏地區(qū)制定科學的水資源管理策略提供科學依據(jù)。

目前，氣候變化對水循環(huán)與水資源影響的研究是國際上普遍關注的全球性問題，也是中國可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題[3-4]。氣候變化已使得全球水循環(huán)過程發(fā)生改變。已有研究[5]表明，在過去30 a多，全球氣候變化已使得我國北方地區(qū)旱情加重，水生態(tài)環(huán)境惡化，嚴重阻礙了社會經(jīng)濟的發(fā)展；而且未來氣候變化對我國“南澇北旱”的格局和未來水資源分布的影響將很有可能進一步加劇。此外，氣候變化加劇了水資源變化的不確定性[6]。例如，近年來，沂沭泗河地區(qū)的暴雨日出現(xiàn)頻率逐漸增加[7]，必然導致河流水文過程發(fā)生相應改變，從而引起水資源總量與季節(jié)分配發(fā)生變化。因此，諸多學者[8-12]開展了有關河流水文過程的線性變化及其對氣候變化的響應研究，并取得了一些成果。然而，水文系統(tǒng)作為一個復雜的非線性系統(tǒng)，水文過程的非線性變化及其與氣候因子的內(nèi)在聯(lián)系尚需進一步探索[13-14]。因此，本文著重探析沂河徑流在年際、年代際和數(shù)年代際尺度上的非線性變化特征，并解析其與流域氣候要素(氣溫和降水)及對我國北方氣候有著重要影響的大氣環(huán)流﹝厄爾尼諾—南方濤動(NESO)和太平洋十年濤動(PDO)﹞在不同時間尺度上的響應關系。ENSO(El Nino-Southern Oscillation)是發(fā)生在東南太平洋與印度洋及印尼地區(qū)之間的反相氣壓振動，它可以反映全球尺度的氣候波動[15]，并通過影響東亞季風環(huán)流和太平洋副熱帶高壓，對我國不同區(qū)域的氣候產(chǎn)生不同程度和方式的影響[16]。PDO(Pacific Decadal Oscillation)是美國海洋學家斯蒂文于1996年發(fā)現(xiàn)的“拉馬德雷”現(xiàn)象，它作為一種高空氣壓流，分別以“暖位相”和“冷位相”兩種形式交替在太平洋上空出現(xiàn)，每種現(xiàn)象持續(xù)20～30 a，并對我國乃至全球氣候產(chǎn)生重要影響。雖然水文過程的非線性變化引起了學者的關注，但由于方法所限，對水文系統(tǒng)的非線性過程的解讀尚處于起步階段。近年來，Wu和Huang[17]提出的一種噪聲輔助數(shù)據(jù)分析方法——集合經(jīng)驗模態(tài)分解(EEMD)法，是克服研究系統(tǒng)的非線性和非平穩(wěn)性的有效手段[18-19]。該方法與其他分解方法(如小波分析)不同，它不受傅立葉分析的限制，是一種自適應的分解過程，可在很大程度上去除持久穩(wěn)固信號(模態(tài)函數(shù)，IMF)的噪聲，已在電學、光學、圖像處理、氣候等領域得到應用[19-20]，而在水文系統(tǒng)的應用有待加強。因此，本文運用EEMD方法解讀沂河水文和氣候因子在不同時間尺度上的非線性變化特征，從而揭示徑流對氣候變化的復雜響應過程。

1　研究區(qū)概況

沂河是淮河流域沂沭泗水系中較大河流，北接海河平原，南鄰黃淮平原，為臨沂地區(qū)的母親河。沂河源出山東省沂源縣，經(jīng)沂水、沂南、臨沂、蒙陰、平邑、郯城等縣、市，至江蘇省邳縣吳樓村入新沂河，抵燕尾港入黃海，全長約500 km，流域面積1.70×104km2。沂河流域山丘區(qū)約占70%，平原區(qū)約占30%。該流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L大陸性氣候，受大陸氣團和海洋性氣團交替影響，具有四季分明、夏季炎熱、冬季寒冷等特征。流域多年平均降水量約為815 mm，降水在年內(nèi)分布極不均勻，集中于夏秋季節(jié)。

2　數(shù)據(jù)和方法

1951—2013年，沂河徑流數(shù)據(jù)來自臨沂水文站。采用沂河流域及其附近的沂源、兗州、莒縣和徐州氣象站的平均氣候狀況代表流域氣溫和降水在1951—2013年的變化特征。1951—2013年，太平洋10 a濤動(PDO)數(shù)據(jù)來自http:∥research.jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest；厄爾尼諾—南方濤動(ENSO)數(shù)據(jù)源自http:∥icoads.noaa.gov/。

采用線性回歸、Mann-Kendall趨勢和突變檢驗法，分析沂河徑流在不同時間尺度上的線性變化趨勢及突變時間。運用集合經(jīng)驗模態(tài)分解(EEMD)方法解析徑流和氣候因子在不同年際、年代際和數(shù)年代際等時間尺度上的非線性變化特征。采用Person相關分析法探討不同時間尺度上的沂河徑流的非線性變化過程與流域氣溫、降水、PDO和ENSO的相關關系。

3　結(jié)果與分析

3.1徑流突變

Mann-Kendall 突變分析表明，1951—2013年沂河地表徑流在1966年發(fā)生顯著突變(p<0.01)。因此，將1966—2013年徑流序列數(shù)據(jù)再次進行突變分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)徑流在1970年又發(fā)生顯著突變(p<0.05)。然后分析1970—2013年徑流突變狀況。依次類推，結(jié)果顯示沂河徑流分別在1976和1999年發(fā)生顯著性突變(p<0.05)?？紤]到某些突變點前后時間序列較短，因此本文重點分析徑流在1951—2013年,1951—1975年和1976—2013年3個時間尺度上的線性趨勢變化特征。

3.2線性變化

1951—2013年沂河地表年平均徑流量為2.15×109m3。其中，徑流量最大值出現(xiàn)在1963年，高達6.21×109m3，最小值出現(xiàn)在1989年，僅為1.45×108m3。從線性變化來看，近63 a徑流呈顯著減少趨勢(p<0.01)，變化速率為-3.33×108m3/10 a(圖1)。雖然徑流在1951—2013年尺度上表現(xiàn)出顯著下降態(tài)勢，但在其它時間尺度上則表現(xiàn)出不同的變化趨勢。其中，在1951—1975年，徑流雖也呈減少趨勢，但并不顯著，減少速率為-6.98×108m3/10 a。而在1976—2013年，徑流則表現(xiàn)出顯著增加趨勢(p<0.05)，線性變化速率為3.95×108m3/10 a。因此，基于水文演化過程的復雜性，還必須從不同時間尺度揭示其非線性變化特征。

圖1　沂河3個不同時期的地表徑流變化

3.3非線性變化

EEMD分析結(jié)果表明，1951—2013年沂河地表徑流可分解為4個固有模態(tài)函數(shù)分量(IMF1—4)和1個趨勢項(圖2)。每個IMF分量可反映徑流在不同時間尺度上的固有波動頻率特征，趨勢項則顯示了徑流在近63 a的非線性變化趨勢。對每個分量的顯著性檢驗，則表明了各分量具有的物理意義的大小。其中，IMF4分量的顯著性較高，達到了95%的水平，說明該分量的物理意義較大，其次是IMF1和IMF2，均達到了90%的顯著性水平，而IMF3的顯著性較低，說明徑流在該時間尺度下波動頻率的物理意義相對較弱。

圖2　　　　基于EEMD分解的沂河徑流固有模態(tài)

各徑流分量不僅展示了外部驅(qū)動力下水文系統(tǒng)的周期性變化，也反映了水文過程在不同時間尺度上的非線性變化特征。1951—2013年，徑流變化在年際尺度上具有3 a(IMF1)和6 a(IMF2)的準周期(圖2)，在年代際尺度上具有13 a(IMF3)的變化周期，而在數(shù)年代際尺度上的變化周期為31 a(IMF4)。從各分量對徑流變化的方差貢獻率來看，IMF1分量的貢獻率最大，為36%；其次是IMF2和IMF4，貢獻率分別為22%和11%；而IMF3的貢獻率最小，僅為6%，這與徑流在相應時間尺度波動頻率的物理意義較弱相符。因此，可得出徑流的非線性變化趨勢對其總體變化的貢獻率為25%，顯示水文系統(tǒng)的自然波動對徑流變化具有明顯的影響。同時表明，年際尺度徑流變化對徑流總體變化的影響較大，貢獻率高達58%。

從不同時間尺度徑流非線性變化特征來看，IMF1和IMF2分量在1970s中期至1980s的波動幅度明顯低于其他時段，尤其是1970s中期以前徑流變化幅度較大(圖2)。這一方面與區(qū)域氣候波動狀況有關；另一方面與流域人類活動干擾強度聯(lián)系緊密，沂河流域大中型水庫修建時間大多集中在20世紀60—70年代，此時期內(nèi)人類調(diào)蓄水量較大，水庫在攔蓄地表徑流、削減洪峰和改變徑流的時空分布等方面從一定程度上影響了徑流量的波動。而在1970s中期至1980s，流域土地利用變化及水利設施建設等人類活動影響程度相對較弱。1980s以后，由于區(qū)域氣候變化對全球氣候變暖的響應顯著，區(qū)域氣候極端事件頻發(fā)，而且隨著人口和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類干擾活動對流域水文過程影響程度逐漸增強。因此，從圖2中還可以看出，徑流IMF1和IMF2分量在1980 s以后的振幅開始逐漸增大。另外，在年代際尺度上(IMF3)，徑流波動幅度表現(xiàn)出與年際變化相似的特征，可見年代際變化與年際變化的關系密切。但在數(shù)年代際尺度上(IMF4)，則表現(xiàn)出不同的特征，徑流變化的幅度和不穩(wěn)定性在近63 a來在呈減小態(tài)勢，這說明人類活動或自然因素在長時間尺度上對水文過程的影響程度略有降低。同時表明，氣候自然波動和人類干擾活動對水文過程的年際變化影響程度相對較大。

3.4徑流對氣候變化的響應關系

為了揭示氣候因素對沂河地表徑流的影響，本文首先分析沂河流域平均氣溫和降水變化與徑流的對應關系。然后，著重解析對我國東部季風區(qū)氣候影響較大的厄爾尼諾—南方濤動(NESO)和太平洋10 a濤動(PDO)兩種大氣環(huán)流與徑流的聯(lián)系。本文同時運用EEMD方法將各氣候因素進行分解，以便從年際、年代際和數(shù)年代際尺度上探討不同氣候因素與徑流的變化關系。

1951—2013年研究區(qū)徑流與流域降水量聯(lián)系緊密，兩者呈極顯著正相關性(p<0.01)，相關關系為0.79(圖3)。從各分量來看，年際尺度的IMF1和IMF2的徑流與降水的關系有所降低，相關系數(shù)分別為0.61和0.54，但也達到了p<0.01的顯著性水平。而在年代際(IMF3)和數(shù)年代際(IMF4)尺度上，徑流與降水的關系變得更為密切，相關性分別高達0.88和0.98，兩者變化的同步性十分明顯。這說明降水在年代際以上尺度上對徑流的影響程度明顯大于年際尺度。

圖3　　　　沂河1951-2013年徑流與降水

1951—2013年沂河流域平均氣溫與徑流相關性系數(shù)僅為-0.29，雖然達到了p<0.05的顯著性水平，但其相關性明顯低于降水與徑流的關系(圖4)。從不同時間尺度的分量來看，IMF1分量的氣溫與徑流的相關性較差，相關系數(shù)僅為-0.17，兩者在IMF2分量的相關性有所增加，系數(shù)為-0.37(p<0.05)；而在年代際及以上尺度上，兩者的相關性由負相關轉(zhuǎn)為顯著正相關，尤其是IMF4分量的兩者相關系數(shù)(0.63)明顯高于其它分量。這一方面說明隨著時間尺度的增大，氣溫對徑流的影響程度發(fā)生明顯變化，同時表明，在年際和年代際尺度上，氣溫對徑流的影響機理具有顯著差異。這是因為在時間較短的年際尺度上，氣溫主要通過蒸發(fā)等因素來間接影響徑流量的變化，對于以降水補給來源為主的流域，氣溫對徑流的影響程度小于降水，而且溫度升高，引起蒸發(fā)增大，故氣溫往往與徑流呈負相關。但在時間較長的年代際或數(shù)年代際尺度上，氣溫變化往往會對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生深遠影響，從而影響降水量的時間分配和空間布局，進而引起流域徑流量變化。

在年尺度上，近63 a來沂河徑流與ENSO呈顯著負相關關系(r=-0.27，p<0.05)。這在于ENSO偏強年，我國北方降水普遍偏少[21]。但從不同分量來看，ENSO與徑流的關系更為復雜。其中，在IMF1和IMF3尺度上，兩者的相關關系不具有顯著性，但在IMF2尺度上兩者呈顯著正相關性(r=0.34,p<0.05)，而在IMF4尺度上卻呈顯著負相關關系(r=-0.45,p<0.01)。這反映出不同時間尺度上ENSO對徑流的影響程度與作用機理迥異。

1951—2013年研究區(qū)徑流與PDO呈顯著負相關性(r=-0.39,p<0.05)。同時，從各分量來看，在不同時間尺度上PDO與徑流的關系不一(圖5)。其中，在年際尺度上的IMF1和IMF2分量兩者關系并不顯著，而在年代際尺度上的IMF3分量兩者具有顯著正相關性(r=0.36,p<0.05)，但數(shù)年代際尺度上的IMF4分量兩者卻呈顯著負相關關系(r=-0.78,p<0.01)。這也反映出時間尺度越大，PDO與徑流的關系越緊密。值得注意的是，雖然IMF2分量在1951—2013年的徑流和PDO相關性較差，相關系數(shù)僅為-0.08；但在1951—1974年兩者呈極顯著負相關性，相關系數(shù)高達-0.58(p<0.01)，同時在1975—2013年兩者的關系轉(zhuǎn)為顯著正相關性(r=0.33，p<0.05)。另外，IMF3分量也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象。其中，在1951—1970年兩者具有極顯著正相關性，之后也轉(zhuǎn)為負相關關系。從圖5也可以看出，徑流和PDO的關系在1970s前后有了明顯的轉(zhuǎn)換。這說明即使在同一時間尺度上，不同時間段內(nèi)PDO對徑流的影響也是有明顯差異的，也體現(xiàn)了大氣環(huán)流對徑流影響的復雜性和不確定性。

圖4　沂河1951-2013年徑流與氣溫在不同時間尺度上的變化

圖5　沂河1951-2013年徑流與PDO在不同時間尺度上的變化

4　討論與結(jié)論

4.1討 論

本研究基于EEMD，Mann-Kendall趨勢和突變檢驗及線性回歸等方法對沂河徑流在不同時間尺度上的線性和非線性變化特征進行深入分析，并探討了徑流對氣溫、降水、ENSO和PDO變化的響應關系，基于研究結(jié)論可得到以下啟示與思考。

(1) 運用同一方法，對不同時間尺度的徑流變化進行突變檢驗結(jié)果并不一致。這說明在進行突變點分析時，要結(jié)合研究對象的實際情況，確定相對有實際意義的突變時間，這將有利于對科學問題的分析與解釋。同時，不同時間尺度的徑流線性變化趨勢結(jié)果差異明顯，反映了徑流變化具有一定的復雜性和不穩(wěn)定性，需要結(jié)合其非線性變化特征，深入剖析徑流變化規(guī)律。而且通過對徑流非線性變化特征進行分析，有助于提高對不同時間尺度上水文系統(tǒng)變化規(guī)律的認識。

(2) 通過分析氣溫、降水與徑流的關系，可以看出氣溫對徑流的影響機理相對復雜，不僅要考慮氣溫變化對蒸散發(fā)的直接影響，更要探討溫度變化對氣候系統(tǒng)的長期影響。因此，該方面的研究有待加強，這將有利于我們?nèi)娼沂練夂蛳到y(tǒng)對水文系統(tǒng)的影響機理，有助于提升對水文系統(tǒng)變化的預估水平，從而提高水資源系統(tǒng)應對氣候變化的能力。

(3) 基于徑流對ENSO和PDO變化的響應分析，可以看出大氣環(huán)流對徑流的影響具有復雜性和不穩(wěn)定性，尤其在不同時期、不同時間尺度上，大氣環(huán)流對徑流的影響可能存在作用方式與強度的轉(zhuǎn)變，但其機理尚不明確。因此，在利用水文模型等方法對水文過程進行模擬、預測時，必須考慮到大氣環(huán)流對水文系統(tǒng)影響機理的動態(tài)變化過程。換言之，要加強水系統(tǒng)對區(qū)域氣候變化或大氣環(huán)流的動態(tài)響應研究，這也是我們未來工作的重點。

4.2結(jié) 論

(1) 不同時間尺度的沂河徑流突變檢驗結(jié)果不盡相同。其中在1976年前后，徑流發(fā)生的突變更為明顯。

(2) 沂河徑流在不同時間尺度上的線性變化特征具有明顯差異。其中徑流在1951—2013年尺度上呈顯著下降態(tài)勢(p<0.01)，下降速率為3.33×108m3/10 a；在1951—1975年，徑流呈減少但不顯著變化趨勢；而在1976—2013年，徑流則表現(xiàn)出顯著增加趨勢(p<0.05)，變化速率為3.95×108m3/10 a。

(3) 從非線性變化特征來看，沂河徑流在年際尺度的變化對徑流總體變化的貢獻率較大，為58%，并具有3和6 a非線性變化周期；在年代際尺度上徑流變化周期為13 a，對徑流變化的貢獻率較小，僅為6%；而在數(shù)年代際尺度上徑流變化周期為31 a，對徑流總體變化貢獻率為11%。因此，徑流變化的非線性變化趨勢對徑流變化的貢獻率為25%。

(4) 在年際、年代際和數(shù)年代際尺度上，降水量與徑流均呈顯著正相關關系(p<0.01)，但在年代際和數(shù)年代際尺度上兩者的關系更為密切。在不同時間尺度上，氣溫對徑流的影響程度與機理具有明顯差異，主要表現(xiàn)在氣溫與徑流在年際尺度上呈負相關關系，而在年代際及以上尺度上則呈顯著正相關性(p<0.05)。

(5) 不同時間尺度上大氣環(huán)流對徑流的影響具有復雜性和不穩(wěn)定性。其中，ENSO與徑流的關系隨著時間的變化而不斷發(fā)生正、負相關性的轉(zhuǎn)變。同時，PDO與徑流的關系也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象，而且即使在同一時間尺度上，不同時期內(nèi)兩者的關系也會發(fā)生顯著正、負相關性的轉(zhuǎn)換。

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[21]Wang Shanshan, Huang Jianping, He Yongli, et al. Combined effects of the Pacific Decadal Oscillation and El Nio-Southern Oscillation on global land dry-wet changes[J]. Scientific Reports, 2014,4:6651.

Nonlinear Variation of Runoff and Its Response to Climate Change in Yihe River

LI Baofu1, XIONG Heigang2, LIAN Lishu1, SUN Xiaoyin1, ZHOU Changchun1

(1.CollegeofGeographyandTourism,QufuNormalUniversity,Rizhao，Shandong276826,China;2.CollegeofAppliedArtsandScienceofBeijingUnionUniversity,Beijing100083,China)

[Objective] Studying the nonlinear variations of runoff in Yihe River and the climate factors in different time scales, which was expected to provide theoretical basis for analizing the impact of climate change on runoff. [Methods] The methods of ensemble empirical mode decomposition(EEMD), Mann-Kendall test, Pearson correlation analysis and Linear regression were adopted. [Results] The runoff appeared a significant linear downward trend(p<0.01) during 1951—2013, with a rate of 3.33×108m3/10 a butan aberrant trend existed around 1976. Meanwhile, runoff was decomposed into four IMFs. The contribution of variance of inter-annual scale(quasi-3 and quasi-6-year) to the overall one was the largest, reaching 58%. The contributions of inter-decadal scale(quasi-13-year) and multi-decadal scale(quasi-31-year) were 11% and 6%, respectively. Subsequently, the contribution of nonlinear variation to the overall runoff was 25%. [Conclusion] The effects of climate factors(PDO, ENSO, temperature and precipitation) in different time-scales on runoff and its mechanism were proved different. The climate factors in inter-decadal scale and multi-decadal scale are more closely related to runoff change.

runoff; nonlinear variation; different scales; climate change

2015-10-10

2015-11-08

山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金項目“定量辨識氣候變化與人類活動對沂河地表水資源的影響”(BS2014HZ022); 國家自然科學基金項目(41471389); 山東省自然科學基金項目(ZR2015DL001)

李寶富(1983—),男(漢族),山東省臨沂市人,博士,副教授,主要從事氣候變化與水文水資源研究。E-mail:lenny006@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0169-06

P467， P339