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        金沙江上游近60年徑流變化對(duì)氣候的響應(yīng)

        2019-11-22 07:14:20魏曉玥黃曉榮
        水力發(fā)電 2019年8期
        關(guān)鍵詞:趨勢(shì)影響

        魏曉玥,黃曉榮,2,潘 犖,張 浪

        (1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都610065;2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610065)

        由于洪水、干旱、風(fēng)暴和極端溫度對(duì)人類社會(huì)的巨大影響,極端氣候事件引起了公眾、政府和學(xué)術(shù)界越來越多的關(guān)注。氣候變化最重要的影響之一可能是區(qū)域水文循環(huán)的變化以及之后河流流量的變化。例如,洪水和低流量。水在社會(huì)和自然中的巨大重要性強(qiáng)調(diào)了了解氣候變化如何影響區(qū)域供水的必要性。

        近年來,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了許多研究來描述徑流量的變化趨勢(shì)。孫悅[1]等分析了渭河上游徑流的變化特點(diǎn)及其對(duì)氣候驅(qū)動(dòng)因子的響應(yīng);Gustavo Marini[2]等對(duì)美國(guó)東北部地區(qū)徑流的變化趨勢(shì)以及變異性進(jìn)行了分析;Yurong Hu[3]等研究了1959年~2008年黃河源區(qū)水文情勢(shì)的變化及其與當(dāng)?shù)貧夂虻穆?lián)系。本文選取金沙江上游兩個(gè)代表水文站1954年~2013年的徑流量資料以及對(duì)應(yīng)氣象站點(diǎn)近60 a的降雨和氣溫資料,對(duì)金沙江上游徑流的變化以及與當(dāng)?shù)貧夂蛑g的關(guān)系進(jìn)行了研究。

        1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

        從青海省玉樹州直門達(dá)直至云南省石鼓鎮(zhèn)為金沙江的上游,上游河段總長(zhǎng)965 km。金沙江上游為典型的高寒地帶,人為活動(dòng)較少,其氣候及生態(tài)環(huán)境的變化直接影響著“三江源”地區(qū)資源開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)建設(shè)[4]。本文的徑流資料采用金沙江上游直門達(dá)和石鼓兩個(gè)水文站1954年~2013年的逐月徑流量數(shù)據(jù),選取玉樹、清水河、石渠、巴塘、德格、稻城和麗江站等7個(gè)氣象站與水文站同時(shí)段近40 a的年降雨和年平均氣溫?cái)?shù)據(jù),并對(duì)資料中缺測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。

        2 研究方法

        2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

        如果x1,x2,…,xn是長(zhǎng)度為n的時(shí)間序列,則M-K檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量

        (1)

        (2)

        (3)

        式中,Z為一個(gè)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量;Var(S)為方差。在顯著性水平為α的雙尾檢驗(yàn)中,若|Z|>Z1-α/2,則拒絕原假設(shè)。即,序列有顯著的上升或下降趨勢(shì)[5]。

        2.2 Mann-Kendall突變分析法

        M-K分析僅考慮要分析的序列x1,x2,…,xn中所有項(xiàng)的相對(duì)值。對(duì)于每個(gè)項(xiàng),Pi計(jì)算為序列中其值超過xi的后續(xù)項(xiàng)數(shù)量,M-K秩序統(tǒng)計(jì)量

        (4)

        在無趨勢(shì)的零假設(shè)下,dk為正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量,其均值E(dk)及方差Var(dk)為

        E(dk)=k(k-1)/4

        (5)

        Var(dk)=k(k-1)(2k+5)/72,2≤k≤n

        (6)

        基于上述假設(shè),統(tǒng)計(jì)量

        (7)

        根據(jù)序列的逆序可以計(jì)算得到統(tǒng)計(jì)量UB,繪制出UF和UB曲線,如果UF和UB兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)[6],則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為突變開始的時(shí)間。本文采用0.05置信水平,臨界值為±1.96[7]。

        2.3 累積距平法

        如果x1,x2,…xn是長(zhǎng)度為n的時(shí)間序列,則時(shí)刻t的累積距平為

        (8)

        (9)

        3 結(jié)果與分析

        3.1 徑流、降雨和氣溫的變化

        3.1.1年際變化

        從1954年~2013年間,金沙江上游的年徑流量浮動(dòng)變化極大,但總體呈微弱的下降趨勢(shì)(圖1a),未通過顯著性檢驗(yàn)見表1[8-9];年徑流量5 a滑動(dòng)結(jié)果顯示(見圖1a),金沙江上游年徑流量在1954年~2013年間的不同時(shí)期呈上升或減少的趨勢(shì),且增加和減少的趨勢(shì)交替出現(xiàn)。分析圖1b和圖1c可知,年降雨量和年平均氣溫總體均呈明顯的上升趨勢(shì),且增加趨勢(shì)均通過了顯著性檢驗(yàn)(見表1),并與年徑流量一樣均具有分階段變化的特點(diǎn),年平均氣溫的上升趨勢(shì)相比年降雨量更為明顯。這符合近些年來氣候不斷變暖的特點(diǎn)。

        由金沙江上游年徑流量M-K突變檢測(cè)結(jié)果(見圖1d)可知,金沙江上游的年徑流UF和UB曲線均只有少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)在臨界線之外[10],盡管2條曲線存在幾個(gè)交點(diǎn);但都沒有超出臨界線的情況。這說明兩站年徑流量在95%置信區(qū)間內(nèi)無突變點(diǎn)[11],據(jù)此得出金沙江上游徑流量的變化相對(duì)較穩(wěn)定[12],年降雨量和年平均氣溫在95%置信區(qū)間內(nèi)亦無突變(圖1e、1f)。

        表1 金沙江上游M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

        注:*表示達(dá)到5%顯著水平。

        3.1.2年內(nèi)變化

        對(duì)金沙江上游各年代徑流的年內(nèi)分配曲線進(jìn)行分析(見圖2a)可看出,金沙江上游徑流的年內(nèi)分布十分不均勻,徑流量集中在每年的6月~10月,約占全年徑流量的70%左右[13];因此,每年的6月~10月為金沙江上游的汛期。由圖2a可以看出,除20世紀(jì)80年代年內(nèi)分配曲線呈6月和9月的雙峰結(jié)構(gòu)外,其余各年代的徑流年內(nèi)分配均呈8月為峰值的單峰結(jié)構(gòu),且峰型十分陡峭;除此之外,亦可看出金沙江上游的月徑流量在1990年和2000年左右發(fā)生了兩次大的轉(zhuǎn)變,1990年以前月徑流量一直在下降,之后又不斷地增加,而2000年以后又大幅下降。由圖2b可知,上游汛期的徑流量占全年徑流量的百分比浮動(dòng)很大,總體呈極微弱的下降趨勢(shì)。這說明金沙江上游近60年來汛期徑流量占比大的趨勢(shì)未發(fā)生明顯改變,徑流量年內(nèi)分配一直很不均勻。

        圖1 金沙江上游年徑流、降雨、氣溫趨勢(shì)變化及M-K突變檢測(cè)

        從年內(nèi)各季節(jié)來說,在近60年來的徑流變化中,夏季徑流量變化最大,秋季次之(圖2c),春、冬兩季的徑流量浮動(dòng)都很小,但均未通過顯著性檢驗(yàn)(見表1)。年內(nèi)徑流量主要集中在夏秋兩個(gè)季節(jié)(2d),分別占了全年徑流量的45%和35%左右,冬季徑流量占全年總徑流量的百分比最小,但與春季相差不大。總的來說,夏季徑流量在全年各季節(jié)中變化最大,且占全年總徑流量的百分比也最大,說明夏季徑流量對(duì)年徑流量的影響最大,年徑流量的減少主要來源于夏季流量的減少。

        圖2 金沙江上游徑流、降雨及氣溫的年內(nèi)變化

        分析月降雨分布(圖2e)可得,金沙江上游降雨年內(nèi)分布極不均勻,降雨量集中分布在6-10月,也即為金沙江上游的汛期,汛期降雨量占全年總降雨量的78.16%。各年代降雨峰值均出現(xiàn)在7月,而徑流量的峰值基本上都出現(xiàn)在8月,即徑流的峰現(xiàn)時(shí)間比降雨推遲了一個(gè)月,這是由于降雨轉(zhuǎn)化成徑流之前,要先經(jīng)過下滲、填洼等一系列過程,這些過程需要大量的時(shí)間才能完成。

        金沙江上游年溫差極大(圖2f),從1969至2011年間金沙江上游多年平均氣溫5.01 ℃,年內(nèi)最大溫差為17.89 ℃,各年代的氣溫峰值均出現(xiàn)在7月,最低氣溫出現(xiàn)在1月。在2001年以后,各月平均氣溫上升趨勢(shì)極為明顯,這與20世紀(jì)后全球氣候變暖的趨勢(shì)相符合。

        圖3 金沙江上游降雨量、徑流量及氣溫累積距平

        3.2 徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)

        對(duì)比分析金沙江上游年降雨量與年徑流量累積距平(見圖3a),可發(fā)現(xiàn)年降雨量和年徑流量的變化過程十分相似,只在極少數(shù)階段變化趨勢(shì)相差較大,例如在1994年~1996年,且年降雨量與年徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.852(見表2),相關(guān)性十分顯著,說明年降雨量的變化對(duì)年徑流量的影響很大;而年徑流量和年平均氣溫的變化過程雖然不是很相似,但在大部分時(shí)段的變化趨勢(shì)亦相差不大[14]。

        對(duì)于年內(nèi)各季節(jié)而言,除冬季以外的春、夏、秋3季的降雨量和徑流量的變化過程均比較一致(見圖2c和2e),且夏、秋兩季降雨量和徑流量的相關(guān)性都超過了0.01的置信水平;因此,降雨量的變化對(duì)夏、秋兩個(gè)季節(jié)的徑流量影響十分明顯,尤其是對(duì)夏季的影響最為明顯。由圖2d和圖2f可看出,春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的氣溫與徑流量的變化過程在大部分時(shí)段比較一致,而冬季的氣溫和徑流量在很多時(shí)段變化趨勢(shì)均相反,呈負(fù)相關(guān)。這與表2中的結(jié)果也相一致。

        表2 金沙江上游徑流量與同期降雨量、平均氣溫相關(guān)系數(shù)

        注:**,在置信度為0.01時(shí),相關(guān)性顯著。

        總的來說,四季降雨量和徑流量以及年降雨量和年徑流量都呈正相關(guān)關(guān)系,且年和夏、秋兩季的降雨徑流相關(guān)系數(shù)均通過了置信水平為0.01的顯著性檢驗(yàn)。因此,降雨量和徑流量之間呈顯著正相關(guān);而年和四季的徑流氣溫相關(guān)系數(shù)均沒有通過顯著性檢驗(yàn),說明氣溫變化對(duì)徑流的影響比較小。

        4 結(jié) 論

        通過分析金沙江上游直門達(dá)站與石鼓站1954年~2013年的徑流量以及同期近40 a降雨量和氣溫?cái)?shù)據(jù)可知:

        在1954年~2013年間,年徑流量呈較弱的下降趨勢(shì),而年降雨量和年平均氣溫均呈顯著的上升趨勢(shì),說明除了氣候,可能還有人類活動(dòng)等影響了金沙江上游的徑流變化。在分析時(shí)段內(nèi),年徑流量、年降雨量以及年平均氣溫均未發(fā)生突變,說明金沙江上游的徑流變化相對(duì)穩(wěn)定。金沙江上游徑流分布在年內(nèi)極為不均勻,徑流量主要集中在每年的6月~10月,春、冬兩季的徑流浮動(dòng)比較小;而夏、秋兩季徑流變化十分明顯,夏季徑流量對(duì)年徑流量的影響最大,年徑流量的減少主要來源于夏季流量的減少。降雨量年內(nèi)分布亦極為不均勻,降雨變化對(duì)徑流的影響十分明顯,尤其是在夏、秋兩個(gè)季節(jié)影響最為明顯;相比之下,氣溫與徑流量之間的關(guān)系略差。

        在金沙江上游,降雨和氣溫變化均對(duì)徑流量產(chǎn)生了影響,降雨的影響最為明顯;而氣溫的影響比較小。本文只探究了降雨和氣溫兩個(gè)氣候因子對(duì)徑流的影響,以此分析氣候變化對(duì)徑流的影響并不是很全面,在未來的研究中,應(yīng)該更全面地研究各個(gè)氣候因子對(duì)徑流的影響,全面分析徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

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