布哈河流域水資源的氣候演變特征

張超　何立新　王琳

摘要：布哈河是青海湖最重要的徑流補給河流，其流域水資源氣候演變分析對于青海湖生態安全有重要意義。通過天駿、剛察、茶卡氣象站長系列氣溫、降水數據分析布哈河流域氣候變化特征。結果表明，近50年來，流域內氣溫均顯著升高，海拔越高升溫越明顯，冬季升溫較其它季節明顯。采用Man Kendall趨勢分析法和累計距平曲線對各時段的升溫趨勢變化進行了分析，升溫自1986年開始至1997年有一個10年左右的波動期，隨后在1997出現顯著的突變過程，在與青藏高原整體趨勢一致的基礎上表現出區域自身的增溫特點。降水呈增加趨勢，但不如溫度明顯。海拔越高降水增加越明顯，夏季降水增加較其它季節明顯。根據氣溫和可利用降水變化特征，流域20世紀80年代開始進入增溫增濕期，在20世紀90年代進入相對暖干期，21世紀前10年復轉為暖濕期。

關鍵詞：布哈河；青海湖；氣溫；降水；氣候演變

中圖分類號：P333 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2017）02-0045-05

在全球氣候變化研究中，青藏高原區域的響應更敏感。對于青藏高原區域及青海湖流域的氣候變化特征已有一些研究，姜永見的研究表明，青藏高原平均氣溫呈上升趨勢，增加溫度介于0.22-0.49℃/10a之間，其中柴達木地區增幅最大。青海湖區域近50年來氣溫持續上升，平均上升幅度0.25～0.30℃/（10a）。本文主要研究青藏高原東北部青海湖區最大的補給河流布哈河，以往的研究中針對青海湖研究較多，布哈河流域較少，本次在常規氣溫、降水變化分析基礎上，加入了蒸散、可利用降水的研究，并采用M-K及累計距平方法進行突變性檢驗，分析其氣候變化的特征及可利用降水變化趨勢，全面反映青海湖布哈河流域的氣候變化特性，探討在全球氣候變化背景下，青藏高原東北部青海盆地半濕潤氣候向柴達木盆地干旱氣候過渡帶的氣候和水文響應規律，為日后該區域的氣候及生態環境變化研究提供基礎資料。

1區域概況與研究方法

1.1區域概況

布哈河屬青海湖流域，行政區劃上主要在青海省海西藏族自治州天峻縣范圍，在河口附近地區的南北岸分屬剛察、共和兩縣。河流發源于疏勒南山，從西北向東南流入青海湖。集水面積近15 000km²，河長286 km，源頭海拔4 513 m，河口海拔3195 m，水系呈樹枝狀，南岸支流相對較短，水量較小；北岸河網稠密，支流繁多，水量較豐富。流域內主要土壤類型包括草氈土、薄黑氈土、栗鈣土、泥炭沼澤土、暗寒鈣土、鈣質石質土、濕草氈土、沼澤土等。該流域屬于典型的高原半干旱氣候，干旱少雨，日照充足，太陽輻射強烈，氣溫日較差較大。境內多風，夏秋季以東南風為主，冬春季以西風為最烈。流域內海拔4 000 m以上為終年冰雪覆蓋，4 000 m以下多為高寒草甸、草原，水量豐沛區有柏枝林、沙棘林等。

1.2研究方法

研究區屬我國西北部高海拔高原區，氣象站點分布較少，本次選取流域內天峻氣象站和流域附近剛察、茶卡共三個氣象站點進行數據分析。天駿、剛察和茶卡三站的海拔依次為3 410 m、3 310 m和3 100 m。以1958年-2014年的逐月氣溫和降水資料為基礎數據，分析長系列演變趨勢及分季節的演變規律。數據資料引自中國氣象科學數據庫。其中茶卡和天峻站的部分氣候數據根據剛察站數據進行線性插補和延長。

1.2.1高橋浩一郎陸面蒸發經驗公式

采用高橋浩一郎提出的陸面蒸發經驗公式估算實際陸面蒸發量，該公式由于其估算結果參考價值較好而常被用于氣候以及陸面水資源變化等研究中，公式如下：

（1）式中：E為月蒸散發；P為月降水量；T為月平均氣溫。

以降水量（P）與陸面蒸發量（E）的差值作為可利用降水量（P-E）。

1.2.2累積距平分析

累積距平是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對于序列x，其某一時刻t的累積距平表示為

（2）

將n個時刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進行趨勢分析。

1.2.3 Mann-Kendall趨勢檢驗法與趨勢突變檢驗法

Mann-Kendall非參數統計檢驗法是由國際氣象組織（WMO）推薦的應用于環境數據時間序列趨勢分析的方法，也是檢驗水文數據時間序列單調趨勢的有效工具。對序列X_t=（x₁，x₂，…，x_ni，x_j，j>i）中x_i與x_i的大小關系。趨勢檢驗的統計量為

（3）式中：

當Mann-Kendall檢驗進一步用于序列突變檢驗時，構造一秩序列如下：

通過綜合分析綜計序列U_k及U'_k，可以進一步分析序列X_t的趨勢變化，而且可以明確突變的時間，指出突變區域。如果U_k及U'_k兩條曲線出現交點，且交點在臨界線±U_α/2之間，那么交點對應的時刻就是突變開始的時刻。

2結果與分析

2.1氣溫變化分析

2.1.1年均氣溫

（1）線性傾向分析。

三站多年年均溫度變化見圖2，可以得到多年變化趨勢均呈上升趨勢，但上升幅度有所不同，通過spearman相關性檢驗，天峻、查卡和剛察相關系數分別為0.75、0.56、0.75，達到極顯著水平。其中天駿升溫幅度最高，可達0.37℃/（10a），其次為剛察站，升溫幅度為0.28℃/（10a），而茶卡站上升趨勢最弱，為0.21℃/（10a），從地理位置分布的角度分析可知，高海拔區域增溫幅度大于低海拔區，這與青藏高原整個區域的隨海拔梯度增溫規律一致。

對三站每10 a年均氣溫表（表1）可以明顯看出增溫趨勢自20世紀70年代始，在80年代后期開始出現較強上升，并一直延續到2014年，三站變化數值變化幅度基本一致。在1987年-1988年、1998年、2006年和2009年-2010年均出現溫度峰值。

（2）Mann-Kendall突變檢驗與累計距平分析

采用流域中代表性較強的天峻站進行Mann-Kendall突變檢驗分析，從圖3可以看出，在1996年與1998年之間兩條曲線有一個交點，且僅有一個交點，雖然交點在臨界線外，但通過對比累計距平曲線（圖4）回升趨勢，能一定程度說明布哈河流域地區在20世紀90年代后期有一次顯著的突然變暖的過程，過程的起點在1997年左右。同時分析累計距平曲線可以發現，從1986年開始，曲線發生變化，從下降線型轉變為上升線型，說明白該年份開始，也有一個氣溫突變的過程，該結果與施雅風等人的西北地區氣候從1987年突然發生變化的觀點一致。隨后，自1986年至1997年間存在一個平緩波動過程，說明氣溫自1986年突變后有一個近10 a的上下平緩波動期，波動后期自1997開始又出現一個顯著的突變過程。表明布哈河流域氣溫變化趨勢與大多數的研究結果一致，但同時具有自身的波動特點。

2.1.2溫度的季節變化

從溫度上來看，選取布哈河流域內天峻氣象站1958年-2011年54 a氣象數據做季節變化分析見圖5。四個季度溫度均呈上升趨勢，升溫范圍在0.17-0.66℃/（10a），夏季升溫幅度較小為0.17℃/（10a），冬季升溫明顯為0.66℃/（10a），可以確定的布哈河流域的季節性增溫是明顯的，其中冬季為主要的升溫季節。分析波動規律可以發現，波動年份以3～5 a為周期發生規律性震蕩，并且冬季尤為突出，基本符合王澄海等提出的以3 a周期為主，具有較穩定的周期變化這一規律。

2.2降水變化分析

（1）線性傾向分析。

三站年降水量見圖6，各個站點降水量均呈上升趨勢。經spearman顯著性檢驗，天駿雨量增加趨勢較為顯著，相關系數0.327，達到顯著水平。三站雨量波動趨勢基本相同，并均在1967年和1989年出現降水峰值。通過分析線性傾向率得出，三站中天駿站降水增加幅度最大，增加量為13.4mm/（10a），剛察站為5.8 mm/（10a），茶卡站為5.3mm/（10a）。同樣，研究區內海拔較高表現出更強的增雨趨勢。

（2）Mann-Kendall突變檢驗分析。

年降水量雖然表現為一定的增加趨勢，但對天峻站的突變分析結果（圖7）不明顯，從Mann-Kerrdall突變檢驗曲線可以看到，突變檢驗曲線從1996年-2006年間有多個交點，更多地表現為一種周期性的波動。

（3）降水量季節變化分析。

降雨季節變化見圖8。降水主要集中在夏季，春秋其次，冬季雨量較為稀少。夏季降水量增加趨勢明顯，冬季降水量沒有明顯變化，春秋季波動性和階段性較強，這與大多數的研究結果一致。顯著性水平上看，僅夏季通過0.05顯著性檢驗，其它各季均不能通過顯著性檢驗。在全球氣候變暖的大趨勢下，隨全球大幅度變暖、水汽循環加快，降水在季節分配上發生了一定的變化，布哈河流域的夏季雨量有逐漸增加的趨勢。

2.3可利用降水量

年可利用降水量作為年降水量與年陸面蒸發量之差，可用于衡量一個地區水資源量的波動，反映該區氣候條件的干濕變化。利用高橋浩一郎蒸散計算公式，計算出天駿站蒸散發量見圖9。蒸散量增加趨勢不明顯，3.3 mm/（10a），相關系數0.109，經顯著性檢驗增加趨勢不顯著。天駿站可利用降水分析如圖9中所示，經spearman顯著性檢驗，可利用降水量呈顯著增加趨勢，增加量為10.2mm/（10a），受蒸散量影響，可利用降水增加趨勢不如降雨明顯。結合可利用降水與氣溫10 a變化（圖10）分析可知，20世紀80年代開始流域進入增溫增濕期，80年代為暖濕期，隨后90年代可利用降水相對80年代減少，而氣溫持續升高，進入相對暖干期，21世紀前10年復轉為暖濕期。

3結論

通過與流域外兩站點對比分析，布哈河流域氣溫呈極顯著上升趨勢，天峻站達到0.37℃/（10a），與青藏高原溫度變化趨勢一致，但不如流域西北部的柴達木盆地增溫明顯。海拔較高的天駿站升溫幅度最大，四季中冬季升溫幅度大于其它三季，且呈現規律性震蕩。經趨勢突變分析，增溫自1986年開始，經過10 a的平緩波動性變化，至1997年出現顯著升溫突變點，與青藏高原升溫趨勢一致，同時表現出流域自身的區域增溫特點。

流域內降水量有增加趨勢，但趨勢不明顯。海拔較高的天駿站呈現顯著增加趨勢，達到13.4mm/（10a），且增加量最大，說明54 a來流域內有逐漸轉濕的趨勢。其它兩站增加趨勢不明顯。四季中夏季降雨增加明顯，與相關研究結果一致。

經高橋浩一郎公式計算，流域內陸面蒸發增加趨勢不顯著。可利用降水量反映該區氣候條件的干濕變化，經分析呈顯著增加趨勢。同時根據氣溫和可利用降水變化趨勢，發現流域20世紀80年代開始進入增溫增濕期，80年代為暖濕期，隨后90年代進入相對暖干期，本世紀前10年復轉為暖濕期。