寒區流域徑流對氣候變化的響應

劉秀 曾晶 李佳

摘 ?要：在氣候變化的大背景下探究東北地區4個小流域潛在蒸散和徑流的變化狀況，結果表明：東北地區2006—2012年有著明顯的增溫趨勢，降水量在波動中緩慢上升;其中2個小流域的潛在蒸散量和降水量53年來處于上升趨勢，但徑流深度卻在下降，說明流域徑流變化還與東北凍土的凍融有關。

關鍵詞：氣候變化;徑流;蒸散量;寒區流域

中圖分類號 P333文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）10-0131-04

凍土一般指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤。土壤凍融作用和水熱交換，貫穿于寒區的產流、入滲和蒸散發過程，是寒區水循環研究的核心環節。在全球氣候變化的大背景下，區域層面的潛在蒸散和徑流在其影響下都會發生一定程度的變化。潛在蒸散是在一定氣象條件下水分供應不受限制時，某一固定下墊面可能達到的最大蒸發蒸騰量。潛在蒸散是實際蒸散的理論上限，與降水共同決定區域干濕狀況，并且是估算生態需水和農業灌溉的關鍵因子[1]。徑流作為水循環的一個重要環節，是地球陸地表面水大量存在的1個具體載體。由于降水-徑流-蒸散是土壤圈以上水分循環的主要組成部分，而氣候變化影響了降水和蒸散，所以在氣候變化下徑流的變化是必然的。

FOA在Blaney-Criddle、輻射、鍋蒸發和修正的Penman-Monteith公式4種方法的比較中確定了修正的Penman-Monteith公式為計算潛在蒸散（ET0）的標準方法;Salem S. Gharbia等設計了一種基于地理信息系統算法以模擬大型集水系統的空間分布式潛在蒸散量模型。吳霞等利用全國552個氣象站點1961—2015年逐日氣象數據，根據Penman-Monteith公式得到各站點逐日潛在蒸散ET0，分析了我國潛在蒸散的時空變化特征。曾麗紅等基于1951—2008年東北地區106個氣象站點的實測數據，用Penman-Monteith公式計算潛在蒸散量，并將氣候水分盈虧量表示為同期降水量與潛在蒸散量之差，并在此基礎上對東北地區水分盈虧量的時空格局進行了分析，得到了其整體的水分盈虧量為下降趨勢的結果。目前，國內外對氣候變化對徑流的影響進行了一系列的研究[2-5]。

筆者利用1960—2012年全國氣象站點的氣溫和降水量數據，空間插值得到整個東北地區的氣象數據，再由GLDAS提取研究區的潛在蒸散量數據，構建了東北地區氣候變化大背景。在此大背景下，從蒸散量、徑流量以及降水量水量平衡的角度分析研究區4個小流域的水文特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 試驗所指東北地區包括黑龍江省的全部以及內蒙古自治區東北部，地理位置大體在42°40′～53°33′N、115°05′～135°05′E（見圖1）。徑流數據來源于研究區的4個小流域，4個小流域從北至南分別是由塔河、牛耳河、烏爾其汗和紅花爾基。截至2012年，4個流域的面積分別為6581、2992、3394、5390km2，4個流域具有典型性，都位于大興安嶺地區。

1.2 數據來源 主要數據來源1960—2012年東北39個氣象站點實測氣溫與降水量的數據和4個流域水文站點的徑流量數據，以及GLDAS提取的東北地區蒸散量數據。

2 結果與分析

2.1 流域氣候變化 利用東北39個氣象站點實測氣溫和降水量數據，計算得出53年氣溫和降水量年際變化以及變化趨勢空間分布特征。1960—2012年東北地區氣溫表現出明顯的升溫趨勢，降水量在波動中依舊呈現微弱的上升趨勢，潛在蒸散量也有逐年上升的趨勢（表1）。

2.1.1 流域年均溫度年際變化趨勢 從研究區的氣象數據中分別提取4個流域的逐日平均氣溫和降水量數據，進行計算結果如圖2所示。由圖2可見，4個流域年平均溫度變化趨勢都是上升的，這同研究區年平均溫度上升的趨勢相同。在上升的幅度上，牛耳河的0.053℃/年最高，塔河次之，為0.038℃/年，最后的紅花爾基和烏爾其汗差別不大，分別為0.033℃/年和0.035℃/年，只有塔河與牛耳河的升溫趨勢大于整個東北研究區的升溫率（0.036℃/年）。

2.1.2 流域年均降水量年際變化趨勢 從圖3可以看出，4個流域53年年均降水量最高的是塔河，為527.92mm，其后是牛耳河、烏爾其汗和紅花爾基，平均降水量分別為497.67、475.53和459.60mm，其順序恰好是按由高緯向低緯排列。4個流域的降水量并不大，只有塔河的平均降水量超過研究區的平均降水量（523.40mm）。4個流域年均降水量變化趨勢中，塔河和牛耳河是上升趨勢，上升率分別為0.67mm/年和0.75mm/年;烏爾其汗與紅花爾基53年降水變化率都是下降的，下降速率分別為-1.07mm/年和-0.21mm/年，這同研究區年均降水量變化率波動特征相同。

2.1.3 流域潛在蒸散變化趨勢 從研究區的多年平均潛在蒸散量數據和潛在蒸散變化率數據中分別提取4個流域數據，4個流域53年平均潛在蒸散量最高的是紅花爾基，達到了748.61mm，烏爾其汗的為689.96mm，塔河的為643.21mm，牛耳河最低，只有586.69mm。4個流域53年的平均潛在蒸散量均沒有超過研究區的平均潛在蒸散量（811.03mm），這可能與4個流域溫度普遍偏低有關。4個流域年均潛在蒸散量變化趨勢都是上升的，這與研究區年均潛在蒸散量上升趨勢相同，只不過它們上升趨勢都遠大于研究區整體的上升趨勢（0.30mm/年），原因可能與4個流域位于大興安嶺地區有關。其中，上升趨勢最大的是烏爾其汗的2.02mm/年，其次是牛耳河的1.87mm/年，紅花爾基的1.41mm/年和塔河的1.34mm/年。

2.2 流域徑流變化 經計算，4個流域多年平均徑流深度情況為：塔河的最大，為241.95mm，其次為牛耳河的238.40mm，烏爾其汗和紅花爾基的較小，分別為127.09mm和103.71mm，呈現出越北徑流深度越大的特點，而流域降水量分析得到的結論也是越北降水量越大。由圖4可以看出，4個流域年徑流深度變化的趨勢都是輕微下降。其中，下降趨勢最大的是紅花爾基的0.883mm/年，其次是塔河的0.767mm/年和烏爾其汗的0.4417mm/年，下降趨勢最小的是牛耳河，只有0.1048mm/年。

2.3 氣候與徑流變化的關系 根據水量平衡求出流域理論上的實際蒸散量并與其潛在蒸散量進行比較，發現4個流域潛在蒸散量的數據排列順序與實際蒸散量的數據排列順序是相同的（表2），由此可推測潛在蒸散和實際蒸散的變化大致上是相同的。因此，水量平衡中實際的蒸散量可以通過潛在蒸散量根據特定公式或系數來轉換。流域潛在蒸散的年變化小于降水量的年變化，由水量平衡方程可知年徑流深度應該增加，而實際上年徑流深度變化的趨勢是輕微減小的。因此，必然有其他因素影響徑流的變化。考慮東北地區季節性凍土的存在，徑流的變化可能與凍土的凍融有關，即氣候變化不僅通過影響東北地區的降水和蒸散來影響徑流的變化，還會通過影響凍土的凍融過程來影響徑流的變化，但是這一方面的分析還有待進一步的研究。

3 結論

研究結果表明，研究區4個流域中，其中塔河和牛耳河流域1960—2012年年均氣溫、降水量、潛在蒸散量的變化趨勢都是上升的，而其年徑流深度（1960-2012年）的變化趨勢則是輕微下降的，潛在蒸散和實際蒸散變化趨勢相同。氣候變化對東北地區徑流的影響除了影響其降水和蒸散外，還會通過影響凍土的凍融過程來影響東北地區的徑流變化。

參考文獻

[1]尹云鶴， 吳紹洪， 戴爾阜.1971—2008年我國潛在蒸散時空演變的歸因[J].科學通報，2010，55（22）：2226-2234.

[2]Ziwei Xiao，Peng Shi，Peng Jiang，Jianwei，et al. The Spatiotemporal Variations of Runoff in the Yangtze River Basin under Climate Change[J].Advances in Meteorology，2018.

[3]鄭錦濤，陳伏龍，張鑫厚，等.基于GAMLSS模型的瑪納斯河設計年徑流分析[J/OL].氣候變化研究進展，2018（03）：1-8[2018-05-23].

[4]劉昌明， 劉小莽， 鄭紅星.氣候變化對水文水資源影響問題的探討[J]. 科學與社會，2008（2）：21-27.

[5]姚允龍， 呂憲國， 王蕾，等.氣候變化對撓力河徑流量影響的定量分析[J].水科學進展， 2010， 21（6）：765-770.

（責編：徐世紅）