金沙江上游近60年徑流變化對氣候的響應

魏曉玥，黃曉榮，2，潘 犖，張 浪

(1.四川大學水利水電學院，四川成都610065；2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川成都610065)

由于洪水、干旱、風暴和極端溫度對人類社會的巨大影響，極端氣候事件引起了公眾、政府和學術界越來越多的關注。氣候變化最重要的影響之一可能是區域水文循環的變化以及之后河流流量的變化。例如，洪水和低流量。水在社會和自然中的巨大重要性強調了了解氣候變化如何影響區域供水的必要性。

近年來，國內外已經開展了許多研究來描述徑流量的變化趨勢。孫悅[1]等分析了渭河上游徑流的變化特點及其對氣候驅動因子的響應；Gustavo Marini[2]等對美國東北部地區徑流的變化趨勢以及變異性進行了分析；Yurong Hu[3]等研究了1959年～2008年黃河源區水文情勢的變化及其與當地氣候的聯系。本文選取金沙江上游兩個代表水文站1954年～2013年的徑流量資料以及對應氣象站點近60 a的降雨和氣溫資料，對金沙江上游徑流的變化以及與當地氣候之間的關系進行了研究。

1 研究區域和數據

從青海省玉樹州直門達直至云南省石鼓鎮為金沙江的上游，上游河段總長965 km。金沙江上游為典型的高寒地帶，人為活動較少，其氣候及生態環境的變化直接影響著“三江源”地區資源開發利用和經濟建設[4]。本文的徑流資料采用金沙江上游直門達和石鼓兩個水文站1954年～2013年的逐月徑流量數據，選取玉樹、清水河、石渠、巴塘、德格、稻城和麗江站等7個氣象站與水文站同時段近40 a的年降雨和年平均氣溫數據，并對資料中缺測的數據進行了修正。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢驗法

如果x1，x2，…，xn是長度為n的時間序列，則M-K檢驗的統計量

(1)

(2)

(3)

式中，Z為一個正態分布統計量；Var(S)為方差。在顯著性水平為α的雙尾檢驗中，若|Z|>Z1-α/2，則拒絕原假設。即，序列有顯著的上升或下降趨勢[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中所有項的相對值。對于每個項，Pi計算為序列中其值超過xi的后續項數量，M-K秩序統計量

(4)

在無趨勢的零假設下，dk為正態分布統計量，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，統計量

(7)

根據序列的逆序可以計算得到統計量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交點[6]，則交點對應的時刻即為突變開始的時間。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是長度為n的時間序列，則時刻t的累積距平為

(8)

(9)

3 結果與分析

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變化極大，但總體呈微弱的下降趨勢(圖1a)，未通過顯著性檢驗見表1[8-9]；年徑流量5 a滑動結果顯示(見圖1a)，金沙江上游年徑流量在1954年～2013年間的不同時期呈上升或減少的趨勢，且增加和減少的趨勢交替出現。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，且增加趨勢均通過了顯著性檢驗(見表1)，并與年徑流量一樣均具有分階段變化的特點，年平均氣溫的上升趨勢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。

由金沙江上游年徑流量M-K突變檢測結果(見圖1d)可知，金沙江上游的年徑流UF和UB曲線均只有少數幾個點在臨界線之外[10]，盡管2條曲線存在幾個交點；但都沒有超出臨界線的情況。這說明兩站年徑流量在95%置信區間內無突變點[11]，據此得出金沙江上游徑流量的變化相對較穩定[12]，年降雨量和年平均氣溫在95%置信區間內亦無突變(圖1e、1f)。

表1 金沙江上游M-K趨勢檢驗

注：*表示達到5%顯著水平。

3.1.2年內變化

對金沙江上游各年代徑流的年內分配曲線進行分析(見圖2a)可看出，金沙江上游徑流的年內分布十分不均勻，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80年代年內分配曲線呈6月和9月的雙峰結構外，其余各年代的徑流年內分配均呈8月為峰值的單峰結構，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年左右發生了兩次大的轉變，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很大，總體呈極微弱的下降趨勢。這說明金沙江上游近60年來汛期徑流量占比大的趨勢未發生明顯改變，徑流量年內分配一直很不均勻。

圖1 金沙江上游年徑流、降雨、氣溫趨勢變化及M-K突變檢測

從年內各季節來說，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都很小，但均未通過顯著性檢驗(見表1)。年內徑流量主要集中在夏秋兩個季節(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、降雨及氣溫的年內變化

分析月降雨分布(圖2e)可得，金沙江上游降雨年內分布極不均勻，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在7月，而徑流量的峰值基本上都出現在8月，即徑流的峰現時間比降雨推遲了一個月，這是由于降雨轉化成徑流之前，要先經過下滲、填洼等一系列過程，這些過程需要大量的時間才能完成。

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 ℃，年內最大溫差為17.89 ℃，各年代的氣溫峰值均出現在7月，最低氣溫出現在1月。在2001年以后，各月平均氣溫上升趨勢極為明顯，這與20世紀后全球氣候變暖的趨勢相符合。

圖3 金沙江上游降雨量、徑流量及氣溫累積距平

3.2 徑流對氣候變化的響應

對比分析金沙江上游年降雨量與年徑流量累積距平(見圖3a)，可發現年降雨量和年徑流量的變化過程十分相似，只在極少數階段變化趨勢相差較大，例如在1994年～1996年，且年降雨量與年徑流量的相關系數為0.852(見表2)，相關性十分顯著，說明年降雨量的變化對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，但在大部分時段的變化趨勢亦相差不大[14]。

對于年內各季節而言，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性都超過了0.01的置信水平；因此，降雨量的變化對夏、秋兩個季節的徑流量影響十分明顯，尤其是對夏季的影響最為明顯。由圖2d和圖2f可看出，春、夏、秋3個季節的氣溫與徑流量的變化過程在大部分時段比較一致，而冬季的氣溫和徑流量在很多時段變化趨勢均相反，呈負相關。這與表2中的結果也相一致。

表2 金沙江上游徑流量與同期降雨量、平均氣溫相關系數

注：**，在置信度為0.01時，相關性顯著。

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關系，且年和夏、秋兩季的降雨徑流相關系數均通過了置信水平為0.01的顯著性檢驗。因此，降雨量和徑流量之間呈顯著正相關；而年和四季的徑流氣溫相關系數均沒有通過顯著性檢驗，說明氣溫變化對徑流的影響比較小。

4 結 論

通過分析金沙江上游直門達站與石鼓站1954年～2013年的徑流量以及同期近40 a降雨量和氣溫數據可知：

在1954年～2013年間，年徑流量呈較弱的下降趨勢，而年降雨量和年平均氣溫均呈顯著的上升趨勢，說明除了氣候，可能還有人類活動等影響了金沙江上游的徑流變化。在分析時段內，年徑流量、年降雨量以及年平均氣溫均未發生突變，說明金沙江上游的徑流變化相對穩定。金沙江上游徑流分布在年內極為不均勻，徑流量主要集中在每年的6月～10月，春、冬兩季的徑流浮動比較小；而夏、秋兩季徑流變化十分明顯，夏季徑流量對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。降雨量年內分布亦極為不均勻，降雨變化對徑流的影響十分明顯，尤其是在夏、秋兩個季節影響最為明顯；相比之下，氣溫與徑流量之間的關系略差。

在金沙江上游，降雨和氣溫變化均對徑流量產生了影響，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氣候因子對徑流的影響，以此分析氣候變化對徑流的影響并不是很全面，在未來的研究中，應該更全面地研究各個氣候因子對徑流的影響，全面分析徑流對氣候變化的響應。