雅礱江流域1961-2017年氣候干濕變化特征

2020-03-19 09:00:28李世俊朱葉峰

水土保持研究 2020年2期

關鍵詞：趨勢

魏榕, 劉冀, 李世俊, 韓海, 覃巍, 朱葉峰

(1.三峽大學水利與環境學院, 湖北宜昌 443002; 2.水資源安全保障湖北省協同創新中心,武漢 430072; 3.重慶梅溪河流域水電開發有限公司, 重慶 404600)

旱澇作為最嚴重的自然災害之一，對區域農業、水資源和環境造成巨大的影響，世界許多國家都飽受其害。21世紀以來全球氣候變暖趨勢日益加重，極端氣候頻繁發生[1]，因此對于干濕氣候的研究受到了廣泛關注。區域的干濕狀況主要體現在大氣水分收支的變化，即降水量和潛在蒸散量的變化[2]，近年來已有眾多學者對國內外眾多區域的氣象干濕變化特征進行過分析。徐一丹等[3]利用PDSI指數研究了遼寧省干濕演變趨勢；胡甲秋等[4]利用多尺度SPI指數分析了廣西省干濕特征與未來變化趨勢；部分學者[5-7]利用UNEP指數研究干濕變化。干濕指數作為一個能夠綜合考慮水分收入項(降水)和支出項(潛在蒸散)的氣候指標，能較為客觀地反映區域的干濕狀況。羅青紅等[8]利用干濕指數分析了新疆甘家湖干濕指數變化趨勢；曹巖等[9]利用干濕指數研究了近45 a云南滇中地區干濕狀況的變化特征；劉勁龍等[10]利用干濕指數分析了四川盆地的氣候干濕變化趨勢。雅礱江流域地處中國西南地區，水能資源豐富，是南水北調西線工程的水源區，針對該地區的干濕演變特征，蘇秀程[11]、王允[12]等利用干濕指數研究了1961—2011年西南多省的氣候干濕時空變化特征，發現西南地區相對濕潤，略有變干的趨勢，而針對雅礱江流域尺度的長時間序列的氣候干濕變化研究鮮有報道。本文基于1961—2017年氣候數據，采用M-K趨勢分析法揭示雅礱江流域干濕變化的時空分布特征，對于掌握該流域的氣候干濕狀況和規律，水資源的合理利用具有重要的現實意義。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

雅礱江是金沙江第一大支流，流域介于東經96°52′—102°48′，北緯26°32′—33°58′，干流全長1 571 km，流域面積13.6萬km2，流域85.51%位于四川境內，河口多年平均流量為1 860 m3/s。流域形狀與柳葉相似，由于受當地地貌的影響，流域內的水系呈羽狀分布，流域位置及站點分布見圖1。

雅礱江流域因地形高差與南北緯度變化較大，導致流域氣候十分復雜，北部屬大陸性氣候，寒冷干燥，四季不明顯；流域中部和南部屬亞熱帶氣候，雨熱同期，降水充足，氣溫隨高度的增加而減少。

1.2 數據來源

選取雅礱江流域內的10個氣象站及周邊的6個氣象站1961年1月—2017年12月的月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、月相對濕度、月平均風速、月日照時數和月降水量資料，數據資料來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)，對于缺失數據，采用多年平均插補的方法補全，以確保數據的連續性和完整性。

圖1 雅礱江流域地理位置及站點分布

2 研究方法

2.1 干濕指數和潛在蒸散量

干濕指數可以對研究區域的干濕狀況進行量化，能更加直觀地描述地區的干濕狀況[13]，其定義方程為：

W=P/ET0

(1)

式中：W為干濕指數；P為降水量(mm)；ET0為潛在蒸散量(mm)。

關于潛在蒸散量的計算，多年來國內外開展了大量的研究，本文使用FAO Penman-Monteith公式進行計算，其表達式為：

(2)

式中：ET0為潛在蒸散量(mm)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；Rn為地表凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；γ為干濕表常數(kPa/℃)；T為平均氣溫(℃)；u2為2 m高處風速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)。

干濕指數越大，表示氣候越濕潤；相反，則氣候越干燥。干濕等級可按中國干濕氣候分區的標準進行劃分[14]，見表1。

表1 干濕等級劃分

2.2 氣候傾向率

氣候傾向率[15]表征數據序列變化的傾斜度，能夠分析干濕指數的趨勢變化，其計算方程為：

(3)

2.3 Mann-Kendall檢驗

2.3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗 Mann-Kendall趨勢檢驗是一種非參數檢驗，能夠檢驗數據序列的線性或非線性趨勢[16]，標準化統計量Zmk和趨勢衡量指標β計算步驟如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：xi和xj為時間序列的第i和j個年份所對應的數據；n為時間序列的長度；ti是第i組的數據點的數目。當標準化統計量|Zmk|>Z(1-α/2)時，表示時間序列數據通過顯著性檢驗，否則，不通過顯著性檢驗，并且可以在標準正態分布表中查得Z(1-α/2)值，當顯著性水平α=5%時；Z(1-α/2)值為1.96。當趨勢衡量指標β值為正值時，表示時間序列數據有上升趨勢；當β值為負值時，表示時間序列數據有下降趨勢。

2.3.2 Mann-Kendall突變檢驗 Mann-Kendall突變檢驗是一種廣泛用于序列變異性診斷的非參數檢驗方法，具體計算流程如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：sk是時間i對應的數值大于時間j對應的數值所有個數的累加值；n為時間序列的長度；xi和xj為時間序列的第i和j個年份所對應的數據。當UF>0時，序列呈上升趨勢；當UF<0時，序列呈下降趨勢。當UF曲線超過置信水平Uα時，表示時間序列數據通過顯著性檢驗，否則未通過顯著性檢驗；Uα值可由標準正態分布表中查得，當顯著性水平α=5%時；Uα值為1.96。再重復以上過程，并令UBk=-UFk，可得到UBk序列，如果UF和UB兩條曲線出現交點，并且交點在置信區間內，那么對應于交點的時刻就是突變開始的時刻[17]。

3 結果與分析

3.1 干濕指數年際變化特征

雅礱江流域1961—2017年降水量、潛在蒸散量和干濕指數的年際變化趨勢如圖2所示。從圖2A可以看出，雅礱江流域年干濕指數整體緩慢上升，變化趨勢為0.002 mm/10 a，年干濕指數最大值為1.04(1974年)，最小值為0.67(2011年)，多年平均干濕指數為0.88，年際波動幅度較大。從5 a滑動平均線可以看出，干濕指數在1961—1971年期間有所下降；從1971—2009年，干濕指數呈雙峰趨勢，峰值分別出現在1989年、1999年；在2009—2017年干濕指數呈上升趨勢。

從圖2B可以看出，雅礱江流域1961—2017年最大年降水量為929.0 mm(1998年)，最小值為628.5 mm(1972年)，多年平均降水量為793.2 mm，波動幅度較大，總體上呈現上升趨勢，變化趨勢為8.166 mm/10 a，其變化趨勢與干濕指數基本一致。由圖2C可知，流域年ET0最大值為1 000.8 mm(2013年)，最小值為876.6 mm(1974年)，多年平均ET0為924.6 mm，總體呈現上升趨勢，變化趨勢為7.657 mm/10 a，以1976年為界，1976年之前呈下降趨勢，1976年之后呈波動上升趨勢。

對比圖2中降水量、潛在蒸散量和干濕指數的變化趨勢，不難發現在1961—1971年、2009—2017年這兩個時間段內三者的變化規律相似，分別呈整體減少和增加的趨勢，這是因為在這兩個時間段內降水量變化的斜率大于ET0，致使干濕指數呈減少和增加的趨勢。而在1971—2009年內，降水量與干濕指數的變化趨勢一致，而ET0的變化趨勢不同，ET0在這段時間內總體呈波動上升趨勢，而降水量同干濕指數一樣呈雙峰型變化趨勢。降水量的第一個峰值出現在1989年，而在這個時間內ET0在總體上升過程中出現了一次回落，因此干濕指數在1989年出現了第一個峰值；降水量的第2個峰值出現在1999年，而此時的ET0在總體上升趨勢中趨于平緩，因此干濕指數在1999年出現了第2個峰值[18]。

圖2 雅礱江流域降水量、潛在蒸散量和干濕指數年際變化趨勢

3.2 干濕指數月際變化特征

由于降水、氣溫、風速等因素在年內不均勻分布，因此不同月份的干濕指數存在差異[19]。雅礱江流域1961—2017年各站點及流域平均的干濕指數月變化趨勢如圖3所示。流域月平均干濕指數在年內整體呈單峰變化趨勢，峰值出現在6—9月，最大值為1.60(出現在7月)，最小值為0.08(出現在12月)；各站點的月干濕指數變化與流域總體變化一致，呈單峰型變化；由此可見，雅礱江流域年內最濕潤的時段為6—9月。流域在6—10月內每月各個站點之間的干濕指數差異較大，而在其他時間段各個站點之間的干濕指數則差異較小，產生這一現象主要是因為夏季流域大量降水和降水空間分布不均勻造成的。

圖3 雅礱江流域各站點及流域平均的干濕指數月際變化趨勢

3.3 干濕指數空間分布特征

雅礱江流域1961—2017年年均降水量、潛在蒸散量和干濕指數的空間分布以及干濕分級如圖4所示。從圖4A中可以看出，流域干濕指數自下游向上游先減小后增加，整個流域的干濕指數在0.56～1.36范圍內變化，根據中國干濕氣候分區等級的劃分標準，雅礱江流域屬濕潤和半濕潤地區，半濕潤地區占89.96%，濕潤地區占10.04%(圖4B)。干濕指數最大值為1.36，出現在流域下游的康定和越西站，最小值為0.56，出現在流域中游的甘孜和新龍站，整個流域除康定、越西和會理站外的其他區域均在半濕潤區，氣候偏干。

從圖4C中可以看出，流域的降水自下游向上游逐漸減少，最大值為1 130.5 mm，出現在流域下游的會理站；最小值為516.7 mm，出現在上游的清水河站，整個流域以理塘到康定一線為分界線，分界線以北年均降水在800 mm以下；分界線以南年均降水在800 mm以上。從圖4D中可以看出，流域潛在蒸散量自下游向上游先減小再增加再減小，最大值為1 149.9 mm，出現在中游的甘孜站；最小值為555.4 mm，出現在上游的清水河站，整個流域除清水河、康定和理塘站外，其余區域的年均潛在蒸散量在750 mm以上。

對比圖4C和圖4D的分布圖，以中游的新龍站為分界限，分界線以北降水量和潛在蒸散量都自新龍站向上游逐漸減小，但潛在蒸散量始終比降水量大，且它們之間的差值自新龍站向上游逐漸減小，所以干濕指數自新龍站向上游逐漸增大；分界線以南降水量和潛在蒸散量都自新龍站向下游逐漸增加，但潛在蒸散量始終比降水量小，且它們之間的差值自新龍站向下游逐漸增大，所以干濕指數自新龍站向下游逐漸增大。

圖4 雅礱江流域年均降水量、潛在蒸散量和干濕指數空間分布及干濕分級

3.4 干濕指數趨勢分析

對雅礱江流域1961—2017年干濕指數序列進行Mann-Kendall趨勢檢驗[20]，結果見表2。

表2 雅礱江流域各站點干濕指數MK趨勢檢驗結果

注：帶有*的數據表示通過95%置信度檢驗。

由表2可知，只有清水河、石渠和德格3個站點未通過95%置信度檢驗，表明3站的干濕變化并不顯著。而其余13個站點中，有8個站點的傾斜度β大于0，表明干濕指數變化呈上升趨勢，在傾斜度β小于0的5個站點中，越西、華坪和會理3個站的傾斜度較小，表明干濕指數呈緩慢下降趨勢。將各站點的傾斜度β進行反距離權重空間插值，結果見圖5。

從圖5可以看出，流域69.41%的地區呈顯著上升趨勢，增加較明顯的區域位于西昌和康定站，最大值為0.003 7；最小值為-0.002 8，出現在下游的木里站。除西昌站外，雅礱江流域下游的干濕指數均呈下降趨勢，表明氣候趨于干旱；除清水河、石渠站外，流域中上游的干濕指數呈上升趨勢，表明氣候趨于濕潤。

綜上可知，雅礱江流域的干濕指數整體呈上升趨勢，整個流域總體趨于濕潤化。

圖5 雅礱江流域干濕指數MK趨勢檢驗空間變化

3.5 干濕指數突變分析

對雅礱江流域1961—2017年降水量、潛在蒸散量和干濕指數序列進行Mann-Kendall突變檢驗，結果見圖6。由圖6A可以看出雅礱江流域干濕指數存在兩個突變點，突變年分別為1977年、2005年，兩次突變均通過了95%置信度檢驗。在1977年前UF小于0，表明干濕指數呈下降趨勢，而在1977—2005年UF大于0，表明干濕指數呈上升趨勢，說明在1977年流域干濕指數發生了由低到高的突變。結合圖6分析，流域降水量在1977年左右發生了由低到高的突變，流域潛在蒸散量UF值在1977年達到最小，由此說明1977年干濕指數發生突變主要是由降水量的增加導致。又由圖6A可知，2005年后UF值迅速減小，說明在2005年流域干濕指數發生了由高到低的突變，結合圖6C流域潛在蒸散量在2005年發生了由低到高的突變，說明了2005年干濕指數的突變主要是潛在蒸散量的增加引起的。

圖6 雅礱江流域年降水量、潛在蒸散量和干濕指數M-K突變檢驗結果

根據流域干濕指數的兩個突變點可將1961—2017年干濕指數變化分為3個時期，各時期變化趨勢如圖7所示。從圖7可以看出，在1977年前，干濕指數呈下降趨勢，均值為0.81；1977—2005年，干濕指數呈上升趨勢，均值為0.86，流域干濕指數在1977年發生了由低到高的突變，突變量為0.05。而2005年后，干濕指數雖呈上升趨勢，其均值為0.81，總體小于1977—2005年的均值，流域干濕指數在2005年發生了由高到低的突變，突變量為0.05。

圖7 雅礱江流域干濕指數突變前后年際變化趨勢

3.6 干濕指數影響因素分析

由干濕指數的定義可知，其大小主要受降水量和潛在蒸散量的影響，而潛在蒸散量又與其他氣象要素有關，如氣溫、風速、相對濕度和日照時間[21]。因此為了進一步探究氣象要素對干濕狀況的影響，對干濕指數與上述各氣象要素進行相關分析，相關系數見表3。

從表3可以看出，干濕指數受到相對濕度的影響最大，相關系數為0.843(通過95%置信度檢驗)，其次是降水量和潛在蒸散量，相關系數分別為0.682，-0.522(通過95%置信度檢驗)，而干濕指數與氣溫、日照時數和風速的相關系數均未通過95%置信度檢驗，表明氣溫、日照時數和風速對干濕指數的影響相對較小。總體來看，干濕指數主要受相對濕度、降水量、潛在蒸散量影響，這些氣象因子的共同作用同時影響著雅礱江流域氣候干濕狀況。

表3 雅礱江流域干濕指數與氣象要素的相關系數