中亞瓦赫什河上游源區氣候水文要素演變特征

2020-10-20 10:27:54岳偉鵬張合理BAKHTIYOROVZulfiyor陳友平

水資源保護 2020年5期

岳偉鵬，張合理，陳峰,，BAKHTIYOROV Zulfiyor,4，陳友平

(1.云南大學國際河流與生態安全研究院，云南昆明 650500； 2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆烏魯木齊 830002； 3.中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室，新疆烏魯木齊 830002； 4.塔吉克斯坦共和國科學院胡占德科學中心，索格特胡占德； 5.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊 830054)

伴隨人類影響不斷增強，近百年來全球溫度呈現明顯的上升趨勢，第四次IPCC報告指出20世紀中后期全球的升溫率處于有氣候觀測歷史記錄以來最高水平[1-3]。溫度升高導致區域水循環發生變化，進而對河川徑流變化產生重要影響[4-5]。因此，區域氣候變化及其對流域水循環的影響已成為當前水文前沿研究的熱點。“西風模式”影響下的中亞[6-7]，千年來總體氣候組合特征為暖干-冷濕，但最新研究發現中亞地區在過去幾十年氣候組合發生顯著變化，主要表現為暖濕化趨勢[8-9]。中亞冰川補給型河流在徑流量與流量等水文要素上是否存在一定的響應需要進一步研究。

中亞地處亞洲內陸干旱區，水資源短缺一直是制約中亞經濟社會發展的主要因素。與此同時，中亞地區也是我國“絲綢之路”經濟帶建設的核心區，水安全是經濟帶建設過程中重點關注的問題[10-11]。因此，研究中亞地區的水文變化有助于中亞各國制定相關水政策，以維護國家內部及國家間政治安全與社會穩定，同時也能為我國在中亞地區合作開展“絲綢之路”經濟帶建設提供相應的科學支撐。

瓦赫什河(Vakhsh River)上游源區位于中亞腹地，生態脆弱的高海拔山地與冰川區是該流域主要的下墊面條件[12]，這導致該區地理環境易受到高原山地的氣候變化影響。長期氣候變化影響了河流源區的水汽形成及運移、降水時空分布、產匯流等環節，使瓦赫什河中下游區域的水資源分配和生態環境格局發生變化，特別是對跨境河流國家間水資源利益共享產生重要影響。近年來，中亞跨境河流國家間圍繞水權分配、水資源共享等方面已經發生多起摩擦沖突事件，為此開展中亞地區跨境河流氣象水文研究具有較強的現實意義[13]。以往該區的水文研究多聚焦在水文水資源的開發與管理、冰川變化監測與評估等方向，氣候變化背景下的水文要素變化方面研究相對較少，同時該流域的地理要素組合與中亞多條大河源區地理要素組合相似，對中亞地區開展相關研究具有一定的借鑒意義。

1 研究區概況

瓦赫什河發源于吉爾吉斯斯坦南部的達烏穆魯克山，流經吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦，并匯入阿姆河。在吉爾吉斯斯坦境內稱為克孜勒蘇河(Kyzyl-Suu River)，并成為瓦赫什河上游[14]。河道全長524 km，流域面積3.91萬km2,其中吉爾吉斯斯坦境內7 900 km2。上游源區位于吉爾吉斯斯坦東南部，與中國、塔吉克斯坦接壤，地理位置為39°N～40°N、72°E～74°E(圖1)。源區內平均海拔在 3 000 m 以上，高山林立，峽谷縱橫，以溫帶大陸性氣候為主，并具有典型的高原氣候特征，多年平均氣溫為-3.5 ℃，年均降水量為494.37 mm。

圖1 瓦赫什河上游流域及水文站位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the upper source areaand hydrological station in the Vakhsh River

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

由于瓦赫什河上游源區內氣象站少，有些年份器測數據缺測，現有觀測氣象資料用于長時間序列研究的可靠性較低，為此本文使用的氣象資料為英國East Anglia大學Climatic Research Unit(CRU)提供的1955—2017年CRU TS4.02氣象格點數據集，空間分辨率為0.5°×0.5°，選取范圍為39°N～40°N、72°E～74°E。CRU氣象格點數據采用多個知名氣象數據庫作為源數據，使用數學方法對數據源進行整合和插值，具有時間尺度長、分辨率高、嚴格的時間均一性檢驗過程、在地表氣候要素數據上無時序中斷等優點。同時，該數據結合了中亞地區高海拔特點，進行高度訂正，在中亞地區應用有比較大的可信性，相關研究也驗證了自1930年以后的中亞地區CRU資料具有較高的可靠性和適用性[15-20]。本文所使用的水文資料來源于吉爾吉斯斯坦境內瓦赫什河上游Daroot Kurgan水文站1955年1月至2017年12月逐月流量實測值。

2.2 研究方法

針對氣候水文數據的長時間觀測序列特征，利用線性回歸方法檢驗趨勢變化[19]，并結合Mann-Kendall秩次相關檢驗法[21]、Spearman秩次相關檢驗法[21-22]等方法，綜合分析和檢驗源區氣候水文要素演變趨勢；利用滑動t檢驗法與Mann-Kendall突變檢驗法對比綜合識別源區氣候水文要素演變中的突變現象[23]；利用Pearson相關分析法探究氣候水文要素之間關聯及流量演變主要驅動因子[24-28]；利用Morlet小波變換分析法，診斷分析源區氣候水文要素序列的周期變化[26]；利用滑動相關分析方法探討氣候要素在年際尺度上如何影響流量變化趨勢，選用21 a為時間窗口。

3 結果與分析

3.1 源區氣候水文變化趨勢

a. 氣溫。瓦赫什河上游源區1955—2017年平均氣溫為-3.2 ℃，其中氣溫變化傾向率為0.03 ℃/a，年平均最高溫度出現在2004年，最低溫度出現在1957年。如圖2所示，在研究時間段內雖然氣溫變化的波動性較大，但年平均氣溫總體上呈現出明顯的上升的趨勢，其中在1997—2011年和2015—2017年兩個時間段內年均氣溫均高于平均值，距平值保持0.1 ℃以上。Mann-Kendall秩次相關檢驗、Spearman秩次相關檢驗和線性回歸檢驗分別檢驗出全年及季節總體趨勢均保持顯著上升趨勢，達到99%的置信水平，其中夏秋兩季的趨勢特征值在4個季節中最大，為顯著的上升趨勢，具體各季節和全年檢驗特征值和變化趨勢見表1。

圖2 年平均氣溫變化趨勢Fig.2 Annual average temperature change trend

表1 各氣候水文要素檢驗特征值及變化趨勢Table 1 Inspection characteristic values and change trends of various climatic and hydrological elements

b. 降水。瓦赫什河上游源區1955—2017年平均降水量為513.2 mm，其中降水變化傾向率為 1.34 mm/a，年平均降水量最高出現在2003年，最低降水量出現在1983年。如圖3所示，瓦赫什河上游源區在研究時間段內降水總體上波動較小，呈現出平緩的上升趨勢，但在20世紀60年代后期與21世紀初期均出現時序較長、峰值較高的波動。由表1可知，3種檢驗方法在瓦赫什河上游源區1955—2017年年均降水量上，一致檢驗出呈平緩上升趨勢，且達到95%的置信水平；從季節上來看，春秋冬3季年平均降水量均無明顯變化趨勢，在選定的置信區間內不顯著，夏季降水呈平緩上升趨勢，3種方法中大部分檢測統計值達到95%的置信水平。

圖3 年平均降水量變化趨勢Fig.3 Annual average precipitation change trend

c. 流量。如圖4所示，瓦赫什河上游源區1955—2017年年均流量為42.0 m3/s，其中2006年年均流量為研究時段的最高值，達到 62.6 m3/s，為多年均值的1.46倍，最低流量出現在1974年，年均流量為28.6 m3/s。瓦赫什河上游源區年均流量總體保持上升趨勢，其中20世紀60年代中后期至21世紀初，年均流量低于均值，保持低位增長。特別是在20世紀60年代中期出現一次波動，達到峰值后便開始急劇降低，直至1974年觸底，達到最低值。從季節變化上看，瓦赫什河上游源區各個季節流量變化基本保持一致，夏冬兩季波動幅度較春秋季大，年均流量高。3種檢驗方法一致檢驗出瓦赫什河上游源區年均流量在全年及季節上均為上升趨勢，且達到99%以上的置信水平。

圖4 年平均流量變化趨勢Fig.4 Annual average runoff change trend

總體來看，瓦赫什河上游源區1955—2017年氣候逐漸呈現暖濕化趨勢，這與中亞相關區域氣候變化研究結果一致[29]，表明中亞不同地域氣候變化特征存在一定的一致性。其中氣溫變化傾向率為0.03 ℃/a，高于同期中亞地區0.02 ℃/a的平均水平。導致中亞地區出現暖濕化趨勢原因，施雅風等[30]認為氣溫上升的原因是CO2的溫室增溫效應；王勁松等[31]認為氣溫上升是與北極濤動、太陽活動有關，而導致降水增多的原因則是西風帶緯向環流增強，側重從地氣相互作用的角度來闡述其對增溫增濕的影響。與此同時，在全球尺度上Dai等[4]通過對1900—1995年全球帕爾默干旱指數(PDSI)變化研究發現，ENSO活動是1976年以來干濕變化的重要驅動因子。對氣溫、降水和流量進行5年滑動平均后，在變化趨勢對比中發現，三者之間在20世紀70年代后期有較好的趨同性，其中氣溫與流量在趨勢變化上表現為更相近。

3.2 源區氣候水文突變識別

a. 氣溫。對于長時間氣溫觀察序列，需采用多種突變檢測方法進行比較。本文采用滑動t檢驗、Mann-Kendall突變檢驗法檢測氣溫序列的突變現象。如圖5(a)所示，當子序列為n=10時，滑動t檢驗分析發現，瓦赫什河上游流區氣溫序列突變點發生在1993—2001年，并通過0.01的顯著水平檢驗。與此同時，如圖5(b)所示，采用Mann-Kendall突變檢驗法檢驗得到UF及UB統計值的變化線相交于1994年，通過0.05的顯著性檢驗。兩種測方法得到的結果類似，可以判定該流區的氣溫在1994年發生突變，且由低溫向高溫突變并整體呈現增高趨勢。

b. 降水。當子序列為n=10時，滑動t檢驗(圖5(c))分析發現，瓦赫什河上游源區降水序列突變發生在1983—1985年，通過0.01的顯著性檢驗；同時采用Mann-Kendall突變檢驗法檢驗得到UF及UB統計值的變化線分別在1988年、1990年、1994年、1995年、2007年、2012年相交，其中2007年與2012年超過0.1的顯著水平，呈顯著性上升趨勢(圖5(d))。分析兩種檢測方法得到的結果，可以判斷瓦赫什河上游源區1955—2017年降水量保持緩慢上升，其中在2007年與2012年發生突變現象。

大金川叛軍為了抵抗朝廷軍隊，在兩軍對陣的地區增壘設險，致使戰火延續了兩年，最終因眾寡懸殊、大勢已去而投降。《清實錄》記載，乾隆四十年（1775年）七月，索諾木鴆殺僧格桑，獻尸請降，朝廷不準[6]168。《徇促浸》以“順天者生逆天死，賊尸未僵魂已禠”指責大小金川土司發動叛亂實屬逆天行為，并化用古詩《有所思》中的“當風揚其灰”“拉雜摧燒之”，表達了對大小金川發動叛亂的激憤之情。“到頭倔強將何為”一句則是管世銘發出的質問與嘆息：對叛亂者無端叛亂的質問，以及對叛亂者垂死掙扎的嘆息。“爾果悔罪，何不早生致”表明如果叛亂者果真有悔改之意，就應該及早投降，而當朝廷大軍逼近時再請降，則不可能得到寬恕。

c. 流量。滑動t檢驗(圖5(e))分析可知瓦赫什河上游源區年均流量分別在1982—1989年、1997—2005年發生突變，并通過0.01的顯著性檢驗，這與上文對流量趨勢進行5年滑動平均分析中發現的在1997年開始呈上升趨勢的結果一致。Mann-Kendall檢驗時發現UF與UB統計值的兩條數值線在2003年處相交且通過顯著性檢驗(圖5(f))，兩種檢驗方法結果表明流量序列在2003年左右發生突變。

綜合來看，突變現象均發生在20世紀后期，并都呈上升趨勢，其中氣溫增溫趨勢與中東亞干旱區近百年氣候變化趨勢呼應。王勁松等[31]認為這主要是冰島低壓異常加深、北大西洋亞速爾高壓顯著增強、烏拉爾高壓脊異常增強以及赤道中東太平洋海表溫度異常增暖所導致的。而降水趨多，陳發虎等[7]認為是與西風環流增強及西伯利亞高壓的位置和強弱變化有關。

3.3 源區氣候水文變化周期

a. 氣溫。利用Morlet小波變換分析方法，對瓦赫什河上游源區氣溫時間序列變化進行周期性分析，利用計算結果繪制小波系數實部等值線圖(圖6)和氣溫小波方差圖(圖7)，以反映瓦赫什河上游源區氣溫周期變化和位相特征，并識別氣溫時間序列中尺度對應的擾動強度與周期變化特征。由圖6可見，氣溫序列能量中心頻域尺度主要集聚在14 a和28 a，顯示為比較明顯的兩個主要周期；從圖7可見，曲線兩個波動峰值對應的橫坐標主要時間尺度為14 a和28 a，該對應尺度下的信號較為強烈，所以14 a和28 a是主要周期，其中28 a為第一主周期。時間尺度上4 a對應峰值較為弱，可視作微小波動，忽略不計。

(a) 氣溫t檢驗

(b) 氣溫M-K檢驗

(d) 降水M-K檢驗

(e) 流量t檢驗

(f) 流量M-K檢驗圖5 氣候水文要素突變檢驗Fig.5 Climatic and hydrological factors abrupt change point test

圖6 氣溫序列小波系數實部等值線Fig.6 Wavelet contour map of the temperature series

b. 降水。分析可知瓦赫什河上游源區降水序列能量中心頻域尺度主要集聚在10 a和20 a，顯示為比較明顯的兩個主要周期；從降水小波方差分析結果可知，曲線兩個波動峰值對應的橫坐標主要時間尺度為10 a和20 a，該對應尺度下的信號較為強烈，所以10 a和20 a是主要周期，20 a為第一主周期。

c. 流量。瓦赫什河上游源區年平均流量序列高值能量中心頻域尺度主要集聚在15 a和28 a，顯示為比較明顯的兩個主要周期；從流量小波方差分析結果可知，曲線兩個波動峰值對應的橫坐標主要時間尺度為15 a和28 a，該對應尺度下的信號較為強烈，所以15 a和28 a是主要周期，以28 a為第一主周期。同時，在時間尺度為10 a處，流量小波方差出現較小幅度變化和峰值，峰值較為微弱，忽略不計。

圖7 氣溫序列小波方差圖Fig.7 Wavelet variance figure of the temperature series

瓦赫什河上游源區氣候水文的準周期性振蕩現象主要是自然外力作用和氣候系統內部相互作用并疊加的結果，綜合Mann-Kendall的突變檢驗結果，可以較為準確判定以上信號強烈且產生振蕩的頻域尺度第一主周期。比較降水與流量、氣溫與流量的第一主周期發現，氣溫與流量的周期在年際變化上具有較高的相似性，正負變化為0～1 a，這說明氣溫與流量具有較相近的周期變化趨勢。

3.4 源區氣候水文要素關聯及流量驅動要素

圖8 源區降水量與流量雙累積曲線Fig.8 Double accumulation curve of precipitationand runoff in the upper source area

進一步辨析，氣候因素中降水與氣溫是與流量變化相關的主要因素。采用年內相關普查分析法，進行不同時間段氣溫降水組合，并與年均流量進行相關分析，結果見圖9。由圖9可見，在所有氣溫降水組合當中，上一年夏秋季節和當年夏秋季節月份的氣溫均與流量有顯著的相關關系，其中當年的6—10月氣溫與流量相關性最高，相關系數為0.554，通過99%的置信檢驗；降水與流量相關性最高的為當年2月，相關系數為0.316，通過95%的置信檢驗；其中上一年8月與當年8月的降水與徑流也表現出一定的顯著關系。這表明瓦赫什河上游源區升溫趨勢與源區內流量增加趨勢關系密切，且不同時間段內相關性的差異較大，6—10月為北半球夏秋季節，這一時段氣溫上升趨勢促使冰川積雪融化加速，造成區域水循環加快，加之源區內冰川廣布，集水面廣，匯水量大，進而使河流流量增加；同時降水與流量相關性最高的時間段為當年2月，說明瓦赫什河符合中亞地區大多河流具備的“冬雨型”河流特征[11]，因受制于下墊面的調蓄和滯留作用，徑流對降水與氣溫有一定的“滯后效應”，從而上年氣溫和降水與徑流具有一定的顯著關系。盡管氣溫變化是瓦赫什河年平均流量變化的主導因素，但這種相關關系并不穩定，采用年際滑動相關分析法進一步分析，結果見圖10。由圖10可見，氣溫在1987—2009年與流量呈顯著正相關，在1958—1986年呈不顯著負相關；降水在此區間內與流量均保持正相關，1999年后轉為負相關。以上分析說明1989—1999年降水和氣溫均對流量變化有促進作用，1999年后降水轉為負相關。這種關系說明了氣候變暖對于中亞冰川補給型河流有著重要影響，并在過去40年里對于流量變化起到了主導作用。可能受到了1998/1999年以來全球變暖停滯影響，流域內溫度并沒有持續上升。

P—上年，C—當年圖9 瓦赫什河上游源區年平均流量與氣候因素相關系數Fig.9 Correlation coefficient between annual averagerunoff and climatic factors in the upper source areaof the Vakhsh River