1960-2012年瀾滄江-湄公河流域氣候變化趨勢及不同區間的徑流響應

談曉珊，王 婕，唐雄朋，楊 娜，羅 賢，李 楊，王國慶

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；3.水利部應對氣候變化研究中心，江蘇 南京 210029；4.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；5.云南大學 國際河流與生態安全研究院，云南 昆明 650500；6.內蒙古自治區水資源與水權收儲中心，內蒙古 呼和浩特010020)

1 研究背景

全球氣候變暖已是不爭的事實，根據IPCC第五次氣候變化評價報告，近100年來全球陸地平均氣溫升高0.85℃(1880-2012年)[1]。氣候變化將對社會、生態、自然等各個方面產生重要影響，全球變暖已成為世界各國普遍關注的重要環境問題[2-3]。水資源是支撐經濟社會發展的制約性因素，同時也是受氣候變化最為敏感的領域[4]，氣候變化及河川徑流響應的變異性特征以不同的方式影響著流域系統和生態功能[5-7]，分析區域氣候變化及徑流響應，對流域的水資源可持續利用和生態保護具有重要科學意義和實踐價值。

在全球變暖背景下，自20世紀以來，中國區域氣溫變化呈波動上升趨勢，從增溫速率來看，中國北方地區氣溫增暖速度明顯高于南方地區[8]。基于中國近百年的降水序列，李慶祥等[9]發現近百年中國降水量呈現減少趨勢，但降水量的趨勢變化具有明顯的季節性以及地域性差異。從中國降水變化趨勢的空間分布來看，20世紀60年代以來，降水顯著增加的區域主要位于東南部地區和西部地區，其中西部地區增加較為明顯[10-12]。河川徑流源于降水，氣候變化對徑流量具有直接影響。盧璐等[13]研究發現1951-2010年長江上游金沙江流域氣候變暖顯著，降水變化以及積雪、冰川消融引起攀枝花站徑流量呈現增加趨勢。干旱區河川徑流不僅受降水多寡制約，同時受人類活動影響顯著[14]；大規模水土保持和水利工程導致黃河、海河等流域大多數支流降水徑流關系改變，使河川徑流銳減[15-18]。瀾滄江-湄公河(簡稱瀾湄流域)是亞洲重要的國際性河流，上游源于青藏高原，氣候變化是引起湄公河流域洪旱災害加劇的主要原因[19]；氣候變化背景下瀾湄流域水量的豐枯變化對沿河流域國工農業發展至關重要，因此備受關注。基于近50年的氣候再分析資料和干流實測流量資料，分析了瀾湄流域不同區間氣溫、降水的變化及不同階段降水徑流響應關系，以期為瀾湄流域經濟社會發展提供支持。

2 資料與方法

2.1 流域概況及資料來源

瀾滄江-湄公河是東南亞地區最大的國際河流，發源于中國青海省，上游中國境內部分稱之為瀾滄江，從云南出境后，稱為湄公河，湄公河流經緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南。瀾滄江-湄公河干流全長4 880 km，流域面積81.1×104km2，根據河流長度，湄公河為世界第9大河。

湄公河地貌類型復雜多樣，上游源于青藏高原，多高山峽谷；中游為丘陵，地勢崎嶇多階地；下游為沖積平原，地勢平坦澇災頻發。瀾滄江-湄公河南北跨越近13個緯度，幾乎涵蓋了除熱帶沙漠氣候之外的全球所有氣候類型，上游嚴寒少雨，中游干濕季節特征明顯，下游酷熱濕潤。瀾湄流域面積與黃河基本相當，但水資源非常豐富，多年平均徑流量約4 750×108m3，約為黃河多年平均徑流量的9倍。收集整理了瀾湄流域干流8個水文站1960-2012年的實測徑流量，其中3個水文站位于中國境內；氣溫、降水數據來源于普林斯頓全球氣象驅動數據集(http://hydrology.princeton.edu/data.php)，為分辨率0.5°的格點逐月資料。圖1給出了湄公河水系及水文站點與流域內普林斯頓氣象驅動數據格點空間位置。

圖1 瀾滄江-湄公河流域水系及水文站點與氣象要素格點位置

為分析瀾湄流域氣候變化的空間差異性，根據水文站位置，將湄公河上丁站以上劃分為8個區間，分別為：昌都站以上為一區，昌都-舊州為二區，舊州-允景洪為三區，允景洪-清盛為四區，清盛-瑯勃拉邦為五區，瑯勃拉邦-萬象為六區，萬象-穆達漢為七區，穆達漢-上丁為八區。為分析不同季節的氣候變化趨勢，綜合考慮瀾湄流域上下游氣候特點，將冬季定義為12-次年2月，春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月。

2.2 Mann-Kendall非參數檢驗方法

Mann-Kendall是一種非參數序列趨勢診斷方法，該方法具有檢驗范圍寬、受人為影響較小的特點，通過計算標準化統計量ZS(M-K值)進而確定序列變化的趨勢及其顯著性[20-21]。其計算公式為：

(1)

(2)

ZS=τ/σ

(3)

式中：P為研究系列的所有對偶觀測值中xi

2.3 基于徑流系數的水文階段性劃分與診斷方法

相比實測徑流量系列，年徑流系數系列的變化可以更好地反映流域人類活動對水文過程的影響[14]；因此，基于年徑流系數突變點的診斷進行水文變化階段性劃分。采用有序聚類方法診斷徑流系數突變年份，計算公式為[21-22]:

αi=Ri/Pi

(4)

(5)

3 結果與分析

3.1 氣溫變化

基于普林斯頓全球氣象驅動數據集氣溫資料，計算1960-2012年瀾湄流域各區間的年及四季平均氣溫，圖2給出了8個區間年均氣溫的變化過程；采用Mann-Kendall非參數檢驗方法診斷了各區年和季節氣溫演變的趨勢及其顯著性，其結果見表1。

圖2 1960-2012年瀾湄流域各區間年均氣溫變化過程

表1 1960-2012年瀾湄流域各區間年和季節氣溫變化趨勢診斷結果

由圖2可以看出：(1)瀾湄流域各個區間氣溫差異較大，具有自北向南逐漸升高的空間變化特征；一區海拔高氣溫低，年均氣溫均在0℃以下，二區年氣溫介于6.5～8.5℃之間，四區及其以南的各區間年均氣溫均在20℃以上，其中，八區年均氣溫最高，在25.5～27.5℃之間變化。(2)所有各區間氣溫均為升高趨勢，但各區間升溫幅度存在差異。一區和三區年均氣溫的升幅較大，平均線性升溫率超過0.2℃/10a，二區和四區升溫幅度次之，分別為0.183、0.186 ℃/10a；流域中部的第五、六、七區間平均線性升溫速率低于0.15℃/10a，其中，六區線性升溫速率最低，約為0.11℃/10a。(3)1960-2012年瀾湄流域各區最高年氣溫總體一致，但存在差異；其中，一區和二區的年均氣溫最大值發生在2009年，而三區至五區年均氣溫最大值發生在2010年；六區至八區的年均氣溫最大值發生在1998年。說明在全球變暖的背景下，瀾湄流域上游地區依然保持了較大的升溫態勢，而中下游地區自1998年以來，升溫趨勢相對較緩。

由表1可以看出：(1)所有各區年氣溫、秋季氣溫和冬季氣溫均為顯著性升溫趨勢；對春季氣溫來說，允景洪以上的3個區域升溫顯著，以下的5個區域為非顯著性升溫趨勢；夏季氣溫只有六區為非顯著性升溫趨勢，其余各區升溫趨勢均超過了置信水平為0.05的顯著性水平。(2)從季節氣溫升溫速率來看，冬季氣溫升溫速率最大，其次為秋季氣溫；瑯勃拉邦以下的3個區域夏季氣溫升溫速率高于春季氣溫升溫速率，瑯勃拉邦以上的5個區域春、夏季氣溫升率基本相當。(3)在區域分布上，三區各季節氣溫升溫速率最大，其次為一區；二區和四區季節氣溫升率總體相當，六區季節氣溫升率最小。

3.2 降水量變化

圖3給出了1960-2012年瀾湄流域8個區間年降水量的變化過程，采用Mann-Kendall非參數檢驗方法診斷了各區年和季節降水的演變趨勢及其顯著性，其結果見表2。

圖3 1960-2012年瀾湄流域各區間年降水量變化過程

表2 1960-2012年瀾湄流域各區間年和季節降水量變化趨勢診斷結果

由圖3可以看出：(1)瀾湄流域上、下游降水量差異顯著，具有自北向南逐步增多的空間分布格局；一區多年平均年降水量約為450 mm，而六區到八區的年降水量均在2 000 mm以上，其中，八區平均年降水量約2 200 mm，約為一區年降水量的5倍。(2)所有區間年降水量均具有豐枯交替的演變特征，大多數區間年降水量具有不同程度的增加趨勢，只有三區年降水量為減少趨勢。(3)年降水量年際變化幅度總體具有增大趨勢，多數區間年降水量極值發生在20世紀90年代以來的近20年之內，例如，一區的最小和最大年降水量分別發生在1994年和1998年，21世紀以來降水量普遍偏高；三區最大和最小年降水量分別發生在1999年和2009年，年降水量自21世紀以來呈現明顯的減小趨勢；五區最大年降水量發生在2011年，接近2 600 mm，約為該區間多年平均降水量的1.36倍。

由表2可以看出：(1)季節和年降水量變化趨勢多不顯著，只有個別季節和地區的降水量具有顯著性增加趨勢；在年尺度上，只有一區年降水量呈現顯著性增加，其余地區年降水量變化趨勢均不顯著；有3個地區的春季降水量為顯著性增加，分別為一區、四區和五區，其余區間的春節降水量為非顯著性變化趨勢；所有8個區間的夏、秋和冬季降水量均為非顯著性變化。(2)季節降水量盡管多為非顯著性趨勢變化，但演變趨勢存在差異；所有各區間春季降水量均為增加趨勢；8個區間夏季和秋季降水量增減趨勢各占一半，其中，秋季降水量呈現減少趨勢的區間主要集中在瀾湄流域中部的三區-六區；冬季降水量大多呈現減少趨勢，只有一區和六區冬季降水量為增加趨勢。(3)一、二、四、五區春季降水量增加幅度較大，而七、八區秋季降水量增加幅度較大，這些季節降水量的增加是上述區間年降水量呈現增加趨勢的主要因素；對于三區來說，夏、秋和冬季降水量均呈現減少趨勢，其中夏季線性減少幅度最大，約為-15.42 mm/10a，對年降水量呈現顯著性減少特征的貢獻最大。

3.3 水文階段性劃分及降水徑流響應關系

根據湄公河8個區間年徑流量序列，采用有序聚類方法進行突變年份診斷，進而進行水文階段性劃分。

為了清晰說明起見，圖4給出了五區和三區年徑流系數離差平方和過程。

圖4 1960-2012年瀾湄流域五區和三區年徑流系數離差平方和過程

由圖4可以看出，五區年徑流系數離差平方和具有明顯的1個最小值，根據該最小值的時間可判斷系列在1973年發生了較為明顯的突變。然而，三區年徑流系數在1995-1999年均處于非常接近的最小值范圍，說明系列自1995年起發生突變，到1999年變異性更加明顯，1995-1999年的系列即可以劃歸為1995年之前的系列，也可以劃歸為1999年之后的系列，本著優先前期的原則，將該區間的變異點確定為1999年。

表3給出了瀾湄流域各區間年徑流系數序列突變診斷結果。由于隨著瀾滄江-湄公河水資源開發利用程度的不斷提高，瀾湄流域各國非常關注2000年之后的水文情勢變化[23]，因此，將1999年作為特定年份，將2000-2012年作為特定水文階段。綜合年徑流系數序列突變診斷結果，表3同時給出了各區間水文階段劃分結果。

由表3可以看出：(1)8個區間年徑流系數序列突變大多發生在20世紀70年代，只有上游的二區和三區徑流系數序列突變發生在1999年，八區突變發生年份最早，為1965年，說明瀾湄流域特別是中下游地區自20世紀60、70年代區域自然環境和人類活動就發生了較為明顯的變化。(2)由于二、三區年徑流系數序列突變年份與特定的水文階段劃分年份一致，因此，這兩個區間只有兩個水文階段；對于其他區間，由于年徑流系數序列突變發生的年份較早，因此包括了基于年徑流系數序列突變劃分的兩個水文階段和特定的水文階段。

年降水徑流響應關系反映了某種下墊面和人類活動背景下的區域產流狀況，在年降水徑流響應關系圖中，若降水徑流關系點群靠上，說明在同樣降水條件下的區域產流量更大一些，反之，則區域產流條件較弱，同樣降水條件下的產流量較低。根據表3中瀾湄流域各區間水文階段劃分結果，點繪出湄公河8個區間在不同水文階段的年降水徑流響應關系，結果見圖5。

表3 1960-2012年瀾湄流域各區間年徑流系數突變年份診斷及水文階段劃分

圖5 湄公河8個區間在不同階段的年降水徑流響應關系

由圖5可以看出：(1)不同區間降水徑流關系存在一定的差異，不同階段降水徑流關系發生了不同程度的改變。(2)對于上游的3個區間來說，一區在第1階段的降水徑流關系點群普遍靠上，后兩個階段的點群有不同程度的下移；二區在1960-1995年降水徑流相關性較好，第2個階段降水徑流關系點群變得散亂；三區第1階段降水徑流關系點群靠上，第二階段的點群大多位于下部。(3)對于瀾湄流域中下游的5個區間來看，四區在3個階段的降水徑流關系點群沒有明顯的分帶性，但2000年之后的降水徑流關系點群變得更為散亂；五區和八區在第3階段的降水徑流關系點群偏下，而六區和七區在第3階段關系點群相對位于上部。(4)結合不同階段降水徑流關系點群的變化可以發現，在同樣降水條件下一區、三區、五區和八區在2000年之后的產流量明顯低于各自區間在第1個時段的產流量，而六區和七區在2000年第3個時段的產流量大于第1個時段的產流量，對于二、四區來說，不同時段的產流量沒有明顯變化。

4 討 論

研究跨境流域氣候變化最大的難點是基礎站點資料的收集，而且不同國家氣象資料監測的標準和質量控制標準也存在差異。已有研究表明，普林斯頓全球氣象驅動數據集具有相對較好的區域普適性[24]。因此，本研究基于這一數據集分析瀾湄流域氣溫、降水的變化。

全球變暖是目前最重要的環境問題之一，在全球變暖背景下，氣溫普遍升高但存在區域差異[1]；1900年以來中國平均氣溫上升趨勢為1.56±0.20℃/100a，明顯大于全球大陸平均趨勢(1.0℃/100a)[25]，1960年以來中國區域平均氣溫上升率約為0.27℃/10a[26]。瀾湄流域是位于中國西南部和東南亞的跨界流域，1960年以來年平均氣溫升溫幅度介于0.112～0.264℃/10a之間，低于中國平均水平。瀾眉流域降水較多，自1960年以來區間年降水量大多呈現增加趨勢，與IPCC第五次評估報告結論總體一致[1-2]。

跨境河流研究另一問題就是流域內人類活動、環境要素變化調研難度大。研究表明，環境變化特別是劇烈高強度取用水人類活動會顯著改變河流的水文情勢，具體表現為降水徑流關系的改變[27-28]。瀾湄流域各區間在不同階段的降水徑流關系存在不同程度的變化，由此說明不同區域存在不同程度的人類活動。充分利用實測水文資料和氣象資料，通過分析不同階段的降水徑流關系及其變化，為反演區域人類活動概況提供了簡便但有效的途徑。

5 結 論

(1)瀾湄流域各個區間氣溫差異較大，氣溫空間分布具有自北向南逐步升高的空間分布格局。1960-2012年，所有區間年均氣溫均為顯著升高趨勢，多年平均線性升溫速率具有南北兩端高、中間低的區域分布特征；相比而言，瀾湄流域上游昌都以上地區和舊州至允景洪區間升溫幅度最大，平均線性升溫速率超過0.2℃/10a，瑯勃拉邦至萬象區間升溫速率最低，約為0.11℃/10a。

(2)瀾湄流域上、下游降水量差異顯著，空間分布上自北向南逐步增多，上游昌都以上多年平均年降水量約450 mm，而瑯勃拉邦以下地區年降水量均在2 000 mm以上；1960-2012年，所有區間年降水量均具有豐枯交替的演變特征，其中，舊州～允景洪區間的年降水量呈現減少趨勢，其余各區間年降水量均為增加趨勢勢。

(3)變化環境下瀾湄流域不同區間降水徑流關系存在一定的差異，不同階段降水徑流關系發生了不同程度的改變；在同樣降水條件下，瀾湄流域一區、三區、五區和八區在2000年之后的產流量低于前期產流量，而瑯勃拉邦以下的六區和七區在2000年以后的后期產流量則高于前期。定量評估瀾滄江-湄公河河川徑流變化的原因是未來需要深入研究的重要科學問題。