汾河水文水資源對氣候變化的響應分析

溫進利，王 煒

(1.山西省氣象災害防御技術中心，太原 030002；2.太原市水利技術推廣服務站，太原 030002)

1 項目區概況

汾河流域位于大陸性季風氣候帶，在副熱帶海洋氣團和極地大陸氣團等的影響下，大陸性季風氣候特征明顯，春季較短，少雨干旱多風沙，夏季高溫多暴雨，秋季溫和，冬季干寒，且表現出十分明顯的山地氣候垂直變化特征。從東南向西北降雨量逐漸遞減，流域年平均降雨量為503.9mm，且大部分時間降雨量在400-600mm范圍內，高山局地降雨在650mm以上，年際變化大且年內分配十分不均勻，全年超出75%的降水主要出現在6-9月，且降雨主要水汽來源來自夏季風所帶來的暖濕氣流。

2 研究方法

在汾河流域選取8個氣象站，具體見表1，并以各氣象站1960-2019年降水和年氣溫逐年資料為基本氣候要素，氣象站資料均取自國家氣象信息中心。

表1 氣象站及氣象資料長度

汾河流域水資源主要來自大氣降水和夏季風帶來的暖濕氣流，相當一部分因蒸發而損耗，所以根據水量平衡原理，在降水量中減除蒸發量后便可得到汾河流域可利用降水量，并以此作為水資源量。具體而言，采用以下經驗公式：

(1)

式中：E為汾河流域陸面蒸發量，mm；P為汾河流域月降水量，mm；T為汾河流域月氣溫均值，℃。另F=(P-E)A，F為汾河流域可利用水資源量；A為項目區面積，汾河流域面積為3.9469×104km2，以下便基于此思路和方法進行汾河流域水文水資源響應分析[1-2]。

3 項目區氣候特征

3.1 氣溫、降水特征

項目區氣溫和降水表現出明顯的年際及年代際變化特征，選取流域內具有代表性的臨汾、介休、太原、3個站點進行年代際變化分析，具體情況詳見表2和表3。

表2 汾河流域代表性測站氣溫年代際變化 ℃

從表2中可以看出，汾河流域在1990-1999年間氣溫最高，冬季氣溫從1960年開始至2019年呈現出明顯升高的趨勢，臨汾站、介休站、太原站2010-2019年測站冬季年平均氣溫比1960-1969年平均增大1.9℃、2.32℃和2.10℃；其余測站氣溫變化趨勢并不十分明顯。

表3 汾河流域代表性測站降水年代際變化 mm

從表3可以看出，汾河流域各典型測站降水量夏季變化趨勢最為明顯，且夏季降水呈逐年減少趨勢；從年平均降水量值來看，1970-1979年間夏季降水偏高，此后有減小趨勢。通過進行以上時期臨汾站、太原站和介休站年平均氣溫與降水的相關分析發現，兩者存在明顯的負相關關系，但變化趨勢并不同步。

3.2 蒸發特征

根據式(1)求出汾河流域陸面蒸發量，根據流域1960-2019年蒸發量的年際變化可以看出，流域多年平均蒸發量102mm，最大最小值分別出現在2001年和1994年，分別為116.8mm和57.1mm。此外，根據對流域蒸發量滑動均值變動趨勢的分析可以發現，汾河流域在20世紀90年代以前其蒸發量基本位于年平均值以下，此后便明顯高出年平均值。

4 水文水資源對氣候變化的響應

4.1 水資源變化趨勢

根據可利用降水量的計算，可得出汾河流域1960-2019年水資源量年際變動情況，汾河流域多年水資源量均值33.59×108m3，最大值40.37×108m3出現在1988年，最小值29.88×108m3出現在1986年。而且近10年來，汾河流域水資源量已經轉為正距平狀態，水資源量均超出均值水平，表明流域水資源量穩定增多，且水資源增多時期基本和氣溫升高時期相對應，說明氣候變暖對汾河流域水資源量的變動存在影響。

4.2 對降水變化的響應

通過分析降水量、蒸發量、水資源量的季節性分配以進行水文水資源對降水變化響應的分析，結果詳見表4。由表可知，汾河流域降水主要集中在夏季，夏季降水量在全年總降水量中占比54.9%，其次為秋季，占比將近30%，這也與項目區夏秋多雨、冬春少雨的特征吻合。蒸發的變動趨勢與降雨較為接近，夏季蒸發量占全年蒸發總量的比為57.19%，所不同的是，春季蒸發量比秋季蒸發量大13.53%。這種變動趨勢主要與溫度及季風進程有關。

降水和蒸發是影響水資源量的兩個主要方面，降水和蒸發的年內變化對流域水資源存在重要影響。

4.3 對氣溫變化的響應

根據文章所采用的水資源量的計算公式，水資源量的變化除受降水影響較大外，還受到氣溫的影響。氣溫主要影響降水形態、冰雪消融、蒸發，進而對流域水資源量產生影響。根據氣溫與汾河流域水資源量的相關性圖(圖1)中的6階多項式擬合曲線，汾河流域R2=0.114，說明氣溫和流域水資源量相關性較差，且不存在線性關系，氣溫對流域水資源的影響并非降水量那樣直接，而是通過其他方式影響流域水資源量[3]。

圖1 汾河流域氣溫與水資源量的相關性

汾河源所分布的積雪和凍土面積在源區總面積中占比0.76%，所以，汾河源水資源受冰雪融水和大氣降水共同補給，而冰川和凍土對氣溫變化十分敏感，源區冰雪消融基本出現在正溫期。與流域降水情況相比較可以看出，氣溫升至0℃以上后汾河流域降水和蒸發均增大，水資源量也增多，可見，氣溫的升高有利于汾河源冰雪消融，增大對流域水資源的補給。

根據研究和調查結果，汾河源積雪面積在1960-2010年間減少了1.5%，且在1993年以后情況有所逆轉，這與流域氣溫在20世紀90年代初明顯上升有關，這也從另一方面說明，氣溫是直接影響流域積雪消融的重要氣候要素。積雪消融后的徑流是流域水資源補給的重要來源，汾河流域積雪消融徑流量在徑流總量中占比在9.4%左右。

此外，氣溫的變化還會引起蒸發量的變動，且兩者存在一定的正相關關系，即隨著氣溫的升高，大氣內水氣壓和飽水量逐漸增大，對蒸發產生促進作用。隨著蒸發量的增大，所消耗的流域水資源量隨著增大，流域水資源量減小。故氣溫對汾河源積雪消融有積極作用，并能增加流域水資源量，但隨著氣溫的升高，蒸發量增大，又會造成流域水資源量減少，所以氣溫對汾河流域水資源量的影響頗為復雜。

5 結 論

綜上所述，從50a時間尺度看汾河流域降水量變動趨勢并不顯著，但氣溫和蒸發均呈明顯變動，但是在20世紀90年代流域氣溫、降水及蒸發均表現出較為明顯的變動，這主要與全球氣候變暖有直接關系。降水變化對汾河流域水資源有直接影響，而氣溫對流域水資源的影響較為復雜，隨著氣溫的升高汾河源積雪消融速度加快，所提供的消融性水資源量增多，但是氣溫升高同時又會導致蒸發量的增大，會消耗過多的水資源量。根據筆者推測，這可能是數十年來汾河流域水資源波動變化且無明顯增加或減少的主要原因。對于汾河流域而言，若氣溫變化不明顯，則因降水原因而引起的水資源增加和蒸發所消耗的水資源減少幾乎相當，不會引起水資源量的明顯改變。