氣候變化對葉爾羌河年徑流總量的影響評估

阿孜古力·斯買提

(喀什水文勘測局，新疆 喀什 844000)

水循環在全球氣候變化背景下徑流量的變化是其最為重要的表征[1]。有研究結果表明，新疆地區在近50年以來氣候變化總體呈現明顯的增濕和變暖變化趨勢，尤其是1986年以來出現明顯的暖濕變化[2]。受到氣候變化影響，新疆北部氣候變暖的增幅明顯高于南部地區，冬季為主要的變暖季節[3]。近50年以來，新疆南部降水增幅多于北疆地區，夏季和冬季為降水量偏多的兩個季節，總體具有顯著的變濕變化趨勢，但在秋季降水量有所減少[4]。近10年以來，我國已開展了大量的氣候變化對區域水資源影響的研究[5-10]，但對于葉爾羌流域氣候變化下水資源研究還較少，主要集中在對生態環境、洪水變化特征的研究。葉爾羌河流域是我國重要的石油和棉花生產基地，在國家西部大開發戰略中具有重要的地位[11]。水資源是區域生態環境保護和經濟可持續發展的核心所在，區域水循環的各個過程都受到水資源變化的影響。葉爾羌河是塔里木河的重要水源之一，近些年來，受到氣候變化的影響，葉爾羌河流域的年徑流總量有所減少，為探討氣候變化對葉爾羌河流域年徑流總量的影響，本文結合葉爾羌河流域內7個氣象站、2個水文站實測氣溫和降水數據，建立徑流與氣溫、降水的二元回歸方程，定量探討氣候變化對流域年徑流總量的影響。研究成果對于流域生態、經濟以及水資源可持續利用具有重要的意義。

1 流域概況及資料選取

1.1 流域概況

葉爾羌河全長為1 097 km是塔里木河長度最大的源頭水流。流域地處東經74°28′～80°54′，北緯在35°40′～40°31′之間。流域山區和平原面積比例分別為61.5%和38.5%。葉爾羌多年徑流均值為64.5億 m3，水量較為充沛，最大和最小徑流分別為88億 m3和44.7億 m3，最豐水年份徑流為最枯水年份徑流的倍數高達1.97倍。葉爾羌河流域徑流年際變化幅度較高，夏季是徑流年內分布最為集中的季節，徑流量占全年徑流量的比例達到80.3%。流域多年平均氣溫為3.9℃，降水量多年平均值為72.1 mm。

1.2 資料選取及處理

本文選用葉爾羌流域內6個氣象站、2個水文站作為研究代表站點，各站點信息見表1所示。

表1 選取的代表站點概況

葉爾羌流域上游選用塔什庫爾干氣象站作為代表站點，資料序列為1961-2017年的月降水和月氣溫資料。中游以葉城、澤普以及莎車作為代表站，基于各站點1961-2017年的月降水和月氣溫資料采用算術平均方法得到中游段月平均氣溫和月平均降水數據系列。下游段以麥蓋提、巴楚兩個氣象站以及阿拉爾水文站為代表站點，基于以上三個站點1961-2017年的月降水和月氣溫資料采用算術平均方法得到葉爾羌河下游段月平均氣溫和月平均降水數據系列。出山口徑流資料選用卡群水文站1961-2017年的水文資料，下游徑流資料選用阿拉爾水文站的實測徑流數據，以兩個站點的多年徑流資料作為基準。用標準平均值對年平均氣溫缺測數據進行插補處理。采用趨勢預測方法對降水缺測數據進行插補訂正。具體處理方法為：首先將數據系列分為1961-1968年以及1970-2017年兩個時間段，并對各時間度計算5年滑動均值，采用線性趨勢方法建立降水和時間的一元回歸方程，回歸方程兩個系數采用最小二乘法進行估計。結合線性變化趨勢將1969年對應的時間變量代入回歸方程計算得到5年滑動平均的預測降水量。最后二個站對應1969年的年降水量可通過滑動平均預測值進行計算得到。通過對各插補訂正站點的降水量進行三性檢驗，均符合代表性、可靠性、一致性的要求，資料可用于分析氣候變化影響下的徑流影響。

2 研究方法

為研究氣溫和降水對流域年徑流總量的影響，主要通過建立氣溫、降雨時間序列值和水文站實測年徑流總量序列的二元回歸方程來進行趨勢預測，定量分析氣候變化如氣溫、降水的變化對年徑流總量的影響，回歸方程的主要表現形式為：

y=β0+β1x1+β2x2+ε

(1)

y=xβ+ε

(2)

回歸方程的系數可采用最小二乘法進行估計。

3 成果分析及討論

3.1 徑流與氣溫相關分析結果

為分析出山口卡群水文站氣溫和徑流的影響程度，分別建立卡群水文站1961-2017年的年徑流量數據，采用相關分析軟件對卡群水文站年徑流量和其上游塔什庫爾干氣象站季節氣溫均值、年氣溫均值、最低以及最高氣溫均值的相關系數進行分析，結果如表2所示。

表2 卡群水文站不同時間尺度氣溫與年徑流總量的相關系數分析結果

河川徑流量的重要影響因素為氣候變化，葉爾羌河流域徑流受到氣候影響主要體現在以下方面，(1)受氣溫變化積雪和冰川融化影響，(2)流域蒸發總量的影響，(3)高山地區降水量的改變，(4)近地表空氣與流域下墊面之間的氣溫差異而產生的小氣候流域。結合葉爾羌上游塔什庫爾干氣象站點氣溫數據以及出山口卡群水文站1961-2017年年徑流總量數據，分析了不同時間尺度下氣溫和徑流量相關系數，從分析結果可看出，夏季平均氣溫和年徑流總量的相關系數最高，為0.84，其次為7-8月以及6-9月的相關系數，表明夏季氣溫的遞增可以提高葉爾羌河流域的年徑流總量。年徑流總量與冬季氣溫均值相關系數為負值，說明冬季徑流量和氣溫相關性較小。這主要因為葉爾羌河河川徑流與高山區冰雪積累有較大相關性，出山口卡群年徑流總量中冰川消融量多年均值的比重約為64.0%。此外，氣溫對徑流的影響在時間上存在一定的滯后性，通過對卡群水文站年徑流量序列和塔什庫爾干氣溫進行相關性排序分析，上一年6-8月氣溫均值和次年年徑流總量的相關系數均可在0.5以上，且可通過0.001的顯著性檢驗水平。

3.2 徑流與降水相關分析結果

為分析出山口卡群水文站降水和徑流的影響程度，分別建立卡群水文站1961-2017年的年徑流量數據，采用相關分析軟件對卡群水文站年徑流量和其上游塔什庫爾干氣象站季節降水均值、年降水均值、最小以及最大降水均值的相關系數進行分析，結果如表2所示。

表3 卡群水文站不同時間尺度降水與年徑流總量的相關系數分析結果

從相關系數分析結果可看出，對于年徑流總量和降水總體呈現正相關性，但不同時間尺度降水量和年徑流總量的相關系數都要小于氣溫和年徑流總量的相關系數，因此氣溫是葉爾羌河流域年徑流總量變化的主因。冬季降水和徑流呈負相關性，這主要是因為冬季降水主要轉換為積雪，隨著春季氣溫升高后，積雪消融增加葉爾羌河徑流量。和氣溫影響相似，降水和葉爾羌河流域年徑流量影響也具有一定的滯后性。

3.3 回歸方程的建立

結合卡群水文站1961-2017年徑流實測數據和氣象站7-8月降水量以及夏季氣溫均值，采用前述的回歸方程建立方法，建立降水、氣溫與徑流的回歸方程，其中回歸方程基于建立各站點降水、氣溫時間序列采用最小二乘法進行估算，建立的回歸方程為：

y=9.054 3xt+0.043xp-69.53

(3)

在方程中xt表示為夏季氣溫均值(℃)；xp表示為7-8月的降水量均值(mm)。對建立的徑流和氣溫、降水的相關方程進行了F檢驗，該回歸方程可通過信度為0.001的顯著性經驗，建立的二元回歸方程可用來探討夏季氣候變化對葉爾羌流域徑流量影響的評估。

3.4 不同氣候變化下的徑流變化幅度

結合建立的回歸方程，探討夏季不同氣溫、降水變化幅度下的徑流量的變化幅度，如表4所示。

表4 夏季氣溫和降水不同變化比例下的徑流量變化幅度

結合建立的葉爾羌河流域徑流和夏季氣溫、7～8月降水量不同變化比例下的徑流量變化幅度進行了探討，夏季氣溫和降水量的增加，可使得葉爾羌河流域徑流量得到顯著提高，提高的徑流量變化幅度均在60%以上。在相同氣溫條件下，降水量遞增5%，徑流增相應增加的幅度為0.6%，而相同降水條件下，氣溫遞增0.5℃，則徑流量增加的比例為9.5%，反之相同氣溫和降水條件下，氣溫和降水遞減，徑流呈現相同的遞減幅度。

3.5 主要原因探討

為了減少降水和氣溫變差對徑流的影響，采用歸一化指數的分析方法對降水、氣溫、徑流進行處理，通過分析塔什庫爾氣溫在夏季和徑流變化具有一致性，其吻合度可達到78%。夏季的氣溫極值變化和徑流豐枯變化重合期為10 a，這主要是因為葉爾羌河流域高山冰川和積雪受氣溫升高影響其消融量增加，而融雪量是葉爾羌河流域主要的徑流補給，因此使得流域徑流增加。但不同氣象組合和蒸發的綜合影響，在個別年份氣溫升高而徑流確有所減少。葉爾羌河流域在60-70年代降水量有所減少，但徑流總量確有所增加，但總體變化是降水量對徑流影響度較小。綜合以上原因分析，氣溫變化是葉爾羌河徑流班花的主要因素，冬季降水量的變化，使得流域冬季積雪量有所增加，而夏季氣溫升高后，冰川融化量對河流徑流量進行了條件，通過對溫度變化的影響，葉爾羌河流域降水對徑流總體為間接影響。

4 結語

(1)氣溫對徑流的影響在時間上存在一定的滯后性，通過對卡群水文站年徑流量序列和塔什庫爾干氣溫進行相關性排序分析，上一年6-8月氣溫均值和次年年徑流總量的相關系數均可在0.5以上，且可通過0.001的顯著性檢驗水平。

(2)在相同氣溫條件下，降水量遞增5%，徑流增相應增加的幅度為0.6%，而相同降水條件下，氣溫遞增0.5℃，則徑流量增加的比例為9.5%，反之相同氣溫和降水條件下，氣溫和降水遞減，徑流呈現相同的遞減幅度。

(3)氣溫變化是葉爾羌河徑流班花的主要因素，冬季降水量的變化，使得流域冬季積雪量有所增加，而夏季氣溫升高后，冰川融化量對河流徑流量進行了條件，通過對溫度變化的影響，葉爾羌河流域降水對徑流總體為間接影響。