长江源区水文气象要素变化及其与大尺度环流因子关系研究
唐见1,2, 曹慧群1,2, 陈进2,*
1. 长江科学院流域水环境研究所,武汉 430010
2. 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室,武汉 430010
*通信作者简介:陈进(1959- ),男,湖北武汉人,教授级高级工程师,博士生导师,主要从事流域水资源研究。E-mail: chenjincrsri@163.com

第一作者简介:唐见(1985- ),男,安徽巢湖人,博士,主要从事流域水文过程变化及其生态效应研究。E-mail: tang0815@yeah.net

摘要

长江源区水文气象要素变化及其归因研究一直备受全球关注,现阶段研究多侧重于水文气象要素时空变化特征分析,针对长江源区水文气象要素与大尺度环流因子相互关系的研究不足。论文利用Mann-Kendall法、去趋势波动分析法和小波分析法,探究长江源区1957—2012年水文气象要素趋势性、波动性和周期性变化规律,分析水文气象要素与大尺度环流因子的相关关系,通过研究水汽通量揭示大尺度环流因子对水文气象要素变化的驱动机制。结果表明:20世纪90年代,长江源区气候暖干化,进入21世纪后,长江源区气候暖湿化趋势明显;长江源区水文气象要素序列具有正长程相关性,长江源区气候未来会继续呈现暖湿化变化趋势。长江源区水文气象要素都存在着1~5、10~24和25~45 a三种时间尺度周期变化规律。南亚季风是影响长江源区降水量和流量较为重要的大气环流因子,南亚季风驱动下的西南方向气流是长江源区主导气流和水汽来源。

关键词: 气候变化; 水文气象; 大尺度环流因子; 长江源区
中图分类号:P339 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)05-0840-13
Changes of Hydro-meteorological Factors and the Relationships with Large-scale Circulation Factors in the Source Region of the Yangtze River
TANG Jian1,2, CAO Hui-qun1,2, CHEN Jin2
1. Basin Water Environmental Research Department, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
2. Key Lab of Basin Water Resource and Eco-environmental Science in Hubei Province, Wuhan 430010, China
Abstract

Changes of hydro-meteorological factors in the source region of the Yangtze River are a global concern. Pervious research focused on the temporal and spatial variation characteristics in hydro-meteorological factors. Research on the relationships between hydro-meteorological factors and large-scale circulation in the source region of the Yangtze River is scarce. Based on the hydro-meteorological factors and large-scale atmospheric circulation factors in the source region of the Yangtze River, trends, volatilities and periodic changes of hydro-meteorology factors (precipitation, evapotranspiration and streamflow) during 1957-2012 were explored by using Mann-Kendall method, detrended fluctuation analysis method and wavelet analysis method. The relationships between hydro-meteorological factors and large-scale atmospheric circulation factors were further studied. Meanwhile, the driving mechanism of large-scale atmospheric circulation on hydro-meteorological factors was disclosed by analyzing the water vapor flux in the source region of the Yangtze River. The results showed that climatic situations in the source region of the Yangtze River were basically characterized by warm and dry during 1990s. Since 2000s, the climatic turned to warm and wet. Time series of hydro-meteorological factors in the source region of the Yangtze River had positive long-rang correlations. Climatic situation in the source region of the Yangtze River will keep warm and wet in the future. There were 1-5 year, 10-24 year and 25-45 year periods of hydro-meteorological factors in the source region of the Yangtze River. South Asian monsoon (SAM) is a relative important large-scale atmospheric circulation that can influence the precipitation and streamflow in the source region of the Yangtze River. It is mainly because the southwest vapor fluxes driven by the SAM are dominant source of vapor fluxes in the source region of the Yangtze River.

Keyword: climate change; hydrometeorology; large-scale circulation factors; source region of the Yangtze River

长江源区地处青藏高原腹地, 具有水源涵养与调节、生物多样性保护、长江流域生态安全保障等生态功能, 在我国乃至东南亚的生态安全中具有十分重要的地位。近年来, 受气候变化的影响, 源区的生态环境状况日趋恶化, 不仅严重制约了当地社会、经济和文化的发展, 对整个长江流域的水资源条件、生态安全及社会经济的可持续发展也构成了严重威胁。因此, 长江源区水文气象要素发展趋势及其归因研究一直以来备受全球关注[1, 2, 3]

基于长江源区在区域水循环中的重要性, 近年来针对长江源区水文气候要素的演变规律及相互关系开展了大量研究。长江源区的降水量有明显的从西北向东南递增的分布规律[4], 近50 a降水的长期变化趋势总体上不明显, 但是近10 a降水有明显的增加趋势。长江源区东南区域蒸腾作用相对强烈, 蒸散量较大; 西北地区蒸腾作用较小, 蒸散量较小[5]。气候、植被覆盖变化和冻土耦合作用影响下, 近40 a(1961— 2000年)来长江源区河川径流呈持续递减趋势, 年均径流量减少了15.2%[6]。长江源区的水文气象要素存在7~8、20~21和42~43 a的变化主周期[7]。张士峰等构建了降水和潜在蒸发对径流的驱动模型, 研究表明潜在蒸散发是影响长江源区径流的关键因子[8]。总的来说, 现阶段研究主要侧重于分析水文气象要素时空分布、变化趋势和周期性, 以及径流与气象要素之间的相互关系。但是, 关于长江源区水文气象要素与大尺度环流因子的相互关系研究较少[9]。季风和厄尔尼诺/南方涛动系统(El Niñ o-Southern Oscillation, ENSO)等大尺度环流因子变化会影响区域的气象要素, 进而影响流域径流过程[10]。揭示水文气象变化及其与大尺度环流因子的相互关系是江河源区需要重点关注的科学问题[11]。因此, 非常有必要对长江源区水文气象变化特征及其与大尺度环流因子的相互关系开展研究。

本研究采用长江源区出口控制断面直门达水文站1957— 2012年流量历史资料、长江源区5个国家级气象站点的同期气象资料、大气环流指标以及NCEP再分析数据, 分析长江源区水文气象要素多时间尺度变化规律, 探究水文气象要素与大尺度气候循环因子的相互关系, 揭示长江源区大尺度环流因子对水文气象要素变化的驱动机制。

1 研究区概况

长江源区位于青海省的东南部, 面积15.8万 km2, 占青海省国土总面积的21.9%, 占长江流域面积的8.8%(图1)。长江源区水系呈现扇状形式分布, 主要由三条源流组成, 分别为沱沱河、当曲和楚玛尔河。长江正源沱沱河发源于唐古拉山脉各拉丹雪峰南侧的姜根迪如冰川, 沱沱河流经约300 km, 与右岸的长江南源当曲汇合, 再行约200 km, 汇接左岸的长江北源楚玛尔河, 再自此下游约545 km, 便是长江源区出口断面直门达水文站。长江源区广布沼泽、湖泊与冰川, 具有独特而典型的高寒生态系统, 年平均温度为-1.7~5.5 ℃, 年均降水量270~410 mm, 年平均蒸发量1 426 mm。大尺度环流因子(ENSO和亚洲季风)影响长江源区的气候和水文过程[11], 开展长江源区水文气象要素变化与大尺度环流因子的相互关系研究, 可为流域适应气候变化政策制定提供决策依据。

图1 长江源区示意图Fig. 1 Sketch map of the source region of the Yangtze River

2 资料和方法
2.1 数据

长江源区自然条件差, 气象和水文观测站点稀疏, 本研究采用长江源区出口断面直门达的流量数据及长江源区5个国家级气象站点(沱沱河、五道梁、曲麻莱、清水河和玉树)的气象数据。直门达水文站的流量数据由青海省水文局提供; 气象数据通过中国气象科学数据共享服务网获取, 蒸散发量通过彭曼公式计算获得。长江源区平均降水量和蒸散发量采用泰森多边形方法计算获取。气象和流量数据的时间跨度为1957— 2012年。研究中采用的大气环流因子指标包括:南方涛动指数(Southern Oscillation Index, SOI)、东亚季风指数(East Asia Monsoon, EAM)和南亚季风指数(South Asia Monsoon, SAM)。SOI是定量描述ENSO系统强度的重要指标[12]; 东亚季风和南亚季风是亚洲季风的两个重要组成部分, 两种不同性质季风的移动和变化会影响中国区域的天气和气候[10]。其中SOI从网站http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/soi上获取, EAM和SAM通过NCEP再分析数据计算获取[13, 14]。大气环流因子的时间跨度也为1957— 2012年。

2.2 研究方法

Mann-Kendall方法被广泛应用于对水文气象数据的变化趋势分析, 本研究采用Mann-Kendall方法来分析长江源区的水文气象及大尺度环流因子指数的变化趋势[15]。去趋势波动分析法(DFA)能够消除局部趋势, 避免时间序列的短程相关, 能够有效揭示非平稳时间序列中的长程幂律相关, 被广泛应用于时间序列的变化趋势预测[16]。本研究也利用DFA方法分析长江源区水文气象要素时间序列的演变趋势。采用小波分析方法来分析长江源区水文气象要素变化的周期性。通过相关分析方法分析水文气象要素与大尺度环流因子的相互关系, 进一步通过分析长江源区水汽通量揭示大尺度环流因子对水文气象要素变化的驱动机制[17]

3 结果与讨论
3.1 水文气象要素变化特征

3.1.1 变化趋势分析

长江源区1957— 2012年的年和季节尺度的降水量变化趋势分析结果如图2所示。在年和季节尺度上, 长江源区平均降水量全都呈现增加趋势, 但在95%置信水平上统计不显著。气候变暖影响下, 青藏高原江河源区的季风和水汽输送受到影响, 使青藏高原江河源区的降水量增多[18, 19]

图2 长江源区1957— 2012年降水量变化趋势
注:虚线代表95%的置信水平统计值。下同。
Fig. 2 Results of precipitation trend test during 1957-2012 in the source region of the Yangtze River

年代际尺度的长江源区降水量变化如表1所示, 春季和冬季降水量持续增加, 夏季和秋季降水量在进入20世纪90年代后出现减少趋势, 90年代青藏高原江河源区大部分地区降水量呈减少趋势, 长江源区减少最显著[20]。进入21世纪, 长江源区的降水量都有明显的上升趋势。

表1 长江源区降水量年代际变化 Table 1 Decadal changes of precipitation in the source region of the Yangtze River (mm)

长江源区年和季节尺度的蒸散发量变化趋势如图3所示。在年和季节尺度上, 长江源区蒸散发量全都呈现增加趋势, 除春季外, 其他季节和年尺度的蒸散发量变化趋势在95%置信水平上统计显著。

图3 长江源区1957— 2012年蒸散发量变化趋势Fig. 3 Results of ET0 trend test during 1957-2012 in the source region of the Yangtze River

长江源区蒸散发量20世纪70年代相对较高(表2)。进入90年代以后, 春季、秋季、冬季和年蒸散发量都呈现出微弱的增加趋势, 气温的升高是导致源区蒸散量增加的主要原因[5]

表2 长江源区蒸散发量年代际变化 Table 2 Decadal changes of ET0 in the source region of the Yangtze River (mm)

在年和季节尺度上, 长江源区径流量全都呈现增加趋势, 冬季和春季径流量变化趋势在95%置信水平上统计显著(图4)。降水量是影响长江源区径流量的关键要素, 对年径流量的相对贡献率约占63%[7], 降水量的增加是长江源区径流量呈现增加变化趋势的主要原因之一。此外, 冰川融水的补给比率约占长江源区干流平均径流量的25%以上, 长江源区冬季气温显著上升, 使冰川活动层升温时间推迟, 延长了冰川的消融期, 导致冰川表面消融增加, 冰雪融水导致冬季和春季河流水量呈明显增加态势[21]

图4 直门达站1957— 2012年流量变化趋势Fig. 4 Results of streamflow trend test during 1957-2012 at the Zhimenda hydrological station

流量和降水量在年代际尺度上变化趋势具有协同性(表3), 进入20世纪90年代, 可能受到同期青藏高原江河源区降水量下降的影响, 长江源区流量也呈现下降趋势, 进入一个相对较强的枯水期。进入21世纪, 长江源区的流量有明显的上升趋势。

表3 直门达站流量年代际变化 Table 3 Decadal changes of streamflow at the Zhimenda hydrological station (m3/s)

3.1.2 波动特征分析

长江源区降水量的累计距平和DFA波动函数的线性拟合如图5所示, 年、春季、夏季和冬季降水量序列具有正长程相关性, 这4个时间段的降水量将增加。秋季降水量序列具有反长程相关性, 未来长江源区秋季降水量将会呈现下降变化趋势。年降水量的波动分析结果与全球气候模式(Global Climate Model, GCM)对年降水量的预测结果一致, 未来长江源区降水量将会有一定程度的增加[22]

图5 长江源区降水量的累计距平 (a) 和DFA波动函数的线性拟合 (b)Fig. 5 Cumulative anomalous (a) and linear fit of DFA fluctuation (b) of precipitation in the source region of the Yangtze River

年和季节尺度的蒸散发量序列具有正长程相关性(图6), 未来长江源区蒸散发量将会呈现增加的变化趋势, 冬季蒸散发量的DFA标度指数值最大, 冬季蒸散发量将会显著增加。

图6 长江源区蒸散发量的累计距平 (a) 和DFA波动函数的线性拟合 (b)Fig. 6 Cumulative anomalous (a) and linear fit of DFA fluctuation (b) of ET0 in the source region of the Yangtze River

长江源区年和季节尺度流量序列具有正长程相关性, 夏季流量序列长程相关性最强(图7), 长江源区未来流量, 尤其是未来夏季流量仍会呈现增加变化趋势。基于预测模型和气候情景的分析结果, 也认为长江源区径流量尤其是在汛期(夏季)的流量将呈增加趋势[22, 23]

图7 长江源区流量的累计距平 (a) 和DFA波动函数的线性拟合 (b)Fig. 7 Cumulative anomalous (a) and linear fit of DFA fluctuation (b) of streamflow in the source region of the Yangtze River

3.1.3 周期变化分析

长江源区水文气象要素的小波变化系数等值线图如图8所示。长江源区年降水量存在着2~5、10~20和25~45 a三种时间尺度的周期变化规律, 年蒸散发量存在着10~20和25~45 a两种时间尺度的周期变化规律, 年流量存在着5~9、10~24和25~45 a三种时间尺度的周期变化规律。青藏高原的江河源区河流流量基本都具有2~4、5~9和10~40 a的周期变化特征[7, 24]

图8 长江源区水文气象要素小波变换系数实部等值线图Fig. 8 Contour maps of the real part of wavelet transform coefficients of hydrometeorological elements in the source region of the Yangtze River

3.2 大尺度环流因子和水文气象要素的关系分析

3.2.1 大尺度环流因子和水文气象要素关系

长江源区月尺度的降水量和大尺度环流因子的相关关系如图9所示。SOI与降水量呈现正相关, 相关系数接近0, 相关性较弱; EAM和SAM与降水量正相关, 相关系数分别为0.35和0.82, SAM与长江源区降水量相关性较强, SAM是影响长江源区降水量较为重要的大气环流因子[18, 25]

图9 大尺度环流因子和长江源区降水量的线性关系Fig. 9 Linear relationships between large-scale atmospheric circulation factors and precipitation in the source region of the Yangtze River

SOI与长江源区蒸散发量相关性较弱, 相关系数接近0; EAM与蒸散发量正相关, 相关系数为0.60; SAM与蒸散发量也呈现正相关, 相关系数0.59, 两种季风系统对蒸散发量都会产生较大的影响(图10)。气温和相对湿度降低是长江源区潜在蒸散变化的主要原因[26], 两种季风系统可能通过对气温和相对湿度产生作用, 从而影响长江源区蒸散发量变化过程。

图10 大尺度环流因子和长江源区蒸散发量的线性关系Fig. 10 Linear relationships between large-scale atmospheric factors indices and ET0 in the source region of the Yangtze River

流量与大尺度环流因子的相互关系如图11所示, SOI和东亚季风与流量的相关系数分别为0和0.14, 南亚季风与流量的相关性较好, 相关系数为0.68, 南亚季风是影响长江源区流量的关键因子。

图11 大尺度环流因子和长江源区流量的相关性Fig. 11 Linear relationships between large-scale atmospheric circulation factors and streamflow in the source region of the Yangtze River

采用多元线性回归分析两种季风指数对水文气象要素变化的影响, 判断其对水文气象要素变化相对贡献率大小[27]。两种季风指数对水文气象要素的标准化回归系数和相对贡献率如表4所示。SAM对降水量和流量变化的相对贡献率较大, 分别达到了78.0%和83.6%。EAM对蒸散发量变化的相对贡献率为60.0%, 大于SAM的相对贡献率(40.0%)。

表4 长江源区东亚和南亚季风指数对水文气象要素变化的贡献率 Table 4 Contribution rates of the EAM and SAM to the hydrometeorological elements in the source region of the Yangtze River

进一步分析东亚和南亚季风指数年代际的变化趋势(表5), 两种季风指数年代际的变化规律相似, 20世纪80年代前, 东亚和南亚季风指数呈现微弱的衰减趋势, 90年代后, 两种季风指数开始不断增强。由于东亚和南亚两种季风与长江源区降水量和蒸散发量的正相关关系(图9、图10), 90年代后, 长江源区的降水量和蒸散发量会随着两种季风的增强而增加, 逐渐呈现出暖湿化的变化趋势, 进一步印证了长江源区水文气象要素年代际的分析结果(表1表2)。如果两种季风系统的强度继续按此趋势发展, 未来长江源区可能还会处于暖湿化气候条件。

表5 东亚和南亚季风指数的年代际变化 Table 5 Decadal changes of EAM indices and SAM indices

3.2.2 大尺度环流因子对水文气象要素变化的驱动机制

水汽输送是水循环过程的重要环节, 也是影响当地水文气象要素变化的重要原因。大气中水汽的输送和集聚是形成降水的重要条件, 海洋表面的水在太阳辐射作用下, 蒸发上升, 通过气流的作用被输送到陆地上空, 在一定的条件下以降水的形式降落至地面形成径流。水汽输送主要集中于对流层的下半部, 其中最大输送量出现在近地面层850 hPa左右的高度[28], 因此, 通过研究长江源区850 hPa水汽通量输送变化能够更好地揭示区域水文气象要素变化的驱动机制。

图12给出了长江源区流量极值发生年份的850 hPa水汽通量分布。从图中可以看出, 研究时段长江源区流量最小值发生年份(1979年)与最大值发生年份(2009年)的水汽输送分布比较相似。风场的矢量箭头为明显的偏西南方向的大气输送流场, 表明来自南边界的西南气流是主导气流方向和水汽来源。西南气流是在南亚季风的驱动下从孟加拉湾沿澜沧江、金沙江河谷进入长江源区[29], 在合适条件下会形成降水和径流。因此, 南亚季风对长江源区水文循环过程的影响较大, 长江源区的丰(枯)水年, 南亚季风相对较强(弱), 西南风向的水汽输送较强(弱), 长江源区有较强的水汽来源, 降水和流量相对偏多(少)。

图12 长江源区流量最小值发生年份 (a) 和最大值发生年份 (b) 的850 hPa水汽输送通量分布Fig. 12 Distributions of water vapor flux on 850 hPa in the driest year (a) and the wettest year (b) in the source region of the Yangtze River

4 结论

本文从变化趋势、波动性和周期性角度分析了长江源区1957— 2012年水文气象要素多时间尺度变化规律, 进一步揭示了水文气象要素与大尺度气候循环因子的相互关系, 研究结论如下:

1)长江源区20世纪90年代气候暖干化, 进入21世纪后, 蒸散发显著上升, 降水量增加明显, 长江源区气候暖湿化趋势明显。

2)长江源区水文气象要素序列具有正长程相关性, 降水量、蒸散发量和流量会呈现增加的变化趋势, 长江源区未来气候会继续呈现暖湿化变化趋势。

3)长江源区水文气象要素都存在1~5、10~24和25~45 a三种尺度周期变化规律。

4)南亚季风的强弱变化是影响长江源区水文气象变化的主要因素, 主要是由于南亚季风驱动下的西南方向气流是长江源区主导气流方向和水汽来源。

本研究可以为变化环境下的长江源区水资源保护和管理提供宏观决策依据, 为增强应对气候变化的适应能力提供理论基础。长江源区集高寒、冰川、冻土和积雪等特征为一体, 水文循环过程具有特殊性, 未来需要深入研究大尺度环流因子对冰川、湖泊、沼泽和冻土变化过程的影响。

The authors have declared that no competing interests exist.

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