1960—2005年長江上游水文循環(huán)變化特征

劉 波,翟建青,高 超,姜 彤

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098;2.中國氣象局國家氣候中心,北京 100081;3.安徽師范大學國土資源與旅游學院,安徽蕪湖 241000)

相對于地表水循環(huán)過程,水文循環(huán)的大氣過程具有更大的空間尺度,對于流域水分循環(huán)起著至關重要的作用.長江上游由源頭至湖北宜昌,長約4500 km,約占長江總長度的70%,集水面積占流域總面積的58.9%,河川徑流量占全流域的48%[1].近幾年,受到氣候變化的影響,長江上游的洪澇、干旱[2-3]等極端氣候事件呈增加態(tài)勢.而隨著三峽工程的建設、南水北調工程的開工和長江上游流域經濟的進一步發(fā)展,人們更加迫切需要全面了解整個長江上游的水循環(huán)規(guī)律及其長期變化特征[4-5].

關于長江流域水分收支與水分循環(huán)年際變化的研究,主要分析流域旱澇與其水汽通道和水汽源匯之間的關系[6-7],并且關于長江流域水汽輸送的研究大多集中于長江中下游地區(qū)[8-9],對長江上游的相關研究較為有限.而長江上游由于受多重氣候的影響,旱澇災害經常發(fā)生,且對周圍地區(qū)的水分收支有重要影響.陶詩言等[10]指出,高原對水汽通量的分布及其季節(jié)變率有很大影響.由于青藏高原獨特的地形作用,夏季風從印度洋及南海洋面攜帶大量水汽經過長江上游地區(qū),對該地區(qū)水文循環(huán)過程產生影響,同時間接影響我國其他地區(qū)的水汽循環(huán)特征.研究[11]表明,美國國家環(huán)境預報中心/美國國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)再分析資料(簡稱NRA)的水分循環(huán)可以合理反映長江流域水分循環(huán)的季節(jié)、年際變化以及部分年代際氣候變化特征.本文利用NRA資料分析長江上游流域各邊界水汽輸送以及水循環(huán)要素的變化特征.

1 數據與方法

本文所使用的大氣水汽數據為NRA資料中1960—2005年的2.5°×2.5°空間分辨率下1次/6h網格資料,包括8層等壓面(至300hPa)的水平風速和濕度、地面的水平風速和濕度以及地面氣壓資料.分別計算了垂直積分(考慮地形)的整層大氣水汽含量和整層水汽輸送量.降水量等氣象資料來自國家氣象局整編的47個國家標準氣象站1960—2005年逐月觀測成果;蒸散發(fā)量采用平流-干旱模型,根據上述氣象資料計算求得;長江上游干流徑流分析選用控制站宜昌的月徑流數據[1,5].

對時間序列低頻振蕩特征的分析采用Tome等[12]提出的非線性趨勢分析NLTF(non-linear trend forecast)方法.此外,通過對水文循環(huán)參數變化特征的分析,建立長江上游總的水文循環(huán)概念模型.本文水文循環(huán)參數的計算,采用劉國緯[13]提出的一系列參數及相應公式:外來水汽形成的降水量

當地蒸發(fā)形成的降水量

式中:P——區(qū)域降水量的面平均值;E——區(qū)域蒸發(fā)量的面平均值;I——水汽總輸入量的面平均值.

水文內循環(huán)系數KE表示當地蒸發(fā)的水汽 E與其在區(qū)域內經過多次水分再循環(huán)過程所形成的降水量PE的比值,反映了當地蒸發(fā)對區(qū)域內水文循環(huán)的作用.

水文循環(huán)系數

分析過程中采用的系數1-K,反映了當地蒸發(fā)形成的降水PE對區(qū)域內總降水量的貢獻.

2 結果分析

2.1 大氣水文循環(huán)要素變化

通過對長江上游地區(qū)各方向邊界月平均水汽通量變化過程(圖1)的NLTF分析,可見水汽輸送總體均呈減小趨勢,且20世紀70年代前減小速率較大.東邊界(圖1(a))平均水汽通量為92100t/s,總體減小趨勢顯著,1974年前呈現(xiàn)迅速減小過程,水汽通量由1974年前的平均104200t/s減小到其后的86200t/s,平均線性傾向率高達-2510t?s-1/a.西邊界平均水汽通量為63800 t/s,波動過程與東邊界較為一致,但1974年后呈緩慢上升趨勢.南、北邊界的平均水汽通量分別為58200t/s和5500t/s,其中北邊界1977年后水汽通量均值由11900t/s減小到1300t/s,水汽輸出量顯著減小,部分年份該邊界轉化為水汽輸入邊界.

各邊界中,南邊界為水汽主要輸入邊界,其中夏季輸入量最大,但南邊界水汽通量減小的趨勢也非常顯著,平均線性傾向率達到-1890t?s-1/a,且南邊界水汽通量減小的速率在各個季節(jié)中均為最快.各季節(jié)中東邊界均為水汽主要輸出邊界,其中春季水汽通量最大,為109900 t/s,夏季水汽通量最小,而夏季通量減小的趨勢最為顯著;北邊界的水汽通量為各邊界中最小,春季與冬季北邊界通量轉為負值,即北邊界由水汽輸出轉化為水汽輸入邊界,其中冬季水汽輸入量呈微弱增加趨勢.從季節(jié)上看,夏季各邊界水汽通量減小的幅度均為最大,而冬季各邊界水汽通量減小最為緩慢.

圖1 長江上游各邊界水汽通量變化過程Fig.1 Variation of water vapor flux at four boundaries of upper reaches of Yangtze River

總的來看,長江上游地區(qū)水汽凈收支為正,是水汽匯區(qū).上游地區(qū)緯向為水汽輸出向,緯向平均水汽輸出量為27650t/s,經向平均水汽輸入量為51440t/s,凈水汽輸入為23790t/s.經向、緯向、凈水汽收支年際變化過程如圖2所示,整個上游地區(qū)緯向水汽通量減小趨勢顯著,平均線性傾向率為551t?s-1/a,其中,20世紀70年代前減小趨勢非常顯著,平均減小速率達到4643t?s-1/a.總的來看,長江上游地區(qū)水汽收支變化趨勢不顯著,水汽輸入總體呈微弱減小趨勢,線性傾向率為123t?s-1/a.

2.2 水文循環(huán)概念模型的建立

根據上述分析,整個長江上游區(qū)年平均水汽總輸入量為122550t/s,折合水量2555.29mm.929.36mm的總降水量中水汽來自外來水源的為847.23mm,占總降水量的91%;當地蒸散發(fā)形成的降水量為84.99mm,占總降水量的9%.水文內循環(huán)系數KE為0.17,表明當地蒸散發(fā)的水汽對區(qū)域內水文循環(huán)的貢獻率為0.17.根據上述分析,建立了長江上游地區(qū)水文循環(huán)概念模型,如圖3所示.圖中:I為水汽總輸入量;O為水汽總輸出量;R為流域出口徑流量;OE為當地蒸發(fā)形成的水汽輸出量.

圖2 長江上游經向、緯向水汽通量及凈收支Fig.2 Water vapor flux in longitudinal and latitudinal directions and net water vapor budget in upper reaches of Yangtze River

圖3 長江上游地區(qū)水文循環(huán)概念模型Fig.3 Conceptual model of water cycle of upper reaches of Yangtze River

在空間上,長江源頭區(qū)年水汽輸入總量為8650t/s,折合水量1202.34mm.該區(qū)域377.62mm的年降水量中有334.96mm的水量來自外界水汽輸送.當地蒸散發(fā)形成的降水量為42.41mm,占總降水量的11%.當地蒸散發(fā)量對區(qū)域水循環(huán)的貢獻為0.14.橫斷山區(qū)年水汽輸入總量為76460t/s,折合水量3985.44mm.該區(qū)域年降水量822.21mm,其中當地蒸散發(fā)形成的降水量為42.76mm.該地區(qū)蒸散發(fā)量對區(qū)域水循環(huán)的貢獻顯著小于源頭區(qū),水文內循環(huán)系數為0.10.四川盆地區(qū)年水汽輸入總量為100210 t/s,折合水量4642.90mm.該區(qū)域年降水量1061.36mm,其中當地蒸散發(fā)形成的降水量為62.75mm.該地區(qū)蒸散發(fā)量對區(qū)域水循環(huán)的貢獻相對較小,水文內循環(huán)系數KE為0.06.

2.3 水文循環(huán)參數變化特征

水文內循環(huán)系數KE表示當地蒸發(fā)的水汽 E與其在區(qū)域內經過多次水分再循環(huán)過程所形成的降水量PE的比值,反映了當地蒸發(fā)對區(qū)域內水文循環(huán)的作用,是代表陸面與大氣水循環(huán)聯(lián)系的重要參數之一,因此,圍繞水文內循環(huán)系數KE,以長江上游及其各子區(qū)域為對象,對KE的時間變化特征進行了分析.

分析結果(圖4)表明,長江上游水文內循環(huán)參數總體呈增加趨勢,1977年前,上游內循環(huán)參數快速增加,其后增加幅度減緩.各區(qū)域的增加過程有所不同:長江源頭區(qū)水文內循環(huán)系數增加的平均速率為0.00129/a,1981年前增速較快,線性傾向率為0.00221/a,其后略有放緩;橫斷山區(qū)KE增加幅度相對較小,平均速率為0.00050/a,變化過程總體存在2個階段,1988年前KE變化緩慢,平均值為9.4%,其后增加幅度有所加快,尤其20世紀90年代后,K E快速增加,1998年后平均值增加到11.3%.四川盆地水文內循環(huán)參數的變化過程明顯地分為2個階段,1977年前,KE快速增加,平均增速達到0.00257/a,隨后變化趨勢有所放緩,但增加特征仍然非常顯著,KE的平均值由20世紀60年代的0.0877增長到20世紀90年代的0.1279.對于整個長江上游,由于四川盆地的面積最大,且水分循環(huán)特征最活躍,因此上游的水循環(huán)參數變化特征與四川盆地較為一致.

根據前文分析可知,長江上游西邊界與南邊界水汽輸入量均呈減小趨勢,總的水汽收支也具有一定的減小特征,而降水量自2000年后減小特征非常顯著,蒸散發(fā)量也具有緩慢波動減小的趨勢.盡管當地蒸散發(fā)量形成的降水在區(qū)域總降水量中的貢獻尚不足10%,但隨著水循環(huán)過程的一系列變化,長江上游以及各子區(qū)域中蒸散發(fā)量對當地水文循環(huán)的作用正逐年增加.

圖4 長江上游內循環(huán)系數的演變特征Fig.4 Variation of internal cycle parameters for upper reaches of Yangtze River

3 結 論

a.長江上游地區(qū)水汽凈收支為正,是水汽匯區(qū),凈水汽收支為23790 t/s,緯向平均水汽輸出量為27 650t/s,經向平均水汽輸入量為51440 t/s.整個上游地區(qū)緯向水汽通量減小趨勢顯著,至20世紀90年代中期后,部分年份緯向凈水汽收支由輸出轉化為輸入,經向水汽通量亦存在減小趨勢.總的來看,長江上游地區(qū)水汽收支變化趨勢不顯著,水汽輸入總體呈微弱減小趨勢.

b.長江上游西邊界與南邊界水汽輸入量均呈減小趨勢,總的水汽收支也具有一定的減小特征,而降水量自2000年后減小特征非常顯著,蒸散發(fā)量也具有緩慢波動減小的趨勢.盡管當地蒸散發(fā)量形成的降水在區(qū)域總降水量中的貢獻尚不足10%,但隨著水循環(huán)過程的一系列變化,長江上游以及各子區(qū)域中蒸散發(fā)量對當地水文循環(huán)的作用正逐年增加.

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