岷江流域徑流演變及其對氣候變化的響應(yīng)

杜華明

（宜賓學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，四川宜賓644007）

岷江流域徑流演變及其對氣候變化的響應(yīng)

杜華明

（宜賓學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，四川宜賓644007）

基于岷江流域近52年（1961-2012）的徑流與氣象數(shù)據(jù)，采用線性回歸、非參數(shù)檢驗(yàn)(Mann-Kendall法)、Morlet小波變換、Pearson相關(guān)分析等方法，對岷江流域徑流、氣溫、降水等主要水文氣象要素進(jìn)行分析.結(jié)果顯示：（1）近52年來岷江流域年平均氣溫總體呈明顯增長趨勢，年均降水量呈顯著下降趨勢，年均氣溫以0.15℃/10 a的速率增加，年均降水量以20.18mm/10 a的速率減少，區(qū)域氣候的暖干化趨勢明顯.（2）岷江流域多年徑流量呈顯著減少趨勢，減少速率為20.38×108m3/10 a，流域徑流量在1968年左右出現(xiàn)減少突變，20世紀(jì)70年代早期開始徑流量增加，1993年左右又發(fā)生一次減少突變，徑流顯著減少.（3）通過對年徑流量序列進(jìn)行Morlet小波轉(zhuǎn)換分析發(fā)現(xiàn)，岷江流域徑流量主要存在6～9 a的年際周期、17 a和28 a的年代際周期，徑流量總體特征是向干枯化趨勢發(fā)展.（4）通過年徑流量與氣象因素的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域降水量是影響岷江流域徑流減少的主導(dǎo)因子，在該流域降水量減小的背景下，氣溫升高進(jìn)一步加劇了流域徑流量的減??；流域徑流對暖干氣候的響應(yīng)表現(xiàn)為徑流量減少.

岷江流域；徑流；氣候變化；Mann-Kendall法；Morlet小波；Pearson相關(guān)系數(shù)

氣候變化可改變區(qū)域乃至全球的水文循環(huán)[1]，對地表徑流產(chǎn)生影響[2]，已有不少學(xué)者對氣候變化下的河川徑流響應(yīng)做了大量研究.Chen等[3]分析了氣候變化及其對塔里木河徑流變化的影響；許炯心等[4]探討了嘉陵江流域年徑流量的變化及其原因；顧潤源等[5]通過對呼倫湖流域氣候變化特征及其對流域徑流量的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)夏、秋季氣溫、降水量和蒸發(fā)量的變化是引起呼倫湖流域徑流量變化的根本原因；郭清等[6]利用區(qū)域氣候模型PRECISRCM分析未來氣候變化對大凌河流域徑流的影響表明，未來氣候變化條件下，受降水、蒸發(fā)變化影響，大凌河流域徑流量會顯著增加；張一馳等[7]就開都河徑流變化對氣候的響應(yīng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，夏季年際降雨與氣溫變化是引起夏、秋、冬季徑流變化的根本原因；唐麗霞等[8]以黃河流域中游山西省吉縣境內(nèi)的清水河流域?yàn)檠芯繉ο?，分析了土地利用變化和氣候變化對流域徑流變化的影響，指出潛在蒸發(fā)散增加和喬木林地面積增加是導(dǎo)致該流域徑流減少的重要原因.

岷江發(fā)源于岷山南麓，流經(jīng)阿壩、成都、眉山、樂山，到宜賓匯入長江.岷江流域地勢由西部高中山區(qū)逐級降低至東部平原丘陵區(qū)，海拔高差大.岷江流域是長江流域重要的一級支流，流域徑流主要由降水形成，少部分來自高原融雪.岷江流域水量豐富，年均徑流量900多億立方米，水力資源蘊(yùn)藏量占長江水系的1/5，是長江流域的水源生命線，是“天府之國”的搖籃和生命的源泉[9]，是成都平原重要的生態(tài)屏障.岷江流域是四川省農(nóng)業(yè)開發(fā)最為集中的地區(qū)，其農(nóng)業(yè)在四川省的國民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的戰(zhàn)略地位[10]，已有學(xué)者對岷江流域水沙變化特征[11]、地表水水質(zhì)[12]、水資源安全[13]、降雨侵蝕[14]等作了深入探討.在全球氣候變化背景下開展岷江流域地表徑流對氣候變化的響應(yīng)研究，對確保岷江流域的水資源安全，促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

氣候分析所采用的氣象數(shù)據(jù)資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)共享網(wǎng)，由于各站點(diǎn)的觀測時間不一致，資料的連續(xù)性也存在差異，通過對岷江流域各氣象站點(diǎn)的資料進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，選取記錄年限長，資料完整的14個氣象站點(diǎn)（即色達(dá)、班瑪、松潘、馬爾康、小金、都江堰、成都、康定、雅安、峨眉山、樂山、越西、宜賓和內(nèi)江）；對1961-2012年的逐年、逐月平均氣溫、降水量資料進(jìn)行氣候分析（圖1）；在徑流資料的選取上，考慮到水文站的地理位置與資料的連續(xù)性，選用處于岷江出口處的高場水文站1961-2012年的逐年地表徑流量資料，分析岷江流域徑流的時間變化特征，水文資料由長江水利委員會提供.采用線性回歸對岷江流域氣候、徑流的時間演變特征進(jìn)行分析，運(yùn)用M-K突變檢驗(yàn)對徑流突變年份進(jìn)行檢測，采用Morlet小波分析徑流周期變化特征，運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析對流域徑流變化與區(qū)域氣候變化的關(guān)系進(jìn)行分析.

圖1 岷江流域水文及氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution ofmeteorologicaland hydrology stations in Minjiang riverbasin

2 岷江流域氣候變化背景

2.1 岷江流域氣溫變化特征

岷江流域多年平均氣溫為11.03℃，年平均最高氣溫出現(xiàn)在2006年，為11.98℃，年平均最低氣溫出現(xiàn)在1976年，為10.31℃，相差1.67℃.圖2為岷江流域1961-2012年年均氣溫變化曲線.

圖2 岷江流域年平均氣溫變化趨勢圖Fig.2 The trend figure ofannualaverage temperature variation in Minjiang riverbasin

從圖2可知，岷江流域近52年來年均氣溫呈顯著上升趨勢，增長率為0.15℃/10a（p＜0.01），升溫速率明顯低于全國增溫水平（0.25℃/10a）[15].從岷江流域年代平均氣溫可看出，20世紀(jì)60-80年代平均氣溫均低于多年平均值，20世紀(jì)60年代和70年代氣溫小幅波動，80年代氣溫下降幅度大，年代氣溫最低，這與陳隆勛提出的20世紀(jì)以來存在一個以四川盆地為中心的變冷帶一致[16]；90年代中期開始?xì)鉁厣仙厔菔诛@著，1990年以來的氣溫增溫幅度是近52年均值的1.76倍，90年代氣溫略高于多年平均值，2001-2010年年代氣溫最高，比60年代高0.73℃,比80年代高0.75℃，是近52年來最溫暖的時期.

近52年來，岷江流域四季平均氣溫均呈上升趨勢，但增溫幅度有所不同.秋季和冬季氣溫增溫非常顯著，氣溫變化傾向率分別為0.19℃/10a和0.21℃/10a；其次為夏季，氣溫變化傾向率為0.12℃/ 10a，升溫較顯著；春季氣溫變化傾向率為0.09℃/ 10a，呈弱增溫趨勢.通過對四季平均氣溫的趨勢系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，夏、秋、冬季氣候趨勢系數(shù)均通過a=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，表明夏、秋、冬季岷江流域氣候的增溫趨勢顯著，而春季氣溫趨勢系數(shù)未通過顯著性檢驗(yàn)，說明春季氣溫變化不明顯，由此可知，岷江流域近52年的增溫主要是以夏、秋、冬季的顯著增溫為特點(diǎn)，春季增溫相對比較緩慢.

2.2 岷江流域降水量變化特征

岷江流域近52年來的年均降水量為1 012.25 mm，從降水量的年際變化看，降水量最多的年份是1961年（1 198.94mm），降水量最少的年份是2006年（853.72mm），兩者相差345.22mm，降水量年際變化較大.在季節(jié)分配上，夏半年（5-10月）多年平均降水量達(dá)862.54mm，占全年降水量的85.21%，盛夏(7-8月)降水量高達(dá)402.15 mm，占全年降水量的39.73%，而12月、1月兩個月降水量只有19.11mm，占全年降水量的1.89%，年內(nèi)降水量分布極不均勻.從圖3可以看出，岷江流域年降水量以20.18mm/ 10a(p＜0.01)的速率減少，減少速率稍低于四川盆地降水量減少速率（31.6mm/10a）[17].從年代降水量分析可以看出，20世紀(jì)60年代至80年代降水量高于多年平均值，尤其是60年代和80年代降水量豐沛，為明顯的多雨期；從90年代開始降水量持續(xù)減少，2000年以來為近52年降水量最少的時段.

圖3 岷江流域年均降水量變化趨勢圖Fig.3 The trend figure ofannualaverage precipitation variation in Minjiang riverbasin

岷江流域夏季降水量占全年降水量的54.8%，其次是秋季，降水量占全年降水量的22.45%，春季降水量占全年降水量的19.4%，冬季降水量最少，僅占全年降水量的3.35%，由此可見，岷江流域四季降水量分配嚴(yán)重不均.從岷江流域四季降水量變化傾向率分析得出，岷江流域夏、秋季降水量的減少對岷江流域年降水量的減少影響最大，減少傾向率分別為13.3 mm/10a(r=-0.28,p＜0.05)和10.19 mm/10a (r=-0.37，p＜0.01)，降水量呈顯著減少趨勢；春、冬季節(jié)的降水量變化不顯著，降水量增加或減少的顯著性水平均未通過a=0.05的顯著性檢驗(yàn)，降水量變化較小，春季降水量呈弱增加趨勢，增加傾向率為3.25mm/10a，冬季降水量呈微弱減少趨勢，減少傾向率為0.3mm/10a.

3 岷江流域年徑流對氣候變化的響應(yīng)

3.1 岷江流域徑流年際、年代際變化特征

近52年來，岷江流域徑流量總體呈顯著下降趨勢，減幅達(dá)20.38×108m3/10 a(r=-0.32，p＜0.05).圖4是岷江流域高場站徑流年際、年代際變化趨勢圖.從圖中可以看出，岷江流域年徑流量變化范圍大，年最高徑流量出現(xiàn)在1990年（1 005×108m3），年最低徑流量出現(xiàn)在2006年（635.2×108m3），最高年徑流量是最低年徑流量的1.58倍，徑流量年際變化很大，年相對變率高達(dá)19.58%.1961-1968年徑流量較高，1969-1973年徑流量急劇減少，1974-2001年徑流量處于波動下降階段，2002年開始徑流量呈明顯的下降趨勢.從徑流量的年代際變化看，20世紀(jì)60年代和80年代的年代平均徑流量明顯高于多年平均值，為豐水期，徑流量豐富，60年代和80年代徑流量分別偏多5.72%和5.21%；70年代和90年代徑流量稍低于多年平均值，徑流量偏少，70年代和90年代徑流量分別偏少1.19%和1.93%；2000年以來徑流量顯著低于多年平均值，2001-2010年和2011-2012年兩個時段減幅分別為-7.12%和-3.48%，為近52年來徑流量最低的階段，是近52年最枯水的12年，且年徑流量存在顯著的持續(xù)下降趨勢.

圖4 岷江流域高場站徑流年際變化趨勢圖Fig.4 Annualsurface runoffofGaochang station in Minjiang riverbasin

3.2 岷江流域年徑流變化M-K突變檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析岷江流域徑流量變化趨勢，對近52年來岷江流域高場站年徑流量進(jìn)行Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析，結(jié)果如圖5所示.在顯著性水平0.01的臨界線之間，UF和UB兩條曲線相交于1968年、1973年和1993年，說明岷江流域在1968年、1973年和1993年附近年徑流量可能發(fā)生突變.1968年和1993年是徑流量由多向少的轉(zhuǎn)變，1973年是徑流量由少向多的轉(zhuǎn)變，其中變化最明顯的是1993年前后發(fā)生的年徑流量由多向少的轉(zhuǎn)變，該轉(zhuǎn)變通過了0.01的置信度檢驗(yàn)，1997年左右UF曲線超過顯著性水平0.01臨界線，說明岷江流域徑流量變化趨勢顯著，年徑流量總體呈減少趨勢，這與前面年徑流量線性趨勢分析結(jié)果一致.

圖5 岷江流域高場站年徑流量的M-K突變檢驗(yàn)Fig.5 Mann-Kendall testcurveof theannualsurface runoff in Gaochang station

3.3 岷江流域年徑流變化的時間尺度特征

圖6為岷江流域年徑流量的Morlet復(fù)小波變換系數(shù)的實(shí)部圖.從圖中可以看出，岷江流域年徑流量的年代際周期變化十分明顯.岷江流域年徑流量主要存在6～9 a的年際周期、17 a和28 a的年代際周期.在短時間尺度上，年徑流量振蕩周期不明顯，20世紀(jì)60年代至70年代中期主要存在6年左右的變化周期，徑流量豐枯程度明顯，60年代早中期徑流量偏豐，60年代晚期到70年代早期徑流量偏枯；20世紀(jì)70年代后期至90年代末期主要存在9 a左右的變化周期，徑流量豐枯變化的周期延長，80年代徑流偏豐，90年代徑流偏枯；2000年以來周期變化規(guī)律差，徑流量向偏枯趨勢發(fā)展.在中時間尺度上，年徑流量主要存在17年的變化周期，20世紀(jì)80年代至90年代17年的周期振蕩信號明顯，2000年以來振蕩信號呈顯著減弱趨勢，徑流量出現(xiàn)明顯的枯水現(xiàn)象.在長時間尺度上，年徑流量存在準(zhǔn)28年的年代際變化振蕩周期，周期性規(guī)律強(qiáng)，存在枯—豐—枯三個完整的循環(huán)交替，年徑流量總的趨勢是向干枯化趨勢發(fā)展.

圖6 岷江流域高場站徑流量小波分析圖Fig.6 Wavelet transformation ofannualsurface runoff in Gaochang station ofMinjiang riverbasin

圖7 岷江流域年徑流量與年均氣溫的相關(guān)擬合Fig.7 The linear regression ofannualsurface runoffand annual average temperature in Minjiang riverbasin

3.4 岷江流域徑流與區(qū)域氣候的相關(guān)分析

為了更好地比較流域年徑流量與氣候變化的關(guān)系，探討徑流對氣候變化的響應(yīng)程度，用年徑流量與年均氣溫、降水量要素進(jìn)行Pearson相關(guān)分析.

由圖7可知，該區(qū)域年徑流量與年均氣溫存在顯著的反相位相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.42(p＜0.01)，氣溫升高，徑流量減少；氣溫變化對地表徑流量減少具有一定影響.

從圖8可以看出，年徑流量與年均降水量存在高度正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.83(p＜0.01)，降水量減少，徑流量亦減少，這與流域年均降水量與年徑流量的分析結(jié)果一致，兩者總體都呈減少趨勢，降水量減少是岷江流域徑流減少的主要影響因素.

通過上述分析可知，岷江流域年徑流量與年均氣溫、年均降水量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.42和0.83，且均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，流域年徑流量與年均氣溫、年均降水量存在顯著相關(guān)關(guān)系，與陳玲飛等對其他小流域徑流對氣候變化的響應(yīng)分析一致，徑流與降水變化趨勢一致，與氣溫變化趨勢相反[18].由此表明，20世紀(jì)90年代以來岷江流域氣候變化是該流域徑流顯著減少的一個非常重要的因素；氣溫變化對地表徑流量減少具有一定影響，但降水量的減少是徑流量減少的主導(dǎo)因素；流域氣候暖干化導(dǎo)致了徑流量的顯著減少.

圖8 岷江流域年徑流量與年均降水量的相關(guān)擬合Fig.8 The linear regression ofannualsurface runoffand annual average precipitation in Minjiang riverbasin

4 結(jié)論與討論

通過對岷江流域近52年流域徑流對氣候變化的響應(yīng)分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）近52年來，岷江流域年平均氣溫總體呈顯著增長趨勢，年均溫以0.15℃/10a的速率增加，主要是以夏、秋、冬季的顯著增溫為特點(diǎn)，春季增溫相對比較緩慢；該流域降水量呈顯著減少趨勢，減少速率為20.18mm/10a，夏、秋季降水量減少對岷江流域年降水量的減少影響最大，冬季降水量呈微弱減少趨勢，春季降水量呈弱增加趨勢；流域氣候暖干化趨勢明顯.

（2）近52年來，岷江流域年徑流量呈顯著下降趨勢，徑流量減少速率為20.38×108m3/10a.通過對流域年徑流量的突變分析發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)60年代晚期發(fā)生了一次徑流量減少的突變；70年代早期發(fā)生徑流量增加的突變；90年代早期出現(xiàn)徑流量顯著減少的突變，徑流量減少現(xiàn)象明顯.年徑流量線性趨勢和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)同時證明了該流域年徑流量呈顯著減少趨勢；岷江流域年徑流對區(qū)域暖干氣候的響應(yīng)表現(xiàn)為徑流量減少.

（3）通過對岷江流域地表徑流量的周期分析發(fā)現(xiàn)，徑流量具有6～9 a、17 a和28 a的周期變化規(guī)律.在短時間尺度上，存在6～9 a的振蕩周期，周期變化規(guī)律不強(qiáng)；在中時間尺度上主要存在17年的變化周期；在長時間尺度上，年徑流量存在規(guī)律性很強(qiáng)的準(zhǔn)28年的振蕩周期，存在枯—豐—枯三個完整的循環(huán)交替；年徑流量總的趨勢是向干枯化趨勢發(fā)展.

（4）岷江流域年徑流量與氣溫、降水因素的相關(guān)性顯著，但關(guān)聯(lián)程度不同.年徑流量與年均降水量呈高度正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.832；年徑流量與年均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.42；岷江流域徑流對降水變化的響應(yīng)較對氣溫變化的響應(yīng)顯著，區(qū)域氣候暖干化導(dǎo)致了徑流量顯著減少.

（5）本文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了岷江流域徑流對氣候變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域氣溫升高，降水量減少，氣候暖干化趨勢明顯，氣候暖干化直接導(dǎo)致區(qū)域徑流量減少.岷江流域作為長江的重要支流，又是四川省重要的糧食產(chǎn)地，人口分布集中，該區(qū)域氣候與徑流量變化對區(qū)域資源-環(huán)境-社會的可持續(xù)發(fā)展作用顯著.在此情況下，認(rèn)識區(qū)域氣候變化特征與徑流響應(yīng)，對促進(jìn)該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)增長、人與社會的和諧相處具有一定的參考作用.此文分析過程中，僅考慮了氣溫與降水要素對該區(qū)域徑流變化的影響，除此之外，區(qū)域地理環(huán)境特征、大氣環(huán)流、人口分布、人類社會經(jīng)濟(jì)活動等對區(qū)域徑流變化也具有一定影響，有待進(jìn)一步探討.

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【編校：李青】

Runoff Variation in M injiang River Basin and its Response to Climate Change

DUHuaming
(CollegeofChemistry and Chemical Engineering，Yibin University，Yibin,Sichuan 644007,China)

Based on the runoff andmeteorological data ofMinjiang River Basin in recent 52 years(1961-2012),the runoff,temperature and precipitation statuswere analyzed by usingmethods of linear regression,Mann-Kendall non-parametric statistical tests,Morletwavelet and Pearson Correlation Coefficient.Results showed as follows:(1)Temperature presented an increasing trend over the last52 years in Minjiang River Basin,the temperature increase rate being 0.15°C/ 10a,precipitation presented a decreasing trend,the precipitation decrease rate being 20.18mm/10a,and climatic warmdrying trend wasapparent.(2)Runoff presented a significantdecreasing trend in recent52 years in Minjiang River basin, the runoffdecrease ratewas 20.38×108m3/10a,the runoffwitnessed reducemutation around 1968,and increased in early 70's,while around 1993 the runoff reducemutation occurred again,with the runoff decreasing significantly since 1990's. (3)The annual runoffwasanalyzed by Morletwavelet transform method and found that the runoffhasa 6～9 years periodic oscillation,a 17 yearsand 28 decadalperiodic oscillations,with an obvious drying trend in Minjiang River Basin.(4)The correlation between annual runoff andmeteorological factorswas analyzed by usingmethod of Pearson correlation coefficient,finding that precipitation was themain factorwhich led to the runoff reduction in Minjiang River basin,the rising temperatures aggravated the reduction of runoff,and the response of the runoff to warm-drying climate was the performanceof runoff reduction.

The Minjiang river basin;runoff;climatic change;Mann-Kendallmethod;Morletwavelet;Pearson correlation coefficient

P461+.5

A

1671-5365(2014)12-0036-05

2014-04-23修回：2014-04-26

宜賓學(xué)院青年基金項(xiàng)目(2008QJ34)

杜華明（1977-），女，講師，博士研究生，研究方向?yàn)閰^(qū)域環(huán)境與災(zāi)害

時間：2014-05-16 11:05

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140524.2112.002.htm l