長江流域徑流對氣候變化響應(yīng)的定量分析

榮艷淑，魏 佳，陳 虎，徐征光

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098；2.江西省上饒水文局,江西上饒 334000)

長江流域徑流對氣候變化響應(yīng)的定量分析

榮艷淑1，魏 佳1，陳 虎2，徐征光1

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098；2.江西省上饒水文局,江西上饒 334000)

以長江流域1961—2010年的降水、氣溫、相對濕度和日照時數(shù)作為基本氣候要素,分析大通徑流量與氣候要素的相關(guān)關(guān)系,并對徑流量對長江流域氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：大通徑流量對長江中下游區(qū)域的氣候變化很敏感,徑流量對降水量的響應(yīng)最強(qiáng)烈,徑流量對相對濕度、氣溫和日照時數(shù)的響應(yīng)僅為對降水量響應(yīng)的1/2、1/4和1/39；當(dāng)氣候要素耦合且同向變化時,徑流量對任何單一氣候要素變化的響應(yīng)都小于對多要素耦合變化響應(yīng)程度；但是,當(dāng)氣候要素耦合且反向變化時,徑流量對任何單一氣候要素變化的響應(yīng)都大于對多要素耦合變化響應(yīng)程度,耦合的氣候要素越多,這種效應(yīng)越顯著。

徑流量；氣候要素；耦合變化；長江流域

氣候變化導(dǎo)致河川徑流發(fā)生顯著變化。研究表明,伴隨全球氣候變化,世界許多河川徑流量都出現(xiàn)了減少現(xiàn)象,在歐洲北部和東部徑流明顯減少[1],美國自20世紀(jì)90年代以來徑流量持續(xù)減少[2-3],我國長江流域下游大通流量顯著減少[4]。與此同時,世界上只有部分地區(qū)徑流量有增加趨勢[1,5]。

在影響徑流的氣候因素中,降水無疑排在第一位。研究表明,降水量每增加10%,在美國,河流徑流量將增加1.59倍[6]；在澳大利亞,河流徑流量將增加25%[7]；在我國淮河流域,徑流量將增加27%[8]。因此,在降水量減少的地區(qū),那里的徑流量基本呈減少趨勢。特別是在我國長江中下游地區(qū),伴隨梅雨期降水量的顯著減少,汛期徑流量下降非常顯著[9-11],其降水量對大通徑流影響的方差貢獻(xiàn)可高達(dá)61.9%[4]。

目前全球氣候變化仍以變暖為主要特征[12],有研究[13-14]表明,氣候變暖會增大水汽含量,并引起干燥地區(qū)更加干燥,而濕潤地區(qū)更加濕潤,同時大陸地區(qū)徑流量增多。然而,變暖使地面蒸發(fā)加強(qiáng)[15-16],導(dǎo)致地面水資源變成水汽,最后進(jìn)入大氣,使徑流減少[17-18]。

因此,不同地區(qū)氣候因素的影響差異顯著,量化氣候變化的影響至關(guān)重要。為此,本文選擇長江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,分析整個流域氣候因子與下游大通徑流的相關(guān)關(guān)系及其氣候變化對徑流的影響,定量分析長江下游徑流與流域氣候變化的響應(yīng)關(guān)系和氣候變化下徑流的可能變化強(qiáng)度。

圖1 長江流域控制范圍氣象站分布

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

選取了長江流域內(nèi)138個氣象站的降水、氣溫、相對濕度和日照時數(shù)作為基本氣候要素,其中降水、日照時數(shù)、相對濕度和氣溫均來自于國家氣象中心整編的1961—2010年數(shù)據(jù),氣溫和相對濕度均使用的是月或年的平均值,降水量和日照時數(shù)使用的是合計值。

徑流量是長江大通站的流量。長江大通站位于長江干流下游水系,集水面積約為170萬km2,是長江下游地區(qū)水情監(jiān)測的重要測站。另外,該站也是東海的海洋潮汐所能到達(dá)長江流域的上界,為了規(guī)避潮汐對流量的影響,通常使用該站的水文數(shù)據(jù)作為長江流域的代表站數(shù)據(jù)。大通徑流數(shù)據(jù)來自于長江流域水文年鑒和長江水文局。徑流使用的是月平均值,起止時間為1961—2010年。

長江流域控制范圍及氣象站的分布見圖1,其中,黑點(diǎn)代表氣象站位置,漢字為氣象站站名,五星標(biāo)記代表大通水文站的位置。

1.2 方法

使用相關(guān)分析法討論流域氣候要素與下游大通站流量的關(guān)系,用多元線性回歸模型分析徑流對氣候要素變化的響應(yīng)。

多元線性回歸模型可表示為

式中:y為流量；xi為氣候要素,其中x1為降水量,x2為相對濕度,x3為氣溫,x4為日照時數(shù)；B0和Bi分別為回歸常數(shù)和回歸系數(shù),可用最小二乘法估計。

用每個氣候要素的方差貢獻(xiàn)來估算氣候因子對徑流的影響程度,最后,通過控制一個或幾個氣候要素的變化值,探討徑流對氣候變化的響應(yīng)程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 徑流與氣候要素關(guān)系分析

圖2是長江流域氣候要素與大通流量的相關(guān)系數(shù)分布圖,圖中的五星仍表示大通站的位置,灰色為統(tǒng)計顯著性的區(qū)域。從圖2(a)中可以看到,長江流域的年平均氣溫T與流量R之間以負(fù)相關(guān)為主,其中,中上游存在部分顯著的負(fù)相關(guān)系數(shù),其他地區(qū)相關(guān)系數(shù)都沒有達(dá)到統(tǒng)計顯著性水平。這種現(xiàn)象表明,長江流域氣候變暖顯著[20],但是,氣溫變暖對徑流的直接影響較小。

年降水量與大通流量呈正相關(guān)關(guān)系(圖2 (b)),其中,在長江流域中下游地區(qū),正相關(guān)系數(shù)全部達(dá)到0.05統(tǒng)計顯著性水平以上,特別是在大通站周圍的區(qū)域,相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計顯著性水平達(dá)到了0.001以上。因此,長江流域的中下游降水量與大通站流量的關(guān)系最為密切。

年總?cè)照諘r數(shù)S與流量的關(guān)系都呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,從上游到下游的沿江一帶,負(fù)相關(guān)性達(dá)到了0.05統(tǒng)計顯著性水平以上(圖2(c))。在大通站附近的相關(guān)系數(shù)僅達(dá)到了0.1統(tǒng)計顯著性水平。因此,日照時數(shù)對大通流量的影響更多的來自于全流域日照條件的變化。

圖2 長江流域氣候要素與徑流相關(guān)系數(shù)空間分布

年平均相對濕度H對流量的影響非常大,它們之間的正相關(guān)系數(shù)基本都具有統(tǒng)計顯著性(圖2 (d))。這種現(xiàn)象表明,長江流域大氣濕度條件很好時,對應(yīng)流量也處于較大時期。

2.2 長江下游徑流對氣候要素變化的響應(yīng)

2.2.1 區(qū)域氣候要素的變化特征

根據(jù)上述相關(guān)分析可以知道,大通站流量受長江中下游氣候要素影響最大,特別是降水與徑流的相關(guān)系數(shù)在110°E以東都具有信度0.05以上的統(tǒng)計顯著性水平,其余要素在這個區(qū)域也有很好的反映,因此,選擇長江流域110°E以東的氣象站點(diǎn),計算長江中下游區(qū)域氣候要素的平均值,構(gòu)建顯著影響大通流量的區(qū)域氣候要素。表1給出了近50年來長江流域110°E以東區(qū)域氣候要素的基本變化特征。

表1 長江流域110°E以東區(qū)域氣候要素變化特征

由表1可見,長江中下游區(qū)域年平均降水量有微弱的增加趨勢,平均每年增加1.3mm,每50年增長63.55mm；年平均氣溫呈顯著增加的趨勢,平均每年增長0.02℃,每50年增長0.75℃；年平均相對濕度和年平均日照時數(shù)均呈下降趨勢,其中,相對濕度平均每年下降0.13%,每50年下降6.6%；日照時數(shù)平均每年下降6.37h,平均每50年下降318.50 h。另外,每個氣候要素的極值(包括極端最大Tmax與極端最小Tmin)與均值差異很明顯,其中,氣溫和相對濕度的極值與平均值的差值相當(dāng)于平均值的± 10%左右,日照時數(shù)和降水量的極值與均值的差值大約在±20%以上。因此,這一區(qū)域的氣候要素平均變化幅度在10%～20%左右。

2.2.2 氣候要素對大通流量的影響

以區(qū)域平均降水量x1、區(qū)域平均相對濕度x2、區(qū)域平均氣溫x3和區(qū)域平均日照時數(shù)x4為因變量,以大通站流量為自變量yR,建立多元回歸方程,用最小二乘法估計回歸系數(shù),可得到:

回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.824,F值也通過了信度檢驗(yàn),表明式(2)對大通流量的擬合效果較好。

計算結(jié)果表明,降水量對徑流的方差貢獻(xiàn)最高,為95.8%,對徑流的影響占絕對優(yōu)勢,這也說明了長江流域下游徑流與降水關(guān)系密切的特點(diǎn)。其他氣候要素中,相對濕度的方差貢獻(xiàn)為3.3%,氣溫和日照時數(shù)分別為0.8%和0.1%,表明相對濕度、氣溫和日照時數(shù)對徑流的影響依次減小。

2.2.3 流量對氣候要素變化的響應(yīng)

利用多元回歸分析,可以定量評估大通流量對氣候要素變化的響應(yīng)程度。在下面的分析中,構(gòu)建了兩類氣候要素變化類型:①每個氣候要素單獨(dú)變化類型；①多要素同時變化,形成要素耦合變化類型。表2和表3分別是這兩種變化類型下,大通流量的響應(yīng)結(jié)果,其中流量已折算成相對變化率。

表2是單個氣候要素變化時,大通徑流的相對變化。在表2中,單氣候要素的變化又設(shè)計了兩種形式:①4個氣候要素均按5%的水平變化的形式(表2第2—5列),其目的是為了比較同一變化水平下,氣候要素對徑流影響的差異；①根據(jù)表1中氣候要素的變化特征,構(gòu)建了4個氣候要素同時變化的形式(見表2第6—11列)。在第2個變化形式中,將氣候要素的耦合變化劃分了幾個等級,其中,對降水量設(shè)計了3個變化水平,分別是±20 mm、±50mm和±100 mm,相當(dāng)于降水變化了±1.5%、±3.7%和±7.5%。其他要素只設(shè)計了一種變化,它們分別是年平均氣溫的變化為±0.5℃,相當(dāng)于氣溫變化±3.5%；年平均相對濕度的變化為±3%；年平均日照時數(shù)的變化為±100 h,相當(dāng)于日照時數(shù)變化±5.7%。對于氣溫、相對濕度和日照時數(shù)設(shè)計的變化值都取在真實(shí)數(shù)據(jù)變化的中間水平。

表2 大通流量隨氣候要素的變化

表3 氣候要素耦合變化下大通流量的相對變化

由表2可見,當(dāng)氣候要素變化程度相同時,流量對其的響應(yīng)各不相同。在4個氣候要素中,流量對降水量的響應(yīng)最為顯著,當(dāng)降水量變化增加5%時,流量變化率為4.34%,相當(dāng)于流量可增加1222.3m3/s；相對濕度變化5%時,流量可變化2.2%,它的影響力約為降水作用的1/2；氣溫變化5%時,可引起流量變化1.1%,是降水作用的1/4；日照時數(shù)變化5%時,可引起流量變化0.11%,可見日照時數(shù)的影響力最小,它對流量的影響僅為降水作用的1/39。

表3是多氣候要素變化時,大通徑流的相對變化。表3中第1列是僅考慮降水和氣溫的耦合變化的條件,第3列是考慮4要素同時耦合變化的條件,符號“+”和“-”分別表示增加和減少。鑒于相對濕度和日照時數(shù)均以減少為主,在第3列4要素的耦合變化中,在氣溫增加的基礎(chǔ)上,同時考慮了相對濕度和日照時數(shù)同增和同減的條件,再輔以降水量增加或減少的條件,計算流量的相對變化量。

由表3可以看到,僅考慮降水量和氣溫耦合變化時,降水量與氣溫同向或反向變化,對流量的影響是不同的。在降水量與氣溫同增(或同減)時,降水量由±20mm變化到±100mm,流量增量可發(fā)生大約3.49倍的變化。在降水量和氣溫反向變化,即氣溫增加(或減小),同時降水量減少(或增多)時,降水量由±20mm變化到±100mm,流量增量可發(fā)生大約10.96倍的變化。這種現(xiàn)象同樣說明降水量變化對大通流量影響顯著,但是,降水量與氣溫反向變化,會加大降水量的作用。

當(dāng)耦合的氣候要素增多時,流量的變化又有不同。在氣溫增加0.5℃,相對濕度增加3%和日照時數(shù)增大100 h的條件下,當(dāng)降水量由20mm增加到100mm時,流量增量可發(fā)生大約2.32倍的變化；而降水量減少20mm時,流量仍有增大現(xiàn)象,這不同于氣溫與降水量耦合時,降水量減少仍引起的流量增加,這是由于相對濕度增大在起作用；但是,當(dāng)降水量繼續(xù)減少時,流量開始轉(zhuǎn)為減小變化。

由于長江流域目前的主要?dú)夂蜃兓菤鉁仫@著增加,降水量微弱增加,相對濕度和日照時數(shù)減少,在這種條件下,當(dāng)氣溫、相對濕度和日照時數(shù)按+0.5℃、-3%和-100 h條件變化,降水量由20mm增加到100mm時,流量增量可發(fā)生大約21.76倍的變化,這種情況是各組氣候變化效應(yīng)中最顯著的一組數(shù)據(jù)；而降水量由-20mm減少到-100mm時,流量減少量只有3.2倍的變化。

因此,盡管用線性方程估計氣候要素對流量的影響,但是,氣候要素的耦合變化可導(dǎo)致流量產(chǎn)生非線性變化,氣候要素變化幅度越大,流量變化越顯著；氣候要素耦合的數(shù)量不同,引起流量的變化程度也不同。

3 結(jié) 論

a.長江流域氣候變化可顯著影響徑流。相關(guān)分析的結(jié)果表明,長江流域中下游降水量與大通站流量的關(guān)系最為密切,正相關(guān)系數(shù)全部在0.05統(tǒng)計顯著性水平以上。長江流域的相對濕度與流量之間的正相關(guān)系數(shù)基本都具有統(tǒng)計顯著性。日照時數(shù)對大通流量的影響更多的來自于全流域日照條件的變化。氣溫與流量的相關(guān)性很小,幾乎沒有達(dá)到統(tǒng)計顯著性的相關(guān)系數(shù)。

b.多元線性回歸表明,降水量、相對濕度、氣溫和日照時數(shù)對大通徑流的方差貢獻(xiàn)分別達(dá)到了95.8%、3.3%、0.8%和0.1%,因此,降水量對大通徑流的影響具有絕對優(yōu)勢。利用回歸模型估算氣候要素對大通徑流的影響時,降水量對徑流的影響分別是相對濕度、氣溫和日照時數(shù)的2倍、4倍和39倍。

c.氣候要素耦合變化形式不同時,對大通徑流的影響程度不同。當(dāng)氣候要素耦合且同向變化時,流量對任何單一氣候要素變化的響應(yīng)都小于對多要素耦合變化響應(yīng)程度；但是,當(dāng)氣候要素耦合且反向變化時,流量對任何單一氣候要素變化的響應(yīng)都大于對多要素耦合變化響應(yīng)程度。耦合的氣候要素越多,這種效應(yīng)越顯著

[1]STAHL K,HISDAL H,HANNAFORD J,et al.Streamflow trends in Europe:evidence from a dataset of near-natural catchments[J].Hydrology and Earth System Sciences, 2010,14(12):2367-2382.

[2]KRAKAUER N Y,FUNG I.Mapping and attribution of change in stream flow in the coterminous United States [J].Hydrology and Earth System Sciences,2008,12(4): 1111-1120.

[3]WANG D B,HEJAZI M.Quantifying the relative

contribution of the climate and direct human impacts on mean annual streamflow in the contiguous United States [J].Water Resources Research,2011,47(9):W00J12. [4]榮艷淑,劉曉延.長江大通水文站流量減少及其原因分析[J].水資源研究,2014,3(4):326-336.(RONG Yanshu,LIU Xiaoyan.The decrease of the flow and its cause at Datong Hydrological Station of the Yangtze River [J].Water Resources Research,2014,3(4):326-336. (in Chinese))

[5]MIN SK,ZHANG X B,ZWIERSF.Human-induced arctic moistening[J].Science,2008,320(5875):518-520.

[6]MANTUA N,TOHVER I,HAMLET A.Climate change impacts on stream flow extremes and summertime stream temperature and their possible consequences for freshwater salmon habitat in Washington State[J].Climatic Change, 2010,102(1/2):187-223.

[7]JONES R N,FRANCIS H S C,WALTER C B,et al. Estimating the sensitivity ofmean annual runoff to climate change using selected hydrologicalmodels[J].Advance in Water Resources,2006,29(10):1419-1429.

[8]王苓如,薛聯(lián)青,王思琪,等.氣候變化條件下洪澤湖以上流域水資源演變趨勢[J].水資源保護(hù),2015,31 (3):57-62.(WANG Lingru,XUE Lianqing,WANG Siqi, etal.Evolutionary tendency ofwater resources in the basin above Hongze Lake under the condition of climate change [J].Water Resources Protection,2015,31(3):57-62.(in Chinese))

[9]林承坤,吳小根.長江徑流量特性及其重要意義的研究[J].自然雜志,1999,21(4):200-205.(LI Chengkun, WU Xiaogen.A study on characteristics of runoff amount and its important significance at the Yangtze[J].Chinese Journal of Nature,21(4):200-205.(in Chinese))

[10]方娟娟,李義天,孫昭華,等.長江大通站徑流量變化特征分析[J].水電能源科學(xué),2011,29(5):9-12.(FANG Juanjuan,LIYitian,SUN Zhaohua,et al.Analysis of runoff change characteristics at Datong Station of Yangtze River [J].Water Resources and Power,2011,29(5):9-12.(in Chinese))

[11]WANG P,HE S.The basic character on process of runoff and sediment discharge at Datong station of the Changjiang RiverⅠ[J].Analysis on Runoff Process,2004,2004 (2):72-80.

[12]WORKING GROUP I of IPCC.Climate change 2013:the physical science basis,summary for policymakers[R]. Stockholm:IPCC,2013.

[13]TRENBERTH K.Changes in precipitation with climate change[J].Climate Research,2011,47(1):123-138.

[14]LABATD,GODDERISY,PROBST JL,etal.Evidence for global runoff increase related to climate warming[J]. Advance in Water Resources,2004,27(6):631-642.

[15]楊甫樂,榮艷淑,楊甫光.四川盆地蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢及影響因子分析[J],水資源保護(hù),2014,30(3): 38-45.(YANG Fule,RONG Yanshu,YANG Fuguang. Analysis of trends and the cause of change of the pan evaporation in the Sichuan Basin[J].Water Resources Protection,2014,30(3):38-45.(in Chinese))

[16]榮艷淑,張行南,姜海燕,等.長江上游區(qū)域蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化及其對水分循環(huán)的影響[J],地球物理學(xué)報, 2012,55(9):2889-2897.(RONG Yanshu,ZHANG Xingnan,JIANGHaiyan,etal.Pan evaporation change and its impact on water cycle over the upper reach of the Yangtze River[J].Chinese Journal of Geophysic,2012,55 (9):2889-2897.(in Chinese))

[17]VANO J A,DAS T,LETTENMAIER D P.Hydrologic sensitivities of Colorado River runoff to changes in precipitation and temperature[J].Journal of Hydrometeorology,2012,13(3):932-949.

[18]VICENTE-SERRANO S M,L’OPEZ-MORENO J I. Hydrological response to different time scales of climatological drought:an evaluation of the standardized precipitation index in amountainous Mediterranean Basin [J].Hydrology and Earth System Science,2005,9(5): 523-533.

Quantitative analysis on the response of runoff to climate change in Yangtze River Basin

RONG Yanshu1,W EI Jia1,CHEN Hu2,XU Zhengguang1
(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China；2.Hydrological Bureau of Shangrao,Shangrao 334000,China)

Taking precipitation,temperature,relative humidity and sunshine duration in Yangtze River Basin during the year of1961-2010 as the basic climatic elements,the relationship between the runoffand the climatic elements and the response of runoff to climate change were analyzed.The results indicate that the runoff is very sensitive to the climate change in themiddle and lower reachesof Yangtze River Basin,where the precipitation is the key factor affecting runoff changes and its effectmagnitude on the runoff is approximately 2 times,4 times and 39 times as much as that values of relative humidity,air temperature and sunshine duration.The results also reveal that the response of runoff to the single climatic element variation is less than to themulti-elements coupling changes,when these elements increase or decrease in the same direction.However,when some elements increase while others decrease,the response of runoff to the single climatic element is higher than themulti-elements coupling changes. This respond is significantwith themore elements coupling changes together.

runoff；climatic elements；coupling changes；Yangtze River Basin

P339

：A

：1004 6933(2015)06 0040 05

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.006

2015 09 01 編輯:徐 娟)

國家自然科學(xué)基金(41371050,51420105014)

榮艷淑(1961—),女,教授,博士,主要從事水文氣象和氣候變化研究。E-mail:ysron@hhu.edu.cn