龍川江上游徑流量變化及其對氣候變化的響應(yīng)

李 瀾, 丁文榮

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650092)

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龍川江上游徑流量變化及其對氣候變化的響應(yīng)

李 瀾, 丁文榮

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650092)

基于1970—2012年龍川江上游小河口水文站的徑流資料和楚雄的氣象資料，運用M-K法、相關(guān)系數(shù)法、累積距平法等方法，分析了龍川江上游徑流量、降水量和氣溫的年內(nèi)、年際和年代際的變化以及徑流量對氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：龍川江上游徑流量年內(nèi)分配極不均，在1994年后漸趨均勻，年徑流量呈不顯著的波動下降趨勢，而且徑流量在70，80年代和2010—2012年偏枯，90和00年代偏豐；年平均氣溫和年降水量都呈上升趨勢，但后者的趨勢不明顯；年降水量對年徑流量的影響很明顯，而年平均氣溫對徑流量的影響較小，四個季節(jié)中春季和秋季的徑流量受降雨量變化的影響較大，降水量和氣溫的變化對夏季徑流的影響都較為明顯，而冬季相反?？傊煌竟?jié)的徑流量對不同氣候因素的響應(yīng)是不同的。

龍川江上游; 徑流量; 氣候變化; 響應(yīng)

水循環(huán)是由多個環(huán)節(jié)組成的自然過程，其中降水、蒸發(fā)和徑流是水循環(huán)過程中最主要的三個環(huán)節(jié)，這三者構(gòu)成的水循環(huán)決定著全球的水量平衡，也決定著一個地區(qū)的水資源總量。水循環(huán)具有調(diào)節(jié)地球各圈層之間能量的作用，是氣候變化的重要影響因素，同時氣候變化也對水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)具有重要的影響，尤其是對降水、蒸發(fā)和徑流等環(huán)節(jié)。

氣候的變化主要體現(xiàn)在氣溫和降水這兩大因子，而氣候變化對徑流的影響也主要體現(xiàn)在這兩個方面，而且氣溫和降水都在某種程度上影響徑流量的變化[1-3]。在以冰川冰雪融水補給為主的地區(qū)氣溫的影響是非常顯著的[4-5]，例如在青藏高原地區(qū)、新疆地區(qū)和中亞地區(qū)等。但很多研究表明降水的變化對徑流的影響要比氣溫的影響要大，降水對徑流量起主導(dǎo)作用[6-8]，其中夏季降水及其變化的影響突出[9-10]，而研究表明在西南的大部分地區(qū)徑流對氣溫的響應(yīng)相對不顯著[11]。龍川江為金沙江南岸一級支流，發(fā)源于楚雄彝族自治州的南華縣天子廟坡東側(cè)，由西向東流，在元謀北部的江邊鄉(xiāng)匯入金沙江。龍川江流域不僅是楚雄州經(jīng)濟、文化、政治中心，也是滇中經(jīng)濟區(qū)重要組成部分，還是長江上游重要的產(chǎn)水區(qū)[12]。目前對龍川江流域已經(jīng)進行了多方面的研究，但研究的范圍基本上都是整個區(qū)域[13-15]，對于龍川江上游的研究還很少，目前只有文安邦、張信寶等對上游泥沙輸移比進行研究[16]。由于龍川江上游是該流域主要的降水區(qū)，同時也是主要的產(chǎn)流區(qū)，本研究對于龍川江流域水資源的合理使用具有重要意義。

1　研究區(qū)概況

龍川江上游指的是小河口水文站以上地區(qū)，流經(jīng)沙橋鎮(zhèn)、南華縣和楚雄市，流域面積為1 788 km2，上游河段總長96 km，河床比降3‰[16]。龍川江上游地區(qū)地形起伏較大，山高坡陡，河床切割較深。屬于低緯度高原季風(fēng)氣候，氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，深受南亞季風(fēng)的影響，年平均氣溫為16.17℃，年平均降水861 mm。

2　資料與方法

本文所用資料為1970—2012年龍川江流域內(nèi)的楚雄氣象站的逐月氣溫和降水量數(shù)據(jù)，以及小河口水文站的逐月徑流量數(shù)據(jù)，均來自于云南省水資源局。運用Mann-Kendall法分析徑流量、降水量和氣溫的變化趨勢[3，7]。運用累積距平法[17]和相關(guān)系數(shù)法分析徑流量與氣候因子關(guān)系及其響應(yīng)。具體的方法：

(1) 非參數(shù)Man-Kendall趨勢檢驗。

定義檢驗統(tǒng)計量S：

(1)

式中：sgn()為符號函數(shù)，當(dāng)xk-xi小于、等于或大于0時，sgn(xk-xi)分別為-1，0或1；M-K統(tǒng)計量公式S大于、等于或小于0時分別為：

(2)

Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢，Z的絕對值在大于等于1.96時，表示通過了信度99.5%的顯著性檢驗。

(2) 非參數(shù)Mann-Kendall法突變檢測。

對于具有n個樣本量的時間序列，構(gòu)造一秩序列：

(3)

(4)

(5)

(6)

定義統(tǒng)計量：

(7)

(3) 累積距平法。

(8)

式中:CAi為第一年至第j年的累積距平；x為平均值。CAi的正負極值點可能出現(xiàn)突變，對序列提取信號最強的幾個極點，且不從首尾各四年處提取。

3　結(jié)果與分析

3.1龍川江上游徑流量的變化特征

3.1.1月平均徑流量由于龍川江上游徑流的補給主要來自降水，而其氣候又受南亞季風(fēng)的影響，干濕季分明，導(dǎo)致龍川江上游的徑流量年內(nèi)分配極不均勻。徑流量主要集中在每年的6至10月(圖1)，此時的徑流量占全年的81.06%。而每年的1—5月和11—12月的徑流量只占全年的18.94%。因此龍川江上游徑流量集中分布在夏半年，每年6至10月為汛期。此外，龍川江上游的月徑流量在分別在1984年和2002年前后發(fā)生轉(zhuǎn)變，在1984年以前月徑流量不斷下降，之后一直處于上升狀態(tài)，而在2002年以后又轉(zhuǎn)為下降。而且在1984年前后年內(nèi)徑流量分布曲線，由以雙峰曲線為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詥畏迩€為主，但在2010—2012年波峰不明顯。

總的來說，汛期徑流量占全年總徑流量的百分比是波動起伏的，而且在1994年前后汛期徑流量占全年總徑流量的百分比趨勢有所改變(圖2)。在1994年以前汛期徑流量占全年的百分比處于上升趨勢，汛期徑流量曾占到全年的93%，年內(nèi)分配越來越不均勻。1994年以后汛期徑流量占全年的百分比呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(Z=-2.01，通過了0.05的顯著性檢驗)，即1994年以后龍川江上游徑流量年內(nèi)分配漸趨均勻。

圖1　月平均徑流量分布

圖2　汛期徑流量占年徑流量的百分比

從年內(nèi)季節(jié)分布來說，徑流量主要集中在夏秋兩季，分別占全年徑流量的52.33%和34.52%，而冬季徑流量占全年的百分比最小。而且在各年代的徑流量變化中，夏季徑流量變化最大，占總變化量的百分比也最大，其次是秋季，冬季最小(表1)。因此夏季徑流量是年徑流量變化的主要部分，冬季徑流量對年徑流的影響最小。

表1　各季節(jié)徑流量變化量占徑流總變化量的百分比　%

3.1.2年徑流量在1970—2012年期間，龍川江上游徑流量年際波動較大，徑流量變差系數(shù)為0.62。龍川江上游徑流量在近40多年里經(jīng)歷了3個階段(圖3)：1970—1984年期間年徑流量下降；1984—2002年期間年徑流量波動上升；2002—2012年下降。通過非參數(shù)M-K單調(diào)趨勢檢驗計算得到的結(jié)果(表2)也與年徑流量5 a滑動曲線所呈現(xiàn)的階段趨勢一致，但均未通過顯著性檢驗。

通過非參數(shù)M-K突變檢測計算表明，在近40 a里，年徑流量只在1980—1984年和2002年顯著變化(前者下降，后者上升)(圖4)。并且年徑流量分別在1975年、1985年和2009年發(fā)生突變。非參數(shù)M-K單調(diào)趨勢檢驗計算得Z=-1.84，但未通過0.05的顯著性檢驗，即近40多年來龍川江上游年徑流量呈下降趨勢，但趨勢不明顯。

圖3　年徑流分布圖表2　龍川江上游年徑流量M-K單調(diào)趨勢檢驗

M-K單調(diào)趨勢檢驗1970—20121970—19841984—20022002—2012Z-1.8-1.051.26-0.54

注:│Z│≥1.96表示通過α=0.05顯著性水平，*表示通過顯著性檢驗。

圖4　年徑流量M-K突變檢測

3.1.3年代際徑流量龍川江上游各年代徑流量均有不同，差別較大(表3)。70年代徑流量偏枯，80年代徑流量最小，90年代徑流量上升幅度較大，是徑流量最大。00年代的徑流量有所減少，而2010—2012年三年的平均年徑流量比多年平均年徑流量小很多?？偟膩碚f，龍川江上游70，80年代和2010—2012年徑流量偏枯，90和00年代徑流量偏豐。

表3　龍川江上游各年代徑流量

3.2龍川江上游氣候變化特征

3.2.1氣溫龍川江上游地區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年溫和，年溫差較小。在1970—2012年期間龍川江上游多年平均氣溫16.17℃，年內(nèi)最大溫差為3.33℃，最高溫出現(xiàn)在6月，最低溫出現(xiàn)在1月。而且各年代各月平均氣溫具有上升的趨勢，以冬季變化最為明顯(圖5)。

圖5　年內(nèi)月平均氣溫分布

從年平均氣溫的非參數(shù)M-K單調(diào)趨勢檢驗Z=5.369，通過了0.05的顯著性檢驗，即近40多年來龍川江上游氣溫顯著上升。年代際平均氣溫也呈現(xiàn)出上升趨勢，并且升高1.61℃。對龍川江上游氣溫的非參數(shù)M-K突變檢測得出，氣溫在1986年出現(xiàn)突變，并且在1986年之后氣溫顯著升高(圖6)。綜上所述，在1970—2012年期間龍川江上游年際氣溫顯著升高。

圖6　氣溫M-K突變檢測曲線

3.2.2降水由于受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響龍川江上游地區(qū)干濕季分明，降水年內(nèi)分配極不均勻，降水量最大值出現(xiàn)在7月。降水量主要分布在每年6—10月(圖7)，即汛期，此時的降水量占全年降水量的88.3%。而且1984年以后汛期降水量占全年降水量的百分比幾乎都在85%以上，年內(nèi)降水量更加分布不均。

圖7　年內(nèi)月平均降水量分布

從年際來看，龍川江上游年降水量波動很大，最大相差857 mm。從百分比幾乎都在85%以上，年內(nèi)降水量更加分布不均。趨勢線可以看出，年降水量呈現(xiàn)幅度很小的上升(圖8A)。但非參數(shù)M-K單調(diào)趨勢檢驗得出Z=0，即年降水量變化趨勢不明顯。年降水量M-K突變檢測表明年降水量在1972年，1977年和1984年左右發(fā)生突變，而且只在2002年發(fā)生明顯變化(圖8B)。另外，龍川江上游降水量在80年代和2010—2012年降水較少，90，00年代降水量豐沛(表4)。綜上所述，1970—2012年龍川江上游年降水量呈上升趨勢，且很不明顯。

圖8　1970-2012年龍川江上游年降水量變化曲線表4　1970-2012年龍川江上游各年代降水量分布

項目70s80s90s00s2010—2012年降水量/mm8514.37723.994249355.72020

3.3龍川江上游徑流量與氣候的關(guān)系

3.3.1徑流與降雨的關(guān)系年內(nèi)各月降水量與徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.928，為非常顯著正相關(guān)關(guān)系。徑流量與降水量都集中于6—10月，汛期與雨季相重合，其他月份降水量和徑流量都相對很小。降水量和徑流量的距平的最大值分別出現(xiàn)在7月和8月，即徑流量的波峰出現(xiàn)的時間要比降水量的推遲一個月，這是因為降水需要經(jīng)過下滲、填洼等過程才能轉(zhuǎn)化為徑流。

從年際降水量與徑流量的關(guān)系來講，除了個別年份年降水量與年徑流量的變化趨勢相反，大多數(shù)年份的年降水量與年徑流量都呈顯著地正相關(guān)(圖9)，即降水量增加，徑流量增加；反之亦然，而且兩者的相關(guān)系數(shù)為0.868。從年代際來看，年代際的降水量與徑流量都在80年代和2010—2012年出現(xiàn)最小值，90年代出現(xiàn)最大值。從汛期與非汛期來講，徑流量與年降水量、汛期降水量、非汛期降水量都為正相關(guān)關(guān)系，而且通過了顯著性檢驗(表5)。所以綜上所述，降水量和徑流量的正相關(guān)關(guān)系顯著。

圖9　年際氣溫、降水量與徑流量距平

圖10　月氣溫徑流量的年內(nèi)分布表5　龍川江上游徑流量與降水量、氣溫的相關(guān)系數(shù)

項目汛期徑流量非汛期徑流量年徑流量年降水量0.839**0.67**0.868**汛期降水量0.87**0.59**0.881**非汛期降水量0.421**0.556**0.475**年平均氣溫-0.0330.034-0.014汛期平均氣溫-0.126-0.028-0.108非汛期平均氣溫0.0100.0570.270

注:相關(guān)系數(shù)絕對值≥0.38表示通過α=0.01的顯著性水平，**表示通過顯著性檢驗。

3.3.2徑流與氣溫的關(guān)系月平均氣溫與徑流量的相關(guān)系數(shù)為0.69，表現(xiàn)出較為顯著地正相關(guān)性。而且兩者的年內(nèi)分布都是單峰曲線，趨勢基本一致，但徑流量最大值比氣溫的推遲了兩個月(圖10)。從年平均氣溫與徑流量來看，兩者的相關(guān)系數(shù)只有-0.014 3，未能通過α=0.05的相關(guān)性檢驗，而且兩者的變化趨勢相差很大，因此年平均氣溫與年徑流量的相關(guān)性不明顯。年代際平均氣溫與徑流量都在80—90年代上升，90—00年代略微下降，而且它們的相關(guān)系數(shù)為-0.486 9，所以年代際平均氣溫與徑流量具有較為顯著的負相關(guān)。從汛期與非汛期來說，汛期平均氣溫與徑流量的相關(guān)系數(shù)都為負值，而非汛期氣溫相反，但均未通過顯著性檢驗(表5)。綜上所述，年內(nèi)和年代際的平均氣溫與徑流量的相關(guān)性較為顯著，但年際的相關(guān)性不明顯。

3.4龍川江上游徑流量對氣候變化的響應(yīng)

徑流量與氣候之間具有相當(dāng)密切的關(guān)系，兩者相互聯(lián)系相互影響，氣候的變化影響徑流量的變化，在某種程度上來說徑流量的變化又是氣候變化的一種表現(xiàn)，即徑流量的變化是氣候變化的一種響應(yīng)。降水和氣溫是氣候最主要的兩個因子，降水量和氣溫的變化都會直接或間接的影響徑流量的變化。

通過對比可見，年徑流量和降水量的變化過程幾乎一致，發(fā)生突變的年份也相同(圖11)，而且兩者的相關(guān)系數(shù)為0.868，年降水量的變化對年徑流的影響很大。而年徑流量與年平均氣溫的變化過程大概一致，但在某些階段的趨勢相差較大，例如在1984—1993年和2002—2012年。

圖11　龍川江上游年徑流量、年降水量和年平均氣溫累積距平

從四季來講，除了冬季以外，其他季節(jié)的徑流量和降水量的變化過程基本一致(圖12A和12B)，而且徑流量與降水量的相關(guān)系數(shù)都通過了0.01的顯著性檢驗，所以降水量的變化對春夏秋三個季節(jié)的徑流量影響很明顯，其中對夏季的影響最明顯。雖然夏秋冬三個季節(jié)的徑流量和氣溫的變化過程大概一致，但比徑流量與降水量的一致性差，一致性最差的是春季(圖12C和12D)。所以氣溫的變化對夏秋冬三季的徑流量的影響較小，對春季的影響最小。

從季節(jié)徑流與同期或者前期的降水量、氣溫的相關(guān)關(guān)系來看，春夏秋三個季節(jié)的徑流量與同期的降水量正相關(guān)顯著，而與同期氣溫為負相關(guān)(表6)，說明氣溫升高會使蒸發(fā)增大，導(dǎo)致徑流量減少，而且夏季氣溫與同期徑流量為顯著負相關(guān)。但春秋兩季的前期氣溫與徑流量為正相關(guān)，這可能是氣溫升高促進了水文循環(huán)，使得降水量增加的原因[1]。同時除春季以外，其他三個季節(jié)的徑流量都與前期降水量呈正相關(guān)，而且夏秋為顯著正相關(guān)，這是因為春季的降水量集中在后期，夏季和秋季又是雨季，而且降水形成徑流需要經(jīng)過一定的過程與時間。而四季中冬季徑流量與同期和前期的降水、氣溫的相關(guān)性系數(shù)都沒有通過顯著性檢驗。因此，春季和秋季的徑流量受降雨量變化的影響較大，降水量和氣溫的變化對夏季徑流的影響都較為明顯，而冬季相反?？傊?，不同季節(jié)的徑流量對不同的氣候因素的響應(yīng)是不同的。

圖12　龍川江上游四季徑流量、降水量和氣溫累積距平表6　龍川江上游季節(jié)徑流量與同期、前期年降水量、年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)

徑流量同期降水量同期平均氣溫前期降水量前期平均氣溫春季0.648**-0.174-0.2650.025夏季0.868**-0.326*0.598**-0.256秋季0.618**-0.0080.593**0.036冬季-0.0110.0740.227-0.071

注:**和*分別表示通過0.01，0.05顯著性檢驗。

4　結(jié) 論

通過對龍川江上游43 a的徑流量、降水量和氣溫數(shù)據(jù)的分析表明：由于受亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，龍川江上游徑流的年內(nèi)分配極其不均，但是在1994年以后有所變化，而且夏季徑流量對年徑流的影響最大；年徑流量呈不顯著的下降趨勢，并分為3個階段：1970—1984年(下降)，1984—2002年(波動上升)和2002—2012年(下降)；氣溫升高趨勢很明顯，而且在冬季特別顯著；雖然降水量也呈上升趨勢，但很不顯著，而且年內(nèi)降水量分布極不均勻；降水量與徑流量具有顯著正相關(guān)關(guān)系，雖然年內(nèi)和年代際平均氣溫與徑流量具有顯著正相關(guān)，但年均溫與年徑流量之間不存在顯著關(guān)系；相應(yīng)的，徑流量對降水量的響應(yīng)較為明顯，而對氣溫的響應(yīng)則不明顯，其中夏季徑流量對降水量和氣溫的響應(yīng)都很顯著，而冬季相反。

在龍川江上游，氣溫和降水量都在一定程度上影響著徑流量的變化，降水量的影響較為明顯，而氣溫則相反。這個結(jié)果與孫悅、陳玲飛等人的研究結(jié)論是一致的，但徑流量對氣候的響應(yīng)率還有待進一步研究。而且現(xiàn)在人類活動對自然環(huán)境的影響越來越大，徑流量也不可避免的受其影響，在以后的研究中要注重人類活動的影響，并把其納入到相應(yīng)的研究中。

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Runoff Variation and Its Response to Climate Change in the Upstream of Longchuanjiang River

LI Lan, DING Wenrong

(CollegeofTourismandGeographicScience,YunnanNormalUniversity,Kunming650092,China)

Based on the hydrologic data of Xiaohekou, the upstream of Longchuanjiang River, and the meteorological data of Chuxiong from 1970 to 2012, we used the methods of accumulative anomalies, Mann-Kendall and correlation coefficient to analyze the variation of inner-annual, inter-annual and inter-decadal for the runoff of the upstream of Longchuanjiang River, precipitation, the runoff and its response to climatic change. The results indicated that: (1) the annual runoff distributed unevenly, and it gradually become even, and annual runoff showed a wavelike decrease, but it wasn′t obvious, and runoff volume was less than normal years in 1970s, 1980s and the the period from 2010 ot 2012. The runoff volume in 1990s and 2000s was more than normal years; (2) temperature and annual runoff had showed a wavelike increase, but the latter was indistinctive; (3) annual precipitation effects on annual runoff was obvious, but the annual average temperature had less effect on runoff, precipitation of spring and autumn had larger effect on runoff, influences of precipitation, and temperature on runoff were obvious in summer, but were just opposite in the winter. In summary, responses of runoff in different seasons to different climate factors are different.

upstream of Longchuangjiang River; runoff; climatic change; response

2015-06-30

2015-08-07

國家自然科學(xué)基金項目(41101099、41261044);云南省社會發(fā)展科技計劃(2012CA024)

李瀾(1990—),女,山東臨沂人,碩士研究生,主要從事自然地理學(xué)研究工作。Email:lan900726@126.com

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A

1005-3409(2016)04-0083-06