白洋淀流域氣溫、降水和徑流變化特征及其相互響應(yīng)關(guān)系*

高彥春, 王金鳳, 封志明

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白洋淀流域氣溫、降水和徑流變化特征及其相互響應(yīng)關(guān)系*

高彥春1,3, 王金鳳2**, 封志明1,4

(1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 北京 100101; 2. 山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 臨汾 041000; 3. 中國科學(xué)院陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101; 4. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源利用與環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101)

運(yùn)用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)、突變檢驗(yàn)和小波分析法, 對白洋淀流域1957—2012年7個(gè)氣象站點(diǎn)氣溫、降水和3個(gè)典型水文站點(diǎn)徑流量的變化趨勢、突變點(diǎn)及周期性變化進(jìn)行了分析, 并探討了徑流與降水和氣溫的響應(yīng)關(guān)系, 以期為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源合理利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。結(jié)果表明, 研究區(qū)年均氣溫呈上升的趨勢, 并在1988年后上升趨勢增大, 其中, 冬季和春季的氣溫增幅對氣溫升高貢獻(xiàn)較大; 降水量變化相對復(fù)雜, 整體呈波動下降的趨勢, 其中, 夏季降水量減少幅度最大, 達(dá)1.72 mm?a-1。受氣溫升高和降水量的直接影響, 典型站點(diǎn)徑流量呈明顯下降趨勢, 并在年際尺度上與氣溫呈負(fù)相關(guān), 與降水變化呈顯著正相關(guān); 在年內(nèi)尺度上, 則與氣溫和降水變化呈顯著正相關(guān)。夏季徑流量減少幅度最大, 阜平、倒馬關(guān)和紫荊關(guān)站分別下降0.85 m3?s-1?a-1、0.72 m3?s-1?a-1和0.66 m3?s-1?a-1。3個(gè)指標(biāo)的周期性變化都比較明顯, 其中徑流和降水的波動變化基本一致, 表明徑流對降水的響應(yīng)比較突出。徑流變化不僅受氣溫和降水的影響, 還受到水利工程建設(shè)、各類農(nóng)業(yè)措施等多種因素的影響。

降雨; 氣溫; 徑流響應(yīng); Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法; 累計(jì)距平法; 小波分析法; 白洋淀流域

水資源是生命的源泉, 是人類生存和發(fā)展過程中不可缺少和替代的重要物質(zhì)資源, 在社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中具有重要的作用[1]。水循環(huán)在自然與人類社會的發(fā)展過程中具有重要的調(diào)節(jié)和控制作用, 在聯(lián)系“地圈-生物圈-大氣圈”中起到了重要的紐帶作用[2]。徑流是水循環(huán)的基本環(huán)節(jié), 又是水量平衡的基本要素。作為表征水資源豐欠程度的主要指標(biāo), 徑流是可長期開發(fā)利用的水資源。因此, 科學(xué)認(rèn)識以徑流為主要表征的水循環(huán)過程, 是合理利用水資源的前提。

白洋淀作為華北平原最大的淡水湖泊濕地, 是重要的水利樞紐, 在緩洪治澇、蓄水灌溉、調(diào)節(jié)小氣候和維護(hù)生態(tài)環(huán)境平衡等方面具有重要的作用。其所在的白洋淀流域隸屬于大清河水系, 20世紀(jì)60年代以來, 在氣候條件和人類活動的強(qiáng)烈干擾下, 白洋淀流域入淀的地表徑流量不斷減少, 淀區(qū)的水資源量大幅度減少, 干淀現(xiàn)象頻繁發(fā)生; 由于用水量的不斷增加, 大量生活污水和工業(yè)廢水流入, 水環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。白洋淀流域水量的減少和水質(zhì)的惡化, 使得流域的生態(tài)功能降低, 進(jìn)而影響流域的社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全。近年來, 針對白洋淀流域氣候因素和徑流變化方面的研究已取得一定的成果, 諸多研究者針對白洋淀流域的氣候因子變化、徑流變化及驅(qū)動機(jī)制、水循環(huán)機(jī)理進(jìn)行了分析[3-7]: 劉茂峰等[3]研究得出白洋淀流域年徑流呈下降趨勢且持續(xù)性較強(qiáng); 周瑋等[4]分析了白洋淀流域出山徑流的變化及其驅(qū)動因子, 得出氣溫升高、降水減少是徑流減少的主要原因, 另外, 工農(nóng)礦用地面積的擴(kuò)大也可能會引起徑流的減少; 王潔等[5]分析了白洋淀流域氣候因子的變化, 指出氣溫呈明顯上升趨勢而降水呈明顯減少趨勢, 并預(yù)測白洋淀未來氣候?qū)⒗^續(xù)向干熱化方向發(fā)展; 胡珊珊等[6]對白洋淀流域的水循環(huán)機(jī)理進(jìn)行了分析模擬, 得出白洋淀上游水源區(qū)年徑流呈下降的趨勢, 并且人類活動的影響起到了主導(dǎo)的作用。然而, 這些相關(guān)研究沒有將氣候因子和徑流進(jìn)行統(tǒng)一分析, 而只是進(jìn)行單獨(dú)的研究, 缺乏對兩者之間響應(yīng)關(guān)系的分析。因此, 本文基于前人的研究, 選取了白洋淀流域入淀河流上游的阜平、倒馬關(guān)和紫荊關(guān)3個(gè)站的水文觀測資料和7個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù), 采用小波分析、M-K趨勢檢驗(yàn)及突變檢驗(yàn)法、累積距平等方法對流域內(nèi)氣溫、降水和徑流的趨勢變化、突變變化和周期性以及徑流對氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行綜合分析, 以期為流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源合理利用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白洋淀流域(圖1)隸屬海河流域大清河水系, 位于113°39′~116°11′E, 38°4′~40°4′N, 流域面積31 200 km2, 跨河北省、山西省和北京市。流域地勢西北高, 東南低, 海拔跨度0~2 784 m, 自西向東形成山區(qū)、平原區(qū)和洼淀區(qū)。白洋淀流域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)型大陸性半濕潤半干旱氣候, 四季分明, 春季干旱少雨, 夏季高溫多雨, 秋季天高氣爽, 冬季寒冷干燥, 年平均氣溫在7.3~12.7 ℃; 多年平均降水量564 mm, 年內(nèi)降水量分配極不均勻, 70%~80%集中在6—8月份, 多以暴雨形式出現(xiàn), 空間上西部山區(qū)迎風(fēng)坡降水較多, 山區(qū)背風(fēng)坡和平原區(qū)降水量較少。

2 數(shù)據(jù)來源

本文選取白洋淀流域及其周邊7個(gè)國家基本氣象站1957—2012年的逐日氣象資料, 包括逐日的降水量、平均氣溫、日最低氣溫和日最高氣溫4個(gè)氣象要素, 氣象數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)提供(http://cdc.cma.gov.cn); 徑流數(shù)據(jù)選取分布在白洋淀流域內(nèi)的紫荊關(guān)(1957—2012)、倒馬關(guān)(1957—2012)和阜平(1960—2012)3個(gè)典型水文站點(diǎn)的月平均徑流量和年平均徑流量序列數(shù)據(jù), 其中缺測數(shù)據(jù)通過對鄰近數(shù)據(jù)多元回歸進(jìn)行插值補(bǔ)齊, 徑流數(shù)據(jù)主要來自水文年鑒《海河流域水文資料第三卷第四冊大清河水系》。具體氣象站點(diǎn)和水文站點(diǎn)分布見圖1。

3 研究方法

3.1 Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗(yàn)

MK檢驗(yàn)法被廣泛應(yīng)用于水文氣象變量的趨勢檢驗(yàn), 包括氣溫、降水、徑流等要素[8-9], 該方法不要求樣本遵從一定的分布特征, 可以直接檢驗(yàn)變量的變化趨勢[10-13]。其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算方法為:

式中:為樣本量,x和x為樣本量的時(shí)間序列。

統(tǒng)計(jì)量值為正值說明變量呈上升趨勢, 反之變量呈下降趨勢; 當(dāng)時(shí)表明變量在顯著性水平上有明顯的上升或下降的趨勢, 其中檢驗(yàn)臨界值可以通過查表獲取。

當(dāng)樣本趨勢顯著時(shí), 通常采用傾斜度表示系列的長期單調(diào)變化趨勢, 計(jì)算公式為:

式中:x和x分別為年和年的樣本值。當(dāng)>0時(shí), 表明系列有上升趨勢;=0時(shí), 表明系列無趨勢;<0時(shí), 表明系列有下降趨勢。

3.2 Mann-Kendall(MK)突變檢驗(yàn)

對于具有個(gè)樣本量的時(shí)間序列, 構(gòu)造一秩序列[12,14]:

其中:

秩序列S是第時(shí)刻數(shù)值大于時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下, 定義正向樣本序列的統(tǒng)計(jì)量:

其中, UF1=0,(s)和Var(s)是累計(jì)數(shù)S的均值和方差:

按時(shí)間序列的逆序再重復(fù)上述過程, 同時(shí)使UF=-UB(=,-1,…,1), UB1=0。

3.3 累積距平法

累積距平[12]是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對于序列, 其某一時(shí)刻的累積距平為:

其中:

將個(gè)時(shí)刻的累積距平全部算出, 即可繪制累積距平曲線進(jìn)行趨勢分析。

3.4 小波分析

小波分析方法是在傅里葉分析方法基礎(chǔ)上發(fā)展而來, 不僅可以給出氣候序列變化的尺度, 還可以顯示變化的時(shí)間位置, 目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水文氣象要素的變化特征分析中[15-17]。小波變換的離散形式為:

利用小波方差可以更準(zhǔn)確地診斷出多長周期得振動最強(qiáng), 小波方差為:

離散化小波變換將一個(gè)一維信號在時(shí)間和頻率兩個(gè)方向展開, 并以此繪制橫坐標(biāo)為時(shí)間參數(shù), 縱坐標(biāo)為頻率參數(shù)的二維圖像, 分析不同長度的周期隨時(shí)間的演變特征, 并判斷序列存在的顯著周期。

4 結(jié)果與分析

4.1 年際變化及突變分析

從7個(gè)氣象站的年均溫、年降水量和3個(gè)水文站的年徑流量的年際變化(圖2)及突變檢驗(yàn)(圖3)可以看出: 白洋淀流域1957—2012年多年平均氣溫為11.36 ℃, 年平均最高溫發(fā)生在2007年, 為12.84 ℃, 最低溫發(fā)生在1969年, 為9.83 ℃。運(yùn)用MK趨勢檢驗(yàn)得出的年平均氣溫的統(tǒng)計(jì)量=6.01, 滿足= 0.001的顯著水平要求, 平均年均溫增加量為0.05 ℃?a-1, 說明研究區(qū)的年均溫升高趨勢非常明顯(圖2a)。通過MK突變點(diǎn)檢測法得出年均溫突變年份發(fā)生在1991年左右(圖3a), 并通過了=0.05的顯著水平要求。從年平均氣溫的距平(圖4a)也可以看出, 年平均氣溫距平值不斷增加, 說明研究區(qū)年平均氣溫不斷升高, 距平值從1991年后基本都為正值, 且上升的速度明顯快于1991年之前。

近57年來, 白洋淀流域年降水量最大值為811.43 mm, 出現(xiàn)在1959年, 最小值為299.66 mm, 出現(xiàn)在1965年, 年降水量的極值比為1.71。白洋淀流域年降水量整體呈減少的趨勢, 平均減少速率約為1.87 mm?a-1, 由于內(nèi)部存在波動性, 故年降水量的減少趨勢并不明顯(圖2b)。同時(shí), MK檢驗(yàn)得出的=-1.61, 不滿足a=0.05的顯著水平要求。利用MK突變點(diǎn)檢測法分析研究區(qū)年降水量在57年間沒有明顯的突變點(diǎn)(圖3b)。

選取阜平、倒馬關(guān)和紫荊關(guān)3個(gè)典型的水文站點(diǎn)來分析白洋淀流域年徑流量的變化情況, 本文對3個(gè)站點(diǎn)的年徑流量進(jìn)行匯總分析, 得出1960—2012年徑流量的最大值為17.7×108m3, 出現(xiàn)在1963年, 最小值為2.38×108m3, 出現(xiàn)在2007年。年徑流量的極值比為6.44(圖2c, d)。運(yùn)用MK趨勢檢驗(yàn)法得出年徑流量的趨勢分析統(tǒng)計(jì)量=-4.76, 通過= 0.001顯著性水平, 表明年徑流量具有強(qiáng)烈的減少趨勢, 平均年徑流量降低值為0.11×108m3?a-1。根據(jù)MK突變檢驗(yàn)得出年徑流量的突變年份可能發(fā)生在1984年、1985年、1986年、1987年和1994年左右, 但只有1984年之前的年份滿足=0.05的顯著性水平要求(圖3c), 從圖4c年徑流量的距平也同樣看出1984年前后變化情況是不一致的。

為了進(jìn)一步分析年徑流量與年均溫和年降水量之間的相關(guān)關(guān)系, 分別對白洋淀流域1957—2012年氣溫、降水和3個(gè)站的徑流量做累積距平分析(圖4)。年平均氣溫的累積距平值基本為負(fù)值, 并呈先下降后上升的變化趨勢, 轉(zhuǎn)折年份為1991年(圖4a), 說明年平均氣溫在該年份發(fā)生了由低溫向高溫的突變。降水序列的累積距平基本為正值, 曲線在1996年經(jīng)歷了一次顯著地波動, 在1996年以前成波浪式上升的趨勢, 1996年后則迅速下降至今(圖4b)。從3個(gè)站徑流量累積距平看, 倒馬關(guān)與紫荊關(guān)的徑流量累積距平均為正值, 其變化趨勢基本一致, 經(jīng)過了增加-穩(wěn)定波動-下降的趨勢; 而阜平站徑流的累積距平曲線波動變化顯著。但3個(gè)站的曲線值在1984年后開始表現(xiàn)為下降趨勢, 說明徑流值普遍小于平均值(圖4c)。年降水量和年徑流量都經(jīng)過了一個(gè)增長-穩(wěn)定-下降的趨勢, 說明年徑流量的變化對年降水量的變化具有明顯的正響應(yīng); 年均溫與年徑流量變化趨勢相反, 表明兩者之間也存在一定的負(fù)響應(yīng)。

為進(jìn)一步理解徑流量與氣溫、降水之間的關(guān)聯(lián), 對其進(jìn)行了同期的Pearson相關(guān)分析, 結(jié)果表明各水文站年徑流量與年降水之間存在顯著的正相關(guān)性, 降水量的多少會直接影響徑流產(chǎn)量的多少, 而與年平均氣溫之間存在顯著的負(fù)相關(guān)性, 氣溫的升高會引起蒸發(fā)量增加, 從而使得生成的徑流量減少。但從具體分段年份來看, 1996—2012年, 3個(gè)水文站徑流量與年降水量并不存在顯著的相關(guān)性, 這是由于1996年后的降水呈現(xiàn)波動上升的趨勢, 而徑流量則不斷下降, 而這段時(shí)間氣溫仍然增溫顯著, 因此徑流量減少主要由氣溫升高引起。

除了氣象因子的變化外, 水利工程建設(shè)、各類農(nóng)業(yè)措施也會影響流域的水資源量。流域徑流突變的年份基本與國家農(nóng)村土地改革時(shí)間接近。1980s早期是中國土地改革開始的時(shí)期, 這激發(fā)了農(nóng)民的積極性, 通過大量的農(nóng)業(yè)活動增加了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量, 然而, 耕地面積和水的生產(chǎn)效率基本不變, 這樣增加的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量就導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)用水量的增加[18], 這也可以解釋流域徑流在1980年左右開始減少的原因。

另外, 白洋淀上游周邊建立了3個(gè)大型水庫——西大洋水庫、王快水庫和安格莊水庫(龍門水庫已經(jīng)干枯), 修建的目的主要是防洪, 兼顧發(fā)電。但隨著降水的逐年減少, 水庫基本不需要發(fā)揮防洪作用; 但同時(shí)庫區(qū)蓄水量也不斷減少, 目前水庫主要用于灌溉和生活、生產(chǎn)用水。近些年來, 西大洋水庫主要用于唐河灌區(qū)和保定市用水; 王快水庫的管理核心在于抓水質(zhì), 其水質(zhì)在Ⅰ、Ⅱ類之間, 目前用于向北京市供水; 安格莊水庫目前大力發(fā)展旅游業(yè), 在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí), 可能會對水庫的水質(zhì)產(chǎn)生影響。水庫的建設(shè)破壞了水循環(huán)的天然路徑, 使得水量經(jīng)蒸發(fā)和滲漏后大量流失[19], 也引起徑流量減少。

4.2 年代際變化

研究區(qū)降水、氣溫及徑流量的年代際、年內(nèi)差異較大(圖5)。從不同年代氣溫的年內(nèi)分配來看, 白洋淀流域氣溫年內(nèi)變化比較穩(wěn)定, 冬季平均氣溫在0 ℃以下, 其他月份平均氣溫在0 ℃以上, 最高氣溫出現(xiàn)在7月份。從年代際來看, 各月的平均氣溫呈上升趨勢, 增溫幅度在20世紀(jì)90年代后明顯增大, 這與氣溫年際變化圖和檢驗(yàn)出的突變年份1991年基本一致(圖5a)。流域年內(nèi)降水分配不均勻, 當(dāng)年11月到翌年3月, 流域氣溫偏低, 降水量偏少, 該時(shí)期降水量僅占全年降水量的7.8%, 從4月份開始, 隨著氣溫不斷升高, 降水量開始增多, 到7、8月份達(dá)最大值, 雨熱同期的年內(nèi)氣候特征表現(xiàn)的比較明顯。從20世紀(jì)60年代以來, 各月降水量除了在7、8月份表現(xiàn)為明顯的下降趨勢外, 其他月份的降水量則變化復(fù)雜, 說明降水量的變化不僅受氣溫的影響, 還受到人類活動、其他氣候因素的共同影響(圖5b)。

白洋淀流域內(nèi)3個(gè)典型水文站的徑流年內(nèi)分配十分不均勻, 呈現(xiàn)明顯的單峰變化, 汛期和非汛期界線明顯。阜平站、倒馬關(guān)站和紫荊關(guān)站的徑流量從6月份開始迅速增加, 到8月份達(dá)到最高, 從10月份開始又迅速消退。徑流量集中在6—10月, 總徑流量分別占全年徑流量的78%、61%和62%, 其中7—9月分別占61%、48%和49%。這主要與降水的年內(nèi)分配不均有關(guān), 研究區(qū)的降水主要分布在6—9月份, 在7月份達(dá)到最大值, 由此看來徑流的年內(nèi)分配與降水變化具有一致性, 徑流量最大值出現(xiàn)時(shí)間約存在1個(gè)月的滯后。從年代際來看, 隨著氣候變暖和降水的減少, 徑流的年內(nèi)分配在時(shí)間上也發(fā)生相應(yīng)的變化, 雖然各個(gè)水文站最大徑流量出現(xiàn)的月份沒變, 但其徑流量的大小卻有著明顯的變化, 呈不斷減少的趨勢, 從圖得出, 2000年代以來阜平站年內(nèi)最大徑流量比1960年代、1970年代、1980年代、1990年代分別減少85%、78%、75%和60%(圖5c), 倒馬關(guān)站分別減少83%、70%、63%和50%(圖5d), 紫荊關(guān)站分別減少87%、74%、66%和67%(圖5e)。根據(jù)MK突變檢驗(yàn)結(jié)果分析, 3個(gè)站年徑流量的突變年份與前面匯總徑流量的突變年份基本一致。

4.3 逐月、逐季節(jié)年際變化分析

為進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)陜?nèi)氣溫、降水和徑流變化的情況, 分別對研究區(qū)的氣溫、降水和3個(gè)水文站點(diǎn)的徑流進(jìn)行逐月、逐季節(jié)年際變化趨勢的檢驗(yàn)。

從各月氣溫變化情況來看, 12個(gè)月份的值均大于0, 并通過了95%的置信水平檢驗(yàn), 說明氣溫呈明顯的上升趨勢(圖6a)。4個(gè)季節(jié)平均氣溫序列的值也均通過了95%的置信度檢驗(yàn), 增溫趨勢明顯, 并且增溫幅度以冬季最為明顯, 達(dá)到0.57 ℃?(10a)-1, 夏季增溫幅度最小, 為0.33 ℃?(10a)-1(圖6b)。流域內(nèi)降水逐月和逐季節(jié)的變化情況相對氣溫要復(fù)雜, 說明降水波動變化頻繁。研究區(qū)12個(gè)月份降水序列的值以7月和8月最大, 分別為0.85 mm?a-1和1.30 mm?a-1, 說明7、8月份減少幅度最大, 并且8月份還滿足95%的置信度檢驗(yàn), 2—4月份和10—12月份雖然沒有通過置信水平檢驗(yàn), 但其值均為負(fù)值, 說明降水量也是減少的, 而5、6和9月份的均為正值, 降水量在這幾個(gè)月是增加的, 且5月份通過了95%的置信度檢驗(yàn)(圖6c)。降水季節(jié)變化的值在夏季和冬季為負(fù)值, 春季和秋季為正值, 且夏季和冬季都滿足95%的置信度檢驗(yàn), 夏季下降幅度最大, 達(dá)到1.72 mm?a-1(圖6d)。

就各月徑流變化趨勢而言, 3個(gè)站12個(gè)月份的值均小于0, 且均通過了95%的置信度檢驗(yàn)(阜平站4、5和6月份除外), 說明57年間各月徑流量呈明顯的減少趨勢, 在6—10月份減少量最為明顯, 其中各站8月份的徑流減少達(dá)到最大, 阜平、倒馬關(guān)和紫荊關(guān)站分別為0.54 m3?s-1?a-1、0.33 m3?s-1?a-1和0.34 m3?s-1?a-1(圖6e)。從年內(nèi)不同季節(jié)的徑流分配來看, 除阜平站春季, 其他的都通過了95%的置信度檢驗(yàn), 并且均小于0, 徑流減少趨勢明顯, 夏季減少幅度最大, 阜平、倒馬關(guān)和紫荊關(guān)站分別下降0.85 m3?s-1?a-1、0.72 m3?s-1?a-1和0.66 m3?s-1?a-1(圖6f)。因此, 這也反映出徑流量總體下降的趨勢, 其中夏季下降趨勢最為顯著。

白洋淀流域氣溫呈顯著上升的趨勢, 降水量和徑流量則呈下降趨勢。其中冬、春季增溫是氣溫升高主要原因, 夏季增溫幅度要小的多; 夏季降水量和徑流量的減少幅度最大, 這是造成流域年內(nèi)降水和徑流減少的主要原因。由此看來氣溫和降水的年內(nèi)變化對于徑流量形成具有顯著正相關(guān)關(guān)系, 而從年際關(guān)系分析, 氣溫的年際變化與徑流年際變化呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 而與年際降水呈正相關(guān)關(guān)系。

4.4 周期性變化

小波分析結(jié)果顯示研究區(qū)年均氣溫、年降水和年徑流均存在明顯的周期性變化(圖7)。年平均氣溫的小波分析圖中(圖7a), 小波系數(shù)等值線在[-0.5, 0.5]之間交替變化, 正值表示氣溫偏高, 負(fù)值表示氣溫偏低。小波系數(shù)等值線在4~5 a、8~10 a和14~15 a時(shí)間尺度上正負(fù)相位值的變化比較密集。這在小波方差中也有所體現(xiàn), 小波方差在4.5 a、8.0 a和14.0 a存在極值, 其中14.0 a為第1主周期, 4.5 a和8.0 a為主周期。從年降水的小波分析圖(圖7b)得出, 小波系數(shù)等值線在[-1, 1]之間變化, 正值表明降水偏多, 負(fù)值表明降水偏少。進(jìn)一步分析可得小波系數(shù)等值線在2~5 a、8~10 a和13~15 a的時(shí)間段內(nèi)其正負(fù)相位變化比較密集。小波方差在2.5 a、4.5 a、8.0 a和13.0 a存在極值, 其中13.0 a是第1主周期, 其他年份為主周期。年徑流小波分析圖(圖7c)顯示, 小波系數(shù)相位變化與年降水的基本一致, 說明研究區(qū)降水在經(jīng)歷多次雨量偏多期與偏少期的起伏波動的同時(shí), 徑流同樣發(fā)生了多次豐枯交替。根據(jù)小波方差得出, 年徑流具有2.5 a、4.5 a、8.0 a和14.0 a主周期, 其中8.0 a為第1主周期。由此可以看出, 降水對徑流變化具有直接的影響, 兩者的波動周期基本一致, 且徑流量對降水變化有一定的滯后性響應(yīng), 這在周期變化圖中也有所體現(xiàn), 這與下墊面條件等因素有關(guān)。

5 結(jié)論與討論

本文基于趨勢分析、突變分析和周期性分析等方法對白洋淀流域1957—2012年氣溫、降水和徑流的變化趨勢進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)年平均氣溫呈明顯波動上升的趨勢, 并以1991年為突變年份, 此后, 年平均氣溫上升明顯。年降水量總體表現(xiàn)為下降的趨勢, 但其年際波動較大, 這也反映出該地區(qū)的降水受季風(fēng)氣候、海平面氣壓場和太平洋海溫情況、大氣環(huán)流、太陽運(yùn)動以及溫室氣體等因素的影響, 時(shí)空差異性較大[3]。由此看來, 白洋淀流域的氣候逐漸向干熱化趨勢發(fā)展。年徑流量具有強(qiáng)烈的減少趨勢, 平均年徑流量降低值為0.11×108m3, 年徑流量的逐年減少, 使得進(jìn)入淀區(qū)的初始水量也不斷減少, 進(jìn)而加劇白洋淀干淀現(xiàn)象。這主要是受到干熱化氣候的影響, 其次工農(nóng)用地的擴(kuò)張引起的取水量的增加和水利工程的建設(shè)造成的水體蒸發(fā)量的增加也是造成徑流量不斷減少的一個(gè)重要原因, 這方面的因素需要在以后的研究工作中作定量分析。

自20世紀(jì)60年代以來, 各月的平均氣溫呈上升的趨勢, 增溫幅度以冬季最為明顯, 達(dá)0.57 ℃?(10a)-1, 并且整體增溫幅度在90年代后明顯增大, 這與氣溫突變年份是一致的。降水量的年代際變化在7、8月份表現(xiàn)出明顯減少的趨勢, 是造成流域年內(nèi)降水和徑流減少的主要原因, 其他月份則變化復(fù)雜, 說明降水量的變化不僅受氣溫的影響, 還受到農(nóng)業(yè)措施、水利工程建設(shè)等因素的共同影響。研究區(qū)汛期徑流整體呈顯著減少的趨勢, 非汛期總體也是減少的, 但減少幅度比汛期要小很多, 使得徑流年內(nèi)單峰分布格局越來越不突出。

總之, 研究區(qū)氣溫的顯著升高和降水、徑流的逐漸減少已經(jīng)成為主要的發(fā)展趨勢, 這進(jìn)一步加劇了白洋淀流域的干熱化和干淀的發(fā)展態(tài)勢。從具體的響應(yīng)關(guān)系來看, 首先, 通過小波分析得出研究區(qū)年均氣溫、年降水和年徑流均存在多重時(shí)間周期尺度上的嵌套結(jié)構(gòu), 其中氣溫的周期性規(guī)律較弱, 降水與徑流的變化周期一致性明顯, 說明徑流對降水變化的響應(yīng)突出; 其次, 流域內(nèi)氣溫和降水的變化與徑流變化趨勢基本一致, 只是徑流量在年內(nèi)和年際方面受影響的因素不同, 在年尺度上受氣溫升高的影響, 流域內(nèi)蒸散發(fā)量增加, 使得生成的徑流量減少, 加上年降水量的減少, 造成徑流量在年尺度上不斷減少, 說明氣溫的年際變化與徑流年際變化呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 而與年際降水呈正相關(guān)關(guān)系。在月、季尺度上, 夏季徑流量增加趨勢主要受雨熱同期氣候特征的影響, 其他月份徑流量減少主要與降水量迅速減少有關(guān), 說明氣溫和降水的年內(nèi)變化對于徑流量形成具有顯著正相關(guān)關(guān)系。實(shí)際上, 徑流變化不僅受氣溫和降水的影響, 還受到其他氣候因素、人類活動和下墊面條件變化等多種因素的影響, 這些因素對流域徑流量的影響, 需要進(jìn)一步研究, 從而全面了解流域徑流量的驅(qū)動因子。

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Variation trend and response relationship of temperature, precipitation and runoff in Baiyangdian Lake Basin*

GAO Yanchun1,3, WANG Jinfeng2**, FENG Zhiming1,4

(1. Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. College of Geographical Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041000, China; 3. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 4. Key Laboratory for Resources Use & Environmental Remediation, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

As the largest freshwater lake in the North China Plain, Baiyangdian Lake is a key hydro-confluence that is critical for flood prevention, sedimentation mitigation, irrigation, water supply and maintenance of ecological balance of the area. Since the 1960s, surface runoff in Baiyangdian Basin has continuously dropped, water quantity greatly reduced and lake-drying frequency increased due to the impact of climate change and human activities. The decreasing water quantity has reduced ecological function of the lake, further affecting socio-economic development and ecological security in the region. Using observed daily temperature and precipitation data at 7 meteorological stations along with monthly runoff data from 3 typical hydrological stations for the period 1957–2012, the change characteristics in temperature, precipitation and runoff in the Baiyangdian Lake Basin were analyzed. In this study, the cumulative anomaly method, Mann-Kendall test and Morlet wavelet analysis method were used to determine the trends and abrupt changes in mean annual temperature, precipitation and runoff. The purpose of this study was to develop data support and reference base for improving ecological environment and reasonable utilization of water resources in the area. The results showed that the climate in the study area had a significant warming trend with an abrupt increase of temperature since 1988. Especially, the increase of temperature in both winter and summer contributed more to temperatures rising. Annual precipitation showed a decreasing trend with obvious fluctuation. The decrease in summer precipitation (1.72 mm?a-1) was higher than that in the other seasons. Increasing temperature along with decreasing precipitation were the dominant trends, further aggravating dry and hot climatic conditions and lake-drying in the region. There was an obvious decreasing trend in runoff due to the effect of temperature and precipitation. There was a negative correlation between runoff and temperature and a positive correlation between runoff and precipitation at annual scale. At seasonal scale, runoff was positively correlated with temperature and precipitation. Summer runoff in Fuping, Daomaguan and Zijingguan hydrological stations decreased by 0.85 m3?s-1?a-1, 0.72 m3?s-1?a-1and 0.66 m3?s-1?a-1, respectively. The intervals of change in mean annual temperature, precipitation and runoff were obvious. Also the fluctuations in runoff and precipitation were consistent, suggesting that the response of runoff to precipitation was more prominent. The change in runoff was not only influenced by temperature and precipitation, but also by other climatic factors, water conservancy projects, agriculture and local geological conditions. In future studies, it was needed to further analyze the effect of each factor on the runoff in order to comprehensively understand the driving factors of runoff in the basin.

Precipitation; Air temperature; Runoff response; Mann-Kendall test; Cumulative anomaly method; Morlet wavelet analysis; Baiyangdian Lake Basin

10.13930/j.cnki.cjea.160784

P339

A

1671-3990(2017)04-0467-11

2016-11-03

2017-01-06

Nov. 3, 2016; accepted Jan. 6, 2017

* 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB452705)和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41430861, 40871198)資助

* This research was funded by the National Program on Key Basic Research Project of China (2015CB452705), the National Natural Science Foundation of China (41430861, 40871198).

** Corresponding author, E-mail: wangjinfeng@lzb.ac.cn

**通訊作者:王金鳳, 主要從事遙感水文方面的研究。E-mail: wangjinfeng@lzb.ac.cn

高彥春, 主要研究方向?yàn)樗倪b感和水文水資源。E-mail: gaoyanc@igsnrr.ac.cn

高彥春, 王金鳳, 封志明. 白洋淀流域氣溫、降水和徑流變化特征及其相互響應(yīng)關(guān)系[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(4): 467-477

Gao Y C, Wang J F, Feng Z M. Variation trend and response relationship of temperature, precipitation and runoff in Baiyangdian Lake Basin[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(4): 467-477