布哈河流域水資源的氣候演變特征

張超　何立新　王琳

摘要：布哈河是青海湖最重要的徑流補(bǔ)給河流，其流域水資源氣候演變分析對(duì)于青海湖生態(tài)安全有重要意義。通過(guò)天駿、剛察、茶卡氣象站長(zhǎng)系列氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)分析布哈河流域氣候變化特征。結(jié)果表明，近50年來(lái)，流域內(nèi)氣溫均顯著升高，海拔越高升溫越明顯，冬季升溫較其它季節(jié)明顯。采用Man Kendall趨勢(shì)分析法和累計(jì)距平曲線對(duì)各時(shí)段的升溫趨勢(shì)變化進(jìn)行了分析，升溫自1986年開始至1997年有一個(gè)10年左右的波動(dòng)期，隨后在1997出現(xiàn)顯著的突變過(guò)程，在與青藏高原整體趨勢(shì)一致的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出區(qū)域自身的增溫特點(diǎn)。降水呈增加趨勢(shì)，但不如溫度明顯。海拔越高降水增加越明顯，夏季降水增加較其它季節(jié)明顯。根據(jù)氣溫和可利用降水變化特征，流域20世紀(jì)80年代開始進(jìn)入增溫增濕期，在20世紀(jì)90年代進(jìn)入相對(duì)暖干期，21世紀(jì)前10年復(fù)轉(zhuǎn)為暖濕期。

關(guān)鍵詞：布哈河；青海湖；氣溫；降水；氣候演變

中圖分類號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）02-0045-05

在全球氣候變化研究中，青藏高原區(qū)域的響應(yīng)更敏感。對(duì)于青藏高原區(qū)域及青海湖流域的氣候變化特征已有一些研究，姜永見(jiàn)的研究表明，青藏高原平均氣溫呈上升趨勢(shì)，增加溫度介于0.22-0.49℃/10a之間，其中柴達(dá)木地區(qū)增幅最大。青海湖區(qū)域近50年來(lái)氣溫持續(xù)上升，平均上升幅度0.25～0.30℃/（10a）。本文主要研究青藏高原東北部青海湖區(qū)最大的補(bǔ)給河流布哈河，以往的研究中針對(duì)青海湖研究較多，布哈河流域較少，本次在常規(guī)氣溫、降水變化分析基礎(chǔ)上，加入了蒸散、可利用降水的研究，并采用M-K及累計(jì)距平方法進(jìn)行突變性檢驗(yàn)，分析其氣候變化的特征及可利用降水變化趨勢(shì)，全面反映青海湖布哈河流域的氣候變化特性，探討在全球氣候變化背景下，青藏高原東北部青海盆地半濕潤(rùn)氣候向柴達(dá)木盆地干旱氣候過(guò)渡帶的氣候和水文響應(yīng)規(guī)律，為日后該區(qū)域的氣候及生態(tài)環(huán)境變化研究提供基礎(chǔ)資料。

1區(qū)域概況與研究方法

1.1區(qū)域概況

布哈河屬青海湖流域，行政區(qū)劃上主要在青海省海西藏族自治州天峻縣范圍，在河口附近地區(qū)的南北岸分屬剛察、共和兩縣。河流發(fā)源于疏勒南山，從西北向東南流入青海湖。集水面積近15 000km²，河長(zhǎng)286 km，源頭海拔4 513 m，河口海拔3195 m，水系呈樹枝狀，南岸支流相對(duì)較短，水量較??；北岸河網(wǎng)稠密，支流繁多，水量較豐富。流域內(nèi)主要土壤類型包括草氈土、薄黑氈土、栗鈣土、泥炭沼澤土、暗寒鈣土、鈣質(zhì)石質(zhì)土、濕草氈土、沼澤土等。該流域?qū)儆诘湫偷母咴敫珊禋夂?，干旱少雨，日照充足，太?yáng)輻射強(qiáng)烈，氣溫日較差較大。境內(nèi)多風(fēng)，夏秋季以東南風(fēng)為主，冬春季以西風(fēng)為最烈。流域內(nèi)海拔4 000 m以上為終年冰雪覆蓋，4 000 m以下多為高寒草甸、草原，水量豐沛區(qū)有柏枝林、沙棘林等。

1.2研究方法

研究區(qū)屬我國(guó)西北部高海拔高原區(qū)，氣象站點(diǎn)分布較少，本次選取流域內(nèi)天峻氣象站和流域附近剛察、茶卡共三個(gè)氣象站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。天駿、剛察和茶卡三站的海拔依次為3 410 m、3 310 m和3 100 m。以1958年-2014年的逐月氣溫和降水資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析長(zhǎng)系列演變趨勢(shì)及分季節(jié)的演變規(guī)律。數(shù)據(jù)資料引自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中茶卡和天峻站的部分氣候數(shù)據(jù)根據(jù)剛察站數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插補(bǔ)和延長(zhǎng)。

1.2.1高橋浩一郎陸面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式

采用高橋浩一郎提出的陸面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式估算實(shí)際陸面蒸發(fā)量，該公式由于其估算結(jié)果參考價(jià)值較好而常被用于氣候以及陸面水資源變化等研究中，公式如下：

（1）式中：E為月蒸散發(fā)；P為月降水量；T為月平均氣溫。

以降水量（P）與陸面蒸發(fā)量（E）的差值作為可利用降水量（P-E）。

1.2.2累積距平分析

累積距平是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的方法。對(duì)于序列x，其某一時(shí)刻t的累積距平表示為

（2）

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析。

1.2.3 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法與趨勢(shì)突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法是由國(guó)際氣象組織（WMO）推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)分析的方法，也是檢驗(yàn)水文數(shù)據(jù)時(shí)間序列單調(diào)趨勢(shì)的有效工具。對(duì)序列X_t=（x₁，x₂，…，x_ni，x_j，j>i）中x_i與x_i的大小關(guān)系。趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量為

（3）式中：

當(dāng)Mann-Kendall檢驗(yàn)進(jìn)一步用于序列突變檢驗(yàn)時(shí)，構(gòu)造一秩序列如下：

通過(guò)綜合分析綜計(jì)序列U_k及U'_k，可以進(jìn)一步分析序列X_t的趨勢(shì)變化，而且可以明確突變的時(shí)間，指出突變區(qū)域。如果U_k及U'_k兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線±U_α/2之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻。

2結(jié)果與分析

2.1氣溫變化分析

2.1.1年均氣溫

（1）線性傾向分析。

三站多年年均溫度變化見(jiàn)圖2，可以得到多年變化趨勢(shì)均呈上升趨勢(shì)，但上升幅度有所不同，通過(guò)spearman相關(guān)性檢驗(yàn)，天峻、查卡和剛察相關(guān)系數(shù)分別為0.75、0.56、0.75，達(dá)到極顯著水平。其中天駿升溫幅度最高，可達(dá)0.37℃/（10a），其次為剛察站，升溫幅度為0.28℃/（10a），而茶卡站上升趨勢(shì)最弱，為0.21℃/（10a），從地理位置分布的角度分析可知，高海拔區(qū)域增溫幅度大于低海拔區(qū)，這與青藏高原整個(gè)區(qū)域的隨海拔梯度增溫規(guī)律一致。

對(duì)三站每10 a年均氣溫表（表1）可以明顯看出增溫趨勢(shì)自20世紀(jì)70年代始，在80年代后期開始出現(xiàn)較強(qiáng)上升，并一直延續(xù)到2014年，三站變化數(shù)值變化幅度基本一致。在1987年-1988年、1998年、2006年和2009年-2010年均出現(xiàn)溫度峰值。

（2）Mann-Kendall突變檢驗(yàn)與累計(jì)距平分析

采用流域中代表性較強(qiáng)的天峻站進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分析，從圖3可以看出，在1996年與1998年之間兩條曲線有一個(gè)交點(diǎn)，且僅有一個(gè)交點(diǎn)，雖然交點(diǎn)在臨界線外，但通過(guò)對(duì)比累計(jì)距平曲線（圖4）回升趨勢(shì)，能一定程度說(shuō)明布哈河流域地區(qū)在20世紀(jì)90年代后期有一次顯著的突然變暖的過(guò)程，過(guò)程的起點(diǎn)在1997年左右。同時(shí)分析累計(jì)距平曲線可以發(fā)現(xiàn)，從1986年開始，曲線發(fā)生變化，從下降線型轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙€型，說(shuō)明白該年份開始，也有一個(gè)氣溫突變的過(guò)程，該結(jié)果與施雅風(fēng)等人的西北地區(qū)氣候從1987年突然發(fā)生變化的觀點(diǎn)一致。隨后，自1986年至1997年間存在一個(gè)平緩波動(dòng)過(guò)程，說(shuō)明氣溫自1986年突變后有一個(gè)近10 a的上下平緩波動(dòng)期，波動(dòng)后期自1997開始又出現(xiàn)一個(gè)顯著的突變過(guò)程。表明布哈河流域氣溫變化趨勢(shì)與大多數(shù)的研究結(jié)果一致，但同時(shí)具有自身的波動(dòng)特點(diǎn)。

2.1.2溫度的季節(jié)變化

從溫度上來(lái)看，選取布哈河流域內(nèi)天峻氣象站1958年-2011年54 a氣象數(shù)據(jù)做季節(jié)變化分析見(jiàn)圖5。四個(gè)季度溫度均呈上升趨勢(shì)，升溫范圍在0.17-0.66℃/（10a），夏季升溫幅度較小為0.17℃/（10a），冬季升溫明顯為0.66℃/（10a），可以確定的布哈河流域的季節(jié)性增溫是明顯的，其中冬季為主要的升溫季節(jié)。分析波動(dòng)規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)年份以3～5 a為周期發(fā)生規(guī)律性震蕩，并且冬季尤為突出，基本符合王澄海等提出的以3 a周期為主，具有較穩(wěn)定的周期變化這一規(guī)律。

2.2降水變化分析

（1）線性傾向分析。

三站年降水量見(jiàn)圖6，各個(gè)站點(diǎn)降水量均呈上升趨勢(shì)。經(jīng)spearman顯著性檢驗(yàn)，天駿雨量增加趨勢(shì)較為顯著，相關(guān)系數(shù)0.327，達(dá)到顯著水平。三站雨量波動(dòng)趨勢(shì)基本相同，并均在1967年和1989年出現(xiàn)降水峰值。通過(guò)分析線性傾向率得出，三站中天駿站降水增加幅度最大，增加量為13.4mm/（10a），剛察站為5.8 mm/（10a），茶卡站為5.3mm/（10a）。同樣，研究區(qū)內(nèi)海拔較高表現(xiàn)出更強(qiáng)的增雨趨勢(shì)。

（2）Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分析。

年降水量雖然表現(xiàn)為一定的增加趨勢(shì)，但對(duì)天峻站的突變分析結(jié)果（圖7）不明顯，從Mann-Kerrdall突變檢驗(yàn)曲線可以看到，突變檢驗(yàn)曲線從1996年-2006年間有多個(gè)交點(diǎn)，更多地表現(xiàn)為一種周期性的波動(dòng)。

（3）降水量季節(jié)變化分析。

降雨季節(jié)變化見(jiàn)圖8。降水主要集中在夏季，春秋其次，冬季雨量較為稀少。夏季降水量增加趨勢(shì)明顯，冬季降水量沒(méi)有明顯變化，春秋季波動(dòng)性和階段性較強(qiáng)，這與大多數(shù)的研究結(jié)果一致。顯著性水平上看，僅夏季通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)，其它各季均不能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。在全球氣候變暖的大趨勢(shì)下，隨全球大幅度變暖、水汽循環(huán)加快，降水在季節(jié)分配上發(fā)生了一定的變化，布哈河流域的夏季雨量有逐漸增加的趨勢(shì)。

2.3可利用降水量

年可利用降水量作為年降水量與年陸面蒸發(fā)量之差，可用于衡量一個(gè)地區(qū)水資源量的波動(dòng)，反映該區(qū)氣候條件的干濕變化。利用高橋浩一郎蒸散計(jì)算公式，計(jì)算出天駿站蒸散發(fā)量見(jiàn)圖9。蒸散量增加趨勢(shì)不明顯，3.3 mm/（10a），相關(guān)系數(shù)0.109，經(jīng)顯著性檢驗(yàn)增加趨勢(shì)不顯著。天駿站可利用降水分析如圖9中所示，經(jīng)spearman顯著性檢驗(yàn)，可利用降水量呈顯著增加趨勢(shì)，增加量為10.2mm/（10a），受蒸散量影響，可利用降水增加趨勢(shì)不如降雨明顯。結(jié)合可利用降水與氣溫10 a變化（圖10）分析可知，20世紀(jì)80年代開始流域進(jìn)入增溫增濕期，80年代為暖濕期，隨后90年代可利用降水相對(duì)80年代減少，而氣溫持續(xù)升高，進(jìn)入相對(duì)暖干期，21世紀(jì)前10年復(fù)轉(zhuǎn)為暖濕期。

3結(jié)論

通過(guò)與流域外兩站點(diǎn)對(duì)比分析，布哈河流域氣溫呈極顯著上升趨勢(shì)，天峻站達(dá)到0.37℃/（10a），與青藏高原溫度變化趨勢(shì)一致，但不如流域西北部的柴達(dá)木盆地增溫明顯。海拔較高的天駿站升溫幅度最大，四季中冬季升溫幅度大于其它三季，且呈現(xiàn)規(guī)律性震蕩。經(jīng)趨勢(shì)突變分析，增溫自1986年開始，經(jīng)過(guò)10 a的平緩波動(dòng)性變化，至1997年出現(xiàn)顯著升溫突變點(diǎn)，與青藏高原升溫趨勢(shì)一致，同時(shí)表現(xiàn)出流域自身的區(qū)域增溫特點(diǎn)。

流域內(nèi)降水量有增加趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯。海拔較高的天駿站呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，達(dá)到13.4mm/（10a），且增加量最大，說(shuō)明54 a來(lái)流域內(nèi)有逐漸轉(zhuǎn)濕的趨勢(shì)。其它兩站增加趨勢(shì)不明顯。四季中夏季降雨增加明顯，與相關(guān)研究結(jié)果一致。

經(jīng)高橋浩一郎公式計(jì)算，流域內(nèi)陸面蒸發(fā)增加趨勢(shì)不顯著?？衫媒邓糠从吃搮^(qū)氣候條件的干濕變化，經(jīng)分析呈顯著增加趨勢(shì)。同時(shí)根據(jù)氣溫和可利用降水變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)流域20世紀(jì)80年代開始進(jìn)入增溫增濕期，80年代為暖濕期，隨后90年代進(jìn)入相對(duì)暖干期，本世紀(jì)前10年復(fù)轉(zhuǎn)為暖濕期。