寒區(qū)流域徑流對氣候變化的響應(yīng)

劉秀 曾晶 李佳

摘 ?要：在氣候變化的大背景下探究東北地區(qū)4個小流域潛在蒸散和徑流的變化狀況，結(jié)果表明：東北地區(qū)2006—2012年有著明顯的增溫趨勢，降水量在波動中緩慢上升;其中2個小流域的潛在蒸散量和降水量53年來處于上升趨勢，但徑流深度卻在下降，說明流域徑流變化還與東北凍土的凍融有關(guān)。

關(guān)鍵詞：氣候變化;徑流;蒸散量;寒區(qū)流域

中圖分類號 P333文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）10-0131-04

凍土一般指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤。土壤凍融作用和水熱交換，貫穿于寒區(qū)的產(chǎn)流、入滲和蒸散發(fā)過程，是寒區(qū)水循環(huán)研究的核心環(huán)節(jié)。在全球氣候變化的大背景下，區(qū)域?qū)用娴臐撛谡羯⒑蛷搅髟谄溆绊懴露紩l(fā)生一定程度的變化。潛在蒸散是在一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時，某一固定下墊面可能達到的最大蒸發(fā)蒸騰量。潛在蒸散是實際蒸散的理論上限，與降水共同決定區(qū)域干濕狀況，并且是估算生態(tài)需水和農(nóng)業(yè)灌溉的關(guān)鍵因子[1]。徑流作為水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，是地球陸地表面水大量存在的1個具體載體。由于降水-徑流-蒸散是土壤圈以上水分循環(huán)的主要組成部分，而氣候變化影響了降水和蒸散，所以在氣候變化下徑流的變化是必然的。

FOA在Blaney-Criddle、輻射、鍋蒸發(fā)和修正的Penman-Monteith公式4種方法的比較中確定了修正的Penman-Monteith公式為計算潛在蒸散（ET0）的標(biāo)準(zhǔn)方法;Salem S. Gharbia等設(shè)計了一種基于地理信息系統(tǒng)算法以模擬大型集水系統(tǒng)的空間分布式潛在蒸散量模型。吳霞等利用全國552個氣象站點1961—2015年逐日氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)Penman-Monteith公式得到各站點逐日潛在蒸散ET0，分析了我國潛在蒸散的時空變化特征。曾麗紅等基于1951—2008年東北地區(qū)106個氣象站點的實測數(shù)據(jù)，用Penman-Monteith公式計算潛在蒸散量，并將氣候水分盈虧量表示為同期降水量與潛在蒸散量之差，并在此基礎(chǔ)上對東北地區(qū)水分盈虧量的時空格局進行了分析，得到了其整體的水分盈虧量為下降趨勢的結(jié)果。目前，國內(nèi)外對氣候變化對徑流的影響進行了一系列的研究[2-5]。

筆者利用1960—2012年全國氣象站點的氣溫和降水量數(shù)據(jù)，空間插值得到整個東北地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，再由GLDAS提取研究區(qū)的潛在蒸散量數(shù)據(jù)，構(gòu)建了東北地區(qū)氣候變化大背景。在此大背景下，從蒸散量、徑流量以及降水量水量平衡的角度分析研究區(qū)4個小流域的水文特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 試驗所指東北地區(qū)包括黑龍江省的全部以及內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，地理位置大體在42°40′～53°33′N、115°05′～135°05′E（見圖1）。徑流數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)的4個小流域，4個小流域從北至南分別是由塔河、牛耳河、烏爾其汗和紅花爾基。截至2012年，4個流域的面積分別為6581、2992、3394、5390km2，4個流域具有典型性，都位于大興安嶺地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源 主要數(shù)據(jù)來源1960—2012年東北39個氣象站點實測氣溫與降水量的數(shù)據(jù)和4個流域水文站點的徑流量數(shù)據(jù)，以及GLDAS提取的東北地區(qū)蒸散量數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域氣候變化 利用東北39個氣象站點實測氣溫和降水量數(shù)據(jù)，計算得出53年氣溫和降水量年際變化以及變化趨勢空間分布特征。1960—2012年東北地區(qū)氣溫表現(xiàn)出明顯的升溫趨勢，降水量在波動中依舊呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，潛在蒸散量也有逐年上升的趨勢（表1）。

2.1.1 流域年均溫度年際變化趨勢 從研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)中分別提取4個流域的逐日平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)，進行計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，4個流域年平均溫度變化趨勢都是上升的，這同研究區(qū)年平均溫度上升的趨勢相同。在上升的幅度上，牛耳河的0.053℃/年最高，塔河次之，為0.038℃/年，最后的紅花爾基和烏爾其汗差別不大，分別為0.033℃/年和0.035℃/年，只有塔河與牛耳河的升溫趨勢大于整個東北研究區(qū)的升溫率（0.036℃/年）。

2.1.2 流域年均降水量年際變化趨勢 從圖3可以看出，4個流域53年年均降水量最高的是塔河，為527.92mm，其后是牛耳河、烏爾其汗和紅花爾基，平均降水量分別為497.67、475.53和459.60mm，其順序恰好是按由高緯向低緯排列。4個流域的降水量并不大，只有塔河的平均降水量超過研究區(qū)的平均降水量（523.40mm）。4個流域年均降水量變化趨勢中，塔河和牛耳河是上升趨勢，上升率分別為0.67mm/年和0.75mm/年;烏爾其汗與紅花爾基53年降水變化率都是下降的，下降速率分別為-1.07mm/年和-0.21mm/年，這同研究區(qū)年均降水量變化率波動特征相同。

2.1.3 流域潛在蒸散變化趨勢 從研究區(qū)的多年平均潛在蒸散量數(shù)據(jù)和潛在蒸散變化率數(shù)據(jù)中分別提取4個流域數(shù)據(jù)，4個流域53年平均潛在蒸散量最高的是紅花爾基，達到了748.61mm，烏爾其汗的為689.96mm，塔河的為643.21mm，牛耳河最低，只有586.69mm。4個流域53年的平均潛在蒸散量均沒有超過研究區(qū)的平均潛在蒸散量（811.03mm），這可能與4個流域溫度普遍偏低有關(guān)。4個流域年均潛在蒸散量變化趨勢都是上升的，這與研究區(qū)年均潛在蒸散量上升趨勢相同，只不過它們上升趨勢都遠大于研究區(qū)整體的上升趨勢（0.30mm/年），原因可能與4個流域位于大興安嶺地區(qū)有關(guān)。其中，上升趨勢最大的是烏爾其汗的2.02mm/年，其次是牛耳河的1.87mm/年，紅花爾基的1.41mm/年和塔河的1.34mm/年。

2.2 流域徑流變化 經(jīng)計算，4個流域多年平均徑流深度情況為：塔河的最大，為241.95mm，其次為牛耳河的238.40mm，烏爾其汗和紅花爾基的較小，分別為127.09mm和103.71mm，呈現(xiàn)出越北徑流深度越大的特點，而流域降水量分析得到的結(jié)論也是越北降水量越大。由圖4可以看出，4個流域年徑流深度變化的趨勢都是輕微下降。其中，下降趨勢最大的是紅花爾基的0.883mm/年，其次是塔河的0.767mm/年和烏爾其汗的0.4417mm/年，下降趨勢最小的是牛耳河，只有0.1048mm/年。

2.3 氣候與徑流變化的關(guān)系 根據(jù)水量平衡求出流域理論上的實際蒸散量并與其潛在蒸散量進行比較，發(fā)現(xiàn)4個流域潛在蒸散量的數(shù)據(jù)排列順序與實際蒸散量的數(shù)據(jù)排列順序是相同的（表2），由此可推測潛在蒸散和實際蒸散的變化大致上是相同的。因此，水量平衡中實際的蒸散量可以通過潛在蒸散量根據(jù)特定公式或系數(shù)來轉(zhuǎn)換。流域潛在蒸散的年變化小于降水量的年變化，由水量平衡方程可知年徑流深度應(yīng)該增加，而實際上年徑流深度變化的趨勢是輕微減小的。因此，必然有其他因素影響徑流的變化?？紤]東北地區(qū)季節(jié)性凍土的存在，徑流的變化可能與凍土的凍融有關(guān)，即氣候變化不僅通過影響東北地區(qū)的降水和蒸散來影響徑流的變化，還會通過影響凍土的凍融過程來影響徑流的變化，但是這一方面的分析還有待進一步的研究。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，研究區(qū)4個流域中，其中塔河和牛耳河流域1960—2012年年均氣溫、降水量、潛在蒸散量的變化趨勢都是上升的，而其年徑流深度（1960-2012年）的變化趨勢則是輕微下降的，潛在蒸散和實際蒸散變化趨勢相同。氣候變化對東北地區(qū)徑流的影響除了影響其降水和蒸散外，還會通過影響凍土的凍融過程來影響東北地區(qū)的徑流變化。

參考文獻

[1]尹云鶴， 吳紹洪， 戴爾阜.1971—2008年我國潛在蒸散時空演變的歸因[J].科學(xué)通報，2010，55（22）：2226-2234.

[2]Ziwei Xiao，Peng Shi，Peng Jiang，Jianwei，et al. The Spatiotemporal Variations of Runoff in the Yangtze River Basin under Climate Change[J].Advances in Meteorology，2018.

[3]鄭錦濤，陳伏龍，張鑫厚，等.基于GAMLSS模型的瑪納斯河設(shè)計年徑流分析[J/OL].氣候變化研究進展，2018（03）：1-8[2018-05-23].

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（責(zé)編：徐世紅）