梧州站1959—2005年徑流變化對(duì)氣候變化的季節(jié)響應(yīng)

孫雯，王月，2，3，楊聰劍，梁彬蘭

(1.廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，廣西桂林541004；2.巖溶生態(tài)與環(huán)境變化研究廣西高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；3.珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004)

全球的氣候變化是環(huán)境變化的重要部分，一直是全球關(guān)注的核心問題。據(jù)IPCC[1]第四次評(píng)估報(bào)告可知，1906—2005年全球地表溫度的線性趨勢(shì)為0.74℃，預(yù)計(jì)到2100年,全球平均氣溫將上升1.1～6.4℃。近百年來，全球的氣候呈現(xiàn)變暖的趨勢(shì)變化特征。氣候變化會(huì)對(duì)全球水文循環(huán)的現(xiàn)狀產(chǎn)生影響，水循環(huán)的降水、蒸發(fā)、徑流、土壤濕度等過程因此而發(fā)生改變，引起水資源在時(shí)空分布上的重新分配[2]。近年來，多地的氣溫呈上升趨勢(shì)，降水呈減少趨勢(shì)。因此，探究在氣候變化影響下，徑流變化在不同季節(jié)的變化特征，對(duì)流域的防汛抗旱減災(zāi)工作有重要意義。

有關(guān)西江流域氣候、徑流變化的研究眾多，張立杰等[3]在SPEI和SPI指數(shù)的基礎(chǔ)上研究了西江流域干旱多時(shí)間尺度變化特征，得出近50 a來，西江流域大部分地區(qū)的干旱強(qiáng)度呈顯著加重趨勢(shì)，夏旱和秋旱更頻繁；陳立華等[4]利用M-K法、小波分析等方法分析了西江流域干流的干旱狀況變化趨勢(shì)及特征，得出西江流域干流徑流呈減少趨勢(shì)，且有3類變化周期；劉綠柳等[5]利用HBV-D水文模型對(duì)西江流域的逐日徑流過程進(jìn)行了多氣候模式、多溫室氣體排放情景模擬，得出西江流域整體上氣溫呈增加趨勢(shì)，降水量與徑流量呈減少趨勢(shì)。前人站在季節(jié)性的角度對(duì)氣候變化下西江流域的徑流響應(yīng)研究較少，主要集中于全年及全流域的趨勢(shì)分析。作為西江流域干流的重要控制點(diǎn)，梧州站的氣象及水文要素可以較好地反映西江流域中游階段徑流在氣候變化影響下的變化特征。本文以梧州站為站點(diǎn)，利用距平法、斯皮爾曼秩次相關(guān)檢驗(yàn)法及R/S分析法，重點(diǎn)分析了西江流域中游氣象要素以及徑流的變化特征，可為西江流域中游的防汛減災(zāi)工作提供決策參考及建議。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

西江發(fā)源于云南馬雄山，干流自西向東流，流域面積大，徑流豐富，洪峰集中，持續(xù)時(shí)間長。梧州水文站于1900年1月掛牌成立，集水面積327 006 km2，占西江流域集水面積的94.6%，控制了廣西境內(nèi)85%的來水[7]，研究范圍見圖1。

資料選取了1960—2005年徑流數(shù)據(jù)及氣候要素?cái)?shù)據(jù)。日徑流數(shù)據(jù)來自于梧州水文站，梧州站地面氣象觀測(cè)站，1960—2005年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日降水?dāng)?shù)據(jù)來自于中國氣象局國家氣候中心。

1.2 研究方法

a) 距平法。距平法常用于判斷距離平均值的變化程度，序列x某一時(shí)刻t的距平表示為：

(1)

b) 斯皮爾曼秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[10]。該法是水文序列趨勢(shì)性分析的一種常用方法，其主要是通過分析水文序列αi與其時(shí)序i的相關(guān)性而檢驗(yàn)水文序列是否具有趨勢(shì)性。在運(yùn)算時(shí)，水文序列αi用其秩次Ri(即把序列αi從大到小排列時(shí)，αi所對(duì)應(yīng)的序號(hào))代表，則秩次相關(guān)系數(shù)為：

(2)

式中n——序列長度;di=Ri-i。如果秩次Ri與時(shí)序i相近,則di較小秩次相關(guān)系數(shù)較大，趨勢(shì)性顯著。

通常采用t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)水文序列的趨勢(shì)性是否顯著，統(tǒng)計(jì)量T的計(jì)算公式為:

(3)

T服從自由度為n-2的t分布，原假設(shè)為序列無趨勢(shì)， 則根據(jù)水文序列的秩次相關(guān)系數(shù)計(jì)算T統(tǒng)計(jì)量，然后選擇顯著水平α，在t分布表中查出臨界值tα/2，當(dāng)|T|≥Tα/2時(shí)，則拒絕原假設(shè)，說明序列隨時(shí)間有相依關(guān)系，從而推斷序列趨勢(shì)明顯，否則，接受原假設(shè)，趨勢(shì)不顯著。

c)R/S分析法。根據(jù)Hurst指數(shù)的大小，可以分析時(shí)間序列趨勢(shì)的成分持久性即長期記憶特征[12]。計(jì)算公式如下：

ln(R/S)=Hlna+HlnN

(4)

式中R——極值差；S——標(biāo)準(zhǔn)差；H——Hurst指數(shù)；N——時(shí)間序列長度。00.5，則降水與徑流的序列呈正持續(xù)性變化，反之則呈負(fù)特征變化；若H=0.5，則降水與徑流序列的變化完全隨機(jī)[12]。

2 梧州站氣候變化特征

2.1 氣溫變化特征

將西江流域梧州站1960—2005年逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行5 a滑動(dòng)平均之后進(jìn)行線性回歸，求得氣溫變化率。由表1可見，1960—2005年，西江流域中游春季平均氣溫與平均最高、最低氣溫均呈下降趨勢(shì)。其中，日平均最高氣溫下降最多，為-0.022℃/a，最高氣溫與平均氣溫的變化率分別通過了α=0.01及α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，變化特征顯著。除春季之外，其余各季節(jié)的日平均最高氣溫及日平均最低氣溫均有顯著上升趨勢(shì)，且冬季的變化率最高，夏季與秋季的上升幅度均不如冬季。其中，冬季氣溫變化率分別為0.031℃/a(日平均最低氣溫)、0.021℃/a(日平均最高氣溫)、0.027℃/a(日平均氣溫)。

從整體上看，西江流域中游冬季和夏季的平均日最低氣溫增加幅度較大，且其增加趨勢(shì)均為極顯著。同時(shí)，平均日最高氣溫的增加趨勢(shì)也呈顯著，但增加幅度小于平均最低溫度。平均氣溫的增加在很大程度上是由于夜間溫度的增加，在地面溫度的升高過程中，多數(shù)地區(qū)最低溫度的增加幅度明顯高于最高溫度，表現(xiàn)出日夜增暖的不對(duì)稱性，使得日溫差變小[13-14]。

表1 西江流域中游梧州站氣溫變化率 單位：℃/a

注：*通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)，**通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)。

2.2 降水變化特征

將1960—2005年間日降水量按月進(jìn)行匯總，得出西江流域中游徑流梧州站的降水量月份分配情況。從圖2中可以看出，降水集中的月份集中于汛期，即4—9月，降水量依次為199.82、243.60、228.03、180.05、195.00、97.87 mm，分別占年降水量的12.47%、15.20%、14.23%、11.23%、12.17%、6.11%；枯水期時(shí)間段(10月至次年3月[7])降水相對(duì)較少，占全年降水總量的19.77%。其中，年平均降水量為1 461.17 mm。

表2為不同年代西江流域中游梧州站四季降水量距平。從表中看出，四季的降水量變化并不平穩(wěn)。20世紀(jì)60年代，春季與冬季降水量較平均值偏少，冬季更甚，而夏秋兩季降水量偏多；20世紀(jì)70年代，冬季降水量偏少，其余季節(jié)較平均值偏多，春季增加量最大，夏季偏多的程度最??；20世紀(jì)80年代，夏季降水量偏少，其余季節(jié)偏多；20世紀(jì)90年代，秋季降水量偏少，其余季節(jié)偏多，冬季值最大；21世紀(jì)初，除夏季降水量少許偏多之外，春夏秋的值均偏小，且都小于10%。

表2 西江流域中游梧州站降水量距平

將降水量進(jìn)行5 a滑動(dòng)平均后線性回歸，得出結(jié)論:年降水量呈下降趨勢(shì)，通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn);西江流域中游四季降水量變化趨勢(shì)大多不顯著，冬季的降水量有增加趨勢(shì),秋季的變化率最大，達(dá)到了-0.018 mm/a，呈顯著減少趨勢(shì)。

3 西江流域中游徑流量季節(jié)性變化特征

3.1 徑流月份分配情況

西江流域的徑流補(bǔ)給主要以大氣降水為主[9]。圖3列出了西江流域中游徑流梧州站的徑流量月份分配情況。由圖可知，西江流域中游徑流的年內(nèi)分布不均，季節(jié)性差異明顯，枯水期的徑流量遠(yuǎn)小于豐水期。其中，冬季(上年12月至當(dāng)年2月)所占比重最小，僅占全年徑流總量的7.6%，春季(3—5月)所占比重達(dá)到19.55%，夏季(6—8月)所占比重為51.97%，秋季(9—11月)為20.79%。

3.2 季節(jié)徑流變化

表3為不同年西江流域中游梧州站四季徑流量距平。由表可知，1960—2005年，春季的徑流量波動(dòng)變化大。20世紀(jì)80年代開始，徑流量較平均值的差值減小，90年代開始小于平均值。夏季徑流量起伏劇烈，20世紀(jì)80年代低于平均值的19.56%，90年代上升至15.33%。秋季徑流量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，20世紀(jì)70—80年代高于平均值的15%左右，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初均小于平均值。冬季徑流量起伏不大，21世紀(jì)初變化量最大，距平值為9.24%。

表3 西江流域中游梧州站不同年代四季徑流量距平

同時(shí)，1960—2005年間，整體來看，徑流量呈微弱上升趨勢(shì)，變化率為0.059 m3/(s·a)。除秋季外，西江流域梧州站冬、春、夏季平均徑流量則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，春季變化最大，增長率則依次為0.09、0.039、0.202 m3/(s·a)。四季的徑流量變化率均未通過顯著性檢驗(yàn)，變化趨勢(shì)并不明顯。

4 氣候變化對(duì)西江流域中游梧州站徑流量影響分析

4.1 氣候因子與徑流量相關(guān)性分析

將1960—2005年的梧州站年均氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)分別與年徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出以下結(jié)果。

圖4所示，年均氣溫與年徑流量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.049，且未通過顯著性檢驗(yàn)；年均降水量與年徑流量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.544，通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。由此可見，降水量增加會(huì)引起徑流量顯著增多，氣溫升高則對(duì)徑流量影響不大。西南地區(qū)夏季洪澇多發(fā)，很大一部分原因來自于夏季降水量急劇增多。有研究認(rèn)為，在全球氣候變暖的大背景下，氣溫升高有可能會(huì)加劇水循環(huán)過程，促使旱澇災(zāi)害的頻率和強(qiáng)度增加[15]，同時(shí)也將改變水資源的時(shí)空分配規(guī)律，使得水資源分配不均勻性加劇[11]。

4.2 徑流對(duì)降水的長程相關(guān)性

由上文分析得知，徑流量對(duì)降水的響應(yīng)顯著。故采用R/S法對(duì)由年降水、年徑流的趨勢(shì)進(jìn)行分析，由計(jì)算結(jié)果得知，降水量的Hurst指數(shù)值為0.25(<0.5)，降水量未來呈負(fù)持續(xù)性變化，即不顯著的增加趨勢(shì)；而徑流量的Hurst指數(shù)值為0.34(<0.5)，則徑流量也呈負(fù)持續(xù)性變化，即不顯著的減少趨勢(shì)。

5 結(jié)論

a) 梧州站冬、春、夏季氣溫均有上升趨勢(shì)，冬季的增幅高于春季和夏季，平均氣溫增幅達(dá)到了0.31℃/10a；冬季和夏季的平均日最低氣溫增加幅度較大，且其增加趨勢(shì)均為極顯著。平均日最高氣溫的增加趨勢(shì)也呈顯著，但增加幅度小于平均最低溫度。

b) 梧州站四季的降水量變化并不平穩(wěn)。其中，四季年降水量除冬季外都有減少的趨勢(shì)，趨勢(shì)大多不顯著。秋季的變化率最大，達(dá)到了-0.018 mm/a，呈顯著減少趨勢(shì)。

c) 梧州站冬、春、夏季徑流總量都有增加趨勢(shì)，秋季徑流總量則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，年徑流總量的變化率為0.059 m3/(s·a)。但均未通過顯著性檢驗(yàn)，變化趨勢(shì)并不明顯。

d) 氣溫與徑流量呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不明顯，未通過顯著性檢驗(yàn)，降水與徑流量呈顯著性正相關(guān)。由此可見，降水量增加會(huì)引起徑流量顯著增多。并且降水量未來呈增加趨勢(shì)，徑流量呈減少趨勢(shì)。由于數(shù)據(jù)量不足，故只選取了1960—2005年進(jìn)行分析。希望在今后的研究中，在更齊全的數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)流域徑流量變化進(jìn)行更全面細(xì)致的分析研究。