汾河水文水資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)分析

溫進(jìn)利，王 煒

(1.山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，太原 030002；2.太原市水利技術(shù)推廣服務(wù)站，太原 030002)

1 項(xiàng)目區(qū)概況

汾河流域位于大陸性季風(fēng)氣候帶，在副熱帶海洋氣團(tuán)和極地大陸氣團(tuán)等的影響下，大陸性季風(fēng)氣候特征明顯，春季較短，少雨干旱多風(fēng)沙，夏季高溫多暴雨，秋季溫和，冬季干寒，且表現(xiàn)出十分明顯的山地氣候垂直變化特征。從東南向西北降雨量逐漸遞減，流域年平均降雨量為503.9mm，且大部分時(shí)間降雨量在400-600mm范圍內(nèi)，高山局地降雨在650mm以上，年際變化大且年內(nèi)分配十分不均勻，全年超出75%的降水主要出現(xiàn)在6-9月，且降雨主要水汽來(lái)源來(lái)自夏季風(fēng)所帶來(lái)的暖濕氣流。

2 研究方法

在汾河流域選取8個(gè)氣象站，具體見(jiàn)表1，并以各氣象站1960-2019年降水和年氣溫逐年資料為基本氣候要素，氣象站資料均取自國(guó)家氣象信息中心。

表1 氣象站及氣象資料長(zhǎng)度

汾河流域水資源主要來(lái)自大氣降水和夏季風(fēng)帶來(lái)的暖濕氣流，相當(dāng)一部分因蒸發(fā)而損耗，所以根據(jù)水量平衡原理，在降水量中減除蒸發(fā)量后便可得到汾河流域可利用降水量，并以此作為水資源量。具體而言，采用以下經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：E為汾河流域陸面蒸發(fā)量，mm；P為汾河流域月降水量，mm；T為汾河流域月氣溫均值，℃。另F=(P-E)A，F(xiàn)為汾河流域可利用水資源量；A為項(xiàng)目區(qū)面積，汾河流域面積為3.9469×104km2，以下便基于此思路和方法進(jìn)行汾河流域水文水資源響應(yīng)分析[1-2]。

3 項(xiàng)目區(qū)氣候特征

3.1 氣溫、降水特征

項(xiàng)目區(qū)氣溫和降水表現(xiàn)出明顯的年際及年代際變化特征，選取流域內(nèi)具有代表性的臨汾、介休、太原、3個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行年代際變化分析，具體情況詳見(jiàn)表2和表3。

表2 汾河流域代表性測(cè)站氣溫年代際變化 ℃

從表2中可以看出，汾河流域在1990-1999年間氣溫最高，冬季氣溫從1960年開(kāi)始至2019年呈現(xiàn)出明顯升高的趨勢(shì)，臨汾站、介休站、太原站2010-2019年測(cè)站冬季年平均氣溫比1960-1969年平均增大1.9℃、2.32℃和2.10℃；其余測(cè)站氣溫變化趨勢(shì)并不十分明顯。

表3 汾河流域代表性測(cè)站降水年代際變化 mm

從表3可以看出，汾河流域各典型測(cè)站降水量夏季變化趨勢(shì)最為明顯，且夏季降水呈逐年減少趨勢(shì)；從年平均降水量值來(lái)看，1970-1979年間夏季降水偏高，此后有減小趨勢(shì)。通過(guò)進(jìn)行以上時(shí)期臨汾站、太原站和介休站年平均氣溫與降水的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，兩者存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但變化趨勢(shì)并不同步。

3.2 蒸發(fā)特征

根據(jù)式(1)求出汾河流域陸面蒸發(fā)量，根據(jù)流域1960-2019年蒸發(fā)量的年際變化可以看出，流域多年平均蒸發(fā)量102mm，最大最小值分別出現(xiàn)在2001年和1994年，分別為116.8mm和57.1mm。此外，根據(jù)對(duì)流域蒸發(fā)量滑動(dòng)均值變動(dòng)趨勢(shì)的分析可以發(fā)現(xiàn)，汾河流域在20世紀(jì)90年代以前其蒸發(fā)量基本位于年平均值以下，此后便明顯高出年平均值。

4 水文水資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)

4.1 水資源變化趨勢(shì)

根據(jù)可利用降水量的計(jì)算，可得出汾河流域1960-2019年水資源量年際變動(dòng)情況，汾河流域多年水資源量均值33.59×108m3，最大值40.37×108m3出現(xiàn)在1988年，最小值29.88×108m3出現(xiàn)在1986年。而且近10年來(lái)，汾河流域水資源量已經(jīng)轉(zhuǎn)為正距平狀態(tài)，水資源量均超出均值水平，表明流域水資源量穩(wěn)定增多，且水資源增多時(shí)期基本和氣溫升高時(shí)期相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明氣候變暖對(duì)汾河流域水資源量的變動(dòng)存在影響。

4.2 對(duì)降水變化的響應(yīng)

通過(guò)分析降水量、蒸發(fā)量、水資源量的季節(jié)性分配以進(jìn)行水文水資源對(duì)降水變化響應(yīng)的分析，結(jié)果詳見(jiàn)表4。由表可知，汾河流域降水主要集中在夏季，夏季降水量在全年總降水量中占比54.9%，其次為秋季，占比將近30%，這也與項(xiàng)目區(qū)夏秋多雨、冬春少雨的特征吻合。蒸發(fā)的變動(dòng)趨勢(shì)與降雨較為接近，夏季蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)總量的比為57.19%，所不同的是，春季蒸發(fā)量比秋季蒸發(fā)量大13.53%。這種變動(dòng)趨勢(shì)主要與溫度及季風(fēng)進(jìn)程有關(guān)。

降水和蒸發(fā)是影響水資源量的兩個(gè)主要方面，降水和蒸發(fā)的年內(nèi)變化對(duì)流域水資源存在重要影響。

4.3 對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

根據(jù)文章所采用的水資源量的計(jì)算公式，水資源量的變化除受降水影響較大外，還受到氣溫的影響。氣溫主要影響降水形態(tài)、冰雪消融、蒸發(fā)，進(jìn)而對(duì)流域水資源量產(chǎn)生影響。根據(jù)氣溫與汾河流域水資源量的相關(guān)性圖(圖1)中的6階多項(xiàng)式擬合曲線(xiàn)，汾河流域R2=0.114，說(shuō)明氣溫和流域水資源量相關(guān)性較差，且不存在線(xiàn)性關(guān)系，氣溫對(duì)流域水資源的影響并非降水量那樣直接，而是通過(guò)其他方式影響流域水資源量[3]。

圖1 汾河流域氣溫與水資源量的相關(guān)性

汾河源所分布的積雪和凍土面積在源區(qū)總面積中占比0.76%，所以，汾河源水資源受冰雪融水和大氣降水共同補(bǔ)給，而冰川和凍土對(duì)氣溫變化十分敏感，源區(qū)冰雪消融基本出現(xiàn)在正溫期。與流域降水情況相比較可以看出，氣溫升至0℃以上后汾河流域降水和蒸發(fā)均增大，水資源量也增多，可見(jiàn)，氣溫的升高有利于汾河源冰雪消融，增大對(duì)流域水資源的補(bǔ)給。

根據(jù)研究和調(diào)查結(jié)果，汾河源積雪面積在1960-2010年間減少了1.5%，且在1993年以后情況有所逆轉(zhuǎn)，這與流域氣溫在20世紀(jì)90年代初明顯上升有關(guān)，這也從另一方面說(shuō)明，氣溫是直接影響流域積雪消融的重要?dú)夂蛞亍７e雪消融后的徑流是流域水資源補(bǔ)給的重要來(lái)源，汾河流域積雪消融徑流量在徑流總量中占比在9.4%左右。

此外，氣溫的變化還會(huì)引起蒸發(fā)量的變動(dòng)，且兩者存在一定的正相關(guān)關(guān)系，即隨著氣溫的升高，大氣內(nèi)水氣壓和飽水量逐漸增大，對(duì)蒸發(fā)產(chǎn)生促進(jìn)作用。隨著蒸發(fā)量的增大，所消耗的流域水資源量隨著增大，流域水資源量減小。故氣溫對(duì)汾河源積雪消融有積極作用，并能增加流域水資源量，但隨著氣溫的升高，蒸發(fā)量增大，又會(huì)造成流域水資源量減少，所以氣溫對(duì)汾河流域水資源量的影響頗為復(fù)雜。

5 結(jié) 論

綜上所述，從50a時(shí)間尺度看汾河流域降水量變動(dòng)趨勢(shì)并不顯著，但氣溫和蒸發(fā)均呈明顯變動(dòng)，但是在20世紀(jì)90年代流域氣溫、降水及蒸發(fā)均表現(xiàn)出較為明顯的變動(dòng)，這主要與全球氣候變暖有直接關(guān)系。降水變化對(duì)汾河流域水資源有直接影響，而氣溫對(duì)流域水資源的影響較為復(fù)雜，隨著氣溫的升高汾河源積雪消融速度加快，所提供的消融性水資源量增多，但是氣溫升高同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)量的增大，會(huì)消耗過(guò)多的水資源量。根據(jù)筆者推測(cè)，這可能是數(shù)十年來(lái)汾河流域水資源波動(dòng)變化且無(wú)明顯增加或減少的主要原因。對(duì)于汾河流域而言，若氣溫變化不明顯，則因降水原因而引起的水資源增加和蒸發(fā)所消耗的水資源減少幾乎相當(dāng)，不會(huì)引起水資源量的明顯改變。