尼亞加拉河1951—2016年水文氣象要素演變特征及其響應(yīng)性

汪琳, 龔麗飛, 李楊, 舒章康, 李晨希, 賀瑞敏

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;2.長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院,江蘇 南京 210098; 3.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心,江蘇 南京 210029;4.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司,江蘇 南京 210029; 5.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源與水權(quán)收儲(chǔ)中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020;6.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所,江蘇 南京 210012)

在全球氣候變化和劇烈人類活動(dòng)的雙重影響下,流域的水文循環(huán)過程隨之發(fā)生了變化[1],進(jìn)而影響區(qū)域氣溫、降水和徑流等要素的演變特征及區(qū)域水資源狀況,甚至影響到國家中長期發(fā)展戰(zhàn)略[2]。尼亞加拉河是世界第一大瀑布——尼亞加拉大瀑布的水源地,同時(shí)也是美國與加拿大水量較為豐富的河流之一,研究變化環(huán)境下區(qū)域水文氣象要素演變特征及其響應(yīng)性是應(yīng)對(duì)氣候變化與人類活動(dòng)影響的重要基礎(chǔ)工作,同時(shí)對(duì)于美、加兩國合理、高效地進(jìn)行水資源規(guī)劃與管理等具有重要意義[3]。

近年來,學(xué)者們圍繞變化環(huán)境下流域水文氣象要素演變特征開展了一系列研究。DAI A等[4]研究發(fā)現(xiàn),受氣候變化和人類活動(dòng)影響,1948—2004年間全球約四分之一的河流徑流量呈顯著下降趨勢(shì)。張建云等[5]、王國慶等[6]、王樂揚(yáng)等[7]結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)近60年中國主要的江河徑流演變及其變化特征進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,除長江大通站外,中國主要江河代表性水文站實(shí)測(cè)年徑流量均呈下降趨勢(shì),人類活動(dòng)是中國北方年徑流量顯著下降的主要原因。王國慶等[8]采用Mann-Kendall 方法和有序聚類方法,研究了嵐河流域的水文氣象要素演變規(guī)律及其階段性變化特征,發(fā)現(xiàn)該流域的徑流序列發(fā)生了明顯突變,由于人類活動(dòng)的影響,21世紀(jì)以來相同降水量條件下流域產(chǎn)流量明顯減少。侯蕾等[9]探討了永定河上游及主要支流的氣溫、降水、徑流的演變特征,研究發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)80年代以前,流域徑流的年內(nèi)和年代變化與氣溫、降水的變化關(guān)聯(lián)性較高,而80年代以后,其關(guān)聯(lián)性較小;水利工程攔蓄及社會(huì)取用水等人類活動(dòng)是徑流變化的主要影響因素。汪琳等[10]和舒章康等[11]分別針對(duì)不同流域水文極值演變特征和徑流極值變化成因進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,氣候變化和人類活動(dòng)破壞了流域水文極值的一致性。鮑振鑫等[12]對(duì)比了多種方法在水文關(guān)鍵要素非一致性檢驗(yàn)中的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)Mann-Kendall方法和有序聚類方法對(duì)于序列的趨勢(shì)性和突變性檢驗(yàn)有著較好的診斷效果。桑燕芳等[13]系統(tǒng)總結(jié)了小波分析方法在水文學(xué)各領(lǐng)域的研究應(yīng)用現(xiàn)狀,得出小波分析法在水文序列的周期性判別中是一種有效的工具。

尼亞加拉河是美國和加拿大重要的水資源區(qū),地處北美洲的五大湖區(qū),一些學(xué)者對(duì)該湖區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究。MCBEAN E等[14]采用回歸分析法和Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)法分析了北美五大湖地區(qū)降水、氣溫和徑流的歷史趨勢(shì),結(jié)果表明,1930—2000年尼亞加拉河的流量和降水呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)。FU W等[15]采用偏最小二乘回歸方法來確定北美五大湖區(qū)冬季降水與氣候變化的聯(lián)系,研究發(fā)現(xiàn),以厄爾尼諾氣候因子為代表的全球氣候變化對(duì)湖區(qū)降水量的影響十分明顯。HUNTER T S等[16]基于GLM-HMD-I時(shí)間序列評(píng)估了歷史年五大湖區(qū)湖上降水、蒸發(fā)、徑流和年平均氣溫,發(fā)現(xiàn)從20世紀(jì)90年代末開始,湖上的蒸發(fā)量突然增加且相對(duì)持續(xù)高于平均蒸發(fā)水平,且升溫期的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度尤其明顯,全球氣候變化對(duì)湖區(qū)水循環(huán)過程的影響較大。

對(duì)于尼亞加拉河的水文要素演變特征變化方面,國內(nèi)外研究相對(duì)較少,因此,深入研究尼亞加拉河流域水文氣象要素的階段性變化特征及其年內(nèi)分配特征,分析不同階段的降水-徑流關(guān)系變化,對(duì)尼亞加拉流域水資源的設(shè)計(jì)與管理及可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

尼亞加拉河(Niagara River)位于北美洲的五大湖區(qū)。尼亞加拉河從伊利湖流注安大略湖,全長約56 km,為美國紐約州與加拿大安大略省的界河。其集水面積包括蘇必略湖、密西根湖、休倫湖和伊利湖水系,總計(jì)約67.3萬km2。河流全程水位落差約99 m,為北美水力資源較豐富的水道之一,流程約經(jīng)一半即為世界第一大瀑布——尼加拉瀑布所在地[17]。尼亞加拉河流域概況如圖1所示。

圖1 尼亞加拉河流域概況圖

降水?dāng)?shù)據(jù)為尼亞加拉流域1951—2016年的格點(diǎn)逐月降水量,數(shù)據(jù)來源于GPCC(Global Precipitation Climatology Centre)網(wǎng)站,分辨率為1.0°×1.0°。結(jié)合選取的皇后水文站以上的控制流域,通過網(wǎng)格平均法得到研究區(qū)域1951—2016年逐月面平均降水量。水文資料為尼亞加拉流域皇后站1951—2016年的逐日流量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源為GRDC(Global Runoff Data Centre)網(wǎng)站。氣溫?cái)?shù)據(jù)來自NOAA格點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)集(Gridded Climate Datasets:Surface Temperature),分辨率為0.5°×0.5°。采用網(wǎng)格平均法獲得流域逐日平均氣溫。為便于分析尼亞加拉流域水文氣象要素的季節(jié)性變化特征,設(shè)定研究區(qū)域的四季分別:3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月—次年2月為冬季。

2 研究方法

有序聚類法推估突變點(diǎn)的實(shí)質(zhì)是尋求最優(yōu)分割點(diǎn),使得總離差平方和最小的分割點(diǎn)為最優(yōu)二分割點(diǎn),可認(rèn)為是序列的突變點(diǎn)[19]。

小波功率譜的背景譜量度可以驗(yàn)證局部小波功率譜的峰值,因此可通過小波全局功率譜圖研究時(shí)間序列的周期波動(dòng)特征及波動(dòng)強(qiáng)度[20]。

3 結(jié)果與討論

3.1 水文氣象要素年尺度演變特征

3.1.1 氣溫要素時(shí)空演變特征

尼亞加拉河流域1951—2016年的氣溫要素演變特征如圖2所示。

在置信水平為0.05的情況下,尼亞加拉河流域的年平均氣溫序列的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量|Z|=3.17>1.96,變化傾向率為1.91 ℃/(10年),表明尼亞加拉河在1951—2016年間,氣溫總體呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。年平均氣溫的5年滑動(dòng)平均線表明,流域年平均氣溫自20世紀(jì)60年代開始下降,自20世紀(jì)70年代開始上升,21世紀(jì)初氣溫升高速度加快,流域進(jìn)入高溫期,這與流域年平均氣溫序列的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1997年相吻合(圖2(b)),即1997年之后,流域氣溫增高趨勢(shì)明顯。尼亞加拉河流域1951—2016年的多年平均氣溫為6 ℃,氣溫空間分布差異較大(圖2(c)),整體呈現(xiàn)南高北低的特點(diǎn),流域南部地區(qū)多年平均氣溫較高,低溫地區(qū)主要分布在流域北部地區(qū)。流域年平均氣溫周期性如圖2(d)所示,左圖為序列連續(xù)小波變換圖,黑色錐形內(nèi)為波譜有效閾值,黑色粗實(shí)線包圍的區(qū)域表示時(shí)間尺度通過0.05顯著性水平的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)[21],對(duì)應(yīng)右圖顯著性檢驗(yàn)的紅色虛線內(nèi)的小波方差峰值。因此,尼亞加拉河年平均氣溫序列在1985—2000年間存在2～4年的顯著性周期。

圖2 尼亞加拉河流域氣溫要素演變特征

3.1.2 降水要素時(shí)空演變特征

尼亞加拉河流域1951—2016年的降水要素演變特征如圖3所示。

圖3 尼亞加拉河流域降水要素演變特征

尼亞加拉河流域1951—2016年的多年平均降水量為848.1 mm,流域年降水量年代際變化幅度較大,年降水量范圍為667～1 012 mm。綜合年平均降水量序列的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量|Z|=1.28<1.96,變化傾向率為6.5 mm/(10年),表明尼亞加拉河流域在1951—2016年的降水量總體呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(shì)。年平均降水量的5年滑動(dòng)平均線表明,尼亞加拉河流域降水量自20世紀(jì)50年代開始一直呈下降趨勢(shì),從20世紀(jì)60年代起呈增加趨勢(shì),21世紀(jì)以來降水量增加趨勢(shì)愈發(fā)顯著。由圖3(b)可知,流域內(nèi)降水空間分布不均勻，流域下游東部地區(qū)和北部地區(qū)降水豐沛,西部地區(qū)降水匱乏。由圖3(c)可知，尼亞加拉河流域年平均降水量的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1964年,1964年之后降水量呈現(xiàn)增加的態(tài)勢(shì)。流域年平均降水量序列的小波方差在4～6年的時(shí)間尺度上出現(xiàn)峰值,但并未通過顯著性檢驗(yàn)(圖3(d)),因此，尼亞加拉河流域的年平均降水量序列存在4～6年的不顯著周期。

3.1.3 徑流要素演變特征

尼亞加拉河流域1951—2016年的徑流要素演變特征如圖4所示。

圖4 尼亞加拉河流域徑流深要素演變特征

由圖4(a)可知，尼亞加拉河流域的多年平均徑流深為274.8 mm,年平均徑流深序列的線性傾向率為0.65mm/(10年)。尼亞加拉河流域年平均徑流深序列的M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為|Z|=0.14<1.96,表明年平均徑流深呈現(xiàn)不顯著增加的變化趨勢(shì)。年平均徑流深序列的5年滑動(dòng)平均過程線表明,流域徑流深變化過程具有明顯的階段性：20世紀(jì)50年代至60年代中期，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；20世紀(jì)60年代中期到21世紀(jì)初，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；21世紀(jì)，開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。結(jié)合流域年平均徑流深序列的有序聚類突變檢驗(yàn)結(jié)果(圖4(b))發(fā)現(xiàn),流域年平均徑流深經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期的變化：1951—1967年，徑流減小期；1967—1998年，徑流增加期；1998—2016年，徑流減小期。流域年平均徑流深序列的小波功率譜圖(圖4(c))表明,流域年平均徑流深序列在1961—1975年存在5～7年的不顯著周期,在1980—2000年間存在3～6年的不顯著周期。

3.2 水文氣象要素季尺度演變特征

尼亞加拉河流域季尺度的水文氣象要素的變化特征見表1。由表1可知,尼亞加拉河流域四季氣溫均呈現(xiàn)升高趨勢(shì),秋季、冬季表現(xiàn)出不顯著增加趨勢(shì);四季降水均呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(shì)。綜合來看,由于尼亞加拉河流域年均徑流深變化具有明顯的階段性,各個(gè)階段的變化差異較大。而其中春、夏和秋季徑流趨勢(shì)不明顯,不同檢驗(yàn)方法對(duì)其趨勢(shì)性的辨識(shí)度較差,故導(dǎo)致對(duì)應(yīng)序列的傾向率變化和M-K檢驗(yàn)法的結(jié)論不一致;尼亞加拉河流域冬季徑流深序列呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢(shì)。

表1 尼亞加拉河流域水文氣象要素季尺度變化特征

為了更加清晰地分析流域季節(jié)徑流深的變化趨勢(shì),繪制了尼亞加拉河四季徑流深的變化過程,如圖5所示。由圖5可知,尼亞加拉河流域季節(jié)徑流深變化總體上與年尺度變化保持一致,具有明顯的階段性,四季徑流深在1951—2016年間經(jīng)歷了減小—增加—減小的變化過程,春季、夏季的平均徑流深高于秋季、冬季的平均徑流深。綜合來看,尼亞加拉河流域四季徑流深呈現(xiàn)不顯著的變化趨勢(shì)。

圖5 尼亞加拉河流域徑流深要素季節(jié)變化特征

3.3 不同階段降水-徑流響應(yīng)關(guān)系

尼亞加拉河流域年平均降水量自1964年之后呈現(xiàn)增加趨勢(shì),相應(yīng)地,流域年徑流深自1967年之后呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。流域降水量自1998年開始仍然保持增加趨勢(shì)而徑流深卻呈現(xiàn)減小趨勢(shì),表明尼亞加拉河流域的徑流深變化受其它非降水因素的影響十分明顯,除了與全球變暖導(dǎo)致的流域氣溫進(jìn)一步增高有關(guān)之外,也與愈發(fā)嚴(yán)重的人類活動(dòng)影響有關(guān)。

尼亞加拉河流域的降水、徑流深、氣溫年內(nèi)分配特征如圖6所示。由圖6可知,尼亞加拉河流域降水年內(nèi)分配不均勻,主要集中在5—10月,占全年降水量的59%左右;月均最大降水量與月均最小降水量之差可達(dá)45.9 mm。同時(shí),流域四季氣溫變化分明,5—10月的氣溫也是全年氣溫最高的時(shí)段,均高于流域多年平均氣溫；7月氣溫最高,為19.5 ℃；1月氣溫最低,為-8.9 ℃；秋季之后氣溫逐漸下降。從流域水文氣象要素年內(nèi)分配特征來看,流域內(nèi)徑流深變化與降水量變化并不是同步的,例如9月份流域降水最為豐沛,氣溫較高,徑流深很小,說明流域豐水期的徑流深可能受其他非降水因素的影響。另外,此時(shí)期氣溫較高,相對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)量較大,由于全球變暖趨勢(shì)的增加,尼亞加拉河流域的氣溫呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì),同時(shí),尼亞加拉河流域由于水量豐富進(jìn)行了大規(guī)模開發(fā),以水庫和調(diào)水工程為代表的人類活動(dòng)對(duì)流域的徑流深也有一定影響。

圖6 尼亞加拉河流域水文氣象要素年內(nèi)分配特征

由于氣候變化和人類活動(dòng)等因素對(duì)徑流的影響較大,根據(jù)尼亞加拉河流域徑流深時(shí)間系列的突變點(diǎn)診斷結(jié)果,將實(shí)測(cè)徑流深序列分為3個(gè)階段:第Ⅰ階段為基準(zhǔn)期,即1951—1967年;第Ⅱ階段，1968—1998年;第Ⅲ階段，1999—2016年。尼亞加拉河流域不同階段的氣溫(T)、降水量(P)、徑流深(R)和徑流系數(shù)(R/P)及其與基準(zhǔn)期(第Ⅰ階段)的相對(duì)變化情況見表2。

表2 尼亞加拉河流域階段性水文氣象要素變化特征

由表2可知,不同階段的氣溫、降水、徑流要素差異較大。第Ⅰ、Ⅱ階段的平均氣溫分別為5.7、5.8 ℃,均小于多年平均氣溫；第 Ⅲ 階段的平均氣溫不僅超過了多年平均氣溫,而且較基準(zhǔn)期的增加了12.78%。基準(zhǔn)期的平均降水量小于流域多年平均降水量848.1 mm；第Ⅱ階段的降水最為豐沛,為860.5 mm；第Ⅲ階段降水量較基準(zhǔn)期增加了4.95%。與降水相對(duì)應(yīng)的是：第Ⅱ階段的徑流深最大,為292.7 mm；第Ⅲ階段的徑流深次之,均較基準(zhǔn)期的有所增加。天然時(shí)期的徑流系數(shù)為0.31,第Ⅱ階段徑流系數(shù)較基準(zhǔn)期的增加了8.69%,而第Ⅲ階段的徑流系數(shù)較基準(zhǔn)期的減少了1.81%。在第Ⅲ階段的降水量和徑流深均較基準(zhǔn)期增加的情況下，徑流系數(shù)卻有所減小,表明尼亞加拉河流域的水文循環(huán)過程受其他非降水因素的影響較大。

尼亞加拉河流域的降水-徑流關(guān)系具有明顯的階段性變化(圖7):隨著降水量的增加,第Ⅰ階段的徑流深隨之增加;第Ⅱ階段的徑流深隨著降水量的增加而減小,表明氣候變化和人類活動(dòng)影響的加劇,破壞了降水-徑流關(guān)系的一致性;第Ⅲ階段的流域徑流深隨著降水量的增加呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)。除此之外,第Ⅱ階段的點(diǎn)群位置明顯靠上,這一階段流域進(jìn)入了豐水期,水量充足,表明此階段流域徑流深減小的主要原因是受其他非降水因素的影響。

圖7 尼亞加拉河流域降水-徑流階段性變化特征

4 結(jié)論

通過對(duì)尼亞加拉河流域的降水、氣溫、徑流深要素進(jìn)行趨勢(shì)、突變、周期性分析,對(duì)不同階段的降水-徑流關(guān)系的探討,得出以下結(jié)論:

1)尼亞加拉河流域的氣溫自1997年之后以1.91 ℃/(10年)的傾向率呈顯著增加趨勢(shì),春季和夏季表現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì),年均氣溫序列在1985—2000年間具有2～4年的周期性。流域氣溫空間分布的差異較大,整體呈現(xiàn)南高北低的特點(diǎn)。年均降水量和季節(jié)性降水量從1964年之后表現(xiàn)出不顯著增加趨勢(shì),流域降水量序列具有2～6年的不顯著周期性。同時(shí),流域降水量空間分布不均勻,表現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn)。流域徑流深序列具有明顯的階段性和3～7年的不顯著周期性變化特征。

2)尼亞加拉河流域徑流的階段性變化特征明顯,變異年份為1967年、1998年。1951—1967年為徑流減少期,1967—1998年為徑流增加期,1999—2016年為徑流減少期。就降水、徑流的年內(nèi)分配情況來看,流域5—10月降水充足,但是對(duì)應(yīng)的徑流深卻較小,表明尼亞加拉河流域的徑流受其他非降水因素的影響明顯。

3)尼亞加拉河流域不同階段的降水-徑流關(guān)系存在差異性,階段性變化關(guān)系明顯,第Ⅱ階段(1951—1967年)的徑流深隨著降水量的增加明顯減小,表明此階段流域徑流主要受其他非降水因素的影響。尼亞加拉河流域徑流變化的定量歸因識(shí)別是未來的重要研究方向。