基于水量平衡的長江上游地區(qū)氣象水文要素時(shí)空變化特征分析

劉玉婷，許繼軍，姚立強(qiáng)，田 甜，袁 喆

(1.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，武漢 430010; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，武漢 430070)

1 研究背景

隨著全球氣候變暖，水資源在時(shí)空分布上發(fā)生了顯著變化，同時(shí)加劇了降水、蒸發(fā)、徑流和土壤蓄水變化量的水文循環(huán)過程[1]。近年來受人類活動(dòng)和氣候變化雙重影響，長江上游的洪澇、干旱等極端氣候事件明顯增多[2]。研究長江上游地區(qū)水文氣象要素時(shí)空變化特征，有助于了解變化環(huán)境下水資源演變規(guī)律，對(duì)水資源的可持續(xù)利用和旱澇災(zāi)害防御具有重要意義[3]。陳鮮艷等[4]利用50 a水文資料分析長江上游地區(qū)氣候長期變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)氣溫逐年上升，降水量具有年代際變化特征。劉波等[5]分析長江上游水汽含量、水汽收支變化特征，發(fā)現(xiàn)水汽輸入總體呈微弱減少趨勢(shì)，這表明長江上游蒸散發(fā)量對(duì)水文循環(huán)的作用呈逐年增加趨勢(shì)。冶運(yùn)濤等[6]利用降水資料，分析了不同歷時(shí)連續(xù)降水的時(shí)空演變特征，研究氣候變化和人類活動(dòng)背景下的長江上游地區(qū)降水結(jié)構(gòu)時(shí)空分布。Wu等[7]通過研究冰川和凍土的變化，揭示了氣候改變對(duì)長江上游地區(qū)儲(chǔ)水量的影響。

雖然對(duì)長江上游地區(qū)水文氣象要素變化的研究較多，但從時(shí)間、空間2個(gè)層面對(duì)氣溫、降水、蒸散發(fā)和土壤蓄水變化量等水文氣象要素變化特征的綜合研究相對(duì)較少。鑒于此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用水量平衡法、時(shí)間序列分析法等揭示長江上游地區(qū)1980—2019年長系列水平衡要素的時(shí)空演變特征，以期為該區(qū)水資源的綜合管理提供可靠依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

長江上游地區(qū)自青藏高原各拉丹東至湖北省宜昌段，全長4 500 km，總面積約100萬km2，經(jīng)度范圍為90°E—105°E，緯度范圍為25°N—36°N，包括金沙江石鼓以上(F01)、金沙江石鼓以下(F02)、岷沱江流域(F03)、嘉陵江流域(F04)、烏江流域(F05)和宜昌至宜賓段(F06)共6個(gè)水資源二級(jí)區(qū)，見圖1。研究區(qū)自東向西海拔從265 m上升至6 492 m，其中海拔在>4 000 m、3 000～4 000 m和<1 000 m的區(qū)域面積分別占31%、12%和25%[8]。研究區(qū)橫跨3個(gè)氣候區(qū)，分別是高原氣候區(qū)(干旱地區(qū))，北亞熱帶地區(qū)(半濕潤地區(qū))和中亞熱帶地區(qū)(潮濕地區(qū))。其中，青藏高原地區(qū)平均海拔4 000 m，大氣干燥稀薄，年均氣溫 8～10 ℃ ，高原下游的大部分區(qū)域年均氣溫16～18 ℃。受暖濕海洋氣流和西太平洋副熱帶高壓影響，降水分布由東向西、由南向北依次減少，研究區(qū)域全年降水量在800～1 200 mm之間，具有時(shí)空分布不均勻的特點(diǎn)[9]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map of the upstream Yangtze River

3 資料與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)：1980—2015年的降水?dāng)?shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)的基本氣象要素月值數(shù)據(jù)集，空間分辨率為0.5°×0.5°。

DEM數(shù)據(jù)：DEM高程數(shù)據(jù)來源于資源與環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(RESDC) (http:∥www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km。

3.2 研究方法

3.2.1 水量平衡分析

(1)降水量。逐月降水?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)投影轉(zhuǎn)化、裁剪、重采樣、逐日數(shù)據(jù)累加求和等得到5 km×5 km的逐月柵格數(shù)據(jù)。

(2)蒸散發(fā)量。蒸發(fā)量的估算方法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃芏啵?但目前用得較多的是Takahashi Koichiro所提出的陸面蒸發(fā)量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚10]，該模型公式為

(1)

式中：p為月降水量(mm)；t為月平均氣溫(℃)，利用逐月氣溫，經(jīng)過投影轉(zhuǎn)化、裁剪和重采樣，得到5 km×5 km的逐月氣溫?cái)?shù)據(jù)；PEm為月陸地表面蒸發(fā)量(mm)。該公式在物理上考慮了影響蒸發(fā)的最主要因子(氣溫、降水)，并依據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料，在一些地區(qū)的地面蒸發(fā)量計(jì)算中得到了有效的應(yīng)用。先前的研究表明，利用該公式計(jì)算出的蒸散發(fā)與實(shí)際蒸散發(fā)比較符合[11-13]。

(3)土壤蓄水變化量。流域土壤蓄水變化量用土壤水分虧缺來表示，為年降水量減去年地表蒸發(fā)量。將地形因素引起的地表徑流量考慮在內(nèi)，徑流系數(shù)用來計(jì)算年有效降水量，用年有效降水量(年降水量與地表徑流量之差)代替年降水量[14-15]。根據(jù)USDA-SCS法和經(jīng)驗(yàn)值法，不同坡度s的徑流系數(shù)α確定方法為:s∈(0°,5°],α為0；s∈(5°,10°],α為0.04；s∈(10°,15°],α為0.12；s∈(15°,20°],α為0.2；s∈(20°,25°],α為0.27；s>25°,α為0.35[16]。計(jì)算公式為

SD=P(1-α)-PE 。

(2)

式中：SD為土壤水分虧缺(mm)；P為年降水量(mm)，由月降水量累積而成；PE為年陸面蒸發(fā)量(mm)，由月陸面蒸發(fā)量累積而成。

3.2.2 趨勢(shì)性分析及顯著性檢驗(yàn)

一元線性回歸法以其簡(jiǎn)潔易操作的優(yōu)勢(shì)在水文氣象分析中得到廣泛應(yīng)用。本研究用該方法分析了1980—2019年的降水、氣溫、蒸發(fā)和土壤蓄水變化量的時(shí)空變化趨勢(shì)，計(jì)算公式為

式中：slope為斜率；Xi和Yi分別為自變量和因變量；n為時(shí)間序列的長度。一般而言，當(dāng)slope> 0時(shí)，系列呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)slope< 0時(shí)，系列呈遞減趨勢(shì)。

采用F檢驗(yàn)法對(duì)一元線性回歸的結(jié)果進(jìn)行α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)，分析顯著性水平的公式為

(4)

式中F是F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值。r值是判斷F檢驗(yàn)是否顯著的標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)r<0.05、slope>0時(shí)，表明自變量的變化趨勢(shì)顯著增加；當(dāng)r<0.05、slope<0時(shí)，表明自變量的變化趨勢(shì)顯著減?。划?dāng)r>0.05時(shí)，表明自變量的變化趨勢(shì)不顯著。

3.2.3 氣象水文要素質(zhì)心識(shí)別

通過分析各研究時(shí)段的氣象水文要素分布質(zhì)心，可以發(fā)現(xiàn)其空間變化趨勢(shì)[17]。本文利用ArcGIS中質(zhì)心轉(zhuǎn)移分析功能得到降水、氣溫、蒸發(fā)和土壤蓄水變化量的面積加權(quán)質(zhì)心變化，并對(duì)其進(jìn)行空間格局分析。計(jì)算公式為：

(5)

(6)

式中：Xt和Yt分別是第t年水文氣象要素分布質(zhì)心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；Xi和Yi分別為第i年水文氣象要素分布質(zhì)心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；Cti為第t年第i個(gè)小區(qū)域內(nèi)要素的面積；n是研究區(qū)內(nèi)小區(qū)域的個(gè)數(shù)。

4 結(jié)果分析

4.1 氣象水文要素空間分布

長江上游地區(qū)1980—2019年多年平均氣溫、降水量、蒸發(fā)量和土壤蓄水變化量的空間分布特征如圖2所示。由圖2可知，長江上游地區(qū)年均氣溫在-8.5～19.6 ℃之間，在空間上呈現(xiàn)由東南向西北逐漸降低的趨勢(shì)。區(qū)域內(nèi)年均降水量和蒸發(fā)量總體由東南向西北逐漸減少，年均降水量為880 mm，年均蒸發(fā)量為392 mm。由于受到暖濕氣流的影響，東部地區(qū)年均降水量普遍在1 400 mm左右，年均蒸發(fā)量為600 mm，部分地區(qū)達(dá)到了740 mm；西部為干旱地區(qū)，暖濕氣流由于海拔高和山脈阻擋無法到達(dá)，當(dāng)海拔升高到6 000 m時(shí)，年均降水量只有400 mm，同時(shí)，年均蒸發(fā)量低于100 mm。年均土壤蓄水變化量最高值出現(xiàn)在四川、重慶等地區(qū)，最低值出現(xiàn)在青海、甘肅等部分地區(qū)，呈現(xiàn)出極強(qiáng)的空間異質(zhì)性。

圖2 年均氣溫、年均降水量、年均蒸發(fā)量和年均土壤蓄水變化量空間分布Fig.2 Spatial distribution of average annual temperature, average annual precipitation, average annual evaporation, and average annual soil water storage variation

在垂直變化上，年均氣溫、年均降水量和年均蒸發(fā)量均隨高程的增加逐漸降低，但各氣象水文要素對(duì)高程的敏感性存在一定差異(見圖3)。具體而言，氣溫隨著高程的增加而降低，從近似的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來看，高程每上升100 m，氣溫下降0.45 ℃；以4 000 m為分界點(diǎn)，隨著高程的增加，降水量對(duì)高程變化的敏感度從-0.076(高程≤4 000 m時(shí))增加到-0.271(高程>4 000 m時(shí))，而蒸發(fā)量對(duì)高程變化的敏感度由-0.121(高程≤4 000 m時(shí))減少到-0.060(高程>4 000 m時(shí))。根據(jù)土壤蓄水變化量的計(jì)算公式以及降水量和蒸發(fā)量的變化特征，表明高程<4 000 m的地區(qū)，土壤蓄水變化量隨著高程的增加而增加，在高程>4 000 m的地方，土壤蓄水變化量隨著高程的增加而減少，圖3(d)印證了這一推論。

圖3 氣溫、降水量、蒸發(fā)量、土壤蓄水變化量與高程的關(guān)系Fig.3 Relations of temperature, precipitation, evapo-ration, and soil water storage variation against elevation

年均氣溫、降水量、蒸發(fā)量、土壤蓄水變化量與經(jīng)緯度的變化也有一定的相關(guān)性。隨著經(jīng)度的增加，年均氣溫、降水量、蒸發(fā)量和土壤蓄水變化量總體上都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其中，土壤蓄水變化量隨經(jīng)度增加振蕩的幅度最大(見圖4)。在緯度方向上，以32°N為分界線，年均降水量和土壤蓄水變化量的變化出現(xiàn)了顯著的不同，在緯度<32°N的地區(qū)，隨著緯度的增加，年均降水量和土壤蓄水變化量的變化幅度都不大，呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)；但是在緯度>32°N的地區(qū)，隨著緯度的增加，年均降水量和土壤蓄水變化量明顯減小。年均氣溫和蒸發(fā)量分界線出現(xiàn)在緯度為31°N的地區(qū)，在31°N緯度線以北的地區(qū)，氣溫下降程度顯著增加；而蒸發(fā)量在31°N緯度線以南的地區(qū)，隨著緯度的增加而略微增加，在31°N緯度線以北的地區(qū)，隨著緯度的增加而減小。

圖4 氣溫、降水量、蒸發(fā)量、土壤蓄水變化量與經(jīng)緯度的關(guān)系Fig.4 Relations of temperature, precipitation,evaporation, and soil water storage variation against longitude and latitude

4.2 氣象水文要素時(shí)間演變規(guī)律

為深入探索研究區(qū)水循環(huán)規(guī)律，利用ArcGIS對(duì)1980—2019年水文氣象要素進(jìn)行逐像元線性擬合。圖5為水文氣象要素變化趨勢(shì)。

圖5 氣溫、降水量、蒸發(fā)量、土壤蓄水變化量變化趨勢(shì)空間分布Fig.5 Spatial distribution of variation in temperature,precipitation, evaporation, and soil water storage variation

從圖5可以看出，近40 a來長江上游地區(qū)整體氣溫增加，且都通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明氣溫增加較為顯著。降水量增加的地區(qū)占研究區(qū)面積的51.66%，主要分布在西北部高原地帶，呈顯著增加的地區(qū)占研究區(qū)面積的9.48%，降水量減少的地區(qū)占研究區(qū)面積的48.34%，呈顯著減少的占研究區(qū)面積的1.42%，這一規(guī)律與何其芳[18]對(duì)長江上游各地區(qū)年降水量變化趨勢(shì)的研究結(jié)論總體一致。區(qū)域內(nèi)絕大多數(shù)地區(qū)蒸發(fā)量呈增加趨勢(shì)，增加的區(qū)域面積占比高達(dá)93.13%，顯著增加的占研究區(qū)面積的51.66%，蒸發(fā)量減少的面積只有6.87%。土壤蓄水變化量增加的地區(qū)占研究區(qū)面積的39.81%，主要分布在西北部地區(qū)，土壤蓄水變化量減少的地區(qū)占研究區(qū)面積的60.19%，呈顯著增加的地區(qū)占研究區(qū)面積的4.74%，呈顯著減少的地區(qū)占研究區(qū)面積的4.03%。

由圖6、表1可知：①1980—2019年長江上游地區(qū)的年均氣溫上升趨勢(shì)明顯，變化率為0.39 ℃/(10 a)；年均降水量變化幅度不大，最大值接近962 mm，最小值接近735 mm；年均蒸發(fā)量變化率為6.08 mm/(10 a)，呈顯著增加趨勢(shì)，并且通過了α=0.05的顯著性水平；年均土壤蓄水變化量呈輕微的下降趨勢(shì)，變化率為-6.14 mm/(10 a)，最小是2006年的291 mm，最大是1998年的514 mm，年代變化有明顯的波動(dòng)性；②金沙江石鼓以上氣溫和蒸發(fā)量呈增加趨勢(shì)，變化率分別是0.37 ℃/(10 a)和5.48 mm/(10 a)，并達(dá)到了α=0.05的顯著性水平；③金沙江石鼓以下氣溫、降水量、蒸發(fā)量和土壤蓄水變化量整體上都呈顯著上升趨勢(shì)，近40 a的變化率分別是0.53 ℃/(10 a)、20.73 mm/(10 a)、6.74 mm/(10 a)和13.30mm/(10 a)；④嘉陵江流域和岷沱江流域內(nèi)的氣溫和蒸發(fā)量都有顯著上升趨勢(shì)；⑤烏江流域和宜昌至宜賓段的氣溫上升明顯，變化率分別是0.30 ℃/(10 a)和0.31 ℃/(10 a)，兩區(qū)域內(nèi)降水量、蒸發(fā)量和土壤蓄水變化量變化趨勢(shì)均未通過顯著性檢驗(yàn)。孫甲嵐等[19]利用長江上游67個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日平均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，分析得出長江上游平均氣溫有明顯上升趨勢(shì)，降水稍有下降趨勢(shì)。馬倩等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，長江上游儲(chǔ)水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。本文分析結(jié)果與前人的研究結(jié)論在長江上游地區(qū)水文要素的變化趨勢(shì)上一致。

圖6 氣溫、降水量、蒸發(fā)量、土壤蓄水變化量年變化及線性趨勢(shì)Fig.6 Annual variation and linear trend of temperature, precipitation, evaporation,and soil water storage variation

表1 水資源二級(jí)區(qū)線性趨勢(shì)及顯著性Table 1 Linear trend and significance of secondary water resources area

圖7為水文氣象要素質(zhì)心年際變化曲線。由圖7可知，1980—2019年長江上游地區(qū)氣溫質(zhì)心經(jīng)度減小、緯度增加，表明氣溫中心向西北方向偏移，并且經(jīng)緯度的變化趨勢(shì)都通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，即偏移程度很大；近40 a來降水質(zhì)心逐漸向低經(jīng)度、高緯度的地區(qū)轉(zhuǎn)移，經(jīng)度傾斜率為-0.06°/(10 a)(表2)，且達(dá)到了α=0.05的顯著性水平，表明西移趨勢(shì)明顯；蒸發(fā)和土壤蓄水變化量質(zhì)心遷移與降水質(zhì)心的變化趨勢(shì)基本一致，均是經(jīng)度減小、緯度增大，即均呈現(xiàn)出向西北移動(dòng)的態(tài)勢(shì)，但變幅存在一定差異，蒸發(fā)質(zhì)心經(jīng)度、緯度變化的傾斜率分別為-0.04°/(10 a)、0.02°/(10 a)，且二者均通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，同時(shí)，土壤蓄水變化量經(jīng)度變化趨勢(shì)通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。這些結(jié)果說明從空間分布上來看，西北地區(qū)的氣溫、降水、蒸發(fā)和土壤蓄水變化量均有所增加。

圖7 氣溫、降水量、蒸發(fā)量、土壤蓄水變化量質(zhì)心年際變化Fig.7 Interannual change curves of the centroid of temperature, evaporation, precipitation, and soil water storage variation

表2 質(zhì)心時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of centroid time series

5 結(jié) 論

(1)近40 a來，長江上游地區(qū)年均氣溫為7.4 ℃，年均降水量為880 mm，年均蒸發(fā)量為392 mm，年均土壤含水量為438 mm，年均氣溫、年均降水量和年均蒸發(fā)量的空間分布由東南向西北逐漸降低，年均土壤含水量存在著較大的空間異質(zhì)性。

(2)1980—2019年長江上游地區(qū)氣溫上升的趨勢(shì)較為明顯，傾斜率為0.39 ℃/(10 a)；年均降水整體變化幅度不大，增加的區(qū)域主要在西北部高原地區(qū)；年蒸發(fā)量傾斜率為6.08 mm/(10 a)，并呈顯著增加趨勢(shì)，金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下、嘉陵江流域和岷沱江流域增加趨勢(shì)明顯；年均土壤蓄水變化量整體有略微下降，傾斜率為-6.14 mm/(10 a)。

(3)1980—2019年長江上游地區(qū)氣溫、蒸發(fā)質(zhì)心向西北方向偏移程度很大，氣溫質(zhì)心經(jīng)度、緯度變化的傾斜率分別為-0.03°/(10 a)和0.01°/(10 a)，蒸發(fā)質(zhì)心經(jīng)度、緯度變化的傾斜率分別為-0.04°/(10 a)和0.02°/(10 a)；降水質(zhì)心和土壤蓄水變化量質(zhì)心的經(jīng)度傾斜率分別為-0.06°/(10 a)和-0.1°/(10 a)，且達(dá)到了α=0.05的顯著性水平，表明降水質(zhì)心和土壤蓄水變化量質(zhì)心西移趨勢(shì)明顯。

本研究僅是采用簡(jiǎn)單的水量平衡方程推算關(guān)鍵水循環(huán)要素的變化，未考慮土地利用類型、人類活動(dòng)影響等對(duì)有效降水、蒸發(fā)、土壤水等方面的影響，后續(xù)可結(jié)合分布式水文模型，對(duì)長江上游地區(qū)水循環(huán)過程進(jìn)行更為精細(xì)化的模擬。在充分認(rèn)識(shí)流域水文、氣象變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，深入研究流域水循環(huán)的變化趨勢(shì)，從而更好地為長江上游水資源合理利用及調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。