洞庭湖流域徑流變化過程及其對ENSO和東亞季風的響應(yīng)*

谷梓鵬，彭 俊，俞珊妮

(滁州學院)

1 研究背景

地表徑流是陸面水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，在地球陸-氣系統(tǒng)的物質(zhì)和能量交換中起到關(guān)鍵作用[1-2]，對于全球氣候變化具有重要的指示意義.全球氣候變暖加快了地表水循環(huán)過程，改變了水資源的時空分布格局和水資源總量，引發(fā)了一系列突出的水資源問題，制約了生態(tài)環(huán)境和人類社會的可持續(xù)發(fā)展[3].近年來，環(huán)境變化對水資源影響已成為國際上水文、氣象領(lǐng)域關(guān)注的焦點，尤其是水循環(huán)演變規(guī)律及其機理分析[4-5].

ENSO是具有2～7a周期的全球海-氣耦合系統(tǒng)最強信號，東亞夏季風是具有準2a周期的影響我國夏季天氣變化的重要環(huán)流系統(tǒng)[7-8].ENSO是季風年際變率的重要強迫因素，其與東亞夏季風配合共同影響我國季風區(qū)的水汽輸送[9-10]，兩者的周期振蕩必然對流域地表徑流過程造成影響.已有研究表明，ENSO和東亞夏季風對我國不同流域徑流變化過程存在影響，如長江流域[11]、黃河流域[12]、珠江流域[13]等，但以往的研究多側(cè)重于ENSO或東亞季風單一要素對流域徑流過程的作用.而流域徑流變化的成因是十分復(fù)雜的，考慮ENSO和東亞夏季風的聯(lián)合作用對徑流過程的影響不能忽視.

洞庭湖流域是我國典型的亞熱帶季風性濕潤氣候，流域內(nèi)發(fā)育有山地、丘陵、平原，水系豐富、產(chǎn)水能力強.受季風氣候的影響，旱澇災(zāi)害已成為最為嚴重的災(zāi)害之一，造成了嚴重的經(jīng)濟損失[6]，給社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻的挑戰(zhàn).國內(nèi)外學者對洞庭湖流域徑流過程進行過大量研究工作[6,14]，但較少關(guān)注氣候變化對洞庭湖流域徑流過程的影響[15]，尤其是徑流過程對ENSO和東亞夏季風的響應(yīng)還有待進一步探究.因此，該文利用1951～2017年洞庭湖流域湘江、資水、沅江和澧水(簡稱四水)水文觀測站的逐年徑流資料，以及同期多元ENSO指數(shù)(MEI)、東亞夏季風指數(shù)(EASMI)，利用小波分析探討ENSO和東亞夏季風的單一和聯(lián)合作用對徑流變化過程的影響，揭示洞庭湖四水徑流變化過程對氣候變化指示因子的響應(yīng)，以期為洞庭湖流域中長期徑流預(yù)報、水資源管理和旱澇災(zāi)害防控提供科學指導.

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

洞庭湖流域位于長江中游荊江南岸，流域范圍介于24°35′～30°27′N，107°13′～114°18′E之間，覆蓋湖南省大部分地區(qū)和貴州省、湖北省、廣東省、廣西壯族自治區(qū)等地，流域總面積約26萬km2(如圖1所示).洞庭湖北接松滋、藕池、太平三口分流，南納湘、資、沅、澧四水等河湖徑流，為長江中游典型的吞吐、調(diào)蓄型湖泊.流域地形地貌復(fù)雜多樣，東、西、南三面環(huán)山，中部為低矮的丘陵、盆地，北部為洞庭湖平原，呈現(xiàn)出馬蹄形的空間分布特征[15-16].洞庭湖流域為典型的亞熱帶季風濕潤氣候，年平均降雨量1429mm，降水時空分布不均，徑流年內(nèi)變化大，易發(fā)生水旱災(zāi)害，具有“小水大災(zāi)，洪旱并存”的水情特征[17].

2.2 數(shù)據(jù)來源

該文選取洞庭湖流域湘江(湘潭站)、資水(桃江站)、沅水(桃源站)、澧水(石門站)4個水文觀測站的徑流資料，時間序列為1951～2017年，時間分辨率為逐年，資料來源于水利部發(fā)布的《中國河流泥沙公報》和水利部長江委員會水文局.多元厄爾尼諾指數(shù)來源于美國國家和海洋大氣局地球系統(tǒng)研究實驗室.東亞季風指數(shù)采用李建平、曾慶存等定義的東亞季風區(qū)內(nèi)(10°N～40°N，110°E～140°E)850hPa處的夏季6～8月緯向風差異的標準化值，來源于李建平教授主頁[18].

2.3 研究方法

該文利用變差系數(shù)指標、5a滑動平均法、Mann-Kendall趨勢檢驗法[19]和連續(xù)小波變換[20]分析四水水文站徑流量的年際變化、趨勢變化和周期變化.利用交叉小波和小波相干[21-22]分析四水水文站徑流量在時頻域中對ENSO和東亞夏季風單一作用的響應(yīng)關(guān)系.應(yīng)用多元小波相干[23]分析四水水文站徑流量對ENSO和東亞季風聯(lián)合作用的響應(yīng)關(guān)系.

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量的變化過程

3.1.1 徑流量的年際變化

對1951～2017年湘江(湘潭站)、沅江(桃源站)、資水(桃江站)、澧水(石門站)徑流序列數(shù)據(jù)進行5a滑動平均和計算變差系數(shù)處理(如圖2所示).四水年徑流量在均值上下發(fā)生小幅度波動，存在多個波峰(20世紀50年代初期、20世紀60年代末～20世紀70年代和90年代)和波谷(20世紀50年代末～60年代初、20世紀80年代和21世紀前10年)，呈現(xiàn)豐枯交替特征，這種變化特征與洞庭湖流域降水量變化具有很好的一致性[24]，說明降雨是洞庭湖流域四水徑流量補給的主要來源.

從徑流量5a滑動平均過程線可以看出，湘潭站在1954～1965年、1975～1986年、1996～2009年，桃源站在1954～1961年、1969～1986年、1997～2007年，桃江站在1954～1958年、1969～1985年、1996～2009年，石門站在1959～1977年、1982～1986年、1997～2007年呈現(xiàn)減少的趨勢，其余時段呈現(xiàn)增加的趨勢.徑流量變差系數(shù)(CV)計算結(jié)果顯示，湘潭站、桃源站、桃江站石門站的CV值分別為0.24、0.19、0.21和0.26，表明四水入湖徑流量較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)劇烈的年際波動.

3.1.2 徑流量的趨勢變化

湘潭站、桃源站徑流量的Z統(tǒng)計量分別為0.88和0.54，均未突破α=0.05顯著性檢驗的臨界值±1.96，呈不顯著的增加趨勢，兩站徑流量增加速率分別為1.009×108、0.428×108m3/a(見表1).桃江站、石門站徑流量Z統(tǒng)計量分別為-0.02和-0.52，均未突破α=0.05顯著性檢驗的臨界值±1.96，呈不顯著的減少趨勢，兩站徑流量減少速率分別為0.002 m3×108、0.135×108m3/a(見表1).

3.1.3 徑流量的周期變化

四水各站年徑流量的周期變化(在95%置信水平下)具有如下特征；湘潭站存在3個顯著的周期[如圖3(a)所示]，分別為2～3a(1969～1975年)、7～8a(1960～1967年)和19～25a(1978～1992年).桃江站存在3個顯著的周期[如圖3(b)所示]，分別為2～3a(1970～1974年)、3～4a(1995～2003年)和22～25a左右(1980～1989年).桃源站存在2個顯著的周期[如圖3(c)所示]，分別為2～4a(1975～1981年)、22～23a(1981～1989年).石門站存在3個顯著的周期[如圖3(d)所示]，分別為2～4a(1978～1984年)、5～6a(1957～1965年)和4～7a(1999～2007年).

四水各站年徑流量從1950年末開始呈間歇式振蕩，2007年以后無顯著周期，可能是由于2000年以后進入少水期，徑流量波動變化不明顯造成的[6,16].四水各站年徑流量在時頻域內(nèi)具有多個周期，其中顯著的能量區(qū)集中在2～4a的時間尺度上，這與ENSO的2～7a周期和東亞夏季風的準2a周期相對應(yīng)，表明洞庭湖流域四水徑流量年際變化可能受控于ENSO和東亞夏季風等大尺度環(huán)流的作用.

3.2 徑流量對ENSO和東亞夏季風的響應(yīng)

3.2.1 徑流量對ENSO的響應(yīng)

在高能量區(qū)，MEI與四水各水文站徑流量的顯著共振周期主要集中在1956～1960年、1967～1975年、1978～1988年和1995～2004年2～5a的尺度上[如圖4(a1)～(d1)所示]，且徑流量變化滯后MEI變化.其中，MEI與桃源站、石門站徑流量在1956～1960年呈正相位共振關(guān)系，在1978～1988年呈反相位共振關(guān)系；MEI與湘潭站、桃江站徑流量在1956～1960年呈反相位共振關(guān)系，在1967～1975年相位關(guān)系較為復(fù)雜；除石門站外，MEI各站年徑流量在1995～2004年呈正相位共振關(guān)系.在低能量區(qū)，MEI與四水各水文站徑流量在2～5a的顯著共振周期區(qū)域明顯減少，其顯著共振周期主要集中在1956～1959年、1968～1975年和1996～2002年[如圖4(a2)～(d2)所示]，在1956～1959年和1996～2002年的共振周期上兩者以正相位關(guān)系為主，在1968～1975年的周期上兩者呈反相位關(guān)系.在這些周期上徑流量變化主要表現(xiàn)出超前MEI變化.此外，MEI與四水各水文站徑流量還存在其他尺度的共振周期，如MEI與湘潭站年徑流量存在8～12a(1961～1970年)和3～4a(2007～2013年)的共振周期，MEI與桃江站年徑流量存在2～3a(1961～1965年和1969～1974年)以及7～9a(1960～1966年)、11～13a(1999～2003年)的共振周期，MEI變化與桃源站徑流量存在10～12a的共振周期.

上述分析表明，四水各水文站年徑流量與MEI在時頻域中存在著多個不同尺度的顯著共振周期，且主要集中在2～5a的尺度上，在該周期上兩者的相關(guān)系數(shù)達0.7以上，且以滯后響應(yīng)為主.在20世紀50年中后期～60年代初和90年代中后期～21世紀前10年初的2～5a的尺度上，兩者均以正相位共振關(guān)系為主，且在時頻域高能量區(qū)2～5a尺度的周期上各水文站徑流量對MEI的響應(yīng)比低能量區(qū)更為敏感.

3.2.2 徑流量對東亞夏季風的響應(yīng)

在高能量區(qū)，EASMI與四水各水文站年徑流量的顯著共振周期主要集中在1969～1974年和1977～1985年2～4a的尺度上[如圖5(a1)～(d1)所示]，兩者以反相位共振關(guān)系為主，且徑流量變化滯后EASMI變化.此外，在高能量區(qū)EASMI與湘潭站、桃源站徑流量在1965～1978年存在10～14a尺度的反相位共振周期.在低能量區(qū)，EAMSI與四水各水文站年徑流量的顯著共振周期主要分布在1968～1974年和1976～1985年2～4a的尺度上[如圖5(a2)～(d2)所示]，兩者以反相位共振關(guān)系為主，且徑流量變化滯后EASMI變化.此外，EASMI與桃江站、桃源站年徑流量在1993～2009年分別存在2～3a和6～7a尺度的反相位共振周期，兩站徑流量變化均滯后EASMI變化.在低能量區(qū)EASMI與各水文站徑流量顯著共振周期的相關(guān)系數(shù)均達到0.7以上，徑流量對EASMI的響應(yīng)較強.

圖5 徑流量與EASMI的交叉小波譜和小波相干譜[(a1)～(a2)，(b1)～(b2)，(c1)～(c2)，(d1)～(d2)分別為湘潭站，桃江站，桃源站、石門站]

上述分析表明，四水各水文站年徑流量與EASMI在時頻域中均具有較好的相關(guān)性，在低能量區(qū)的顯著性大于高能量區(qū)，說明四水年徑流量對EASMI的響應(yīng)在低能量區(qū)更為敏感.兩者在時頻域中的顯著共振周期主要集中在2～4a的尺度上(60年代末～80年代初)，在該周期上四水年徑流量與EASMI以反相位關(guān)系為主，且徑流量變化對EASMI以滯后響應(yīng)為主.在80年代中后期～90年代末的2～4a的尺度上未有通過顯著性檢驗的高能量區(qū)域，說明在該周期上四水年徑流量對EASMI的響應(yīng)呈減弱趨勢，這與葉許春等[25]的研究結(jié)果相似.這種變化與70年代開始的東亞夏季風活動減弱、赤道海溫和太平洋海溫突變的時段相吻合[26-27]，說明海溫和大氣環(huán)流在70年代的突變可能造成四水徑流量在2～4a尺度上周期波動的衰減.

3.2.3 徑流量對ENSO和東亞夏季風聯(lián)合作用的響應(yīng)

“MEI—EASMI—湘潭站徑流量”多元小波相干譜如圖6.湘潭站徑流量對ENSO和東亞夏季風的響應(yīng)主要發(fā)生在2～4a(2007～2013年)、8～10a(1962～1965年)和10～13a(1983～2004年)的周期上[如圖6(a)所示].桃江站徑流量對ENSO和東亞夏季風的響應(yīng)主要集中在2～4a(2007～2012年)、3～5a(1991-1999年)、8～10a(1962-1967年)和9～13a(1994～2005年)的周期上[如圖6(b)所示]，桃源站徑流量對ENSO和東亞夏季風的顯著影響主要發(fā)生在2～3a(1997～2002年)、2～4a(1998～2012年)、4～5a(1955-1959年)和5～7a(1958-1961年)的周期上[如圖6(c)所示]，石門站徑流量對ENSO和東亞夏季風年徑流量的顯著影響主要發(fā)生在2～4a(2006～2013年和1956～1958年)、7～8a(2000～2008年)和18～24a(1977～1992年)的周期上[如圖6(d)所示].

圖6 徑流量和MEI-EASMI的多元小波相干譜[(a),(b),(c),(d)分別為湘潭站，桃江站，桃源站，石門站]

上述分析表明，四水徑流量對ENSO和東亞季風的響應(yīng)主要分布在3～4a(21世紀前10年末～21世紀10年代初)和10～13a(20世紀80年代～21世紀前10年)的周期上，且能量強度明顯高于ENSO和東亞夏季風的單一作用對徑流量的影響，說明在時頻域內(nèi)四水徑流量年際和年代際尺度上的波動對ENSO和東亞夏季風聯(lián)合作用的響應(yīng)增強.

4 結(jié)論

(1)1951～2017年洞庭湖流域四水各水文站站徑流量呈現(xiàn)多個波動上升或下降過程，表現(xiàn)出豐枯交替變化，其中湘潭站、桃源站徑流量呈不顯著的增加趨勢，徑流量增加速率分別為1.009×108、0.428×108m3/a；桃江站、石門站徑流量呈不顯著的減少趨勢，徑流量減少速率分別為0.002×108、0.135×108m3/a.

(2)洞庭湖流域四水各水文站徑流量在時頻域內(nèi)均存在多個顯著的間歇式周期振蕩，以2～4a年際尺度為主.在時頻域內(nèi)2～4a的尺度上，四水年徑流量與MEI以正相位共振關(guān)系為主，與EASMI以反相位共振關(guān)系為主，且在該尺度上均具有較好的相關(guān)性，以滯后響應(yīng)為主.

(3)在年際和年代際尺度上，四水徑流量對MEI-EASMI聯(lián)合作用的響應(yīng)顯著增強，這種響應(yīng)可能與“ENSO-反氣旋/氣旋-西北太平洋副熱帶高壓-東亞夏季風”耦合系統(tǒng)有關(guān).需要指出的是，該文僅探討了ENSO和東亞夏季風對洞庭湖流域徑流變化過程的影響，然而流域徑流變化過程的影響因素是復(fù)雜的，流域水文水資源監(jiān)測和預(yù)估仍然存在不確定性.隨著地球系統(tǒng)科學的發(fā)展，需要融合多源數(shù)據(jù)，綜合大尺度環(huán)流、局部小氣候、太陽活動和人類活動等多種因素，在地球系統(tǒng)動力學研究框架下，開展多尺度、多過程和多模型的集成研究，有助于推動現(xiàn)代水文科學的進一步發(fā)展.