白河流域年徑流量對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究

王春學(xué) , 陳 超 , 李小蘭 , 秦寧生 , 龐艷梅

（1. 四川省氣候中心/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610072；2. 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所, 成都 610072）

引言

黃河是中國(guó)第二大河流，流域大部分地區(qū)為干旱半干旱區(qū)，流域內(nèi)水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱[1]，20世紀(jì)70年代以來，黃河中上游的徑流量呈顯著減少趨勢(shì)[2-4]。研究表明，黃河流域徑流量變化主要受氣候變化影響，其中20世紀(jì)90年代黃河源區(qū)徑流量減少是氣溫上升和降水減少共同造成的[5-7]。保衛(wèi)黃河是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興和永續(xù)發(fā)展的千秋大計(jì)，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已經(jīng)上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略[8]。一些研究指出，黃河流域徑流量有增多的變化趨勢(shì)[9-11]，但也有研究認(rèn)為未來60年黃河流域徑流呈微弱的減少趨勢(shì)[12]。近年來，在全球氣候變暖和日趨頻繁的人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的共同影響下，黃河源區(qū)的生態(tài)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，生態(tài)系統(tǒng)功能顯著退化[13-15]。

白河是黃河的一級(jí)支流，發(fā)源于巴顏喀拉山東端，由南往北流經(jīng)紅原，在若爾蓋的唐克鎮(zhèn)附近流入黃河，流域面積5488 km2，干流全長(zhǎng)270 km[16]。白河流域位于九曲黃河第一灣，是黃河上游濕潤(rùn)區(qū)之一，具有水源涵養(yǎng)、補(bǔ)給和調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等重要功能，在維持黃河流域水資源和生態(tài)安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[17-18]。以往有關(guān)白河徑流的研究比較少，多關(guān)注徑流年內(nèi)分配、豐（枯）水期年代際波動(dòng)、徑流預(yù)報(bào)以及氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)白河徑流變化的影響等方面[19-20]，有關(guān)未來白河流域徑流量變化的預(yù)估研究鮮有報(bào)道。本研究擬利用第五次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP5）數(shù)據(jù)，預(yù)估不同典型濃度路徑下未來白河流域年徑流量變化，以期為白河流域水資源合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

（1）觀測(cè)數(shù)據(jù)包括1981~2012年唐克水文站的年徑流量資料，1961~2012年若爾蓋、紅原和阿壩氣象站的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和降水量資料。水文站和氣象站分布如圖1所示。

圖1 白河流域氣象站（點(diǎn)）和水文站（十字）分布

（2）模式資料來自國(guó)家氣候中心發(fā)布的《中國(guó)地區(qū)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)集》[21]，主要使用了CMIP5的21個(gè)全球氣候模式集合平均資料，1961~2005年為模擬回算數(shù)據(jù)，2006~2100年為預(yù)估數(shù)據(jù)，分辨率為1°×1°，分低（RCP2.6）、中（RCP4.5）、高（RCP8.5）3種典型濃度路徑，利用雙線性插值將模式資料插值到氣象站點(diǎn)上。本研究以1986~2005年為基準(zhǔn)期，分別以2021~2040年、2041~2060年、2081~2100年代表21世紀(jì)前、中、末期。

2 結(jié)果與分析

2.1 白河流域年徑流量變化特征

圖2為1981~2012年唐克站年徑流量逐年變化和10 a低頻高斯濾波曲線。如圖所示，年徑流量有明顯的年際波動(dòng)和年代際變化特征，20世紀(jì)80年代初期年徑流量處在最多階段，其中1983年最大（36.2×108m3），隨后呈逐漸減少趨勢(shì)，2002年最?。?.6×108m3），2006年以后又呈緩慢增加趨勢(shì)。

圖2 1981~2012年唐克站年徑流量逐年變化（實(shí)線）和10 a低頻高斯濾波（虛線）

2.2 徑流與氣象要素的關(guān)系

分析1981~2012年唐克站年徑流量與白河流域各氣象站年降水量、年平均氣溫、年平均最高氣溫和最低氣溫的相關(guān)系數(shù)（表1）可知，年徑流量與各氣象站年降水量、年平均最高氣溫的相關(guān)性最好，均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其中與阿壩和紅原站年降水量的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.75和0.88，表明降水量對(duì)白河流域年徑流量變化起主導(dǎo)作用，其次是最高氣溫。

表1 唐克站年徑流量與氣象要素相關(guān)系數(shù)

2.3 模式模擬效果評(píng)估

分別將若爾蓋、紅原和阿壩站降水量和CMIP5模擬回算降水量進(jìn)行平均，得到1961~2005年白河流域年降水量觀測(cè)值和模擬值的時(shí)間變化序列（圖3），發(fā)現(xiàn)模式回算結(jié)果較觀測(cè)值的波動(dòng)偏小，均沒有明顯的變化趨勢(shì)。從相關(guān)系數(shù)分析（表2）來看，1961~2005年CIMP5與若爾蓋、紅原和阿壩站降水量均為正相關(guān)。

圖3 1961~2005年白河流域年降水量觀測(cè)值和CMIP5模擬回算值時(shí)間變化

表2 1961~2005年白河流域年降水量、年平均最高氣溫觀測(cè)值與CMIP5模擬回算值的相關(guān)分析

將若爾蓋、紅原和阿壩氣象站年平均最高氣溫和模式模擬回算值分別進(jìn)行平均，得到1961~2005年白河流域年平均最高氣溫的觀測(cè)值和模擬回算值的變化序列（圖4），發(fā)現(xiàn)模式回算結(jié)果較觀測(cè)值的波動(dòng)幅度偏小，但是年際波動(dòng)和年代際變化趨勢(shì)基本一致。相關(guān)分析（表2）表明， 1961~2005年CMIP5模擬回算結(jié)果與氣象站觀測(cè)值均為正相關(guān)，并且都通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1961~2005年白河流域年平均最高氣溫觀測(cè)值與CMIP5模擬回算值時(shí)間變化

2.4 未來徑流變化預(yù)估

上文分析表明CMIP5對(duì)3個(gè)氣象站年平均最高氣溫的模擬效果均比較理想，對(duì)年降水量的模擬效果稍差，但年際變化也都呈正相關(guān)，所以確定3個(gè)站的6個(gè)氣象因子均參與統(tǒng)計(jì)建模。以唐克站年徑流量（R）為因變量，若爾蓋年降水量（Pr）、若爾蓋年平均最高氣溫（Tr）、紅原年降水量（Ph）、紅原年平均最高氣溫（Th）、阿壩年降水量（Pa）、阿壩年平均最高氣溫（Ta）為因變量，建立多元線性回歸方程，1981~2000年為擬合期，2001~2012年為檢驗(yàn)期。建模結(jié)果顯示Pr的系數(shù)為負(fù)、Tr的系數(shù)為正，這與其和徑流量的相關(guān)性不一致，所以剔除這兩個(gè)因子，重新進(jìn)行多元線性回歸擬合，回歸方程通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。具體方程如下：

擬合期中的年徑流量觀測(cè)值與擬合值基本吻合，20年中有17年為同位相，同號(hào)率達(dá)85%。驗(yàn)證期中的12年均為同位相，同號(hào)率達(dá)到100%，說明擬合方程穩(wěn)定可靠（圖5）。

圖5 1981~2012年唐克站年徑流量距平變化曲線

圖6是CMIP5模式預(yù)估2021~2100年白河流域年平均最高氣溫和年降水量變化。如圖所示，RCP2.6情景下，白河流域年平均最高氣溫呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，2050~2060年出現(xiàn)峰值；年降水量也呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在2070年前后。RCP4.5情景下，白河流域年平均最高氣溫呈逐漸升高的變化趨勢(shì)，2081~2100年穩(wěn)定在峰值；年降水量也呈逐漸增多的變化趨勢(shì)，2090年前后達(dá)到峰值。RCP8.5情景下，年平均最高氣溫呈顯著的線性升高趨勢(shì)，到21世紀(jì)末期偏高5°C以上；年降水量也呈線性增多趨勢(shì)，但是實(shí)際增量不超過20%。

圖6 CMIP5模式預(yù)估不同情景下2021~2100年白河流域年平均最高氣溫和年降水量變化

利用CMIP5預(yù)估產(chǎn)品，根據(jù)年徑流量擬合方程，預(yù)估不同情景下（RCPs）白河流域年徑流量變化（圖7）。如圖所示，RCP2.6情景下，2006~2100年白河流域年徑流量沒有明顯的變化趨勢(shì)，波動(dòng)幅度變化也不大，說明在低濃度排放情景下白河流域年徑流量可以維持在當(dāng)前水平。RCP4.5情景下，白河流域年徑流量呈減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.28×108m3/10 a，21世紀(jì)前期與低濃度排放情景變化接近，與基準(zhǔn)年相比21世紀(jì)中期減少17%，21世紀(jì)末減少19%。RCP8.5情景下，白河流域年徑流量呈顯著減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-1.1×108m3/10 a，與基準(zhǔn)年相比21世紀(jì)前期年徑流量減少20%，21世紀(jì)中期減少24%，21世紀(jì)后期減少49%。

圖7 RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5下2021~2100年白河流域年徑流量變化

3 結(jié)論和討論

本文利用第五次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP5）數(shù)據(jù)，預(yù)估不同典型濃度路徑下未來白河流域年徑流量變化，得到如下主要結(jié)論：

（1）1981~2012年白河流域年徑流量呈先減少后增加的變化趨勢(shì)，年徑流量與年降水量、年平均最高氣溫均顯著相關(guān)。1961~2005年CIMP5模式回算的年降水量較觀測(cè)值波動(dòng)偏小，兩者都沒有明顯的變化趨勢(shì)；模式回算的年平均最高氣溫與觀測(cè)值的年際波動(dòng)和年代際變化趨勢(shì)基本一致，通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。

（2）以唐克站年徑流量為因變量，紅原年降水量、年平均最高氣溫，阿壩年降水量、年平均最高氣溫為因變量，建立多元線性回歸方程。擬合期同號(hào)率達(dá)85%，驗(yàn)證期同號(hào)率達(dá)到100%，說明擬合方程穩(wěn)定可靠。

（3）低濃度排放情景下2006~2100年白河流域年徑流量沒有明顯的變化趨勢(shì)，波動(dòng)幅度變化也不大。中等濃度排放情景下，21世紀(jì)中、末期年徑流量分別減少17%和19%。高濃度排放情景下，21世紀(jì)前期年徑流量減少20%，21世紀(jì)中期減少24%，到21世紀(jì)后期減少49%。

河川徑流的形成和變化機(jī)理非常復(fù)雜，多項(xiàng)研究表明氣候變化對(duì)水文過程影響預(yù)估的不確定性主要來源于氣候模式，而氣候模式本身也存在較大的不確定性[22-23]，本文僅從氣候變化角度通過統(tǒng)計(jì)模型對(duì)白河流域的年徑流量進(jìn)行了預(yù)估，其結(jié)果只是未來演變的可能之一，后期還需要進(jìn)一步引入SWAT、HBV等水文模型加以驗(yàn)證[24-25]。