青藏高原東部流域徑流偶極子時(shí)空變化規(guī)律

田富強(qiáng)，李琨彪，韓松俊，南 熠，楊 龍

(1. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048；3. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

水資源是區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵要素，河川徑流是水資源的主要存在形式。青藏高原是諸多亞洲主要大河的發(fā)源地，該地區(qū)年出境水量約占中國(guó)年用水總量的80%；水電蘊(yùn)藏量為4.5億kW，占全國(guó)總量的68%，是中國(guó)重要的水能水資源戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備區(qū)；國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)面積占全國(guó)總面積的70%，是中國(guó)的重要生態(tài)屏障[1]。主要分布在高原東部區(qū)域的瀾滄江、怒江、雅魯藏布江均為跨境河流，水資源量的變化和洪水災(zāi)害關(guān)系到下游多個(gè)國(guó)家。該區(qū)域是中國(guó)水資源的戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備區(qū)，在中國(guó)水資源供需日益緊張的形勢(shì)下，厘清氣候變化下徑流的變化規(guī)律是戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備區(qū)水資源合理開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)，也是國(guó)家“十四五”規(guī)劃確定的雅魯藏布江下游水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要科學(xué)依據(jù)，對(duì)中國(guó)長(zhǎng)期的水安全保障具有戰(zhàn)略意義[2]。

全球氣候變化對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和水資源造成了重要影響，青藏高原區(qū)域經(jīng)歷了明顯的氣候變化，大氣和水文循環(huán)都發(fā)生了改變，進(jìn)而重塑了當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境[3]。已有研究顯示，青藏高原主要河流的徑流自1950年以來(lái)整體呈顯著增加趨勢(shì)，年徑流量平均每10 a增加5.06%，并且在1995年之后加速增加[4]。其中，除黃河源區(qū)徑流呈減少趨勢(shì)外，長(zhǎng)江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江的源區(qū)徑流都在增加[5]。有研究對(duì)發(fā)源于青藏高原的10條主要河流進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在1980—2018年期間流域出口的年徑流發(fā)生了較大變化，其中4條河流的徑流量在統(tǒng)計(jì)上顯著增加，2條河流的徑流量不顯著減少，其余4條河流的徑流量基本保持不變[6-9]，這種空間異質(zhì)性反映了青藏高原外流區(qū)和內(nèi)流區(qū)之間的差異[10]。徐宗學(xué)等[11]分析了青藏高原東部多個(gè)主要流域的徑流變化規(guī)律，結(jié)果表明在過(guò)去50 a中徑流發(fā)生了明顯變化，但表現(xiàn)出極大的空間變異性。例如，三江源地區(qū)年徑流為增加趨勢(shì)，其中年徑流量增速最大的是長(zhǎng)江源流域的直門(mén)達(dá)水文站，而相比之下，雅魯藏布江流域絕大部分區(qū)域的年徑流量都呈不顯著減小趨勢(shì)，但自20世紀(jì)90年代以來(lái)，這些流域呈現(xiàn)出先增加后減小的階段性變化趨勢(shì)，并且存在一定的周期變化特征。已有研究表明由于氣候條件的巨大差異和復(fù)雜的地形，該區(qū)域徑流的變化具有較大的空間多樣性。

根據(jù)長(zhǎng)江源沱沱河和直門(mén)達(dá)水文站1956—2012年的徑流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2個(gè)站點(diǎn)年徑流呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì)，其中，沱沱河水文站年徑流在1997年發(fā)生了突變，顯示出20～28 a和12 a的顯著周期，直門(mén)達(dá)水文站年徑流在1961年和1967年分別發(fā)生了突變，顯示出8 a和24～28 a的顯著周期[12]。張獻(xiàn)志等[13]利用多種統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)黃河源區(qū)控制站唐乃亥水文站1956—2019年的年徑流量進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該站的年徑流發(fā)生了2次顯著突變，分別在1989年和2017年，其中1989年為平均值減小的突變，2017年則是平均值增大的突變。瀾滄江上游流域1960—2012年年徑流量在昌都水文站呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，在舊州水文站呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，變化趨勢(shì)均不顯著，但在昌都至舊州的區(qū)間徑流呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，此外昌都站突變點(diǎn)出現(xiàn)在1966年，舊州站突變點(diǎn)出現(xiàn)在1966年、1987年和1996年[14]。1960—2009年，怒江流域道街壩水文站冬春2個(gè)季節(jié)平均流量都呈現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)，在1990s和2000s，怒江流域枯季極值徑流量和枯水徑流特征值都遠(yuǎn)高于其他年代，這可能與冬春季節(jié)的氣溫和降水增加有關(guān)系[15]。據(jù)研究分析，雅魯藏布江流域奴下水文站在1961—2015年期間的年徑流量呈先減少后增加的變化過(guò)程，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在1992年，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前年徑流量呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，濕潤(rùn)季節(jié)的徑流量占全年總徑流量的70%以上，主導(dǎo)著流域年徑流量的變化過(guò)程，但在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后呈現(xiàn)出不顯著的上升趨勢(shì)，旱季徑流的變化也成為導(dǎo)致年徑流呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)的重要原因之一[16]。李秋菊等[17]對(duì)黑河上游流域出口站鶯落峽1960—2015年年徑流序列分析，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，徑流序列突變點(diǎn)位置在2004年和1997年。

綜合以上結(jié)果，徑流變化規(guī)律研究一般依賴(lài)于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)所收集的徑流序列進(jìn)行趨勢(shì)估計(jì)或者突變點(diǎn)檢驗(yàn)。這種分析方法忽略了徑流周期性、非單調(diào)的變化規(guī)律，一方面當(dāng)研究時(shí)段不同時(shí)，統(tǒng)計(jì)得到的趨勢(shì)很可能不一致，甚至結(jié)論相反，另一方面長(zhǎng)時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)大多并不顯著，基于這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果在研究區(qū)很難得到規(guī)律性的結(jié)論。因此，基于對(duì)徑流變化規(guī)律周期性的考慮，本文收集了1980—2015年間青藏高原東部區(qū)域的6條主要外流河12個(gè)干流水文站的實(shí)測(cè)年徑流，以及該區(qū)域5種降水產(chǎn)品，對(duì)徑流和降水進(jìn)行了區(qū)域分時(shí)段的歸類(lèi)分析，以揭示其徑流變化的偶極子時(shí)空規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)資料

本文研究對(duì)象包括位于青藏高原東部的黑河、黃河、長(zhǎng)江、瀾滄江、怒江和雅魯藏布江這6條主要河流的源區(qū)(圖1)，這些河流的徑流極易受到氣候和環(huán)境變化的影響[18]。本研究收集了這6條河流干流上12個(gè)水文站的年徑流數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為1980—2015年，具體包括：長(zhǎng)江源流域的直門(mén)達(dá)水文站，黃河源流域的吉邁水文站、瑪曲水文站和唐乃亥水文站，黑河上游流域的鶯落峽水文站，瀾滄江上游流域的昌都水文站和舊州水文站，怒江上游流域的嘉玉橋水文站和道街壩水文站，雅魯藏布江上游流域的奴各沙水文站、羊村水文站和奴下水文站。

圖1 研究區(qū)地形、河流與水文站分布Fig.1 Topography，main rivers and hydrological stations of the study area

降水變化通常被認(rèn)為是徑流變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，青藏高原河流雖然水源組成復(fù)雜，但降水仍然發(fā)揮著主要的作用，因此流域降水的變化也是研究重點(diǎn)。由于青藏高原上地面觀測(cè)非常稀疏，降水產(chǎn)品之間不確定性較大。為了避免降水產(chǎn)品偏差影響，研究使用了5個(gè)廣泛應(yīng)用的降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品，包括CGDPA、CN05.1、CMFD、WFD和MSWEP，其中CGDPA、CN05.1由地面觀測(cè)數(shù)據(jù)插值制作，CMFD、WFD和MSWEP都是融合了多源信息的再分析降水產(chǎn)品。研究區(qū)域1980—2015年主要流域年降水量如表1所示，不同的降水產(chǎn)品年降水量差異較大。例如，流域年降水差異最大的在雅魯藏布江奴各沙以上流域，CN05.1只有230 mm，而WFD達(dá)到了499 mm，二者之間相差超過(guò)200 mm，即便是同樣由地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制作的CGDPA，該區(qū)域年均降水也達(dá)到了378 mm，二者之間的差異超過(guò)150 mm。

表1 1980—2015年研究區(qū)主要流域年降水量Table 1 Annual basin average precipitation in the study area(1980—2015) 單位:mm

2 研究方法

對(duì)于徑流演變規(guī)律的研究方法主要包括兩部分內(nèi)容：

(1) 趨勢(shì)分析。本研究對(duì)徑流等水文氣象變量序列線性趨勢(shì)的估計(jì)采用Sen′s Slope[19]方法，將所有可能的2個(gè)變量數(shù)據(jù)之間變化斜率的中位數(shù)認(rèn)為是線性趨勢(shì)的估計(jì)值，同時(shí)通過(guò)Mann-Kendall(MK)方法檢驗(yàn)線性趨勢(shì)的顯著性。

(2) 轉(zhuǎn)折點(diǎn)(分界線)識(shí)別。研究基于趨勢(shì)分析來(lái)進(jìn)行確定時(shí)間上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和空間上的分界線，在變量序列中假設(shè)某個(gè)點(diǎn)(線)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)(分界線)，通過(guò)移動(dòng)該點(diǎn)(線)使得被分割出來(lái)的兩部分差異最大化，即認(rèn)為此處為轉(zhuǎn)折點(diǎn)(分界線)。例如，假定某一個(gè)年份為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，所有年份序列被分為兩部分，一部分為從起始年到該點(diǎn)，另一部分為從該點(diǎn)到終止年，每移動(dòng)一次該假定的轉(zhuǎn)折點(diǎn)都能得到前后兩部分年份序列的MK檢驗(yàn)Z值，當(dāng)移動(dòng)到某個(gè)年份這2個(gè)MK檢驗(yàn)Z值之差的絕對(duì)值最大時(shí)，同時(shí)2個(gè)MK檢驗(yàn)Z值正負(fù)相反，即判定該年份為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)于分界線的確定也是同樣的，例如，在某一條經(jīng)線上估計(jì)南北的分界點(diǎn)，假定其中某一點(diǎn)為分界點(diǎn)，這一條經(jīng)線就被分為南北兩部分，通過(guò)統(tǒng)計(jì)北部部分顯示正值(負(fù)值)的格點(diǎn)數(shù)和南部部分顯示負(fù)值(正值)的格點(diǎn)數(shù)，當(dāng)移動(dòng)到某一點(diǎn)時(shí)二者格點(diǎn)數(shù)之和最大，該點(diǎn)就被認(rèn)為是這一條經(jīng)線上的南北分界點(diǎn)，將多條經(jīng)線上的分界點(diǎn)相連成線，即為南北部分的分界線。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 徑流時(shí)空演變規(guī)律

研究對(duì)1980—2015年所有的水文站點(diǎn)實(shí)測(cè)年徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，避免年徑流量大的流域覆蓋年徑流量小的流域的徑流變化信息。如圖2所示，很顯然大多數(shù)水文站的徑流過(guò)程線經(jīng)歷了先增加后減少或者先減少后增加的轉(zhuǎn)折變化過(guò)程，因此，如果直接統(tǒng)計(jì)1980—2015年的整體變化趨勢(shì)，變化過(guò)程當(dāng)中的重要信息容易被忽視，而得到的整體變化趨勢(shì)并不顯著，如果選取不同時(shí)段或能得到完全相反的趨勢(shì)。

圖2 研究區(qū)主要流域標(biāo)準(zhǔn)化徑流及其10 a滑動(dòng)多流域平均Fig.2 Normalized river runoff in the study area and its 10-year moving average

根據(jù)該轉(zhuǎn)折變化過(guò)程，研究進(jìn)一步將站點(diǎn)分為2組：一組包括長(zhǎng)江源的直門(mén)達(dá)水文站，黃河源的吉邁水文站、瑪曲水文站和唐乃亥水文站，黑河的鶯落峽水文站以及瀾滄江的昌都水文站，這一組的徑流都是先減少后增加的變化過(guò)程(圖2(a))；另一組包括瀾滄江下游的舊州水文站，怒江的嘉玉橋水文站和道街壩水文站以及雅魯藏布江的奴各沙水文站、羊村水文站和奴下水文站，這一組的徑流變化特點(diǎn)都是呈現(xiàn)先增加后減少的變化過(guò)程(圖2(b))。這樣的分類(lèi)結(jié)果在空間上以昌都和嘉玉橋水文站為界分為了南北2組，特點(diǎn)是昌都和嘉玉橋水文站都位于32°N左右的同一緯度上。其次，研究對(duì)徑流標(biāo)準(zhǔn)化，再計(jì)算2組流域出口水文站的徑流平均值，即長(zhǎng)江直門(mén)達(dá)水文站、黃河唐乃亥水文站和黑河鶯落峽水文站歸為一組，瀾滄江舊州水文站、怒江道街壩水文站和雅魯藏布江奴下水文站歸為一組，將2組的平均值進(jìn)行10 a窗口滑動(dòng)平均處理，南北流域徑流的平均變化過(guò)程如圖2實(shí)線所示，徑流在北部先減少后增加，在南部先增加后減少的變化過(guò)程更為顯著。

在本研究中將該變化過(guò)程總結(jié)為徑流偶極子型時(shí)空變化規(guī)律。偶極子在物理學(xué)中原指符號(hào)相反但距離很近的2個(gè)電荷或電磁荷，在本研究中借用其概念，具體指青藏高原東部南北部分流域徑流相反的時(shí)空變化格局，即北部流域徑流呈現(xiàn)先減少后增加的變化過(guò)程，南部流域徑流與之相反，呈現(xiàn)先增加后減少的變化過(guò)程，在時(shí)間維度上各自前后時(shí)期的變化趨勢(shì)相反，在空間維度上南北部分的變化趨勢(shì)相反。

為進(jìn)一步地證實(shí)這種變化過(guò)程以及確認(rèn)發(fā)生趨勢(shì)轉(zhuǎn)折的具體時(shí)間點(diǎn)，研究通過(guò)假設(shè)1989—2004年期間(由于MK檢驗(yàn)一般需要至少10個(gè)數(shù)據(jù))某一年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，計(jì)算該年前后2段徑流序列的MK趨勢(shì)檢驗(yàn)Z值，其中能夠使得前后2段徑流序列MK趨勢(shì)檢驗(yàn)的Z值差的絕對(duì)值最大的年份，即認(rèn)為是變化趨勢(shì)差異最為顯著的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

研究區(qū)主要流域徑流轉(zhuǎn)折點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可以看出，北部徑流統(tǒng)計(jì)結(jié)果均為正值，即表示后半個(gè)時(shí)期增加的趨勢(shì)大于前半個(gè)時(shí)期；南部徑流的統(tǒng)計(jì)結(jié)果均為負(fù)值，即表示后半個(gè)時(shí)期減小的趨勢(shì)大于前半個(gè)時(shí)期。當(dāng)選取前后2個(gè)時(shí)期增減趨勢(shì)差異最大的年份作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，南部流域和北部流域大部分都落在了1999年附近(圖中的虛線位置)，僅有長(zhǎng)江源流域直門(mén)達(dá)站、黑河流域鶯落峽站和瀾滄江流域昌都站拐點(diǎn)在1995—1997年，相比大部分流域站點(diǎn)略有提前。因此，研究認(rèn)為1999年為研究區(qū)徑流整體較為顯著的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。后續(xù)的研究也將據(jù)此劃分2個(gè)時(shí)期，分別為1980—1999年和2000—2015年。

圖3 研究區(qū)主要流域徑流轉(zhuǎn)折點(diǎn)檢驗(yàn)Fig.3 Turning point test of annual river runoff in the study area

3.2 降水時(shí)空演變規(guī)律

研究基于對(duì)徑流演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步針對(duì)流域年降水的變化展開(kāi)分析。盡管這些降水?dāng)?shù)據(jù)集在流域年降水絕對(duì)數(shù)值上表現(xiàn)出很大的不確定性，但是本文研究的重點(diǎn)是關(guān)注流域年降水的相對(duì)變化趨勢(shì)。各降水產(chǎn)品的降水異常如圖4所示，從結(jié)果可以看出，對(duì)于所有降水產(chǎn)品，年降水的變化都和年徑流的變化有著非常強(qiáng)的一致性，相關(guān)系數(shù)都超過(guò)0.60，最高達(dá)到0.93，最低為北部流域的WFD數(shù)據(jù)，從圖中也可以看出該數(shù)據(jù)集在2011—2013年存在明顯的數(shù)據(jù)異常。但總體來(lái)看，流域年降水和年徑流一致表現(xiàn)出了同樣的偶極子型變化規(guī)律的特點(diǎn)。

圖4 研究區(qū)主要流域標(biāo)準(zhǔn)化徑流、多流域平均年降水異常及其10 a滑動(dòng)平均值Fig.4 Normalized river runoff and precipitation anomaly in the study area and its 10-year moving average

研究將降水?dāng)?shù)據(jù)以1999年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)劃分為2個(gè)時(shí)期，分別計(jì)算各流域上前后兩部分年降水量的變化趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，可以看出不同數(shù)據(jù)集都顯示了和徑流極為相似的變化趨勢(shì)時(shí)空格局。也就是說(shuō)，在1980—1999年研究區(qū)北部流域年降水增加導(dǎo)致年徑流增加，因而變得更加濕潤(rùn)，而南部流域年降水減少導(dǎo)致年徑流減少，因而變得更加干旱，但南北流域的這種變化趨勢(shì)在2000年都發(fā)生了反轉(zhuǎn)。

表2 1980—2015年研究區(qū)主要流域徑流和降水變化率Table 2 Trend of annual basin average river runoff and precipitation in the study area(1980—2015) 單位：mm/a2

徑流更大程度上表示流域整體尺度的時(shí)間變化，而空間分布細(xì)節(jié)無(wú)法通過(guò)徑流體現(xiàn)，但降水?dāng)?shù)據(jù)可以充分地展現(xiàn)空間上的特點(diǎn)，并且流域整體尺度上降水和徑流變化規(guī)律一致也保證了降水變化在空間上的分析結(jié)果是可靠的。對(duì)于降水變化趨勢(shì)在空間上的分布，研究同樣以1999年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別計(jì)算CGDPA、CN05.1、CMFD、WFD和MSWEP 5個(gè)降水?dāng)?shù)據(jù)集在前后2個(gè)時(shí)間段的變化趨勢(shì)。如圖5所示，圖5(a)為1980—1999年期間5種降水?dāng)?shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，圖5(b)為2000—2015年期間5種降水?dāng)?shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，紅色表示降水減少，藍(lán)色表示降水增加，黃色線為識(shí)別的南北空間分界線。從結(jié)果可以看出，研究區(qū)的降水呈現(xiàn)顯著的南北差異，在1980—1999年，北部降水增加，南部降水減少，而在2000—2015年這種變化趨勢(shì)的空間模態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)。與時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)的判斷類(lèi)似，研究對(duì)91°E—101°E、29°N—35°N范圍內(nèi)的南北分界線進(jìn)行判斷。結(jié)果如圖5所示，盡管不同降水?dāng)?shù)據(jù)集的分界線在空間上會(huì)有所波動(dòng)，但大部分分界線都位于32°N附近，而昌都水文站和嘉玉橋水文站也都位于32°N附近，這表明降水和徑流變化趨勢(shì)的空間分界也保持一致。

因此，綜合研究區(qū)徑流和降水的變化可以發(fā)現(xiàn)，二者演變規(guī)律保持較高的一致性，在1980—2015年期間都以1999年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，北部流域表現(xiàn)出先減少后增加的變化過(guò)程，南部流域則恰好相反，表現(xiàn)出先增加后減少的變化過(guò)程，并且南北在空間上的分界線大概位于32°N，同樣是昌都水文站和嘉玉橋水文站附近。

4 結(jié) 論

研究對(duì)青藏高原東部區(qū)域主要外流河的年徑流演變規(guī)律不明這一問(wèn)題展開(kāi)分析，基于詳實(shí)數(shù)據(jù)揭示了年徑流偶極子變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1) 對(duì)實(shí)測(cè)徑流資料進(jìn)行了分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江源的直門(mén)達(dá)水文站，黃河源的吉邁水文站、瑪曲水文站和唐乃亥水文站，黑河的鶯落峽水文站以及瀾滄江的昌都水文站都存在先減少后增加的變化過(guò)程；而瀾滄江下游的舊州水文站，怒江的嘉玉橋水文站和道街壩水文站以及雅魯藏布江的奴各沙水文站、羊村水文站和奴下水文站都存在先增加后減少的變化過(guò)程。

(2) 研究區(qū)徑流的變化在時(shí)間上以1999年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在空間上以昌都水文站、嘉玉橋水文站為分界線，南北流域的徑流分別呈相反變化趨勢(shì)，即偶極子時(shí)空變化規(guī)律。

(3) 5種降水資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，降水和徑流的變化都顯示出較強(qiáng)的一致性，并且變化趨勢(shì)在空間上以32°N為南北分界線，同樣存在南北變化相反的偶極子變化規(guī)律。