ENSO事件對長江源區(qū)徑流演變的影響

邵 駿,錢曉燕,謝 珊,杜 濤,湯瑤瑤,向碧為

(1.長江水利委員會水文局,武漢 430010; 2.武漢市水務科學研究院,武漢 430014; 3.長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局,重慶 400020; 4.上?？睖y設計研究院有限公司,上海 200435)

0 引 言

水文循環(huán)是氣候系統(tǒng)的重要組成部分。全球氣候變化通過影響氣溫、降水、蒸發(fā)、徑流、土壤水分等水文循環(huán)過程,對徑流的時空分布產生重大改變[1-3]。由于降水是影響河川徑流年際和年代際變化的主要驅動因子,而降水本身又取決于一定的大氣環(huán)流形勢與局地天氣過程,因此河川徑流的演變與大氣環(huán)流是聯(lián)系在一起的。ENSO(El Nio Southern Oscillation)是以赤道東太平洋海表溫度異常為特征的周期性現(xiàn)象,是全球氣候系統(tǒng)中最為顯著的年際信號。ENSO事件對我國氣候的影響得到了廣泛關注和研究,Blender等[4]和Wei等[5]研究表明長江流域的降水和徑流受東亞夏季季風和ENSO事件影響較大;Gong等[6]研究發(fā)現(xiàn)我國東部冬季、秋季降水量與ENSO事件有顯著的關系,并在ENSO暖事件(El Nio)年降水量顯著減少;王根緒等[7]研究發(fā)現(xiàn)ENSO事件與黃河源區(qū)降水與徑流年際波動變化有很好的相關性,暖事件對應年份黃河源區(qū)徑流量減少,而冷事件則使其增加;Zhu[8]的研究發(fā)現(xiàn),在ENSO發(fā)展階段中國北方降水偏少,而在ENSO衰減階段長江流域降水偏多;彭俊等[9]研究發(fā)現(xiàn)長江流域徑流量與ENSO事件具有相同的2～8 a周期變化,在El Nio發(fā)生期,徑流量較低,在ENSO冷事件(La Nia)發(fā)生期,徑流量較高;藍永超等[10]研究發(fā)現(xiàn)El Nio事件發(fā)生當年,祁連山東段降水偏少、徑流偏枯,El Nio事件次年祁連山區(qū)東段降水減少、徑流偏估的程度不如El Nio事件當年那樣顯著。

長江源區(qū)近些年來受全球氣候變化影響巨大,主要表現(xiàn)在氣溫升高、徑流持續(xù)增加并一直延續(xù)至今。長江源區(qū)位于青藏高原腹地,其河川徑流受青藏高原大尺度氣候影響顯著。研究表明,ENSO事件顯著影響次年青藏高原西南部夏季季節(jié)和月平均降水與溫度[11]。ENSO事件發(fā)生以后,通過直接影響Walker環(huán)流、Hadley環(huán)流和西北太平洋異常反氣旋(Northwest Pacific Anomalous Anticyclone,NWPAC),從而調制太平洋副熱帶高壓和西太平洋夏秋季臺風,影響孟加拉灣和印度洋水汽向青藏高原的輸送[11],進而影響長江源區(qū)的天氣系統(tǒng)和局地氣候。目前尚未有研究關注長江源區(qū)徑流變化對ENSO事件的響應。研究長江源區(qū)徑流演變與ENSO事件之間的響應關系,可為長江源區(qū)中長期徑流預測、水資源管理和保護政策的制定提供重要的參考。

徑流與氣候之間的關系是非線性的、非平穩(wěn)的,僅通過分析觀測到的徑流數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,很難將水文變化與氣候變化充分聯(lián)系起來。同時由于ENSO事件的發(fā)生和發(fā)展機理較為復雜,其對河川徑流的影響并非存在直接的關聯(lián)性,因此利用統(tǒng)計學方法來分析長江源區(qū)徑流對ENSO事件的響應不失為有效方法之一。本文旨在通過沱沱河水文站、直門達水文站實測徑流數(shù)據(jù),分析長江源區(qū)徑流演變事實,利用海洋尼諾指數(shù)分析ENSO事件的強度與時間特征,研究徑流豐枯變化對ENSO事件的響應規(guī)律及聯(lián)系,為揭示氣候變化背景下長江源區(qū)水循環(huán)機制提供支撐。

1 研究數(shù)據(jù)及研究方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

ENSO是厄爾尼諾-拉尼娜事件以及南方濤動的合稱,表征ENSO的指標較多,本文選取海洋尼諾指數(shù)(Oceanic Nio Index,ONI)作為研究指標。ONI是中東太平洋Nio 3.4區(qū)(5°N—5°S,120°W—170°W)的海表溫度距平的3個月滑動平均值。研究數(shù)據(jù)來源為美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)氣候預測中心。

根據(jù)NOAA對ENSO事件的確定標準,ONI連續(xù)5個月≥0.5 ℃(≤0.5 ℃)定義為1次El Nio(La Nia)事件。參考文獻[12]的研究成果,對ONI指數(shù)累積值ΣONI進行標準化處理,將強度劃分為極強、強、中等、弱、極弱5個等級(表1)。

表1 ENSO事件的海溫強度指標Table 1 Sea surface temperature (SST) intensity indexof ENSO event

本研究水文數(shù)據(jù)采用長江源區(qū)沱沱河站和直門達站1960—2020年實測月均流量。

1.2 研究方法

本研究主要采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗、交叉小波變換[13]等方法,簡述如下。

1.2.1 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗

時間序列數(shù)據(jù)(x1,…,xn)是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本,對于所有的k,j

(1)

其中,

(2)

定義統(tǒng)計變量:

(3)

其中:

E(sk)=k(k-1)/4 ;

(4)

Var(sk)=k(k-1)(2k+5)/72 。

(5)

式中UFk為標準正態(tài)分布。對于給定顯著性水平α,若|UFk|>UFα/2,則表明序列存在明顯的趨勢變化。

1.2.2 交叉小波變換

r(X,Y)=

(6)

通過小波凝聚譜可以量度時頻范圍內兩者之間局部相關的密切程度,其表達式為

式中S表示平滑函數(shù)。本文選擇Morlet小波為小波基函數(shù)。

2 研究結果與討論

2.1 長江源區(qū)徑流演變趨勢

圖1為沱沱河站、直門達站年徑流量的滑動平均曲線和Mann-Kendall曲線。由兩站的滑動平均曲線可見,沱沱河站在20世紀70—80年代呈現(xiàn)略微下降的態(tài)勢,在2000年之后呈現(xiàn)出大幅增加的態(tài)勢。直門達站在2000年之前基本維持在均值附近小幅震蕩,在2005年之后呈現(xiàn)升高的態(tài)勢。由兩站的Mann-Kendall曲線可見,2002年左右沱沱河站正、逆序列出現(xiàn)交叉,2009年左右直門達站正、逆序列出現(xiàn)交叉,表明兩站在2002年、2009年均發(fā)生突變增加的態(tài)勢。采用Mann-Kendall檢驗對兩站年徑流量進行趨勢檢驗(結果見表2),兩站Mann-Kendall檢驗結果均通過置信度為95%的顯著性檢驗,表明兩站均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。

圖1 沱沱河站、直門達站年徑流量滑動平均曲線與Mann-Kendall曲線Fig.1 Moving-average curves and Mann-Kendall curves of annual runoff at Tuotuohe and Zhimenda hydrological stations

表2 沱沱河站、直門達站年徑流量Mann-Kendall檢驗結果Table 2 Mann-Kendall test results of annual runoff at Tuotuohe and Zhimenda hydrological stations

2.2 徑流變化對ENSO事件的響應

2.2.1 徑流豐枯變化與ENSO事件的關系

將1960年1月—2020年12月以來的ENSO事件強度進行劃分,成果如表3所示。同時,統(tǒng)計沱沱河站和直門達站相應于ENSO事件對應年份的年徑流距平程度,結果也列于表3。為便于直觀分析,將表征ENSO事件強度的ONI變化過程線與沱沱河站、直門達站徑流距平過程線繪制于圖2。

圖2 1960—2020年ENSO事件及與沱沱河站、直門達站年徑流量過程線對比Fig.2 ENSO events during 1960-2020 and comparison with annual runoff hydrograph of Tuotuohe and Zhimenda hydrological stations

表3 1960—2020年ENSO事件特征值及沱沱河站、直門達站年徑流距平成果Table 3 Characteristic values of ENSO events and annual runoff anomalies at Tuotuohe and Zhimenda hydrological stations during 1960-2020

從表3可以看出,1960年以來出現(xiàn)過多次極強的ENSO暖事件(1982-05—1983-06、1997-05—1998-05、2015-03—2016-05)和極強的ENSO冷事件(1998-07—2001-03)。在極強暖事件發(fā)生當年或次年,沱沱河站和直門達站徑流均在不同程度上表現(xiàn)出偏枯的態(tài)勢;而在極強冷事件的發(fā)展階段(當年),沱沱河站呈現(xiàn)出偏豐態(tài)勢、直門達站呈現(xiàn)偏枯態(tài)勢,在衰減階段(次年)兩站均呈現(xiàn)偏豐或略偏豐態(tài)勢。對于1972-05—1973-03、1986-09—1988-02、1991-06—1992-07出現(xiàn)的強暖事件,兩站徑流基本上均呈現(xiàn)偏枯態(tài)勢;對于1973-06—1974-07出現(xiàn)的強冷事件,兩站在發(fā)展階段均呈現(xiàn)偏枯態(tài)勢,在衰減階段呈現(xiàn)略偏豐態(tài)勢。從上述分析可知,當ENSO發(fā)生強暖事件和暖事件期間,長江源區(qū)徑流基本上表現(xiàn)出偏枯的態(tài)勢,而在強冷和冷事件期間,在發(fā)展期呈現(xiàn)偏枯、衰落期呈現(xiàn)偏豐的態(tài)勢。

同樣,對于中等、弱、極弱的暖事件和冷事件出現(xiàn)年份和沱沱河站、直門達站徑流變化規(guī)律進行分析,可以得出以下結論:對于中等暖事件長江源區(qū)兩站基本處于偏豐態(tài)勢,對于弱和極弱暖事件兩站基本處于偏枯態(tài)勢。而對于中等、弱和極弱冷事件而言,根據(jù)上節(jié)結論,以2000年為分界點:1960—2000年對于中等冷事件,在發(fā)展階段兩站徑流處于偏枯、衰落階段處于偏豐態(tài)勢;對于弱和極弱冷事件,兩站徑流基本處于偏枯態(tài)勢。2000—2020年受長江源區(qū)氣候變暖等因素影響,無論對于中等、弱還是極弱冷事件,基本上都呈現(xiàn)出偏豐態(tài)勢。

2.2.2 徑流豐枯變化對ENSO事件的響應

根據(jù)ENSO事件發(fā)生年份,以2000年為節(jié)點,分兩段(1960—2000年、2000—2020年)統(tǒng)計長江源區(qū)沱沱河站、直門達站徑流的距平程度及豐枯概率。其中ENSO事件發(fā)生年份分為發(fā)展階段(當年)和衰減階段(次年),豐枯程度按照距平正值(+)、距平負值(-)分為偏豐和偏枯,成果列于表4。

表4 ENSO事件發(fā)生年份沱沱河站、直門達站徑流豐枯概率統(tǒng)計Table 4 Probability of dry or abundant runoff at Tuotuo-he Station and Zhimenda Station in ENSO event years

從表4成果可以得出以下結論:

(1)1960—2000年期間,暖事件發(fā)生年份,無論是當年還是次年,長江源區(qū)沱沱河站、直門達站出現(xiàn)徑流偏枯的概率較高。對于暖事件發(fā)生當年,兩站徑流偏枯的概率均為76.9%;次年偏枯的概率分別為84.6%、76.9%。

(2)1960—2000年期間,冷事件發(fā)生年份,兩站均呈現(xiàn)出在當年偏枯、次年豐枯概率基本相當?shù)膽B(tài)勢。兩站當年偏枯的概率均為77.8%;次年豐枯概率分別為4∶5和5∶4,出現(xiàn)概率基本相當。

(3)2000年以后,長江源區(qū)徑流偏豐態(tài)勢尤為顯著。對于暖事件發(fā)生年份,沱沱河站表現(xiàn)為當年偏豐(66.7%概率)、次年豐枯相當(各50%概率),直門達站在當年徑流仍偏枯(66.7%概率)、次年豐枯相當(各50%概率)。對于冷事件發(fā)生年份,無論是當年還是次年,兩站均表現(xiàn)為偏豐概率大于偏枯概率。

朱鈺等[14]研究發(fā)現(xiàn),對于地處青藏高原的三江源區(qū),降水較少的冬半年多伴隨著暖事件(El Nio)的出現(xiàn);而降水峰值多伴隨著冷事件(La Nia)的出現(xiàn)。薛殷宗[15]在研究青海湖水位變化規(guī)律時發(fā)現(xiàn),當暖事件(El Nio)增強時,青海湖地區(qū)降水量明顯減少;冷事件(La Nia)增強時,降水增加趨勢明顯。上述研究成果與本研究結論基本吻合。

2.3 徑流與ENSO事件的多尺度相關特征及響應機制

采用交叉小波變換進一步分析長江源區(qū)徑流與ENSO事件之間的多尺度相關特征,結果見圖3。交叉小波變換重點突出時頻域中高能量區(qū)的相互關系,小波相干則重點突出時頻域中低能量區(qū)的相互關系。現(xiàn)有研究表明,ENSO事件存在2～8 a時間尺度上的年際周期變化[16],這也直接體現(xiàn)在ENSO事件與沱沱河站、直門達站的交叉小波功率譜上。由圖3可見,徑流與ENSO事件兩者之間在整個1960—2020年時間軸上具有8～16個月時間尺度上的共振周期,其中1960—1970年時間軸上,兩者基本呈現(xiàn)同頻同位相變化態(tài)勢;在1970—2000年共振周期位相關系復雜,既有同位相、也有反位相變化態(tài)勢;2000年以后,兩者之間呈現(xiàn)近似的同位相變化態(tài)勢。綜上分析可知,在1970年以前和2000年以后,長江源區(qū)徑流與ENSO事件之間的時頻結構具有一定程度的正相關性。

圖3 沱沱河站和直門達站月徑流與ONI之間的交叉小波功率譜與小波凝聚譜Fig.3 Cross wavelet transform and wavelet coherence between monthly runoff and Oceanic Nino Index at Tuotuohe station and Zhimenda station

ENSO事件作為大尺度海洋與大氣交互作用的事件,可通過海-氣相互耦合直接影響熱帶大氣環(huán)流,并通過大氣遙相關影響青藏高原季風產生影響,從而進一步影響長江源區(qū)降水和徑流的時空分布。ENSO事件發(fā)生時,赤道中、東太平洋增暖,赤道太平洋西部與東部之間的溫差減小,減弱甚至破壞緯向Walker環(huán)流,導致赤道太平洋對流活躍區(qū)東移到中太平洋,西太平洋和印度洋因海溫下降、大氣對流活動減弱,降水減少[17-18]。Walker環(huán)流和Hadley環(huán)流強度變化之間是相互制約的[19]。當赤道東太平洋增暖時,緯向Walker環(huán)流減弱,而經向Hadley環(huán)流加強,從而增加了向極地方向的熱量輸送;Hadley環(huán)流加強后,定常渦旋向極經向動量輸送加強,中緯度西風加強,進而副高減弱,并向東向南收縮,東亞夏季風減弱[20]。中緯度地區(qū)西風帶位置南壓,西太平洋夏秋季臺風減少。王紹武和龔道溢在研究ENSO事件影響機制時[21-23],提出ENSO事件的影響模式:赤道中、東太平洋海溫低(高)→南方濤動強(弱)→Walker環(huán)流強(弱)→Hadley環(huán)流西強東弱(東強西弱)→太平洋副熱帶高壓西強東弱(東強西弱)→西太平洋夏秋季臺風不活躍(活躍)。

青藏高原河川徑流主要受夏季的降水影響。青藏高原的水汽來源有3條路徑:一是阿拉伯海和孟加拉灣,二是中國南海,三是中緯度西風帶[24]。太平洋海溫異常遠距離影響著南亞地區(qū)的降水以及青藏高原的水汽供給,尤其是印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole,IOD)和ENSO事件[25]。正事件(即印度洋正偶極子、El Nio以及二者共同作用)會使得源于阿拉伯海、孟加拉灣、南海和東南季風輸送到青藏高原的水汽輸送減弱,導致青藏高原降水量減少,而負事件(印度洋負偶極子、La Nia以及二者共同作用)會使得水汽輸送加強[26]。薛殷宗[15]研究發(fā)現(xiàn),ENSO事件發(fā)生后引起緯向和經向大氣環(huán)流異常,改變青藏高原氣壓場和風場的位置以及強度,使得海洋向高原熱量和水汽輸送產生變化,從而影響青藏高原降水。梁涵洲等[11]研究表明,ENSO事件主要有3條途徑顯著影響青藏高原夏季降水和溫度:第1條途徑直接通過改變Walker環(huán)流、Hadley環(huán)流和NWPAC異常響應,影響南亞和印度洋向青藏高原的水汽輸送;第2條途徑直接通過激發(fā)東亞-太平洋(EAP)遙相關型波列,使得青藏高原東北部夏季受EAP北部反氣旋影響,不利于降水發(fā)生;第3條途徑在La Nia發(fā)展年夏季印度降水增加,造成中西亞地區(qū)西北側對流層中高層異常反氣旋環(huán)流,通過Rossby頻散沿著夏季急流激發(fā)環(huán)球遙相關(Circumglobal Teleconnection,CGT),進而影響整個高原降水與溫度。

3 結論與展望

針對近60 a來長江源區(qū)徑流變化事實,采用沱沱河站、直門達站1960—2020年實測徑流系列研究長江源區(qū)年徑流的演變趨勢,利用ONI指數(shù)分析近60 a來ENSO事件的強度與時間特征,研究兩站徑流豐枯變化及其對ENSO事件的響應,探討ENSO事件對徑流的可能影響機制。通過上述研究得到以下結論:

(1)長江源區(qū)沱沱河站與直門達站的徑流變化趨勢基本一致,即總體上均呈現(xiàn)震蕩上升的趨勢,尤其是在2000年以后呈現(xiàn)出大幅度增加的趨勢。Mann-Kendall檢驗結果表明,兩站在進入2000年以后均發(fā)生突變,并呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢。

(2)1960—2000年期間,暖事件發(fā)生年份,無論是當年還是次年,長江源區(qū)沱沱河站、直門達站出現(xiàn)徑流偏枯的概率較高。冷事件發(fā)生年份,兩站均呈現(xiàn)出在當年偏枯、次年豐枯概率基本相當?shù)膽B(tài)勢。2000年以后,長江源區(qū)徑流偏豐態(tài)勢尤為顯著。對于暖事件發(fā)生年份,豐枯基本相當。對于冷事件發(fā)生年份,無論是當年還是次年,兩站均表現(xiàn)為偏豐概率大于偏枯概率。

(3)徑流與ENSO事件兩者之間在整個1960—2020年時間軸上具有8～16個月時間尺度上的共振周期,其中1960—1970年時間軸上,兩者基本呈現(xiàn)同頻同位相變化態(tài)勢;在1970—2000年共振周期位相關系復雜,既有同位相、也有反位相變化態(tài)勢;2000年以后,兩者之間呈現(xiàn)近似的同位相變化態(tài)勢。

(4)青藏高原的水汽來源有3條路徑,一是阿拉伯海和孟加拉灣,二是中國南海,三是中緯度西風帶。ENSO事件發(fā)生后引起緯向和經向大氣環(huán)流異常,改變青藏高原氣壓場和風場的位置以及強度,使得海洋向高原熱量和水汽輸送產生變化,從而影響青藏高原降水。

ENSO事件與徑流變化之間的作用機制是十分復雜的,本文初步分析了長江源區(qū)徑流變化及其與ENSO事件之間的響應關系,并通過現(xiàn)有研究成果,初步梳理了ENSO事件對青藏高原氣候的可能影響機制。然而,在全球氣候變暖的背景下,氣溫升高對青藏高原降水和源區(qū)徑流的影響遠大于ENSO事件對大氣的遙相關影響。一方面氣溫升高導致冰川和融雪補給增加,直接影響源區(qū)徑流;另一方面氣溫升高導致青藏高原熱低壓和夏季風的加強,強化了阿拉伯海和孟加拉灣水汽向青藏高原輸送,間接影響源區(qū)徑流[27]。本文研究結果也顯示,2000年以后長江源區(qū)徑流偏豐態(tài)勢尤為顯著,其豐枯變化機制并不遵循2000年以前的變化規(guī)律,也從側面印證長江源區(qū)作為青藏高原腹地對全球氣候變暖的響應最為敏感。今后還將進一步深入研究全球氣候變化對青藏高原水循環(huán)和徑流形成機制。