郑雨凝, 李杨, 鞠琴, 宁忠瑞, 王国庆, 鲍振鑫

(1.河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098; 2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029; 3.长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098; 4.水利部应对气候变化研究中心,江苏 南京 210029;5.内蒙古自治区水资源与水权收储中心,内蒙古 呼和浩特 010020)

随着经济社会的快速发展,人类活动对区域水循环过程的影响越来越显著。与此同时,全球变暖也在进一步影响水文循环。

叶尼塞河发源于蒙古高原,注入北冰洋,是亚洲北部具有代表性的河流之一。与该流域相关的水文气象研究资料目前十分有限,研究者们发现该流域的水文过程与人类活动有一定的相关性。例如YANG D Q等[1]通过研究1935—1999年叶尼塞河流域的长期月流量数据发现,水库在削减叶尼塞河流域上游地区夏季流量的同时,增加了流域上游地区的秋、冬季流量。JENNIFER C Adam等[2]通过研究也发现水库是引起叶尼塞河年径流量季节性变化的原因之一。张宇硕等[3]通过研究2000—2010年间西伯利亚地表覆盖变化发现,人类活动和气候变暖引起的冰冻层消融是导致叶尼塞河流域的湿地显著增加的主要原因。分析区域水文气象要素的演变规律是分析径流变化归因的基础工作[4-8],对于正确理解变化环境下的流域水文特性具有重要意义,与此同时,分析该流域水文气象要素的演变规律对于研究亚洲北部地区的水文情势具有积极意义。本文以叶尼塞河流域为研究对象,搜集了20世纪50年代以来的流量、降水量和气温资料,系统分析该流域不同水文气象要素的演变和阶段性特征,初步探讨了不同阶段径流与气象要素间的关系。

1 流域概况与分析方法

1.1 流域概况

叶尼塞河流域覆盖了中西伯利亚大部分地区,是北冰洋水系中水量最大的河流流域,流域面积为265.97万km2[9]。河流上游湍急,多急流、洪水;中下游地形平坦,冻土广布,多沼泽湿地。叶尼塞河的下游注入北冰洋喀拉海的叶尼塞湾,河口处年平均流量为19 600 m3/s。叶尼塞河流域有着显著的大陆性气候,寒冷期从10月中旬持续至次年4月末,5月到10月初则为温暖期。河流在寒冷期存在较长时间的结冰期和封冻期。流域内气温差别较大,南部(山地地区)7月平均气温可达18～20 ℃,北部(平原和低地地区)1月平均气温低至-32～-28 ℃。流域内降水主要发生在温暖季节,其中，中部地区(高原地区)年平均降水量为500～760 mm,南部地区年平均降水量可达1 000 mm以上。图1给出了流域、流域水系及Igarka水文站的地理位置。

1.2 数据来源

本文所使用的流量资料来源于流域下游Igarka水文站1951—2015年的数据统计,笔者同步收集了该流域1951—2015年的逐年气温和逐年降水量资料。其中，气象数据来源于美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)提供的全球尺度0.5°×0.5°分辨率的降水量(https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.gpcc.html)、地表气温(https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ghcncams.html)格网数据的多点平均值,时段为1951—2015年。

1.3 分析方法

本文采用Mann-Kendall方法诊断水文气象要素的趋势性规律,采用小波分析法诊断水文气象要素的周期性规律,综合Mann-Kendall方法和滑动T检验法来诊断水文要素的突变性规律,并使用Pearson方法对数据进行相关性分析。

Mann-Kendall(M-K)方法最早由Mann和Kendall提出,因该方法对样本的分布没有特定的要求,并且允许样本序列中存在少量异常数值,被许多学者用来分析检验河川径流水文气象要素的长期变化趋势[10-13]。小波分析法融合泛函分析、Fourier分析、样条分析、数值分析于一体,可用于时空尺度上的分析,目前该法较广泛地应用于水文气象序列阶段性特征的诊断中[14-16]。Mann-Kendall方法和滑动T检验法都可以用于样本序列突变性的检验中,此二法在流域水文要素的突变性诊断中也被广泛运用[17-18]。Pearson方法也被广泛应用于水文要素的相关性分析中[19-20]。

2 结果与讨论

2.1 水文气象要素趋势性分析

叶尼塞河流域的河川径流主要源于降水、冰雪融水和地下水,图2显示了叶尼塞河流域1951—2015年年平均气温、年降水量和年平均流量的变化过程。

由图2可以看出:①年平均气温呈现波动上升趋势,平均线性增加率为0.283 ℃/(10年),符合全球变暖趋势,其中最高年平均气温(-2.52 ℃)出现在2015年,最低年平均气温(-6.93 ℃)出现在1969年。年平均气温波动上升的趋势较为稳定,同时可以观察到在某些年份(如2009年),年平均气温、年降水量和年平均流量存在同步的上升或下降趋势。②年降水量呈现波动上升趋势,平均线性增加率为5.2 mm/(10年),其中最高年降水量(488.3 mm)出现在2008年,最低年降水量(368.2 mm)出现在1964年。年降水量自20世纪70年代后期开始与年平均流量有相似的走势,可以观察到在年平均流量最小年,年降水量也达到自2000年来的最小值。③年平均流量总体呈显著上升趋势,平均线性增加率为437(m3/s)/(10年),且年代际间变化幅度较大,最大年平均流量(22 252 m3/s)出现在2007年,最小年平均流量(14 166 m3/s)出现在2012年。在20世纪60年代中后期,年平均流量的变化幅度较小,但在20世纪70年代年平均流量的波动较大,随后一直呈波动上升状态,但在2012年年平均流量骤降，与2011年年平均流量相比减小了1/3。

图2 年平均气温、年降水量和年平均流量趋势图

通过一元线性法和Mann-Kendall方法对资料序列进行显著性检验,得到的结果为:①年平均气温序列的线性系数为0.028 3,说明资料序列呈增加趋势;M-K检验值为4.263,大于标准值1.96,说明趋势显著。②年降水量序列的线性系数为0.518 6,说明资料序列呈增加趋势;M-K检验值为3.038,大于标准值1.96,说明趋势显著。③年平均流量序列的线性系数为43.732 7,说明资料序列呈增加趋势;M-K检验值为4.405,大于标准值1.96,说明趋势显著。

2.2 水文气象要素周期性分析

本文应用Morlet小波分析法得到叶尼塞河流域年降水量、年平均气温以及年平均流量的小波变换等值线图和小波方差图(如图3所示)。图中信号振荡的强弱通过颜色的明亮程度来表示,颜色越明亮的区域,所对应的时间尺度的周期性越显著。因研究资料的时间跨度只有65年,本文暂不分析图3中所显示的64年长周期。

图3 年降水量、年平均气温和年平均流量小波分析结果

由图3(a)可见,在1951—2015年间,叶尼塞河流域年降水量主要存在阶段性的3年、6～7年和14年左右的周期振荡。其中,3年周期明显存在于1960—2015年,存在时间最长、振荡最强烈;6～7年周期明显存在于2000—2013年;14年周期主要存在于20世纪70年代末至21世纪初。主要的多雨期在20世纪60年代初至60年代末、80年代末至90年代末、21世纪初至21世纪10年代初。少雨期主要在20世纪50年代至60年代初、70年代中期至纪80年代末。

由图3(b)可见,在1951—2015年间,叶尼塞河流域年平均气温主要存在阶段性的2～4年和10～16年的周期振荡。其中,2～4年周期明显存在于20世纪50年代初期,60年代至70年代末,80年代和90年代中期以及21世纪初至21世纪10年代中期,存在时间长、震荡强烈;10～16年周期明显存在于20世纪60年代末至80年代初。主要的温暖期在20世纪70年代中期至80年代初期、90年代初至90年代末以及21世纪初。寒冷期主要在20世纪60年代中期至70年代中期。

由3(c)可见,在1951—2015年间,叶尼塞河流域年平均流量主要存在阶段性的3～5年、14年左右和29年左右的周期振荡。其中,3～5年周期明显存在于20世纪70年代初至90年代初和21世纪以后,存在时间最长、振荡最强烈;14年左右周期明显存在于20世纪50年代中期至70年代末;29年左右周期主要体现于20世纪90年代以后。主要的大流量期在20世纪60年代前后、70年代中期、90年代初期前后以及21世纪的前10年。小流量期主要在20世纪60年代中期至70年代初以及80年代中期。

2.3 水文气象要素突变结果及阶段性分析

本文综合应用Mann-Kendall方法和滑动T检验法对叶尼塞河流域的年平均流量、年降水量和年平均气温序列进行突变性分析,寻找主要突变点并进行阶段性分析。图4为流域年平均流量序列的检验结果,图5为流域年降水量序列的检验结果,图6为流域年平均气温序列的检验结果。

图4 流域年平均流量M-K检验和滑动T检验结果

通过图4(a)、图5(a)和图6(a)的结果可以看出:年平均流量在1983年存在突变,年降水量和年平均气温在1991年存在突变。综合图4(b)、图5(b)和图6(b)的结果(其中滑动T检验的临界值的显著性水平为0.05)可以得出，1983年为该流域年平均流量的显著突变年份,1991年为该流域年降水量和年平均气温的显著突变年份。分别分析突变前后的流域年平均流量、年降水量和年平均气温,得到的结果见表1(表中年平均流量、年降水量和年平均气温为多年均值)。

图5 流域年降水量M-K检验和滑动T检验结果

图6 流域年平均气温M-K检验和滑动T检验结果

由表1可知:在突变前后,流域年平均流量、年降水量和年平均气温都有不同程度的增大,但变化幅度存在较大差异,其中年平均气温的变化最大,年平均流量的变化次之,年降水量的变化最小。进一步分析流域年平均流量、年降水量和年平均气温的线性趋势及趋势显著性在突变前后的变化,结果见表2。

表1 流域年平均流量、年降水量和年平均气温在突变前后的变化

表2 流域年平均流量、年降水量和年均气温的线性趋势在突变前后的变化

通过Mann-Kendall方法得出:突变之前,年平均流量呈增加趋势,M-K检验值为0.909,小于标准值1.96,说明趋势不显著;年降水量呈增多趋势,M-K检验值为0.881,小于标准值1.96,说明趋势不显著;年平均气温呈上升趋势,M-K检验值为0.981,小于标准值1.96,说明趋势不显著。突变之后,年平均流量呈增加趋势,M-K检验值为1.301,小于标准值1.96,说明趋势不显著;年降水量呈增多趋势,M-K检验值为1.212,小于标准值1.96,说明趋势不显著;年平均气温呈上升趋势,M-K检验值为0.932,小于标准值1.96,说明趋势不显著。

图7、图8分别为流域1983年前后年降水量和年平均气温与年平均流量之间的响应关系。

由图7、图8可以看出:①随着降水量的增加以及气温的升高,流量有所增加,说明年降水量和年平均气温都与年平均流量存在正相关关系。②降水-流量点群和气温-流量点群在1983年前后存在一定的差异,1983年后的降水-流量点群和气温-流量点群明显高于1983年前的点群,且1983年后的降水-流量点群和气温-流量点群相较于1983年前的更集中。结合引言中提到的相关研究资料[1-3],猜测造成这种变化的原因包括但不限于流域水利工程的建设以及流域下垫面因素的改变,体现出人类活动和全球变暖对于区域水文情势的影响。

图7 流域1983年前后降水量与流量的响应关系

图8 流域1983年前后气温与流量的响应关系

进一步利用相关分析研究1951—2015年的流域年平均流量分别与年降水量和年平均气温的相关关系,本文使用Pearson相关系数来表示相关关系的强弱情况,得到的结果见表3。

表3 流域年平均流量与年降水量和年均气温的相关性

从表3可知:年平均流量和年降水量之间的相关系数值为0.480,并且呈现出0.01水平的显著性,因而说明年平均流量和年降水量之间有着显著的正相关关系。年平均流量和年平均气温之间的相关系数值为0.520,并且呈现出0.01水平的显著性,因而说明年平均流量和年平均气温之间也有着显著的正相关关系。因此猜测人类活动可能是导致流域1983年前后年径流量有显著突变并且引起流域水文气象要素突变时间不同的因素之一。

3 结语

综合Mann-Kendall方法、小波分析法和滑动T检验法对1951—2015年叶尼塞河流域水文气象要素的诊断结果表明,这65年来,流域年平均流量、年降水量和年平均气温总体都呈现升高趋势;流域年平均流量、年降水量和年平均气温普遍存在一个3～4年的短期振荡周期;流域年平均流量资料序列的突变主要发生1983年前后,年降水量和年平均气温资料序列的突变主要发生在1991年前后。流域年平均流量、年降水量和年平均气温较突变前都有显著增大,其中年平均流量的增大与年降水量的增多和年平均气温的升高存在显著的正相关关系;定量分析其他因素对河川径流的影响是未来研究的重要内容。