马有绚 张调风 温婷婷 马占良 来晓玲 段丽君

（1 青海省气候中心，西宁 810001；2 兰州资源环境职业技术大学/黄河流域生态环境产教融合研究院/甘肃省气候资源利用与防灾减灾重点实验室，兰州 730021）

0 引言

黄河发源于青藏高原，上游流域面积广大，地貌复杂，气候差异甚大。黄河上游径流来源主要有三个方面：一是天然降水；二是冰雪消融；三是地下水补给[1]。流量的丰枯变化不仅影响黄河上游的生态环境，还直接影响中下游水资源量的变化[2-3]。通过气候因子对河川径流量进行合理预测可以帮助实现对水资源的统筹规划和集约利用，具有十分重要的现实意义[4]。

众多研究一致认为，20世纪西北地区气候总体呈暖干化趋势[5-7]，但丁永建等[8]、施雅风等[9]曾提出，西北地区气候可能正在发生从暖干向暖湿转型，而且转型已经开始。近期一些研究[10-11]也证明了西北地区气候暖湿化的事实，表明在百年尺度上，西北地区经历了20世纪40年代和60年代至今的两个增暖期，且当前的暖期更强；21世纪开始西北地区西部与东部同时进入增湿期。

气候变化是黄河上游径流减少的主要驱动力[12-13]。蓝永超等[14-15]指出，在全球变暖的气候背景下，随着气温升高，蒸发和下渗增加使地表径流有所减少。李林等[16]研究表明，降水量的减少，特别是夏季降水量的减少直接导致了黄河上游流量的减少。上述研究使人们了解到黄河上游地区流量的变化特征及其减少的成因。但以往的研究往往侧重于整体的统计分析，对其径流量的转折特征及其成因分析相对较少。本文对黄河上游地区的唐乃亥径流演变新特征进行研究，并分析影响其转折的气候和大气环流成因，以期为黄河上游地区水资源评估提供背景数据，为相关决策提供依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象站点资料采用1961—2021年黄河上游地区泽库、河南、兴海、同德、玛沁、达日、甘德、玛多和久治9个气象台站月平均气温、降水量、平均相对湿度、平均风速和蒸发量数据，代表研究区域的气候要素（图1）。由于全省大部分台站在1969年前后更换了风速测量仪器，所以1961—1969年风速不予分析，仅分析1970—2021年数据。黄河上游地区流量采用青海省境内黄河上游唐乃亥水文站观测资料，时间为1961—2021年。高原季风指数采用美国国家环境预报中心（NCEP）提供的风场资料计算得到，资料水平分辨率为2.5°×2.5°。亚洲纬向环流指数和西藏高原指数等采用国家气候中心气候系统监测指数集（http://10.1.64.154/portal/web-home.index/）。

图1 研究区及气象站点分布Fig. 1 Distribution of the study area and meteorological stations

1.2 研究方法

利用上述9个气象台站气象资料序列的空间算数平均值代表黄河上游地区（唐乃亥水文站上游）气候状态，蒸发量通过高桥浩一郎公式来计算[13]。采用线性趋势法、相关分析、波谱分析[17]、Mann-Kenddall法（M-K法）进行统计分析。

高原季风指数IPM采用公式（1）计算，即为600 hPa（27.5°—32.5°N，80.0°—100.0°E）范围内的平均西风量距平∆U1与（33.0°—37.5°N，80.0°—100.0°E）范围内的平均东风量距平∆U2之差[18-19]。

纬向环流指数又称西风指数，是反映平均地转风中西风分量的一个指标，可以定量表述纬向环流的强弱，是所取范围各格点上地转西风分量的平均值。通常在500 hPa等压面上计算西风指数Iz，而中国经常使用亚洲地区的西风指数，其范围是45°—65°N、60°—150°E[20]。

M-K突变检验是在M-K趋势检验的基础上建立的一种确定时间序列突变的方法。该方法根据构造的秩序列样本计算统计量UF和UB，根据UF和UB曲线在置信范围内的交点，确定时间序列的突变点[21]。

2 结果与分析

2.1 黄河上游地区气候变化特征

气温作为热量指标对流量的主要影响表现在以下几个方面：一是影响冰川和积雪的消融；二是影响流域总蒸散量；三是改变流域高山区降水形态；四是改变流域下垫面与近地面层空气之间的温差，从而形成流域小气候[3]。近61年来，黄河上游地区年平均气温总体呈波动上升趋势，其气候倾向率为0.33 ℃/10a（图2a），明显高于同期全球及全国的增温平均值。黄河上游地区年平均气温在1997年以来有加快的趋势，20世纪60年代平均气温为－0.68 ℃，90年代达到为－0.31 ℃，2000年后平均气温为0.76 ℃，2010年以来气温升高尤为突出，平均气温达0.96 ℃，比20世纪90年代增加了1.27 ℃。

黄河上游地区近61年年均降水量呈明显的增加趋势（图2b），气候倾向率为12.4 mm/10a（P＜0.01）。其变化趋势具有明显的年际和年代际振荡，从降水的年代际变化来看，20世纪60年代初至70年代中期为降水相对减少时段，70年代中期至80年代末进入多雨期，90年代后又经过一个低值阶段，21世纪以来又呈明显增多的趋势。

由高桥浩一郎公式计算得出的1961—2021年黄河上游地区蒸发量年际变化曲线（图2c）可以看出，近61年来，黄河上游地区年蒸发量呈显著增大趋势，其气候倾向率为8.0 mm/10a（P＜0.001），这与黄河上游地区气温的显著升高有密不可分的关系。

从1961—2021年黄河上游地区年平均相对湿度变化曲线（图2d）可以看出，近61年来，黄河上游地区年平均相对湿度呈波动减小趋势，其气候倾向率为－0.3%/10a（P＜0.1）。从1970—2021年黄河上游地区年平均风速变化曲线（图2e）可以看出，近50年来，黄河上游地区年平均风速呈显著减小趋势，其气候倾向率为－0.16 m/（s·10a）（P＜0.001）。

2.2 黄河上游地区径流量变化特征

由1961—2021年黄河上游径流量变化曲线来看（图3a)，近61年来黄河上游径流量总体呈波动下降趋势，气候倾向率为－7.6 m3/（s·10a）。自1991年开始，黄河上游径流量波动上升，2020年径流量达982.1 m3/s，远远超过多年平均值（653.3 m3/s），达到了20世纪80年代初的水平。M-K法突变检验分析（图3b）表明，在1991年前后径流量出现了突变，即呈现增加的态势，2000年以后增加显著。突变转折以前，黄河上游地区径流量以25.9 m3/（s·10a）的速率减少，而转折后以122.9 m3/（s·10a）的速率迅速增加（P＜0.01）。

图3 1961—2021年黄河上游径流量年际变化（a），M-K突变检验（b），小波方差（c）以及小波系数（d）变化曲线Fig. 3 Annual variation (a), M-K mutation test (b), wavelet variance diagram (c) and wavelet coefficient curve (d) of runoff in the upper reaches of the Yellow River during 1961－2021.

波谱分析（图3c）表明，黄河上游径流量具有8 a和38 a的显著性变化周期，而从各显著性周期的小波系数变化趋势来看（图3d），进入21世纪以来，8 a的短周期在00年代不太明显，但在10年代逐渐变得显著，而38 a的长周期显得日趋突出。这表明近21年来黄河上游流量的持续上升态势已打破了以往以持续下降为主、8 a小幅回升为辅的短周期变化规律，呈现出较强劲的、较长周期的持续上升趋势。这一变化对于改善黄河上游地区生态、水文和气候环境具有积极的影响。

2.3 影响黄河上游地区径流量变化的气候成因

2.3.1 气候趋于暖湿

在全球变暖的背景下，青藏高原呈现出气候暖湿化的趋势[22]。由图2给出的黄河上游地区平均气温、年降水量变化来看，黄河上游地区气候变化同样出现变暖、变湿特征，尤其在1991年以后，暖湿特征更加显著。

大气降水、地表蒸发和气温是影响流量的主要因子[23]。表1中给出了黄河上游地区年平均径流量与年平均气温、年降水量、年平均相对湿度、年平均风速的相关系数。可以看到，平均气温与径流量总体上呈负相关关系，黄河上游地区径流量转折前，平均气温与径流量的负相关关系更加明显，表明气温升高加大流域蒸发量，导致径流补给减少，且该补给减少大于冰雪融水的补给；转折后平均气温与径流量呈正相关关系（P＜0.1），说明气温升高致使冰雪融水增加，对流量补给大于流域蒸发量增加导致的减少作用。

表1 不同时段唐乃亥站径流量与研究区同期各气候要素的相关系数Table 1 Correlation coefficient between runoff at Tangnaihai Station during different time periods and the climatic factors of the same period in the study area

近61年，年降水量与径流量呈显著的正相关关系，黄河上游地区径流量转折前和转折后，其相关系数均＞0.7（P＜0.001），表明降水对于径流量具有决定性的影响，它是流量演变的主要驱动因子[24]。年平均相对湿度与径流量呈显著的正相关关系，但这种正相关关系在黄河上游地区径流量发生突变转折后明显减弱。年平均风速总体上与径流量相关并不明显，但是在黄河上游地区径流量发生突变转折之前存在相对明显的负相关关系，这种关系在转折后明显减弱。年蒸发量与径流量并无明显的相关关系，表明其对黄河上游地区径流量的增长并未起到明显的作用，这与刘彩红等[3]、李林等[19]研究结论一致。

2.3.2 大气环流特征

上述分析表明，气候变化是影响黄河上游地区径流量变化的主要影响因子，而大气环流异常是造成气候异常的直接原因。为分析黄河上游地区径流量与大气环流变化的联系，将1961—2021年径流量与同期500 hPa环流场做相关分析（图4a），发现中高纬度（15°—70°N），从欧洲至东亚上空自北向南呈现“正—负”的相关区域，中国大部为显著的负相关区（P＜0.05），异常中心位于巴尔喀什湖以南至新疆地区，巴尔喀什湖至贝加尔湖以北的地区为正相关区域，说明巴尔喀什湖至新疆附近低槽偏强、中国大部为负高度距平控制时，容易造成青海大部降水偏多，从而导致黄河上游地区径流量增加。反之，则情况相反。

大气环流对黄河上游地区径流量的影响在其突变转折前后具有较大的差异（图4b和4c）。1961—1990年（转折前），在欧亚地区影响黄河上游径流量变化的区域主要位于贝加尔湖和青藏高原及新疆上空，当高原高度场偏低并且贝加尔湖高压偏强时，欧亚地区总体形成“西低东高”配置，利于降水偏多，进而导致黄河上游地区径流量增加；1991—2021年（转折后），影响黄河上游地区径流量增加的主要关键区与转折前发生了明显的变化，巴尔喀什湖至贝加尔湖以北地区的正相关区明显增强、范围增大，青藏高原及新疆附近的负相关性减弱、范围明显减缩，而低纬度地区的正相关性增强。表明转折前后，大气环流对黄河上游地区径流量的影响机制发生了明显的变化。

2.3.3 高原夏季风增强

高原夏季风是由地形阶梯造成对流层中层大气的温度差异引起的，对高原地区气候的影响不容忽视。研究区位于青藏高原东北部地区，其流域水文、气候环境的演变，不可避免地要受到高原季风的影响[19]。夏季600 hPa上高原主体受强大低压系统控制，近地层风场呈气旋式旋转，大致以32.5°N为界，其南侧为偏西风，北侧为偏东风。从风场角度计算IPM，差值越大，说明高原夏季近地面切变线南北纬风向差越大，气旋性旋转越强，高原夏季风越强；反之，则越弱。

1961—2021年IPM如图5（a）所示，1961年以来高原夏季风总体呈减弱趋势，其气候倾向率为0.34 m/（s·10a）（P＜0.01），特别是1980年之前，减弱趋势明显。M-K法突变检验（图5b）表明，高原夏季风在1987年之前呈减弱趋势，之后逐渐增强。2013年前后出现由弱到强的突变，增强趋势更加显著。图5c和5d分别为黄河上游地区径流量突变转折前后高原夏季风指数变化曲线，可以看到，转折前高原夏季风总体呈显著的减弱趋势（P＜0.01），其气候倾向率为－1.35 m/（s·10a）；而转折后高原夏季风呈现明显增强的趋势（P＜0.01），气候倾向率为0.44 m/（s·10a）。李林等[19]研究表明，强劲的高原夏季风可以将孟加拉湾乃至印度洋的暖湿气流源源不断地输送到青海地区，使其区域气候呈现出暖湿化趋势，继而利于黄河上游地区径流量的增加。

2.3.4 西风环流减弱

李万莉等[25]研究表明，我国西北地区的水汽输送主要集中在夏季，西风气流是西北地区水汽输送的主要载体。高原夏季风对区域西风带活动具有显著的影响，近数十年来两者总体变化趋势相反，前者增强后者减弱[26]。处于西风带和高原季风交汇区域的青海地区，西风环流强弱变化及其与高原季风此消彼长的相互作用对流域气候、水文环境的影响不容忽视[20]。本文采用亚洲纬向环流指数（Iz）来表征西风指数。1961年以来，Iz呈略微增长趋势，并在1991年左右出现突变，虽然突变在显著线之外，但与黄河上游径流量突变年份一致。转折前Iz呈增长趋势，其气候倾向率为0.25 hPa/10a，其对黄河上游地区径流量的影响并不明显，二者相关系数仅为－0.085；而转折后Iz呈现减弱趋势，气候倾向率为－0.16 hPa/10a，与黄河上游地区径流量相关系数达－0.306（P＜0.1），表明干燥的西风环流减弱对黄河上游地区径流量增多具有一定的作用（图6）。

3 结论与讨论

1）1961—2021年黄河上游地区气温呈波动上升态势，2000以来增温更加显著；年降水量呈明显增加趋势（P＜0.01），并且具有明显的年际和年代际振荡；年蒸发量呈显著增大趋势（P＜0.001），这与黄河上游地区气温的显著升高有密不可分的关系；相对湿度呈波动减小趋势；平均风速呈显著减小趋势（P＜0.001）。

2）1961—2021年黄河上游径流量总体呈波动下降趋势，其变化在1991年前后出现了突变，2000年以后呈显著增加趋势。黄河上游径流量具有8 a和38 a的显著性变化周期，近21年来黄河上游流量的持续上升态势已打破了以往以持续下降为主、8 a小幅回升为辅的短周期变化规律，呈现出较强劲的、较长周期持续上升趋势。

3）黄河上游地区径流量变化对年平均气温、降水量、相对湿度及平均风速的变化响应敏感，其中降水对径流量具有决定性的影响。气温对径流量的影响在径流量转折前后具有较大差异，转折前气温升高加大流域蒸发量，导致流量补给的减少要大于升温带来的冰雪融水的增加；而转折后气温升高致使冰雪融水的补给增加大于加大流域蒸发量导致流量补给的减少量。

4）大气环流及其影响的转变是黄河上游地区造成径流量发生变化的重要原因，1991年以来在干燥的西风环流减弱和暖湿的高原季风增强的共同作用下，黄河上游地区降水量增多导致径流量增加。

众所周知，西北地区气候同时受东亚夏季风和西风环流的影响，它们为西北地区提供了基本的水汽来源，而高原季风作为亚洲季风系统的子系统，位于高原上空，直接影响黄河上游地区。关于当前黄河上游地区径流量发生变化的原因，需同时关注西风环流和东亚夏季风环流的动向。西风环流、东亚夏季风特别是高原季风之间的相互作用，及其对黄河上游及周边地区气候变化特别是降水量增加的影响机理是十分复杂的。本研究仅从统计的角度对其变化趋势和影响进行分析，并没有深入分析黄河上游地区径流量与它们之间的定量关系，后续将应用数值模式进行模拟研究。此外，还需从植被覆盖、冻土退化等气候环境因素的角度分析对黄河上游地区径流量的影响机理。