近44年金沙江中下游徑流變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)探究論文
引言
社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的迅速增加，使得全球水資源日益短缺。尤其是最近50年，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水資源的影響已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外科學(xué)界所關(guān)注的研究熱點(diǎn)。氣候變化必然引起水分循環(huán)的變化，從而導(dǎo)致河川徑流在時(shí)空上的重新分布以及數(shù)量的改變，分析河川徑流的變化特征不僅有助于深入了解流域水資源特性，同時(shí)也有利于水資源的開發(fā)控制和調(diào)整。從公開的資料可以看到，氣候變化已經(jīng)使得水資源緊缺、水土流失、冰川萎縮、河川斷流等一系列水資源環(huán)境問題，更易于向惡化方向演變。
云南西部屬橫斷山系縱谷區(qū)，自西向東由高黎貢山、怒江、怒山（碧羅雪山）、瀾滄江、云嶺、金沙江三大山系與三條大江相互挾持而成，呈現(xiàn)三江并流的現(xiàn)象是河流地貌系統(tǒng)中的一大奇觀。最近的研究分析表明，云南的降水特別是縱谷區(qū)的降水量具有最顯著的年際及年代際變化特征。金沙江是長江的上游河段，金沙江以石鼓和攀枝花為界，被分為上、中、下游。金沙江流域由于水能資源豐富，近年來開發(fā)了多個(gè)巨型水電站，是我國電力能源重要的輸出基地，因而對(duì)于金沙江徑流變化的研究因此顯得意義重大。
本文重點(diǎn)關(guān)注金沙江中下游流域，研究其徑流增量變化和與氣候要素的聯(lián)系，為區(qū)域視角下水資源的安全開發(fā)利用提供分析背景，為金沙江中下游四個(gè)梯級(jí)電站的安全生產(chǎn)和長期調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。
1資料和方法
1.1資料
本文選取金沙江上、中、下游石鼓、攀枝花和屏山三個(gè)出流水文站1966年至2009年的徑流資料，氣象資料為金沙江流域沿線寧蒗、永勝、鶴慶、賓川、華坪、永仁、元謀、會(huì)澤、巧家、永善、綏江等11個(gè)氣象站1966年-2009年的月降雨、蒸發(fā)量以及月氣溫資料。
1.2方法
本文利用Mann-Kendall(以下簡稱MK法)趨勢檢驗(yàn)分析徑流序列的變化趨勢。MK檢驗(yàn)作為一種提取序列變化趨勢的有效工具,被廣泛應(yīng)用于氣候參數(shù)和水文序列的分析。MK法還能大體確定序列中突變發(fā)生的位置。徑流序列可以被看作是隨時(shí)間有周期性變化的信號(hào)，因此本文將使用小波轉(zhuǎn)換來分析其變化的周期性。本文選取morlet小波作為母小波函數(shù)，此函數(shù)均值為0,且在時(shí)頻空間上具有很好的對(duì)稱性。此外本文還主要使用相關(guān)分析，滑動(dòng)平均和線性傾向分析等方法。
2金沙江中下游徑流變化特征
2.1金沙江中下游徑流增量年內(nèi)分布特征
金沙江中游徑流增量年內(nèi)變化很大，汛期、枯期流量差異大是最主要的特征。每年的7—10月為汛期，全年總量的`78%集中在這4個(gè)月內(nèi)，其中主汛期為7—9月，與流域所在地區(qū)雨季一致；每年11月至來年1—6月為枯期，僅占全年徑流增加總量的22%。與云南縱向嶺谷區(qū)河流類似，金沙江中游徑流變化年內(nèi)呈單峰型分布。但是峰谷值出現(xiàn)的月份要偏晚一個(gè)月，金沙江中游多年平均月徑流峰值出現(xiàn)在每年的8月份，谷值出現(xiàn)在每年的4月份。
金沙江下游徑流增量年內(nèi)主要分布特征（圖2（b））與中游類似，汛期、枯期徑流量差異顯著。但較中游又有所不同：一個(gè)是下游徑流在6月份就進(jìn)入了汛期，較中游提前一個(gè)月；二是下游入流增量分布呈現(xiàn)一個(gè)弱雙峰型特征，有7月和9月兩個(gè)峰值，在主汛期8月稍有回落；第三是下游月徑流量在3月份最少，較中游提前了一個(gè)月。
由以上分析可見，金沙江中、下游流域內(nèi)徑流增量分布既有一定的共性，也具有流域的特殊性，因此對(duì)不同流域水資源的開發(fā)利用應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)合理地差異對(duì)待。
2.2金沙江中下游徑流增量演變特征
根據(jù)金沙江中下游年總徑流增量距平序列（圖2（a））所示，金沙江中游徑流總體呈線性增加趨勢，氣候傾向率為310m3/10a。從10年滑動(dòng)平均來看，在1990s末2000s初有一個(gè)較明顯的年代際轉(zhuǎn)變階段。1990s末期之前，金沙江中游徑流總體為正常到稍偏少，滑動(dòng)平均為負(fù)值，年平均偏少500m3，尤其在1980s年代偏少較為明顯；1990s末期，中游徑流開始增加，距平值由負(fù)轉(zhuǎn)正，平均值躍升至1000m3左右。不過在2000s中后期中游徑流再次呈微幅回落趨勢。
2.3金沙江中下游徑流增量突變分析
氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)中的一個(gè)重要現(xiàn)象，常見的氣候突變是把它定義為氣候從一個(gè)平均值到另一個(gè)平均值的急劇變化，它表現(xiàn)為氣候變化的不連續(xù)性，也就是說，氣候突變就是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢），跳躍式的轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢）的現(xiàn)象，它表現(xiàn)為氣候在時(shí)空上從一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性到另一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性的急劇變化。
2.4金沙江中下游徑流增量變化周期分析
從金沙江中游徑流增量的小波實(shí)部圖（圖4（a））中可見，在置信區(qū)間內(nèi)，中游徑流增量有穩(wěn)定而明顯的準(zhǔn)6a變化周期，大致在70s中后期、80s中后期和2000s初期徑流增量偏多，在80s前期和90s徑流增量偏少。同時(shí)，在1990s年代前準(zhǔn)3a的振蕩周期也較明顯，不過此后有向更高頻波段轉(zhuǎn)變的趨勢。在年代際上，10a周期上在1980s—1990s期間較明顯。此外還可以看出，在90s年代中期中游徑流增量有轉(zhuǎn)折，由偏少轉(zhuǎn)為偏多。
3金沙江中下游徑流變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)
為了考察金沙江中下游徑流增量變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)及其程度，我們需要分析金沙江中下游流域的降水、蒸發(fā)量、氣溫等氣象要素的變化，并考察氣象要素與徑流變化間的關(guān)系。
3.1金沙江中、下游氣候變化特征
首先分析金沙江中、下游氣象要素的氣候變化特征。中游氣象要素使用的是金沙江中游寧蒗、永勝、鶴慶、賓川和華坪5個(gè)氣象站的觀測資料，取其平均值代表整個(gè)金沙江中游流域的氣候特征；下游氣象要素用的是金沙江下游永仁、元謀、會(huì)澤、巧家、永善、綏江6個(gè)氣象站的觀測資料，同樣取平均值代表整個(gè)下游流域的氣候特征。
3.1.1金沙江中下游年雨量演變特征
從10年滑動(dòng)平均的曲線來看，金沙江下游流域年蒸發(fā)量沒有明顯的年代際變化特征，始終維持一致減少的趨勢。而金沙江中游流域的年蒸發(fā)量在1990s年代初有一個(gè)較為明顯的年代際轉(zhuǎn)變，之前以穩(wěn)定少變?yōu)橹�，之后轉(zhuǎn)為快速減少趨勢。到了2000s中期，金沙江中游流域的年蒸發(fā)量又轉(zhuǎn)為穩(wěn)定少變的趨勢。
3.1.3中下游年平均氣溫演變特征
與全球變暖的氣候大趨勢一致，金沙江中下游年平均氣溫總體呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增加趨勢，其中金沙江中游流域的升溫要比下游流域明顯。從氣候傾向率來看，與文獻(xiàn)[12]中結(jié)論基本一致，金沙江中游平均氣溫增溫速率約為0.04℃/10a，金沙江下游流域氣溫增加速率約為0.02℃/10a，均遠(yuǎn)低于近50年云南的增溫速率0.24℃/10a和全國的增溫速率0.22℃/10a。從圖中10年滑動(dòng)平均曲線可以看出，金沙江中下游年平均氣溫具有較明顯的年代際變化特征，在1990s初期至2000s初期，流域年平均氣溫階段性降低，尤其在下游地區(qū)更明顯。
綜上所述，金沙江中下游局地氣候要素在近44年中有著較明顯的變化。其中，金沙江中下游年蒸發(fā)量與云南區(qū)域的減少趨勢一致，且變化幅度屬于中等偏強(qiáng)。這可能與當(dāng)?shù)厝照諘r(shí)數(shù)減少和風(fēng)速減小有關(guān)。此外，金沙江中下游流域降雨總體呈增加趨勢，與中下游徑流變化一致，說明相關(guān)流域降雨產(chǎn)流變化與徑流變化是同步的。另外，在全球變暖背景下，金沙江中下游的氣溫也在緩慢增加中，但對(duì)比近50年來云南地區(qū)和全國范圍的增溫幅度而言，該流域的氣溫增暖顯得較為溫和。
3.2流域氣候要素與徑流增量變化的關(guān)系
金沙江中、下游的徑流增量與流域的年總雨量和年總蒸發(fā)量都高度相關(guān)，其中徑流與年總雨量成正相關(guān)，與年總蒸發(fā)量成反相關(guān)。可以說，影響金沙江中下游流域徑流變化的主要?dú)夂蛞厥墙邓�，降水越多，徑流越大；其次是蒸發(fā)，流域蒸發(fā)越弱，徑流越大，這與國內(nèi)部分流域的研究結(jié)論基本一致。此外在氣溫方面，金沙江中下游氣溫與徑流呈負(fù)相關(guān)，說明流域氣溫與徑流之間存在一種反向變化的關(guān)系，但是這種關(guān)系并不顯著。
4結(jié)論與討論
1.金沙江中、下游的徑流增量年內(nèi)變化大，汛期徑流量約占全年徑流總量的8成；而枯期徑流量僅占全年總量的2成左右，這與云南降水量的分布基本一致。金沙江中游徑流年內(nèi)分布呈單峰型，峰值出現(xiàn)在每年的8月份，谷值出現(xiàn)在每年的4月份；下游徑流年內(nèi)分布呈雙峰型，有7月和9月兩個(gè)峰值，谷值在3月份，較中游提前了一個(gè)月。這說明對(duì)金沙江不同流域水資源的利用必須有所差異。
2.金沙江中下游的徑流變化總體均呈線性增加趨勢，下游變化幅度明顯大于中游，可能與中下游不同的匯流特性有關(guān)。分析周期發(fā)現(xiàn)，金沙江中下游徑流增量均有明顯的準(zhǔn)6a變化周期，在1980s—1990s期間有較明顯的準(zhǔn)10a周期。
3.全球氣候都在發(fā)生變化，近44年金沙江中下游的區(qū)域氣候也發(fā)生了明顯變化。金沙江中下游流域的年雨量分別以2.4%/10a和1.6%/10a的趨勢增加；年蒸發(fā)量分別以-80mm/10a和-130mm/10a的趨勢在減少；在全球變暖的背景下，金沙江中下游年平均氣溫增溫速率分別為0.04℃/10a和0.02℃/10a，遠(yuǎn)低于近50年云南的增溫速率0.24℃/10a和全國的增溫速率0.22℃/10a。
4.引起徑流變化的原因復(fù)雜多樣，氣候變化是其中最重要的因子之一。金沙江中下游的徑流變化與流域的年雨量和年蒸發(fā)量有顯著的相關(guān)關(guān)系，其中與年雨量成正相關(guān)，與年蒸發(fā)量成反相關(guān)。相關(guān)性分析表明金沙江下游徑流變化對(duì)氣候的響應(yīng)程度要小于中游，這可能與該區(qū)域的人類活動(dòng)有關(guān)。當(dāng)然，金沙江流域的氣候比較復(fù)雜，造成影響流域水文變化的原因更復(fù)雜，本文的工作只是初步的。
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