雅礱江流域1961-2017年氣候干濕變化特征

魏 榕, 劉 冀, 李世俊, 韓 海, 覃 巍, 朱葉峰

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002; 2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢 430072; 3.重慶梅溪河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司, 重慶 404600)

旱澇作為最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)、水資源和環(huán)境造成巨大的影響，世界許多國(guó)家都飽受其害。21世紀(jì)以來(lái)全球氣候變暖趨勢(shì)日益加重，極端氣候頻繁發(fā)生[1]，因此對(duì)于干濕氣候的研究受到了廣泛關(guān)注。區(qū)域的干濕狀況主要體現(xiàn)在大氣水分收支的變化，即降水量和潛在蒸散量的變化[2]，近年來(lái)已有眾多學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)外眾多區(qū)域的氣象干濕變化特征進(jìn)行過(guò)分析。徐一丹等[3]利用PDSI指數(shù)研究了遼寧省干濕演變趨勢(shì)；胡甲秋等[4]利用多尺度SPI指數(shù)分析了廣西省干濕特征與未來(lái)變化趨勢(shì)；部分學(xué)者[5-7]利用UNEP指數(shù)研究干濕變化。干濕指數(shù)作為一個(gè)能夠綜合考慮水分收入項(xiàng)(降水)和支出項(xiàng)(潛在蒸散)的氣候指標(biāo)，能較為客觀地反映區(qū)域的干濕狀況。羅青紅等[8]利用干濕指數(shù)分析了新疆甘家湖干濕指數(shù)變化趨勢(shì)；曹巖等[9]利用干濕指數(shù)研究了近45 a云南滇中地區(qū)干濕狀況的變化特征；劉勁龍等[10]利用干濕指數(shù)分析了四川盆地的氣候干濕變化趨勢(shì)。雅礱江流域地處中國(guó)西南地區(qū)，水能資源豐富，是南水北調(diào)西線工程的水源區(qū)，針對(duì)該地區(qū)的干濕演變特征，蘇秀程[11]、王允[12]等利用干濕指數(shù)研究了1961—2011年西南多省的氣候干濕時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)相對(duì)濕潤(rùn)，略有變干的趨勢(shì)，而針對(duì)雅礱江流域尺度的長(zhǎng)時(shí)間序列的氣候干濕變化研究鮮有報(bào)道。本文基于1961—2017年氣候數(shù)據(jù)，采用M-K趨勢(shì)分析法揭示雅礱江流域干濕變化的時(shí)空分布特征，對(duì)于掌握該流域的氣候干濕狀況和規(guī)律，水資源的合理利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

雅礱江是金沙江第一大支流，流域介于東經(jīng)96°52′—102°48′，北緯26°32′—33°58′，干流全長(zhǎng)1 571 km，流域面積13.6萬(wàn)km2，流域85.51%位于四川境內(nèi)，河口多年平均流量為1 860 m3/s。流域形狀與柳葉相似，由于受當(dāng)?shù)氐孛驳挠绊懀饔騼?nèi)的水系呈羽狀分布，流域位置及站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

雅礱江流域因地形高差與南北緯度變化較大，導(dǎo)致流域氣候十分復(fù)雜，北部屬大陸性氣候，寒冷干燥，四季不明顯；流域中部和南部屬亞熱帶氣候，雨熱同期，降水充足，氣溫隨高度的增加而減少。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取雅礱江流域內(nèi)的10個(gè)氣象站及周邊的6個(gè)氣象站1961年1月—2017年12月的月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、月相對(duì)濕度、月平均風(fēng)速、月日照時(shí)數(shù)和月降水量資料，數(shù)據(jù)資料來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，對(duì)于缺失數(shù)據(jù)，采用多年平均插補(bǔ)的方法補(bǔ)全，以確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

圖1 雅礱江流域地理位置及站點(diǎn)分布

2 研究方法

2.1 干濕指數(shù)和潛在蒸散量

干濕指數(shù)可以對(duì)研究區(qū)域的干濕狀況進(jìn)行量化，能更加直觀地描述地區(qū)的干濕狀況[13]，其定義方程為：

W=P/ET0

(1)

式中：W為干濕指數(shù)；P為降水量(mm)；ET0為潛在蒸散量(mm)。

關(guān)于潛在蒸散量的計(jì)算，多年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究，本文使用FAO Penman-Monteith公式進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為：

(2)

式中：ET0為潛在蒸散量(mm)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；Rn為地表凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)；T為平均氣溫(℃)；u2為2 m高處風(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)。

干濕指數(shù)越大，表示氣候越濕潤(rùn)；相反，則氣候越干燥。干濕等級(jí)可按中國(guó)干濕氣候分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分[14]，見(jiàn)表1。

表1 干濕等級(jí)劃分

2.2 氣候傾向率

氣候傾向率[15]表征數(shù)據(jù)序列變化的傾斜度，能夠分析干濕指數(shù)的趨勢(shì)變化，其計(jì)算方程為：

(3)

2.3 Mann-Kendall檢驗(yàn)

2.3.1 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn) Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)，能夠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)序列的線性或非線性趨勢(shì)[16]，標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Zmk和趨勢(shì)衡量指標(biāo)β計(jì)算步驟如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：xi和xj為時(shí)間序列的第i和j個(gè)年份所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；n為時(shí)間序列的長(zhǎng)度；ti是第i組的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量|Zmk|>Z(1-α/2)時(shí)，表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，否則，不通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，并且可以在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中查得Z(1-α/2)值，當(dāng)顯著性水平α=5%時(shí)；Z(1-α/2)值為1.96。當(dāng)趨勢(shì)衡量指標(biāo)β值為正值時(shí)，表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)有上升趨勢(shì)；當(dāng)β值為負(fù)值時(shí)，表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)有下降趨勢(shì)。

2.3.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn) Mann-Kendall突變檢驗(yàn)是一種廣泛用于序列變異性診斷的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，具體計(jì)算流程如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：sk是時(shí)間i對(duì)應(yīng)的數(shù)值大于時(shí)間j對(duì)應(yīng)的數(shù)值所有個(gè)數(shù)的累加值；n為時(shí)間序列的長(zhǎng)度；xi和xj為時(shí)間序列的第i和j個(gè)年份所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。當(dāng)UF>0時(shí)，序列呈上升趨勢(shì)；當(dāng)UF<0時(shí)，序列呈下降趨勢(shì)。當(dāng)UF曲線超過(guò)置信水平Uα?xí)r，表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，否則未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；Uα值可由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中查得，當(dāng)顯著性水平α=5%時(shí)；Uα值為1.96。再重復(fù)以上過(guò)程，并令UBk=-UFk，可得到UBk序列，如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，并且交點(diǎn)在置信區(qū)間內(nèi)，那么對(duì)應(yīng)于交點(diǎn)的時(shí)刻就是突變開(kāi)始的時(shí)刻[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 干濕指數(shù)年際變化特征

雅礱江流域1961—2017年降水量、潛在蒸散量和干濕指數(shù)的年際變化趨勢(shì)如圖2所示。從圖2A可以看出，雅礱江流域年干濕指數(shù)整體緩慢上升，變化趨勢(shì)為0.002 mm/10 a，年干濕指數(shù)最大值為1.04(1974年)，最小值為0.67(2011年)，多年平均干濕指數(shù)為0.88，年際波動(dòng)幅度較大。從5 a滑動(dòng)平均線可以看出，干濕指數(shù)在1961—1971年期間有所下降；從1971—2009年，干濕指數(shù)呈雙峰趨勢(shì)，峰值分別出現(xiàn)在1989年、1999年；在2009—2017年干濕指數(shù)呈上升趨勢(shì)。

從圖2B可以看出，雅礱江流域1961—2017年最大年降水量為929.0 mm(1998年)，最小值為628.5 mm(1972年)，多年平均降水量為793.2 mm，波動(dòng)幅度較大，總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，變化趨勢(shì)為8.166 mm/10 a，其變化趨勢(shì)與干濕指數(shù)基本一致。由圖2C可知，流域年ET0最大值為1 000.8 mm(2013年)，最小值為876.6 mm(1974年)，多年平均ET0為924.6 mm，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，變化趨勢(shì)為7.657 mm/10 a，以1976年為界，1976年之前呈下降趨勢(shì)，1976年之后呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。

對(duì)比圖2中降水量、潛在蒸散量和干濕指數(shù)的變化趨勢(shì)，不難發(fā)現(xiàn)在1961—1971年、2009—2017年這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)三者的變化規(guī)律相似，分別呈整體減少和增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谶@兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)降水量變化的斜率大于ET0，致使干濕指數(shù)呈減少和增加的趨勢(shì)。而在1971—2009年內(nèi)，降水量與干濕指數(shù)的變化趨勢(shì)一致，而ET0的變化趨勢(shì)不同，ET0在這段時(shí)間內(nèi)總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，而降水量同干濕指數(shù)一樣呈雙峰型變化趨勢(shì)。降水量的第一個(gè)峰值出現(xiàn)在1989年，而在這個(gè)時(shí)間內(nèi)ET0在總體上升過(guò)程中出現(xiàn)了一次回落，因此干濕指數(shù)在1989年出現(xiàn)了第一個(gè)峰值；降水量的第2個(gè)峰值出現(xiàn)在1999年，而此時(shí)的ET0在總體上升趨勢(shì)中趨于平緩，因此干濕指數(shù)在1999年出現(xiàn)了第2個(gè)峰值[18]。

圖2 雅礱江流域降水量、潛在蒸散量和干濕指數(shù)年際變化趨勢(shì)

3.2 干濕指數(shù)月際變化特征

由于降水、氣溫、風(fēng)速等因素在年內(nèi)不均勻分布，因此不同月份的干濕指數(shù)存在差異[19]。雅礱江流域1961—2017年各站點(diǎn)及流域平均的干濕指數(shù)月變化趨勢(shì)如圖3所示。流域月平均干濕指數(shù)在年內(nèi)整體呈單峰變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在6—9月，最大值為1.60(出現(xiàn)在7月)，最小值為0.08(出現(xiàn)在12月)；各站點(diǎn)的月干濕指數(shù)變化與流域總體變化一致，呈單峰型變化；由此可見(jiàn)，雅礱江流域年內(nèi)最濕潤(rùn)的時(shí)段為6—9月。流域在6—10月內(nèi)每月各個(gè)站點(diǎn)之間的干濕指數(shù)差異較大，而在其他時(shí)間段各個(gè)站點(diǎn)之間的干濕指數(shù)則差異較小，產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要是因?yàn)橄募玖饔虼罅拷邓徒邓臻g分布不均勻造成的。

圖3 雅礱江流域各站點(diǎn)及流域平均的干濕指數(shù)月際變化趨勢(shì)

3.3 干濕指數(shù)空間分布特征

雅礱江流域1961—2017年年均降水量、潛在蒸散量和干濕指數(shù)的空間分布以及干濕分級(jí)如圖4所示。從圖4A中可以看出，流域干濕指數(shù)自下游向上游先減小后增加，整個(gè)流域的干濕指數(shù)在0.56～1.36范圍內(nèi)變化，根據(jù)中國(guó)干濕氣候分區(qū)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，雅礱江流域?qū)贊駶?rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)，半濕潤(rùn)地區(qū)占89.96%，濕潤(rùn)地區(qū)占10.04%(圖4B)。干濕指數(shù)最大值為1.36，出現(xiàn)在流域下游的康定和越西站，最小值為0.56，出現(xiàn)在流域中游的甘孜和新龍站，整個(gè)流域除康定、越西和會(huì)理站外的其他區(qū)域均在半濕潤(rùn)區(qū)，氣候偏干。

從圖4C中可以看出，流域的降水自下游向上游逐漸減少，最大值為1 130.5 mm，出現(xiàn)在流域下游的會(huì)理站；最小值為516.7 mm，出現(xiàn)在上游的清水河站，整個(gè)流域以理塘到康定一線為分界線，分界線以北年均降水在800 mm以下；分界線以南年均降水在800 mm以上。從圖4D中可以看出，流域潛在蒸散量自下游向上游先減小再增加再減小，最大值為1 149.9 mm，出現(xiàn)在中游的甘孜站；最小值為555.4 mm，出現(xiàn)在上游的清水河站，整個(gè)流域除清水河、康定和理塘站外，其余區(qū)域的年均潛在蒸散量在750 mm以上。

對(duì)比圖4C和圖4D的分布圖，以中游的新龍站為分界限，分界線以北降水量和潛在蒸散量都自新龍站向上游逐漸減小，但潛在蒸散量始終比降水量大，且它們之間的差值自新龍站向上游逐漸減小，所以干濕指數(shù)自新龍站向上游逐漸增大；分界線以南降水量和潛在蒸散量都自新龍站向下游逐漸增加，但潛在蒸散量始終比降水量小，且它們之間的差值自新龍站向下游逐漸增大，所以干濕指數(shù)自新龍站向下游逐漸增大。

圖4 雅礱江流域年均降水量、潛在蒸散量和干濕指數(shù)空間分布及干濕分級(jí)

3.4 干濕指數(shù)趨勢(shì)分析

對(duì)雅礱江流域1961—2017年干濕指數(shù)序列進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)[20]，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 雅礱江流域各站點(diǎn)干濕指數(shù)MK趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

注：帶有*的數(shù)據(jù)表示通過(guò)95%置信度檢驗(yàn)。

由表2可知，只有清水河、石渠和德格3個(gè)站點(diǎn)未通過(guò)95%置信度檢驗(yàn)，表明3站的干濕變化并不顯著。而其余13個(gè)站點(diǎn)中，有8個(gè)站點(diǎn)的傾斜度β大于0，表明干濕指數(shù)變化呈上升趨勢(shì)，在傾斜度β小于0的5個(gè)站點(diǎn)中，越西、華坪和會(huì)理3個(gè)站的傾斜度較小，表明干濕指數(shù)呈緩慢下降趨勢(shì)。將各站點(diǎn)的傾斜度β進(jìn)行反距離權(quán)重空間插值，結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，流域69.41%的地區(qū)呈顯著上升趨勢(shì)，增加較明顯的區(qū)域位于西昌和康定站，最大值為0.003 7；最小值為-0.002 8，出現(xiàn)在下游的木里站。除西昌站外，雅礱江流域下游的干濕指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，表明氣候趨于干旱；除清水河、石渠站外，流域中上游的干濕指數(shù)呈上升趨勢(shì)，表明氣候趨于濕潤(rùn)。

綜上可知，雅礱江流域的干濕指數(shù)整體呈上升趨勢(shì)，整個(gè)流域總體趨于濕潤(rùn)化。

圖5 雅礱江流域干濕指數(shù)MK趨勢(shì)檢驗(yàn)空間變化

3.5 干濕指數(shù)突變分析

對(duì)雅礱江流域1961—2017年降水量、潛在蒸散量和干濕指數(shù)序列進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6A可以看出雅礱江流域干濕指數(shù)存在兩個(gè)突變點(diǎn)，突變年分別為1977年、2005年，兩次突變均通過(guò)了95%置信度檢驗(yàn)。在1977年前UF小于0，表明干濕指數(shù)呈下降趨勢(shì)，而在1977—2005年UF大于0，表明干濕指數(shù)呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明在1977年流域干濕指數(shù)發(fā)生了由低到高的突變。結(jié)合圖6分析，流域降水量在1977年左右發(fā)生了由低到高的突變，流域潛在蒸散量UF值在1977年達(dá)到最小，由此說(shuō)明1977年干濕指數(shù)發(fā)生突變主要是由降水量的增加導(dǎo)致。又由圖6A可知，2005年后UF值迅速減小，說(shuō)明在2005年流域干濕指數(shù)發(fā)生了由高到低的突變，結(jié)合圖6C流域潛在蒸散量在2005年發(fā)生了由低到高的突變，說(shuō)明了2005年干濕指數(shù)的突變主要是潛在蒸散量的增加引起的。

圖6 雅礱江流域年降水量、潛在蒸散量和干濕指數(shù)M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)流域干濕指數(shù)的兩個(gè)突變點(diǎn)可將1961—2017年干濕指數(shù)變化分為3個(gè)時(shí)期，各時(shí)期變化趨勢(shì)如圖7所示。從圖7可以看出，在1977年前，干濕指數(shù)呈下降趨勢(shì)，均值為0.81；1977—2005年，干濕指數(shù)呈上升趨勢(shì)，均值為0.86，流域干濕指數(shù)在1977年發(fā)生了由低到高的突變，突變量為0.05。而2005年后，干濕指數(shù)雖呈上升趨勢(shì)，其均值為0.81，總體小于1977—2005年的均值，流域干濕指數(shù)在2005年發(fā)生了由高到低的突變，突變量為0.05。

圖7 雅礱江流域干濕指數(shù)突變前后年際變化趨勢(shì)

3.6 干濕指數(shù)影響因素分析

由干濕指數(shù)的定義可知，其大小主要受降水量和潛在蒸散量的影響，而潛在蒸散量又與其他氣象要素有關(guān)，如氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)間[21]。因此為了進(jìn)一步探究氣象要素對(duì)干濕狀況的影響，對(duì)干濕指數(shù)與上述各氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。

從表3可以看出，干濕指數(shù)受到相對(duì)濕度的影響最大，相關(guān)系數(shù)為0.843(通過(guò)95%置信度檢驗(yàn))，其次是降水量和潛在蒸散量，相關(guān)系數(shù)分別為0.682，-0.522(通過(guò)95%置信度檢驗(yàn))，而干濕指數(shù)與氣溫、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)均未通過(guò)95%置信度檢驗(yàn)，表明氣溫、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速對(duì)干濕指數(shù)的影響相對(duì)較小?？傮w來(lái)看，干濕指數(shù)主要受相對(duì)濕度、降水量、潛在蒸散量影響，這些氣象因子的共同作用同時(shí)影響著雅礱江流域氣候干濕狀況。

表3 雅礱江流域干濕指數(shù)與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

注：帶有*的數(shù)據(jù)表示通過(guò)95%置信度檢驗(yàn)。

4 結(jié) 論

(1) 1961—2017年雅礱江流域的年干濕指數(shù)呈小幅上升趨勢(shì)，變化趨勢(shì)為0.002 mm/10 a，表明雅礱江流域地表有略濕潤(rùn)化的趨勢(shì)。除西昌站外，流域下游的干濕指數(shù)呈下降趨勢(shì)，氣候趨于干旱；中上游除清水河、石渠外(未通過(guò)95%置信度檢驗(yàn))，干濕指數(shù)呈上升趨勢(shì)，氣候趨于濕潤(rùn)。流域69.41%的地區(qū)呈顯著上升趨勢(shì)，以西昌和康定站增加最為顯著。

(2) 干濕指數(shù)在年內(nèi)呈單峰型變化，峰值出現(xiàn)在6—9月，最大值為1.60，出現(xiàn)在7月；最小值為0.08，出現(xiàn)在12月。

(3) 雅礱江流域多年平均干濕指數(shù)自下游向上游先減小后增加，變化范圍為0.56～1.36，整個(gè)流域處于濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)區(qū)，其中半濕潤(rùn)區(qū)面積占89.96%，濕潤(rùn)區(qū)占10.04%，除康定、越西和會(huì)理站外的其他站點(diǎn)均處于半濕潤(rùn)區(qū)，氣候偏干。

(4) 57年間雅礱江流域干濕指數(shù)存在兩個(gè)突變點(diǎn)，1977年流域干濕指數(shù)發(fā)生由低到高的突變，2005年發(fā)生由高到低的突變，兩次突變分別由降水量和潛在蒸散量的增加引起。

(5) 雅礱江流域干濕指數(shù)與相對(duì)濕度、降水量、潛在蒸散量的關(guān)系較密切。