季節(jié)性積雪的變化對(duì)塔里木河流域徑流的影響

馬曉磊,任玲慧

(1.新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局,新疆 庫(kù)爾勒 841000;2.新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域巴音郭楞管理局,新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 概 述

陸地積雪是冰凍圈最重要的組成部分之一,是地球表面變化最迅速和季節(jié)性變化最快的冰凍圈變量[1]。由于大氣中溫室氣體水平的上升導(dǎo)致全球變暖,寒冷地區(qū)積雪融水,氣候變化,局部地區(qū)降水增多,對(duì)河流徑流量的變化有較大影響[2-3]。本文根據(jù)塔里木河流域57個(gè)站點(diǎn)的雪深、溫度和降水資料,分析季節(jié)性積雪的長(zhǎng)期變化對(duì)塔里木河流域徑流的影響。

2 研究區(qū)概況

塔里木河流域位于中國(guó)西北部,面積為1.02×106km2,年平均降水量116.8mm。其中,山區(qū)200～500mm;盆地一側(cè)50～80mm;中部盆地僅為10mm。此外,全年降水量的時(shí)間分布極不均勻,近80%的年降水量發(fā)生在5-8月份的高流量季節(jié)。

該流域幅員遼闊,自然條件以及徑流的形成和補(bǔ)給差異較大。因此,本文根據(jù)4個(gè)源頭的地理分布,將整個(gè)流域劃分為4個(gè)子區(qū)域,分別是(a)西北地區(qū):包括阿克蘇河和18個(gè)觀測(cè)站,被西部天山包圍山脈(國(guó)內(nèi)地區(qū))、塔克拉瑪干沙漠和帕米爾高原;(b)西部地區(qū):包括葉爾羌河和17個(gè)觀測(cè)站,被帕米爾高原、喀喇昆侖山脈和塔克拉瑪干沙漠包圍;(c)南部地區(qū):包括和田河及13個(gè)觀測(cè)站,被昆侖山脈和塔克拉瑪干沙漠包圍;(d)東北地區(qū):包括開(kāi)都河孔雀河和9個(gè)觀測(cè)站,被天山和塔克拉瑪干沙漠包圍。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究的4個(gè)變量為雪深、徑流、溫度和降水量。1979-2005年期間57個(gè)觀測(cè)站(包括52個(gè)氣象站和5個(gè)水文站)的雪深數(shù)據(jù)是由SMMR(1979-1987)和SSM/I(1987-2005)的晝夜雪深矢量遙感圖像中獲得,空間分辨率為25km。SSM/I和SMMR分別每天和每隔一天獲取數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)來(lái)自相鄰像素的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,估計(jì)丟失的像素?cái)?shù)據(jù),利用Arcgis軟件獲取各站積雪深度的時(shí)間序列。首先,根據(jù)57個(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)在空白地圖上定位,建立查詢層,投影系統(tǒng)應(yīng)與目標(biāo)層(即數(shù)據(jù)層)的投影系統(tǒng)相同。其次,將查詢層和目標(biāo)層疊加,使用Arcgis中的緩沖區(qū)分析模塊提取數(shù)據(jù)。

由于新疆降雪主要發(fā)生在11-4月份,因此以11月份至次年4月份的積雪深度平均值為年平均值。氣象數(shù)據(jù)包括1979-2002年期間的氣溫和降水量,來(lái)自沙里基蘭克和大山口兩個(gè)氣象站。

3.2 研究方法

研究采用Mann-Kendall單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn),來(lái)檢驗(yàn)雪深和徑流量的長(zhǎng)期變化。Mann-Kendall檢驗(yàn)中的零假設(shè)H0是數(shù)據(jù)(X1,X2,…,Xn)中n個(gè)獨(dú)立且同分布的隨機(jī)變量樣本,設(shè)置H1是雙邊檢驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)于所有Xk、Xj,Xk和Xj的分布并不相同。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式如下:

式中:Xk、Xi為順序數(shù)據(jù)值;n為數(shù)據(jù)集合;sgn(θ)為以下公式:

在特殊情況下,如果樣本量大于10,則統(tǒng)計(jì)量S幾乎正態(tài)分布。統(tǒng)計(jì)量由如下公式表示:

統(tǒng)計(jì)量S是標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)隨機(jī)變量,期望值和方差為:

E(S)=0

(4)

式中:t為任何給定關(guān)系的范圍;∑為所有關(guān)系的總和。

Mann-Kendall檢驗(yàn)中,另一個(gè)非常重要指標(biāo)是Kendall斜率。該斜率是單調(diào)趨勢(shì)的大小,其值由以下公式表示:

式中:1

4 研究結(jié)果與分析

4.1 雪深和徑流量的長(zhǎng)期趨勢(shì)

對(duì)4個(gè)子區(qū)域源頭的積雪深度和河流徑流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),積雪深度和河流徑流量見(jiàn)圖1。

圖1 塔里木河流域積雪深度和河流徑流量變化

由圖1(a)可知,隨著時(shí)間的推移,盆地西北部地區(qū)的積雪深度和徑流量均逐漸增加。通過(guò)零假設(shè)H0(無(wú)趨勢(shì))的Mann-Kendall檢驗(yàn)顯示,時(shí)間序列中存在5%水平的顯著趨勢(shì)(表1),表明1979-2003年期間雪深和徑流量顯著增加,雪深的單調(diào)趨勢(shì)幅度為0.121cm/a。年平均積雪深度為5.14cm,年積雪深度在1983和2002年出現(xiàn)兩個(gè)顯著的峰值,在1991年達(dá)到最低2.46cm。從1991-1992年開(kāi)始,總體趨勢(shì)是先下降后上升,盆地西北部地區(qū)的雪深變化,代表整個(gè)盆地雪的變化。將濕潤(rùn)或干燥年份定義為雪深較年平均雪深高或低20%的年份,則在研究期間有6個(gè)濕潤(rùn)年份,即1983、1994-1996、2001和2002年,以及6個(gè)干燥年份,即1979、1981、1986和1989-1991年。

表1 塔里木河流域4個(gè)分區(qū)雪深和徑流量的單調(diào)趨勢(shì)試驗(yàn)

同樣,西北流域的高徑流量表明徑流量顯著增加,年平均徑流量為78.12×108m3,最大和最小徑流量分別出現(xiàn)在2002和1985年。將濕潤(rùn)年或干旱年定義為年徑流量較平均年徑流量高或低20%的年份,則有3個(gè)濕潤(rùn)年,即1994、2002和2003年,研究期間沒(méi)有干旱年份。1994、2002和2003年的徑流量分別比年均徑流量大21.98%、30.22%、24.99%,表明雨季經(jīng)常出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代。由此可以得出結(jié)論,降雪不是造成徑流變化的主要因素,因?yàn)榻笛┠攴莶⒉豢偸桥c高流量年份重合。

表1中,Sd為積雪深度;β為Kendall斜率;Zc為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量;H0為零假設(shè)在時(shí)間序列上沒(méi)有明顯的趨勢(shì)。當(dāng)Zc>1.98或Zc<-1.98時(shí),不予考慮H0,以R表示;當(dāng)-1.98

由圖1(b)-圖1(d)可知,東北部地區(qū)雪深逐漸減小,徑流量逐漸增大,而其他3個(gè)地區(qū)的雪深和徑流量均隨著時(shí)間的推移而增加;增長(zhǎng)率或下降率卻極為不同,參見(jiàn)表1。根據(jù)具體數(shù)據(jù),在盆地西部地區(qū),雪深以0.086cm/a的速度顯著增加,而徑流量沒(méi)有明顯增加,表明降雪對(duì)徑流量的影響不大;南部地區(qū)與西部地區(qū)相似。在東北部地區(qū),雪的深度隨著時(shí)間的推移而減少,而徑流量則增加,表明降雪不是影響徑流的主要因素。補(bǔ)給方式對(duì)河流徑流量的影響較大,較突出的是4個(gè)區(qū)域位于塔里木河流域的不同部位,其周圍的地形和氣候條件大不相同。因此,該地區(qū)的河流可以得到來(lái)自不同資源的水的補(bǔ)充。位于西北地區(qū)的阿克蘇河,由冰川和融雪水以及降雨補(bǔ)給,因此隨著降雪,阿克蘇河徑流量明顯增加。相反,葉爾羌河與和田河主要由周圍高山和高原的冰川補(bǔ)給,包括帕米爾高原、喀喇昆侖山脈和昆侖山脈。因此,溫度升高導(dǎo)致的冰川融化是造成徑流變化的主要因素。開(kāi)都河和孔雀河位于盆地東北部,主要由融雪水和降雨補(bǔ)給。過(guò)去27年中,降雪量的小幅減少不會(huì)對(duì)徑流產(chǎn)生顯著影響。但開(kāi)都河與孔雀河徑流量的增加相當(dāng)顯著,其徑流量高達(dá)0.731cm/a,僅次于阿克蘇河,可能歸因于全球氣候變化導(dǎo)致的夏季降水量增加。

4.2 雪深和氣候因素對(duì)徑流量的影響

由融雪水和降雨補(bǔ)充的源頭徑流,會(huì)受到源頭地區(qū)溫度和降水的顯著影響。溫度可以影響冬季和春季的積雪形成和融化,從而影響河流徑流,而降水可以通過(guò)在夏季和冬季直接補(bǔ)給河流徑流和地表,來(lái)影響河流徑流。春季溫度(Ts)、夏季降水量(Ps)、冬季降水量(Pw)和冬季溫度(Tw)是影響河流徑流量的4個(gè)主要因素。由于冬季溫度通常低于零度,雪是研究區(qū)域的主要冬季降水,因此在本次研究中,Pw已被寒冷季節(jié)的最大雪深(Sd)所取代。此外,由于Tw與雪深的負(fù)相關(guān)性較低,在本次研究中未考慮Tw。因此,本次研究中通過(guò)多元回歸分析,研究徑流量(R)、Ts、Ps和Sd之間的相關(guān)性。由于塔里木河所有支流中只有托什干河與開(kāi)都河主要由融雪水和降雨補(bǔ)給,因此本文選擇這兩條河流來(lái)研究雪深和氣候因素對(duì)河流徑流的影響。通過(guò)多元回歸分析,河流徑流量與Ts、Ps和Sd之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下:

托什干河:R=3.934+0.755Ts+0.052Ps+0.328Sd(r=0.628)

(7)

開(kāi)都河:R=8.443+0.324Ts+0.181Ps+

0.227Sd(r=0.641)

(8)

式中:R為年徑流量,108m3;Ts為春季溫度,℃;Ps為夏季降水量,mm;Sd為寒冷季節(jié)最大雪深,cm;r為多重相關(guān)系數(shù)。

此外,還對(duì)回歸方程的優(yōu)度進(jìn)行了F檢驗(yàn)。F統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算如下:F托什干河=4.922(p=0.008),F開(kāi)都河=5.286(p=0.006)。由于兩個(gè)F統(tǒng)計(jì)量在顯著性水平上,均大于Fα(k,n-k-1)=F0.0(3,21)=4.63,其中α=0.01,因此這兩個(gè)回歸方程是有效的。結(jié)果表明,春季氣溫、夏季降水量和寒冷季節(jié)最大積雪深度對(duì)河流徑流量有顯著影響。

測(cè)量的徑流量以及根據(jù)方程(7)和方程(8)計(jì)算的徑流量見(jiàn)圖2。

圖2 托什干河與開(kāi)都河徑流量曲線

由圖2可知,回歸方程(7)和方程(8)較好地描述了測(cè)量數(shù)據(jù)。由于方程(7)和方程(8)中的系數(shù)均為正,表明3個(gè)變量與徑流量呈正相關(guān)。為了確定它們的相關(guān)性和顯著性差異,計(jì)算3個(gè)變量的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù),見(jiàn)表2。由表2可知,夏季降水是影響兩河徑流量的主要因素。托什干河與開(kāi)都河的第二個(gè)顯著因素分別是春季溫度和寒冷季節(jié)的最大積雪深度,反映了河流補(bǔ)給類型的差異。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái),氣溫和降水量的增加是導(dǎo)致塔里木河流域源頭徑流量穩(wěn)步增加的重要因素之一,而雪深對(duì)河流徑流量的增加貢獻(xiàn)有限。

表2 徑流量與標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)

5 結(jié) 論

本文基于57個(gè)站點(diǎn)的雪深、溫度和降水資料,分析了季節(jié)性積雪的長(zhǎng)期變化對(duì)塔里木河流域徑流的影響,結(jié)論如下:

1)隨著時(shí)間的推移,盆地西北部地區(qū)的積雪深度和徑流量均逐漸增加,在1979-2003年期間雪深和徑流量顯著增加,雪深的單調(diào)趨勢(shì)幅度為0.121cm/a,年平均積雪深度5.14cm。

2)東北部地區(qū)雪深逐漸減小,徑流量逐漸增大,其他3個(gè)地區(qū)的雪深和徑流量均隨時(shí)間的推移而增加。在南部地區(qū)、西部地區(qū)和東北地區(qū),降雪不是影響徑流的主要因素,徑流變化來(lái)自不同資源水的補(bǔ)充;西北地區(qū)溫度升高導(dǎo)致的冰川融化,造成徑流量的變化。

3)以融雪水和降水補(bǔ)給為主的河流徑流量主要與夏季降水有關(guān),其次是春季氣溫或雪深;積雪的輕微增加,對(duì)徑流的持續(xù)增加沒(méi)有顯著影響;氣溫和降水量的增加,是導(dǎo)致塔里木河流域源頭徑流量穩(wěn)步增加的重要因素。