天山南坡清水河1639-2015年徑流量重建與變化特征

尚華明, 張瑞波, 魏文壽, 毛煒嶧, 范煜婷, 陳 峰, 張 凱

(1.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所 新疆樹木年輪生態實驗室 中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054)

橫貫中亞區域的天山山脈，是干旱區的濕島，山區相對豐富的降水和冰雪融水形成了河川徑流，為下游綠洲和荒漠區提供工農業、生活和生態用水，是干旱內陸區的“生命線”[1-2]。近年來，在全球和區域氣候變化背景下，極端氣候和水文事件發生的頻率增加[3]，而流域中下游的水資源供需矛盾日益突出。由于新疆地區河流水文觀測資料較短，嚴重限制了對該區域水文變化規律和機制的認識，急需尋找替代資料，延長水文記錄，為流域水資源合理利用和科學評估提供基礎支撐。樹木年輪水文學為水文資料的恢復提供了科學可信的途徑。特別是在干旱半干旱區，樹木的徑向生長與徑流量變化受到共同環境因素的影響，樹輪寬度成為徑流量的重要代用指標[4-5]。大量的工作基于樹輪寬度重建了長時間、高分辨率的徑流量資料，并為流域水資源管理決策提供了重要支撐。美國西部干旱區是開展樹輪水文研究最早，成果最為豐富的區域，其中以Colorado河流域的研究工作最為集中，基于樹輪資料延長的徑流量序列為流域水資源管理決策提供了重要的支撐[6-11]。除了美國西部干旱區以外，近年在南美洲、非洲、歐洲、大洋洲以及中國西北地區均有大量的研究利用樹輪寬度恢復水文變化歷史[12-17]，展現了全球范圍內樹木年輪在延長水文記錄方面的巨大潛力。在地處中亞干旱內陸區的天山山區，基于樹輪寬度開展了Kurshab河[18]、伊犁河[19]、伊塞克湖[20]、精河[21]、瑪納斯河[22]、烏魯木齊河[23]、奎屯河[4]、故鄉河[25]、阿克蘇河[26]等河流的樹輪水文研究。其中，天山南麓的樹輪水文研究相對來說較為薄弱，20世紀80年代利用的胡楊開展了塔里木河年徑流量序列的重建研究[5]。在清水河相鄰的開都河和黃水溝流域，樹輪學者利用雪嶺云杉的樹輪寬度開展了降水和溫度等氣象要素的響應與重建研究[27-28]，但并未開展樹輪水文學相關的研究工作。關于清水河水文特征及其對氣候的響應研究，均是基于器測時期的水文資料[29-31]。位于天山南坡中部的清水河，以降水和季節性融雪補給為主[30]，氣候干旱，流域山區生長的長齡雪嶺云杉，為開展樹輪水文學研究提供了載體。本文利用該流域山區的雪嶺云杉樹輪寬度資料，分析其徑向生長對水文氣候要素的響應特征，評估其用于水文重建的潛力。在此基礎上，建立樹輪寬度指數與徑流量之間的轉換方程，重建1639—2015年清水河徑流量變化歷史，分析其長期變化特征，并給出其水文特征值，為流域水資源規劃管理提供科學基礎。

1 研究資料

1.1 研究區概況

地處新疆境內天山南坡中段的清水河流域，南鄰塔里木盆地，位于新疆和靜縣東端，東鄰曲惠溝流域，西面與黃水溝流域毗鄰，地理位置介于86°35′—87°10′E和42°10′—42°50′N。流域內最高海拔4 505 m，平均海拔為3 110 m，降水集中于海拔2 500～3 800 m的中山帶。河流發源于南天山支脈阿拉溝山，從河源至出山口長60.2 km，河道平均坡度3.7%。流域內發育有22條冰川，總冰川面積5.64 km2。冰川儲量1.42×107m3，冰川融水量1.60×107m3，占河川徑流量的13%[30]。

1.2 樹木年輪資料

采樣點位于清水河流域內山區海拔2 650～2 810 m的陰坡(表1)，共采集了29株樹木的56個樹芯樣本。采樣點土層較薄，平均坡度40°。待樹芯樣本自然晾干，進行固定、打磨處理，初步查年后用Lintab寬度分析儀測量樹輪寬度，結合Cofecha[32]和TSAP程序完成交叉定年及質量控制。刪除3個生長異常的樹芯標本后，采用WinArstan年表研制程序建立樹輪寬度年表，去趨勢方法選擇負指數函數。以30和25 a分別作為窗口期和滑動重疊期，計算樣本對總體的解釋信號(EPS)和樣芯間相關系數(Rbar)。樹輪寬度序列的時間跨度為1436—2015年，可信年表開始于1639年(EPS大于0.85)，當年包括5株樹的9個樣芯。樹輪序列的缺輪率為0.794%，標準年表的敏感度為0.221，一階自相關系數為0.485。公共區間(1700—2015年)分析得到EPS和Rbar平均值分別為0.927，0.386。以上年表參數指示樹輪寬度具有較高的敏感度和一致性。

表1 采樣點、水文站和氣象站信息

1.3 氣象和水文資料

氣象資料為巴侖臺氣象站月降水量、月平均最高氣溫、月平均氣溫和月平均最低氣溫，來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn/)，時段1957年11月至2013年12月。該站自建站以來未曾遷站，與克爾古提水文站直線距離約50 km。水文資料采用克爾古提水文站月徑流量資料，該站位于清水河出山口處，未受到引水灌溉等人為影響，可以代表徑流的自然變化特征。資料時段為1956年5月至2013年11月，由于部分年份枯水期徑流量缺測，采用文獻[33]中的相關法，進行插補。水文站以上流域集水面積為1 016 km2。

研究區地處歐亞大陸腹地，大陸性氣候特征明顯。巴侖臺氣象站年平均氣溫6.6 ℃，7月氣溫最高，1月最低。年平均降水量208.4 mm，呈明顯的單峰分布型，峰值也出現在7月(57.5 mm)，5—9月降水量占全年的93.2%。克爾古提水文站多年平均徑流量1.239×108m3，年平均流量3.93 m3/s，峰值出現在2002年(9.42 m3/s)，最低值出現在1985年(1.72 m3/s)，變差系數Cv值為0.337，高于天山南坡主要河流。徑流量的年內分布極不均勻，每年6—9月為洪水期，12月至次年5月為枯水期，最小流量多出現在4，5月，徑流年內不均勻系數為0.317，6—10月徑流量占全年的72.9%。月徑流量與月降水量峰值出現的時間一致。

2 結果和討論

2.1 樹輪寬度的氣候水文響應

為評估樹輪寬度所含的氣候水文信息及其用于氣候水文要素重建的潛力，計算公共期內標準年表與月氣象、水文要素的單相關系數，氣象水文要素的時段為上年5月至當年9月。并根據單月相關分析的結果，將不同月份氣候水文要素進行組合后計算其與寬度年表的相關系數。相關分析結果表明(圖1)，年表與上年7—8月以及當年4—7月降水量為正相關，其中上年7月、8月和當年4月、6月的正相關達到了0.05的顯著性水平；多月降水量組合中，上年7月至當年6月的降水量與寬度年表的正相關最高，為0.579。寬度年表與上年8月和當年4—7月的平均氣溫均為負相關，其中上年8月和當年4月最高氣溫的負相關達到了0.01的顯著性水平。樹輪寬度指數與上年生長季晚期和當年生長季早期降水量的顯著正相關以及氣溫的顯著負相關表明，研究區樹木徑向生長的限制因子為水分狀況。這與天山南坡相鄰的開都河流域[28]和阿克蘇河流域[34]雪嶺云杉樹輪寬度氣候響應分析的結果基本是一致的，表明在天山南坡，由于極端干旱的氣候背景，雪嶺云杉的徑向生長對水分狀況敏感。

注：P5—12為上年5—12月，1—9為當年1—9月，點線和虛線分別代表0.05，0.01的顯著性水平線。

圖1樹輪寬度標準年表與月水文、氣象要素的相關系數

從徑流量單月相關分析結果來看，上年7月至當年9月各月的徑流量均與寬度年表正相關，其中上年8—12月和當年3—7月各月的正相關均達到了0.01的顯著性水平。多月徑流量組合后與寬度年表的相關分析發現上年8月至當年6月徑流量與寬度年表的相關系數最高(n=57，r=0.649，p<0.001)，上年8月至當年7月徑流量的相關系數次之，為0.641。清水河是以降雨和季節性積雪融水補給為主的河流[30]，克爾古提水文站位于海拔1 515 m的出山口，無水利工程和灌溉等人為因素的影響，水文站的徑流量記錄能夠反映整個流域山區降水和蒸發共同作用下流域水資源的變化特征。巴侖臺氣象站位于相鄰的黃水溝流域，其對清水河流域山區降水的代表性有限，同時氣象站的降水記錄不能反映山區蒸發作用導致的水分狀況變化。因此寬度年表與徑流量的正相關系數明顯高于其與降水量的相關系數，也表明清水河是開展樹輪水文學研究的理想區域。

圖2為樹輪寬度年表與降水量(上年7月至當年6月)、徑流量(上年8月到當年7月)之間的散點圖，并分別采用線性和指數函數對二者關系進行擬合。兩種擬合結果對比發現指數函數比線性函數的效果更好，擬合方程的方差解釋量從0.411提高到0.468，表明樹木的徑向生長對徑流量的響應并非是簡單的線性關系。在徑流量高的年份，山區降水量較為豐富，強降水過程發生的概率大。由于坡度大和土層薄等原因，山區土壤蓄水能力有限，強降水過程或融雪性洪水引起徑流量明顯增加，但并不能對樹木的生長形成相應的正貢獻[35]。此外，環境要素對樹木徑向生長的影響還存在一定的滯后效應，造成樹木年輪寬度記錄極端豐水年份的能力有限。

圖2 樹輪寬度標準年表與降水量和徑流量的散點擬合情況

2.2 徑流量重建與檢驗

結合上文寬度年表對氣候水文要素相關分析的結果，以一個完整水文年(上年8月到當年7月)徑流量為重建目標，建立校準期內(1957—2013年)樹輪寬度標準年表(自變量X)與清水河徑流量(應變量Y)之間的回歸方程：

Y=1.746e0.777 2X

(R2=0.468,F=48.31,p<0.001)

(1)

從圖3可以看出校準期內徑流量的重建值和實測值變化趨勢一致，但實測序列的變幅(特別是峰值)明顯大于重建序列。校準期內實測和重建徑流量一階差序列的相關系數為0.627(n=56，p<0.001)，表明二者在高頻變化上的一致性。實測期內兩個序列的統計參數比較結果(表2)表明，二者均值接近，但實測值的標準差、極差和變率系數明顯高于重建值。二者相差最大的3個年份為1999，2000，2002年，這3 a也正是實測期內徑流量排名前三的年份，重建值分別偏少2.38，3.04，3.20 m3/s。校準期內實測值和重建值的對比也表明了轉換方程對豐水年份的捕捉能力是不足的。

表2 徑流量實測值和重建值統計參數比較 m3/s

圖3 校準期內清水河徑流量實測和重建值的對比圖(a)、散點圖(b)及其一階差系列的散點圖(c)

2.3 重建徑流量序列的統計特征

基于樹木年輪寬度資料重建了1639—2015年清水河上年8月至當年7月徑流量的變化(圖4)，延長了克爾古提水文站的器測水文記錄，為掌握該河流長時間尺度的徑流量變化事實和規律，認識驅動機制，并進一步為流域水資源規劃和管理提供參考。重建徑流量序列的均值為3.75 m3/s，略低于實測期(3.92 m3/s)。將重建的徑流量序列進行31 a快速傅里葉變換(FFT)計算，得到其低頻的變化趨勢，發現了4個枯水期(1639—1646年，1666—1791年，1857—1888年，1948—1984年)和4個豐水期(1647—1665年，1792—1858年，1889—1947年，1985—2015年)。將重建徑流量序列中徑流量最少的5個年份確定為極端枯水年，分別為1643，1918，1951，1957和2007年，其中的4 a出現在近百年時間內，3 a出現在觀測期內。表明在過去近400 a間，近百年來的極端干旱年份出現的頻率明顯較高。重建水文序列中1950年以前的2個極端枯水年(1643，1918年)與研究區相鄰的巴侖臺降水重建序列記錄中的干旱年是對應的[28]，位于天山北坡的精河、烏魯木齊河徑流量記錄中也存在1643和1918年2個極端枯水年份[21,24]。表明本文重建水文序列中的極端枯水年與天山山區大范圍出現的干旱年份是一致的。

基于實測和重建的徑流量資料，計算了校準期內(1957—2013年)實測和重建水文數據、整個重建時期(1665—2013年)以及重建序列中持續時間最長的枯水期(1666—1791年)和豐水期(1792—1858年)重建值的水文統計特征值，包括均值、極值、變差系數Cv、偏態系數Cs以及不同保證率的徑流量(表2)。從結果來看：整個重建時期重建徑流量的均值與校準期實測徑流量的均值接近，極小值、極大值、變差系數和變化幅度均低于校準期實測徑流量；重建水文序列中最長豐水期(1792—1858年)的徑流量均值高于觀測時期的均值；整個重建期內重建徑流量的均值與校準期實測徑流量不同保證率徑流量差異較為明顯，特別是p=75%和p=95%對應的流量低于校準期實測徑流量。

圖4 清水河重建年徑流量序列及其低頻變化特征

2.4 重建徑流量的誤差分析

清水河流域出山口以上匯水面積為1 016 km2，但本文僅采用了1個點的樹木年輪寬度資料，雖然包括了較多的復本量(29棵樹的56個樣芯)，其海拔高度和空間代表性還存在不足。進一步的研究應根據流域水文特征和森林分布狀況，結合流域內不同海拔高度和位置樹木徑向生長對氣象和水文要素響應的特征，盡量在流域不同支流和海拔高度選擇符合氣候水文限制因子的采樣點[5]進行采樣。樹輪寬度年表的一階自相關系數為0.485，表明樹木的生長對氣候水文的響應存在一定的滯后效應。同時，由于采樣點土層薄以及坡度大等原因，夏季的短時強降水過程以及快速升溫引起的融雪性洪水會導致徑流量增加，但這些水分不能在土壤中長期儲存并為樹木光合作用利用，導致樹木的徑向生長對徑流量的增加并不呈現簡單的線性響應關系。以上原因導致了用樹輪寬度重建水文要素能較好地保留低頻信息，而高頻信息(尤其是豐水年)記錄不足。

3 結 論

(1) 清水河雪嶺云杉樹輪年表的長達579 a，標準年表的敏感度為0.221，樹輪寬度具有較高的敏感度和一致性。由于研究區極端干旱的氣候背景，樹輪寬度指數與上年生長季晚期和當年生長季早期的降水顯著正相關，與氣溫顯著負相關，樹木徑向生長的限制因子為水分狀況。

(2) 樹輪寬度年表清水河與上年8月至當年6月徑流量的相關系數最高(n=57，r=0.649，p<0.001)，與上年8月至當年7月徑流量的相關系數次之，為0.641。與巴侖臺氣象站上年7月至當年6月的降水量與寬度年表的正相關為0.579。清水河是以降雨和季節性積雪補給為主的河流，雪嶺云杉寬度年表與徑流量的正相關系數明顯高于其與降水量的相關系數，是開展樹輪水文學研究的理想區域。

(3) 基于樹輪寬度資料，采用指數函數重建了1639—2015年清水河上年8月至當年7月徑流量的變化，重建徑流量序列中存在4個枯水期(1639—1646年，1666—1791年，1857—1888年，1948—1984年)和4個豐水期(1647—1665年，1792—1858年，1889—1947年，1985—2015年)。重建徑流量序列中徑流量最少的5個年份中，其中4次出現在近100 a時間內，其中3次出現在觀測期內，表明近百年來(特別是1950年代以來)的極端干旱出現的頻率明顯較高。重建水文序列中的極端枯水年與天山南北坡的樹輪降水記錄和水文記錄中的極端干旱年是對應的。

(4) 由于采樣點的海拔和空間代表性的不足，樹木生長對環境響應的滯后效應以及樹木徑向生長對徑流量增加的非穩定線性響應關系，導致基于樹輪寬度重建徑流量過程中存在一定的不足，特別是樹木年輪寬度對極端豐水年份捕捉的能力有限。