梧州站1959—2005年徑流變化對氣候變化的季節響應

孫雯，王月，2，3，楊聰劍，梁彬蘭

(1.廣西師范大學環境與資源學院，廣西桂林541004；2.巖溶生態與環境變化研究廣西高校重點實驗室，廣西桂林541004；3.珍稀瀕危動植物生態與環境保護教育部重點實驗室，廣西桂林541004)

全球的氣候變化是環境變化的重要部分，一直是全球關注的核心問題。據IPCC[1]第四次評估報告可知，1906—2005年全球地表溫度的線性趨勢為0.74℃，預計到2100年,全球平均氣溫將上升1.1～6.4℃。近百年來，全球的氣候呈現變暖的趨勢變化特征。氣候變化會對全球水文循環的現狀產生影響，水循環的降水、蒸發、徑流、土壤濕度等過程因此而發生改變，引起水資源在時空分布上的重新分配[2]。近年來，多地的氣溫呈上升趨勢，降水呈減少趨勢。因此，探究在氣候變化影響下，徑流變化在不同季節的變化特征，對流域的防汛抗旱減災工作有重要意義。

有關西江流域氣候、徑流變化的研究眾多，張立杰等[3]在SPEI和SPI指數的基礎上研究了西江流域干旱多時間尺度變化特征，得出近50 a來，西江流域大部分地區的干旱強度呈顯著加重趨勢，夏旱和秋旱更頻繁；陳立華等[4]利用M-K法、小波分析等方法分析了西江流域干流的干旱狀況變化趨勢及特征，得出西江流域干流徑流呈減少趨勢，且有3類變化周期；劉綠柳等[5]利用HBV-D水文模型對西江流域的逐日徑流過程進行了多氣候模式、多溫室氣體排放情景模擬，得出西江流域整體上氣溫呈增加趨勢，降水量與徑流量呈減少趨勢。前人站在季節性的角度對氣候變化下西江流域的徑流響應研究較少，主要集中于全年及全流域的趨勢分析。作為西江流域干流的重要控制點，梧州站的氣象及水文要素可以較好地反映西江流域中游階段徑流在氣候變化影響下的變化特征。本文以梧州站為站點，利用距平法、斯皮爾曼秩次相關檢驗法及R/S分析法，重點分析了西江流域中游氣象要素以及徑流的變化特征，可為西江流域中游的防汛減災工作提供決策參考及建議。

1 資料與方法

1.1 數據資料

西江發源于云南馬雄山，干流自西向東流，流域面積大，徑流豐富，洪峰集中，持續時間長。梧州水文站于1900年1月掛牌成立，集水面積327 006 km2，占西江流域集水面積的94.6%，控制了廣西境內85%的來水[7]，研究范圍見圖1。

資料選取了1960—2005年徑流數據及氣候要素數據。日徑流數據來自于梧州水文站，梧州站地面氣象觀測站，1960—2005年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日降水數據來自于中國氣象局國家氣候中心。

1.2 研究方法

a) 距平法。距平法常用于判斷距離平均值的變化程度，序列x某一時刻t的距平表示為：

(1)

b) 斯皮爾曼秩次相關檢驗法[10]。該法是水文序列趨勢性分析的一種常用方法，其主要是通過分析水文序列αi與其時序i的相關性而檢驗水文序列是否具有趨勢性。在運算時，水文序列αi用其秩次Ri(即把序列αi從大到小排列時，αi所對應的序號)代表，則秩次相關系數為：

(2)

式中n——序列長度;di=Ri-i。如果秩次Ri與時序i相近,則di較小秩次相關系數較大，趨勢性顯著。

通常采用t檢驗法檢驗水文序列的趨勢性是否顯著，統計量T的計算公式為:

(3)

T服從自由度為n-2的t分布，原假設為序列無趨勢， 則根據水文序列的秩次相關系數計算T統計量，然后選擇顯著水平α，在t分布表中查出臨界值tα/2，當|T|≥Tα/2時，則拒絕原假設，說明序列隨時間有相依關系，從而推斷序列趨勢明顯，否則，接受原假設，趨勢不顯著。

c)R/S分析法。根據Hurst指數的大小，可以分析時間序列趨勢的成分持久性即長期記憶特征[12]。計算公式如下：

ln(R/S)=Hlna+HlnN

(4)

式中R——極值差；S——標準差；H——Hurst指數；N——時間序列長度。00.5，則降水與徑流的序列呈正持續性變化，反之則呈負特征變化；若H=0.5，則降水與徑流序列的變化完全隨機[12]。

2 梧州站氣候變化特征

2.1 氣溫變化特征

將西江流域梧州站1960—2005年逐日氣溫數據進行5 a滑動平均之后進行線性回歸，求得氣溫變化率。由表1可見，1960—2005年，西江流域中游春季平均氣溫與平均最高、最低氣溫均呈下降趨勢。其中，日平均最高氣溫下降最多，為-0.022℃/a，最高氣溫與平均氣溫的變化率分別通過了α=0.01及α=0.05的顯著性檢驗，變化特征顯著。除春季之外，其余各季節的日平均最高氣溫及日平均最低氣溫均有顯著上升趨勢，且冬季的變化率最高，夏季與秋季的上升幅度均不如冬季。其中，冬季氣溫變化率分別為0.031℃/a(日平均最低氣溫)、0.021℃/a(日平均最高氣溫)、0.027℃/a(日平均氣溫)。

從整體上看，西江流域中游冬季和夏季的平均日最低氣溫增加幅度較大，且其增加趨勢均為極顯著。同時，平均日最高氣溫的增加趨勢也呈顯著，但增加幅度小于平均最低溫度。平均氣溫的增加在很大程度上是由于夜間溫度的增加，在地面溫度的升高過程中，多數地區最低溫度的增加幅度明顯高于最高溫度，表現出日夜增暖的不對稱性，使得日溫差變小[13-14]。

表1 西江流域中游梧州站氣溫變化率 單位：℃/a

注：*通過α=0.01顯著性檢驗，**通過α=0.05顯著性檢驗。

2.2 降水變化特征

將1960—2005年間日降水量按月進行匯總，得出西江流域中游徑流梧州站的降水量月份分配情況。從圖2中可以看出，降水集中的月份集中于汛期，即4—9月，降水量依次為199.82、243.60、228.03、180.05、195.00、97.87 mm，分別占年降水量的12.47%、15.20%、14.23%、11.23%、12.17%、6.11%；枯水期時間段(10月至次年3月[7])降水相對較少，占全年降水總量的19.77%。其中，年平均降水量為1 461.17 mm。

表2為不同年代西江流域中游梧州站四季降水量距平。從表中看出，四季的降水量變化并不平穩。20世紀60年代，春季與冬季降水量較平均值偏少，冬季更甚，而夏秋兩季降水量偏多；20世紀70年代，冬季降水量偏少，其余季節較平均值偏多，春季增加量最大，夏季偏多的程度最?。?0世紀80年代，夏季降水量偏少，其余季節偏多；20世紀90年代，秋季降水量偏少，其余季節偏多，冬季值最大；21世紀初，除夏季降水量少許偏多之外，春夏秋的值均偏小，且都小于10%。

表2 西江流域中游梧州站降水量距平

將降水量進行5 a滑動平均后線性回歸，得出結論:年降水量呈下降趨勢，通過了α=0.05顯著性檢驗;西江流域中游四季降水量變化趨勢大多不顯著，冬季的降水量有增加趨勢,秋季的變化率最大，達到了-0.018 mm/a，呈顯著減少趨勢。

3 西江流域中游徑流量季節性變化特征

3.1 徑流月份分配情況

西江流域的徑流補給主要以大氣降水為主[9]。圖3列出了西江流域中游徑流梧州站的徑流量月份分配情況。由圖可知，西江流域中游徑流的年內分布不均，季節性差異明顯，枯水期的徑流量遠小于豐水期。其中，冬季(上年12月至當年2月)所占比重最小，僅占全年徑流總量的7.6%，春季(3—5月)所占比重達到19.55%，夏季(6—8月)所占比重為51.97%，秋季(9—11月)為20.79%。

3.2 季節徑流變化

表3為不同年西江流域中游梧州站四季徑流量距平。由表可知，1960—2005年，春季的徑流量波動變化大。20世紀80年代開始，徑流量較平均值的差值減小，90年代開始小于平均值。夏季徑流量起伏劇烈，20世紀80年代低于平均值的19.56%，90年代上升至15.33%。秋季徑流量呈現先增加后減少的趨勢，20世紀70—80年代高于平均值的15%左右，20世紀90年代至21世紀初均小于平均值。冬季徑流量起伏不大，21世紀初變化量最大，距平值為9.24%。

表3 西江流域中游梧州站不同年代四季徑流量距平

同時，1960—2005年間，整體來看，徑流量呈微弱上升趨勢，變化率為0.059 m3/(s·a)。除秋季外，西江流域梧州站冬、春、夏季平均徑流量則呈現上升趨勢，春季變化最大，增長率則依次為0.09、0.039、0.202 m3/(s·a)。四季的徑流量變化率均未通過顯著性檢驗，變化趨勢并不明顯。

4 氣候變化對西江流域中游梧州站徑流量影響分析

4.1 氣候因子與徑流量相關性分析

將1960—2005年的梧州站年均氣溫、降水數據分別與年徑流量數據進行相關性分析，得出以下結果。

圖4所示，年均氣溫與年徑流量呈負相關，相關系數為-0.049，且未通過顯著性檢驗；年均降水量與年徑流量呈正相關，相關系數為0.544，通過α=0.01的顯著性檢驗。由此可見，降水量增加會引起徑流量顯著增多，氣溫升高則對徑流量影響不大。西南地區夏季洪澇多發，很大一部分原因來自于夏季降水量急劇增多。有研究認為，在全球氣候變暖的大背景下，氣溫升高有可能會加劇水循環過程，促使旱澇災害的頻率和強度增加[15]，同時也將改變水資源的時空分配規律，使得水資源分配不均勻性加劇[11]。

4.2 徑流對降水的長程相關性

由上文分析得知，徑流量對降水的響應顯著。故采用R/S法對由年降水、年徑流的趨勢進行分析，由計算結果得知，降水量的Hurst指數值為0.25(<0.5)，降水量未來呈負持續性變化，即不顯著的增加趨勢；而徑流量的Hurst指數值為0.34(<0.5)，則徑流量也呈負持續性變化，即不顯著的減少趨勢。

5 結論

a) 梧州站冬、春、夏季氣溫均有上升趨勢，冬季的增幅高于春季和夏季，平均氣溫增幅達到了0.31℃/10a；冬季和夏季的平均日最低氣溫增加幅度較大，且其增加趨勢均為極顯著。平均日最高氣溫的增加趨勢也呈顯著，但增加幅度小于平均最低溫度。

b) 梧州站四季的降水量變化并不平穩。其中，四季年降水量除冬季外都有減少的趨勢，趨勢大多不顯著。秋季的變化率最大，達到了-0.018 mm/a，呈顯著減少趨勢。

c) 梧州站冬、春、夏季徑流總量都有增加趨勢，秋季徑流總量則呈現下降趨勢，年徑流總量的變化率為0.059 m3/(s·a)。但均未通過顯著性檢驗，變化趨勢并不明顯。

d) 氣溫與徑流量呈負相關，但相關性不明顯，未通過顯著性檢驗，降水與徑流量呈顯著性正相關。由此可見，降水量增加會引起徑流量顯著增多。并且降水量未來呈增加趨勢，徑流量呈減少趨勢。由于數據量不足，故只選取了1960—2005年進行分析。希望在今后的研究中，在更齊全的數據資料基礎上，對整個流域徑流量變化進行更全面細致的分析研究。