根河流域1980―2017年氣候和徑流的變化特征分析

岳永杰，烏云珠拉，李 旭，王雅倩，伊麗茜

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，呼和浩特 010010）

0 引 言

【研究意義】水資源是國家的基礎(chǔ)自然資源，可以維持生態(tài)平衡，又是衡量國家綜合國力的重要因素[1-4]。而河川徑流是水文循環(huán)和水資源系統(tǒng)的重要組成部分[5-6]。氣候變化對人類生活和經(jīng)濟帶來很大的影響，如冰川消融、植被變化、海洋酸化、林線后移[7]等。IPCC報告[8]指出，1880―2012年，全球平均氣溫升高了0.85 ℃，據(jù)2018年IPCC發(fā)布的《全球升溫 1.5 ℃特別報告》[9-10]可知，將全球變暖限制在1.5 ℃，需對土地、能源、建筑、工業(yè)、城市和交通都進行一個快速而徹底的轉(zhuǎn)型。胡婷等[11]預測全球氣溫增高1.5 ℃和2 ℃時氣溫的變化及降水量的變化，研究表明，全球氣溫和降水基本呈現(xiàn)出高緯溫度增幅大于低緯、陸地增溫大于海洋、濕潤的地方降水增加多、干旱的地方降水減少等未來氣候變暖的普遍特征。人類活動和氣候變化均對流域徑流有影響，但是相比而言，氣候變化對于徑流的影響大于人類活動。Hatta等[12]對印度的降水和徑流進行了研究，結(jié)果得出，隨著降水的下降，徑流量也成比例下降。在氣象因子中，降水和氣溫可以直接或間接的影響流域徑流量[13]，但起主導作用的氣象因子因流域地理環(huán)境及其氣候而異。

大興安嶺是我國重要的生態(tài)屏障，是我國寒溫帶明亮針葉林區(qū)，泥炭地豐富、具有森林沼澤、且有大面積的凍土分布，其中有多年凍土，季節(jié)凍土等[14]，是氣候敏感區(qū)。具有冬季漫長，常年無夏，春秋相連的季節(jié)特點。研究大興安嶺地區(qū)的氣象因子及水文特征是深入了解此地區(qū)氣候變化趨勢及其水文響應的必要措施。【研究進展】近年來對大興安嶺地區(qū)的氣候變化及徑流的研究也有較多，主要集中在氣候變化、林火[15]、植被覆蓋[15]、多年凍土[17]、物候的影響[18]等方面。大興安嶺地區(qū)氣候趨于變暖趨勢，導致林火頻度增多、植被覆蓋發(fā)生變化、多年凍土退化等現(xiàn)象。目前對于大興安嶺地區(qū)徑流變化的研究較多。王文華等[19]研究大興安嶺黑土區(qū)森林對徑流的影響；趙秀娟[20]分析大興安嶺水系水文特征；羅韋慧等[21]研究不同森林類型對小流域徑流的影響；陳百靈[22]研究不同撫育強度對地表徑流的影響；朱賓賓等[23]研究積雪與融雪對徑流化學特征的影響等。【研究創(chuàng)新點】前研究內(nèi)容大多以不同的土地利用方式或植被覆蓋率對徑流的影響為主，而對于氣象因子變化趨勢對徑流影響的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】在全球變暖的大背景下，研究根河流域氣相因子和徑流的變化情況，揭示流域的氣候、徑流變化規(guī)律及其相互作用機制，可對流域內(nèi)凍土變化、植被變化、蒸散發(fā)等研究提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

根河流域?qū)儆诤邶埥饔蝾~爾古納水系，發(fā)源于大興安嶺伊吉奇山西南部的薩吉氣林場。根河自東北向西南流經(jīng)根河市、額爾古納市和陳巴爾虎旗最后匯入額爾古納河。全長415 km，河寬一般在20 m左右，河深平均0.8 m。根河流域總面積15 837 km2，主要支流有圖里河、依根河、庫里河、伊圖里河等。地處寒溫帶大陸性季風氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤。根河年平均氣溫-4.9 ℃，年平均降水量411.75 mm；無霜期80～90 d，年平均風速2.1 m/s。流域內(nèi)土壤主要為棕色針葉森林土，還有暗棕色森林土、灰色森林土、淋溶黑鈣土、沼澤土等；流域上游為草原區(qū)，中下游為草原區(qū)。植被以森林為主，主要以興安落葉松林為主的北方針葉林為主，林下植被有苔蘚、草本、灌木等，植物種類繁多，植被覆蓋度達80%以上。

1.2 研究方法

本研究的氣象數(shù)據(jù)為根河流域內(nèi)額爾古納、根河、圖里河等3個國家一級氣象站點1980—2017年的降水量、平均氣溫、空氣相對濕度等觀測數(shù)據(jù)；此 3站分別位于流域上、中、下游。水文數(shù)據(jù)由根河流域下游拉布達林水文站提供。對氣象因子和水文特征做研究時，因研究區(qū)的特殊性，將每個氣象因子和水文因子分為生長季（a）指 5—9月、始凍期（b）指10—11月、完全凍結(jié)期（c）指12—翌年2月、融凍期（d）指翌年 3—4月和年均量（e）5個方面來進行統(tǒng)計分析。流域氣象站點和水文站的分布如圖1所示。

在研究根河流域1980―2017年氣象因子及徑流的變化趨勢時選用Mann-Kendall（M-K）非參數(shù)檢驗方法，用Sen’s Estimator（S-E）檢驗因子的變化幅度檢驗方法，運用Hurst指數(shù)對根河流域氣象因子及徑流的未來變化趨勢進行預測，再運用 Sequential Version Mann-Kendall（S-M-K）方法對流域氣象因子和徑流進行突變點檢驗，最后再運用 peason相關(guān)性分析對氣象和水文因子進行相互作用機制分析。

圖1 根河流域水文站及氣象站點空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of hydrological stations and meteorological stations in the Genhe river basin

1.2.1 Mann-Kendall（M-K）非參數(shù)趨勢檢驗

假定x1,x2,...xn為時間序列變量，n為時間序列長度，M-K定義了統(tǒng)計量S，利用式（1）計算M-K檢驗的統(tǒng)計量S。

式中：S是符號函數(shù)，當（xi-xj）小于、等于或大于0時，符號S等于-1，0和1。S服從正態(tài)分布，均值為0。

式中：n為數(shù)據(jù)點個數(shù)。

統(tǒng)計檢驗值Z計算式為：

式中：Z為正值表示有上升趨勢，為負值表示有下降趨勢。若計算的絕對Z統(tǒng)計量大于正態(tài)分布表中Z統(tǒng)計量（1.28、1.64、2.32）的臨界值，則表示趨勢通過了90 %、95 %和99 %的顯著性水平檢驗。

1.2.2 Sen’s Estimator（S-E）檢驗

為了估計現(xiàn)有趨勢的真實斜率，用Q來表達（作為每年的變化），使用了Sen的非參數(shù)方法。Sen方法可用于假定趨勢為線性的情況[24]，估計N對數(shù)據(jù)幅度Qi計算式為：

式中：xj和xk分別表示在某一時段j和k的值（j>k）。S-E幅度變化Qi的N值的驅(qū)動值等于其中位數(shù)。估計N是奇數(shù)，則S-E的幅度計算式為：

Qmed是置信區(qū)間下非參數(shù)雙尾檢驗（Timo Salmi等，2002）。如果N是偶數(shù)，則S-E的幅度計算式為：

1.2.3 S-M-K檢驗

Sequential Version Mann-Kendall（S-M-K）檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，用于分析數(shù)據(jù)序列在時間上的變化趨勢和識別突變點[26]。

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量。

式中：UFk=0，E（Sk），var（Sk）是累計數(shù)Sk的均差和方差，在x1,x2,...,xn相互獨立，且有相同連續(xù)分布時，計算式為：

UFi為標準正態(tài)分布，是按照時間序列x計算出的統(tǒng)計量序列，在統(tǒng)計檢驗過程中，給定顯著水平α，假定α=0.05，查正態(tài)分布表，若|UFi|>Uɑ，則表示序列存在明顯的趨勢變化。按照時間序列x逆序，再重復上述過程，同時使UBk=-UFk（k=n,n-1,...,-1），UB1=0。分別繪制UBk和UFk曲線圖，若UFk>0，表明序列呈上升趨勢，UFk<0表明呈下降趨勢。當其超過顯著性臨界值時，表明上升或下降的趨勢明顯。若2條曲線在顯著性臨界值之間出現(xiàn)交叉點，則突變點即為交叉點所對應的時間點。

1.2.4 Hurst指數(shù)

通過分析估算的Hurst指數(shù)[26]，可判斷極端降水指標的時間序列趨勢的持續(xù)性[27]。Hurst指數(shù)用H表示，指數(shù)變化范圍在0~1之間，值0.5表示缺乏長期持久性，值大于0.5意味著系列的長期持續(xù)性，反之則表示反持續(xù)性的存在。為定量描述持續(xù)性及反持續(xù)性的強度，根據(jù)Hurst指數(shù)的大小進行分級。

2 結(jié)果與分析

2.1 根河流域氣候和因子突變分析

2.1.1 根河流域氣候特征分析

根河流域不同氣象要素的變化趨勢、變化斜率、和未來的變化趨勢見表1，圖2為根河流域氣溫不同時期突變點分析圖。結(jié)合表1和圖2可知，各時期氣溫均為上升趨勢（Z＞0），其中生長季的氣溫上升趨勢最明顯（Z=4.63），上升幅度為0.05 ℃/a。生長季氣溫自1996年開始變化更為強烈。始凍期發(fā)生強烈變化的年份與生長季一致，但完全凍結(jié)期發(fā)生強烈變化的年份在1990年。年平均氣溫的變化趨勢也較為明顯（Z=2.72），但變化幅度為0.03 ℃/a，小于生長季變化幅度，概括而言，自1980—2017年，年平均氣溫上升了 1.10 ℃，且氣溫上升有強的持續(xù)性（H=0.75）。年均氣溫發(fā)生強烈變化的年份（1990年）與完全凍結(jié)期發(fā)生強烈變化的年份一致，在根河流域完全凍結(jié)期的氣溫對于年平均氣溫的影響較大，表明年平均氣溫變化趨勢有強的持續(xù)性。

由表1和圖3可知，生長季總降水量、始凍期總降水量呈下降趨勢，其中生長季總降水量的下降幅度最大，為1.68 mm/a，完全凍結(jié)期和融凍期降水量有上升的趨勢，這可能是由于融凍期氣溫上升，流域蒸散發(fā)量上升，間接導致降水量增加。流域年均總降水量下降幅度為1.37 mm/a，變化幅度小于生長季降水量，主要原因為在完全凍結(jié)期和融凍期降水量有微弱的上升趨勢。

空氣相對濕度的變化主要受降水量、溫度和植被的覆蓋度等因素的影響。結(jié)合表1和圖4可知，生長季氣溫上升和降水量下降的情況下，空氣相對濕度上升，這主要是因為生長季的氣溫高，使得土壤水分蒸發(fā)和植物蒸騰作用強烈，導致空氣相對濕度增加的現(xiàn)象。完全凍結(jié)期、始凍期和年空氣相對濕度分別在α=0.001、α=0.01和α=0.05的水平上顯著下降，下降幅度最大的為完全凍結(jié)期，為0.21 %/a，且下降趨勢有很強的持續(xù)性（H=1.0）。年均日空氣相對濕度下降趨勢為0.05 %/a。溫度對于空氣相對濕度有滯后作用，在生長季和始凍期的氣溫通過蒸散作用來影響完全凍結(jié)期的空氣相對濕度，完全凍結(jié)期蒸散作用幾乎停止，因此，完全凍結(jié)期的降水量是影響融凍期空氣濕度的關(guān)鍵因子。

表1 根河流域不同時期氣溫、降水量和空氣相對濕度Table 1 Analysis table of air temperature,precipitation and air relative humidity in different periods in the Genhe river basin

2.1.2 根河流域氣候因子突變分析

由圖2可看出，根河流域平均氣溫的突變分析中，1980―2017年生長季日均氣溫沒有突變點，從1989年開始持續(xù)上升，在1994年UFk曲線在超過臨界值1.96，代表從1994年開始，氣溫發(fā)生猛烈的上升，且一直處于上升趨勢。融凍期的日均氣溫沒有發(fā)生突變，且UFk值和UBk值均在臨界值（-1.96～1.96，圖中虛線）之內(nèi)，代表融凍期的年氣溫在1980―2017年期間較穩(wěn)定，沒有大的波動。年均氣溫在38 a間沒有發(fā)生突變，且變化趨勢與生長季日氣溫的變化趨勢相近，但年平均氣溫UFk值超過臨界值1.96的時間是1989年。

圖2 根河流域氣溫突變點分析圖Fig.2 Analysis chart of temperature abrupt change point in the Genghe river basin

圖3為根河流域1980―2017年，降水量突變點分析圖。由圖3可看出，1980―2017年生長季降水量沒有發(fā)生突變，但有下降趨勢，且降水量的下降趨勢較為平緩。始凍期的降水量在1990年和2007年發(fā)生突變，第 1次發(fā)生突變之后降水量開始上升，在1999年達到最高。完全凍結(jié)期、融凍期降水量沒有發(fā)生突變，沒有明顯增減趨勢，且UFk值和UBk值均在臨界值之內(nèi)，表明完全凍結(jié)期和融凍期降水量在此期間較穩(wěn)定。年降水量在1998年和1999年發(fā)生突變，但1980―2017年的整體變化較為平緩。

圖3 根河流域降水量突變點分析圖Fig.3 Analysis chart of abrupt change points of precipitation in the Genhe river basin

圖4為根河流域1980―2017年空氣相對濕度突變點分析圖。由圖4可看出，流域生長季空氣相對濕度在1983年發(fā)生突變，且1985年開始一直處于上升趨勢，上升速度，2012年開始，始凍期的空氣相對濕度發(fā)生猛烈的下降，完全凍結(jié)期空氣相對濕度在1989年開始猛烈下降，融凍期空氣相對濕度在1995年和2000年發(fā)生突變，但變化平緩。年均空氣相對濕度在1993年和2003年發(fā)生突變，變化大致趨勢與始凍期的整體變化趨勢一致。

圖4 根河流域空氣相對濕度突變點分析圖Fig.4 Analysis chart of abrupt change of air relative humidity in the Genghe river basin

2.2 根河流域水文特征和因子突變分析

2.2.1 根河流域水文特征分析

根河流域日均徑流量分析如表2所示。從表2可看出，根河流域1985―2016年的生長季、始凍期、完全凍結(jié)期、融凍期的日均徑流量均呈下降趨勢，但均沒通過顯著性檢驗，不同時期的日均徑流量的下降幅度順序為，生長季＞始凍期＞融凍期＞完全凍結(jié)期，生長季的徑流量幅度為7.06萬m3/a，年均日徑流量呈下降趨勢，下降幅度為5.73萬m3/a，Hurst指數(shù)為0.75，表示流域日徑流量下降趨勢有強的持續(xù)性。

表2 根河流域不同時期日均徑流量Table 2 Average daily runoff in different periods in the Genhe river basin

2.2.2 根河流域水文突變分析

由圖5可知，生長季徑流量在1980―2017年沒有發(fā)生突變，且UFk值和UBk值大多都在臨界值之內(nèi)，在1980―2017年，生長季徑流量的波動較為平緩。始凍期、完全凍結(jié)期的徑流量的變化趨勢大致一致，完全凍結(jié)期發(fā)生徑流量最高值的年份晚于始凍期2 a，分別為1994年和1996年，2個時期發(fā)生徑流量最低值的年份一致，為2006年，完全凍結(jié)期的徑流量在1991、1993、2006年和2008年發(fā)生突變。融凍期徑流量在 1987年和 2013年發(fā)生突變，UFk值和UBk值大多都在臨界值之內(nèi)，UFk值在1999年超出臨界值（1.96）。年均日徑流量在 1980―2017年沒有發(fā)生突變，整體呈下降趨勢，從1998年開始年徑流量的下降速度明顯變快。

圖5 根河流域徑流量突變點分析圖Fig.5 Analysis chart of abrupt change of runoff in the Genhe river basin

2.3 根河流域徑流與氣象因子的相互作用機制分析

由表3可看出，生長季徑流量與始凍期氣溫、生長季降水量和年均總降水量的相關(guān)性在 0.01的水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.47、0.85和0.87，降水量的影響對于生長季徑流的影響較大，這主要是由于年降水量的80%以上的降水量均在生長季引起的。始凍期的徑流量與生長季的氣溫、相對濕度和降水在α=0.05的水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.36、-0.36和-0.39，相關(guān)系數(shù)最大的是生長季的降水量。概括而言，由于氣候的滯后現(xiàn)象生長季的氣候狀況對始凍期的徑流有很大的影響。完全凍結(jié)期的徑流量與始凍期的日均氣溫、完全凍結(jié)期的日均氣溫和生長季的降水量有顯著相關(guān)，其中，與始凍期氣溫的相關(guān)系數(shù)最大，在α=0.01的水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.55，其次為生長季的降水量，相關(guān)系數(shù)為0.52，融凍期的徑流量與生長季的氣溫和始凍期的降水量有相關(guān)性，且與始凍期降水量在α=0.01的水平上顯著相關(guān)。年徑流總量與始凍期氣溫和生長季降水量在α=0.01的水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大的為生長季降水量，相關(guān)系數(shù)為0.89。除了融凍期的徑流量，其他時期的徑流量與年均總降水都呈顯著相關(guān)。總結(jié)來說，徑流的變化與降水的變化相關(guān)性大。

表3 相關(guān)性分析表Table 3 correlation analysis table

3 討 論

根河流域?qū)儆诤邶埥饔蝾~爾古納水系，黑龍江流域的水情和根河流域的水情相互有影響，流域降水是影響流域徑流的最直接的因子。2013年，根河流域的年降水量達775 mm，是本研究年限中降水量最大的年份。東北地區(qū)發(fā)生洪水的年份與根河流域降水量發(fā)生突變的年份相吻合。代海燕等[28]、向遼元等[29]，研究結(jié)果顯示大興安嶺地區(qū)年平均氣溫在持續(xù)上升，在1987年發(fā)生突變，本研究的結(jié)果與此相符。張艷平等[30]認為黑龍江地區(qū)大興安嶺1986年和1987年相對濕度處于低值，之后上升，本研究的結(jié)論與此一致。

在本研究中，氣溫變化呈上升趨勢，在 1980—2017年共上升了1.10 ℃，且在未來有較強的持續(xù)性，與全球溫度變化趨勢一致。根河流域徑流量與生長季降水量相關(guān)性大，尤其生長季的降水對于徑流的變化有很大的貢獻。生長季的氣溫與各時期的徑流負相關(guān)，根河流域上游是原始林區(qū)，植被覆蓋度高，其蒸散量也高。林分的蒸騰主要與輻射、空氣溫度、風速有顯著相關(guān)[31]。程宋杰等[32]對于河西走廊黨河流域徑流變化因子研究中，得出結(jié)論蒸散量與徑流量負相關(guān)，因此，在本研究中推測根河流域生長季的溫度上升，導致蒸散發(fā)加大，徑流發(fā)生減少的現(xiàn)象。生長季和完全凍結(jié)期的徑流量與始凍期的氣溫正相關(guān)，始凍期為流域變冷，土壤、河流等開始凍結(jié)的時期。段亮亮等[33]對大興安嶺多年凍土的研究結(jié)果顯示，近年來因氣溫升高，大興安嶺凍土凍結(jié)過程推遲，多年凍土退化等現(xiàn)象。多年凍土退化導致凍土層隔離水分的效應降低，導致冬季徑流量流增大。馬月[34]、黎云云等[35]對氣候變化和徑流響應的研究中得出結(jié)果，徑流量隨著溫度的升高而減少，這結(jié)果與本研究不完全一致。在本研究中，生長季空氣溫度與徑流量是負相關(guān)，但在非生長季初期（始凍期）空氣溫度與徑流量是正相關(guān)。綜上可知，氣候變化對徑流的影響有滯后效應，前一時期的氣溫影響下一時期的徑流量，生長季降水量對各時期徑流量都有顯著的影響。

4 結(jié) 論

1）根河流域在1980—2017年氣溫呈上升趨勢，降水量和空氣相對濕度呈下降趨勢，氣溫和降水量，生長季的變化最為強烈，且持續(xù)性最強。空氣相對濕度變化較強的是始凍期和完全凍結(jié)期，根河流域氣候變化趨于夏季濕熱、冬季干冷的現(xiàn)象。

2）根河流域的年均日徑流量在1980—2017年呈下降趨勢，此變化趨勢與降水量的變化趨勢一致，下降幅度最大的為生長季的徑流量，5.73萬m3/a。

3）降水是影響根河流域徑流的最大因素，但不同時期的降水量對徑流的影響也不同。流域不同時期氣溫對徑流量的影響程度和增減趨勢不同，主要通過對水文的形式來影響流域徑流量。