塔里木河流域降雨特征與徑流關系

侯進平

(新疆維吾爾自治區水利廳水土保持處，烏魯木齊 830000)

新疆地區位于中國西北干燥地區，海洋濕潤氣流到達是比較困難的，氣候干燥，降水稀少，屬于溫暖的大陸氣候，地下水資源豐富，自然降水是山區地下水供應最重要的來源[1]。河流流出的年變化對山岳地區的降水量有很大的影響。降水量是氣候變化，水循環，水資源評估，水文模型的重要輸入變量，也是大氣科學，水文學，地球科學，生態學術融合研究的重要基礎數據。關于降水量的空間和時間分布的研究，對世界性和地區性水循環法的發現、水資源的開發、利用、管理、綜合性水文研究、促進社會和經濟發展具有重大意義。

1 塔里木河流域概況

塔里木河是中國最大的內河，全長2179km，由葉爾羌河、和塔里木、阿克蘇河等形成的，河流非常不穩定，被稱為“脫韁的馬”。塔里木盆地位于天山山脈和昆侖之間新疆的南部，從東到西1100km，是從南到北600km寬的地方，是世界上最大的內陸河流流域。從最長的源流到塔里木河盡頭的塔里木河尾閭——泰特茅斯湖，長250km。塔克拉瑪干沙漠是世界上第二大移動沙漠，位于它的中央，流域總面積1.70萬km2，包括370400km2的沙漠地區[2]。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

數據是從NASA的官方網站(http:/mirador.gsfc.nasa.gov/)上使用的?？臻g分辨率為0.250×0.250，時間分辨率為30d，覆蓋了中國的大部分。TRMm3B43沉淀物的形式如下。使用HDF.ENVI/IDL4.7或HDF讀取器工具，從HDF文件中提取時間平均TRMm3B43降水率(MM/HR)數據，并將每月的時間將格式轉換成每月的降水網格數據，積累每月的降水量數據，取得年降水量數據的總和[3]。

選定了1997—2015年新疆地區地區74個氣象觀測所的平均降水量數據，以塔里木流域全降水量的變化趨勢為特征。并且，比較中國西北部的干燥地區和塔里木盆地的山岳地帶的降水量的變化的差異。氣象數據來自中國國家氣象廳(NMAC)。在數據發布之前，測試極端值和時間一致性，并且質量很好。1997—2015年測得的月平均流出量數據和降水數據為龍月川和唐明川河口的湯茲龍水文觀測所和烏魯木齊水文觀測所。

2.2 研究方法

文章利用1997-2015年塔里木盆地11個氣象或水文站實測降水資料，對TRMm3b43的月降水資料進行了GRA校正[4]。

從變化趨勢看，校正期間(1997-2010年)，校正前TRMM的年降水量數據普遍存在明顯高估，與以往的研究結果一致。經GRA校正后的TRMM數據趨勢與實測站場數據趨勢基本一致。相關系數方面，TRMM資料與校正前實測降水量的相關系數為0.51(P<0.001)，TRMM資料與校正后實測降水量的相關系數高達0.87(P<0.001)。同時，偏倚指數和RMSE指數分別下降了49.3%和15.49%。

驗證期間(2011-2015年)，GRA校正的TRMM數據與實測站數據略有偏差，可能與本區站場稀少有關，但變化趨勢基本一致，相關系數達到0.92(p<0.001)?？傮w上，用GRA方法標定TRMM數據的精度有了很大的提高，表明該方法適合于研究區TRMM數據的標定。因此，文章以1998-2015年塔里木盆地11個氣象水文站實測降水資料為基礎，采用GRA方法對TRMM 3b43的月降水資料進行校正。流域校準期和驗證期11個站點年平均降水量變化趨勢，見圖1。

圖1 流域校準期和驗證期11個站點年平均降水量變化趨勢

3 降雨與徑流關系研究

3.1 降雨時空變化特征

3.1.1 年際變化特征

從年際變化看，1997-2015年塔里木盆地平均降水量為49.44mm，其中2001年降水量最大，達87.531mm，2009年降水量最小，僅16.48mm，降水量年際波動較大。總的來說，1998-2015年和塔里木盆地的年平均降水量以-1.19mm/10a的速度減少，但沒有通過P<0.05的顯著性水平檢驗。塔里木盆地年降水量年際變化沒有明顯規律可循，主要是由于該地區地處塔里木盆地，降水條件受到全盆地水汽輸送、大氣環流和降水動力學的制約，與塔里木盆地小氣候沒有直接的遺傳關系。降雨量年際變化趨勢，見圖2。

圖2 降雨量年際變化趨勢

3.1.2 季節性變化

1998—2015年，塔里木盆地和塔里木盆地的季節降水變化率均未通過顯著性檢驗(P>0.05)，其中春秋季降水量呈下降趨勢，降水變化較為明顯，分別為-1.34mm/10a和-2.46mm/10a。但夏季和冬季降水量呈上升趨勢，降水量變化不大，冬季降水變化趨勢最不明顯，夏季變化率為0.27mm/10a，結果表明，塔里木盆地降水變化率與塔里木盆地降水變化率存在明顯的季節差異。春季和秋季降水變化明顯，夏季和冬季穩定。降水量季節變化趨勢圖，見圖3。

3.2 徑流時空變化特征

3.2.1 年際變化

1998-2015年，塔里木盆地年徑流量呈波動上升趨勢，變化率為10.75×108m3/10a。通過M-K檢驗[5]，分析了塔里木盆地年徑流變化趨勢。結果表明，徑流變化趨勢檢驗的Z值為2.14，經顯著性水平檢驗P<0.05。在此期間，1999年徑流量最小，僅為23.21×108m3；2013年徑流量最大，達到63.85×108m3。曲線呈鋸齒形，說明塔里木盆地年徑流量與塔里木盆地年徑流量變化頻繁。徑流量年際變化圖，見圖4。

圖4 徑流量年際變化圖

3.2.2 季節性變化

1997—2015年，塔里木盆地和塔里木盆地的徑流呈上升趨勢。夏季徑流變化趨勢最為明顯，變化率為5.73×108m3/10a，其次是春季和秋季，變化率分別為2.44×108m3/10a和1.87×108m3/10a，冬季徑流變化最為穩定(0.51×108m3/10a)。徑流量季節性變化趨勢，見圖5。

由于塔里木盆地和塔里木盆地地處干旱地區，降水稀少，蒸發量大。塔里木盆地年平均降水量<65mm，年平均潛在蒸發量近190mm。該流域的徑流主要來自高寒冰川融雪和中低山區少量降水，這決定了塔里木盆地大部分徑流集中在夏季高溫地區。根據現有資料計算，塔里木盆地夏季年平均徑流量為27.37×108m3，占全年的63.25%。特別是7-8月，8月流量最大，平均徑流量達到13.21×108m3，是年平均徑流量的3.75倍。平均徑流量春季5.97×108m3/a，秋季6.20×108m3，分別占12.39%和15.47%。冬季，由于降水少、氣溫低，河流徑流主要由地下水補給，徑流(3.47×108m3)所占比例最小，僅為6.42%。2月份徑流量年分配僅為0.84×108m3，主要取決于徑流補給來源。河流徑流與氣溫變化密切相關，徑流年分布極不均勻。年降水與徑流變化關系，見圖6。

3.3 降雨與徑流關系

1997-2015年與塔里木盆地年平均徑流量和降水量具有一定的同步性，特別是2004年以后。兩條曲線的峰值和谷值也反映出良好的同步性。由此可見，塔里木盆地降水變化對河流徑流有一定的影響。

圖6 年降水與徑流變化關系

徑流是氣候、下墊面條件和人類活動等多種因素綜合作用的結果。降水形成的徑流需要經過三個階段：攔蓄、行洪和河道匯水。由于降雨量和下墊面因素的不同，每個階段都需要消耗時間。因此，降水向水文站的匯流需要一定的時間。也就是說，水文站觀測到的降水水文特征存在時差。7、8月是降水相對集中的時期，而徑流則集中在8月。結果表明，年內降水和徑流的分布特征和集中程度不同。徑流集中期出現在降水集中期之后，且波動趨勢相似，說明塔里木盆地徑流對降水可能具有滯后效應。年內降雨與徑流變化趨勢，見圖7。

圖7 年內降雨與徑流變化趨勢

在研究氣候變化對水文過程的影響時，敏感性系數通常用來表示水文要素對氣象要素的敏感性。基于靈敏度計算方法，分析了塔里木盆地不同山地結構年徑流對降水的敏感性。使用以下公式計算靈敏度系數：

(1)

式中：Xi為降水量；Qi為徑流量；ε為敏感性系數；

為了定量辨識降水變化引起徑流的變化率，特利用以下公式計算徑流量變化率[6]，計算公式為：

(2)

式中：φ為指降雨量X變化造成的徑流量變化率；△x為降雨量的變化量。

由計算可知，研究區年徑流量對降水變化的敏感系數為0.23，即降水變化為1%，將導致河流年平均徑流量變化為0.32%。塔里木河和塔里木河的徑流主要來源于中、低山區冰川融雪水和少量降水。高山區冰川融水對徑流的貢獻大于降水，低山區冰川融水對徑流的貢獻較小，降水對徑流的貢獻較大。因此，中、低山區年徑流量與降水量的相關性高于高山區和高山區，中、低山區降水變化對降水變化的敏感性也強于高山區和高山區

計算得到的降水變化引起的河道徑流變化率表明，1997-2015年塔里木河流域降水變化引起的年均徑流變化為-5.98%。其中，高寒地區降水變化引起的年徑流變化率最大，為-5.71%。低山區、中山區和特高山區降水引起的年徑流變化率分別為-4.03%、-3.71%和-3.98%。結果表明，不同海拔地區降水變化引起的河流徑流變化是不同的：①河流徑流對不同海拔地區降水變化的敏感性不同；②與不同海拔地區降水變化幅度有關。河流年徑流量對山區降水變化的敏感性系數以及降水變化引起年徑流量的變化率，見表1。

表1 河流年徑流量對山區降水變化的敏感性系數以及降水變化引起年徑流量的變化率

4 結 論

分析了不同月、季、年時間尺度下的徑流變化特征，定量評價了降水變化對徑流的影響。主要結論為：

1997-2015年，塔里木盆地年徑流量以10.75×108m3/10a的變化率波動增大(P<0.05)。塔里木盆地各季節年平均徑流量呈上升趨勢，年徑流量分布極不均勻。

計算了降水變化引起的徑流變化率，結果表明，1997-2015年塔里木河流域降水變化引起的年平均徑流變化率為-5.98%。不同海拔地區降水變化引起的河流徑流變化是不同的：①河流徑流對不同海拔地區降水變化的敏感性不同；②與不同海拔地區降水變化幅度有關。研究區年徑流量對降水量變化的敏感系數為0.23，即降水量變化的敏感系數為1%，將導致河流年平均徑流量變化為0.32%。