季節性積雪的變化對塔里木河流域徑流的影響

馬曉磊,任玲慧

(1.新疆維吾爾自治區塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000;2.新疆維吾爾自治區塔里木河流域巴音郭楞管理局,新疆 庫爾勒 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致全球變暖,寒冷地區積雪融水,氣候變化,局部地區降水增多,對河流徑流量的變化有較大影響[2-3]。本文根據塔里木河流域57個站點的雪深、溫度和降水資料,分析季節性積雪的長期變化對塔里木河流域徑流的影響。

2 研究區概況

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

該流域幅員遼闊,自然條件以及徑流的形成和補給差異較大。因此,本文根據4個源頭的地理分布,將整個流域劃分為4個子區域,分別是(a)西北地區:包括阿克蘇河和18個觀測站,被西部天山包圍山脈(國內地區)、塔克拉瑪干沙漠和帕米爾高原;(b)西部地區:包括葉爾羌河和17個觀測站,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:包括和田河及13個觀測站,被昆侖山脈和塔克拉瑪干沙漠包圍;(d)東北地區:包括開都河孔雀河和9個觀測站,被天山和塔克拉瑪干沙漠包圍。

3 數據來源及研究方法

3.1 數據來源

本次研究的4個變量為雪深、徑流、溫度和降水量。1979-2005年期間57個觀測站(包括52個氣象站和5個水文站)的雪深數據是由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據,通過對來自相鄰像素的數據進行插值,估計丟失的像素數據,利用Arcgis軟件獲取各站積雪深度的時間序列。首先,根據57個站點對應的地理坐標在空白地圖上定位,建立查詢層,投影系統應與目標層(即數據層)的投影系統相同。其次,將查詢層和目標層疊加,使用Arcgis中的緩沖區分析模塊提取數據。

由于新疆降雪主要發生在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。氣象數據包括1979-2002年期間的氣溫和降水量,來自沙里基蘭克和大山口兩個氣象站。

3.2 研究方法

研究采用Mann-Kendall單調趨勢檢驗,來檢驗雪深和徑流量的長期變化。Mann-Kendall檢驗中的零假設H0是數據(X1,X2,…,Xn)中n個獨立且同分布的隨機變量樣本,設置H1是雙邊檢驗數據,對于所有Xk、Xj,Xk和Xj的分布并不相同。檢驗統計量公式如下:

式中:Xk、Xi為順序數據值;n為數據集合;sgn(θ)為以下公式:

在特殊情況下,如果樣本量大于10,則統計量S幾乎正態分布。統計量由如下公式表示:

統計量S是標準的正態隨機變量,期望值和方差為:

E(S)=0

(4)

式中:t為任何給定關系的范圍;∑為所有關系的總和。

Mann-Kendall檢驗中,另一個非常重要指標是Kendall斜率。該斜率是單調趨勢的大小,其值由以下公式表示:

式中:1

4 研究結果與分析

4.1 雪深和徑流量的長期趨勢

對4個子區域源頭的積雪深度和河流徑流量進行統計,積雪深度和河流徑流量見圖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,隨著時間的推移,盆地西北部地區的積雪深度和徑流量均逐漸增加。通過零假設H0(無趨勢)的Mann-Kendall檢驗顯示,時間序列中存在5%水平的顯著趨勢(表1),表明1979-2003年期間雪深和徑流量顯著增加,雪深的單調趨勢幅度為0.121cm/a。年平均積雪深度為5.14cm,年積雪深度在1983和2002年出現兩個顯著的峰值,在1991年達到最低2.46cm。從1991-1992年開始,總體趨勢是先下降后上升,盆地西北部地區的雪深變化,代表整個盆地雪的變化。將濕潤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個濕潤年份,即1983、1994-1996、2001和2002年,以及6個干燥年份,即1979、1981、1986和1989-1991年。

表1 塔里木河流域4個分區雪深和徑流量的單調趨勢試驗

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在2002和1985年。將濕潤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個濕潤年,即1994、2002和2003年,研究期間沒有干旱年份。1994、2002和2003年的徑流量分別比年均徑流量大21.98%、30.22%、24.99%,表明雨季經常出現在20世紀90年代。由此可以得出結論,降雪不是造成徑流變化的主要因素,因為降雪年份并不總是與高流量年份重合。

表1中,Sd為積雪深度;β為Kendall斜率;Zc為檢驗統計量;H0為零假設在時間序列上沒有明顯的趨勢。當Zc>1.98或Zc<-1.98時,不予考慮H0,以R表示;當-1.98

由圖1(b)-圖1(d)可知,東北部地區雪深逐漸減小,徑流量逐漸增大,而其他3個地區的雪深和徑流量均隨著時間的推移而增加;增長率或下降率卻極為不同,參見表1。根據具體數據,在盆地西部地區,雪深以0.086cm/a的速度顯著增加,而徑流量沒有明顯增加,表明降雪對徑流量的影響不大;南部地區與西部地區相似。在東北部地區,雪的深度隨著時間的推移而減少,而徑流量則增加,表明降雪不是影響徑流的主要因素。補給方式對河流徑流量的影響較大,較突出的是4個區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,該地區的河流可以得到來自不同資源的水的補充。位于西北地區的阿克蘇河,由冰川和融雪水以及降雨補給,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,溫度升高導致的冰川融化是造成徑流變化的主要因素。開都河和孔雀河位于盆地東北部,主要由融雪水和降雨補給。過去27年中,降雪量的小幅減少不會對徑流產生顯著影響。但開都河與孔雀河徑流量的增加相當顯著,其徑流量高達0.731cm/a,僅次于阿克蘇河,可能歸因于全球氣候變化導致的夏季降水量增加。

4.2 雪深和氣候因素對徑流量的影響

由融雪水和降雨補充的源頭徑流,會受到源頭地區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,而降水可以通過在夏季和冬季直接補給河流徑流和地表,來影響河流徑流。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個主要因素。由于冬季溫度通常低于零度,雪是研究區域的主要冬季降水,因此在本次研究中,Pw已被寒冷季節的最大雪深(Sd)所取代。此外,由于Tw與雪深的負相關性較低,在本次研究中未考慮Tw。因此,本次研究中通過多元回歸分析,研究徑流量(R)、Ts、Ps和Sd之間的相關性。由于塔里木河所有支流中只有托什干河與開都河主要由融雪水和降雨補給,因此本文選擇這兩條河流來研究雪深和氣候因素對河流徑流的影響。通過多元回歸分析,河流徑流量與Ts、Ps和Sd之間的經驗關系如下:

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

(7)

開都河: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為寒冷季節最大雪深,cm;r為多重相關系數。

此外,還對回歸方程的優度進行了F檢驗。F統計數據計算如下:F托什干河=4.922(p=0.008),F開都河=5.286(p=0.006)。由于兩個F統計量在顯著性水平上,均大于Fα(k,n-k-1)=F0.0(3,21)=4.63,其中α=0.01,因此這兩個回歸方程是有效的。結果表明,春季氣溫、夏季降水量和寒冷季節最大積雪深度對河流徑流量有顯著影響。

測量的徑流量以及根據方程(7)和方程(8)計算的徑流量見圖2。

圖2 托什干河與開都河徑流量曲線

由圖2可知,回歸方程(7)和方程(8)較好地描述了測量數據。由于方程(7)和方程(8)中的系數均為正,表明3個變量與徑流量呈正相關。為了確定它們的相關性和顯著性差異,計算3個變量的標準化回歸系數和偏相關系數,見表2。由表2可知,夏季降水是影響兩河徑流量的主要因素。托什干河與開都河的第二個顯著因素分別是春季溫度和寒冷季節的最大積雪深度,反映了河流補給類型的差異。自20世紀80年代中期以來,氣溫和降水量的增加是導致塔里木河流域源頭徑流量穩步增加的重要因素之一,而雪深對河流徑流量的增加貢獻有限。

表2 徑流量與標準化回歸系數和偏相關系數

5 結 論

本文基于57個站點的雪深、溫度和降水資料,分析了季節性積雪的長期變化對塔里木河流域徑流的影響,結論如下:

1)隨著時間的推移,盆地西北部地區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,雪深的單調趨勢幅度為0.121cm/a,年平均積雪深度5.14cm。

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

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