马晓磊,任玲慧
(1.新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局,新疆 库尔勒 841000;2.新疆维吾尔自治区塔里木河流域巴音郭楞管理局,新疆 库尔勒 841000)
陆地积雪是冰冻圈最重要的组成部分之一,是地球表面变化最迅速和季节性变化最快的冰冻圈变量[1]。由于大气中温室气体水平的上升导致全球变暖,寒冷地区积雪融水,气候变化,局部地区降水增多,对河流径流量的变化有较大影响[2-3]。本文根据塔里木河流域57个站点的雪深、温度和降水资料,分析季节性积雪的长期变化对塔里木河流域径流的影响。
塔里木河流域位于中国西北部,面积为1.02×106km2,年平均降水量116.8mm。其中,山区200～500mm;盆地一侧50～80mm;中部盆地仅为10mm。此外,全年降水量的时间分布极不均匀,近80%的年降水量发生在5-8月份的高流量季节。
该流域幅员辽阔,自然条件以及径流的形成和补给差异较大。因此,本文根据4个源头的地理分布,将整个流域划分为4个子区域,分别是(a)西北地区:包括阿克苏河和18个观测站,被西部天山包围山脉(国内地区)、塔克拉玛干沙漠和帕米尔高原;(b)西部地区:包括叶尔羌河和17个观测站,被帕米尔高原、喀喇昆仑山脉和塔克拉玛干沙漠包围;(c)南部地区:包括和田河及13个观测站,被昆仑山脉和塔克拉玛干沙漠包围;(d)东北地区:包括开都河孔雀河和9个观测站,被天山和塔克拉玛干沙漠包围。
3.1 数据来源
本次研究的4个变量为雪深、径流、温度和降水量。1979-2005年期间57个观测站(包括52个气象站和5个水文站)的雪深数据是由SMMR(1979-1987)和SSM/I(1987-2005)的昼夜雪深矢量遥感图像中获得,空间分辨率为25km。SSM/I和SMMR分别每天和每隔一天获取数据,通过对来自相邻像素的数据进行插值,估计丢失的像素数据,利用Arcgis软件获取各站积雪深度的时间序列。首先,根据57个站点对应的地理坐标在空白地图上定位,建立查询层,投影系统应与目标层(即数据层)的投影系统相同。其次,将查询层和目标层叠加,使用Arcgis中的缓冲区分析模块提取数据。
由于新疆降雪主要发生在11-4月份,因此以11月份至次年4月份的积雪深度平均值为年平均值。气象数据包括1979-2002年期间的气温和降水量,来自沙里基兰克和大山口两个气象站。
3.2 研究方法
研究采用Mann-Kendall单调趋势检验,来检验雪深和径流量的长期变化。Mann-Kendall检验中的零假设H0是数据(X1,X2,…,Xn)中n个独立且同分布的随机变量样本,设置H1是双边检验数据,对于所有Xk、Xj,Xk和Xj的分布并不相同。检验统计量公式如下:
式中:Xk、Xi为顺序数据值;n为数据集合;sgn(θ)为以下公式:
在特殊情况下,如果样本量大于10,则统计量S几乎正态分布。统计量由如下公式表示:
统计量S是标准的正态随机变量,期望值和方差为:
E(S)=0
(4)
式中:t为任何给定关系的范围;∑为所有关系的总和。
Mann-Kendall检验中,另一个非常重要指标是Kendall斜率。该斜率是单调趋势的大小,其值由以下公式表示:
式中:1 对4个子区域源头的积雪深度和河流径流量进行统计,积雪深度和河流径流量见图1。 图1 塔里木河流域积雪深度和河流径流量变化 由图1(a)可知,随着时间的推移,盆地西北部地区的积雪深度和径流量均逐渐增加。通过零假设H0(无趋势)的Mann-Kendall检验显示,时间序列中存在5%水平的显著趋势(表1),表明1979-2003年期间雪深和径流量显著增加,雪深的单调趋势幅度为0.121cm/a。年平均积雪深度为5.14cm,年积雪深度在1983和2002年出现两个显著的峰值,在1991年达到最低2.46cm。从1991-1992年开始,总体趋势是先下降后上升,盆地西北部地区的雪深变化,代表整个盆地雪的变化。将湿润或干燥年份定义为雪深较年平均雪深高或低20%的年份,则在研究期间有6个湿润年份,即1983、1994-1996、2001和2002年,以及6个干燥年份,即1979、1981、1986和1989-1991年。 表1 塔里木河流域4个分区雪深和径流量的单调趋势试验 同样,西北流域的高径流量表明径流量显著增加,年平均径流量为78.12×108m3,最大和最小径流量分别出现在2002和1985年。将湿润年或干旱年定义为年径流量较平均年径流量高或低20%的年份,则有3个湿润年,即1994、2002和2003年,研究期间没有干旱年份。1994、2002和2003年的径流量分别比年均径流量大21.98%、30.22%、24.99%,表明雨季经常出现在20世纪90年代。由此可以得出结论,降雪不是造成径流变化的主要因素,因为降雪年份并不总是与高流量年份重合。 表1中,Sd为积雪深度;β为Kendall斜率;Zc为检验统计量;H0为零假设在时间序列上没有明显的趋势。当Zc>1.98或Zc<-1.98时,不予考虑H0,以R表示;当-1.98 由图1(b)-图1(d)可知,东北部地区雪深逐渐减小,径流量逐渐增大,而其他3个地区的雪深和径流量均随着时间的推移而增加;增长率或下降率却极为不同,参见表1。根据具体数据,在盆地西部地区,雪深以0.086cm/a的速度显著增加,而径流量没有明显增加,表明降雪对径流量的影响不大;南部地区与西部地区相似。在东北部地区,雪的深度随着时间的推移而减少,而径流量则增加,表明降雪不是影响径流的主要因素。补给方式对河流径流量的影响较大,较突出的是4个区域位于塔里木河流域的不同部位,其周围的地形和气候条件大不相同。因此,该地区的河流可以得到来自不同资源的水的补充。位于西北地区的阿克苏河,由冰川和融雪水以及降雨补给,因此随着降雪,阿克苏河径流量明显增加。相反,叶尔羌河与和田河主要由周围高山和高原的冰川补给,包括帕米尔高原、喀喇昆仑山脉和昆仑山脉。因此,温度升高导致的冰川融化是造成径流变化的主要因素。开都河和孔雀河位于盆地东北部,主要由融雪水和降雨补给。过去27年中,降雪量的小幅减少不会对径流产生显著影响。但开都河与孔雀河径流量的增加相当显著,其径流量高达0.731cm/a,仅次于阿克苏河,可能归因于全球气候变化导致的夏季降水量增加。 由融雪水和降雨补充的源头径流,会受到源头地区温度和降水的显著影响。温度可以影响冬季和春季的积雪形成和融化,从而影响河流径流,而降水可以通过在夏季和冬季直接补给河流径流和地表,来影响河流径流。春季温度(Ts)、夏季降水量(Ps)、冬季降水量(Pw)和冬季温度(Tw)是影响河流径流量的4个主要因素。由于冬季温度通常低于零度,雪是研究区域的主要冬季降水,因此在本次研究中,Pw已被寒冷季节的最大雪深(Sd)所取代。此外,由于Tw与雪深的负相关性较低,在本次研究中未考虑Tw。因此,本次研究中通过多元回归分析,研究径流量(R)、Ts、Ps和Sd之间的相关性。由于塔里木河所有支流中只有托什干河与开都河主要由融雪水和降雨补给,因此本文选择这两条河流来研究雪深和气候因素对河流径流的影响。通过多元回归分析,河流径流量与Ts、Ps和Sd之间的经验关系如下: 托什干河:R=3.934+0.755Ts+0.052Ps+0.328Sd(r=0.628) (7) 开都河:R=8.443+0.324Ts+0.181Ps+ 0.227Sd(r=0.641) (8) 式中:R为年径流量,108m3;Ts为春季温度,℃;Ps为夏季降水量,mm;Sd为寒冷季节最大雪深,cm;r为多重相关系数。 此外,还对回归方程的优度进行了F检验。F统计数据计算如下:F托什干河=4.922(p=0.008),F开都河=5.286(p=0.006)。由于两个F统计量在显著性水平上,均大于Fα(k,n-k-1)=F0.0(3,21)=4.63,其中α=0.01,因此这两个回归方程是有效的。结果表明,春季气温、夏季降水量和寒冷季节最大积雪深度对河流径流量有显著影响。 测量的径流量以及根据方程(7)和方程(8)计算的径流量见图2。 图2 托什干河与开都河径流量曲线 由图2可知,回归方程(7)和方程(8)较好地描述了测量数据。由于方程(7)和方程(8)中的系数均为正,表明3个变量与径流量呈正相关。为了确定它们的相关性和显著性差异,计算3个变量的标准化回归系数和偏相关系数,见表2。由表2可知,夏季降水是影响两河径流量的主要因素。托什干河与开都河的第二个显著因素分别是春季温度和寒冷季节的最大积雪深度,反映了河流补给类型的差异。自20世纪80年代中期以来,气温和降水量的增加是导致塔里木河流域源头径流量稳步增加的重要因素之一,而雪深对河流径流量的增加贡献有限。 表2 径流量与标准化回归系数和偏相关系数 本文基于57个站点的雪深、温度和降水资料,分析了季节性积雪的长期变化对塔里木河流域径流的影响,结论如下: 1)随着时间的推移,盆地西北部地区的积雪深度和径流量均逐渐增加,在1979-2003年期间雪深和径流量显著增加,雪深的单调趋势幅度为0.121cm/a,年平均积雪深度5.14cm。 2)东北部地区雪深逐渐减小,径流量逐渐增大,其他3个地区的雪深和径流量均随时间的推移而增加。在南部地区、西部地区和东北地区,降雪不是影响径流的主要因素,径流变化来自不同资源水的补充;西北地区温度升高导致的冰川融化,造成径流量的变化。 3)以融雪水和降水补给为主的河流径流量主要与夏季降水有关,其次是春季气温或雪深;积雪的轻微增加,对径流的持续增加没有显著影响;气温和降水量的增加,是导致塔里木河流域源头径流量稳步增加的重要因素。 本文来源：http://www.triumph-cn.com/fanwendaquan/gongwenfanwen/2024/1211/130860.html4.1 雪深和径流量的长期趋势
4.2 雪深和气候因素对径流量的影响
