黄河上游地区径流量的转折性变化及其成因.pdf
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1、2 0 2 32 0 2 387Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 13(4)-2023黄河上游地区径流量的转折性变化及其成因马有绚1 张调风2 温婷婷1 马占良1 来晓玲1 段丽君1(1 青海省气候中心,西宁 810001;2 兰州资源环境职业技术大学/黄河流域生态环境产教融合研究院/甘肃省气候资源利用与防灾减灾重点实验室,兰州 730021)摘要:利用19612021年唐乃亥水文站61 a的径流量资料和流域气温、降水量、蒸发量等气象观测资料以及高原季风、西风环流等气候指数,分析黄河上游径流量的基本特征,揭示影响径
2、流量变化的气候成因。研究表明:1991年前后,黄河上游径流量出现由降到升的突变,自2001年以来显著增长;径流量具有8 a的显著性变化周期,气候暖湿化是引起1991年以来黄河上游地区径流量显著增大的主要原因,大气环流及其影响的转变,是黄河上游地区造成径流量发生变化的重要原因,1991年以来在干燥的西风环流减弱和暖湿的高原季风增强的共同作用下,黄河上游地区径流量增加。关键词:径流量,气候变化,大气环流,黄河上游DOI:10.3969/j.issn.2095-1973.2023.04.012The Transitional Change of Runoff in the Upper Reaches
3、 of Yellow River and Its Causal AnalysisMa Youxuan1,Zhang Tiaofeng2,Wen Tingting1,Ma Zhanliang1,Lai Xiaoling1,Duan Lijun1(1 Qinghai Climate Centre,Xining 810001;2 Lanzhou Resources&Environment Voc-Tech University/Yellow River Basin Ecotope Integration of Industry and Education Research Institute/Key
4、 Laboratory of Climate Resources Utilization and Disaster Prevention and Mitigation of Gansu Province,Lanzhou 730021)Abstract:Using runoff data of Tangnaihai Hydrometric Station,meteorological observational data including temperature,precipitation and evaporation and climate indexes such as plateau
5、monsoon and westerly circulation from 1961 to 2021,the characteristics of runoff in the upper reaches of the Yellow River were analyzed to uncover the climatic causes that affect the runoff change.The results show that the runoff in the upper reaches of the Yellow river had a sudden change from desc
6、ending to rising around 1991,and it has increased significantly since 2001.The runoff has a significant change period of 8 years.Climate warming and wetting is the main reason of the abrupt runoff increase and the transformation of atmospheric circulation and its influence is an important reason for
7、 the significant increase of runoff in the upper reaches of the Yellow River.Runoff has increased in the upper reaches of the Yellow River since 1991 under the joint action of the weakening of dry westerly circulation and the enhancement of warm and humid plateau monsoon.Keywords:runoff,climate chan
8、ge,atmospheric circulation,upper reaches of the Yellow River收稿日期:2022年5月13日;修回日期:2023年5月5日第一作者:马有绚(1990),Email:通信作者:张调风(1985),Email:ztf_资助信息:青海省防灾减灾重点实验室开放基金项目(QFZ-2021-Z14);青海省气象局重点项目(QXZD2022-07);中国气象局复盘总结专项(FPZJ2023-143)0引言0引言黄河发源于青藏高原,上游流域面积广大,地貌复杂,气候差异甚大。黄河上游径流来源主要有三个方面:一是天然降水;二是冰雪消融;三是地下水补给1。流
9、量的丰枯变化不仅影响黄河上游的生态环境,还直接影响中下游水资源量的变化2-3。通过气候因子对河川径流量进行合理预测可以帮助实现对水资源的统筹规划和集约利用,具有十分重要的现实意义4。众多研究一致认为,20世纪西北地区气候总体呈暖干化趋势5-7,但丁永建等8、施雅风等9曾提出,西北地区气候可能正在发生从暖干向暖湿转型,而且转型已经开始。近期一些研究10-11也证明了西北地区气候暖湿化的事实,表明在百年尺度上,西北地区经历了20世纪40年代和60年代至今的两个增暖期,且当前的暖期更强;21世纪开始西北地区西部与东部同时进入增湿期。气候变化是黄河上游径流减少的主要驱动力12-13。蓝永超等14-15
10、指出,在全球变暖的气候背景下,随着气温升高,蒸发和下渗增加使地表径流有所减少。李林等16研究表明,降水量的减少,特别是夏季降水量的减少直接导致了黄河上游流量的减少。上述研究使人们了解到黄河上游地区流量的变化特征及其减少的成因。但以往的研究往往侧重于整体的统计分析,对88Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 13(4)-2023其径流量的转折特征及其成因分析相对较少。本文对黄河上游地区的唐乃亥径流演变新特征进行研究,并分析影响其转折的气候和大气环流成因,以期为黄河上游地区水资源评估提供背景数据,为相关决策提供依据。1资料
11、与方法1资料与方法1.1 资料来源1.1 资料来源气象站点资料采用19612021年黄河上游地区泽库、河南、兴海、同德、玛沁、达日、甘德、玛多和久治9个气象台站月平均气温、降水量、平均相对湿度、平均风速和蒸发量数据,代表研究区域的气候要素(图1)。由于全省大部分台站在1969年前后更换了风速测量仪器,所以19611969年风速不予分析,仅分析19702021年数据。黄河上游地区流量采用青海省境内黄河上游唐乃亥水文站观测资料,时间为19612021年。高原季风指数采用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的风场资料计算得到,资料水平分辨率为2.5 2.5。亚洲纬向环流指数和西藏高原指数等采用国家气
12、候中心气候系统监测指数集(http:/10.1.64.154/portal/web-home.index/)。气象台站 唐乃亥水文站 河流 黄河上游地区 N图1 研究区及气象站点分布 Fig.1 Distribution of the study area and meteorological stations1.2 研究方法1.2 研究方法利用上述9个气象台站气象资料序列的空间算数平均值代表黄河上游地区(唐乃亥水文站上游)气候状态,蒸发量通过高桥浩一郎公式来计算13。采用线性趋势法、相关分析、波谱分析17、Mann-Kenddall法(M-K法)进行统计分析。高原季风指数IPM采用公式(1)
13、计算,即为600 hPa(27.5 32.5 N,80.0 100.0 E)范围内的平均西风量距平U1与(33.0 37.5 N,80.0 100.0 E)范围内的平均东风量距平U2之差18-19。,(1)纬向环流指数又称西风指数,是反映平均地转风中西风分量的一个指标,可以定量表述纬向环流的强弱,是所取范围各格点上地转西风分量的平均值。通常在500 hPa等压面上计算西风指数Iz,而中国经常使用亚洲地区的西风指数,其范围是45 65 N、60 150 E20。M-K突变检验是在M-K趋势检验的基础上建立的一种确定时间序列突变的方法。该方法根据构造的秩序列样本计算统计量UF和UB,根据UF和UB
14、曲线在置信范围内的交点,确定时间序列的突变点21。2结果与分析2结果与分析2.1 黄河上游地区气候变化特征2.1 黄河上游地区气候变化特征气温作为热量指标对流量的主要影响表现在以下几个方面:一是影响冰川和积雪的消融;二是影响流域总蒸散量;三是改变流域高山区降水形态;四是改变流域下垫面与近地面层空气之间的温差,从而形成流域小气候3。近61年来,黄河上游地区年平均气温总体呈波动上升趋势,其气候倾向率为0.33/10a(图2a),明显高于同期全球及全国的增温平均值。黄河上游地区年平均气温在1997年以来有加快的趋势,20世纪60年代平均气温为0.68,90年代达到为0.31,2000年后平均气温为0
15、.76,2010年以来气温升高尤为突出,平均气温达0.96,比20世纪90年代增加了1.27。黄河上游地区近61年年均降水量呈明显的增加趋势(图2b),气候倾向率为12.4 mm/10a(P0.01)。其变化趋势具有明显的年际和年代际振荡,从降水的年代际变化来看,20世纪60年代初至70年代中期为降水相对减少时段,70年代中期至80年代末进入多雨期,90年代后又经过一个低值阶段,21世纪以来又呈明显增多的趋势。由高桥浩一郎公式计算得出的19612021年黄河上游地区蒸发量年际变化曲线(图2c)可以看出,近61年来,黄河上游地区年蒸发量呈显著增大趋势,其气候倾向率为8.0 mm/10a(P0.0
16、01),这与黄河上游地区气温的显著升高有密不可分的关系。从19612021年黄河上游地区年平均相对湿度变化曲线(图2d)可以看出,近61年来,黄河上游地区年平均相对湿度呈波动减小趋势,其气候倾向率为0.3%/10a(P0.1)。从19702021年黄河上游地区年平均风速变化曲线(图2e)可以看出,近50年来,黄河上游地区年平均风速呈显著减小趋势,其气候倾2 0 2 32 0 2 389Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 13(4)-2023向率为0.16 m/(s10a)(P0.001)。2.2 黄河上游地区径流量变
17、化特征2.2 黄河上游地区径流量变化特征由19612021年黄河上游径流量变化曲线来看(图3a),近61年来黄河上游径流量总体呈波动下降趋势,气候倾向率为7.6 m3/(s10a)。自1991年开始,黄河上游径流量波动上升,2020年径流量达982.1 m3/s,远远超过多年平均值(653.3 m3/s),达到了20世纪80年代初的水平。M-K法突变检验分析(图3b)表明,在1991年前后径流量出现了突变,即呈现增加的态势,2000年以后增加显著。突变转折以前,黄河上游地区径流量以25.9 m3/(s10a)的速率减少,而转折后以122.9 m3/(s10a)的速率迅速增加(P0.01)。波谱
18、分析(图3c)表明,黄河上游径流量具有8 a和38 a的显著性变化周期,而从各显著性周期的小波系数变化趋势来看(图3d),进入21世纪以来,8 a的短周期在00年代不太明显,但在10年代逐渐变得显著,而38 a的长周期显得日趋突出。这表明近21年来黄河上游流量的持续上升态势已打破了以往以持续下降为主、8 a小幅回升为辅的短周期变化规律,呈现出较强劲的、较长周期的持续上升趋势。这一变化对于改善黄河上游地区生态、水文和气候环境具有积极的影响。2.3 影响黄河上游地区径流量变化的气候成因2.3 影响黄河上游地区径流量变化的气候成因2.3.1气候趋于暖湿2.3.1气候趋于暖湿在全球变暖的背景下,青藏高
19、原呈现出气候暖湿化的趋势22。由图2给出的黄河上游地区平均气温、年降水量变化来看,黄河上游地区气候变化同样出现变暖、变湿特征,尤其在1991年以后,暖湿特征更加显著。大气降水、地表蒸发和气温是影响流量的主要因子23。表1中给出了黄河上游地区年平均径流量与年平均气温、年降水量、年平均相对湿度、年平均风速的相关系数。可以看到,平均气温与径流量总体上呈负相关关系,黄河上游地区径流量转折前,平均气温与径流量的负相关关系更加明显,表明气温升高加大流域蒸发量,导致径流补给减少,且该补给减少大于冰雪融水的补给;转折后平均气温与径流量呈正相关图2 19612021年黄河上游地区年平均气温(a),年降水量(b)
20、,年蒸发量(c),年平均相对湿度(d)和年平均风速(e)变化曲线 Fig.2 Variation curve of annual average temperature(a),annual precipitation(b),annual evaporation(c),annual average relative humidity(d)and annual average wind speed(e)in the upper reaches of the Yellow River during 19612021.196119711981199020012011202119611971198119
21、90200120112021196119711981199020012011202119701980199020002010202019611971198119902001201120212 1 0 1 2300 250 200 1504 3 2 170 60 50700 600 500 400 300年份年份年份年份年份y0.033x1.046 R20.585y0.804x194.730 R20.659y0.031x60.149 R20.046y0.016x2.762 R20.851y1.235x463.710R20.107(a)(c)(d)(e)(b)年平均气温/年蒸发量/mm年平均风速/
22、(m/s)平均相对湿度/%年降水量/mm90Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 13(4)-2023关系(P0.1),说明气温升高致使冰雪融水增加,对流量补给大于流域蒸发量增加导致的减少作用。表1 不同时段唐乃亥站径流量与研究区同期各气候要素的相关系数 Table 1 Correlation coefficient between runoff at Tangnaihai Station during different time periods and the climatic factors of the sam
23、e period in the study area年平均气温年降水量年平均相对湿度年平均风速19612021年0.0740.711*0.464*0.00819611990年(转折前)0.1150.819*0.598*0.485*19912021年(转折后)0.2940.760*0.3020.308注:*表示P0.05;*表示P0.001近61年,年降水量与径流量呈显著的正相关关系,黄河上游地区径流量转折前和转折后,其相关系数均0.7(P0.001),表明降水对于径流量具有决定性的影响,它是流量演变的主要驱动因子24。年平均相对湿度与径流量呈显著的正相关关系,但这种正相关关系在黄河上游地区径流
24、量发生突变转折后明显减弱。年平均风速总体上与径流量相关并不明显,但是在黄河上游地区径流量发生突变转折之前存在相对明显的负相关关系,这种关系在转折后明显减弱。年蒸发量与径流量并无明显的相关关系,表明其对黄河上游地区径流量的增长并未起到明显的作用,这与刘彩红等3、李林等19研究结论一致。2.3.2大气环流特征2.3.2大气环流特征上述分析表明,气候变化是影响黄河上游地区径流量变化的主要影响因子,而大气环流异常是造成气候异常的直接原因。为分析黄河上游地区径流量与大气环流变化的联系,将19612021年径流量与同期500 hPa环流场做相关分析(图4a),发现中高纬度(15 70 N),从欧洲至东亚上
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