布哈河流域水资源的气候演变特征

张超　何立新　王琳

摘要：布哈河是青海湖最重要的径流补给河流，其流域水资源气候演变分析对于青海湖生态安全有重要意义。通过天骏、刚察、茶卡气象站长系列气温、降水数据分析布哈河流域气候变化特征。结果表明，近50年来，流域内气温均显著升高，海拔越高升温越明显，冬季升温较其它季节明显。采用Man Kendall趋势分析法和累计距平曲线对各时段的升温趋势变化进行了分析，升温自1986年开始至1997年有一个10年左右的波动期，随后在1997出现显著的突变过程，在与青藏高原整体趋势一致的基础上表现出区域自身的增温特点。降水呈增加趋势，但不如温度明显。海拔越高降水增加越明显，夏季降水增加较其它季节明显。根据气温和可利用降水变化特征，流域20世紀80年代开始进入增温增湿期，在20世纪90年代进入相对暖干期，21世纪前10年复转为暖湿期。

关键词：布哈河；青海湖；气温；降水；气候演变

中图分类号：P333 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0045-05

在全球气候变化研究中，青藏高原区域的响应更敏感。对于青藏高原区域及青海湖流域的气候变化特征已有一些研究，姜永见的研究表明，青藏高原平均气温呈上升趋势，增加温度介于0.22-0.49℃/10a之间，其中柴达木地区增幅最大。青海湖区域近50年来气温持续上升，平均上升幅度0.25～0.30℃/（10a）。本文主要研究青藏高原东北部青海湖区最大的补给河流布哈河，以往的研究中针对青海湖研究较多，布哈河流域较少，本次在常规气温、降水变化分析基础上，加入了蒸散、可利用降水的研究，并采用M-K及累计距平方法进行突变性检验，分析其气候变化的特征及可利用降水变化趋势，全面反映青海湖布哈河流域的气候变化特性，探讨在全球气候变化背景下，青藏高原东北部青海盆地半湿润气候向柴达木盆地干旱气候过渡带的气候和水文响应规律，为日后该区域的气候及生态环境变化研究提供基础资料。

1区域概况与研究方法

1.1区域概况

布哈河属青海湖流域，行政区划上主要在青海省海西藏族自治州天峻县范围，在河口附近地区的南北岸分属刚察、共和两县。河流发源于疏勒南山，从西北向东南流入青海湖。集水面积近15 000km²，河长286 km，源头海拔4 513 m，河口海拔3195 m，水系呈树枝状，南岸支流相对较短，水量较小；北岸河网稠密，支流繁多，水量较丰富。流域内主要土壤类型包括草毡土、薄黑毡土、栗钙土、泥炭沼泽土、暗寒钙土、钙质石质土、湿草毡土、沼泽土等。该流域属于典型的高原半干旱气候，干旱少雨，日照充足，太阳辐射强烈，气温日较差较大。境内多风，夏秋季以东南风为主，冬春季以西风为最烈。流域内海拔4 000 m以上为终年冰雪覆盖，4 000 m以下多为高寒草甸、草原，水量丰沛区有柏枝林、沙棘林等。

1.2研究方法

研究区属我国西北部高海拔高原区，气象站点分布较少，本次选取流域内天峻气象站和流域附近刚察、茶卡共三个气象站点进行数据分析。天骏、刚察和茶卡三站的海拔依次为3 410 m、3 310 m和3 100 m。以1958年-2014年的逐月气温和降水资料为基础数据，分析长系列演变趋势及分季节的演变规律。数据资料引自中国气象科学数据库。其中茶卡和天峻站的部分气候数据根据刚察站数据进行线性插补和延长。

1.2.1高桥浩一郎陆面蒸发经验公式

采用高桥浩一郎提出的陆面蒸发经验公式估算实际陆面蒸发量，该公式由于其估算结果参考价值较好而常被用于气候以及陆面水资源变化等研究中，公式如下：

（1）式中：E为月蒸散发；P为月降水量；T为月平均气温。

以降水量（P）与陆面蒸发量（E）的差值作为可利用降水量（P-E）。

1.2.2累积距平分析

累积距平是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法。对于序列x，其某一时刻t的累积距平表示为

（2）

将n个时刻的累积距平值全部算出，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析。

1.2.3 Mann-Kendall趋势检验法与趋势突变检验法

Mann-Kendall非参数统计检验法是由国际气象组织（WMO）推荐的应用于环境数据时间序列趋势分析的方法，也是检验水文数据时间序列单调趋势的有效工具。对序列X_t=（x₁，x₂，…，x_ni，x_j，j>i）中x_i与x_i的大小关系。趋势检验的统计量为

（3）式中：

当Mann-Kendall检验进一步用于序列突变检验时，构造一秩序列如下：

通过综合分析综计序列U_k及U'_k，可以进一步分析序列X_t的趋势变化，而且可以明确突变的时间，指出突变区域。如果U_k及U'_k两条曲线出现交点，且交点在临界线±U_α/2之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。

2结果与分析

2.1气温变化分析

2.1.1年均气温

（1）线性倾向分析。

三站多年年均温度变化见图2，可以得到多年变化趋势均呈上升趋势，但上升幅度有所不同，通过spearman相关性检验，天峻、查卡和刚察相关系数分别为0.75、0.56、0.75，达到极显著水平。其中天骏升温幅度最高，可达0.37℃/（10a），其次为刚察站，升温幅度为0.28℃/（10a），而茶卡站上升趋势最弱，为0.21℃/（10a），从地理位置分布的角度分析可知，高海拔区域增温幅度大于低海拔区，这与青藏高原整个区域的随海拔梯度增温规律一致。

对三站每10 a年均气温表（表1）可以明显看出增温趋势自20世纪70年代始，在80年代后期开始出现较强上升，并一直延续到2014年，三站变化数值变化幅度基本一致。在1987年-1988年、1998年、2006年和2009年-2010年均出现温度峰值。

（2）Mann-Kendall突变检验与累计距平分析

采用流域中代表性较强的天峻站进行Mann-Kendall突變检验分析，从图3可以看出，在1996年与1998年之间两条曲线有一个交点，且仅有一个交点，虽然交点在临界线外，但通过对比累计距平曲线（图4）回升趋势，能一定程度说明布哈河流域地区在20世纪90年代后期有一次显著的突然变暖的过程，过程的起点在1997年左右。同时分析累计距平曲线可以发现，从1986年开始，曲线发生变化，从下降线型转变为上升线型，说明白该年份开始，也有一个气温突变的过程，该结果与施雅风等人的西北地区气候从1987年突然发生变化的观点一致。随后，自1986年至1997年间存在一个平缓波动过程，说明气温自1986年突变后有一个近10 a的上下平缓波动期，波动后期自1997开始又出现一个显著的突变过程。表明布哈河流域气温变化趋势与大多数的研究结果一致，但同时具有自身的波动特点。

2.1.2温度的季节变化

从温度上来看，选取布哈河流域内天峻气象站1958年-2011年54 a气象数据做季节变化分析见图5。四个季度温度均呈上升趋势，升温范围在0.17-0.66℃/（10a），夏季升温幅度较小为0.17℃/（10a），冬季升温明显为0.66℃/（10a），可以确定的布哈河流域的季节性增温是明显的，其中冬季为主要的升温季节。分析波动规律可以发现，波动年份以3～5 a为周期发生规律性震荡，并且冬季尤为突出，基本符合王澄海等提出的以3 a周期为主，具有较稳定的周期变化这一规律。

2.2降水变化分析

（1）线性倾向分析。

三站年降水量见图6，各个站点降水量均呈上升趋势。经spearman显著性检验，天骏雨量增加趋势较为显著，相关系数0.327，达到显著水平。三站雨量波动趋势基本相同，并均在1967年和1989年出现降水峰值。通过分析线性倾向率得出，三站中天骏站降水增加幅度最大，增加量为13.4mm/（10a），刚察站为5.8 mm/（10a），茶卡站为5.3mm/（10a）。同样，研究区内海拔较高表现出更强的增雨趋势。

（2）Mann-Kendall突变检验分析。

年降水量虽然表现为一定的增加趋势，但对天峻站的突变分析结果（图7）不明显，从Mann-Kerrdall突变检验曲线可以看到，突变检验曲线从1996年-2006年间有多个交点，更多地表现为一种周期性的波动。

（3）降水量季节变化分析。

降雨季节变化见图8。降水主要集中在夏季，春秋其次，冬季雨量较为稀少。夏季降水量增加趋势明显，冬季降水量没有明显变化，春秋季波动性和阶段性较强，这与大多数的研究结果一致。显著性水平上看，仅夏季通过0.05显著性检验，其它各季均不能通过显著性检验。在全球气候变暖的大趋势下，随全球大幅度变暖、水汽循环加快，降水在季节分配上发生了一定的变化，布哈河流域的夏季雨量有逐渐增加的趋势。

2.3可利用降水量

年可利用降水量作为年降水量与年陆面蒸发量之差，可用于衡量一个地区水资源量的波动，反映该区气候条件的干湿变化。利用高桥浩一郎蒸散计算公式，计算出天骏站蒸散发量见图9。蒸散量增加趋势不明显，3.3 mm/（10a），相关系数0.109，经显著性检验增加趋势不显著。天骏站可利用降水分析如图9中所示，经spearman显著性检验，可利用降水量呈显著增加趋势，增加量为10.2mm/（10a），受蒸散量影响，可利用降水增加趋势不如降雨明显。结合可利用降水与气温10 a变化（图10）分析可知，20世纪80年代开始流域进入增温增湿期，80年代为暖湿期，随后90年代可利用降水相对80年代减少，而气温持续升高，进入相对暖干期，21世纪前10年复转为暖湿期。

3结论

通过与流域外两站点对比分析，布哈河流域气温呈极显著上升趋势，天峻站达到0.37℃/（10a），与青藏高原温度变化趋势一致，但不如流域西北部的柴达木盆地增温明显。海拔较高的天骏站升温幅度最大，四季中冬季升温幅度大于其它三季，且呈现规律性震荡。经趋势突变分析，增温自1986年开始，经过10 a的平缓波动性变化，至1997年出现显著升温突变点，与青藏高原升温趋势一致，同时表现出流域自身的区域增温特点。

流域内降水量有增加趋势，但趋势不明显。海拔较高的天骏站呈现显著增加趋势，达到13.4mm/（10a），且增加量最大，说明54 a来流域内有逐渐转湿的趋势。其它两站增加趋势不明显。四季中夏季降雨增加明显，与相关研究结果一致。

经高桥浩一郎公式计算，流域内陆面蒸发增加趋势不显著。可利用降水量反映该区气候条件的干湿变化，经分析呈显著增加趋势。同时根据气温和可利用降水变化趋势，发现流域20世纪80年代开始进入增温增湿期，80年代为暖湿期，随后90年代进入相对暖干期，本世纪前10年复转为暖湿期。