寒区流域径流对气候变化的响应

刘秀 曾晶 李佳

摘  要：在气候变化的大背景下探究东北地区4个小流域潜在蒸散和径流的变化状况，结果表明：东北地区2006—2012年有着明显的增温趋势，降水量在波动中缓慢上升;其中2个小流域的潜在蒸散量和降水量53年来处于上升趋势，但径流深度却在下降，说明流域径流变化还与东北冻土的冻融有关。

关键词：气候变化;径流;蒸散量;寒区流域

中图分类号 P333文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）10-0131-04

冻土一般指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。土壤冻融作用和水热交换，贯穿于寒区的产流、入渗和蒸散发过程，是寒区水循环研究的核心环节。在全球气候变化的大背景下，区域层面的潜在蒸散和径流在其影响下都会发生一定程度的变化。潜在蒸散是在一定气象条件下水分供应不受限制时，某一固定下垫面可能达到的最大蒸发蒸腾量。潜在蒸散是实际蒸散的理论上限，与降水共同决定区域干湿状况，并且是估算生态需水和农业灌溉的关键因子[1]。径流作为水循环的一个重要环节，是地球陆地表面水大量存在的1个具体载体。由于降水-径流-蒸散是土壤圈以上水分循环的主要组成部分，而气候变化影响了降水和蒸散，所以在气候变化下径流的变化是必然的。

FOA在Blaney-Criddle、辐射、锅蒸发和修正的Penman-Monteith公式4种方法的比较中确定了修正的Penman-Monteith公式为计算潜在蒸散（ET0）的标准方法;Salem S. Gharbia等设计了一种基于地理信息系统算法以模拟大型集水系统的空间分布式潜在蒸散量模型。吴霞等利用全国552个气象站点1961—2015年逐日气象数据，根据Penman-Monteith公式得到各站点逐日潜在蒸散ET0，分析了我国潜在蒸散的时空变化特征。曾丽红等基于1951—2008年东北地区106个气象站点的实测数据，用Penman-Monteith公式计算潜在蒸散量，并将气候水分盈亏量表示为同期降水量與潜在蒸散量之差，并在此基础上对东北地区水分盈亏量的时空格局进行了分析，得到了其整体的水分盈亏量为下降趋势的结果。目前，国内外对气候变化对径流的影响进行了一系列的研究[2-5]。

笔者利用1960—2012年全国气象站点的气温和降水量数据，空间插值得到整个东北地区的气象数据，再由GLDAS提取研究区的潜在蒸散量数据，构建了东北地区气候变化大背景。在此大背景下，从蒸散量、径流量以及降水量水量平衡的角度分析研究区4个小流域的水文特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 试验所指东北地区包括黑龙江省的全部以及内蒙古自治区东北部，地理位置大体在42°40′～53°33′N、115°05′～135°05′E（见图1）。径流数据来源于研究区的4个小流域，4个小流域从北至南分别是由塔河、牛耳河、乌尔其汗和红花尔基。截至2012年，4个流域的面积分别为6581、2992、3394、5390km2，4个流域具有典型性，都位于大兴安岭地区。

1.2 数据来源 主要数据来源1960—2012年东北39个气象站点实测气温与降水量的数据和4个流域水文站点的径流量数据，以及GLDAS提取的东北地区蒸散量数据。

2 结果与分析

2.1 流域气候变化 利用东北39个气象站点实测气温和降水量数据，计算得出53年气温和降水量年际变化以及变化趋势空间分布特征。1960—2012年东北地区气温表现出明显的升温趋势，降水量在波动中依旧呈现微弱的上升趋势，潜在蒸散量也有逐年上升的趋势（表1）。

2.1.1 流域年均温度年际变化趋势 从研究区的气象数据中分别提取4个流域的逐日平均气温和降水量数据，进行计算结果如图2所示。由图2可见，4个流域年平均温度变化趋势都是上升的，这同研究区年平均温度上升的趋势相同。在上升的幅度上，牛耳河的0.053℃/年最高，塔河次之，为0.038℃/年，最后的红花尔基和乌尔其汗差别不大，分别为0.033℃/年和0.035℃/年，只有塔河与牛耳河的升温趋势大于整个东北研究区的升温率（0.036℃/年）。

2.1.2 流域年均降水量年际变化趋势 从图3可以看出，4个流域53年年均降水量最高的是塔河，为527.92mm，其后是牛耳河、乌尔其汗和红花尔基，平均降水量分别为497.67、475.53和459.60mm，其顺序恰好是按由高纬向低纬排列。4个流域的降水量并不大，只有塔河的平均降水量超过研究区的平均降水量（523.40mm）。4个流域年均降水量变化趋势中，塔河和牛耳河是上升趋势，上升率分别为0.67mm/年和0.75mm/年;乌尔其汗与红花尔基53年降水变化率都是下降的，下降速率分别为-1.07mm/年和-0.21mm/年，这同研究区年均降水量变化率波动特征相同。

2.1.3 流域潜在蒸散变化趋势 从研究区的多年平均潜在蒸散量数据和潜在蒸散变化率数据中分别提取4个流域数据，4个流域53年平均潜在蒸散量最高的是红花尔基，达到了748.61mm，乌尔其汗的为689.96mm，塔河的为643.21mm，牛耳河最低，只有586.69mm。4个流域53年的平均潜在蒸散量均没有超过研究区的平均潜在蒸散量（811.03mm），这可能与4个流域温度普遍偏低有关。4个流域年均潜在蒸散量变化趋势都是上升的，这与研究区年均潜在蒸散量上升趋势相同，只不过它们上升趋势都远大于研究区整体的上升趋势（0.30mm/年），原因可能与4个流域位于大兴安岭地区有关。其中，上升趋势最大的是乌尔其汗的2.02mm/年，其次是牛耳河的1.87mm/年，红花尔基的1.41mm/年和塔河的1.34mm/年。

2.2 流域径流变化 经计算，4个流域多年平均径流深度情况为：塔河的最大，为241.95mm，其次为牛耳河的238.40mm，乌尔其汗和红花尔基的较小，分别为127.09mm和103.71mm，呈现出越北径流深度越大的特点，而流域降水量分析得到的结论也是越北降水量越大。由图4可以看出，4个流域年径流深度变化的趋势都是轻微下降。其中，下降趋势最大的是红花尔基的0.883mm/年，其次是塔河的0.767mm/年和乌尔其汗的0.4417mm/年，下降趋势最小的是牛耳河，只有0.1048mm/年。

2.3 气候与径流变化的关系 根据水量平衡求出流域理论上的实际蒸散量并与其潜在蒸散量进行比较，发现4个流域潜在蒸散量的数据排列顺序与实际蒸散量的数据排列顺序是相同的（表2），由此可推测潜在蒸散和实际蒸散的变化大致上是相同的。因此，水量平衡中实际的蒸散量可以通过潜在蒸散量根据特定公式或系数来转换。流域潜在蒸散的年变化小于降水量的年变化，由水量平衡方程可知年径流深度应该增加，而实际上年径流深度变化的趋势是轻微减小的。因此，必然有其他因素影响径流的变化。考虑东北地区季节性冻土的存在，径流的变化可能与冻土的冻融有关，即气候变化不仅通过影响东北地区的降水和蒸散来影响径流的变化，还会通过影响冻土的冻融过程来影响径流的变化，但是这一方面的分析还有待进一步的研究。

3 結论

研究结果表明，研究区4个流域中，其中塔河和牛耳河流域1960—2012年年均气温、降水量、潜在蒸散量的变化趋势都是上升的，而其年径流深度（1960-2012年）的变化趋势则是轻微下降的，潜在蒸散和实际蒸散变化趋势相同。气候变化对东北地区径流的影响除了影响其降水和蒸散外，还会通过影响冻土的冻融过程来影响东北地区的径流变化。

参考文献

[1]尹云鹤， 吴绍洪， 戴尔阜.1971—2008年我国潜在蒸散时空演变的归因[J].科学通报，2010，55（22）：2226-2234.

[2]Ziwei Xiao，Peng Shi，Peng Jiang，Jianwei，et al. The Spatiotemporal Variations of Runoff in the Yangtze River Basin under Climate Change[J].Advances in Meteorology，2018.

[3]郑锦涛，陈伏龙，张鑫厚，等.基于GAMLSS模型的玛纳斯河设计年径流分析[J/OL].气候变化研究进展，2018（03）：1-8[2018-05-23].

[4]刘昌明， 刘小莽， 郑红星.气候变化对水文水资源影响问题的探讨[J]. 科学与社会，2008（2）：21-27.

[5]姚允龙， 吕宪国， 王蕾，等.气候变化对挠力河径流量影响的定量分析[J].水科学进展， 2010， 21（6）：765-770.

（责编：徐世红）