根河流域1980―2017年气候和径流的变化特征分析

岳永杰，乌云珠拉，李 旭，王雅倩，伊丽茜

（内蒙古农业大学，呼和浩特 010010）

0 引 言

【研究意义】水资源是国家的基础自然资源，可以维持生态平衡，又是衡量国家综合国力的重要因素[1-4]。而河川径流是水文循环和水资源系统的重要组成部分[5-6]。气候变化对人类生活和经济带来很大的影响，如冰川消融、植被变化、海洋酸化、林线后移[7]等。IPCC报告[8]指出，1880―2012年，全球平均气温升高了0.85 ℃，据2018年IPCC发布的《全球升温 1.5 ℃特别报告》[9-10]可知，将全球变暖限制在1.5 ℃，需对土地、能源、建筑、工业、城市和交通都进行一个快速而彻底的转型。胡婷等[11]预测全球气温增高1.5 ℃和2 ℃时气温的变化及降水量的变化，研究表明，全球气温和降水基本呈现出高纬温度增幅大于低纬、陆地增温大于海洋、湿润的地方降水增加多、干旱的地方降水减少等未来气候变暖的普遍特征。人类活动和气候变化均对流域径流有影响，但是相比而言，气候变化对于径流的影响大于人类活动。Hatta等[12]对印度的降水和径流进行了研究，结果得出，随着降水的下降，径流量也成比例下降。在气象因子中，降水和气温可以直接或间接的影响流域径流量[13]，但起主导作用的气象因子因流域地理环境及其气候而异。

大兴安岭是我国重要的生态屏障，是我国寒温带明亮针叶林区，泥炭地丰富、具有森林沼泽、且有大面积的冻土分布，其中有多年冻土，季节冻土等[14]，是气候敏感区。具有冬季漫长，常年无夏，春秋相连的季节特点。研究大兴安岭地区的气象因子及水文特征是深入了解此地区气候变化趋势及其水文响应的必要措施。【研究进展】近年来对大兴安岭地区的气候变化及径流的研究也有较多，主要集中在气候变化、林火[15]、植被覆盖[15]、多年冻土[17]、物候的影响[18]等方面。大兴安岭地区气候趋于变暖趋势，导致林火频度增多、植被覆盖发生变化、多年冻土退化等现象。目前对于大兴安岭地区径流变化的研究较多。王文华等[19]研究大兴安岭黑土区森林对径流的影响；赵秀娟[20]分析大兴安岭水系水文特征；罗韦慧等[21]研究不同森林类型对小流域径流的影响；陈百灵[22]研究不同抚育强度对地表径流的影响；朱宾宾等[23]研究积雪与融雪对径流化学特征的影响等。【研究创新点】前研究内容大多以不同的土地利用方式或植被覆盖率对径流的影响为主，而对于气象因子变化趋势对径流影响的研究较少。【拟解决的关键问题】在全球变暖的大背景下，研究根河流域气相因子和径流的变化情况，揭示流域的气候、径流变化规律及其相互作用机制，可对流域内冻土变化、植被变化、蒸散发等研究提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

根河流域属于黑龙江流域额尔古纳水系，发源于大兴安岭伊吉奇山西南部的萨吉气林场。根河自东北向西南流经根河市、额尔古纳市和陈巴尔虎旗最后汇入额尔古纳河。全长415 km，河宽一般在20 m左右，河深平均0.8 m。根河流域总面积15 837 km2，主要支流有图里河、依根河、库里河、伊图里河等。地处寒温带大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季温暖湿润。根河年平均气温-4.9 ℃，年平均降水量411.75 mm；无霜期80～90 d，年平均风速2.1 m/s。流域内土壤主要为棕色针叶森林土，还有暗棕色森林土、灰色森林土、淋溶黑钙土、沼泽土等；流域上游为草原区，中下游为草原区。植被以森林为主，主要以兴安落叶松林为主的北方针叶林为主，林下植被有苔藓、草本、灌木等，植物种类繁多，植被覆盖度达80%以上。

1.2 研究方法

本研究的气象数据为根河流域内额尔古纳、根河、图里河等3个国家一级气象站点1980—2017年的降水量、平均气温、空气相对湿度等观测数据；此 3站分别位于流域上、中、下游。水文数据由根河流域下游拉布达林水文站提供。对气象因子和水文特征做研究时，因研究区的特殊性，将每个气象因子和水文因子分为生长季（a）指 5—9月、始冻期（b）指10—11月、完全冻结期（c）指12—翌年2月、融冻期（d）指翌年 3—4月和年均量（e）5个方面来进行统计分析。流域气象站点和水文站的分布如图1所示。

在研究根河流域1980―2017年气象因子及径流的变化趋势时选用Mann-Kendall（M-K）非参数检验方法，用Sen’s Estimator（S-E）检验因子的变化幅度检验方法，运用Hurst指数对根河流域气象因子及径流的未来变化趋势进行预测，再运用 Sequential Version Mann-Kendall（S-M-K）方法对流域气象因子和径流进行突变点检验，最后再运用 peason相关性分析对气象和水文因子进行相互作用机制分析。

图1 根河流域水文站及气象站点空间分布图Fig.1 Spatial distribution of hydrological stations and meteorological stations in the Genhe river basin

1.2.1 Mann-Kendall（M-K）非参数趋势检验

假定x1,x2,...xn为时间序列变量，n为时间序列长度，M-K定义了统计量S，利用式（1）计算M-K检验的统计量S。

式中：S是符号函数，当（xi-xj）小于、等于或大于0时，符号S等于-1，0和1。S服从正态分布，均值为0。

式中：n为数据点个数。

统计检验值Z计算式为：

式中：Z为正值表示有上升趋势，为负值表示有下降趋势。若计算的绝对Z统计量大于正态分布表中Z统计量（1.28、1.64、2.32）的临界值，则表示趋势通过了90 %、95 %和99 %的显著性水平检验。

1.2.2 Sen’s Estimator（S-E）检验

为了估计现有趋势的真实斜率，用Q来表达（作为每年的变化），使用了Sen的非参数方法。Sen方法可用于假定趋势为线性的情况[24]，估计N对数据幅度Qi计算式为：

式中：xj和xk分别表示在某一时段j和k的值（j>k）。S-E幅度变化Qi的N值的驱动值等于其中位数。估计N是奇数，则S-E的幅度计算式为：

Qmed是置信区间下非参数双尾检验（Timo Salmi等，2002）。如果N是偶数，则S-E的幅度计算式为：

1.2.3 S-M-K检验

Sequential Version Mann-Kendall（S-M-K）检验是一种非参数统计检验方法，用于分析数据序列在时间上的变化趋势和识别突变点[26]。

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量。

式中：UFk=0，E（Sk），var（Sk）是累计数Sk的均差和方差，在x1,x2,...,xn相互独立，且有相同连续分布时，计算式为：

UFi为标准正态分布，是按照时间序列x计算出的统计量序列，在统计检验过程中，给定显著水平α，假定α=0.05，查正态分布表，若|UFi|>Uɑ，则表示序列存在明显的趋势变化。按照时间序列x逆序，再重复上述过程，同时使UBk=-UFk（k=n,n-1,...,-1），UB1=0。分别绘制UBk和UFk曲线图，若UFk>0，表明序列呈上升趋势，UFk<0表明呈下降趋势。当其超过显著性临界值时，表明上升或下降的趋势明显。若2条曲线在显著性临界值之间出现交叉点，则突变点即为交叉点所对应的时间点。

1.2.4 Hurst指数

通过分析估算的Hurst指数[26]，可判断极端降水指标的时间序列趋势的持续性[27]。Hurst指数用H表示，指数变化范围在0~1之间，值0.5表示缺乏长期持久性，值大于0.5意味着系列的长期持续性，反之则表示反持续性的存在。为定量描述持续性及反持续性的强度，根据Hurst指数的大小进行分级。

2 结果与分析

2.1 根河流域气候和因子突变分析

2.1.1 根河流域气候特征分析

根河流域不同气象要素的变化趋势、变化斜率、和未来的变化趋势见表1，图2为根河流域气温不同时期突变点分析图。结合表1和图2可知，各时期气温均为上升趋势（Z＞0），其中生长季的气温上升趋势最明显（Z=4.63），上升幅度为0.05 ℃/a。生长季气温自1996年开始变化更为强烈。始冻期发生强烈变化的年份与生长季一致，但完全冻结期发生强烈变化的年份在1990年。年平均气温的变化趋势也较为明显（Z=2.72），但变化幅度为0.03 ℃/a，小于生长季变化幅度，概括而言，自1980—2017年，年平均气温上升了 1.10 ℃，且气温上升有强的持续性（H=0.75）。年均气温发生强烈变化的年份（1990年）与完全冻结期发生强烈变化的年份一致，在根河流域完全冻结期的气温对于年平均气温的影响较大，表明年平均气温变化趋势有强的持续性。

由表1和图3可知，生长季总降水量、始冻期总降水量呈下降趋势，其中生长季总降水量的下降幅度最大，为1.68 mm/a，完全冻结期和融冻期降水量有上升的趋势，这可能是由于融冻期气温上升，流域蒸散发量上升，间接导致降水量增加。流域年均总降水量下降幅度为1.37 mm/a，变化幅度小于生长季降水量，主要原因为在完全冻结期和融冻期降水量有微弱的上升趋势。

空气相对湿度的变化主要受降水量、温度和植被的覆盖度等因素的影响。结合表1和图4可知，生长季气温上升和降水量下降的情况下，空气相对湿度上升，这主要是因为生长季的气温高，使得土壤水分蒸发和植物蒸腾作用强烈，导致空气相对湿度增加的现象。完全冻结期、始冻期和年空气相对湿度分别在α=0.001、α=0.01和α=0.05的水平上显著下降，下降幅度最大的为完全冻结期，为0.21 %/a，且下降趋势有很强的持续性（H=1.0）。年均日空气相对湿度下降趋势为0.05 %/a。温度对于空气相对湿度有滞后作用，在生长季和始冻期的气温通过蒸散作用来影响完全冻结期的空气相对湿度，完全冻结期蒸散作用几乎停止，因此，完全冻结期的降水量是影响融冻期空气湿度的关键因子。

表1 根河流域不同时期气温、降水量和空气相对湿度Table 1 Analysis table of air temperature,precipitation and air relative humidity in different periods in the Genhe river basin

2.1.2 根河流域气候因子突变分析

由图2可看出，根河流域平均气温的突变分析中，1980―2017年生长季日均气温没有突变点，从1989年开始持续上升，在1994年UFk曲线在超过临界值1.96，代表从1994年开始，气温发生猛烈的上升，且一直处于上升趋势。融冻期的日均气温没有发生突变，且UFk值和UBk值均在临界值（-1.96～1.96，图中虚线）之内，代表融冻期的年气温在1980―2017年期间较稳定，没有大的波动。年均气温在38 a间没有发生突变，且变化趋势与生长季日气温的变化趋势相近，但年平均气温UFk值超过临界值1.96的时间是1989年。

图2 根河流域气温突变点分析图Fig.2 Analysis chart of temperature abrupt change point in the Genghe river basin

图3为根河流域1980―2017年，降水量突变点分析图。由图3可看出，1980―2017年生长季降水量没有发生突变，但有下降趋势，且降水量的下降趋势较为平缓。始冻期的降水量在1990年和2007年发生突变，第 1次发生突变之后降水量开始上升，在1999年达到最高。完全冻结期、融冻期降水量没有发生突变，没有明显增减趋势，且UFk值和UBk值均在临界值之内，表明完全冻结期和融冻期降水量在此期间较稳定。年降水量在1998年和1999年发生突变，但1980―2017年的整体变化较为平缓。

图3 根河流域降水量突变点分析图Fig.3 Analysis chart of abrupt change points of precipitation in the Genhe river basin

图4为根河流域1980―2017年空气相对湿度突变点分析图。由图4可看出，流域生长季空气相对湿度在1983年发生突变，且1985年开始一直处于上升趋势，上升速度，2012年开始，始冻期的空气相对湿度发生猛烈的下降，完全冻结期空气相对湿度在1989年开始猛烈下降，融冻期空气相对湿度在1995年和2000年发生突变，但变化平缓。年均空气相对湿度在1993年和2003年发生突变，变化大致趋势与始冻期的整体变化趋势一致。

图4 根河流域空气相对湿度突变点分析图Fig.4 Analysis chart of abrupt change of air relative humidity in the Genghe river basin

2.2 根河流域水文特征和因子突变分析

2.2.1 根河流域水文特征分析

根河流域日均径流量分析如表2所示。从表2可看出，根河流域1985―2016年的生长季、始冻期、完全冻结期、融冻期的日均径流量均呈下降趋势，但均没通过显著性检验，不同时期的日均径流量的下降幅度顺序为，生长季＞始冻期＞融冻期＞完全冻结期，生长季的径流量幅度为7.06万m3/a，年均日径流量呈下降趋势，下降幅度为5.73万m3/a，Hurst指数为0.75，表示流域日径流量下降趋势有强的持续性。

表2 根河流域不同时期日均径流量Table 2 Average daily runoff in different periods in the Genhe river basin

2.2.2 根河流域水文突变分析

由图5可知，生长季径流量在1980―2017年没有发生突变，且UFk值和UBk值大多都在临界值之内，在1980―2017年，生长季径流量的波动较为平缓。始冻期、完全冻结期的径流量的变化趋势大致一致，完全冻结期发生径流量最高值的年份晚于始冻期2 a，分别为1994年和1996年，2个时期发生径流量最低值的年份一致，为2006年，完全冻结期的径流量在1991、1993、2006年和2008年发生突变。融冻期径流量在 1987年和 2013年发生突变，UFk值和UBk值大多都在临界值之内，UFk值在1999年超出临界值（1.96）。年均日径流量在 1980―2017年没有发生突变，整体呈下降趋势，从1998年开始年径流量的下降速度明显变快。

图5 根河流域径流量突变点分析图Fig.5 Analysis chart of abrupt change of runoff in the Genhe river basin

2.3 根河流域径流与气象因子的相互作用机制分析

由表3可看出，生长季径流量与始冻期气温、生长季降水量和年均总降水量的相关性在 0.01的水平上显著相关，相关系数分别为0.47、0.85和0.87，降水量的影响对于生长季径流的影响较大，这主要是由于年降水量的80%以上的降水量均在生长季引起的。始冻期的径流量与生长季的气温、相对湿度和降水在α=0.05的水平上显著相关，相关系数分别为-0.36、-0.36和-0.39，相关系数最大的是生长季的降水量。概括而言，由于气候的滞后现象生长季的气候状况对始冻期的径流有很大的影响。完全冻结期的径流量与始冻期的日均气温、完全冻结期的日均气温和生长季的降水量有显著相关，其中，与始冻期气温的相关系数最大，在α=0.01的水平上显著相关，相关系数为0.55，其次为生长季的降水量，相关系数为0.52，融冻期的径流量与生长季的气温和始冻期的降水量有相关性，且与始冻期降水量在α=0.01的水平上显著相关。年径流总量与始冻期气温和生长季降水量在α=0.01的水平上显著相关，相关系数最大的为生长季降水量，相关系数为0.89。除了融冻期的径流量，其他时期的径流量与年均总降水都呈显著相关。总结来说，径流的变化与降水的变化相关性大。

表3 相关性分析表Table 3 correlation analysis table

3 讨 论

根河流域属于黑龙江流域额尔古纳水系，黑龙江流域的水情和根河流域的水情相互有影响，流域降水是影响流域径流的最直接的因子。2013年，根河流域的年降水量达775 mm，是本研究年限中降水量最大的年份。东北地区发生洪水的年份与根河流域降水量发生突变的年份相吻合。代海燕等[28]、向辽元等[29]，研究结果显示大兴安岭地区年平均气温在持续上升，在1987年发生突变，本研究的结果与此相符。张艳平等[30]认为黑龙江地区大兴安岭1986年和1987年相对湿度处于低值，之后上升，本研究的结论与此一致。

在本研究中，气温变化呈上升趋势，在 1980—2017年共上升了1.10 ℃，且在未来有较强的持续性，与全球温度变化趋势一致。根河流域径流量与生长季降水量相关性大，尤其生长季的降水对于径流的变化有很大的贡献。生长季的气温与各时期的径流负相关，根河流域上游是原始林区，植被覆盖度高，其蒸散量也高。林分的蒸腾主要与辐射、空气温度、风速有显著相关[31]。程宋杰等[32]对于河西走廊党河流域径流变化因子研究中，得出结论蒸散量与径流量负相关，因此，在本研究中推测根河流域生长季的温度上升，导致蒸散发加大，径流发生减少的现象。生长季和完全冻结期的径流量与始冻期的气温正相关，始冻期为流域变冷，土壤、河流等开始冻结的时期。段亮亮等[33]对大兴安岭多年冻土的研究结果显示，近年来因气温升高，大兴安岭冻土冻结过程推迟，多年冻土退化等现象。多年冻土退化导致冻土层隔离水分的效应降低，导致冬季径流量流增大。马月[34]、黎云云等[35]对气候变化和径流响应的研究中得出结果，径流量随着温度的升高而减少，这结果与本研究不完全一致。在本研究中，生长季空气温度与径流量是负相关，但在非生长季初期（始冻期）空气温度与径流量是正相关。综上可知，气候变化对径流的影响有滞后效应，前一时期的气温影响下一时期的径流量，生长季降水量对各时期径流量都有显著的影响。

4 结 论

1）根河流域在1980—2017年气温呈上升趋势，降水量和空气相对湿度呈下降趋势，气温和降水量，生长季的变化最为强烈，且持续性最强。空气相对湿度变化较强的是始冻期和完全冻结期，根河流域气候变化趋于夏季湿热、冬季干冷的现象。

2）根河流域的年均日径流量在1980—2017年呈下降趋势，此变化趋势与降水量的变化趋势一致，下降幅度最大的为生长季的径流量，5.73万m3/a。

3）降水是影响根河流域径流的最大因素，但不同时期的降水量对径流的影响也不同。流域不同时期气温对径流量的影响程度和增减趋势不同，主要通过对水文的形式来影响流域径流量。