中亚瓦赫什河上游源区气候水文要素演变特征

岳伟鹏，张合理，陈 峰,，BAKHTIYOROV Zulfiyor,4，陈友平

(1.云南大学国际河流与生态安全研究院，云南 昆明 650500； 2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆 乌鲁木齐 830002； 3.中国气象局树木年轮理化研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002； 4.塔吉克斯坦共和国科学院胡占德科学中心，索格特 胡占德； 5.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054)

伴随人类影响不断增强，近百年来全球温度呈现明显的上升趋势，第四次IPCC报告指出20世纪中后期全球的升温率处于有气候观测历史记录以来最高水平[1-3]。温度升高导致区域水循环发生变化，进而对河川径流变化产生重要影响[4-5]。因此，区域气候变化及其对流域水循环的影响已成为当前水文前沿研究的热点。“西风模式”影响下的中亚[6-7]，千年来总体气候组合特征为暖干-冷湿，但最新研究发现中亚地区在过去几十年气候组合发生显著变化，主要表现为暖湿化趋势[8-9]。中亚冰川补给型河流在径流量与流量等水文要素上是否存在一定的响应需要进一步研究。

中亚地处亚洲内陆干旱区，水资源短缺一直是制约中亚经济社会发展的主要因素。与此同时，中亚地区也是我国“丝绸之路”经济带建设的核心区，水安全是经济带建设过程中重点关注的问题[10-11]。因此，研究中亚地区的水文变化有助于中亚各国制定相关水政策，以维护国家内部及国家间政治安全与社会稳定，同时也能为我国在中亚地区合作开展“丝绸之路”经济带建设提供相应的科学支撑。

瓦赫什河(Vakhsh River)上游源区位于中亚腹地，生态脆弱的高海拔山地与冰川区是该流域主要的下垫面条件[12]，这导致该区地理环境易受到高原山地的气候变化影响。长期气候变化影响了河流源区的水汽形成及运移、降水时空分布、产汇流等环节，使瓦赫什河中下游区域的水资源分配和生态环境格局发生变化，特别是对跨境河流国家间水资源利益共享产生重要影响。近年来，中亚跨境河流国家间围绕水权分配、水资源共享等方面已经发生多起摩擦冲突事件，为此开展中亚地区跨境河流气象水文研究具有较强的现实意义[13]。以往该区的水文研究多聚焦在水文水资源的开发与管理、冰川变化监测与评估等方向，气候变化背景下的水文要素变化方面研究相对较少，同时该流域的地理要素组合与中亚多条大河源区地理要素组合相似，对中亚地区开展相关研究具有一定的借鉴意义。

1 研究区概况

瓦赫什河发源于吉尔吉斯斯坦南部的达乌穆鲁克山，流经吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦，并汇入阿姆河。在吉尔吉斯斯坦境内称为克孜勒苏河(Kyzyl-Suu River)，并成为瓦赫什河上游[14]。河道全长524 km，流域面积3.91万km2,其中吉尔吉斯斯坦境内7 900 km2。上游源区位于吉尔吉斯斯坦东南部，与中国、塔吉克斯坦接壤，地理位置为39°N～40°N、72°E～74°E(图1)。源区内平均海拔在 3 000 m 以上，高山林立，峡谷纵横，以温带大陆性气候为主，并具有典型的高原气候特征，多年平均气温为-3.5 ℃，年均降水量为494.37 mm。

图1 瓦赫什河上游流域及水文站位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the upper source areaand hydrological station in the Vakhsh River

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

由于瓦赫什河上游源区内气象站少，有些年份器测数据缺测，现有观测气象资料用于长时间序列研究的可靠性较低，为此本文使用的气象资料为英国East Anglia大学Climatic Research Unit(CRU)提供的1955—2017年CRU TS4.02气象格点数据集，空间分辨率为0.5°×0.5°，选取范围为39°N～40°N、72°E～74°E。CRU气象格点数据采用多个知名气象数据库作为源数据，使用数学方法对数据源进行整合和插值，具有时间尺度长、分辨率高、严格的时间均一性检验过程、在地表气候要素数据上无时序中断等优点。同时，该数据结合了中亚地区高海拔特点，进行高度订正，在中亚地区应用有比较大的可信性，相关研究也验证了自1930年以后的中亚地区CRU资料具有较高的可靠性和适用性[15-20]。本文所使用的水文资料来源于吉尔吉斯斯坦境内瓦赫什河上游Daroot Kurgan水文站1955年1月至2017年12月逐月流量实测值。

2.2 研究方法

针对气候水文数据的长时间观测序列特征，利用线性回归方法检验趋势变化[19]，并结合Mann-Kendall秩次相关检验法[21]、Spearman秩次相关检验法[21-22]等方法，综合分析和检验源区气候水文要素演变趋势；利用滑动t检验法与Mann-Kendall突变检验法对比综合识别源区气候水文要素演变中的突变现象[23]；利用Pearson相关分析法探究气候水文要素之间关联及流量演变主要驱动因子[24-28]；利用Morlet小波变换分析法，诊断分析源区气候水文要素序列的周期变化[26]；利用滑动相关分析方法探讨气候要素在年际尺度上如何影响流量变化趋势，选用21 a为时间窗口。

3 结果与分析

3.1 源区气候水文变化趋势

a. 气温。瓦赫什河上游源区1955—2017年平均气温为-3.2 ℃，其中气温变化倾向率为0.03 ℃/a，年平均最高温度出现在2004年，最低温度出现在1957年。如图2所示，在研究时间段内虽然气温变化的波动性较大，但年平均气温总体上呈现出明显的上升的趋势，其中在1997—2011年和2015—2017年两个时间段内年均气温均高于平均值，距平值保持0.1 ℃以上。Mann-Kendall秩次相关检验、Spearman秩次相关检验和线性回归检验分别检验出全年及季节总体趋势均保持显著上升趋势，达到99%的置信水平，其中夏秋两季的趋势特征值在4个季节中最大，为显著的上升趋势，具体各季节和全年检验特征值和变化趋势见表1。

图2 年平均气温变化趋势Fig.2 Annual average temperature change trend

表1 各气候水文要素检验特征值及变化趋势Table 1 Inspection characteristic values and change trends of various climatic and hydrological elements

b. 降水。瓦赫什河上游源区1955—2017年平均降水量为513.2 mm，其中降水变化倾向率为 1.34 mm/a，年平均降水量最高出现在2003年，最低降水量出现在1983年。如图3所示，瓦赫什河上游源区在研究时间段内降水总体上波动较小，呈现出平缓的上升趋势，但在20世纪60年代后期与21世纪初期均出现时序较长、峰值较高的波动。由表1可知，3种检验方法在瓦赫什河上游源区1955—2017年年均降水量上，一致检验出呈平缓上升趋势，且达到95%的置信水平；从季节上来看，春秋冬3季年平均降水量均无明显变化趋势，在选定的置信区间内不显著，夏季降水呈平缓上升趋势，3种方法中大部分检测统计值达到95%的置信水平。

图3 年平均降水量变化趋势Fig.3 Annual average precipitation change trend

c. 流量。如图4所示，瓦赫什河上游源区1955—2017年年均流量为42.0 m3/s，其中2006年年均流量为研究时段的最高值，达到 62.6 m3/s，为多年均值的1.46倍，最低流量出现在1974年，年均流量为28.6 m3/s。瓦赫什河上游源区年均流量总体保持上升趋势，其中20世纪60年代中后期至21世纪初，年均流量低于均值，保持低位增长。特别是在20世纪60年代中期出现一次波动，达到峰值后便开始急剧降低，直至1974年触底，达到最低值。从季节变化上看，瓦赫什河上游源区各个季节流量变化基本保持一致，夏冬两季波动幅度较春秋季大，年均流量高。3种检验方法一致检验出瓦赫什河上游源区年均流量在全年及季节上均为上升趋势，且达到99%以上的置信水平。

图4 年平均流量变化趋势Fig.4 Annual average runoff change trend

总体来看，瓦赫什河上游源区1955—2017年气候逐渐呈现暖湿化趋势，这与中亚相关区域气候变化研究结果一致[29]，表明中亚不同地域气候变化特征存在一定的一致性。其中气温变化倾向率为0.03 ℃/a，高于同期中亚地区0.02 ℃/a的平均水平。导致中亚地区出现暖湿化趋势原因，施雅风等[30]认为气温上升的原因是CO2的温室增温效应；王劲松等[31]认为气温上升是与北极涛动、太阳活动有关，而导致降水增多的原因则是西风带纬向环流增强，侧重从地气相互作用的角度来阐述其对增温增湿的影响。与此同时，在全球尺度上Dai等[4]通过对1900—1995年全球帕尔默干旱指数(PDSI)变化研究发现，ENSO活动是1976年以来干湿变化的重要驱动因子。对气温、降水和流量进行5年滑动平均后，在变化趋势对比中发现，三者之间在20世纪70年代后期有较好的趋同性，其中气温与流量在趋势变化上表现为更相近。

3.2 源区气候水文突变识别

a. 气温。对于长时间气温观察序列，需采用多种突变检测方法进行比较。本文采用滑动t检验、Mann-Kendall突变检验法检测气温序列的突变现象。如图5(a)所示，当子序列为n=10时，滑动t检验分析发现，瓦赫什河上游流区气温序列突变点发生在1993—2001年，并通过0.01的显著水平检验。与此同时，如图5(b)所示，采用Mann-Kendall突变检验法检验得到UF及UB统计值的变化线相交于1994年，通过0.05的显著性检验。两种测方法得到的结果类似，可以判定该流区的气温在1994年发生突变，且由低温向高温突变并整体呈现增高趋势。

b. 降水。当子序列为n=10时，滑动t检验(图5(c))分析发现，瓦赫什河上游源区降水序列突变发生在1983—1985年，通过0.01的显著性检验；同时采用Mann-Kendall突变检验法检验得到UF及UB统计值的变化线分别在1988年、1990年、1994年、1995年、2007年、2012年相交，其中2007年与2012年超过0.1的显著水平，呈显著性上升趋势(图5(d))。分析两种检测方法得到的结果，可以判断瓦赫什河上游源区1955—2017年降水量保持缓慢上升，其中在2007年与2012年发生突变现象。

大金川叛军为了抵抗朝廷军队，在两军对阵的地区增垒设险，致使战火延续了两年，最终因众寡悬殊、大势已去而投降。《清实录》记载，乾隆四十年（1775年）七月，索诺木鸩杀僧格桑，献尸请降，朝廷不准[6]168。《徇促浸》以“顺天者生逆天死，贼尸未僵魂已禠”指责大小金川土司发动叛乱实属逆天行为，并化用古诗《有所思》中的“当风扬其灰”“拉杂摧烧之”，表达了对大小金川发动叛乱的激愤之情。“到头倔强将何为”一句则是管世铭发出的质问与叹息：对叛乱者无端叛乱的质问，以及对叛乱者垂死挣扎的叹息。“尔果悔罪，何不早生致”表明如果叛乱者果真有悔改之意，就应该及早投降，而当朝廷大军逼近时再请降，则不可能得到宽恕。

c. 流量。滑动t检验(图5(e))分析可知瓦赫什河上游源区年均流量分别在1982—1989年、1997—2005年发生突变，并通过0.01的显著性检验，这与上文对流量趋势进行5年滑动平均分析中发现的在1997年开始呈上升趋势的结果一致。Mann-Kendall检验时发现UF与UB统计值的两条数值线在2003年处相交且通过显著性检验(图5(f))，两种检验方法结果表明流量序列在2003年左右发生突变。

综合来看，突变现象均发生在20世纪后期，并都呈上升趋势，其中气温增温趋势与中东亚干旱区近百年气候变化趋势呼应。王劲松等[31]认为这主要是冰岛低压异常加深、北大西洋亚速尔高压显著增强、乌拉尔高压脊异常增强以及赤道中东太平洋海表温度异常增暖所导致的。而降水趋多，陈发虎等[7]认为是与西风环流增强及西伯利亚高压的位置和强弱变化有关。

3.3 源区气候水文变化周期

a. 气温。利用Morlet小波变换分析方法，对瓦赫什河上游源区气温时间序列变化进行周期性分析，利用计算结果绘制小波系数实部等值线图(图6)和气温小波方差图(图7)，以反映瓦赫什河上游源区气温周期变化和位相特征，并识别气温时间序列中尺度对应的扰动强度与周期变化特征。由图6可见，气温序列能量中心频域尺度主要集聚在14 a和28 a，显示为比较明显的两个主要周期；从图7可见，曲线两个波动峰值对应的横坐标主要时间尺度为14 a和28 a，该对应尺度下的信号较为强烈，所以14 a和28 a是主要周期，其中28 a为第一主周期。时间尺度上4 a对应峰值较为弱，可视作微小波动，忽略不计。

(a) 气温t检验

(b) 气温M-K检验

(c) 降水t检验

(d) 降水M-K检验

(e) 流量t检验

(f) 流量M-K检验图5 气候水文要素突变检验Fig.5 Climatic and hydrological factors abrupt change point test

图6 气温序列小波系数实部等值线Fig.6 Wavelet contour map of the temperature series

b. 降水。分析可知瓦赫什河上游源区降水序列能量中心频域尺度主要集聚在10 a和20 a，显示为比较明显的两个主要周期；从降水小波方差分析结果可知，曲线两个波动峰值对应的横坐标主要时间尺度为10 a和20 a，该对应尺度下的信号较为强烈，所以10 a和20 a是主要周期，20 a为第一主周期。

c. 流量。瓦赫什河上游源区年平均流量序列高值能量中心频域尺度主要集聚在15 a和28 a，显示为比较明显的两个主要周期；从流量小波方差分析结果可知，曲线两个波动峰值对应的横坐标主要时间尺度为15 a和28 a，该对应尺度下的信号较为强烈，所以15 a和28 a是主要周期，以28 a为第一主周期。同时，在时间尺度为10 a处，流量小波方差出现较小幅度变化和峰值，峰值较为微弱，忽略不计。

图7 气温序列小波方差图Fig.7 Wavelet variance figure of the temperature series

瓦赫什河上游源区气候水文的准周期性振荡现象主要是自然外力作用和气候系统内部相互作用并叠加的结果，综合Mann-Kendall的突变检验结果，可以较为准确判定以上信号强烈且产生振荡的频域尺度第一主周期。比较降水与流量、气温与流量的第一主周期发现，气温与流量的周期在年际变化上具有较高的相似性，正负变化为0～1 a，这说明气温与流量具有较相近的周期变化趋势。

3.4 源区气候水文要素关联及流量驱动要素

图8 源区降水量与流量双累积曲线Fig.8 Double accumulation curve of precipitationand runoff in the upper source area

进一步辨析，气候因素中降水与气温是与流量变化相关的主要因素。采用年内相关普查分析法，进行不同时间段气温降水组合，并与年均流量进行相关分析，结果见图9。由图9可见，在所有气温降水组合当中，上一年夏秋季节和当年夏秋季节月份的气温均与流量有显著的相关关系，其中当年的6—10月气温与流量相关性最高，相关系数为0.554，通过99%的置信检验；降水与流量相关性最高的为当年2月，相关系数为0.316，通过95%的置信检验；其中上一年8月与当年8月的降水与径流也表现出一定的显著关系。这表明瓦赫什河上游源区升温趋势与源区内流量增加趋势关系密切，且不同时间段内相关性的差异较大，6—10月为北半球夏秋季节，这一时段气温上升趋势促使冰川积雪融化加速，造成区域水循环加快，加之源区内冰川广布，集水面广，汇水量大，进而使河流流量增加；同时降水与流量相关性最高的时间段为当年2月，说明瓦赫什河符合中亚地区大多河流具备的“冬雨型”河流特征[11]，因受制于下垫面的调蓄和滞留作用，径流对降水与气温有一定的“滞后效应”，从而上年气温和降水与径流具有一定的显著关系。尽管气温变化是瓦赫什河年平均流量变化的主导因素，但这种相关关系并不稳定，采用年际滑动相关分析法进一步分析，结果见图10。由图10可见，气温在1987—2009年与流量呈显著正相关，在1958—1986年呈不显著负相关；降水在此区间内与流量均保持正相关，1999年后转为负相关。以上分析说明1989—1999年降水和气温均对流量变化有促进作用，1999年后降水转为负相关。这种关系说明了气候变暖对于中亚冰川补给型河流有着重要影响，并在过去40年里对于流量变化起到了主导作用。可能受到了1998/1999年以来全球变暖停滞影响，流域内温度并没有持续上升。

P—上年，C—当年图9 瓦赫什河上游源区年平均流量与气候因素相关系数Fig.9 Correlation coefficient between annual averagerunoff and climatic factors in the upper source areaof the Vakhsh River

图10 瓦赫什河上游源区气候因素与流量21年滑动相关Fig.10 Climatic factors and runoff of 21-year slidingcorrelation in the upper source area of the Vakhsh River

4 结 论

a. 瓦赫什河上游源区1955—2017年气候逐渐呈现暖湿化趋势，这与中亚相关区域研究结果一致，表明中亚各地气候变化特征存在一定的一致性。

b. 瓦赫什河上游源区气温在1994年发生突变现象，降水在2007年与2012年发生突变现象，流量则在2003年发生突变现象。

c. 周期分析发现气温序列能量中心频域尺度主要集聚在14 a和28 a，降水序列能量中心频域尺度主要集聚在10 a和20 a，流量序列高值能量中心频域尺度主要集聚在15 a和28 a。

d. 相关分析表明瓦赫什河上游源区流量变化的主要因素为气候因素，而气候因素中气温起主导作用。但受全球变暖停滞影响，这种关系没有进一步增强。