汾河水文水资源对气候变化的响应分析

温进利，王 炜

(1.山西省气象灾害防御技术中心，太原 030002；2.太原市水利技术推广服务站，太原 030002)

1 项目区概况

汾河流域位于大陆性季风气候带，在副热带海洋气团和极地大陆气团等的影响下，大陆性季风气候特征明显，春季较短，少雨干旱多风沙，夏季高温多暴雨，秋季温和，冬季干寒，且表现出十分明显的山地气候垂直变化特征。从东南向西北降雨量逐渐递减，流域年平均降雨量为503.9mm，且大部分时间降雨量在400-600mm范围内，高山局地降雨在650mm以上，年际变化大且年内分配十分不均匀，全年超出75%的降水主要出现在6-9月，且降雨主要水汽来源来自夏季风所带来的暖湿气流。

2 研究方法

在汾河流域选取8个气象站，具体见表1，并以各气象站1960-2019年降水和年气温逐年资料为基本气候要素，气象站资料均取自国家气象信息中心。

表1 气象站及气象资料长度

汾河流域水资源主要来自大气降水和夏季风带来的暖湿气流，相当一部分因蒸发而损耗，所以根据水量平衡原理，在降水量中减除蒸发量后便可得到汾河流域可利用降水量，并以此作为水资源量。具体而言，采用以下经验公式：

(1)

式中：E为汾河流域陆面蒸发量，mm；P为汾河流域月降水量，mm；T为汾河流域月气温均值，℃。另F=(P-E)A，F为汾河流域可利用水资源量；A为项目区面积，汾河流域面积为3.9469×104km2，以下便基于此思路和方法进行汾河流域水文水资源响应分析[1-2]。

3 项目区气候特征

3.1 气温、降水特征

项目区气温和降水表现出明显的年际及年代际变化特征，选取流域内具有代表性的临汾、介休、太原、3个站点进行年代际变化分析，具体情况详见表2和表3。

表2 汾河流域代表性测站气温年代际变化 ℃

从表2中可以看出，汾河流域在1990-1999年间气温最高，冬季气温从1960年开始至2019年呈现出明显升高的趋势，临汾站、介休站、太原站2010-2019年测站冬季年平均气温比1960-1969年平均增大1.9℃、2.32℃和2.10℃；其余测站气温变化趋势并不十分明显。

表3 汾河流域代表性测站降水年代际变化 mm

从表3可以看出，汾河流域各典型测站降水量夏季变化趋势最为明显，且夏季降水呈逐年减少趋势；从年平均降水量值来看，1970-1979年间夏季降水偏高，此后有减小趋势。通过进行以上时期临汾站、太原站和介休站年平均气温与降水的相关分析发现，两者存在明显的负相关关系，但变化趋势并不同步。

3.2 蒸发特征

根据式(1)求出汾河流域陆面蒸发量，根据流域1960-2019年蒸发量的年际变化可以看出，流域多年平均蒸发量102mm，最大最小值分别出现在2001年和1994年，分别为116.8mm和57.1mm。此外，根据对流域蒸发量滑动均值变动趋势的分析可以发现，汾河流域在20世纪90年代以前其蒸发量基本位于年平均值以下，此后便明显高出年平均值。

4 水文水资源对气候变化的响应

4.1 水资源变化趋势

根据可利用降水量的计算，可得出汾河流域1960-2019年水资源量年际变动情况，汾河流域多年水资源量均值33.59×108m3，最大值40.37×108m3出现在1988年，最小值29.88×108m3出现在1986年。而且近10年来，汾河流域水资源量已经转为正距平状态，水资源量均超出均值水平，表明流域水资源量稳定增多，且水资源增多时期基本和气温升高时期相对应，说明气候变暖对汾河流域水资源量的变动存在影响。

4.2 对降水变化的响应

通过分析降水量、蒸发量、水资源量的季节性分配以进行水文水资源对降水变化响应的分析，结果详见表4。由表可知，汾河流域降水主要集中在夏季，夏季降水量在全年总降水量中占比54.9%，其次为秋季，占比将近30%，这也与项目区夏秋多雨、冬春少雨的特征吻合。蒸发的变动趋势与降雨较为接近，夏季蒸发量占全年蒸发总量的比为57.19%，所不同的是，春季蒸发量比秋季蒸发量大13.53%。这种变动趋势主要与温度及季风进程有关。

降水和蒸发是影响水资源量的两个主要方面，降水和蒸发的年内变化对流域水资源存在重要影响。

4.3 对气温变化的响应

根据文章所采用的水资源量的计算公式，水资源量的变化除受降水影响较大外，还受到气温的影响。气温主要影响降水形态、冰雪消融、蒸发，进而对流域水资源量产生影响。根据气温与汾河流域水资源量的相关性图(图1)中的6阶多项式拟合曲线，汾河流域R2=0.114，说明气温和流域水资源量相关性较差，且不存在线性关系，气温对流域水资源的影响并非降水量那样直接，而是通过其他方式影响流域水资源量[3]。

图1 汾河流域气温与水资源量的相关性

汾河源所分布的积雪和冻土面积在源区总面积中占比0.76%，所以，汾河源水资源受冰雪融水和大气降水共同补给，而冰川和冻土对气温变化十分敏感，源区冰雪消融基本出现在正温期。与流域降水情况相比较可以看出，气温升至0℃以上后汾河流域降水和蒸发均增大，水资源量也增多，可见，气温的升高有利于汾河源冰雪消融，增大对流域水资源的补给。

根据研究和调查结果，汾河源积雪面积在1960-2010年间减少了1.5%，且在1993年以后情况有所逆转，这与流域气温在20世纪90年代初明显上升有关，这也从另一方面说明，气温是直接影响流域积雪消融的重要气候要素。积雪消融后的径流是流域水资源补给的重要来源，汾河流域积雪消融径流量在径流总量中占比在9.4%左右。

此外，气温的变化还会引起蒸发量的变动，且两者存在一定的正相关关系，即随着气温的升高，大气内水气压和饱水量逐渐增大，对蒸发产生促进作用。随着蒸发量的增大，所消耗的流域水资源量随着增大，流域水资源量减小。故气温对汾河源积雪消融有积极作用，并能增加流域水资源量，但随着气温的升高，蒸发量增大，又会造成流域水资源量减少，所以气温对汾河流域水资源量的影响颇为复杂。

5 结 论

综上所述，从50a时间尺度看汾河流域降水量变动趋势并不显著，但气温和蒸发均呈明显变动，但是在20世纪90年代流域气温、降水及蒸发均表现出较为明显的变动，这主要与全球气候变暖有直接关系。降水变化对汾河流域水资源有直接影响，而气温对流域水资源的影响较为复杂，随着气温的升高汾河源积雪消融速度加快，所提供的消融性水资源量增多，但是气温升高同时又会导致蒸发量的增大，会消耗过多的水资源量。根据笔者推测，这可能是数十年来汾河流域水资源波动变化且无明显增加或减少的主要原因。对于汾河流域而言，若气温变化不明显，则因降水原因而引起的水资源增加和蒸发所消耗的水资源减少几乎相当，不会引起水资源量的明显改变。