尼亚加拉河1951—2016年水文气象要素演变特征及其响应性

汪琳, 龚丽飞, 李杨, 舒章康, 李晨希, 贺瑞敏

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029;2.长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098; 3.水利部应对气候变化研究中心,江苏 南京 210029;4.南京瑞迪建设科技有限公司,江苏 南京 210029; 5.内蒙古自治区水资源与水权收储中心,内蒙古 呼和浩特 010020;6.水利部南京水利水文自动化研究所,江苏 南京 210012)

在全球气候变化和剧烈人类活动的双重影响下,流域的水文循环过程随之发生了变化[1],进而影响区域气温、降水和径流等要素的演变特征及区域水资源状况,甚至影响到国家中长期发展战略[2]。尼亚加拉河是世界第一大瀑布——尼亚加拉大瀑布的水源地,同时也是美国与加拿大水量较为丰富的河流之一,研究变化环境下区域水文气象要素演变特征及其响应性是应对气候变化与人类活动影响的重要基础工作,同时对于美、加两国合理、高效地进行水资源规划与管理等具有重要意义[3]。

近年来,学者们围绕变化环境下流域水文气象要素演变特征开展了一系列研究。DAI A等[4]研究发现,受气候变化和人类活动影响,1948—2004年间全球约四分之一的河流径流量呈显著下降趋势。张建云等[5]、王国庆等[6]、王乐扬等[7]结合Mann-Kendall检验法对近60年中国主要的江河径流演变及其变化特征进行了研究,结果表明,除长江大通站外,中国主要江河代表性水文站实测年径流量均呈下降趋势,人类活动是中国北方年径流量显著下降的主要原因。王国庆等[8]采用Mann-Kendall 方法和有序聚类方法,研究了岚河流域的水文气象要素演变规律及其阶段性变化特征,发现该流域的径流序列发生了明显突变,由于人类活动的影响,21世纪以来相同降水量条件下流域产流量明显减少。侯蕾等[9]探讨了永定河上游及主要支流的气温、降水、径流的演变特征,研究发现,20世纪80年代以前,流域径流的年内和年代变化与气温、降水的变化关联性较高,而80年代以后,其关联性较小;水利工程拦蓄及社会取用水等人类活动是径流变化的主要影响因素。汪琳等[10]和舒章康等[11]分别针对不同流域水文极值演变特征和径流极值变化成因进行了分析,结果表明,气候变化和人类活动破坏了流域水文极值的一致性。鲍振鑫等[12]对比了多种方法在水文关键要素非一致性检验中的应用,发现Mann-Kendall方法和有序聚类方法对于序列的趋势性和突变性检验有着较好的诊断效果。桑燕芳等[13]系统总结了小波分析方法在水文学各领域的研究应用现状,得出小波分析法在水文序列的周期性判别中是一种有效的工具。

尼亚加拉河是美国和加拿大重要的水资源区,地处北美洲的五大湖区,一些学者对该湖区进行了相关研究。MCBEAN E等[14]采用回归分析法和Mann-Kendall统计法分析了北美五大湖地区降水、气温和径流的历史趋势,结果表明,1930—2000年尼亚加拉河的流量和降水呈现显著增加趋势。FU W等[15]采用偏最小二乘回归方法来确定北美五大湖区冬季降水与气候变化的联系,研究发现,以厄尔尼诺气候因子为代表的全球气候变化对湖区降水量的影响十分明显。HUNTER T S等[16]基于GLM-HMD-I时间序列评估了历史年五大湖区湖上降水、蒸发、径流和年平均气温,发现从20世纪90年代末开始,湖上的蒸发量突然增加且相对持续高于平均蒸发水平,且升温期的持续时间和强度尤其明显,全球气候变化对湖区水循环过程的影响较大。

对于尼亚加拉河的水文要素演变特征变化方面,国内外研究相对较少,因此,深入研究尼亚加拉河流域水文气象要素的阶段性变化特征及其年内分配特征,分析不同阶段的降水-径流关系变化,对尼亚加拉流域水资源的设计与管理及可持续开发利用具有重要意义。

1 研究区域与数据来源

尼亚加拉河(Niagara River)位于北美洲的五大湖区。尼亚加拉河从伊利湖流注安大略湖,全长约56 km,为美国纽约州与加拿大安大略省的界河。其集水面积包括苏必略湖、密西根湖、休伦湖和伊利湖水系,总计约67.3万km2。河流全程水位落差约99 m,为北美水力资源较丰富的水道之一,流程约经一半即为世界第一大瀑布——尼加拉瀑布所在地[17]。尼亚加拉河流域概况如图1所示。

图1 尼亚加拉河流域概况图

降水数据为尼亚加拉流域1951—2016年的格点逐月降水量,数据来源于GPCC(Global Precipitation Climatology Centre)网站,分辨率为1.0°×1.0°。结合选取的皇后水文站以上的控制流域,通过网格平均法得到研究区域1951—2016年逐月面平均降水量。水文资料为尼亚加拉流域皇后站1951—2016年的逐日流量数据,数据来源为GRDC(Global Runoff Data Centre)网站。气温数据来自NOAA格点气温数据集(Gridded Climate Datasets:Surface Temperature),分辨率为0.5°×0.5°。采用网格平均法获得流域逐日平均气温。为便于分析尼亚加拉流域水文气象要素的季节性变化特征,设定研究区域的四季分别:3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月—次年2月为冬季。

2 研究方法

有序聚类法推估突变点的实质是寻求最优分割点,使得总离差平方和最小的分割点为最优二分割点,可认为是序列的突变点[19]。

小波功率谱的背景谱量度可以验证局部小波功率谱的峰值,因此可通过小波全局功率谱图研究时间序列的周期波动特征及波动强度[20]。

3 结果与讨论

3.1 水文气象要素年尺度演变特征

3.1.1 气温要素时空演变特征

尼亚加拉河流域1951—2016年的气温要素演变特征如图2所示。

在置信水平为0.05的情况下,尼亚加拉河流域的年平均气温序列的M-K趋势检验统计量|Z|=3.17>1.96,变化倾向率为1.91 ℃/(10年),表明尼亚加拉河在1951—2016年间,气温总体呈现显著上升趋势。年平均气温的5年滑动平均线表明,流域年平均气温自20世纪60年代开始下降,自20世纪70年代开始上升,21世纪初气温升高速度加快,流域进入高温期,这与流域年平均气温序列的突变点出现在1997年相吻合(图2(b)),即1997年之后,流域气温增高趋势明显。尼亚加拉河流域1951—2016年的多年平均气温为6 ℃,气温空间分布差异较大(图2(c)),整体呈现南高北低的特点,流域南部地区多年平均气温较高,低温地区主要分布在流域北部地区。流域年平均气温周期性如图2(d)所示,左图为序列连续小波变换图,黑色锥形内为波谱有效阈值,黑色粗实线包围的区域表示时间尺度通过0.05显著性水平的红噪声标准谱检验[21],对应右图显著性检验的红色虚线内的小波方差峰值。因此,尼亚加拉河年平均气温序列在1985—2000年间存在2～4年的显著性周期。

图2 尼亚加拉河流域气温要素演变特征

3.1.2 降水要素时空演变特征

尼亚加拉河流域1951—2016年的降水要素演变特征如图3所示。

图3 尼亚加拉河流域降水要素演变特征

尼亚加拉河流域1951—2016年的多年平均降水量为848.1 mm,流域年降水量年代际变化幅度较大,年降水量范围为667～1 012 mm。综合年平均降水量序列的M-K检验统计量|Z|=1.28<1.96,变化倾向率为6.5 mm/(10年),表明尼亚加拉河流域在1951—2016年的降水量总体呈现不显著增加趋势。年平均降水量的5年滑动平均线表明,尼亚加拉河流域降水量自20世纪50年代开始一直呈下降趋势,从20世纪60年代起呈增加趋势,21世纪以来降水量增加趋势愈发显著。由图3(b)可知,流域内降水空间分布不均匀，流域下游东部地区和北部地区降水丰沛,西部地区降水匮乏。由图3(c)可知，尼亚加拉河流域年平均降水量的突变点出现在1964年,1964年之后降水量呈现增加的态势。流域年平均降水量序列的小波方差在4～6年的时间尺度上出现峰值,但并未通过显著性检验(图3(d)),因此，尼亚加拉河流域的年平均降水量序列存在4～6年的不显著周期。

3.1.3 径流要素演变特征

尼亚加拉河流域1951—2016年的径流要素演变特征如图4所示。

图4 尼亚加拉河流域径流深要素演变特征

由图4(a)可知，尼亚加拉河流域的多年平均径流深为274.8 mm,年平均径流深序列的线性倾向率为0.65mm/(10年)。尼亚加拉河流域年平均径流深序列的M-K检验统计量为|Z|=0.14<1.96,表明年平均径流深呈现不显著增加的变化趋势。年平均径流深序列的5年滑动平均过程线表明,流域径流深变化过程具有明显的阶段性：20世纪50年代至60年代中期，呈现下降趋势；20世纪60年代中期到21世纪初，呈现上升趋势；21世纪，开始呈现下降趋势。结合流域年平均径流深序列的有序聚类突变检验结果(图4(b))发现,流域年平均径流深经历了3个时期的变化：1951—1967年，径流减小期；1967—1998年，径流增加期；1998—2016年，径流减小期。流域年平均径流深序列的小波功率谱图(图4(c))表明,流域年平均径流深序列在1961—1975年存在5～7年的不显著周期,在1980—2000年间存在3～6年的不显著周期。

3.2 水文气象要素季尺度演变特征

尼亚加拉河流域季尺度的水文气象要素的变化特征见表1。由表1可知,尼亚加拉河流域四季气温均呈现升高趋势,秋季、冬季表现出不显著增加趋势;四季降水均呈现不显著增加趋势。综合来看,由于尼亚加拉河流域年均径流深变化具有明显的阶段性,各个阶段的变化差异较大。而其中春、夏和秋季径流趋势不明显,不同检验方法对其趋势性的辨识度较差,故导致对应序列的倾向率变化和M-K检验法的结论不一致;尼亚加拉河流域冬季径流深序列呈现不显著的增加趋势。

表1 尼亚加拉河流域水文气象要素季尺度变化特征

为了更加清晰地分析流域季节径流深的变化趋势,绘制了尼亚加拉河四季径流深的变化过程,如图5所示。由图5可知,尼亚加拉河流域季节径流深变化总体上与年尺度变化保持一致,具有明显的阶段性,四季径流深在1951—2016年间经历了减小—增加—减小的变化过程,春季、夏季的平均径流深高于秋季、冬季的平均径流深。综合来看,尼亚加拉河流域四季径流深呈现不显著的变化趋势。

图5 尼亚加拉河流域径流深要素季节变化特征

3.3 不同阶段降水-径流响应关系

尼亚加拉河流域年平均降水量自1964年之后呈现增加趋势,相应地,流域年径流深自1967年之后呈现增加趋势。流域降水量自1998年开始仍然保持增加趋势而径流深却呈现减小趋势,表明尼亚加拉河流域的径流深变化受其它非降水因素的影响十分明显,除了与全球变暖导致的流域气温进一步增高有关之外,也与愈发严重的人类活动影响有关。

尼亚加拉河流域的降水、径流深、气温年内分配特征如图6所示。由图6可知,尼亚加拉河流域降水年内分配不均匀,主要集中在5—10月,占全年降水量的59%左右;月均最大降水量与月均最小降水量之差可达45.9 mm。同时,流域四季气温变化分明,5—10月的气温也是全年气温最高的时段,均高于流域多年平均气温；7月气温最高,为19.5 ℃；1月气温最低,为-8.9 ℃；秋季之后气温逐渐下降。从流域水文气象要素年内分配特征来看,流域内径流深变化与降水量变化并不是同步的,例如9月份流域降水最为丰沛,气温较高,径流深很小,说明流域丰水期的径流深可能受其他非降水因素的影响。另外,此时期气温较高,相对应的蒸发量较大,由于全球变暖趋势的增加,尼亚加拉河流域的气温呈现显著增加趋势,同时,尼亚加拉河流域由于水量丰富进行了大规模开发,以水库和调水工程为代表的人类活动对流域的径流深也有一定影响。

图6 尼亚加拉河流域水文气象要素年内分配特征

由于气候变化和人类活动等因素对径流的影响较大,根据尼亚加拉河流域径流深时间系列的突变点诊断结果,将实测径流深序列分为3个阶段:第Ⅰ阶段为基准期,即1951—1967年;第Ⅱ阶段，1968—1998年;第Ⅲ阶段，1999—2016年。尼亚加拉河流域不同阶段的气温(T)、降水量(P)、径流深(R)和径流系数(R/P)及其与基准期(第Ⅰ阶段)的相对变化情况见表2。

表2 尼亚加拉河流域阶段性水文气象要素变化特征

由表2可知,不同阶段的气温、降水、径流要素差异较大。第Ⅰ、Ⅱ阶段的平均气温分别为5.7、5.8 ℃,均小于多年平均气温；第 Ⅲ 阶段的平均气温不仅超过了多年平均气温,而且较基准期的增加了12.78%。基准期的平均降水量小于流域多年平均降水量848.1 mm；第Ⅱ阶段的降水最为丰沛,为860.5 mm；第Ⅲ阶段降水量较基准期增加了4.95%。与降水相对应的是：第Ⅱ阶段的径流深最大,为292.7 mm；第Ⅲ阶段的径流深次之,均较基准期的有所增加。天然时期的径流系数为0.31,第Ⅱ阶段径流系数较基准期的增加了8.69%,而第Ⅲ阶段的径流系数较基准期的减少了1.81%。在第Ⅲ阶段的降水量和径流深均较基准期增加的情况下，径流系数却有所减小,表明尼亚加拉河流域的水文循环过程受其他非降水因素的影响较大。

尼亚加拉河流域的降水-径流关系具有明显的阶段性变化(图7):随着降水量的增加,第Ⅰ阶段的径流深随之增加;第Ⅱ阶段的径流深随着降水量的增加而减小,表明气候变化和人类活动影响的加剧,破坏了降水-径流关系的一致性;第Ⅲ阶段的流域径流深随着降水量的增加呈现微弱增加趋势。除此之外,第Ⅱ阶段的点群位置明显靠上,这一阶段流域进入了丰水期,水量充足,表明此阶段流域径流深减小的主要原因是受其他非降水因素的影响。

图7 尼亚加拉河流域降水-径流阶段性变化特征

4 结论

通过对尼亚加拉河流域的降水、气温、径流深要素进行趋势、突变、周期性分析,对不同阶段的降水-径流关系的探讨,得出以下结论:

1)尼亚加拉河流域的气温自1997年之后以1.91 ℃/(10年)的倾向率呈显著增加趋势,春季和夏季表现出显著增加趋势,年均气温序列在1985—2000年间具有2～4年的周期性。流域气温空间分布的差异较大,整体呈现南高北低的特点。年均降水量和季节性降水量从1964年之后表现出不显著增加趋势,流域降水量序列具有2～6年的不显著周期性。同时,流域降水量空间分布不均匀,表现出西高东低的特点。流域径流深序列具有明显的阶段性和3～7年的不显著周期性变化特征。

2)尼亚加拉河流域径流的阶段性变化特征明显,变异年份为1967年、1998年。1951—1967年为径流减少期,1967—1998年为径流增加期,1999—2016年为径流减少期。就降水、径流的年内分配情况来看,流域5—10月降水充足,但是对应的径流深却较小,表明尼亚加拉河流域的径流受其他非降水因素的影响明显。

3)尼亚加拉河流域不同阶段的降水-径流关系存在差异性,阶段性变化关系明显,第Ⅱ阶段(1951—1967年)的径流深随着降水量的增加明显减小,表明此阶段流域径流主要受其他非降水因素的影响。尼亚加拉河流域径流变化的定量归因识别是未来的重要研究方向。