基于水量平衡的长江上游地区气象水文要素时空变化特征分析

刘玉婷，许继军，姚立强，田 甜，袁 喆

(1.长江科学院 水资源综合利用研究所，武汉 430010; 2.华中农业大学 经济管理学院，武汉 430070)

1 研究背景

随着全球气候变暖，水资源在时空分布上发生了显著变化，同时加剧了降水、蒸发、径流和土壤蓄水变化量的水文循环过程[1]。近年来受人类活动和气候变化双重影响，长江上游的洪涝、干旱等极端气候事件明显增多[2]。研究长江上游地区水文气象要素时空变化特征，有助于了解变化环境下水资源演变规律，对水资源的可持续利用和旱涝灾害防御具有重要意义[3]。陈鲜艳等[4]利用50 a水文资料分析长江上游地区气候长期变化趋势，发现气温逐年上升，降水量具有年代际变化特征。刘波等[5]分析长江上游水汽含量、水汽收支变化特征，发现水汽输入总体呈微弱减少趋势，这表明长江上游蒸散发量对水文循环的作用呈逐年增加趋势。冶运涛等[6]利用降水资料，分析了不同历时连续降水的时空演变特征，研究气候变化和人类活动背景下的长江上游地区降水结构时空分布。Wu等[7]通过研究冰川和冻土的变化，揭示了气候改变对长江上游地区储水量的影响。

虽然对长江上游地区水文气象要素变化的研究较多，但从时间、空间2个层面对气温、降水、蒸散发和土壤蓄水变化量等水文气象要素变化特征的综合研究相对较少。鉴于此，本文在已有研究的基础上，采用水量平衡法、时间序列分析法等揭示长江上游地区1980—2019年长系列水平衡要素的时空演变特征，以期为该区水资源的综合管理提供可靠依据。

2 研究区概况

长江上游地区自青藏高原各拉丹东至湖北省宜昌段，全长4 500 km，总面积约100万km2，经度范围为90°E—105°E，纬度范围为25°N—36°N，包括金沙江石鼓以上(F01)、金沙江石鼓以下(F02)、岷沱江流域(F03)、嘉陵江流域(F04)、乌江流域(F05)和宜昌至宜宾段(F06)共6个水资源二级区，见图1。研究区自东向西海拔从265 m上升至6 492 m，其中海拔在>4 000 m、3 000～4 000 m和<1 000 m的区域面积分别占31%、12%和25%[8]。研究区横跨3个气候区，分别是高原气候区(干旱地区)，北亚热带地区(半湿润地区)和中亚热带地区(潮湿地区)。其中，青藏高原地区平均海拔4 000 m，大气干燥稀薄，年均气温 8～10 ℃ ，高原下游的大部分区域年均气温16～18 ℃。受暖湿海洋气流和西太平洋副热带高压影响，降水分布由东向西、由南向北依次减少，研究区域全年降水量在800～1 200 mm之间，具有时空分布不均匀的特点[9]。

图1 研究区概况Fig.1 Map of the upstream Yangtze River

3 资料与方法

3.1 数据来源

气象数据：1980—2015年的降水数据和气温数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)的基本气象要素月值数据集，空间分辨率为0.5°×0.5°。

DEM数据：DEM高程数据来源于资源与环境数据云平台(RESDC) (http:∥www.resdc.cn/)，空间分辨率为1 km。

3.2 研究方法

3.2.1 水量平衡分析

(1)降水量。逐月降水数据经投影转化、裁剪、重采样、逐日数据累加求和等得到5 km×5 km的逐月栅格数据。

(2)蒸散发量。蒸发量的估算方法和经验模型很多， 但目前用得较多的是Takahashi Koichiro所提出的陆面蒸发量经验模型[10]，该模型公式为

(1)

式中：p为月降水量(mm)；t为月平均气温(℃)，利用逐月气温，经过投影转化、裁剪和重采样，得到5 km×5 km的逐月气温数据；PEm为月陆地表面蒸发量(mm)。该公式在物理上考虑了影响蒸发的最主要因子(气温、降水)，并依据实际观测资料，在一些地区的地面蒸发量计算中得到了有效的应用。先前的研究表明，利用该公式计算出的蒸散发与实际蒸散发比较符合[11-13]。

(3)土壤蓄水变化量。流域土壤蓄水变化量用土壤水分亏缺来表示，为年降水量减去年地表蒸发量。将地形因素引起的地表径流量考虑在内，径流系数用来计算年有效降水量，用年有效降水量(年降水量与地表径流量之差)代替年降水量[14-15]。根据USDA-SCS法和经验值法，不同坡度s的径流系数α确定方法为:s∈(0°,5°],α为0；s∈(5°,10°],α为0.04；s∈(10°,15°],α为0.12；s∈(15°,20°],α为0.2；s∈(20°,25°],α为0.27；s>25°,α为0.35[16]。计算公式为

SD=P(1-α)-PE 。

(2)

式中：SD为土壤水分亏缺(mm)；P为年降水量(mm)，由月降水量累积而成；PE为年陆面蒸发量(mm)，由月陆面蒸发量累积而成。

3.2.2 趋势性分析及显著性检验

一元线性回归法以其简洁易操作的优势在水文气象分析中得到广泛应用。本研究用该方法分析了1980—2019年的降水、气温、蒸发和土壤蓄水变化量的时空变化趋势，计算公式为

式中：slope为斜率；Xi和Yi分别为自变量和因变量；n为时间序列的长度。一般而言，当slope> 0时，系列呈递增趋势；当slope< 0时，系列呈递减趋势。

采用F检验法对一元线性回归的结果进行α=0.05显著性水平检验，分析显著性水平的公式为

(4)

式中F是F检验的统计值。r值是判断F检验是否显著的标准：当r<0.05、slope>0时，表明自变量的变化趋势显著增加；当r<0.05、slope<0时，表明自变量的变化趋势显著减小；当r>0.05时，表明自变量的变化趋势不显著。

3.2.3 气象水文要素质心识别

通过分析各研究时段的气象水文要素分布质心，可以发现其空间变化趋势[17]。本文利用ArcGIS中质心转移分析功能得到降水、气温、蒸发和土壤蓄水变化量的面积加权质心变化，并对其进行空间格局分析。计算公式为：

(5)

(6)

式中：Xt和Yt分别是第t年水文气象要素分布质心的经纬度坐标；Xi和Yi分别为第i年水文气象要素分布质心的经纬度坐标；Cti为第t年第i个小区域内要素的面积；n是研究区内小区域的个数。

4 结果分析

4.1 气象水文要素空间分布

长江上游地区1980—2019年多年平均气温、降水量、蒸发量和土壤蓄水变化量的空间分布特征如图2所示。由图2可知，长江上游地区年均气温在-8.5～19.6 ℃之间，在空间上呈现由东南向西北逐渐降低的趋势。区域内年均降水量和蒸发量总体由东南向西北逐渐减少，年均降水量为880 mm，年均蒸发量为392 mm。由于受到暖湿气流的影响，东部地区年均降水量普遍在1 400 mm左右，年均蒸发量为600 mm，部分地区达到了740 mm；西部为干旱地区，暖湿气流由于海拔高和山脉阻挡无法到达，当海拔升高到6 000 m时，年均降水量只有400 mm，同时，年均蒸发量低于100 mm。年均土壤蓄水变化量最高值出现在四川、重庆等地区，最低值出现在青海、甘肃等部分地区，呈现出极强的空间异质性。

图2 年均气温、年均降水量、年均蒸发量和年均土壤蓄水变化量空间分布Fig.2 Spatial distribution of average annual temperature, average annual precipitation, average annual evaporation, and average annual soil water storage variation

在垂直变化上，年均气温、年均降水量和年均蒸发量均随高程的增加逐渐降低，但各气象水文要素对高程的敏感性存在一定差异(见图3)。具体而言，气温随着高程的增加而降低，从近似的统计关系来看，高程每上升100 m，气温下降0.45 ℃；以4 000 m为分界点，随着高程的增加，降水量对高程变化的敏感度从-0.076(高程≤4 000 m时)增加到-0.271(高程>4 000 m时)，而蒸发量对高程变化的敏感度由-0.121(高程≤4 000 m时)减少到-0.060(高程>4 000 m时)。根据土壤蓄水变化量的计算公式以及降水量和蒸发量的变化特征，表明高程<4 000 m的地区，土壤蓄水变化量随着高程的增加而增加，在高程>4 000 m的地方，土壤蓄水变化量随着高程的增加而减少，图3(d)印证了这一推论。

图3 气温、降水量、蒸发量、土壤蓄水变化量与高程的关系Fig.3 Relations of temperature, precipitation, evapo-ration, and soil water storage variation against elevation

年均气温、降水量、蒸发量、土壤蓄水变化量与经纬度的变化也有一定的相关性。随着经度的增加，年均气温、降水量、蒸发量和土壤蓄水变化量总体上都呈现上升的趋势，其中，土壤蓄水变化量随经度增加振荡的幅度最大(见图4)。在纬度方向上，以32°N为分界线，年均降水量和土壤蓄水变化量的变化出现了显著的不同，在纬度<32°N的地区，随着纬度的增加，年均降水量和土壤蓄水变化量的变化幅度都不大，呈现缓慢增加的趋势；但是在纬度>32°N的地区，随着纬度的增加，年均降水量和土壤蓄水变化量明显减小。年均气温和蒸发量分界线出现在纬度为31°N的地区，在31°N纬度线以北的地区，气温下降程度显著增加；而蒸发量在31°N纬度线以南的地区，随着纬度的增加而略微增加，在31°N纬度线以北的地区，随着纬度的增加而减小。

图4 气温、降水量、蒸发量、土壤蓄水变化量与经纬度的关系Fig.4 Relations of temperature, precipitation,evaporation, and soil water storage variation against longitude and latitude

4.2 气象水文要素时间演变规律

为深入探索研究区水循环规律，利用ArcGIS对1980—2019年水文气象要素进行逐像元线性拟合。图5为水文气象要素变化趋势。

图5 气温、降水量、蒸发量、土壤蓄水变化量变化趋势空间分布Fig.5 Spatial distribution of variation in temperature,precipitation, evaporation, and soil water storage variation

从图5可以看出，近40 a来长江上游地区整体气温增加，且都通过了α=0.05的显著性检验，表明气温增加较为显著。降水量增加的地区占研究区面积的51.66%，主要分布在西北部高原地带，呈显著增加的地区占研究区面积的9.48%，降水量减少的地区占研究区面积的48.34%，呈显著减少的占研究区面积的1.42%，这一规律与何其芳[18]对长江上游各地区年降水量变化趋势的研究结论总体一致。区域内绝大多数地区蒸发量呈增加趋势，增加的区域面积占比高达93.13%，显著增加的占研究区面积的51.66%，蒸发量减少的面积只有6.87%。土壤蓄水变化量增加的地区占研究区面积的39.81%，主要分布在西北部地区，土壤蓄水变化量减少的地区占研究区面积的60.19%，呈显著增加的地区占研究区面积的4.74%，呈显著减少的地区占研究区面积的4.03%。

由图6、表1可知：①1980—2019年长江上游地区的年均气温上升趋势明显，变化率为0.39 ℃/(10 a)；年均降水量变化幅度不大，最大值接近962 mm，最小值接近735 mm；年均蒸发量变化率为6.08 mm/(10 a)，呈显著增加趋势，并且通过了α=0.05的显著性水平；年均土壤蓄水变化量呈轻微的下降趋势，变化率为-6.14 mm/(10 a)，最小是2006年的291 mm，最大是1998年的514 mm，年代变化有明显的波动性；②金沙江石鼓以上气温和蒸发量呈增加趋势，变化率分别是0.37 ℃/(10 a)和5.48 mm/(10 a)，并达到了α=0.05的显著性水平；③金沙江石鼓以下气温、降水量、蒸发量和土壤蓄水变化量整体上都呈显著上升趋势，近40 a的变化率分别是0.53 ℃/(10 a)、20.73 mm/(10 a)、6.74 mm/(10 a)和13.30mm/(10 a)；④嘉陵江流域和岷沱江流域内的气温和蒸发量都有显著上升趋势；⑤乌江流域和宜昌至宜宾段的气温上升明显，变化率分别是0.30 ℃/(10 a)和0.31 ℃/(10 a)，两区域内降水量、蒸发量和土壤蓄水变化量变化趋势均未通过显著性检验。孙甲岚等[19]利用长江上游67个气象站点的逐日平均气温和降水数据，分析得出长江上游平均气温有明显上升趋势，降水稍有下降趋势。马倩等[20]的研究发现，长江上游储水量呈现减少趋势。本文分析结果与前人的研究结论在长江上游地区水文要素的变化趋势上一致。

图6 气温、降水量、蒸发量、土壤蓄水变化量年变化及线性趋势Fig.6 Annual variation and linear trend of temperature, precipitation, evaporation,and soil water storage variation

表1 水资源二级区线性趋势及显著性Table 1 Linear trend and significance of secondary water resources area

图7为水文气象要素质心年际变化曲线。由图7可知，1980—2019年长江上游地区气温质心经度减小、纬度增加，表明气温中心向西北方向偏移，并且经纬度的变化趋势都通过了α=0.05的显著性检验，即偏移程度很大；近40 a来降水质心逐渐向低经度、高纬度的地区转移，经度倾斜率为-0.06°/(10 a)(表2)，且达到了α=0.05的显著性水平，表明西移趋势明显；蒸发和土壤蓄水变化量质心迁移与降水质心的变化趋势基本一致，均是经度减小、纬度增大，即均呈现出向西北移动的态势，但变幅存在一定差异，蒸发质心经度、纬度变化的倾斜率分别为-0.04°/(10 a)、0.02°/(10 a)，且二者均通过了α=0.05的显著性检验，同时，土壤蓄水变化量经度变化趋势通过了α=0.05的显著性检验。这些结果说明从空间分布上来看，西北地区的气温、降水、蒸发和土壤蓄水变化量均有所增加。

图7 气温、降水量、蒸发量、土壤蓄水变化量质心年际变化Fig.7 Interannual change curves of the centroid of temperature, evaporation, precipitation, and soil water storage variation

表2 质心时间序列统计结果Table 2 Statistical results of centroid time series

5 结 论

(1)近40 a来，长江上游地区年均气温为7.4 ℃，年均降水量为880 mm，年均蒸发量为392 mm，年均土壤含水量为438 mm，年均气温、年均降水量和年均蒸发量的空间分布由东南向西北逐渐降低，年均土壤含水量存在着较大的空间异质性。

(2)1980—2019年长江上游地区气温上升的趋势较为明显，倾斜率为0.39 ℃/(10 a)；年均降水整体变化幅度不大，增加的区域主要在西北部高原地区；年蒸发量倾斜率为6.08 mm/(10 a)，并呈显著增加趋势，金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下、嘉陵江流域和岷沱江流域增加趋势明显；年均土壤蓄水变化量整体有略微下降，倾斜率为-6.14 mm/(10 a)。

(3)1980—2019年长江上游地区气温、蒸发质心向西北方向偏移程度很大，气温质心经度、纬度变化的倾斜率分别为-0.03°/(10 a)和0.01°/(10 a)，蒸发质心经度、纬度变化的倾斜率分别为-0.04°/(10 a)和0.02°/(10 a)；降水质心和土壤蓄水变化量质心的经度倾斜率分别为-0.06°/(10 a)和-0.1°/(10 a)，且达到了α=0.05的显著性水平，表明降水质心和土壤蓄水变化量质心西移趋势明显。

本研究仅是采用简单的水量平衡方程推算关键水循环要素的变化，未考虑土地利用类型、人类活动影响等对有效降水、蒸发、土壤水等方面的影响，后续可结合分布式水文模型，对长江上游地区水循环过程进行更为精细化的模拟。在充分认识流域水文、气象变化规律的基础上，深入研究流域水循环的变化趋势，从而更好地为长江上游水资源合理利用及调度提供科学依据和技术支持。