李凱 任卓鈺 王永強(qiáng) 許繼軍

摘要： 氣候變化和人類活動加劇改變了地球的水循環(huán)系統(tǒng)，因此，重新認(rèn)識和掌握流域水循環(huán)演變規(guī)律具有重要意義。利用極點(diǎn)對稱模態(tài)分解（ESMD）方法同時從趨勢、突變、周期3個方面對三江源徑流變化進(jìn)行分析，并與現(xiàn)有的檢測方法進(jìn)行對比。結(jié)果表明：① 黃河源地區(qū)由于降水增加趨勢不明顯，隨著氣溫升高， 蒸散量增大，導(dǎo)致年徑流呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢;長江源、瀾滄江源徑流由于降水和冰川融雪的增加，導(dǎo)致年徑流呈現(xiàn)顯著增強(qiáng)的趨勢。② 黃河源近61 a的徑流過程在1990～1994年、2008年左右發(fā)生明顯突變，長江源徑流過程在2006年左右發(fā)生顯著突變，瀾滄江源徑流過程在20世紀(jì)90年代和2008年左右發(fā)生突變。③ 黃河源近61 a徑流過程存在12～15 a和30 a的周期性變化;長江源近60 a徑流過程存在13～15 a的周期性變化;瀾滄江源近49 a徑流過程存在15～16 a和28 a的周期性變化，這些周期性變化主導(dǎo)著三江源年徑流變化特性。

關(guān) 鍵 詞： 徑流變化; 周期分析; 氣候變化; 極點(diǎn)對稱模態(tài)分解; 長江; 黃河; 瀾滄江

中圖法分類號： ?P333

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.013

0 引 言

近年來，隨著全球氣候發(fā)生顯著性變化和人類活動越來越強(qiáng)烈，地球的水循環(huán)系統(tǒng)正發(fā)生著不同程度的改變，重新認(rèn)識和掌握變化環(huán)境下的流域水循環(huán)演變規(guī)律具有重要意義。其中周期、趨勢和突變變化是水循環(huán)過程的重要變化特性之一，利用統(tǒng)計分析方法理解和認(rèn)識水文要素在不同時間尺度上的變化規(guī)律是變化環(huán)境下水循環(huán)演變研究的重要內(nèi)容。目前，國內(nèi)外學(xué)者使用的常規(guī)方法有：周期分析方法主要包括周期圖法、功率譜法、Morlet小波變換、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解等;趨勢分析方法主要包括滑動平均、Mann-Kendall檢驗、R/S分析等;突變分析方法主要包括Mann-Kendall突變檢驗、Pettitt突變檢驗、累積距平法、有序聚類法等。然而，上述方法均只能從單一的方面量化探討氣候變化對徑流變化過程的影響。而極點(diǎn)對稱模態(tài)分解（Extreme-point Symmetric Mode Decomposition，ESMD）方法能夠同時從趨勢、突變和周期方面對非平穩(wěn)、非線性的時間序列變化進(jìn)行分析[1]?，F(xiàn)階段，該方法已經(jīng)應(yīng)用于新疆溫度變化分析[2]、北京的降水序列變化分析[3]以及江西干旱周期分析[4]中。將該方法應(yīng)用于徑流序列分析時，徑流數(shù)據(jù)雖然具有較強(qiáng)的周期性，但在每半個周期上并不關(guān)于局部中點(diǎn)對稱，已有的ESMD方法不僅無法客觀代表數(shù)據(jù)的趨勢，反而會產(chǎn)生較大的誤差。姜鑠等[5]對ESMD方法進(jìn)行改進(jìn)，將不具備代表性的中點(diǎn)替換為能反映每半個周期數(shù)據(jù)情況的局部均值后，就可以用來對徑流時空演變規(guī)律進(jìn)行分析。

三江源區(qū)包括長江源、黃河源以及瀾滄江源，在整個中國以及亞洲東部的水資源保護(hù)、徑流調(diào)節(jié)以及物種多樣性的保護(hù)方面起著重要的作用。由于全球氣候變化加劇和人類活動的影響，三江源地區(qū)徑流演變過程可能因降水量增加、溫度升高、蒸散量減少等異?，F(xiàn)象而發(fā)生顯著變化[6]。張士峰等[7]從趨勢、突變分析三江源1965～2004年的徑流變化特征，發(fā)現(xiàn)徑流呈現(xiàn)減少的趨勢，并且在1994年發(fā)生突變。商放澤等[8]分析了1956～2012年三江源的徑流演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)長江源和瀾滄江源徑流呈現(xiàn)顯著上升的趨勢，黃河源徑流呈現(xiàn)下降的變化趨勢。劉希勝等[9]單獨(dú)研究黃河源2012年以前的徑流趨勢變化，結(jié)果表明黃河源的徑流在減少。朱海濤[10]研究長江源2012年以前的徑流演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)長江源的徑流呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，在1961，1967年受到氣候和人類活動的影響，徑流發(fā)生突變，此外徑流存在8 a和24～28 a的顯著周期。王珂等[11]對瀾滄江源1960～2010年的徑流變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)瀾滄江源地區(qū)年徑流并未呈現(xiàn)顯著性的變化趨勢。

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于三江源徑流演變規(guī)律的研究都是在2012年以前，而欠缺對近幾年三江源地區(qū)徑流演變的研究，此外尚未采用一種綜合的方法同時從趨勢、突變和周期方面分析三江源的徑流演變規(guī)律。因此，為更好認(rèn)識和掌握三江源地區(qū)的水文循環(huán)規(guī)律，分析三江源徑流時空演變規(guī)律，本文以三江源區(qū)直門達(dá)水文站1957～2016年（長江源）、唐乃亥水文站1956～2016年（黃河源）、昌都水文站1968～2016年（瀾滄江源）實(shí)測徑流序列為研究對象，利用ESMD方法同時從周期、趨勢、突變3個方面研究三江源地區(qū)的徑流時空演變規(guī)律，從而為徑流預(yù)報和水資源管理提供切實(shí)可靠的信息。

1 研究區(qū)域概況

三江源位于青海省的南部地區(qū)，地處青藏高原腹地（31.39°N～36.12°N，89.45°E～102.23°E），是長江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地，同時也是中國淡水資源的重要補(bǔ)給地。三江源流域面積31.26萬km2，其中長江源（直門達(dá)水文站以上）流域面積13.77萬km2，占三江源區(qū)總面積的44.0%;黃河源是指黃河流域唐乃亥水文站以上區(qū)域，流域面積12.2萬km2，占源區(qū)總面積的39.0%;瀾滄江流域是指昌都水文站以上的流域，流域面積5.29萬km2，占源區(qū)總面積的16.9%（見圖1）。三江源區(qū)屬于典型的高原大陸性氣候，年平均氣溫-5.6～3.8 ℃，年降水量變化較大，介于200～800 mm之間。三江源地區(qū)是中國典型的生態(tài)脆弱區(qū)域，對氣候變化和人類活動非常敏感。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究資料

本文徑流數(shù)據(jù)分別源于黃河源控制站唐乃亥水文站、長江源控制站直門達(dá)水文站以及瀾滄江源控制站昌都水文站;降水?dāng)?shù)據(jù)均來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，數(shù)據(jù)長度與徑流保持一致，每個流域的降水?dāng)?shù)據(jù)采用泰森多邊形法計算得流域面平均雨量。數(shù)據(jù)具體情況如表1所列。

2.2 研究方法

徑流是一種非線性、非平穩(wěn)的時間序列，其中包含多種周期成分、趨勢成分和跳躍成分。極點(diǎn)對稱模態(tài)分解方法可以有效地進(jìn)行多種頻率成分的提取及徑流序列變化特征分析，并利用ESMD模態(tài)分解的極點(diǎn)對稱插值法進(jìn)行時頻分析[12]。同時，選取線性趨勢回歸分析、M-K檢驗、累積量斜率變化比較方法[13]、Pettitt突變點(diǎn)檢驗以及Morlet小波變換、周期圖法作對比，綜合分析徑流序列趨勢變化、突變規(guī)律以及周期變化。

2.2.1 極點(diǎn)對稱模態(tài)分解

極點(diǎn)對稱模態(tài)分解方法是著名的希爾伯特-黃變換（包括EMD和希爾伯特譜分析）的新發(fā)展，該方法保留了EMD方法的優(yōu)點(diǎn)的同時，將EMD方法的外包線插值改為內(nèi)部極點(diǎn)對稱插值，降低了由插值帶來的不確定性;通過ESMD方法的頻率分布圖，可以清晰地反映各模態(tài)的頻率分布情況，解決了EMD方法“模態(tài)混疊”的問題。目前，ESMD方法已成功應(yīng)用在生命科學(xué)、機(jī)械工程、地震學(xué)和氣候等領(lǐng)域[12]。

2.2.2 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall可以診斷徑流序列趨勢和突變點(diǎn)[14]，順序結(jié)構(gòu)為

UFk=? Sk-E（Sk）?? Var（Sk）?? （1）

根據(jù)時間序列Xn，Xn-1，…，X1的逆序排列，得到：

UBk=-UFk′k′=m+1-k?? （2）

式中：k′，k=2，3，4，…，n;Sk為用時間序列構(gòu)造的統(tǒng)計量;E（Sk）為Sk的數(shù)學(xué)期望;Var（Sk）為Sk的方差;UBk和UFk為一條隨k變化的曲線;m為xi>xj的累積數(shù)。

繪制UBk和UFk曲線，置信水平α=0.05，在置信區(qū)間中 Uα/2，當(dāng)|UFk|< Uα/2時，即認(rèn)為趨勢不顯著，反之，趨勢顯著。如果兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，則這些交點(diǎn)就是徑流序列突變點(diǎn)。

2.2.3 Morlet小波分析

在時域中對小波系數(shù)的平方值進(jìn)行積分以獲得小波方差[15]：

Var（a）=∫+SymboleB@-SymboleB@ Wf（a，b） 2db （3）

式中：a為時間，年;Var（a）為小波方差;Wf（a，b）為小波變換系數(shù);b為平移參數(shù)。

信號波動能量隨著尺度a的分布式變化稱為小波方差圖，它可以直接反映徑流時間序列在不同時標(biāo)上的周期性變化的強(qiáng)度，從而確定主要時間尺度，即主要周期。

2.2.4 誤差診斷

識別水文要素演變規(guī)律的方法眾多，且各自方法原理不同，不同方法自身具有局限性，在具體應(yīng)用時往往存在分析能力和分析結(jié)果上的差異。為了獲得準(zhǔn)確的識別結(jié)果，設(shè)置誤差范圍，計算不同方法間診斷誤差的允許范圍。具體公式如下：

δ= k X（T）? （4）

β=? x（i）-x（j）? X（T）? （5）

式中：k為誤差指數(shù);X（T）為水文時間系列總長度;δ為診斷誤差范圍;x（i），x（j）為不同方法的識別結(jié)果;β為診斷誤差，當(dāng)β<δ時，則認(rèn)為在該點(diǎn)處診斷結(jié)果是有效的。

3 結(jié)果與討論

3.1 趨勢分析

在ESMD方法中，通過判斷自適應(yīng)全局均線（AGM）的變化趨勢來反映出徑流總體的變化趨勢。由圖2可知：黃河源61 a徑流呈現(xiàn)不顯著下降趨勢;長江源60 a徑流變化呈現(xiàn)顯著上升的趨勢;瀾滄江源49 a徑流呈現(xiàn)顯著上升趨勢;這些變化趨勢在20世紀(jì)90年代以后表現(xiàn)尤為明顯。ESMD的結(jié)果與線性回歸趨勢分析、M-K檢驗結(jié)果保持一致（見表2）。從線性回歸趨勢分析結(jié)果可以看出：黃河源區(qū)流量以每年1.05 m3/s的速率在減小，而長江源徑流、瀾滄江源流量分別以每年1.26 m3/s和3.55 m3/s的速率顯著升高（見圖3）。

分析導(dǎo)致三江源地區(qū)徑流變化的原因，黃河源地處人口稀少的高海拔地區(qū)，人類活動對于該地區(qū)的徑流的影響相對較小，導(dǎo)致徑流減少的原因更多取決于氣候變化。黃河源的徑流補(bǔ)給來源主要是降水和冰雪凍土融水，而黃河源區(qū)的降水與徑流的相關(guān)系數(shù)較大，降水的豐枯年與徑流的豐枯年相對應(yīng)，如圖3（a）所示，這也說明黃河源降水是徑流變化的主導(dǎo)因子。分析黃河源地區(qū)降水徑流變化情況可知，黃河源的年降水量呈不顯著上升趨勢，增幅0.38 mm/a，徑流卻呈現(xiàn)出減少的趨勢。根據(jù)已有的研究表明：三江源地區(qū)氣溫增幅在0.35? ℃/a[16]，氣溫升高導(dǎo)致黃河源地區(qū)蒸散發(fā)量增大，在20世紀(jì)90年代以后黃河源蒸散發(fā)以5.3 mm/a的趨勢上升，其上升趨勢遠(yuǎn)大于降雨的上升趨勢，而20世紀(jì)90年代以后降雨類型主要以小雨為主，并且降水歷時短，蒸散量增大導(dǎo)致流域的產(chǎn)流能力下降。利用累積量斜率變化比較法分析出20世紀(jì)90年代以后降水對于徑流減少的貢獻(xiàn)率僅占11.17%，其他因素導(dǎo)致徑流減少的貢獻(xiàn)占88.83%。

長江源區(qū)徑流呈現(xiàn)顯著上升趨勢，一方面是長江源區(qū)降水與徑流有較好的相關(guān)性，降水有明顯的上升趨勢，線性趨勢增幅達(dá)0.84 mm/a，降水增多直接導(dǎo)致徑流也相應(yīng)增加，如圖3（b）所示。而另一方面是因為長江源地區(qū)氣溫增幅顯著，氣溫增加的同時導(dǎo)致冰川融水過程增強(qiáng)。根據(jù)已有研究表明：長江源地區(qū)冰川區(qū)產(chǎn)流量以每10 a 1.26×106 m3的速度增加，導(dǎo)致徑流呈現(xiàn)顯著上升趨勢[17]。通過累積量斜率變化比較法定量分析20世紀(jì)90年代以后導(dǎo)致徑流顯著增加的因素，發(fā)現(xiàn)降水占主導(dǎo)地位，其貢獻(xiàn)率為98.31%，其他因素占1.69%。

瀾滄江源受到人類活動的影響較小，導(dǎo)致徑流顯著上升的主要影響因素是降水和氣溫。瀾滄江源地區(qū)降水有明顯的上升趨勢，增幅達(dá)2.11 mm/a，并且降水與徑流的分配規(guī)律保持一致，在降水豐沛的年份，流域徑流也大，降水少的月份同期徑流也較少，如圖3（c）所示。在該地區(qū)氣溫影響徑流主要表現(xiàn)在：氣溫升高引起冰川和積雪消融，導(dǎo)致河道徑流增加。利用累積量斜率變化比較法定量的分析20世紀(jì)90年代以后導(dǎo)致徑流顯著增加的因素，發(fā)現(xiàn)降水占主導(dǎo)作用，其貢獻(xiàn)率為95.34%，其他因素占4.66%。

3.2 突變分析

在ESMD方法中，利用直線插值法得到各模態(tài)分量的頻率與振幅時變圖。該圖直觀地體現(xiàn)了徑流序列分解得到的各模態(tài)分量振幅與頻率的時變性，根據(jù)圖中低頻、大振幅或高頻、小振幅振蕩的時刻，表明分解得到的模態(tài)分量中存在異常時段與頻段，從而判斷此刻徑流序列發(fā)生突變。利用ESMD方法診斷黃河源、長江源和瀾滄江源多年徑流的突變位置（見圖4～6），并將結(jié)果與M-K突變檢驗、Pettitt法檢驗結(jié)果相比較（見圖7、表3）

將ESMD方法應(yīng)用于黃河源61 a徑流過程中得到3個高頻、小振幅的時刻，分別是1961，1983，2008年，1個低頻高振幅點(diǎn)1992年，說明黃河源徑流序列在這些位置發(fā)生了突變（見圖4）。利用公式（4）、（5）將ESMD與M-K、Pettitt法檢驗的結(jié)果相結(jié)合，確定黃河源徑流序列在1990～1994年以及2008年左右發(fā)生突變。徑流第一次突變的原因是20世紀(jì)90年代黃河源地區(qū)蒸散發(fā)量顯著增強(qiáng)，同時該地區(qū)降水減少，導(dǎo)致徑流量顯著減少。第二次突變是由于中國在2005年開始實(shí)施三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程，三江源地區(qū)植被情況得到明顯好轉(zhuǎn)，并且與工程修復(fù)前相比，唐乃亥站年徑流量增加了36.9億m3。

利用同樣的方法判斷長江源徑流序列的突變位置，ESMD方法得到2個高頻、小振幅的位置，分別是1983，2006年（見圖5）。通過M-K檢驗判斷長江源徑流序列并無明顯的突變位置，而Pettitt法同樣檢驗出長江源徑流序列在2006前后發(fā)生突變。3種方法綜合確定長江源徑流序列在2006年左右發(fā)生突變，分析發(fā)現(xiàn)：1957～2016年平均流量增加了39.53 m3/s。進(jìn)一步分析長江源地區(qū)徑流在2006年以后顯著性增強(qiáng)的原因：一方面是實(shí)施三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程[18]，另一方面是該地區(qū)降水的增加。

同理，判斷瀾滄江源49 a徑流序列發(fā)生突變的位置，ESMD方法得到3個高頻、低振幅的位置，1個大振幅、低頻點(diǎn)，分別是1995，1997，2008年和1991年（見圖6）。通過對比其他兩種方法，發(fā)現(xiàn)在20世紀(jì)90年代以及2008年左右瀾滄江源徑流序列可能發(fā)生突變。從圖3（c）中可以看出，在20世紀(jì)90年代后，瀾滄江源徑流減少趨勢顯著，1980～1989年多年平均徑流量為959.23 m3/s，而1990～1999年多年平均徑流量為889.59 m3/s，降低7.25%左右。已有的研究表明：20世紀(jì)90年代降水量減少、溫度升高是直接導(dǎo)致瀾滄江源地區(qū)徑流發(fā)生突變的原因[11]。瀾滄江源同黃河源一樣在2008年左右徑流序列也發(fā)生突變，導(dǎo)致這次突變的原因同樣是2005年開始實(shí)施的三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程[19]。

3.3 周期分析

ESMD分解得到不同頻率模態(tài)分量，再利用快速傅里葉變換（FFT）計算徑流序列各個模態(tài)對應(yīng)的功率譜，根據(jù)幅值的大小獲得徑流信號的頻率，從而計算出各模態(tài)分量的平均周期。不同周期性變化的識別方法都存在一定的誤差，為避免單一方法造成的識別誤差，將EMSD結(jié)果與Morlet小波分析、周期圖結(jié)果對比。利用 ESMD方法將黃河源、長江源、瀾滄江源多年徑流序列進(jìn)行多時間尺度分解，將非平穩(wěn)的徑流序列轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)的各模態(tài)分量，再利用FFT周期圖法分別計算年徑流序列分解得到的各模態(tài)分量的平均周期。

利用ESMD分析得到黃河源區(qū)61 a徑流序列具有7，15 a和30 a左右的周期性變化，通過與Morlet小波分析（見圖8（a）、圖9（a））、周期圖結(jié)果對比（見表4），確定黃河源徑流序列存在12～15，30 a左右的周期振蕩（見表4），其中12～15 a左右的周期振蕩最為明顯，在這個周期段內(nèi)，黃河源徑流發(fā)生16次豐枯交替，通過豐枯交替可以判斷出2016以后的一段時間內(nèi)黃河源的徑流是偏枯的。而在30 a的時間尺度下，黃河源徑流序列經(jīng)歷了“豐-枯-豐-枯-豐”5次豐枯交替變化，同樣可以判斷在未來一段時間內(nèi)黃河源徑流是偏枯的。

同理，利用ESMD方法分析得到長江源60 a徑流序列具有8，15，30 a周期變化，其中30 a的周期變化包含在15 a的周期變化里面;周期圖法說明該徑流序列存在8，15 a的周期性變化。通過Morlet小波分析（見圖8（b）、圖9（b））長江源存在13 a的周期性變化。通過公式（4）、（5）結(jié)合3種方法分析結(jié)果，確定長江源徑流序列存在13～15 a的顯著周期性變化，在這個周期尺度內(nèi)徑流經(jīng)歷了14次的豐枯交替變化，并且可以判斷在2016年以后的一段時間內(nèi)，長江源地區(qū)徑流量會有增加的趨勢，這與長江源地區(qū)的徑流趨勢分析結(jié)果保持一致。

將ESMD方法結(jié)合Morlet小波分析、周期圖法判斷瀾滄江源49 a徑流序列的周期性變化。ESMD方法檢測出徑流序列具有15，8 a的周期性變化，Morlet小波分析得到瀾滄江源徑流序列具有16，28 a的周期性變化（見圖8（c）、圖9（c）），其中以28 a左右的周期性變化最為強(qiáng)烈;周期圖法分析得到瀾滄江源徑流序列具有16，24 a的周期性變化。通過公式（4）、（5）結(jié)合3種方法的分析結(jié)果可知，瀾滄江源徑流存在15～16 a左右的不顯著周期變化和28 a左右的顯著性周期性變化。從圖8（c）可以看出，15～16 a這個周期尺度變化并不顯著，而在28 a左右顯著性周期尺度內(nèi)徑流經(jīng)歷了6次豐枯交替，最近的一次豐枯交替是發(fā)生在2015年前后，徑流由枯轉(zhuǎn)豐，并且在未來的一段時間內(nèi)，瀾滄江源徑流將仍然保持偏豐狀態(tài)，這與趨勢分析結(jié)果保持一致。

4 討 論

（1） ESMD方法綜合實(shí)現(xiàn)了Morlet小波變換對時間序列的周期分析、M-K趨勢檢驗對時間序列趨勢分析和M-K突變檢驗對時間序列突變分析的功能。同時，ESMD與Morlet小波變換相比，具有更高的周期分辨率，與M-K趨勢檢驗驗相比，可以精細(xì)地刻畫徑流的具體變化過程，與M-K突變檢驗相比，避免了得到較多虛假的突變年份，為徑流時空演化規(guī)律的分析開辟了新思路。

（2） 黃河源區(qū)多年徑流下降趨勢不顯著，而在20世紀(jì)90年代以后下降趨勢變得尤為顯著，通過對黃河源區(qū)降水、氣溫、蒸散發(fā)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致徑流減少原因主要是因為降水的增加趨勢不明顯，而氣候變暖引起黃河源地區(qū)溫度升高，蒸散發(fā)量顯著上升，導(dǎo)致降雨產(chǎn)流能力下降，使得黃河徑流出現(xiàn)下降的趨勢。同樣地，長江源和瀾滄江源地區(qū)溫度升高，蒸散發(fā)量有明顯的增強(qiáng)，但由于長江源、瀾滄江源地區(qū)的降水上升趨勢比較明顯，所以20世紀(jì)90年代以后的徑流不僅沒有下降趨勢，反而有明顯的上升趨勢。定量分析導(dǎo)致三江源地區(qū)徑流變化因素可知，降水是導(dǎo)致長江源和瀾滄江源徑流增加的主要原因，貢獻(xiàn)率高達(dá)90%以上，在黃河源區(qū)，降水不是導(dǎo)致徑流減少的主要因素，降水對徑流減少的貢獻(xiàn)率僅占11.17%，其他因素占88.83%。

（3） 三江源徑流過程在20世紀(jì)90年代以后和2005年以后發(fā)生兩次明顯的突變，第一次突變可能是20世紀(jì)90年代以后降水顯著減少，導(dǎo)致三江源地區(qū)徑流普遍減少。第二次發(fā)生明顯的突變可能是2005年開始實(shí)施的三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程，三江源地區(qū)植被覆蓋率明顯提高、湖泊水域和濕地明顯增加，河道的徑流有顯著提高。

（4） 本文在分析三江源徑流演變規(guī)律時，缺少對2016年以后的徑流資料的分析。在探討三江源徑流變化原因時，沒有考慮到凍土退化對于徑流的影響，這些問題還需要進(jìn)一步開展研究。

5 結(jié) 論

利用ESMD方法從趨勢、突變、周期3個方面，全方位地研究徑流序列的時空演化規(guī)律。并采用M-K檢驗和Pettitt檢驗、Morlet小波變化和周期圖法等方法對比分析，得到如下結(jié)論：

（1） 黃河源年徑流呈現(xiàn)逐年不顯著的下降趨勢，長江源、瀾滄江源年徑流呈現(xiàn)顯著上升趨勢。

（2） 黃河源年徑流在1990～1994年以及2008年左右發(fā)生突變;長江源年徑流過程2006年左右發(fā)生突變;瀾滄江源年徑流過程在20世紀(jì)90年代以及2008年左右可能發(fā)生突變。

（3） 黃河源徑流序列存在12～15 a和30 a的周期性變化;長江源逐年徑流序列存在13～15 a的周期性變化;瀾滄江源多年徑流序列存在15～16 a與28 a的周期性變化。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?王金良，李宗軍.可用于氣候數(shù)據(jù)分析的ESMD方法[J].氣候變化研究快報，2014（3）：1-5.

[2] 趙直，徐晗.極點(diǎn)對稱模態(tài)分解下中國新疆溫度變化趨勢的區(qū)域特征[J].地理研究，2014，33（12）：2358-2366.

[3] 段志鵬，李繼清.基于極點(diǎn)對稱模態(tài)分解的北京市降水特征分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2018（3）：17-21.

[4] LIN Q，WU Z，SINGH V P，et al.Correlation between hydrological drought，climatic factors，reservoir operation，and vegetation cover in the Xijiang Basin，South China[J].Journal of Hydrology，2017，549：512-524.

[5] 姜鑠，王金良.關(guān)于非對稱數(shù)據(jù)的ESMD改進(jìn)算法[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)進(jìn)展，2018，7（12）：1500-1505.

[6] 易湘生，尹衍雨，李國勝，等.青海三江源地區(qū)近50年來的氣溫變化[J].地理學(xué)報，2011，66（11）：1451-1465.

[7] 張士鋒，華東，孟秀敬，等.三江源氣候變化及其對徑流的驅(qū)動分析[J].地理學(xué)報，2011，66（1）：13-24.

[8] 商放澤，王可昳，黃躍飛，等.基于BUDYKO假設(shè)的三江源徑流變化特性及量化分離[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，48（2）：305-316.

[9] 劉希勝，李其江，段水強(qiáng)，等.黃河源徑流演變特征及其對降水的響應(yīng)[J].中國沙漠，2016，36（6）：1721-1730.

[10] ?朱海濤.長江源區(qū)長序列徑流變化規(guī)律及其與氣象要素的關(guān)系分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2019，35（22）：123-129.

[11] 王珂，蒲燾，史曉宜，等.瀾滄江源區(qū)氣溫與降水對徑流變化的影響[J].氣候變化研究進(jìn)展，2020，16（3）：306-315.

[12] 王金良，李宗軍.極點(diǎn)對稱模態(tài)分解方法：數(shù)據(jù)分析與科學(xué)探索的新途徑[M].北京：高等教育出版社，2015.

[13] 郭愛軍，暢建霞，王義民，等.近50年涇河流域降雨-徑流關(guān)系變化及驅(qū)動因素定量分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（14）：165-171.

[14] 姜瑤，徐宗學(xué)，王靜.基于年徑流序列的五種趨勢檢測方法性能對比[J].水利學(xué)報，2020，51（7）：845-857.

[15] 張少文，丁晶，廖杰，等.基于小波的黃河上游天然年徑流變化特性分析[J].四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2004（3）：32-37.

[16] 強(qiáng)安豐，魏加華，解宏偉.青海三江源地區(qū)氣溫與降水變化趨勢分析[J].水電能源科學(xué)，2018，36（2）：10-14.

[17] 何秋樂，匡星星，梁四海，等.1966～2015年長江源冰川融水變化及其對徑流的影響：以冬克瑪?shù)缀恿饔驗槔齕J].人民長江，2020，51（2）：77-85，130.

[18] 邵全琴，曹巍，樊江文，等.三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)一期工程生態(tài)成效評估[J].地理學(xué)報，2016，71（1）：320.

（編輯：江 文）

引用本文：

李凱，任卓鈺，王永強(qiáng)，等.

基于極點(diǎn)對稱模態(tài)分解的三江源徑流時空演變規(guī)律

[J].人民長江，2021，52（8）：84-91.

Spatial-temporal evolution of runoff based on extreme-point symmetric mode decomposition

in Three-River Headwaters Region

LI Kai1，REN Zhuoyu2，WANG Yongqiang1，XU Jijun1

（ 1.Water Resources Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 2.Department of Hydraulics，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China，Wuhan，Hubei 430010 ）

Abstract：

Climate change and the strengthening of human activities have influenced the earths water cycle system.Therefore，it is of great significance to re-understand and master the evolution of water cycle in the basin.We use the extreme-point symmetric mode decomposition （ESMD） method to analyze the runoff variation in the Three-River Headwaters Region from aspects of trend，sudden change，and cycle，and compare the ESMD with existing detection methods.The results showed that：①? in the source region of the Yellow River，the increasing trend of precipitation was not obvious and the evapotranspiration increased as the temperature increased，which resulted in an insignificant downward trend of annual runoff.The annual runoff in the source region of the Changjiang River and the Lancang River increased significantly due to the increase of precipitation and glacial snow melting.② The 61 years runoff process of the Yellow River source region experienced significantly abrupt changes between 1990～1994 and around 2008.The runoff process of the Changjiang River source region experienced significantly abrupt change around 2006.The runoff process of the Lancang River source region had an abrupt changes in the 1990s and around 2008.The 61-years runoff process of the Yellow River source region had cyclic variation of 12～15a and 30a.The 60-years runoff process of the Changjiang River source region had 13～15 a cyclic variation.The 49-years runoff process of the Lancang River source region had cyclical changes of 15～16 a and 28a.And these cyclical changes dominate the characteristics of the annual runoff variation of the Three-River Headwaters Region.

Key words：

runoff variation;cycle analysis;climate change;ESMD;Changjiang River;Yellow River;Lancang River