戴鈺，李炳鋒，羅煜寧，王宇昊，申笑萱，吳南，張珂

（1.河海大學(xué)水災(zāi)害防御全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué)長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210024；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024；4.中國(guó)氣象局水文氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；5.水利部水利大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；6.水利部水循環(huán)與水動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024）

0 前言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源[1]。由于水資源時(shí)空分布極不均勻、人類活動(dòng)頻繁、水體污染嚴(yán)重等原因，水資源問題已成為制約我國(guó)社會(huì)發(fā)展的瓶頸。隨著氣候不斷變化，氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性也逐漸降低，全球及區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)特征發(fā)生深刻變化[2]。因此，研究氣候變化下水文循環(huán)要素時(shí)空變化特征，對(duì)深入認(rèn)識(shí)水資源形成和演變規(guī)律、水資源的可持續(xù)開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的指導(dǎo)作用。作為表征氣候變化的重要因子，流域降水、氣溫、積雪的時(shí)空分布及其變化必將導(dǎo)致水文過程發(fā)生變異，更有甚者危害流域水資源、水電能源的開發(fā)利用。目前已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)各區(qū)域及流域降水、氣溫、積雪的變化進(jìn)行了分析研究。王兆禮等[3]基于1961-2000 年珠江流域80 個(gè)觀測(cè)站的月平均氣溫資料，分析了氣溫序列的時(shí)空演變特征及其對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響；侯保險(xiǎn)等[4]采用Hurst 系數(shù)、累積距平等方法研究金沙江流域降水與氣溫，結(jié)果指出該流域降水、氣溫均表現(xiàn)出增加態(tài)勢(shì)，且季節(jié)性明顯；王景才[5]等利用近50 年的月降水資料，分析淮河上中游流域年降雨、主汛期降雨的時(shí)空分布特征、變化趨勢(shì)和周期性；盧璐等[6]研究發(fā)現(xiàn)近60 年金沙江流域年均氣溫以0.025℃的趨勢(shì)升高，季節(jié)降水量、氣溫與徑流顯著相關(guān)；史雯雨等[7]研究發(fā)現(xiàn)金沙江流域年平均氣溫和季平均氣溫周期性變化明顯，且呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。李文廣等[8]研究分析了長(zhǎng)江流域建庫(kù)前后降水時(shí)空變化特征；盧雅婷等[9]根據(jù)金沙江流域60a 內(nèi)降水?dāng)?shù)據(jù)，探究降水不同時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律。徐強(qiáng)等[10]利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)將東江流域降水分解為北部型和南部型兩類，同時(shí)指出南部型降水變化幅度小，且突變時(shí)間存在滯后性。

積雪的變化同樣具有時(shí)空異質(zhì)性，中國(guó)主要積雪分布地區(qū)有青藏高原雪區(qū)、天山地區(qū)、新疆北部積雪帶、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)[11]。20 世紀(jì)90 年代以前，青藏高原的積雪普遍呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[12]，且在80 年代左右，增長(zhǎng)趨勢(shì)極其顯著[13]，90 年代末，積雪變化趨勢(shì)改變，開始顯著減少[14-15]，其中東部地區(qū)積雪變化趨勢(shì)最為顯著[16]。車濤[17]基于SSM/I 被動(dòng)微波反演的中國(guó)逐日積雪深度數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)1933-2002 年我國(guó)積雪儲(chǔ)量雖存在年際波動(dòng)，但變化趨勢(shì)極不顯著。劉世博等[18]研究發(fā)現(xiàn)，1986 年東北凍土區(qū)年平均雪深發(fā)生突變，每十年以0.07cm 的速率消融，同年該積雪區(qū)的氣溫也發(fā)生突變。郭建平[19]等研究發(fā)現(xiàn)青藏高原積雪空間分布受海拔、坡度、坡向等地形因子影響存在較大差異，積雪面積比例隨海拔、坡度的增大呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；沈鎏澄[20]等人通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法發(fā)現(xiàn)青藏高原中東部地區(qū)冬季雪深的時(shí)空分布特征主要受降水影響，其他季節(jié)主要受氣溫影響；此外還有研究指出不同土地、植被類型也會(huì)影響積雪產(chǎn)生于消融[19]。王慧等[21]以新疆地區(qū)為研究區(qū)域，分析了1961-2017 年研究區(qū)最大積雪深度、積雪日數(shù)的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)新疆北部和天山地區(qū)雪深顯著增加，而積雪日數(shù)總體呈減少趨勢(shì)。張慶杰[22]基于CMIP6 氣候模式分析了新疆地區(qū)1979-2014 年間積雪深度時(shí)空變化特征，同時(shí)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法探究了氣溫、降水、風(fēng)速等不同氣象要素對(duì)積雪深度的影響。

這些研究多傾向于將降水、氣溫或積雪等單一氣象要素分別進(jìn)行研究分析，極少涵蓋多個(gè)水文變量但未能充分考慮多種水文變量，也尚未揭示多水文變量的共同變化規(guī)律。然而，流域內(nèi)的水文過程不僅涉及多個(gè)水文變量，且各變量之間往往具有一定的相關(guān)性。因此，需要綜合考慮多個(gè)水文變量間的相關(guān)變化趨勢(shì)才能完美捕捉水文過程或水文事件的變化特征。近年來，在水文過程中聯(lián)合考慮多個(gè)具有相關(guān)關(guān)系的水文變量，已成為國(guó)內(nèi)外水文學(xué)者的研究熱點(diǎn)[23]。為研究流域水文過程對(duì)氣候變化的時(shí)空響應(yīng)，本文以金沙江上游的梨園流域?yàn)檠芯繀^(qū)，分析該流域近40 年來降水、氣溫和積雪的時(shí)空演變特征，同時(shí)可以為該流域水資源管理、水電工程的開發(fā)和建設(shè)提供重要的參考信息。

梨園流域研究區(qū)位于青藏高原東部，流域內(nèi)多年平均流量豐富，降水、氣溫、積雪的空間分布直接影響其徑流量變化。本文基于研究流域1979-2018 年間遙感反演的長(zhǎng)系列逐日雪深數(shù)據(jù)及同時(shí)段的降水、氣溫柵格數(shù)據(jù)，分析該區(qū)域降水、氣溫、積雪的時(shí)空分布和年際變化，并進(jìn)行相關(guān)性分析；旨在全面揭示研究流域降水、氣溫、積雪深度的時(shí)空變化特征，并初步探究這些氣候因子之間的影響關(guān)系。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

梨園流域位于金沙江水系石鼓斷面上游，地處云貴高原西北部和四川盆地西部，西側(cè)靠近青藏高原，流域覆蓋面積約為21.4 萬km2。石鼓水文站地理位置處在92°37′E，27°15′N。研究區(qū)位于90°30′E～100°22′E，26°37′N～35°54′N（如圖1），處在高原山地氣候區(qū)內(nèi)，海拔在1674～6293 m 之間，地勢(shì)由西北向東南傾斜，海拔落差超過4500 m。梨園流域發(fā)源地是青海省西南部沱沱河，沿途流經(jīng)青藏高原、四川省，最后流入云南省。由于研究流域處于高原山地向平原的過渡地帶，氣候交替變化復(fù)雜，受高原季風(fēng)氣候和副熱帶季風(fēng)氣候影響顯著[24]。流域?qū)儆诎敫珊禋夂?，該流域徑流補(bǔ)給主要來自于降雨、融雪和融冰。該流域徑流深年際變化較大，年內(nèi)分配不均，流域年徑流量為199～415 億 m2。

圖1 研究區(qū)及水文氣象站點(diǎn)分布

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用的高程數(shù)據(jù)是在地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）下載的，空間分辨率為1 km，通過ArcGIS10.6 制圖軟件處理得到研究流域。降水、氣溫以及積雪數(shù)據(jù)資料由國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）提供。其中，降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)源自中國(guó)區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集（1979-2018）[25]，時(shí)間分辨率為3 h，空間分辨率為0.1°；積雪數(shù)據(jù)源自中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集（1978-2020）[26]，時(shí)間分辨率為日，空間分辨率為25 km；研究中使用雙線性插值法將降水、氣溫和積雪數(shù)據(jù)集的空間分辨率統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為1 km。

根據(jù)積雪季節(jié)變化的特點(diǎn)，本文將一個(gè)積雪年定義為當(dāng)年的9 月1 日至次年的8 月31日[27]，依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》，對(duì)平均雪深＜0.5 cm 的微量積雪不予考慮，記為0 cm；0.5 cm≤雪深＜1 cm 時(shí)，記為1 cm，當(dāng)積雪深度符合觀測(cè)要求且≥1 cm 時(shí)，記為一個(gè)積雪日。積雪初日是指積雪年內(nèi)首次出現(xiàn)積雪深度≥1 cm的日期；積雪終日則是指最后一次出現(xiàn)積雪深度≥1 cm 的日期；積雪天數(shù)則為積雪期內(nèi)（積雪初日至積雪終日之間）所有積雪深度記錄值的天數(shù)總和；年均雪深則為積雪年內(nèi)所有積雪深度之和與該年對(duì)應(yīng)積雪天數(shù)之比。

2 研究方法

2.1 趨勢(shì)分析法

采用線性回歸的方法分析研究區(qū)內(nèi)降水、氣溫和積雪深度的變化趨勢(shì)，即氣候傾向率S，反映各要素隨時(shí)間演變規(guī)律。使用Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法計(jì)算趨勢(shì)變化的顯著性。當(dāng)｜MK ｜＞1.96 時(shí)，說明趨勢(shì)在0.05 置信區(qū)間上變化顯著；當(dāng)｜MK ｜＞2.58 時(shí)，說明趨勢(shì)在0.01 置信區(qū)間上變化顯著。該方法不需要樣本服從某種分布，也不會(huì)受到異常值的干擾，能夠有效地區(qū)分某一過程是處于自然波動(dòng)狀態(tài)還是按照特定的變化趨勢(shì)波動(dòng)，具有檢測(cè)范圍廣泛、受人為影響小的優(yōu)點(diǎn)[28]，目前已被廣泛應(yīng)用到水文、氣象領(lǐng)域。

Sen 趨勢(shì)度是一種研究變量長(zhǎng)時(shí)間序列變化的方法[29]，對(duì)于時(shí)間序列xt(t=1,2,3,…,N)，趨勢(shì)度β為權(quán)衡變化趨勢(shì)的系數(shù)，定義如下：

式中：xi和xj分別為不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列值，n＞i＞j＞1；Median 是中位數(shù)函數(shù)。β為斜率，β＞0 表示“增加趨勢(shì)”，β＜0 表示“減少趨勢(shì)”，β= 0 表示“趨勢(shì)不變”。

2.2 相關(guān)性分析

運(yùn)用相關(guān)分析的方法研究積雪深度和降水、氣溫等氣象因子的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)相關(guān)現(xiàn)象所表現(xiàn)的不同特征，對(duì)具有相關(guān)關(guān)系的變量研究其相關(guān)方向（r＞0，則表示正相關(guān)；r＜0，則表示負(fù)相關(guān)）及各變量間的相關(guān)程度，用數(shù)學(xué)方法將其數(shù)值化，即相關(guān)系數(shù)r，計(jì)算公式如下：

式中：x、y為不同的變量值；Cov(x,y)為x、y的協(xié)方差；Var[x]、Var[y]分別為x、y的方差。

3 結(jié)果分析

3.1 氣候要素的時(shí)空分布

基于遙感反演得到的積雪深度數(shù)據(jù)，分析1979-2018 年間梨園流域雪深的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖2 所示，可以看出流域積雪深度變化趨勢(shì)是增加、減少、增加交替出現(xiàn)。流域年均雪深變化幅度為0.78cm～4.52 cm，年降水量最大值為4.52 cm（1986 年），最小值為0.78 mm（2003年），多年平均積雪深度為1.71 cm；流域積雪整體上呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，下降率為0.32 cm/10a，其MK 值為2.76，大于2.58，通過了置信度為99%的Mann-Kendall 法顯著性檢驗(yàn)，說明年積雪深呈顯著下降趨勢(shì)。本研究認(rèn)為10 月19 日至次年5 月11 日為該研究區(qū)積雪期[27]，下文對(duì)于梨園流域積雪特征及影響因素的分析主要通過計(jì)算積雪期內(nèi)雪深、降水、氣溫的時(shí)空變化及相關(guān)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。

圖2 1978-2018年梨園流域積雪深度年際變化

對(duì)梨園流域1979-2018 年間積雪期內(nèi)降水?dāng)?shù)據(jù)和氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，如圖3 所示，縱觀整個(gè)流域，近40 a 流域多年平均年降水量為461.71 mm，年降水量最大值為564.05 mm（2005 年），最小值為348.57mm（1984 年）；期間，流域降水增長(zhǎng)率（即氣候傾向率）為28.67 mm/10a，MK 值為3.27，MK 值絕對(duì)值大于2.58，通過了置信度為99%的Mann-Kendall法顯著性檢驗(yàn)，年降水量呈顯著增加趨勢(shì)。近40a 流域多年平均氣溫為-2.69℃，年平均氣溫最高值為-1.5 ℃（2016 年），年平均氣溫最低為-4.21 ℃（1993 年）；流域內(nèi)氣溫變化趨勢(shì)與降水相似，呈顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，氣候變暖十分明顯，升溫率（即氣候傾向率）為0.54 ℃/10a，其MK 值為6.09MK 值絕對(duì)值大于2.58，通過了置信度為99% 的Mann-Kendall 法顯著性檢驗(yàn)，說明年降水量呈顯著增加趨勢(shì)。

圖3 1978-2018年梨園流域氣候因素年際變化

梨園流域的地形起伏較大，高原山地縱橫交錯(cuò)，局地差異大。基于研究區(qū)1979-2018 年的積雪期內(nèi)降水、氣溫、雪深資料和流域內(nèi)站點(diǎn)分布，運(yùn)用Matlab 對(duì)降水、氣溫、積雪數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，繪制梨園流域多年平均降水空間分布圖、多年平均氣溫空間分布圖和多年平均雪深空間分布圖（如圖4）。由圖4(a) 可以看出，流域多年平均降水量空間分布不均勻，且南北、東西兩向降水分布差異大，近40 的降水量在184～992.8 mm 之間，流域東南部地區(qū)降水最為豐富，西北地區(qū)降水較少；降水量空間分布主要為由下游向上游方向逐漸減少；由圖4(b) 可以看出，近40 的氣溫在-13.5～18.6℃之間浮動(dòng)，氣溫分布呈現(xiàn)西北低、東南高的趨勢(shì)，與降水空間分布大致相同。由圖4(c)可以看出，流域積雪深度呈現(xiàn)中間高、兩邊低的分布趨勢(shì)，近40 的積雪深度在0～6 cm 范圍內(nèi)波動(dòng)，積雪厚度：中部地區(qū)＞西北地區(qū)＞東南地區(qū)。

圖4 梨園流域1979-2018年多年平均降水、氣溫、雪深空間分布

3.2 氣候要素的時(shí)空演變特征

基于梨園流域1979-2018 年的降水、氣溫和年均雪深柵格數(shù)據(jù)，計(jì)算各要素對(duì)應(yīng)的氣候傾向率S值和趨勢(shì)檢驗(yàn)MK 值，如圖5 和圖6分別為降水、氣溫、雪深所對(duì)應(yīng)氣候傾向率S值和趨勢(shì)檢驗(yàn)MK 值的空間分布。結(jié)果表明，研究區(qū)積雪期內(nèi)西北地區(qū)和中部地區(qū)降水顯著增加，氣候傾向率最大為8.5 mm/a；東南地區(qū)降水呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，氣候傾向率最大為5.7 mm/a。流域內(nèi)西北部溫度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，變化顯著，氣候傾向率最大為0.1℃/a；多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為升溫且變化趨勢(shì)明顯，氣候傾向率最大為0.2℃/a。多年來流域內(nèi)多數(shù)地區(qū)積雪深度變化趨勢(shì)多為增加趨勢(shì)，變化趨勢(shì)在0.1 cm/a 范圍內(nèi)波動(dòng)；少部分區(qū)域年均雪深有下降傾向，變化趨勢(shì)在0～0.2 cm/a。就整個(gè)流域而言，空間分布圖與圖2 和圖3(a)(b)對(duì)應(yīng)的年際變化趨勢(shì)相一致。

圖5 梨園流域1979-2018年降水、氣溫與年均雪深氣候傾向率

圖6 梨園流域1979-2018年降水、氣溫與年均雪深變化趨勢(shì)MK值

冬季氣溫降低時(shí)，降水以降雪的形式出現(xiàn)，有利于雪的累積[30]。沈鎏澄[20]等在研究青藏高原中東部地區(qū)積雪變化時(shí)發(fā)現(xiàn)降水是冬季（氣溫較低）積雪變化主要驅(qū)動(dòng)因子，其余季節(jié)則主要由氣溫主導(dǎo)，梨園流域內(nèi)降水在時(shí)間和空間尺度上均表現(xiàn)為顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而雪深卻表現(xiàn)出下降的變化趨勢(shì)，大概率是由于全球氣候變暖導(dǎo)致降水多以降雨的形式出現(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)雪深的消融；且研究區(qū)積雪天數(shù)較長(zhǎng)，包含了冬、春兩季，積雪期后期（即春季）氣溫是積雪變化的主導(dǎo)因子；除此之外積雪變化是一系列因素共同影響的結(jié)果，就單一元素分析的話可能存在誤差。

3.3 相關(guān)性分析

利用相關(guān)分析法計(jì)算梨園流域1979-2018年間積雪期積雪深度與降水、氣溫的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如圖7 所示，降水與雪深的相關(guān)系數(shù)在-0.7～-0.3 范圍內(nèi)浮動(dòng)且均為負(fù)值，其相關(guān)性在1990 年達(dá)到最高為-0.667，表明降水增加促進(jìn)了雪的消融，使雪深降低。氣溫與雪深的相關(guān)系數(shù)在-1～-0.6 范圍內(nèi)變化，且均為負(fù)值，其相關(guān)性在1997 年達(dá)到最高為-0.925，說明氣溫升高同樣會(huì)促進(jìn)雪的消融，使雪深降低。從圖中可以看出，降水與積雪深度的相關(guān)性要低于氣溫。綜上，降水越多、氣溫越低有利于促進(jìn)積雪的形成，氣溫對(duì)于積雪深度的影響要高于降水。

圖7 梨園流域降水、氣溫與積雪深度的相關(guān)系數(shù)

4 討論與結(jié)論

本文依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》對(duì)積雪日的定義，揭示了近40 年來梨園流域積雪特征的時(shí)空變化及其對(duì)影響因子的敏感性。眾所周知，研究資料時(shí)間序列長(zhǎng)短、數(shù)據(jù)來源、研究范圍和方法不同，都會(huì)直接影響研究結(jié)果[13,31]，所得到的結(jié)論也存在一定差異[32]。已有研究表明[20,33]，不同季度積雪深度與其影響因子表現(xiàn)出不同的相關(guān)性，隨著海拔增加積雪深度呈增加趨勢(shì)，當(dāng)氣溫較低時(shí)，降水以降雪的形式增加則有助于雪深的累積，當(dāng)氣溫較高時(shí)，降水以降雨的形式增加則有助于積雪的消融，本文著重分析了年尺度上降水、氣溫和雪深的時(shí)空分布特征和相關(guān)關(guān)系，并未側(cè)重分析不同季節(jié)雪深與氣象因子的相關(guān)關(guān)系。積雪變化是多要素共同作用的結(jié)果，本文從氣候要素角度，考慮了降水和氣溫兩個(gè)主要影響因子進(jìn)行綜合分析，逐個(gè)單一因素進(jìn)行敏感性分析容易存在誤差，關(guān)于其他因子如地形因子、太陽輻射、下墊面（植被、凍土）在不同季度下與積雪的耦合關(guān)系是未來的研究重點(diǎn)。

1）1979～2018 年間梨園流域絕大多數(shù)地區(qū)降水和氣溫為顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中東南部升溫現(xiàn)象較為顯著，雪深則表現(xiàn)為明顯的下降趨勢(shì)，極少部分區(qū)域年均雪深呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2）氣象因子在雪深的變化中起主導(dǎo)作用，流域年平均降水與積雪深度的相關(guān)系數(shù)均小于0，最高可為-0.667，屬于負(fù)相關(guān)關(guān)系；流域年平均氣溫與積雪深度的相關(guān)系數(shù)多小于0，最高可為-0.925，為負(fù)相關(guān)關(guān)系。積雪變化與降水、氣溫的關(guān)系分析表明，降水越豐富、氣溫越高，越不利于積雪的形成，且兩者與雪深的相關(guān)程度表現(xiàn)為：氣溫＞ 降水。