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中国沙漠, 2024, 44(6): 110-121 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00064

基于Budyko假设的昌马河流域径流变化归因分析

尹振良,1,2, 朱睿3, 方春爽,3, 杨华庆3, 陈泽霞1

1.中国科学院西北生态环境资源研究院 干旱区生态安全与可持续发展重点实验室/国家冰川冻土沙漠科学数据中心,甘肃 兰州 730000

2.山东科技大学 安全与环境工程学院,山东 青岛 266000

3.兰州交通大学 测绘与地理信息学院/地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心/甘肃省地理国情监测工程实验室,甘肃 兰州 730000

Attribution analysis of runoff variations in the Changma River Basin based on the Budyko hypothesis

Yin Zhenliang,1,2, Zhu Rui3, Fang Chunshuang,3, Yang Huaqing3, Chen Zexia1

1.Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands / National Cryosphere Desert Data Center,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.College of Safety and Environmental Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266000,Shandong,China

3.Faculty of Geomatics / National-Local Joint Engineering Research Center of Technologies and Applications for National Geographic State Monitoring / Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730000,China

通讯作者: 方春爽(E-mail: 12211915@stu.lzjtu.edu.cn

收稿日期: 2024-04-29   修回日期: 2024-05-22  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42161018.  52179026
中国科学院青年创新促进会会员项目.  2021424
甘肃省陇原青年创新创业人才团队项目.  2023
中国工程院战略研究与咨询重点项目.  2023-XZ-80
甘肃省首席科学家负责制项目.  23ZDKA017

Received: 2024-04-29   Revised: 2024-05-22  

作者简介 About authors

尹振良(1985—),男,山东安丘人,副研究员,主要从事水文过程模拟研究E-mail:yinzhenliang@lzb.ac.cn , E-mail:yinzhenliang@lzb.ac.cn

摘要

昌马河是疏勒河的主要干流段,其径流变化对气候变化和下垫面变化极其敏感。以昌马河流域为研究对象,运用Budyko假设对径流变化进行归因分析。结果表明:(1)径流、气候和下垫面因子均具有明显的突变特征,气候特征总体上呈暖湿化趋势。(2)径流对降水量变化的敏感性最高,其次为下垫面和潜在蒸散发;气候变化和下垫面变化分别贡献径流量变化的37.31%和62.79%,下垫面变化是径流变化的主要原因,降水增加对径流变化起到次要作用。(3)叶面积指数是与径流变化最相关的影响因子,其次为降水量和土壤水分;气候变化引起下垫面变化能够在更大程度上解释径流变化。

关键词: 昌马河流域 ; 径流变化 ; 气候变化 ; Budyko假设

Abstract

The high-quality economic development and the security of the oasis ecosystem in the middle and lower reaches of the Shule River Basin are intimately connected to the runoff emerging from the upper reaches. The Changma River, as the principal channel of the Shule River, exhibits extreme sensitivity to variations in climate and underlying surface changes. This study, focusing on the Changma River Basin and employing the Budyko hypothesis for the attribution analysis of runoff variations, arrives at the following primary conclusions: (1) Runoff, climate, and underlying surface factors all display pronounced characteristics of abrupt change, with the overall climate trend leaning towards warmer and more humid conditions. (2) Runoff exhibits the highest sensitivity to changes in precipitation, followed by underlying surface changes and potential evapotranspiration. In 1965-2015, the runoff in the Changma River demonstrated a significant increasing trend, with climate change (precipitation and potential evapotranspiration) and changes in the underlying surface contributing 37.31% and 62.79% to the runoff quantity changes, respectively. Changes in the underlying surface emerge as the predominant cause of runoff variations, with an increase in precipitation playing a secondary role. (3) The leaf area index is the factor most correlated with changes in runoff, followed by precipitation and soil water content. The change of underlying surface factors can explain the changes in runoff to a greater extent.

Keywords: Changma River Basin ; runoff change ; climate change ; Budyko hypothesis

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本文引用格式

尹振良, 朱睿, 方春爽, 杨华庆, 陈泽霞. 基于Budyko假设的昌马河流域径流变化归因分析. 中国沙漠[J], 2024, 44(6): 110-121 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00064

Yin Zhenliang, Zhu Rui, Fang Chunshuang, Yang Huaqing, Chen Zexia. Attribution analysis of runoff variations in the Changma River Basin based on the Budyko hypothesis. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(6): 110-121 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00064

0 引言

干旱区内陆河流域水资源主要来源于上游山区,出山径流维系着中下游地区的社会经济高质量发展和绿洲生态系统安全1-3。全球气候变化背景下,气候变化(气温变化/降水变化/极端气候事件)及其影响(植被/冰川/积雪/冻土变化)导致干旱区内陆河流域水循环过程发生了显著改变(冰雪融水/径流/蒸散发变化、春汛提前等),加剧了干旱区水资源的不确定性,威胁着区域的水资源安全、生态安全和粮食安全4-7。因此,研究干旱区内陆河流域出山径流变化对于认识内陆河流域水循环过程演变特征,以及水资源管理和调控具有重要意义。

变化环境下的径流变化归因分析已成为水文与水资源学研究的重要内容,常用分析方法包括水文模型法、流域对比试验法、多元统计分析法和概念模型法等8-10。基于水文模型的径流变化归因分析能够较好地模拟径流组分的变化和贡献率,但模型输入数据复杂且精度要求较高11;相似的气候、下垫面、流域面积、观测数据长度等诸多因素使得流域对比试验方法在实际应用中存在很大的局限性;基于多元统计分析的径流变化归因分析则缺乏明确的物理意义8。相较于上述研究方法,基于Budyko假设的径流变化归因分析具有一定的物理意义且计算简单,可以定量评估气候变化和下垫面变化对径流的贡献率12-13;且该方法已在国内外各大流域得到广泛应用,如MOPEX流域14、黄河流域15、藏南流域16和西北内陆河流域17等。

昌马河是疏勒河的主要干流段,出山径流受气候变化和人类活动双重影响发生显著变化。目前,诸多学者针对疏勒河上游径流变化开展了大量研究。张晓晓等18、贾玲等19、王学良等20、孙美平等21综合运用多元统计分析法从多个角度分析径流变化规律以及径流与气温、降水之间的关系;李洪源等22、Zhang等23、Wu等24、Zhou等25运用水文模型方法和同位素示踪技术模拟和分析径流和径流组分变化,研究结果均表明冰川径流是出山径流的重要组分,约占出山径流变化的23%~48%,但上述研究均未对径流变化的归因分析做出定量评估。因此,本研究运用Budyko假设、小波分析等方法对径流变化进行归因分析,有助于进一步认识变环境背景下干旱区内陆河流域径流变化特征及其影响因素。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

昌马河流域(38.02°—40.00°N、96.06°—99.00°E)指昌马堡水文站控制的集水区域,位于青藏高原东北缘的祁连山西段,总面积为1.14万km2,海拔2 038~5 780 m,主要由北西走向的托来南山和疏勒南山包围(图1)。河川径流主要来源于大气降水和冰川/积雪融水,年平均径流量为10.89亿m3;气候特征表现为高原大陆性气候,年平均气温和年降水量分别为-4.0 ℃和378.4 mm;海拔4 500 m以上广泛分布着冰川,覆盖面积为421 km2,占总面积的3.7%,冰川水资源丰富2326

图1

图1   研究区位置示意图

Fig.1   Location of the study area


1.2 数据来源

1965—2015年的月尺度径流数据来源于昌马堡水文站;降水量(precipitation,PCP)、平均气温(temperature,TMP)数据来源于CN05.1格点数据集27,采用Penman-Monteith公式计算相应的潜在蒸散发(potential evapotranspiration,ET028,土壤水分(soil water, SW) 数据来源于ERA5-Land数据集29,叶面积指数(Leaf area index, LAI)数据来源于GLASS LAI数据集(http://www.glass.umd.edu);雪盖面积(snow cover extent,SCE)和雪深(snow depth,SD)数据来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心的中国逐日无云积雪面积数据集和中国逐日积雪深度长时间序列数据集30-31,3期土地利用数据(1980、 2000年和2020年)来源于中国科学院地理科学与资源研究所数据共享中心 (https://www.resdc.cn)。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall 趋势检验

本研究采用非参数的Theil-Sen斜率估计量化水文气象要素的变化趋势,采用Mann-Kendall(M-K)趋势检验确定变化趋势的显著性,显著性水平为α=0.05,该方法不要求检验样本服从特定的概率分布,且检验结果直观准确,不受少数异常值干扰32。径流突变年份的识别对于分离气候变化和人类活动对径流的影响具有重要意义,综合考虑影响径流变化的多个影响因子的突变特征,采用M-K趋势检验方法确定径流的突变时期8。Thei-Sen斜率估计和M-K趋势检验的详细计算过程见文献[32-33]。

2.2 连续小波变换

小波分析方法能够揭示出隐含在时间序列中的多种变化周期,被广泛应用于水文气象要素的周期性识别21。对于具有相同采样间隔δt的离散时间序列xi,i=1,,n,连续小波变换(The continuous wavelet transform, CWT)的计算公式可表示为34-35

Wis=j=0N-1xjcsΨ0*tj-tis

式中:Wis为小波变换系数;Ψ0为Morlet小波变换函数;*为共轭复数;S为尺度因子;ti为平移因子;c(s)为归一化因子。

2.3 Budyko假设

基于Budyko假设对径流变化进行归因分析。假设长时间尺度下,闭合流域内多年平均降水量等于多年平均径流量与实际蒸散发量之和,水量平衡方程可表示为:

R=P-ET

基于Choudhury-Yang水热耦合方程,长时间尺度下的实际蒸散发量可表示为12-13

ET=PET0Pω+ET0ω1/ω

式中:ET0为潜在蒸散发;ω为下垫面特征参数,与土地利用类型、土壤、植被等密切相关。

结合公式(2)和(3),水量平衡公式可表示为12-13

R=P-PET0Pω+ET0ω1/ω

径流作为降水、潜在蒸散发和下垫面特征参数的函数,R=fP,ET0,ω,径流变化量的微分方程可表示为12-13

dRR=R/RP/PdPp+R/RE0/E0dET0ET0+R/Rω/ωdωω

式中:R/RP/PR/RE0/E0R/Rω/ω分别表示径流对降水、潜在蒸散发、下垫面的弹性系数。

假设ϕ=ET0/P,径流对降水、潜在蒸散发和下垫面的弹性系数可表示为12-13

εP=(1+ϕω)1/ω+1-ϕω+1(1+ϕω)[(1+ϕω)1/ω-ϕ]
εET0=1(1+ϕω)[1-(1+ϕ-ω)1/ω]
εω=ln 1+ϕω+ϕωln 1+ϕ-ωω1+ϕω1-1+ϕ-ω1/ω

基于突变检验结果,将研究期划分为基准期和变化期,降水、潜在蒸散发和下垫面变化导致的径流变化ΔRx可表示为12-13

ΔRx=εxRxx

式中:x表示PET0ω

降水、潜在蒸散发和下垫面变化对径流变化贡献率ηx的计算公式为12-13

ηx=ΔRxΔR×100%

2.4 交叉相关和小波相干

采用交叉相关分析方法研究径流与影响因子之间的相关性36。径流作为气候变化和人类活动综合作用下的产物,通过将径流时间序列向后逐渐移动S个单位,计算Pearson相关系数,基于最大相关系数确定径流对影响因子的滞后效应。滞后时长S的交叉相关系数表达式为37

RX,Y,S=1N-St=1N-SXt-μxYt-μyσxσy

式中:σμ分别表示标准偏差和均值;S为移动长度,单位为月,范围为0~11。

双变量小波相干(The wavelet transform coherence, WTC)和多变量小波相干(The multiple wavelet coherence, MWC)能够探究不同时间尺度下径流对单个影响因子和多个影响因子组合的响应关系35

给定两个时间序列XY,相应的连续小波变换分别为WiXsWiYsWTC的计算公式如下35

Rn2(s)=Ss-1WiXYs2Ss-1WiXs2Ss-1WiYs2
WiXYs=WiXsWiY*s

式中:Rn2表示两个时间序列之间的相干性,0表示不相干,1表示完全相干;S为平滑算子;*表示共轭复数;WiXYs表示时间序列XY的交叉小波变换。

MWC的计算公式如下35

ρm2s,τ=wY,Xs,τwX,Xs,τ-1wY,Xs,τ*wY,Ys,τ

式中:wY,X(s,τ)为响应变量Y和预测变量X之间的平滑交叉小波功率谱矩阵;wX,Xs,τ为多个预测变量X之间的平滑自和交叉小波功率谱矩阵;wY,Ys,τ为响应变量Y的平滑小波功率谱矩阵;*表示共轭复数。

3 结果与分析

3.1 突变特征

径流量与影响因子的M-K突变检验结果如图2所示,曲线UF和UB的交点表示径流量或影响因子的突变点,临界值分别为±1.96,显著性水平为α=0.05。在研究时段内,除雪盖面积和雪深之外,径流量与其他影响因子均在2000年左右发生显著性突变,突变的前后顺序依次为:平均气温(1996年)、径流量(1999年)、潜在蒸散发量(2000年)、叶面积指数(2000年)、土壤水分(2001年)、降水量(2007年)。研究结果表明,昌马河流域的气候条件和下垫面条件在2000年左右相继发生突变,因此,本研究将2000年前视为基准期,2000年后视为变化期。

图2

图2   径流和影响因子的M-K突变检验

Fig.2   M-K mutation test of runoff and impact factors


3.2 趋势特征

1965—2015年,径流量呈显著增加趋势(1.13×108 m3/10a,P0.05)。气象因子中,除潜在蒸散发量在1961—2018年呈不显著增加趋势(3.13 mm/10a,P=0.13),降水量和平均气温均表现为显著增加趋势(P0.05),变化趋势分别为11.3 mm/10a和0.33 ℃/10a(图3)。与下垫面特征相关的因子中,土壤水分和叶面积指数在相应时期内均表现为显著增加趋势(P0.05),变化趋势分别为0.31%/10a和0.025/10a;1981—2018年,雪盖面积表现为显著减少趋势(247.18 km2/10a,P0.05),雪深表现为不显著增加趋势(0.64 mm/10a,P=0.41)。

图3

图3   径流和影响因子的Theil-Sen斜率和Mann-Kendall显著性检验

Fig.3   Theil-Sen slope and Mann-Kendall test of runoff and impact factors


考虑径流量和影响因子的突变特征,径流量和影响因子在首次突变前后的变化趋势如图3所示,鉴于雪盖面积的突变年份为1982年,不再分析雪盖面积突变前后的变化趋势。对比径流量、降水量、潜在蒸散发量、平均气温、土壤水分和叶面积指数突变前后的变化趋势可知,昌马河流域气候和下垫面特征在2000年左右出现“跳跃式”突变,气候特征表现为变暖和增湿趋势,与西北干旱区的气候特征一致38-39

3.3 周期特征

径流在8~16个月尺度下存在显著的周期性变化;在32、64、128个月尺度下,虽未达到5%显著性水平,但具有较高的功率谱,存在“丰”、“枯”的交替变化。降水量、潜在蒸散发量和平均气温均在8~16个月尺度下具有显著的周期性变化,其余尺度下的功率谱较小,没有明显的周期性变化。土壤水分、叶面积指数、雪盖面积和雪深均在8~16个月尺度下的功率谱较高,具有显著的周期性。此外,叶面积指数2000年后的4~8个月尺度下,表现出显著的周期性特征;土壤水分、雪盖面积和雪深在32、64和128个月尺度下的功率谱相对较高,与径流在时、频域上变化基本一致(图4)。

图4

图4   径流和影响因子的连续小波谱

注:粗实线表示相对于红噪声的5%显著性水平;浅色区域表示受边缘效应影响区域;颜色表示功率谱强弱

Fig.4   Continuous wavelet transforms of runoff and impact factors. Thick contours denote 5% significance levels against red noise; pale regions denote the cone of influence where edge effects might distort the results; the color denotes the strength of wavelet power


3.4 径流变化归因分析

相较于基准期,变化期的多年平均径流量、降水量、潜在蒸散发量和径流系数分别增加了35.1 mm、26.2 mm、24.6 mm、0.087,在影响因子综合作用下,流域内产水能力明显提高;下垫面特征参数和干燥指数减少、径流系数增加,表明研究区气候特征表现为暖湿化趋势(表1)。

表1   基准期和变化期水文气象要素的特征值及弹性系数

Table 1  Statistics in hydro-climatic variables and elasticity coefficient of streamflow to PET0and ω in two periods

时期R¯/mmP¯/mmET0¯/mmωR¯/P¯ET0¯/P¯弹性系数(εX
εpεET0εw
基准期(1965—2000年)78.4283.4833.40.950.282.941.69-0.69-1.59
变化期(2001—2015年)113.5309.6858.00.800.3672.781.53-0.53-1.33
差值35.126.224.6-0.150.087-0.16-0.160.160.26

注:R¯:多年平均径流量;P¯:多年平均降水量;ET0¯:多年平均潜在蒸散发量;ω:下垫面特征参数;R¯/P¯:径流系数;ET0¯/P¯:干燥指数;εX:径流对变量X的弹性系数,X表示PET0ω

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在基准期和变化期,径流对降水量、潜在蒸散发量和下垫面特征参数的弹性系数均表明径流与降水量呈正相关、与潜在蒸散发量和下垫面呈负相关(表1),径流对降水量的敏感性最高,其次为下垫面特征参数和潜在蒸散发量。弹性系数差值结果(表1)表明,降水量每增加1%,径流的增加量由基准期的增加1.69%降低为变化期的增加1.53%;潜在蒸散发量每增加1%,径流的减少量由基准期的减少0.69%降低为变化期的减少0.53%;下垫面特征参数每增加1%,径流的减少量由基准期的减少1.59%降低为变化期的减少1.33%。

计算的径流变化量ΔRc与观测的径流变化量ΔRo的结果基本一致,差值为-5.52 mm,表明基于Budyko假设的径流变化归因分析结果具有较高的可信度。降水量、潜在蒸散发量和下垫面引起的径流变化量分别为14.68、-1.72、27.66 mm,贡献了径流增加的33.31%、-3.90%、62.79%(表2)。降水和下垫面对径流变化表现为积极影响,潜在蒸散发表现为消极影响。由此可知,下垫面变化是引起径流变化的主要因素,降水变化对径流的影响比潜在蒸散发的影响更加明显。

表2   昌马河流域降水量、潜在蒸散发量和下垫面对径流变化的贡献率

Table 2  Contribution of PET0and ω to runoff change

基准期变化期ΔRo/mmΔRP /mmΔRET0/mmΔRω /mmΔRc/mm贡献率/%
CONpCONET0CONw
1965—2000年2000—2015年35.1014.68-1.7227.6640.6233.31%-3.90%62.79%

注:ΔRXCONx分别表示变量X导致的径流变化量和对径流变化的贡献率,XPET0ω;ΔRo和ΔRc分别表示观测和计算的径流变化量。

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4 讨论

4.1 下垫面变化对径流的影响

内陆河山区流域下垫面变化主要包括冰川退缩、积雪变化、冻土退化、植被覆盖变化等,在气候变化和人类活动的双重作用下影响下垫面的产汇流状况和蒸散发条件。土地利用变化在一定程度上能够表征人类活动对下垫面的影响,被广泛应用区分气候变化和人类活动对径流影响的研究9-10。昌马河流域1980—2020年土地利用的空间分布和统计结果如图5A~D所示,未利用地和草地是最主要的地类,面积总和占比分别为48.7%~50.2%和48.0%~50.2%,其他地类总的面积占比仅为1.1%~1.7%,建设用地和耕地面积总和占比为0.026%~0.073%,且主要分布在流域下游地区。土地利用转移结果如图5E、F所示,1980—2020年和2000—2020年发生地类转移的面积占比分别为0.1%和5.2%,且主要集中在草地和未利用地之间。以上分析表明,研究区内土地利用转移较少,放牧强度较弱,地形和土壤性质基本不变,故本研究认为人类活动对下垫面的影响可忽略不计。因此,研究区下垫面变化,例如,地类转移(图5)、土壤水分增加、叶面积指数增加、雪盖面积减少(图3)、冰川面积和储量的损失(表3)很大程度上受暖湿化气候影响。

图5

图5   1980(A)、2000(B)、2020年(C)昌马河流域土地利用类型空间分布;1980、2000年和2020年土地利用类型统计值(D);1980—2000年(E)和2000—2020年(F)年的地类转移状况

Fig.5   Land cover classification maps over the study area in 1980 (A), 2000 (B) and 2020 (C); Land cover classification proportions (D); Land use change over the study area between 1980 and 2000 (E) and between 2000 and 2020 (F)


表 3   1960s/1970s2020年昌马河流域冰川变化特征

Table 3  Glacier change over the study area between 1970s and 2020

时期冰川面积 /km2冰川数量冰储量/km3
FCGI(1960s—1970s)494.46[21]505[21]30.58[21]
1990年481.0750328.07
1995年456.2850626.64
2000年437.3950525.51
2005年421.2450524.57
SCGI(2005—2010年)415.29[21]501[21]24.81[21]
2010年414.1250624.13
2015年401.1452023.31
2020年384.0551922.80

注:冰储量计算参考Liu等40提出的V-A经验公式。FCGI: 中国第一次冰川编目数据集(First Glacier Inventory of China,FCGI);SCGI: 中国第二次冰川编目数据集(Second Glacier Inventory of China,SCGI)。

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4.2 气候变化对径流的影响

降水量、平均气温、潜在蒸散发量、土壤水分、叶面积指数的增加趋势,雪盖面积的减少趋势,径流系数明显增加,干燥指数明显减小均表明昌马河流域气候正在经历变暖和增湿的趋势,降水量和下垫面变化对径流的正贡献能够抵消温度升高导致蒸散发增强所引发的负贡献。

径流量与当月降水量、平均气温、土壤水分、叶面积指数之间的相关性最强,相关系数分别为0.82、0.71、0.63、0.89;与1个月前的潜在蒸散发量之间的相关性最强,与6个月前的雪盖面积和雪深的相关性最强(图6)。径流与影响因子的最大相关系数由强到弱依次为叶面积指数、降水量、平均气温、土壤水分、潜在蒸散发、雪盖面积、雪深;径流与降水量、平均气温、土壤水分、叶面积指数之间的滞后时长不足1个月,滞后潜在蒸散发量1个月,滞后雪盖面积和雪深6个月。

图6

图6   径流与影响因子的交叉分析

注:Lag0~Lag 11表示径流滞后影响因子0~11个月; 显著性P0.05,标记为**; 显著性P0.1,标记为*

Fig.6   The interrelation between runoff and influencing factors.Lag0-Lag 11 denotes the impact of runoff lagging behind influencing factors by 0 to 11 months. Significance P0.05, marked as **; significance P0.1, marked as *


叶面积指数与径流的相干性最强(WTC:0.89;PASC:54.48%),其次为降水量(WTC:0.90;PASC:46.67%)和土壤水分(WTC:0.85;PASC:41.82%),显著相干区域主要分布在4~16个月尺度下;平均气温、潜在蒸散发量、雪盖面积和雪深与径流显著相干区域集中在8~16个月尺度下(表4图7)。径流与多因子组合之间的小波相干结果如表5图8所示,对径流影响最大的双因子组合和三因子组合分别为LAI-SWMWC2:0.95;PASC:60.65%)和LAI-SW-SCEMWC2:0.98;PASC:58.87%)。相较于单因子LAI与径流的小波相干结果,LAI-SWLAI-SW-SCE组合在32、64和128个月尺度下与径流的相干性进一步增强,能够更好地解释径流的变化。虽然MWC的值随着因子组合数量的增加而增大,但PASC值未明显增加,主要是因为:①新增变量方差已被其他变量解释41;②小波相干的显著性阈值随因子组合数量增加而增大42。上述结果均表明,下垫面与径流量的变化密切相关,气候变化引起的下垫面变化能够在更大程度上解释径流的变化。

表 4   径流与单个影响因子之间的小波相干分析的统计值

Table 4  Coherence between runoff and individual influencing factor

PCPET0TMPSWLAISCESD
WTC0.900.890.910.850.890.830.85
PASC46.67%29.99%25.04%41.82%54.48%15.8518.05

注:WTC:显著相干区域的平均小波相干值;PASC:显著相干区域的百分比面积。PCP为降水量,ET0为蒸散发量,TMP为平均气温,SW为土壤水分,LAI为叶面积指数,SCE为雪盖面积,SD为雪深。

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图7

图7   径流与单个影响因子之间的小波相干谱

注:粗实线表示相对于红噪声的5%显著性水平;灰色区域表示受边缘效应影响区域;颜色表示相干性强弱

Fig.7   Wavelet coherence between runoff and individual influencing factor. Thick contours denote 5% significance levels against red noise; pale regions denote the cone of influence where edge effects might distort the results; the color denotes the strength of coherence


表5   径流与多个影响因子组合之间小波相干分析的统计值

Table 5  Coherence between runoff and multiple influencing factor

双变量MWC2PASC/%三变量MWC3PASC/%
LAI-SW0.9560.65LAI-SW-SCE0.9858.87
LAI-SCE0.9455.23LAI-SW-PCP0.9858.03
LAI-PCP0.9553.40LAI-SW-ET00.9855.55
LAI-ET00.9551.75LAI-SCE-PCP0.9854.60
PCP-SW0.9551.24LAI-SCE-ET00.9754.31
PCP-ET00.9551.19LAI-SW-SD0.9754.29
LAI-SD0.9450.03LAI-PCP-ET00.9853.11
LAI-TMP0.9547.23LAI-SCE-TMP0.9751.84
PCP-SCE0.9644.40LAI-PCP-SD0.9851.78
PCP-SD0.9540.47LAI-SW-TMP0.9851.38
PCP-TMP0.9539.30LAI-SCE-SD0.9749.20

注:此处只列出双因子和三因子组合中PASC值最大的10个组合;MWC2/3:显著相干区域的平均小波相干值;PCP为降水量,ET0为蒸散发量,TMP为平均气温,SW为土壤水分,LAI为叶面积指数,SCE为雪盖面积,SD为雪深。

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图8

图8   径流与组合影响因子之间的小波相干谱

注:双因子组合(上),三因子组合(下);粗实线表示相对于红噪声的5%显著性水平;灰色区域表示受边缘效应影响区域;颜色表示相干性强弱

Fig.8   Wavelet coherence between runoff and multiple influencing factors. Thick contours denote 5% significance levels against red noise; pale regions denote the cone of influence where edge effects might distort the results; the color denotes the strength of coherence


4.3 不足与展望

上述研究表明,下垫面变化对径流变化的贡献率最大,气候变化对下垫面植被、冰川、积雪、冻土等的影响可能是导致径流变化的主要原因。下垫面变化受到气候变化和人类活动双重影响743,而本研究未能进一步定量化分析气候变化导致的下垫面变化(植被/冰川/积雪/冻土变化)对径流变化的影响。此外,流域植被生长向好的趋势、叶面积指数与径流之间存在很好一致性的结论似乎与植被覆盖度增加可以有效减少地表径流和泥沙量的研究结论相矛盾44-47,植被变化对径流的影响机制还有待进一步深入研究。

5 结论

径流与影响因子的突变性、趋势性和周期性结果表明,昌马河流域气候和下垫面条件均在2000年左右相继发生突变,表现为“跳跃式”突变,气候特征总体上表现为暖湿化的趋势。

基于Budyko假设的径流归因分析结果表明,昌马河径流对降水量变化的敏感性最高,其次为下垫面特征参数和潜在蒸散发;气候变化和下垫面变化分别贡献径流量变化的37.31%和62.79%,下垫面植被/冰川/积雪/冻土变化是导致径流变化的主要原因,人类活动对下垫面变化的影响相对较小,气候变化是导致下垫面变化的主要原因。

交叉相关分析和小波相干分析的结果表明,叶面积指数是与径流变化最相关的影响因子,其次为降水量和土壤水分;气候变化引起下垫面变化能够在更大程度上解释径流变化,对于径流预测具有重要意义。

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