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通讯作者:

张强,E-mail:zhangqiang@cma.gov.cn

引用:叶培龙,张强,王莺,等,2020.1980—2018年黄河上游气候变化及其对生态植被和径流量的影响[J].大气科学学报,43(6):967-979.

Quote:Ye P L,Zhang Q,Wang Y,et al.,2020.Climate change in the upper Yellow River Basin and its impact on ecological vegetation and runoff from 1980 to 2018[J].Trans Atmos Sci,43(6):967-979.

目录contents

    摘要

    黄河上游是黄河流域最重要的水源涵养地和产流区,对黄河流域的水资源安全、生态环境和粮食安全有决定性的意义。近年来在西北地区气候暖湿化的背景下,黄河上游气候生态水文等问题受到了各方的高度关注。本文利用卫星遥感数据、格点融合数据和水文监测数据,分析了黄河上游气候的多尺度变化特征及其对植被和径流量的影响。结果表明:1)1980—2018年黄河上游暖湿化趋势呈现全区域较一致的气候特征,温度增加率为0.023 ℃/a,降水增加率为1.09 mm/a,但同时又存在明显的区域差异性,湟水流域至甘肃中部降水增加最显著,宁蒙荒漠地带增温趋势最明显,2000年以来整个黄河上游降水明显增加。2000年后汇流区与流径区的蒸散发明显增加,但源头区南部波动减少。2)当前的暖湿化有利于黄河上游植被生长,1999年以来汇流区和源头区部分区域的植被增加率达到0.04/(10 a);从长期趋势看,源头区、汇流区植被指数与上年降水呈显著正相关关系,而流径区植被指数与当年降水相关性显著;降水对黄河上游流域植被具有明显的改善作用,而温度对其影响较复杂,各区域不同的植被类型是导致降水、温度、蒸散影响存在差异的可能原因。3)1980—2018年唐乃亥站和兰州站的年径流量均呈减少趋势,但1998年以来两站的年径流量明显增加,兰州站年径流量的增加率是唐乃亥站的近3倍。长期趋势表明,唐乃亥站年径流量与当年降水呈显著正相关关系,兰州站年径流量与当年降水、蒸散的相关系数均明显低于唐乃亥站;从年际波动看,降水是决定年径流量的最主要影响因子,而生态植被、冻土退化、水储量变化及社会活动等因素对径流量的影响也不容忽视。该研究为科学应对黄河上游生态保护及实现黄河流域高质量发展提供了参考依据。

    Abstract

    The upper Yellow River Basin is the most important water conservation and runoff producing areas in the Yellow River Basin,which is of decisive significance to the water resources security,ecological environment and food security of the Yellow River Basin.In recent years,under the background of warm and humid climate in Northwest China,the climate,ecology,hydrology and other issues in the upper Yellow River Basin have attracted great attention.Based on satellite remote sensing data,grid fusion data and hydrological monitoring data,this paper analyzes the multi-scale variation characteristics of climate and its impact on ecological vegetation and runoff in the upper Yellow River Basin.Results are summarized as follows:(1) From 1980 to 2018,the warming and wetting trend in the upper Yellow River Basin presents a relatively consistent climate characteristics in the whole region.The temperature and precipitation increase rates are 0.023 ℃/a,1.09 mm/a respectively.However,there are obvious regional differences at the same time.The increasing trend of precipitation is the most obvious over the confluence area of Huangshui River Basin and central part of Gansu Province,and the increasing trend of temperature is the most obvious in the desert area of Ningxia and Nei Monggol.Since 2000,the precipitation in the whole upper Yellow River Basin has increased significantly.After 2000,the actual evapotranspiration increases significantly in the confluence and flow areas but decreases in the south of the source area.(2) The current warm and humid climate is conducive to vegetation growth in the upper Yellow River Basin,and the vegetation growth rate has reached 0.04/(10 a) in the confluence and source areas since 1999.From the long-term trend,the vegetation index in the source and confluence areas has a significant positive correlation with precipitation in the previous year,while the vegetation index in the flow area has a significant correlation with precipitation in the current year.Precipitation has obvious effect on vegetation improvement in the upper Yellow River Basin,while temperature has more complex effect on vegetation.Different vegetation types in different regions are the possible reasons for the differences of precipitation,temperature and evapotranspiration.(3) Affected by the climate and vegetation variations,the annual runoff of Tangnaihai and Lanzhou stations shows a decreasing trend from 1980 to 2018 but a significant increasing trend since 1998,and the increase rate of annual runoff of Lanzhou station is three times that of Tangnaihai station.The long-term trend shows that annual runoff has a significant positive correlation with precipitation at Tangnaihai station in the current year,and the correlation coefficients of annual runoff with annual precipitation and evapotranspiration at Lanzhou station in the current year are significantly lower than those at Tangnaihai station.From the perspective of interannual fluctuation (after detrend),precipitation is the most important factor determining annual runoff,and the influences of ecological vegetation,frozen soil degradation,water storage change and social activities on runoff should not be ignored.This study provides a reference for scientific response to ecological protection in the upper Yellow River Basin and the realization of high-quality development of the Yellow River Basin.

  • 黄河流域横跨我国东中西三大区域,是我国生态安全战略格局的重要组成。2019年9月18日,习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上发表重要讲话,指出“保护黄河是事关中华民族伟大复兴的千秋大计”,并强调黄河流域生态保护和高质量发展是国家战略,对一些重大问题要深入研究、科学论证,习近平总书记的讲话把黄河流域的生态保护和高质量发展上升到国家战略的高度,可见黄河流域在国家安全中的重要地位。黄河上游地处青藏高原、黄土高原、内蒙古高原交汇区,其地形地貌复杂、生态环境脆弱,作为黄河流域主要产流区和水源涵养区,其径流的变化对我国北方地区的生态安全、水安全具有重要的保障作用,黄河上游地区的气候变化及其对生态环境的影响也因此一直是我国政府和科技界关注的热点问题(王根绪和沈永平,2000;陈利群和刘昌明,2007;Xu,2015;Gu et al.,2019)。

  • 黄河上游流域位于我国一、二级阶梯的交替地带,气候类型复杂多样,从高寒湿润区逐步向荒漠干旱区过渡(郑景云等,2013),具有鲜明的区域气候特征。以往研究多关注黄河上游整个流域及其源头区(刘彩红等,2011;康丽莉等,2015),对经济社会发展程度较高的湟水流域、甘肃中部、宁夏平原及河套地区的研究相对较少,这样可能会忽略区域独有的变化特征。黄河上游大部分区域位于西北半干旱区,其与西北地区中东部的气候变化息息相关(黄建平等,2020)。受全球气候变化的影响,施雅风等(2002)21世纪初期提出了西北干旱区气候从暖干向暖湿转型的科学认识。前人的研究也证实了自20世纪80年代中期以后,西北地区西部降水呈急剧增加趋势,但西北地区东部降水量减少且呈暖干化趋势(Wang et al.,2010;Wan et al.,2014;Zhu et al.,2019),这也可能导致了黄河上游20世纪90年代径流量大幅减少(蓝永超等,2005;黄荣辉等,2006)。近年来,对西北干旱区气候暖湿化问题的研究取得了新的进展,张强等(2019)认为到目前为止西北地区西部汛期降水一直呈现增加趋势,与其东部半干旱区汛期降水呈跷跷板变化特征;此外,有研究指出,虽然从长期趋势来看西北地区东部降水表现出减少趋势,但在2000年之后表现出显著增加趋势(马柱国等,2018;马鹏里等,2020)。另外,黄河上游流域处在环流系统耦合区域,受到西风带环流系统、东亚季风系统及高原系统的协同影响(杨金虎等,2019),这大大增加了该地区气候变化问题研究的复杂性与艰巨性。

  • 近几十年来,在气候变化和人类活动的影响下,黄河流域的径流量以每年0721亿m3的速率下降(Kong et al.,2016),上游、中游和下游分别占减少水量的28.4%、40.5%和31.1%,中游和下游径流显著下降,上游略下降(Chang et al.,2017)。黄河径流的变化与降水量、气温、蒸散、植被及冻土等存在非线性关系,气温升高导致蒸发和下渗增加而使地表径流减少(蓝永超等,2010)。植被在气候变化中起着“指示器”的作用,黄河上游植被对温度和降水等气候因子的变化高度敏感,已有研究认为在不同区域、不同季节植被对温度和降水的时滞响应存在明显差异(韦振锋等,2014;周梦甜等,2015),植被同温度和降水之间的相关性随着时间尺度的增大会更加显著(贾俊鹤等,2019);河川径流对区域气候异常的响应时间也存在差异(孙卫国等,2010)。基于此,西北地区中东部近20 a的暖湿化趋势对黄河上游生态植被、径流量的影响可能也将逐渐显现出来,然而,西北中东部气候变化是个复杂的问题,其降水增加趋势可能会表现加速或减速,甚至会出现突变性变化,具有年际、年代际等多尺度的变化特征,使得该区域生态植被、径流变化还存在很大的不确定性。此外,政府主导下的政策也是影响黄河上游流域生态环境及径流量等变化的主要原因之一,例如,已实施40 a之余的“三北”防护林工程、1999年开始实施的“退耕还林还草”及一系列节约用水等政策。

  • 综上,黄河上游地处气候变化的敏感区,气候变化对植被生态、径流量等有显著影响。因此,有必要首先了解清楚过去几十年黄河上游气候的多尺度变化特征,并分析其对生态植被及径流量的影响,以便为科学应对该区域的生态保护问题和实现黄河流域高质量发展提供参考依据。本文将利用卫星遥感数据、格点融合数据、水文监测数据等,对黄河上游不同区域的温度、降水、蒸散、植被及径流量等主要气候生态水文因子自1980年以来的变化趋势进行分析,初步研究在当前暖湿化趋势下气候变化对植被及径流量的影响。

  • 1 研究资料与方法

  • 1.1 研究区域

  • 黄河上游区域包括从黄河源区到内蒙古自治区托克托县河口镇及其集水区域,河长为3 472 km,总面积55.06×104 km2(范擎宇等,2017)。该区域地貌特殊,地形起伏大,气候复杂多样,降水量分布极不均匀(马佳宁和高艳红,2019),如果对整个区域进行研究,得到的结论可能会忽略部分地区独有的气候生态水文特征。因此本文在考虑多年平均温度、降水量、蒸散的基础上,结合地形地势、海拔高度、气候、生态植被等多种因素(刘蓉等,2016;马佳宁和高艳红,2019),将所研究的黄河上游流域划分为3个区域研究(图1),Ⅰ区为高寒湿润的源头区,地处黄河源头地区,与三江源基本重合,海拔高度高,年平均降水量408 mm,年平均温度-1.5℃,年实际蒸散量414 mm,属于典型的高寒高湿气候特征。Ⅱ区为陡峭边坡的汇流区,位于黄河上游的中部地区,海拔落差达2 500 m以上,主要包括湟水流域、甘肃中部及宁夏南部等地区,年平均降水量近300 mm,年平均温度1.5℃,实际蒸散量317 mm,境内海拔落差大、地形陡峭、降水较源头区偏少约30%,温度偏高约3℃;Ⅲ区为草地荒漠过渡的流径区,主要位于宁夏北部河套地区,海拔基本在1 400 m以下,地势相对平缓,年降水量仅173 mm,年平均温度达7.6℃,年实际蒸散量127 mm,该区域降水少、温度高,为干旱半干旱的草地-荒漠过渡带。从以上各子区域的气候、地形、生态环境等分布特征表明,分区域研究是非常有必要的。

  • 图1 黄河上游流域分区及各区域的年平均温度(单位:℃)、降水(单位:mm)和实际蒸散(单位:mm)

  • Fig.1 Regionalization of the upper Yellow River Basin and annual average temperature(units:℃),precipitation(units:mm) and actual evapotranspiration(units:mm) of each sub-region

  • 1.2 研究资料

  • 所用资料包括格点融合数据、实际径流量数据及卫星遥感反演的植被、蒸散数据等三类。其中,格点融合资料来自Climatic Research Unit(CRU)制作的1980—2018年月尺度的温度、降水数据,空间分辨率为0.5°×0.5°,该数据已经被众多研究机构广泛应用。

  • 卫星遥感反演的植被数据来自美国国家航天航空局(NASA)全球监测与模型研究组GIMMS(Global Inventory Modeling and Mapping Studies)发布的第三代全球覆盖NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)产品数据集(NDVI 3g)。该数据集的空间分辨率约为8 km,时间分辨率为15 d,时间序列为1981—2015年,是目前国际上时间序列最长的植被遥感资料。该数据集采用最大值合成法(Maximum Value Composite,MVC)对半月合成标准NDVI数据进行最大化处理,得到了年NDVI数据,该数据的测量误差≤±0.005(Pinzon and Tucker,2014)。卫星遥感反演的蒸散数据来自GLEAM模型反演的产品,GLEAM产品由英国布里斯托大学地理科学学院水文气象系Diego G.Miralles博士发布,数据获取网址为http://geoservices.falw.vu.nl。GLEAM模型基于Priestley-Taylor公式(Priestley and Taylor,1972),利用来自不同卫星的遥感数据反演得到日实际蒸散。GLEAM模型由4个相互联系的单元组成:1)Gash截留模块,2)土壤模块,3)胁迫模块,4)Priestley-Taylor模块;高大冠木地表、低矮植物地表以及裸土这3种有具体物理特性的陆地表面类型是分开计算的。使用的GLEAM模型估算的蒸散数据的空间分辨率为0.25°×0.25°、时间分辨率为30 d,时间跨度为1980—2018年,具体模型结构可参考文献(Miralles et al.,2011)。

  • 1.3 研究方法

  • 利用分段线性趋势、线性趋势、低通滤波、滑动平均等分析黄河上游各气象水文植被要素的多尺度变化特征,并利用sen-M-K突变分析及相关分析等研究气候变化对生态植被与径流量的影响。

  • 2 黄河上游流域气候多尺度变化特征

  • 关于西北地区暖湿化趋势已有过不少分析,且近年来的研究已经形成了比较一致的认识。那么地处三大高原交汇带的黄河上游流域气候变化的多尺度特征是如何变化的,还需要做进一步的研究。

  • 2.1 黄河上游地区温度和降水变化特征

  • 图2给出了黄河上游及各区域(源头区、汇流区、流径区)温度、降水的年际、年代际及趋势变化特征,从总趋势看近40 a黄河上游温度和降水均呈一致增加趋势,降水增加率为1.09 mm/a,温度增加率为0.023℃/a,这说明黄河上游近40 a向暖湿化转变。此外,降水变化特征显示源头区的年际波动最大(图2b),但其降水增加率不超过0.9 mm/a,汇流区降水增加率达到1.4 mm/a(图2c);从变化趋势发现流径区温度的增加趋势最显著(图2h),源头区增加最少(图2f)。年代际特征表明源头区与汇流区20世纪80—90年代末降水显著减少,而2000年之后降水增加;源头区温度2000年之前减小,这与其他区域明显不同。

  • 图2 1980—2018年黄河上游流域及各区域降水(a—d;单位:mm)、温度(e—h;单位:℃)的年际变化(蓝实线为降水,黄实线为温度)、年代际变化(黑实线)及线性趋势变化(蓝虚线为降水,黄虚线为温度):(a,e)上游流域;(b,f)源头区;(c,g)汇流区;(d,h)流径区

  • Fig.2 Interannual(Blue solid line is precipitation,and yellow solid line is temperature),interdecadal(black solid line) and linear trend(Blue dotted line is precipitation,and yellow dotted line is temperature) variations of(a—d) precipitation(units:mm) and(e—h) temperature(units:℃) during1980—2018:(a,e) the upper Yellow River Basin;(b,f) the source area;(c,g) the confluence area;(d,h) the flow area

  • 黄河上游流域温度和降水增加趋势在空间上是否具有广泛性也是认识该地区气候变化的重要视角,以上分析得出2000年前后是降水变化的转折点,以下分析将分成两个阶段展开研究。为此在图3、图4中分别给出了1980—2018年温度、降水不同阶段变化率的空间分布。由图3a可以看出近40 a温度表现为较一致的增加趋势,同时也具有明显的空间差异性,增温幅度自南向北逐渐增大,源头区温度略增加,而宁蒙一带增温达0.04~0.06℃/a。1980—1999年温度的变化趋势显示源头区与流径区呈相反的变化趋势(图3b),源头区大部呈约-0.01℃/a的减少趋势,尤其是玛多地区趋势为-0.02 a-1,而宁蒙地区增温可达0.08℃/a,另外,位于汇流区的湟水流域温度略降低,占整个汇流区面积的约40%。2000年之后,黄河上游大部增温放缓,其幅度小于0.03℃/a,玛多地区温度较前20 a明显增加。由降水的不同时间尺度变化率的空间分布(图4)可以看出,近40 a整个黄河上游降水增加幅度约0.4~2.0 mm/a,其中汇流区的湟水流域甘肃中部地区降水增加幅度最显著。1980—1999年(图4b)与2000—2018年(图4c)前后两个阶段的对比分析显示,源头区在前20 a降水呈减少趋势,玛曲地区减少量达-3.0 mm/a;2000年之后,整个黄河上游降水明显增加,甘南高原部分地区增加幅度最大值超过4 mm/a;汇流区与流径区1980—1999年增加幅度较小,而2000年以来增加幅度也达到2.0~3.0 mm/a。

  • 图3 黄河上游流域(黑线区)温度变化趋势的空间分布(单位:℃/a;黑点表示通过0.05信度的显著性检验):(a)1980—2018年;(b)1980—1999年;(c)2000—2018年

  • Fig.3 Spatial distributions of temperature change trend in the upper Yellow River Basin(black line area)(units:℃/a;Black points means passing the significance test at the 0.05 level):(a) 1980—2018;(b) 1980—1999;(c) 2000—2018

  • 图4 黄河上游流域(黑线区)降水变化趋势的空间分布(单位:mm/a;黑点表示通过0.05信度的显著性检验):(a)1980—2018年;(b)1980—1999年;(c)2000—2018年

  • Fig.4 Spatial distributions of precipitation change trend in the upper Yellow River Basin(black line area)(units:mm/a;Black points means passing the significance test at the 0.05 level):(a) 1980—2018;(b) 1980—1999;(c) 2000—2018

  • 温度和降水不同时间尺度的空间分布特征表明,黄河上游暖湿化趋势是全区域比较一致的气候趋势特征,但同时又具有明显的区域差异性,尤其黄河上游2000年以来降水明显增多;此外,源头区及湟水流域的部分地区在两个时段的波动呈反向变化。

  • 2.2 黄河上游地区蒸散变化特征

  • 蒸散是陆地表面的液态水转化为水汽的过程,对全球和区域气候、水文循环、能量循环过程有重要意义(童瑞等,2015)。图5给出了黄河上游及各区域实际蒸散的年际、年代际、趋势变化特征,整个黄河上游蒸散在250~320 mm的范围内波动上升,流径区的蒸散量最小,在90~180 mm之间摆动,而源头区蒸散可达400 mm;同时,汇流区蒸散增加率达2.12 mm/a,这超过了该地区降水的增加率,源头区蒸散呈缓慢增加趋势,其增加率小于降水增加率,源头区蒸散的年代际变化与其他区域明显不同。

  • 图5 1980—2018年黄河上游及各区域实际蒸散(单位:mm)的年际变化(红实线)、年代际变化(黑实线)、线性趋势变化(红虚线):(a)上游流域;(b)源头区;(c)汇流区;(d)流径区

  • Fig.5 Interannual(red solid line),interdecadal(black solid line) and linear trend(red dotted line) variations of actual evapotranspiration(units:mm) during1980—2018:(a) the upper Yellow River Basin;(b) the source area;(c) the confluence area;(d) the flow area

  • 不同阶段蒸散变化的空间分布(图6)显示,近40 a蒸散变化趋势呈“两端小、中间大”的分布特征(图6a),其中湟水流域-甘肃中部地区增加幅度为2.4~3.6 mm/a。从两个阶段的对比来看,2000年以来汇流区与流径区的蒸散明显增加(图6c),在汇流区中30%的区域增加率超过5.6 mm/a;值得关注的是源头区南部自2000年以来蒸散逐年递减,这与黄河上游其他区域是不同的。按照Budyko流域水分能量耦合平衡方程假说,湿润区实际蒸散是受潜在蒸散控制,非湿润区实际蒸散受降水控制(童瑞等,2015),源头区为半湿润区,其实际蒸散受潜在蒸散影响,而汇流区以北的黄河流域大部处于干旱半干旱区,蒸散量取决于降水量。前人研究指出黄河源区蒸发皿蒸发呈下降趋势,这可能是因为全球辐射下降,平均风速和气温的日较差降低的作用;而其实际蒸散量在20世纪60年代至21世纪呈不显著的增加趋势(李林等,2006;黄荣辉和周德刚,2012),这可能与高原季风加强等影响有关(袁云等,2012),本文得出源头区大部2000年之前蒸散增加而2000年之后减少的结论与上述研究是一致的。

  • 3 流域气候变化对生态植被及径流量的影响

  • 3.1 气候变化对黄河上游生态植被的影响

  • 地表植被覆盖能够有效改变影响地表的水分、能量和辐射的分配及平衡,进而影响水文过程、水循环和区域气候,植被退化能引发水土流失、土地沙漠化、冻土退化等一系列严重的后果(张镱锂等,2006;邴龙飞等,2011)。黄河上游主要以湿地、草地和荒漠为主,其对气候变化响应非常敏感,那么在黄河上游整体暖湿化及区域性年代际变化的影响下,该区域植被变化尤为重要。从图7黄河上游及各分区域植被变化来看,黄河上游NDVI指数(标准化植被指数)在0.2~0.25之间波动上升(图7a),增加幅度为0.024(10 a)-1;源头区NDVI在0.35上下波动(图7b),汇流区波动范围在0.2~0.25(图7c),位于宁蒙一带的流径区NDVI指数小于0.15(图7d);汇流区NDVI指数增加最明显,流径区植被呈不显著的增加趋势。NDVI指数的年代际变化显示1980—1995年及2005—2015年两个阶段的波动幅度较1995—2005年显著。图8给出的黄河上游不同阶段的NDVI指数变化趋势的空间分布特征表明自1981年以来全流域植被指数呈增加趋势,但各区域增加率不同;1981—1998年时段内,汇流区与流径区NDVI指数呈0.02(10 a)-1的增加趋势,1999年之后,汇流区和源头区部分区域的NDVI指数明显增加,增加率达到0.04(10 a)-1。当然,植被变化一方面有气候变化因素的影响,另一方面由于过度放牧等人为因素造成黄河上游草场退化也有影响;另外,近年来黄河上游植被增加与多年实施的“三北防护林”建设和21世纪初开始施行的“退耕还林还草”政策密切相关,人类活动及政府政策的实施对生态植被的影响也是不容忽视的。

  • 图6 黄河上游流域(黑线区)实际蒸散变化趋势的空间分布(单位:mm/a;黑点表示通过0.05信度的显著性检验):(a)1980—2018年;(b)1980—1999年;(c)2000—2018年

  • Fig.6 Spatial distributions of actual evapotranspiration change trend in the upper Yellow River Basin(black line area)(units:mm/a;Black points means passing the significance test at the 0.05 level):(a) 1980—2018;(b) 1980—1999;(c) 2000—2018

  • 图7 1980—2018年黄河上游及各区域NDVI指数的年际变化(绿实线)、年代际变化(黑实线)及线性趋势变化(绿虚线)(绿竖线分别表示“三北防护林”、“退耕还林还草”政策实施时间节点):(a)上游流域;(b)源头区;(c)汇流区;(d)流径区

  • Fig.7 Interannual(green solid line),interdecadal(black solid line) and linear trend(green dotted line) variations of NDVI index during1980—2018(Green vertical lines indicate the implementation time nodes of “Three North Shelterbelt” and “Returning Farmland to Forest and Grassland” policies):(a) the upper Yellow River Basin;(b) the source area;(c) the confluence area;(d) the flow area

  • 图8 黄河上游流域(黑线区)NDVI指数变化趋势的空间分布:(a)1980—2018年;(b)1980—1999年;(c)2000—2018年

  • Fig.8 Spatial distributions of NDVI index change trend in the upper Yellow River Basin(black line area):(a) 1980—2018;(b) 1980—1999;(c) 2000—2018

  • 值得注意的是,NDVI指数呈明显增加趋势的区域主要在植被条件次好的汇流区及1999年之后的源头区。虽然影响生态植被的气候因素较多,但温度和降水直接决定着植被生长所需的水热条件,是影响生态植被的关键因子。

  • 由表1给出的1981—2015年黄河上游流域及各区域温度、降水、实际蒸散与NDVI指数的相关系数可以看出,整个黄河流域植被的变化与当年温度及上年降水呈明显的正相关;各区域相关系数显示当年温度对植被变化影响明显,而降水具有明显的区域差异,源头区与汇流区的上年降水与植被变化呈显著正相关,流径区当年降水对植被变化影响更明显。黄河上游近40 a气候长期变化即持续暖湿化趋势对植被改善是显而易见的,为进一步了解生态植被对气候年际波动的响应特征,表2给出了温度、降水、实际蒸散和NDVI指数去趋势后的相关系数。去趋势项后,黄河上游NDVI指数与降水和蒸散的相关性比去趋势之前减小,尤其源头区与汇流区更明显,这说明生态植被生长状况依赖于降水长期增加的支持,不过,NDVI指数与上年降水仍存在正相关性。NDVI指数与温度去趋势前后其相关系数是相反的,去趋势后,黄河上游NDVI指数与当年温度及上年温度均呈负相关,特别是上年温度,这意味着温度并不是黄河上游生态植被改善的关键因子,特别是汇流区与流径区。

  • 表1 黄河上游流域及各子区域NDVI指数与温度、降水及实际蒸散的相关系数

  • Table1 Correlation coefficients of NDVI index with temperature,precipitation and actual evapotranspiration in the upper Yellow River Basin and its sub-regions

  • 注:1)、2)、3)分别表示通过0.1、0.05、0.01信度的显著性检验.

  • 表2 黄河上游流域及各子区域NDVI指数与温度、降水及实际蒸散的相关系数(去趋势)

  • Table2 Correlation coefficients of NDVI index with temperature,precipitation and actual evapotranspiration in the upper Yellow River Basin and its sub-regions(after detrend)

  • 注:1)、2)分别表示通过0.1、0.05信度的显著性检验.

  • 进一步深入来看,降水对黄河上游流域植被具有明显的改善作用,而温度则对其影响更为复杂。各区域不同的植被类型是导致降水、温度、蒸散影响差异的可能原因。以草地湿地为主的源头区及以草地耕地为主的汇流区,其上年降水下渗形成的底墒对植被生长有重要作用,而流径区地处草地荒漠过渡带,降水下渗的幅度远远不及源头区,快速蒸发的降水不利于植被生长,该区域即使降水有所增加,也难以达到植被的生长条件,对植被的改善十分有限,这也是本世纪以来黄河上游降水明显增加的背景下,流径区植被增加不及其他区域的原因之一。植被状况一般的汇流区及流径区本身热量资源充足,植被生长对热量条件并不敏感,温度增加反而引起蒸散增强造成水分流失,从而对植被生长产生不利影响。

  • 3.2 气候及生态植被变化对黄河上游径流量的影响

  • 图9是唐乃亥水文站所观测的1980—2016年年实际径流量的变化曲线,唐乃亥站年平均径流量为198×108 m3,可以看出,1980—2016年唐乃亥站年径流量显著减少,减少率达-1.56×10.8 m3/a(通过P =0.05的显著性水平检验),20世纪80—90年代年平均径流量为245×108 m3,90年代后明显减少,至2000年初径流量仅106×108 m3;20世纪末至21世纪初出现了转折性的变化(通过了M-K突变检验),1998年以来该站的年径流量增加率为1.38×108 m3;整体上,至2016年唐乃亥站年径流量较20世纪80年代减少了26%,但较1998年之后增加了14%。

  • 图9 唐乃亥站年径流量及其趋势变化(黑、蓝、红虚线分别为1980—2016、1980—1998、1999—2016年趋势)

  • Fig.9 Annual runoff and its trend change at Tangnaihe station(Black,blue and red dotted lines are trends during1980—2016,1980—1998 and 1999—2016,respectively)

  • 兰州站1980—2016年的年径流量的变化(图10)显示,该站年平均实际径流量为298×108 m3,1980—2016年兰州站的年径流量呈-1.21×108 m3/a的减少趋势(通过P=0.05的显著性检验)。1980—1997年径流量显著减少,1997年兰州站的年径流量只有216×108 m3,较80年代初减少了43%;1997年之后,年径流量逐步回升(通过了M-K突变检验),增加率达到3.98×108 m3/a,自1997年以来年径流量增加了71.6×108 m3。从源头区代表站唐乃亥站、汇流区代表站兰州站的比较来看,1980年以来唐乃亥站年径流量减少更显著,而兰州站1998年之后年径流量的增加率是唐乃亥站的近3倍。

  • 图10 兰州站年径流量及其趋势变化(黑、蓝、红虚线分别为1980—2016、1980—1998、1999—2016年趋势)

  • Fig.10 Annual runoff and its trend change at Lanzhou station(Black,blue and red dotted lines are trends during1980—2016,1980—1998 and 1999—2016,respectively)

  • 表3分析了1980—2016年唐乃亥站、兰州站年径流量与气候及生态因子的相关系数,唐乃亥站年径流量与当年降水呈显著正相关,这说明降水对源头区径流量的变化有重要影响,同时,该站年径流量与当年蒸散发量及上年植被呈明显的负相关,植被吸收及蒸腾作用造成水分流失,但蒸腾作用造成大气中水汽含量增加,又可能造成降水增加。兰州站年径流量与当年降水、当年蒸散的相关性均明显低于唐乃亥站。从去趋势后的相关系数(表4)可以看出,黄河上游年径流量与温度、蒸散及植被指数的相关性比去趋势之前略减小,尤其是处于源头区的唐乃亥站,这说明年径流量变化受气候及生态植被的长期影响;值得关注的是,两个水文站年径流量与降水的相关性在去趋势后更显著,唐乃亥站当年降水的相关系数达0.77,这表明黄河上游年径流量对降水年际波动的响应是非常明显的。总之,降水是决定年径流量的最主要影响因子,同时,不能忽视生态植被、冻土退化、水储量变化及社会活动等因素对径流量的影响,尤其处于社会经济发展程度高的兰州站受人类活动等因素的影响更明显,城市用水、工农业用水、水电站调度等对该站径流量变化也具有重要作用。

  • 表3 唐乃亥站、兰州站年径流量与温度、降水、实际蒸散及NDVI指数的相关系数

  • Table3 Correlation coefficients of annual runoff with temperature,precipitation,actual evapotranspiration and NDVI index at Tangnaihai and Lanzhou stations

  • 注:1)、2)分别表示通过0.1、0.01信度的显著性检验.

  • 表4 唐乃亥站、兰州站年径流量与温度、降水、实际蒸散及NDVI指数的相关系数(去趋势)

  • Table4 Correlation coefficients of annual runoff with temperature,precipitation,actual evapotranspiration and NDVI index at Tangnaihai and Lanzhou stations(after detrend)

  • 注:1)、2)、3)分别表示通过0.1、0.05、0.01信度的显著性检验.

  • 4 结论与讨论

  • 1)近40 a黄河上游温度和降水均呈一致增加趋势,温度增加率为0.023℃/a,降水增加率为1.09 mm/a,流径区温度的增加趋势最显著,源头区增加最少;降水变化特征显示汇流区降水增加率达到1.4 mm/a,源头区增加率不超过0.9 mm/a;年代际变化特征显示黄河上游流域逐步向暖湿化转变。

  • 2)从近40 a不同阶段的空间分布看,1980—1999年源头区与流径区温度呈相反的变化趋势,2000年后黄河上游大部增温放缓,但源头区温度较前20 a明显增加。近40 a汇流区的湟水流域甘肃中部地区降水增加幅度最显著,2000年以来整个黄河上游降水明显增加,甘南高原增加超过4 mm/a。黄河上游暖湿化趋势是全区域比较一致的气候趋势特征,但同时又具有明显的区域差异性。近40 a黄河上游实际蒸散在250~320 mm的范围内波动上升,整个流域蒸散变化趋势呈“两端小、中间大”的空间分布特征;2000年之后,汇流区与流径区的蒸散明显增加,而源头区南部是减少的。

  • 3)在黄河上游整体暖湿化的影响下,自1981年以来全流域植被指数呈增加趋势,但也有明显的区域差异;1999年之后,汇流区和源头区部分区域的植被增加率达到0.04(10 a)-1。从目前的长期趋势看,整个黄河流域植被指数与当年温度及上年降水呈明显的正相关,源头区与汇流区上年降水与植被呈显著正相关,但流径区为当年降水。年际波动相关性(去趋势后)说明植被生长状况依赖于降水的长期增加,植被指数与上年温度呈明显负相关,这意味着温度并不是黄河上游生态植被改善的关键因子,特别是汇流区与流径区。各区域不同的植被类型是导致降水、温度、蒸散影响差异的可能原因。

  • 4)近40 a唐乃亥站及兰州站的年径流量均呈减少趋势,但1998年以来两站的年径流量波动增加,兰州站增加率达到3.98×108 m3/a,其年径流增加量是唐乃亥站近3倍。唐乃亥站年径流量与当年降水呈显著正相关,兰州站年径流量与当年降水、当年蒸散的相关性均明显低于唐乃亥站。两个水文站年径流量与降水的相关性在去趋势后更显著,表明黄河上游年径流量对降水年际波动的响应是非常明显的。降水是决定年径流量的最主要影响因子,同时不能忽视生态植被、冻土退化、水储量变化及社会活动等因素对径流量的影响。

  • 本文针对黄河上游植被及径流量对气候变化的响应进行了统计分析,得出了一些有意义的结论,但仍有很多问题值得深入探究。如源头区蒸散发的变化趋势与上游其他区域差异的原因,唐乃亥站20世纪90年代径流量锐减的成因,气候、生态因素及人类活动等对径流量变化的定量化贡献等;另外,过去20 a黄河上游的暖湿化趋势是否还会持续,持续暖湿化对该地区生态水文有怎样的影响,这方面还需要研究人员在今后进行大量系统性的工作来实现。目前在气候暖湿化及政府多项政策实施的背景下,如何理清涉及科学问题背后的机制,是实现黄河上游流域生态保护问题和高质量发展所面临的巨大挑战。

  • 参考文献

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