洞庭湖流域径流变化过程及其对ENSO和东亚季风的响应*

谷梓鹏，彭 俊，俞珊妮

(滁州学院)

1 研究背景

地表径流是陆面水循环的重要环节，在地球陆-气系统的物质和能量交换中起到关键作用[1-2]，对于全球气候变化具有重要的指示意义.全球气候变暖加快了地表水循环过程，改变了水资源的时空分布格局和水资源总量，引发了一系列突出的水资源问题，制约了生态环境和人类社会的可持续发展[3].近年来，环境变化对水资源影响已成为国际上水文、气象领域关注的焦点，尤其是水循环演变规律及其机理分析[4-5].

ENSO是具有2～7a周期的全球海-气耦合系统最强信号，东亚夏季风是具有准2a周期的影响我国夏季天气变化的重要环流系统[7-8].ENSO是季风年际变率的重要强迫因素，其与东亚夏季风配合共同影响我国季风区的水汽输送[9-10]，两者的周期振荡必然对流域地表径流过程造成影响.已有研究表明，ENSO和东亚夏季风对我国不同流域径流变化过程存在影响，如长江流域[11]、黄河流域[12]、珠江流域[13]等，但以往的研究多侧重于ENSO或东亚季风单一要素对流域径流过程的作用.而流域径流变化的成因是十分复杂的，考虑ENSO和东亚夏季风的联合作用对径流过程的影响不能忽视.

洞庭湖流域是我国典型的亚热带季风性湿润气候，流域内发育有山地、丘陵、平原，水系丰富、产水能力强.受季风气候的影响，旱涝灾害已成为最为严重的灾害之一，造成了严重的经济损失[6]，给社会经济可持续发展带来严峻的挑战.国内外学者对洞庭湖流域径流过程进行过大量研究工作[6,14]，但较少关注气候变化对洞庭湖流域径流过程的影响[15]，尤其是径流过程对ENSO和东亚夏季风的响应还有待进一步探究.因此，该文利用1951～2017年洞庭湖流域湘江、资水、沅江和澧水(简称四水)水文观测站的逐年径流资料，以及同期多元ENSO指数(MEI)、东亚夏季风指数(EASMI)，利用小波分析探讨ENSO和东亚夏季风的单一和联合作用对径流变化过程的影响，揭示洞庭湖四水径流变化过程对气候变化指示因子的响应，以期为洞庭湖流域中长期径流预报、水资源管理和旱涝灾害防控提供科学指导.

2 数据来源和研究方法

2.1 研究区域概况

洞庭湖流域位于长江中游荆江南岸，流域范围介于24°35′～30°27′N，107°13′～114°18′E之间，覆盖湖南省大部分地区和贵州省、湖北省、广东省、广西壮族自治区等地，流域总面积约26万km2(如图1所示).洞庭湖北接松滋、藕池、太平三口分流，南纳湘、资、沅、澧四水等河湖径流，为长江中游典型的吞吐、调蓄型湖泊.流域地形地貌复杂多样，东、西、南三面环山，中部为低矮的丘陵、盆地，北部为洞庭湖平原，呈现出马蹄形的空间分布特征[15-16].洞庭湖流域为典型的亚热带季风湿润气候，年平均降雨量1429mm，降水时空分布不均，径流年内变化大，易发生水旱灾害，具有“小水大灾，洪旱并存”的水情特征[17].

2.2 数据来源

该文选取洞庭湖流域湘江(湘潭站)、资水(桃江站)、沅水(桃源站)、澧水(石门站)4个水文观测站的径流资料，时间序列为1951～2017年，时间分辨率为逐年，资料来源于水利部发布的《中国河流泥沙公报》和水利部长江委员会水文局.多元厄尔尼诺指数来源于美国国家和海洋大气局地球系统研究实验室.东亚季风指数采用李建平、曾庆存等定义的东亚季风区内(10°N～40°N，110°E～140°E)850hPa处的夏季6～8月纬向风差异的标准化值，来源于李建平教授主页[18].

2.3 研究方法

该文利用变差系数指标、5a滑动平均法、Mann-Kendall趋势检验法[19]和连续小波变换[20]分析四水水文站径流量的年际变化、趋势变化和周期变化.利用交叉小波和小波相干[21-22]分析四水水文站径流量在时频域中对ENSO和东亚夏季风单一作用的响应关系.应用多元小波相干[23]分析四水水文站径流量对ENSO和东亚季风联合作用的响应关系.

3 结果与分析

3.1 径流量的变化过程

3.1.1 径流量的年际变化

对1951～2017年湘江(湘潭站)、沅江(桃源站)、资水(桃江站)、澧水(石门站)径流序列数据进行5a滑动平均和计算变差系数处理(如图2所示).四水年径流量在均值上下发生小幅度波动，存在多个波峰(20世纪50年代初期、20世纪60年代末～20世纪70年代和90年代)和波谷(20世纪50年代末～60年代初、20世纪80年代和21世纪前10年)，呈现丰枯交替特征，这种变化特征与洞庭湖流域降水量变化具有很好的一致性[24]，说明降雨是洞庭湖流域四水径流量补给的主要来源.

从径流量5a滑动平均过程线可以看出，湘潭站在1954～1965年、1975～1986年、1996～2009年，桃源站在1954～1961年、1969～1986年、1997～2007年，桃江站在1954～1958年、1969～1985年、1996～2009年，石门站在1959～1977年、1982～1986年、1997～2007年呈现减少的趋势，其余时段呈现增加的趋势.径流量变差系数(CV)计算结果显示，湘潭站、桃源站、桃江站石门站的CV值分别为0.24、0.19、0.21和0.26，表明四水入湖径流量较为稳定，未出现剧烈的年际波动.

3.1.2 径流量的趋势变化

湘潭站、桃源站径流量的Z统计量分别为0.88和0.54，均未突破α=0.05显著性检验的临界值±1.96，呈不显著的增加趋势，两站径流量增加速率分别为1.009×108、0.428×108m3/a(见表1).桃江站、石门站径流量Z统计量分别为-0.02和-0.52，均未突破α=0.05显著性检验的临界值±1.96，呈不显著的减少趋势，两站径流量减少速率分别为0.002 m3×108、0.135×108m3/a(见表1).

3.1.3 径流量的周期变化

四水各站年径流量的周期变化(在95%置信水平下)具有如下特征；湘潭站存在3个显著的周期[如图3(a)所示]，分别为2～3a(1969～1975年)、7～8a(1960～1967年)和19～25a(1978～1992年).桃江站存在3个显著的周期[如图3(b)所示]，分别为2～3a(1970～1974年)、3～4a(1995～2003年)和22～25a左右(1980～1989年).桃源站存在2个显著的周期[如图3(c)所示]，分别为2～4a(1975～1981年)、22～23a(1981～1989年).石门站存在3个显著的周期[如图3(d)所示]，分别为2～4a(1978～1984年)、5～6a(1957～1965年)和4～7a(1999～2007年).

四水各站年径流量从1950年末开始呈间歇式振荡，2007年以后无显著周期，可能是由于2000年以后进入少水期，径流量波动变化不明显造成的[6,16].四水各站年径流量在时频域内具有多个周期，其中显著的能量区集中在2～4a的时间尺度上，这与ENSO的2～7a周期和东亚夏季风的准2a周期相对应，表明洞庭湖流域四水径流量年际变化可能受控于ENSO和东亚夏季风等大尺度环流的作用.

3.2 径流量对ENSO和东亚夏季风的响应

3.2.1 径流量对ENSO的响应

在高能量区，MEI与四水各水文站径流量的显著共振周期主要集中在1956～1960年、1967～1975年、1978～1988年和1995～2004年2～5a的尺度上[如图4(a1)～(d1)所示]，且径流量变化滞后MEI变化.其中，MEI与桃源站、石门站径流量在1956～1960年呈正相位共振关系，在1978～1988年呈反相位共振关系；MEI与湘潭站、桃江站径流量在1956～1960年呈反相位共振关系，在1967～1975年相位关系较为复杂；除石门站外，MEI各站年径流量在1995～2004年呈正相位共振关系.在低能量区，MEI与四水各水文站径流量在2～5a的显著共振周期区域明显减少，其显著共振周期主要集中在1956～1959年、1968～1975年和1996～2002年[如图4(a2)～(d2)所示]，在1956～1959年和1996～2002年的共振周期上两者以正相位关系为主，在1968～1975年的周期上两者呈反相位关系.在这些周期上径流量变化主要表现出超前MEI变化.此外，MEI与四水各水文站径流量还存在其他尺度的共振周期，如MEI与湘潭站年径流量存在8～12a(1961～1970年)和3～4a(2007～2013年)的共振周期，MEI与桃江站年径流量存在2～3a(1961～1965年和1969～1974年)以及7～9a(1960～1966年)、11～13a(1999～2003年)的共振周期，MEI变化与桃源站径流量存在10～12a的共振周期.

上述分析表明，四水各水文站年径流量与MEI在时频域中存在着多个不同尺度的显著共振周期，且主要集中在2～5a的尺度上，在该周期上两者的相关系数达0.7以上，且以滞后响应为主.在20世纪50年中后期～60年代初和90年代中后期～21世纪前10年初的2～5a的尺度上，两者均以正相位共振关系为主，且在时频域高能量区2～5a尺度的周期上各水文站径流量对MEI的响应比低能量区更为敏感.

3.2.2 径流量对东亚夏季风的响应

在高能量区，EASMI与四水各水文站年径流量的显著共振周期主要集中在1969～1974年和1977～1985年2～4a的尺度上[如图5(a1)～(d1)所示]，两者以反相位共振关系为主，且径流量变化滞后EASMI变化.此外，在高能量区EASMI与湘潭站、桃源站径流量在1965～1978年存在10～14a尺度的反相位共振周期.在低能量区，EAMSI与四水各水文站年径流量的显著共振周期主要分布在1968～1974年和1976～1985年2～4a的尺度上[如图5(a2)～(d2)所示]，两者以反相位共振关系为主，且径流量变化滞后EASMI变化.此外，EASMI与桃江站、桃源站年径流量在1993～2009年分别存在2～3a和6～7a尺度的反相位共振周期，两站径流量变化均滞后EASMI变化.在低能量区EASMI与各水文站径流量显著共振周期的相关系数均达到0.7以上，径流量对EASMI的响应较强.

图5 径流量与EASMI的交叉小波谱和小波相干谱[(a1)～(a2)，(b1)～(b2)，(c1)～(c2)，(d1)～(d2)分别为湘潭站，桃江站，桃源站、石门站]

上述分析表明，四水各水文站年径流量与EASMI在时频域中均具有较好的相关性，在低能量区的显著性大于高能量区，说明四水年径流量对EASMI的响应在低能量区更为敏感.两者在时频域中的显著共振周期主要集中在2～4a的尺度上(60年代末～80年代初)，在该周期上四水年径流量与EASMI以反相位关系为主，且径流量变化对EASMI以滞后响应为主.在80年代中后期～90年代末的2～4a的尺度上未有通过显著性检验的高能量区域，说明在该周期上四水年径流量对EASMI的响应呈减弱趋势，这与叶许春等[25]的研究结果相似.这种变化与70年代开始的东亚夏季风活动减弱、赤道海温和太平洋海温突变的时段相吻合[26-27]，说明海温和大气环流在70年代的突变可能造成四水径流量在2～4a尺度上周期波动的衰减.

3.2.3 径流量对ENSO和东亚夏季风联合作用的响应

“MEI—EASMI—湘潭站径流量”多元小波相干谱如图6.湘潭站径流量对ENSO和东亚夏季风的响应主要发生在2～4a(2007～2013年)、8～10a(1962～1965年)和10～13a(1983～2004年)的周期上[如图6(a)所示].桃江站径流量对ENSO和东亚夏季风的响应主要集中在2～4a(2007～2012年)、3～5a(1991-1999年)、8～10a(1962-1967年)和9～13a(1994～2005年)的周期上[如图6(b)所示]，桃源站径流量对ENSO和东亚夏季风的显著影响主要发生在2～3a(1997～2002年)、2～4a(1998～2012年)、4～5a(1955-1959年)和5～7a(1958-1961年)的周期上[如图6(c)所示]，石门站径流量对ENSO和东亚夏季风年径流量的显著影响主要发生在2～4a(2006～2013年和1956～1958年)、7～8a(2000～2008年)和18～24a(1977～1992年)的周期上[如图6(d)所示].

图6 径流量和MEI-EASMI的多元小波相干谱[(a),(b),(c),(d)分别为湘潭站，桃江站，桃源站，石门站]

上述分析表明，四水径流量对ENSO和东亚季风的响应主要分布在3～4a(21世纪前10年末～21世纪10年代初)和10～13a(20世纪80年代～21世纪前10年)的周期上，且能量强度明显高于ENSO和东亚夏季风的单一作用对径流量的影响，说明在时频域内四水径流量年际和年代际尺度上的波动对ENSO和东亚夏季风联合作用的响应增强.

4 结论

(1)1951～2017年洞庭湖流域四水各水文站站径流量呈现多个波动上升或下降过程，表现出丰枯交替变化，其中湘潭站、桃源站径流量呈不显著的增加趋势，径流量增加速率分别为1.009×108、0.428×108m3/a；桃江站、石门站径流量呈不显著的减少趋势，径流量减少速率分别为0.002×108、0.135×108m3/a.

(2)洞庭湖流域四水各水文站径流量在时频域内均存在多个显著的间歇式周期振荡，以2～4a年际尺度为主.在时频域内2～4a的尺度上，四水年径流量与MEI以正相位共振关系为主，与EASMI以反相位共振关系为主，且在该尺度上均具有较好的相关性，以滞后响应为主.

(3)在年际和年代际尺度上，四水径流量对MEI-EASMI联合作用的响应显著增强，这种响应可能与“ENSO-反气旋/气旋-西北太平洋副热带高压-东亚夏季风”耦合系统有关.需要指出的是，该文仅探讨了ENSO和东亚夏季风对洞庭湖流域径流变化过程的影响，然而流域径流变化过程的影响因素是复杂的，流域水文水资源监测和预估仍然存在不确定性.随着地球系统科学的发展，需要融合多源数据，综合大尺度环流、局部小气候、太阳活动和人类活动等多种因素，在地球系统动力学研究框架下，开展多尺度、多过程和多模型的集成研究，有助于推动现代水文科学的进一步发展.