祁连山区与河西走廊平原区气候与产出径流变化的关系

祁连山区与河西走廊平原区气候与产出径流变化的关系

0河流水文气象资料的选取甘肃省的河西走廊是中国西北部的一条纽带，在西部大发展中发挥着非常重要的战略作用。根据甘肃省水利厅1999年甘肃省水资源公报的统计，该地区石羊河、黑河和疏勒河水系多年平均流量为68.86110m3，人均地表水资源总量为245473人，人均总水量为270703人。水资源的缺乏严重影响了该地区的社会经济发展，导致生态环境恶化。在干旱的背景下，地表径流的变化对该地区的社会经济发展和生态环境的发展具有直接而决定性的影响。在全球变化的背景下，山口流量的变化对山区、平原和盆地绿洲的社会经济发展和生态保护具有直接而决定性的影响。在分析了西部山区的一些代表性水文气候站的气温、降水和径向流的观测数据后，本研究对该地区现代气候变化的特点、区域差异、地表径流的变化以及气候变化的未来发展趋势进行了研究。从东到西，选择九岭、木莲和图乐气象站。观测站从东到西为九岭、木莲、冰沟、长马堡和党城湾站。数据年份为1999年。此外，还对黄岩、甘肃和敦煌等走廊平原气候站的气温和降水进行了比较和分析。1研究区域的自然概括1.1南、原西部分布河西内陆干旱区位于西北干旱区的东半部,甘肃省的西北部;东起乌鞘岭,西与新疆交界,南以祁连山与青海省接壤,北有北山山系与内蒙古毗邻.地理位置大致在N37°17′~42°48′,E93°23′~104°12′之间,东西横跨11个经度,呈东南-西北长条状,总面积27.11×104km2,占甘肃全省面积的60%.1.2地下水的自然分布本区地势东高西低,按地形地貌特点,可分为祁连山地、走廊平原和北山山地3个区域.祁连山地是内陆河流的发源地和径流形成区;海拔在3000~4500m,4000m以上的高山终年积雪,有现代冰川分布.走廊平原位于祁连山和北山山系之间,是一条东西长约1000多公里,南北宽仅数公里至百余公里的狭长倾斜平原,自然景观呈绿洲、戈壁和沙漠断续分布,是出山径流的耗散区.北山山系位于走廊北部,由一系列断续的海拔1500~2500m的中、低山组成,这里降水稀少,只有偶发性的暴雨洪水发生,对出山径流补给量甚少,但对走廊区地下水有少量补给.1.3降水量分析本区地处欧亚大陆腹地,降水稀少,蒸发量大,气候干燥,太阳辐射强烈,昼夜温差大,为典型的大陆性气候.祁连山区的气候垂直差异大,高山区主要受太平洋和印度洋东南暖湿气流的影响,降水量400~700mm,年径流深100~500mm.由于低温高寒,降水的一部分以冰和雪的固体形式被储藏起来,成为天然的固体水库.从山区到平原,降水量急剧减少.如东段冷龙岭主峰年降水量达700mm,走廊区的武威市仅161mm.本区西部降水量更少,阿尔金山主脉降水量约300mm,敦煌市不足50mm.走廊区为干旱气候,年平均气温5~10℃,年降水量50~200mm,年蒸发能力(E601)1500~2500mm,年径流深只有5mm.北山山地为干旱荒漠气候,年平均气温8~10℃,多年平均降水量30~100mm,干旱指数大于30.1.4012m3本区共有大小河流58条(按出山口年平均流量大于0.1m3/s统计).按出山口年径流量分级,大于10×108m3的只有黑河和昌马河两条;1.0×108~10×108m3的有25条;0.1×108~0.03×108m3的有18条.河流补给主要为大气降水,所谓的地下水和冰雪融水补给实质上也是大气降水经过特殊产汇流条件调蓄出来的不同形式.各条河流大致相互平行,独立流出山口并最终被消耗于冲积—洪积平原上的灌溉农业绿洲.流出山口的河流被走廊上的大黄山、黑山分割成石羊河、黑河和疏勒河3个水系.其中石羊河水系和疏勒河水系均在省内消失,只有黑河流出省外,进入内蒙额济纳旗,消失于东西居延海.2气温、降水的年度变化20世纪以来,由于大气中的CO2和其它温室气体含量的增加,使全球气温有变暖的趋势,具体对我国西北干旱区而言,则表现为波动性增温变干的趋势.尽管这种变化具有普遍性质,但地区间亦有差异.从表1可以观察到,20世纪50~90年代,代表祁连山区东段气候状况的乌鞘岭气象站气温变化呈周期性波动状态,50~60年代,气温有明显的上升趋势;60~70年代,气温持续下降;70~90年代,气温又开始回升,并且90年代的平均气温高于多年平均气温,70~90年代气温总的趋势变化不是十分明显.与之相对应的代表走廊平原区东部地区气候状况的武威气象站,其气温变化具体过程为:50~90年代,气温变幅不大,除70年代气温较低且低于多年平均值外,其它年代平均气温均高于多年平均气温.代表祁连山区中段气候状况的祁连气象站,除80年代气温又有所下降外,50~90年代气温一直呈现出明显的上升趋势;代表走廊平原区中部地区气候状况的张掖气象站,除60年代气温低于多年平均气温外,50~90年代,气温亦呈现出上升的趋势.代表祁连山区西段气候状况的托勒气象站,50~60年代,气温曾有所下降,但60~90年代,气温一直呈现出明显的上升趋势,且90年代的平均气温高于多年平均气温;代表走廊平原区西部地区气候状况的敦煌气象站,50~70年代,气温一度下降,但从70年代开始直到90年代,气温又呈现上升的趋势,且90年代的平均气温高于多年平均气温.90年代与50年代相比,东部山区的乌鞘岭站和走廊平原区的武威站,气温变化都不大,前者温度仅上升了0.01℃,升幅不到10%,后者则相反,温度下降了0.01℃,降幅仅1.28%;中部山区的祁连站90年代气温变化较大,上升了0.60℃,升幅达一倍多,走廊平原区的张掖站温度上升了0.3℃,升幅4.22%;西部山区的托勒站,温度上升了0.66℃,幅度超过20%,气温变化幅度距乌鞘岭站和祁连站之间,走廊平原区的敦煌站温度上升了0.20℃,升幅2.12%.从表2可以观察到,50~90年代,河西祁连山区的降水量的年代际变化也呈周期性的波动.其中:东段(乌鞘岭站)减幅最大,90年代比50年代减少100mm以上,比多年均值减少22.8mm,减幅分别为21%和5.6%;中段(祁连站)略增,90年代比50年代及多年均值增加10mm左右,增幅为2.5%;西段(托勒站)90年代比50年代及多年均值增加14mm左右,增幅为5.2%.河西走廊平原区降水量的年代际变化:东部(武威站)的降水量呈波动上升的趋势,90年代比50年代增加近40mm,比多年均值增加23.4mm,增幅分别为27%和14.5%;中部(张掖站)变化不大,90年代比50年代减少3.3mm,比多年均值增加7.4mm,减幅和增幅分别为2.46%和5.98%;西部(敦煌站)的降水量与东部(武威站)相近,呈波动上升状,70年代曾达到最大,90年代比50年代增加14.3mm,比多年均值增加3.5mm,增幅分别为48.5%和8.68%.上述分析结果表明,50年代后期到90年代,河西内陆干旱区山区和走廊平原区的气温变化过程虽有一定差异,但总的趋势都是上升,因而与全球增温存在着某种程度的一致性.但山区气温的变化幅度一般大于走廊平原区,其中又以祁连山中段地区温度升幅为最大;而降水量变化过程比较复杂,山区与平原,东段与中段、西段均存在较大的差别.估计这可能是由于受不同天气系统的影响或局部地理上的差异造成的.3山区直径的气候变化反应及其未来趋势3.1气候变化影响分析气候的变暖、受热条件的不同及大气环流的改变,必然引起降水和径流量的区域分布发生变化.具体表现在如下几个方面:一是影响高山冰雪的消融;二是影响流域的总蒸发量;三是改变高山区的降水形态;四是改变高山冰川区及整个流域下垫面与近地面层空气之间的温度差,从而影响它们的小气候.因而气温是影响水量平衡的支出项,在降水量相同的情况下山区气温的升高将会减少出山径流量.全球气候模型计算结果表明,温度升高最直接的效应是水文循环的强度加大.就全球而言,平均降水量和蒸发量都将发生变化.在我国西北内陆干旱地区,出山径流对气候变化的反映自然更加敏感.笔者从分析西营河九条岭水文站、黑河干流莺落峡水文站及昌马河昌马堡水文站年径流量分别与其对应的山区乌鞘岭、祁连及托勒气象站的年平均气温和降水量的相关关系入手来分析出山径流对气候变化的响应.灰色关联分析的结果表明(表3),西营河九条岭站、黑河干流莺落峡站及昌马河昌马堡站平均流量与其相对应的祁连山区乌鞘岭站、祁连站和托勒站降水量有着十分密切的关联关系,两两之间的关联度分别高达0.906,0.966和0.970,祁连山区东部的出山地表径流主要受山区降雨的影响,故径流与气温的关联度很小,只有0.156;而祁连山区中、西部的出山地表径流除受山区降雨的影响外,冰雪融水亦有一定的的比重,因此它们与气温的关系比较密切.由图1可清楚地看到,50~90年代,河西祁连山区东部、中部和西部的出山径流变化呈现不同的趋势.在东部地区,由于气温升高和降水减少,径流呈明显的下降趋势;而中部和西部地区,在山区气温与降水量同步上升的情况下,出山径流则均呈上升的趋势.3.2气温、降水和径流变化趋势的预测伴随全球气温升高,水文循环将更加激烈,导致更多的蒸发和降水.根据IPCC1990年的报告,若气温升幅越大,降水量增加越多.各GCM模拟的结果表明,至2050年,在2×CO2条件下,全球平均降水将增加3%~15%.康尔泗根据HadCM2Gsa气候模型对E93.75°~105°和N42.5°~37.5°的地区范围,也就是河西内陆干旱区所在范围的气温和降水模拟结果进行修正,得到了90年代到21世纪40年代该地区气温和降水量的可能变化估计值(表4)及黑河干流和疏勒河干流昌马河出山径流的可能变化估算值(表5)1.为了对上述计算进行验证,本文还利用灰色系统理论结合周期外延的预测方法对未来50a黑河干流等河西内陆干旱区主要河流出山口水文站径流量进行了计算(表6)并将其与表5中估算值进行比较,从中可以发现,两种方法对河西内陆干旱区西部昌马河出山径流量未来变化趋势的预测结果相当一致,HadCM2Gsa气候模型对中部黑河干流出山径流量未来变化预测值较后者偏大,但趋势基本是一致的(东部石羊河流域由于缺乏有关资料,未能进行对比).表4、表5和表6的结果显示,未来的几十年间,河西祁连山区出山径流的变化随地域的不同而呈现出不同的趋势,但总的变幅并不是很大;并且伴随着气温的升高,降水量亦在增加.这表明,径流变化虽与气候变化有着十分密切的关系,但径流形成区自然地理条件的影响可能大于气候变化的影响,从而使其不能明显地显示出来,即温室效应对不同区域的影响并非一致.作为河西内陆干旱区水资源形成区的山区流域,由于降水较丰富,气温远低于周边地区,且年际变幅很小.因此,气候变暖对于河西祁连山区出山径流未来的影响并不是十分显著.4山区径流、物种组成a河西内陆干旱区山区和走廊平原区近几十年来气温变化总的呈上升趋势,与全球增温存在着某种程度的一致性.但山区气温的变化幅度一般大于走廊平原区,其中又以祁连山中段地区温度升幅为最大.b由于受不同天气系统的影响或局部地理上的差异,河西内陆干旱区山区和走廊平原区降水量变化过程比较复杂,山区与平原,东段与中段、西段均存在较大的差别.c受山区流域气温升高和降水减少的影响,河西祁连山东部地区出山径流呈明显的下降趋势;在祁连山中部地区,在山区降