湟水流域极端径流对极端气候的响应

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2024.092

为探究区域尺度极端径流演变及其气候驱动机制，以对气候变化较为敏感的湟水流域为例，搜集流域8个站点日均流量数据，基于Mann-Kendall趋势分析和突变检验等方法定量评估径流极值年际变化特征及其与极端降水、极端高温之间的关联。结果表明：近几十年，以3年为周期，极端高流量指数波动下降而极端低流量指数波动上升，湟水流域径流极端性有所降低；两类指数分别在2000年与2010年发生突变，2000年以前极端高流量指数水平较高而极端低流量指数较低，2010年后二者呈相反状态，2000—2010年处于较低水平。极端径流变化与近几十年流域整体极端降水强度显著上升和极端高温增强有关；具体表现为极端高流量与极端降水正相关，与极端高温负相关；极端低流量与极端高温正相关为主，与极端降水相关性不明显。研究结果可为气候、水资源敏感区域应对气候变化策略及水资源可持续管理做参考。

关键词: 湟水流域, 极端径流, 极端气候, 响应机制

The Huangshui River Basin, a region highly sensitive to climate change, was selected as a case study to investigate the evolution of extreme runoff at a regional scale and its climatic driving mechanisms. Daily average flow data were collected from seven stations in the basin. Mann–Kendall trend analysis and mutation tests were applied to assess the interannual variation of extreme runoff and its associations with extreme precipitation and high temperatures. The results indicate that over the past 60 years, the extremely high flow index in the basin has significantly decreased, whereas the extremely low flow index has notably increased. The frequency index did not exhibit any significant trend; however, all indices demonstrated persistence. Mutations in the high-flow index occurred around 2000, whereas mutations in the low-flow and frequency indices occurred in 2010. Cyclic analysis revealed that all indices exhibited a short cycle of approximately 3 years, whereas the frequency index also showed a long cycle of 32.5 years. Runoff variations were significantly correlated with an overall increase in extreme precipitation intensity, a decrease in precipitation duration, and an intensification of extreme high temperatures in the basin. Extremely high flows showed a positive correlation with extreme precipitation and negative correlation with extreme high temperatures. By contrast, extremely low flows exhibited a primary positive correlation with extreme high temperatures and weaker correlation with extreme precipitation. These findings provide critical insights for water resource management and flood disaster mitigation in the Huangshui River Basin.

Key words: Huangshui River Basin, Extreme runoff, Extreme climate, Response mechanism

中图分类号:

P343.1

图1 湟水流域示意图

Fig. 1 Geographical location and gauge station of the Huangshui River Basin

表1 极端径流指数特征统计值

Table1 Characteristic statistics of extreme runoff index

变量	名称	含义	单位
1DayMax	1日最大流量	年1日最大流量	m³/s
3DayMax	3日最大流量	年连续3日平均最大流量	m³/s
7DayMax	7日最大流量	年连续7日平均最大流量	m³/s
1DayMin	1日最小流量	年1日最小流量	m³/s
3DayMin	3日最小流量	年连续3日平均最小流量	m³/s
7DayMin	7日最小流量	年连续7日平均最小流量	m³/s
99th	极高流量日数	日流量>99%分位值的日数	d
95th	高流量日数	日流量>95%分位值的日数	d
90th	较高流量日数	日流量>90%分位值的日数	d

表1 极端径流指数特征统计值

Table1 Characteristic statistics of extreme runoff index

变量	名称	含义	单位
1DayMax	1日最大流量	年1日最大流量	m³/s
3DayMax	3日最大流量	年连续3日平均最大流量	m³/s
7DayMax	7日最大流量	年连续7日平均最大流量	m³/s
1DayMin	1日最小流量	年1日最小流量	m³/s
3DayMin	3日最小流量	年连续3日平均最小流量	m³/s
7DayMin	7日最小流量	年连续7日平均最小流量	m³/s
99th	极高流量日数	日流量>99%分位值的日数	d
95th	高流量日数	日流量>95%分位值的日数	d
90th	较高流量日数	日流量>90%分位值的日数	d

表2 极端气候指数特征统计值

Table 2 Characteristic statistics of extreme climate indices

变量	名称	含义	单位
PRCPTOT	年降水量	≥1 mm降水日累积量	mm
SDII	降水强度	年降水量≥1 mm日数	mm/d
CDD	连续无雨日数	最长连续无降水日数	d
CWD	连续有雨日数	最长连续降水日数	d
R25mm	大雨日数	日降水量≥25 mm日数	d
R10mm	中雨日数	日降水量≥10 mm日数	d
Rx1Day	日最大降水量	日最大降水量	mm
Rx5Day	5日最大降水量	连续5日最大降水量	mm
R95p	强降水量	日降水量>95%分位值的总降水量	mm
R99p	极强降水量	日降水量>99%分位值的总降水量	mm
SU	夏天日数	日最高气温>20 ℃的天数	d
Tn90p	暖夜日数	日最低气温>90%分位数的日数占比	%
Tx90p	暖昼日数	日最高气温>90%分位数的日数占比	%
WSDI	暖日持续指数	每年至少连续6天日最高气温>90%分位数的日数	d
TXx	最高气温极大值	年最高气温的最大值	℃
TNx	最低气温极大值	年最低气温的最大值	℃

表2 极端气候指数特征统计值

Table 2 Characteristic statistics of extreme climate indices

变量	名称	含义	单位
PRCPTOT	年降水量	≥1 mm降水日累积量	mm
SDII	降水强度	年降水量≥1 mm日数	mm/d
CDD	连续无雨日数	最长连续无降水日数	d
CWD	连续有雨日数	最长连续降水日数	d
R25mm	大雨日数	日降水量≥25 mm日数	d
R10mm	中雨日数	日降水量≥10 mm日数	d
Rx1Day	日最大降水量	日最大降水量	mm
Rx5Day	5日最大降水量	连续5日最大降水量	mm
R95p	强降水量	日降水量>95%分位值的总降水量	mm
R99p	极强降水量	日降水量>99%分位值的总降水量	mm
SU	夏天日数	日最高气温>20 ℃的天数	d
Tn90p	暖夜日数	日最低气温>90%分位数的日数占比	%
Tx90p	暖昼日数	日最高气温>90%分位数的日数占比	%
WSDI	暖日持续指数	每年至少连续6天日最高气温>90%分位数的日数	d
TXx	最高气温极大值	年最高气温的最大值	℃
TNx	最低气温极大值	年最低气温的最大值	℃

图2 湟水流域各水文站点极端径流指数变化情况图

Fig. 2 Variation of extreme runoff index at various hydrological stations in Huangshui River Basin

表3 湟水流域极端径流指数Hurst指数值

Table 3 Hurst index value of extreme runoff index in Huangshui River Basin

指数名称	桥头	西宁	吉家堡
3DayMax	0.678	0.681	0.651
3DayMin	0.705	0.795	0.718
90th	0.681	0.722	0.767

表3 湟水流域极端径流指数Hurst指数值

Table 3 Hurst index value of extreme runoff index in Huangshui River Basin

指数名称	桥头	西宁	吉家堡
3DayMax	0.678	0.681	0.651
3DayMin	0.705	0.795	0.718
90th	0.681	0.722	0.767

图3 西宁站点各极端径流指数时间趋势图

Fig. 3 Time trend of extreme runoff index at Xining station

图4 西宁站点极端径流指数突变检验结果图

Fig. 4 Abrupt change test results of extreme runoff index at Xining station

图5 西宁站点极端径流指数小波分析及集合经验模态分解结果图

Fig. 5 Extreme runoff index wavelet analysis and Ensemble Empirical Mode Decomposition （EEMD）result diagram at Xining

图6 湟水流域极端降水指数时空变化图

Fig. 6 Spatiotemporal variation of extreme precipitation indices in Huangshui River Basin

图7 湟水流域极端高温指数时空变化图

Fig. 7 Spatiotemporal variation of extreme heat indices in Huangshui River Basin

图8 湟水流域极端径流指数与极端降水（a）和极端高温指数（b）相关性热力图

Fig. 8 Heat maps of correlation between extreme runoff index and extreme precipitation （a） and extreme heat indices （b） in Huangshui River Basin

表4 湟水流域极端气候指数主成分载荷矩阵

Table 4 Eigenvalues and proportions of principle components of extreme climate indices in Huangshui River Basin

极端气候指数	主成分1	主成分2	主成分3
R95p	0.976	-0.053	0.040
R20mm	0.945	-0.055	0.079
R25mm	0.920	0.003	0.180
R99p	0.889	-0.013	0.209
SDII	0.853	0.286	-0.196
Rx1Day	0.832	0.085	0.143
Rx5Day	0.826	-0.064	0.244
R10mm	0.813	-0.063	-0.290
PRCP	0.802	-0.300	-0.154
SU	-0.033	0.941	0.013
Tx90p	-0.031	0.917	-0.054
TXx	-0.080	0.864	0.201
Tn90p	0.196	0.828	-0.308
WSDI	-0.134	0.802	0.221
TNx	0.218	0.790	0.111
CWD	-0.088	-0.561	0.298
CDD	-0.191	0.031	0.797
方差贡献率/%	41	29	7.3

表4 湟水流域极端气候指数主成分载荷矩阵

Table 4 Eigenvalues and proportions of principle components of extreme climate indices in Huangshui River Basin

极端气候指数	主成分1	主成分2	主成分3
R95p	0.976	-0.053	0.040
R20mm	0.945	-0.055	0.079
R25mm	0.920	0.003	0.180
R99p	0.889	-0.013	0.209
SDII	0.853	0.286	-0.196
Rx1Day	0.832	0.085	0.143
Rx5Day	0.826	-0.064	0.244
R10mm	0.813	-0.063	-0.290
PRCP	0.802	-0.300	-0.154
SU	-0.033	0.941	0.013
Tx90p	-0.031	0.917	-0.054
TXx	-0.080	0.864	0.201
Tn90p	0.196	0.828	-0.308
WSDI	-0.134	0.802	0.221
TNx	0.218	0.790	0.111
CWD	-0.088	-0.561	0.298
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