1、第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.41 No.1February，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology秦淮河流域气象水文要素变化特征及径流变化归因分析张顾1，2，黄亮1，2，王加虎3，蒋志昊4，陆晓平5，罗晓春1（1.江苏省气象服务中心，江苏 南京 210008；2.中国气象局交通气象重点开放实验室，江苏 南京 210008；3.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；4.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；5.江苏省秦淮河水利工程管理处，江苏 南京 210022）摘要：研究秦淮河流域气象水文要素变化特征及径流变化归因对
2、该流域水旱灾害防御工作具有重要指导意义。利用秦淮河流域气象水文观测数据和遥感资料，采用-z-h三参数综合指示法、联合突变检测法等分析该流域气象水文序列时空变化趋势、变异点和变异度，采用弹性系数法定量评估气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明：（1）秦淮河流域年平均气温和年径流深呈显著增加趋势，且未来仍将保持显著增长趋势；年降水量和参考作物蒸散量呈不显著增加趋势，且未来仍将维持微弱上升；年平均相对湿度呈显著减少趋势，且未来仍将维持显著减少。年降水量未发生变异，年平均相对湿度在2004年发生巨变异，年平均气温在1994年发生强变异，年参考作物蒸散量在2003年发生中变异，年径流深在2002
3、年发生弱变异。（2）基准期（19812002年）和变化期（20032019年）秦淮河流域径流深与降水量呈显著正相关，与参考作物蒸散量、下垫面指数呈负相关；变化期较基准期参考作物蒸散量和下垫面指数弹性系数增大，而降水量弹性系数减小，下垫面指数的变化对径流增加贡献量较大（91.20%），表明人类活动引起的下垫面变化是径流增加的主要因素，起正贡献作用。秦淮河流域城市发展应充分考虑土地利用和覆被变化的水文效应，一方面保护滞蓄能力较强的耕地和林地，另一方面关注气候变化带来的防洪压力。关键词：秦淮河流域；气象水文；时空变化；联合突变检测；Budyko假设；归因分析文章编号：1006-7639（2023）0
4、1-0054-10 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0054中图分类号：P339；P42 文献标志码：A引 言径流变化作为水循环和水资源研究的核心内容，影响因素包括气候变化和人类活动，气候变化主要通过温度、降水和蒸发来改变水分循环，IPCC第五次评估报告（王绍武等，2013）指出18802012年全球年平均气温升高了0.85，加剧了水资源数量改变和时空重新分配（张利平等，2008），中国发生干旱的范围由北方干旱和半干旱区向南方及东部湿润和半湿润区扩展，并且未来强度大、历时长的干旱事件发生频率会更高。近年来气候变化背景下秦淮河流域水旱灾害频繁，城市建
5、设等人类活动带来的水文效应增加，而流域气象水文要素趋势分析和突变检验研究较少，因此研究秦淮河流域气象水文要素在全球气候变化背景下的响应以及城市化下流域径流变化归因分析兼具理论和实践意义。有研究利用多种数理统计方法分析了滦河（陈宏等，2017）、洮河（朱丽等，2018）、石羊河（别强等，2012）等流域气象水文要素变化规律，结果表明流域气温呈明显上升趋势，而降水、径流等要素变化趋势和各要素突变情况因地区而异。流域径流变化归因分析方法包括水文模型法（Farsi and Mahjouri，2019）、双累积曲线法（Merriam，1937）、弹性系数法（Hu et al.，2012）等，其中水文模型
6、法通过水文模型量化气候变化的影响，能够描述径流演变的机张 顾，黄 亮，王加虎，等.秦淮河流域气象水文要素变化特征及径流变化归因分析 J.干旱气象，2023，41（1）：54-63，ZHANG Gu，HUANG Liang，WANG Jiahu，et al.Variation characteristics of meteorological and hydrological factors and attribution analysis of runoff variation in Qinhuai River Basin J.Journal of Arid Meteorology，2023，
7、41（1）：54-63，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0054收稿日期：2021-01-04；改回日期：2021-06-21基金项目：国家自然科学基金项目（41272042）、国家重点研发计划项目（2018YFC150806）、江苏省气象局科研项目（KQ202224）及中国电力建设股份有限公司项目（DJ-ZDZX-2016-02）共同资助作者简介：张顾（1993），男，江苏扬州人，硕士，工程师，主要从事气象服务和水文气象研究。E-mail：。通信作者：罗晓春（1970），男，江苏南通人，正高级工程师，主要从事气象服务研究。E-mail：29564
8、6190 。第 1 期张顾等：秦淮河流域气象水文要素变化特征及径流变化归因分析制，但模型参数多、运行过程复杂；双累积曲线法通过绘制曲线剔除参考变量影响，能够检验其他因素是否导致被检验变量发生显著趋势变化，但数据序列要求高；基于Budyko假设的弹性系数法考虑水文过程中水分和能量耦合平衡，可直接对各影响因素进行单独分析，方法简单高效，已应用于黄河（杨大文等，2015）、渭河（张丽梅等，2018）、滦河（周金玉等，2020）等流域径流变化归因分析研究。长江上游重庆段、下游抚河流域水文要素变化和径流变化归因分析已成为研究热点（刘波等，2018；刘子豪等，2019），然而秦淮河流域相关研究较少。为此，
9、本文利用秦淮河流域气象水文数据和遥感资料，对气象水文序列进行趋势分析和突变检测，计算径流变化对各因素的弹性系数，定量评价气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。研究明确了秦淮河流域气象水文要素变化规律，区分了气候变化和人类活动对径流变化的影响，为流域旱涝防灾和水资源管理提供决策参考。1研究区域和资料1.1研究区域秦淮河流域（11830E11930E，3130N3210N）地处长江下游右岸，干流长34 km，集水面积 2 631 km2，上游主要为山丘河道，落差大、水流急，共有16条支流，暴雨后洪水呈扇形向干流汇聚，汇流迅速。流域为亚热带湿润季风气候，气候湿润、雨热同季，多年平均降水量为1 114
10、.7 mm，多年平均参考作物蒸散量为976.1 mm。1.2资 料气象数据：流域及周边10个气象站（图1）19612019年逐日降水量、平均气温、平均相对湿度数据（由江苏省气象局提供）。参考作物蒸散（ET0）采用FAO56 Penman-monteith公式计算，构建气象要素序列，具体公式（Allen et al.，1998）如下：ET0=0.408(Rn-G)+900Tmean+273u2(es-ea)+(1+0.34u2)（1）式中：ET0（mm）为参考作物蒸散；（kPa-1）为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率；Rn（MJm-2d-1）为作物面净辐射量；G（MJm-2d-1）为土壤热通量，取
11、0；（kPa-1）为湿度计常数，取0.665 kPa-1；Tmean（）为空气平均温度；u2（ms-1）为地面以上2 m处风速；es、ea（kPa）分别为空气饱和水汽压、实际水汽压。水文数据：秦淮新闸、武定门闸水文站19812019 年逐日径流量数据（由秦淮河管理处提供）。考虑秦淮河流域面积，将径流量转化为径流深，构建水文要素序列。径流深为计算时段内某一过水断面上的径流总量平铺在断面以上流域面积上所得到的水层深度，具体公式（芮孝芳，2004）如下：R=W1+W21 000F（2）式中：R（mm）为径流深；W1、W2（m3）分别为秦淮新闸和武定门闸径流量；F（km2）为秦淮河流域面积。土地利用和
12、植被覆盖数据：19802018年中国土地利用现状遥感监测数据集和19982018年中国年度植被指数空间分布数据集（由中国科学院资源环境科学数据中心提供）。文中附图所涉及的行政边界均基于江苏省标准地图服务网站下载的审图号为苏 S（2019）014 号的标准地图制作，底图无修改。2方 法2.1-z-h三参数综合指示法提出-z-h三参数综合指示法（常远勇等，2012），分析流域气象水文要素序列的变化趋势。具体做法：先利用 M-K（Mann-Kendall）趋势检验（Mann，1945）得到序列上升或下降趋势和显著性z，然后利用 R/S（Rescaled Range Analysis）分析法（Hurs
13、t，1951）得到序列历史发展趋势在未来时期正持续性或反持续性Hurst指数h，再将三参数综合，则不同数值组合具有不同气候学指示意义（表1）。2.2联合突变检测法为防止检验出虚假变异点，提出包含 M-K 法图1秦淮河流域气象水文站点分布Fig.1Distribution of meteorological and hydrological stations in the Qinhuai River Basin5541 卷干旱气象（徐东霞等，2009）、Pettitt法（Pettitt，1979）、滑动t检验（郭巧玲等，2011）和 Yamamoto 法（Yamamoto et al.，1985
14、）联合突变检测法，选取权重最大的年份作为变异点；基于 Hurst系数对变异程度的划分方法确定变异度，具体公式（谢平等，2008）如下：h=121+ln(1+r)/ln 2h=121+ln(1+r)/ln 2（3）式中：h为无变异的Hurst系数临界阈值；r为显著水平为的相关系数；h为弱变异的Hurst系数临界阈值；r为显著水平为的相关系数。取=0.1、=0.01，计算得气象要素：h=0.640，h=0.708；水文要素：h=0.668，h=0.742。表2列出变异度分级表。2.3基于Budyko假设的弹性系数法基于Budyko假设的弹性系数法，评价径流对气候变化、人类活动的敏感性，定量计算气候
15、变化和人类活动对径流变化的贡献率。Budyko（1974）认为流域实际蒸散发量（E）主要受水分供应条件（降水量 P）和能量供应条件（参考作物蒸散量 ET0）控制。Choudhury（1999）和Yang等（2006）基于Budyko假设推导出流域水热耦合平衡方程，即Choudhury-Yang公式，结合水量平衡方程，可求解下垫面指数n，用微分方程表示不同因子对径流变化的贡献，具体公式如下：dR=fPdP+fET0dET0+fndn（4）式中：R（mm）为径流深；P（mm）为降水量；n为下垫面指数。此外，径流系数Cr（宫爱玺等，2012）反映流域内自然地理要素对径流的影响，干旱指数 Id（王劲松
16、等，2007）反映流域气候干旱程度，具体公式如下：Cr=RP（5）Id=ET0P（6）根据弹性系数的定义，各影响因子x（降水量、参考作物蒸散量、下垫面指数）的弹性系数表示如下：x=RxxR（7）式中：x为各影响因子的弹性系数。令=ET0P，可得各影响因子的弹性系数计算公式如下：P=(1+n)1/n+1-n+1(1+n)(1+n)1/n-ET0=1(1+n)1-(1+-n)1/nn=ln(1+n)+nln(1+-n)n(1+n)1-(1+-n)1/n（8）结合公式（4）、（7）可以改写如下：dR=PRPdP+ET0RET0dET0+nRndn（9）则各影响因子对径流变化的贡献量和贡献率表示如下：dRx=xRxdx（10）Cx=dRxdR100%（11）式中：dRx为各影响因子对径流变化的贡献量；Cx（）为各影响因子对径流变化的贡献率。3结果与分析3.1趋势分析图2为19612019年秦淮河流域平均气温、降水量、参考作物蒸散量、平均相对湿度及19812019年径流深年际变化。可以看出，近59 a秦淮河流域多年平均气温为15.82，呈上升趋势 0.30 （10 a）-1，且上升趋势通过=0.
