基于高空与地面观测的阿克苏河流域气候水文要素变化分析.pdf

doi10.12006/j.issn.1673-1719.2017.035 王志成 , 方功焕 , 张辉 , 等 . 基于高空与地面观测的阿克苏河流域气候水文要素变化分析 [J]. 气候变化研究进展 , 2018, 14 1 1-10 基于高空与地面观测的阿克苏河流域 气候水文要素变化分析 王志成 1 ，方功焕 2 ，张 辉 1 ，李万江 1 ， 陈亚宁 2 ，周洪华 2 1 新疆塔里木河流域阿克苏管理局，阿克苏 843000； 2 中国科学院新疆生态与地理研究所/荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐 830011 气候变化研究进展 第 14 卷 第 1 期 2018 年 1 月 CLIMATE CHANGE RESEARCH V ol. 14 No. 1 January 2018 摘 要本研究基于地面和高空资料，分析了阿克苏河流域 19602015年的气候和水文变化特征，并探讨了高空气候 变量在径流反演中的作用。结果表明，在全球变化背景下，阿克苏河流域地表温度呈显著升高趋势，线性倾向率为 0.18℃ /10a（-0.09～ 0.43℃ /10a；流域降水总体呈增加趋势，增加速率为 10.42 mm/10a（2.23～ 21.11 mm/10a。阿 拉木图、伊宁和库车 3个高空探测站的 0℃层高度总体呈上升趋势。相对于 19601989年， 19902015年 3个站的 0℃ 层高度分别增加了 88.9 m、29.4 m和 7.2 m。联合使用地面气温、降水和高空 0° 层高度资料，能显著提高阿克苏河流 域夏季流量反演效果。 关键词气候变化；高空气候；0℃层高度；阿克苏河流域 收稿日期 2017-02-22；修回日期 2017-04-13 资助项目 中国科学院“西部之光”人才培养计划2016QNXZB12；国家自然科学基金重点项目（41630859；新疆自然科学基金面上项目（2017D01A79） 作者简介王志成，男，高级工程师， 引 言 山区是干旱、半干旱区亚洲大多数河流的发源 地，是水资源的重要形成区 [1] ，同时存在丰富的冰 川、积雪等固态水资源，且降水相对丰富，养育着 世界约 1/6 的人口 [2-3] 。因此，山区气候水文过程 愈来愈受到关注。 阿克苏河属于典型的中纬度高山跨境河流， 发源于吉尔吉斯斯坦境内，流域总面积 5 万 km 2 ， 多年平均径流量为 80.59 亿 m 3 。阿克苏河有两条 支流，其中，西支为托什干河，多年平均径流量 为 26.63 亿 m 3 ，北支为库玛拉克河，多年平均径 流量为 47.88 亿 m 3 （图 1。阿克苏河是唯一一条 常年向塔里木河输水的河流，多年平均下泄塔里木 河水量为 33.76 亿 m 3 ，占塔里木河干流补给量的 气 候 系 统 变 化 70～ 80 [4] ，是塔里木河最大的补给来源。因此， 理解其气候水文变化对塔里木河流域生态安全与丝 图 1 阿克苏河流域地形与气象水文站点分布及阿克苏河流 域在中国的位置图 Fig. 1 Topographical conditions and meteorological and hydrological stations of the Aksu River Basin and its location in China 43˚N 42˚N 41˚N 40˚N 39˚N 75˚E 76˚E 77˚E 78˚E 79˚E 80˚E 81˚E 82˚E 83˚E 84˚E 高空站 水文站 气象站 河流 阿克苏河流域 高程 /m 8569 -227 气候变化研究进展 2018 年 2 气 候 系 统 变 化 绸之路经济带建设至关重要。 在全球变暖背景下，前人在器测资料以来地面 气候变化方面进行了诸多研究和探讨。研究结果表 明，塔里木河流域总体向暖湿方向转变，气温和降 水均在 20 世纪 80 年代中期发生了跳跃式突变，且 自 20 世纪 80 年代中期以来气温和降水均保持较高 的增长趋势，年相对湿度增加幅度约为 10 [5-6] 。 然而，对高空气候变化和地面气候变化的联合研究 尚不充足。 高空气候变化与地面气候变化一样，都是 20 世纪后半叶全球气候变化的指示器 [7-8] 。在对流层 中，气温一般随着高度上升而下降，0℃气温所在 的位势高度即为 0℃层高度。在高山区水文状况变 化的影响因素研究中，0℃层高度被认为是一个重 要的临界参量，可以反映中低对流层的气温特征， 在一定程度上影响高山冰川消融平衡线的变化，影 响冰川积雪融水过程，从而改变冰川积雪融水对河 流径流的补给。程瑛等 [9] 通过研究“七·一”冰 川与酒泉探空资料认为，高空 0℃层高度与冰川末 端高度具有很好的线性相关；Chen 等 [10] 指出中国 西北干旱区在 19602009 年间 0℃层高度与夏季 径流量存在相同的变化趋势， 在天山和祁连山北坡， 0℃层高度和径流量都存在增加趋势；另外，毛炜 峄等 [11] 指出 1999 年夏季阿克苏河流域特大洪水期 间 0℃层高度与日径流量有显著的相关关系；宫恒 瑞等 [12] 指出乌鲁木齐河日平均流量与 0℃层高度 有较好的线性关系。显然，0℃层升高已成为反映 高山区雪线上升、冰雪融化、出山径流量增加的一 个重要指标。0℃层高度以及不同气压层的温度变 化对分析冰川积雪融水具有重要的指示作用。 然而， 综合考虑地面和高空气候变化，并建立其与水文要 素之间的定量关系的研究相对薄弱。 阿克苏河流域补给水源主要来自于冰川和积雪 融水、降水以及地下基岩裂隙水，其两条支流托什 干河与库玛拉克河的出山口径流中分别有 23.0和 43.8 的径流来自冰川融水，26.7 和 27.2 的 水量来自积雪融水，50.9 和 28.5 的水量来自降 水 [13] ，气温升高对径流变化的贡献可达 45 [14] 。 由于阿克苏河流域冰川和积雪融水比例较高，地 面气象观测资料往往分布在平原绿洲区，难以代 表冰川积雪区的气候特征，高空气象资料可在一 定程度上反映高山区的气候变化。本研究试图从 地面和高空气象资料入手，综合分析阿克苏河流 域气象因子的变化，及其与径流量的关系，从更 广的角度理解复杂山区、多源补给河流的水资源 形成规律。 1 数据资料与处理 1.1 气象与水文资料 本研究采用的气象资料包括 19602015 年地 面气象资料和高空资料（表 1。地面资料包括 7 个气象台站，分别为吐尔尕特、乌恰、阿合奇、柯 坪、阿克苏、阿拉尔和库车站，观测变量包括气温 和降水，资料来源于中国气象数据网的中国地 面气候资料日值数据集。该数据集由中国 756 个 基本、基准地面气象观测站及自动站经过严格的 质量控制和检查进行整编统计而得。 高空探测站包括哈萨克斯坦境内的阿拉木图站 （ALMAY）和中国境内的伊宁和库车站，观测变 量包括不同气压层的位势高度、温度等，资料来源 于美国国家海洋大气局（NOAA）的全球探空数据 集（IGRA。IGRA 数据集集合了全球 2700 多个站 点的无线电高空测候器和热气球资料，提供了标准 和可变压力层的气候变量信息， 观测变量包括压力、 温度、位势高度、相对湿度、露点、风向和风速等。 观测时次分为 00 时和 12 时，考虑到温度记录的完 整性，本研究选择850 hPa，700 hPa，500 hPa， 400 hPa，300 hPa，200 hPa，100 hPa 和 50 hPa 共 8 个标准等压面大气温度分析不同标准气压层的温 度变化，选取全部压力层的位势高度和温度计算 0℃层高度。 阿克苏河流域水文资料来源于塔里木河流域阿 克苏管理局，包括两条支流托什干河（沙里桂兰克 水文站）和库玛拉克河（协合拉水文站）的出山口 月流量数据。由于这两个水文站受人类活动的直接 干扰非常小，因此，在之后的分析中不考虑人类活 动对径流的影响。 1 期 3 王志成，等基于高空与地面观测的阿克苏河流域气候水文要素变化分析 1.2 0℃层高度估算 通过观测发现，阿克苏河流域夏季 0℃层基本 上介于 850 ～ 500 hPa 等压面之间，且可能会存在 多个 0℃层高度，选择最低的 0℃层高度值。由于 12 时的 0℃层高度对山区的冰川积雪融化影响更 大，本研究只选取 12 时的夏季 0℃层高度。0℃层 高度的计算步骤为首先分别判断出每日 12时 0℃ 层位置的上下两个标准等压面，然后利用线性插值 法 [10,15] ，计算出每日的 0℃层高度（假定温度在两 个气压层垂直方向上均匀变化。计算 0℃层高度 的算法如式 1 所示。式中变量 H 代表位势高度（m，T 代表大 气温度（℃，下标 0 为 0℃层的标识，1 和- 1 分 别为 0℃层上、下两个标准等压面的标识。 1.3 基于地面和高空气候的径流量反演 本研究利用多元线性回归模型构建阿克苏河流 域地面和高空气候与夏季径流量的关系。对于托什 干河，选取距离较近的吐尔尕特、乌恰、柯坪和阿 合奇的地面气象资料和阿拉木图站的高空资料作为 自变量构建多元回归模型。对于库玛拉克河，选取 阿克苏、阿拉尔和库车的地面资料和库车、伊宁站 H 0 T 0 - T-1 H-1 。 1 H 1 - H-1 T 1 - T-1 的高空资料作为自变量建立多元回归模型。为了探 讨高空气候变化在径流反演中的作用，本文设置了 两组模拟实验1 基于气温与降水的径流量反演 （即不加 0℃层高度；2 基于气温、降水和 0℃ 层高度的径流量反演（即加 0℃层高度）如式 2。 式中，Y（m 3 /s）表示模拟的月径流量。对于 库玛拉克河，T（℃ 、P（mm）分别为阿克苏、 阿拉尔和库车的地面气温和降水的平均值， H （m） 为库车和伊宁站 0℃层高度的平均值。对于托什干 河，T、P 分别为吐尔尕特、乌恰、柯坪和阿合奇 的地面气温和降水的平均值，H 为阿拉木图的 0℃ 层高度。 b 1 、 b 2 、 b 3 和 b 4 为回归系数， e 为随机误差。 本研究利用决定性系数R 2 和均方根误差 RMSE 对模型的拟合优度进行检验，利用 F 值对模 型的显著性进行检验。 2 结果分析 2.1 地面气候变化 表 2 展示了阿克苏河流域 7 个地面气象台站的 气温和降水在 19602015 年的变化趋势。阿克苏 河流域气温平均上升速率为 0.18℃ /10a，降水增 表 1 阿克苏河流域气象水文站点信息 Table 1 Meteorological and hydrological stations in the Aksu River Basin 台站名称 吐尔尕特 阿合奇 乌恰 阿克苏 库车 柯坪 高程 /m 类别 时段 3504.4 1984.9 2175.7 1103.8 1099.0 1161.8 地面气象站 地面气象站 地面气象站 地面气象站 地面气象站 地面气象站 19602015 19602015 19602015 19602015 19602015 19602015 台站名称 阿拉尔 阿拉木图 伊宁 库车 沙里桂兰克 协合拉 高程 /m 类别 时段 1012.2 662.0 664.0 1081.9 2000.0 1487.0 地面气象站 探空气象站 探空气象站 探空气象站 水文站 水文站 19602015 19601961 19651994 20062015 19671971 19782015 19671972 19782015 19602015 19602015 Y b 0 b 1T b 2P e Y b 0 b 1T b 2P b 3H e 。2 { 不含 0℃层高度 含 0℃层高度 气候变化研究进展 2018 年 4 气 候 系 统 变 化 表 2 19602015 年阿克苏河流域地面气温和降水变化 Table 2 Annual and seasonal changes and trends of near-surface air temperature and precipitation in Aksu River Basin during 1960-2015 加速率为 10.42 mm/10a，均通过了 0.01 显著性水 平检验。对于 3个高山站吐尔尕特、阿合奇和乌恰， 气温呈显著上升趋势 （p0.01， 分别为 0.27℃ /10a、 0.25℃ /10a 和 0.31℃ /10a（表 2。3 个高山站的降 水也呈增加趋势，但仅有阿合奇呈显著增加趋势 （p0.01，降水增加速率分别为 11.96 mm/10a， 21.11 mm/10a 和 13.14 mm/10a。 对于 4 个平原站，气温总体呈上升趋势，除 库车地面气温有微弱下降趋势（-0.09℃ /10a） 外，阿克苏、柯坪与阿拉尔站的气温均呈上升态 势。其中阿克苏站的气温增加速率为 0.43℃ /10a （p0.01。4 个平原台站的降水均呈增加趋势， 其中 3 个站通过 0.01 的显著性检验，增加速率介 于 2.23 ～ 11.53 mm/10a，低于高海拔山区降水增 加速率。 对气温和降水的季节变化分析表明，1960 2015 年阿克苏河流域气温上升了约 1.0 ℃，年 平均气温及春、夏、秋、冬四季气温均呈上升趋 势，其中以春、秋、冬季最明显（表 2。在空间 上，高海拔地区的站点（如吐尔尕特、阿合奇和 乌恰）对气候变化响应更为敏感，气温上升幅度约为 1.4℃～ 1.7℃。位于阿克苏市的阿克苏站气温上升 幅度为 2.4℃，其他平原站点的上升幅度较低，甚 至出现下降趋势。年平均降水及春、夏、秋、冬季 降水自 1960 年以来呈普遍增加趋势，56 年间流域 台站 气温 /℃ 气温变化速率 / （℃ /10a） 1.5 1.3 1.4 2.3 0.7 -0.3 0.9 1.1 吐尔尕特 阿合奇 乌恰 阿克苏 柯坪 库车 阿拉尔 阿克苏流域 注* 代表变化趋势通过 0.01 显著性水平检验。 降水 /mm 降水变化速率 / （mm/10a） 春 夏 秋 冬 年 1.1 0.9 1.2 2.0 -1.3 -1.3 -0.6 0.3 2.0 1.7 2.3 2.7 0.1 -1.0 -0.5 1.0 1.5 1.7 2.1 2.6 1.6 0.5 1.1 1.6 1.5 1.4 1.7 2.4 0.3 -0.5 0.2 1.0 10. 7 13.4 -0.7 4.0 7.1 2.0 -0.2 5.2 34.9 53.9 55.0 17.9 36.4 17.5 10.4 32.3 17.9 44.0 14.1 15.9 15.4 2.8 -0.4 15.7 3.5 6.9 5.2 6.7 5.7 6.0 2.7 5.3 67.0 118.2 73.6 44.5 64.6 28.3 12.5 58.4 0.27 0.25 0.31 0.43 0.05 -0.09 0.04 0.18 11.96 21.11 13.14 7.95 11.53 5.06 2.23 10.42 春 夏 秋 冬 年 * * * * * * * * * * 降水增加了 58.4 mm。高海拔地区的站点气温上升 幅度更高、降水增加幅度更大，对气候变化更为敏 感，使得以山区为主要水源地的阿克苏河流域的水 文过程与水资源变化更为复杂。 2.2 高空气候变化 2.2.1 标准等压面大气温度变化 阿克苏河流域周边阿拉木图、伊宁和库车 3 个高空站的标准等压面的温度变化表明，1960 2015 年间 3 个高空站的 850 ～ 400 hPa 标准等压面 呈现出升温趋势，而 200 ～ 50 hPa 标准等压面以 降温为主导特征，其中 100 ～ 50 hPa 标准等压面 比 300 ～ 200 hPa 降温趋势明显，3 个站点均呈现 出高层大气温度降低和低层大气温度升高的变化趋 势（图 2。注意到，阿拉木图、伊宁和库车站分 别存在 14 年、13 年和 12 年的缺测值，但是 3 个 站点缺测值发生的年份不同，在一定程度上可以反 映出阿克苏河流域高空大气温度的变化特征，即近 50 多年来对流层中下层温度上升，而高层温度下 降 [16-17] ，与全球高空气温的变化趋势一致。 标准等压面大气温度季节变化如图 3 所示，可 以看出，850 ～ 200 hPa 标准等压面，大气温度季 节变化呈单峰型，峰值出现在 7 月，6 月和 8 月次 之；100 hPa 标准等压面大气温度季节变化与低层 相比， 呈现出反相位， 最低值出现在夏季 （68月 ）， 1 期 5 王志成，等基于高空与地面观测的阿克苏河流域气候水文要素变化分析 图 2 19602015 年阿拉木图、伊宁和库车探空站标准等压面大气温度变化 Fig. 2 Variation of temperature for different standard isobaric surfaces during 1960-2015 of Almaty, Yining and Kuqa sounding stations 而 50 hPa 标准等压面大气温度季节变化平缓。 相对于 19601989 年，19902015 年阿拉木 图和伊宁站的低层大气标准等压面温度在春季、秋 季和冬季增加幅度最大，而其他月份的增加幅度较 小，表现出与地面气温相同的季节变化趋势。对于 高层大气，气温普遍存在降低趋势，其中 50 hPa、 100 hPa 和 200 hPa 标准等压面的温度降低幅度约 为- 1.4℃、0.8℃和 0.3℃，其中以冬季降低幅度 最大。 2.2.2 0℃层高度 通过对阿克苏河流域 3 个探空站的 0℃层高度 的年际变化分析发现（图 4，虽然 3个站点均存在 一些缺测值，但是 19602015 年 0℃层高度总体 呈现上升趋势， 阿拉木图、 伊宁和库车的 7月份 0℃ -55 -60 -55 -60 -65 -54 -56 -58 -44 -46 -48 -28 -30 -32 -15 -20 -2 2 0 14 12 10 8 气温 /℃ 50 hPa 100 hPa 200 hPa 300 hPa 400 hPa 500 hPa 700 hPa 850 hPa 1960 1980 2000 年 1960 1980 2000 年 1960 1980 2000 年 气温 /℃ 气温 /℃ 气温 /℃ 气温 /℃ 气温 /℃ 气温 /℃ 气温 /℃ 阿拉木图 伊宁 库车 气候变化研究进展 2018 年 6 气 候 系 统 变 化 图 3 阿拉木图、伊宁和库车站的标准等压面大气温度季节变化 19902015 年和 19601989 年平均 Fig. 3 Seasonal variations of temperature for different standard isobaric surfaces of the Almaty,Yining and Kuqa sounding stations1990-2015 and 1960-1989 means 层高度的线性上升速率分别为 25.89 m/10a，10.22 m/10a 和 7.28 m/10a。由于阿拉木图站在 1995 年 3 月至 2006 年 1 月期间缺测值较多，其变化速率可 能存在较大的不确定性。 图 4 19602015 年阿拉木图、伊宁和库车站 0℃层高度 6 月、7 月和 8 月的年际变化和季节变化（59 月） Fig. 4 Annual only for June, August and September and seasonal from May to September variations of 0℃ level height of Almaty, Yining and Kuqa sounding stations during 1960-2015 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 气温 /℃ 850 hPa 2 4 6 8 10 12 月 2 4 6 8 10 12 月 2 4 6 8 10 12 月 700 hPa 500 hPa 400 hPa 200 hPa 300 hPa 50 hPa 100 hPa 850 hPa 700 hPa 500 hPa 400 hPa 200 hPa 300 hPa 50 hPa 100 hPa 850 hPa 700 hPa 500 hPa 400 hPa 200 hPa 300 hPa 50 hPa 100 hPa 阿拉木图 伊宁 库车 19601989 年 19902015 年 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 气温 /℃ -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 气温 /℃ 5000 4500 4000 3500 3000 4500 4000 3500 3000 1960 1970 1980 1990 2000 2010 年 0℃层高度 /m 0℃层高度 /m 5000 4500 4000 3500 3400 0℃层高度 /m 4400 4200 4000 3800 3600 0℃层高度 /m 5000 4500 4000 0℃层高度 /m 3800 4800 4600 4400 4200 4000 0℃层高度 /m 1960 1970 1980 1990 2000 2010 年 1960 1970 1980 1990 2000 2010 年 9 月 5 6 7 8 9 月 5 6 7 8 9 月 5 6 7 8 阿拉木图 库车 伊宁 6 月 7 月 8 月 7 月线性趋势线 19601989 年 19902015 年 阿克苏河流域 0℃层高度的季节变化如图 4 所示，可以看出，3 个探空站在 59 月均呈单峰 型，峰值出现在 7 月份，与地面气温的季节分布 一致。8 月份的 0℃层高度仅次于 7 月份，与 7 月 1 期 7 王志成，等基于高空与地面观测的阿克苏河流域气候水文要素变化分析 份仅相差不足 50 m。阿拉木图、伊宁和库车在 19902015 年间的 0℃层高度峰值分别可达 4342 m、4348 m 和 4724 m。对比分析 19601989 年和 19902015 年的 0℃层高度，发现 3 个站点的 0℃ 层高度均呈增加趋势，平均增加分别为 88.9 m、 29.4 m 和 7.2 m，与中国西北干旱区的 0℃层高度 变化趋势一致 [18] 。 2.3 流量变化 随着气候变化，阿克苏河流域托什干河和库玛 拉克河的水文条件与出山口流量也发生了变化（图 5。1960 年以来托什干河（沙里桂兰克水文站） 和库玛拉克河（协合拉水文站）的出山口流量均呈 增加趋势， 线性增加率分别为 3.52 m 3 /s/10a和 4.60 m 3 /s/10a（p0.05。在季节上，各个月份的流量 均呈增加趋势，其中托什干河流量增加主要发生在 46 月份，而库玛拉克河的流量增加主要发生在 7 月份。这主要是流域产汇流过程的不同所致，托什 干河融雪水和融冰水分别占总出山口流量的 26.7 和 23.0，而库玛拉克河融雪水和融冰水比重约为 27.1 和 43.8 [13] ，气温升高导致托什干河融雪径 流（ 46月份融雪期）和库玛拉克河融冰径流（6 7 月份）显著升高。 图 5 19602015 年阿克苏河流域托什干河（沙里桂兰克） 和库玛拉克河（协合拉）流量的年际和季节变化 Fig. 5 Intra and inter annual variation of streamflow of the Kumalik River and the Toxgan River in the Aksu River Basin during 1960-2015 2.4 基于地面和高空气候的径流量反演 图 6 显示了阿克苏河流域两条支流两种多元线 性回归模型对夏季流量的模拟效果。结果显示，对 于两条支流不加 0℃层高度的模拟效果较差。在多 元线性回归模型中加入 0℃层高度（代表高空气候 变化，协合拉水文站的模拟效果显著提高，R 2 由 0.35 提高到 0.66，F 值由 12.3 提高到 40.9。沙里 桂兰克水文站的模拟效果也有一定程度的提高。加 入高空气候资料后，库玛拉克协合拉水文站的模拟 效果改善程度好于托什干河的沙里桂兰克水文站。 3 讨 论 随着全球气候变暖，自 1960 年以来，阿克苏 河流域气温升高，升温幅度明显高于全国和全球平 均水平 [3,14,19-20] 。在空间上，高海拔区对气候变化 的响应更为敏感，表现为其升温幅度和降水增加幅 度均高于低海拔平原区。阿克苏市的升温速率，达 到了 0.42℃ /10a，这可能与绿洲冷岛效应的减弱、 绿洲区的气温被高估有关 [21] 。库车站的近地面气 温表现为下降趋势，而高空气温表现为上升趋势， 可能与地面气象站观测到的气温受太阳辐射、土壤 湿度、土地利用、蒸散发等影响有关，地面气象站 对气候变化信号的捕捉可能存在误差，而高空气候 条件提供了一个更为稳健的气候变化信号。 阿克苏河主要由冰川和积雪融水、降水以及 地下基岩裂隙水补给。其中冰川和积雪融水占补 给量的 36.0 ～ 70.9 [14,22] 。在过去几十年中， 阿克苏河流域的流量呈增加趋势， Li 等 [14] 和 Duethmann [23] 指出气温对阿克苏河流域径流升高的 贡献可达到 45，降水和潜在蒸散发的贡献均为 22。气温升高及由此导致的冰川融水增加是库玛 拉克河流量增加的主导因素，而在托什干河，气温 和降水的共同增加对流域出山口流量的贡献更大。 鉴于阿克苏河流域水文过程复杂，径流组份多源， 用单纯的气温和降水难以表达径流过程，而在流量 反演模型中加入 0℃层高度（代表高空气温条件） 能显著提高两条支流的流量模拟效果。值得注意的 是，协合拉的流量模拟效果优于沙里桂兰克，沙里 1960 1970 1980 1990 2000 2010 年 250 200 150 100 50 600 400 200 0 流量 /m 3 /s 流量 /m 3 /s 2 4 6 8 10 12 月 沙里桂兰克 协合拉 沙里桂兰克 19601989 年 协合拉 19601989 年 沙里桂兰克 19902015 年 协合拉 19902015 年 气候变化研究进展 2018 年 8 气 候 系 统 变 化 图 6 阿克苏河两条支流河托什干河（沙里桂兰克）与库玛拉克河（协合拉水文站）68 月实测流量与模拟流量 Fig. 6 Observed and simulated summer streamflows of the Toxgan River Shaliguilanke and the Kumalik Rvier Xiehala hydrological station 桂兰克的流量很难用气温、 降水和 0℃层高度表达， 尤其是径流极值，说明沙里桂兰克的水文过程更加 复杂，稀少的气象数据难以表达空间气候信息。同 时，库玛拉克河的冰川和积雪融水比重高于托什干 河，而冰雪消融对于气温变化敏感，所以库玛拉克 河的模拟效果相对较好。然而，在洪水预报、水文 干旱评估等方面，简单的多元回归模型仍存在很大 不足，需要具有物理机制的水文模型来实现 [24-25] 。 4 结 论 本文综合评估了阿克苏河流域地面和高空气候 变化，并利用地面和高空联合气候变化信息反演了 夏季流量。得出以下结论。 1 在全球变暖背景下，阿克苏河流域近地面 气温总体呈显著升高趋势，增加速率为 0.18℃ /10a （-0.09 ～ 0.43℃ /10a，高海拔区升温速率高于 低海拔平原区。 阿克苏河流域降水呈普遍增加趋势， 增加速率为 10.42 mm/10a（2.23 ～ 21.11 mm/10a。 2 对于高空气候变化，阿拉木图、伊宁和库 车 3 个探空站在 850 ～ 400 hPa 标准等压面呈现出 升温趋势，而 200 ～ 50 hPa 标准等压面以降温为 主导特征。相对于 19601989 年，19902015 年 的 0℃层高度分别增加了 88.9 m、 29.4 m和 7.2 m。 3 联合使用地面和高空气候资料，能提高阿 克苏河流域夏季径流量反演效果。通过在多元线性 0 100 200 300 400 400 300 200 100 0 模拟流量 /m 3 /s 沙里桂兰克 协合拉 不加 0℃层高度 400 300 200 100 0 模拟流量 /m 3 /s 加 0℃层高度 0 100 200 300 400 实测流量 /m 3 /s 实测流量 /m 3 /s 0 200 400 600 800 1000 800 600 400 0 模拟流量 /m 3 /s 实测流量 /m 3 /s 200 1000 0 200 400 600 800 1000 800 600 400 0 模拟流量 /m 3 /s 实测流量 /m 3 /s 200 1000 R 2 0.25 RMSE 51.7 F 12.6 R 2 0.35 RMSE 111.9 F 12.3 R 2 0.25 RMSE 51.8 F 18.0 R 2 0.66 RMSE 88.2 F 40.9 9 王志成，等基于高空与地面观测的阿克苏河流域气候水文要素变化分析 1 期 回归模型中加入 0℃层高度，两条支流库玛拉克河 和托什干河的模拟效果有了一定提高，特别是冰川 融水比重较高的库玛拉克河，模拟效果大幅提高。 虽然在短期内阿克苏河流域随着气温升高冰川 积雪融水量增加，径流量会继续增加，但是，就长 远来看，随着气温进一步升高，冰川积雪储量减少， 未来流量势必会出现减少趋势。因此分析地表和高 空气候变化对流量的影响可为准确掌握气候变化及 其导致的水资源变化提供科学依据， 服务于国家 “一 带一路”建设。 参考文献 Immerzeel W W, van Beek L P, Bierkens M F. 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