本研究采用的气象资料包括1960— 2015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。

表1

Table 1

表1(Table 1)

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

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

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。

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。

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（m³/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。β ₁、β ₂、β ₃和β ₄为回归系数, ε 为随机误差。

本研究利用决定性系数R²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。

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1960— 2015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（p< 0.01), 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（p< 0.01), 降水增加速率分别为11.96 mm/10a, 21.11 mm/10a和13.14 mm/10a。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 1960— 2015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

表2 1960— 2015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

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（p< 0.01)。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。

2.2.1 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。

图2

Fig. 2

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	图2 1960— 2015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

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（6— 8月）, 而50 hPa标准等压面大气温度季节变化平缓。

图3

Fig. 3

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	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1990— 2015年和1960— 1989 年平均Fig. 3 Seasonal variations of temperature for different standard isobaric surfaces of the Almaty, Yining and Kuqa sounding stations (1990-2015 and 1960-1989 means)

相对于1960— 1989年, 1990— 2015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1960— 2015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℃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

Fig. 4

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	图4 1960— 2015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（5— 9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

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5— 9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月份仅相差不足50 m。阿拉木图、伊宁和库车在1990— 2015年间的0℃层高度峰值分别可达4342 m、4348 m和4724 m。对比分析1960— 1989年和1990— 2015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]。

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 (m³/s)/10a和4.60 (m³/s)/10a（p< 0.05)。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4— 6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（4— 6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

Fig. 5

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	图5 1960— 2015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

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, R²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。

图6

Fig. 6

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	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）6— 8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)