祁连山荒漠区气温、降水与河川径流关系分析

大野口水库水源主要靠降雨及融雪汇流而成，水库控制着整个大野口流域的来水量，且由于水库底层深入基岩层，无潜流，通过水位值可查得水库蓄水量，利用水位变化可求算出流域来水量。

5.3.1　气温、降水和流域河川径流的年际变化

（1）气温、降水和河川径流年际变化特征值

从表17可以看出，根据平均值μ的统计分析，祁连山大野口流域气温、降水量和河川径流量每年分别在1.62℃、374.06 mm和166.73 mm上下波动，其中，大气降水的44.57％形成了河川径流，也就是说，年河川径流量占年降水量的一半还不到。根据标准差σ统计分析，该研究区年均气温、年降水量和年河川径流量分别在1.16～2.08℃、307.43～440.69 mm、129.04～204.42 mm区间内变动的年份占68％。

表17　祁连山大野口流域气温、降水和河川径流年际变化特征（1994—2011年）

在研究的18年中，大约有12年的年均气温、年降水量和年河川径流量都分别在该区间范围内波动。根据变异系数Cv的统计分析，气温变异最大、河川径流量次之，年降水量最小，但总体上来看，变化幅度不大且都较接近。也就是说，祁连山大野口流域近18年来，极端气温、大暴雨和洪水发生的机率还是较小。

（2）气温、降水和河川径流年际变化回归分析

从表18可以看出，河川径流量与降水量强相关（相关系数大于0.75），与气温弱相关（相关系数小于0.75）。分析表明，降水量对河川径流量的变化有着显著的影响，因此在研究河川径流的影响因素中，首先要考虑降水量的影响，其次是气温。

表18　祁连山大野口流域气温、降水和河川径流年际相关系数

从图13、图14可以直观地看出残差的绝对数值都比较小，所描绘的点都在以0为横轴的直线上下随机散布，回归直线对各个观测值的拟合情况是良好的。说明气温、降水与河川径流之间有显著的线性相关关系。

图13　祁连山大野口流域年均气温残差分析（1994—2011年）

图14　祁连山大野口流域年均气温残差分析（1994—2011年）

R2检验（表19）：在回归统计区域中，复相关系数R、决定系数R2、调整系数R2分别为0.844、0.713、0.675；F检验（表20）：F检验值为18.64大于F0.05（2，15）=3.68；t检验（表21）：回归常数a=-29.72，回归系数b1=25.82，b2=0.41；检验系数t1=2.27和t2=5.21，都大于t0.05/2（15）=1.984。综合R2检验、F检验和t检验，河川径流量与气温、降水量之间的回归效果非常显著，可建立回归模型：

表19　祁连山大野口流域气温、降水和河川径流年际变化回归统计

表20　祁连山大野口流域气温、降水和河川径流年际变化方差分析

表21　祁连山大野口流域气温、降水和河川径流年际变化回归系数

r=25.82t+0.041p-29.72（R2＝0.713），式中r、t、p分别为年河川径流量、年均气温和年降水量。

从图15、图16可以看出，预测值与实测值重合率较高，说明上述回归模型高度可信。并从其回归模型可计算，如年均气温1.62℃、年降水量为374.06 mm，则流域年河川径流量的估计值为165.47 mm。

图15　祁连山大野口流域气温与河川径流实测与预测（1994—2011）(www.xing528.com)

图16　祁连山大野口流域降水与河川径流实测与预测（1994—2011）

（3）线性倾向分析法

运用线性倾向趋势检验法等分析结果表明，近18年以来，年均气温在0.7℃（1996年）和2.62℃（1998年）之间，气温呈波动性上升趋势（如图17），平均趋势变化率约为0.23℃/10 a。年均降水和河川径流出现过两次高峰，两次低谷（如图17）。降水和径流高峰同时发生在1998年（年降水量472.9 mm，年径流量236.1 mm）和2007年（年降水量550.9 mm，年径流量256.6 mm）；降水和径流的低谷一次发生在同一年（2001年降水量278.1 mm，年径流量106 mm），一次发生在不同年份，分别是2004年和2008年（2004年降水低谷为289.65 mm，2008年径流量低谷为152.5 mm）。降水和流域河川径流均呈波动性上升趋势（如图17），且二者平均趋势变化率均为18 mm/10 a左右。

根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第4次评估报告中指出：最近100年（1906—2005年）全球地表温度的线性趋势为（0.74±0.18）℃，与2001年第3次评估报告给出的100年（1901—2000年）上升0.6℃相比，有所上升。自1850年以来，最暖的12个年份中有11年出现在1995—2006年（1996年除外），过去50年升温率几乎是过去100年的2倍。近100年来中国大陆地区地表年平均气温增加0.5～0.8℃，年降水量呈现出明显的年际和年代际震荡。这与本分析结果基本一致，近18年以来，气候变暖确信无疑，且升温率提高相对较大。利用祁连山排露沟流域气象站、三角形量水堰对气温、降水和流域河川径流长期定位监测数据分析结果表明：试验流域多年平均气温为1.6℃，平均降水量为354.3 mm，年流域河川径流为118.2 mm。该结论与本研究（大野口流域与排露沟流域）相比，多年平均气温相差不大，仅高出0.02℃，但降水量和径流量相差略明显，其多年平均降水量高出约20 mm，多年平均流域径径流量高出48.5 mm。这说明不同的时空尺度（排露沟流域面积2.74 km2，大野口流域面积80 km2），其平均气温相差不明显，但年降水量和径流量相差明显。

图17　祁连山口大野口流域气温、降水和河川径流年际变化（1994—2011年）

总体来看，气温、降水和河川径流在波动趋势上基本保持一致，气温较高的年份，降水量和径流量一般较高，气温较低的年份，降水量和径流量一般较低。

5.3.2　气温、降水和流域河川径流年内变化

（1）气温、降水和河川径流年内变化回归分析

受气候、社会发展与人类活动的综合影响，径流变化规律非常复杂，具有不确定性、随机性、多时间尺度性、非线性等特性。通过长期定位监测，气温、降水和河川径流量与一年中的月份总是存在一定的数量关系，为此，以月份为自变量，以气温、降水和河川径流量为因变量，求出月份相关函数模型（如表22）。利用函数关系，可求得逐月模拟值，将这些模拟数据与2012年定位监测的统计值相比较（如表23）。

表22　祁连山大野口流域气温、降水和河川径流相关回归模型（1994—2011年）

表23　祁连山大野口流域气温、降水与河川径流模拟与实测值比较（1994—2012年）

注：m为模拟值，a为实测值。

从表24可以看出，气温、降水和河川径流模拟值差异发生的年内月份各自不同，气温、降水和河川径流最大的模拟值差异分别发生在1月份、9月份和4月份，最小的模拟值差异分别发生在12月份、8月份和12月份，这说明模拟差异在年内无规律可循，是随机发生的。

表24　祁连山大野口流域气温、降水和河川径流模拟与实测的差值排位

（2）月均值或月累积分析法

统计18年来气温、降水和河川径流的定位监测数据，气温采取月平均算法，降水和河川径流采取月累积算法，分析结果如图18所示，在一年内，气温、降水和河川径流量变化步调基本一致，1月份气温最低，平均值为-11.91℃，降水量和河川径流量相应也最低，平均值分别为2.74 mm和0.32 mm，2月份径流量也较低，但这并非科学意义上的最低，因为逐月径流量是本月每日径流量的累积，而2月份往往是28或29天，因此在统计上表现了2月份径流量较低的现象，其实，通过多年监测，2月份径流量比1月份要大。随着气温的逐渐升高，降水量和径流量也随之攀升，直到7月份，气温、降水和径流都增至最大，平均值分别为14.38℃、82.48 mm、37.48 mm，其中，降水和径流量分别占全年的22.05％和22.48％（如图18）。从7月份开始，气温、降水和径流逐渐减小，直到第二年1月份，气温、降水和径流都减至最小。通过18年的定位监测，祁连山大野口流域的气温、降水和径流年内变化一直呈现这种规律，周而复始。

图18　祁连山大野口流域气温、降水和河川径流年内变化（1994—2011年）