0 引言
在过去几十年里北半球中纬度地区的气候变化最快［4］， 这一区域以及北半球高纬度地区的冬季气温明显升高［5］。北极冰冻圈广布， 气温升高导致北极地区的鄂毕河（Ob River）、 叶尼塞河（Yenisei River）和勒拿河（Lena River）径流量均表现出增加趋势［6-8］。先前的研究表明， 近几十年区域气候变暖造成多年冻土退化和活动层增厚， 导致更多地表水转化为地下水， 使河流冬季径流增加［9-11］。北极河流径流的变化会影响海冰热力过程和海洋温盐环流［12-13］。勒拿河流域每年有524 km3的淡水流入北冰洋， 占流入北冰洋总水量的15％［14-15］。然而， 现阶段对该流域气候变化及其对河流径流的影响研究仍然较少。为此， 本文利用最新资料（1936—2017年）， 分析了勒拿河流域近80年来的气候和径流变化趋势， 并研究了气候变化对径流的影响， 以期为未来北极水资源变化研究及合理管理利用提供科学依据。
1 研究区域概况
图1
2 资料介绍
自20世纪30年代末以来， 西伯利亚地区的水文观测资料由俄罗斯水文气象部门系统发布。该数据已被多家水文机构广泛使用（Arctic and Antarctic Research Institute （AARI）， St. Petersburg et al.）。本文使用的是1936—2017年入海口处水文站点的月径流数据集。
3 研究结果
3.1 气候变化
3.1.1 气温变化
图2给出了勒拿河流域的气温变化曲线。从中可以看出， 研究期内年平均气温上升0.18 ℃·（10a）-1（超过99%的信度）。1936—1947年气温呈波动变化趋势， 1948—1991年呈下降趋势， 其中1966年下降趋势显著， 1992—2017呈上升趋势， 其中2008—2017年上升趋势显著。气温突变时间为2004年。20世纪30年代气温较高， 随后气温大幅度下降， 在20世纪50年代降至最低点， 之后气温持续升高， 从20世纪50年代至今气温升高了1.8 ℃。勒拿河流域仅5—9月的气温在0 ℃以上， 除9—10月外， 其它月的气温均表现出上升趋势（其中1—2月超过95%的信度， 3—6月超过99%的信度）， 其中3月增温最为明显， 1月次之， 总体来说， 11—6月增温较为明显。
图2
图2
勒拿河流域气温变化
Fig.2
Annual variation of temperature （a）， Mann-Kendall abrupt test of annual temperature （b）， decadal variation of temperature （c） and monthly variation of temperature and their trend （d） in Lena River Basin
3.1.2 降水量变化
图3给出了勒拿河降水量变化曲线。可以看出， 勒拿河年降水量呈增长趋势， 增加率为4.7 mm·（10a）-1（超过99%的信度）。1936—1948年降水量呈波动变化趋势， 1949—2017年呈上升趋势， 其中1959—1986年、 1988—1990年和2000—2017年上升趋势显著。降水量突变时间为1950年、 1954年、 1955年和1993年。年代降水量呈波动上升趋势， 其中20世纪60年代降水量最多， 20世纪40年代降水量最少。勒拿河流域春末至秋初的降水量较大， 除6月外， 其它月的降水量均呈增长趋势（其中1—2月和11月超过99%的信度， 3月、 5月及9—10月超过95%的信度）， 总体来说， 秋季增加最为明显， 春季次之。
图3
图3
勒拿河流域降水量变化
Fig.3
Annual variation of precipitation （a）， Mann-Kendall abrupt test of annual precipitation （b）， decadal variation of precipitation （c） and monthly variation of precipitation and its trend （d） in Lena River Basin
3.2 径流变化
3.2.1 年平均径流和年代际径流变化
勒拿河年平均径流呈增加趋势（图4）， 且增长速率为399 m3·s-1·（10a）-1（超过99%的信度）。勒拿河1940—1943年、 1945—1947年和1954—1956年径流呈下降趋势， 其余年份呈上升趋势， 其中1978年、 1981—1985年、 1989年、 1998—2002年和2005—2017年上升趋势显著。径流突变时间为1996年。勒拿河年代总径流量呈波动上升趋势， 并且20世纪末的增加量最为明显。从20世纪30年代至21世纪初， 由勒拿河流入北冰洋的总水量约为48 667.4 km3。
图4
图4
勒拿河流域径流变化
Fig.4
Annual variation of runoff （a）， Mann-Kendall abrupt test of annual runoff （b） and decadal variation of runoff （c） in Lena River Basin
3.2.2 不同季节的径流变化
春季、 夏季、 秋季和冬季径流分别占全年总径流量的5.8%、 65.4%、 24.6%和4.2%。为了研究勒拿河季节径流年际变化趋势， 图5给出了径流季节年际变化曲线。可以看出， 勒拿河在4个季节的径流均呈增加趋势， 其中春季径流的增加最为明显， 冬季次之， 秋季最少。勒拿河春季、 夏季、 秋季和冬季的径流分别增加804.0 m3·s-1·（10a）-1（超过99%的信度）、 110.6 m3·s-1·（10a）-1、 60.3 m3·s-1·（10a）-1和282.7 m3·s-1·（10a）-1（超过99%的信度）。
图5
图5
勒拿河流域不同季节的径流变化
Fig.5
Annual variations of runoff in spring （a）， summer （b）， autumn （c） and winter （d） in Lena River Basin
3.2.3 月径流变化
图6为勒拿河月平均年代际径流变化曲线。可以看出每个年代的径流变化趋势比较一致， 1—4月的径流较小， 4月后径流明显增加， 5月后增加更为迅速， 并在6月达到了峰值； 6月后径流迅速减小， 到7月时径流几乎降至峰值的一半； 7月之后， 径流减小速度减缓， 至11—12月， 径流趋于稳定状态。除6月外， 每月的月平均径流都呈增加趋势（1—5月及10—12月超过99%的信度）， 其中5月增加量最大， 平均增加1 914.6 m3·s-1·（10a）-1。此外， 8—10月径流增加也较为明显。
图6
图6
勒拿河流域的年代际月平均径流变化（a）及月平均径流变化趋势（b）
Fig.6
Decadal variations of monthly mean runoff （a） and mean monthly runoff changing trend （b） in Lena River Basin
3.3 气候变化对径流的影响分析
3.3.1 气温、 降水与径流变化的对比
隋翠娟等［20］的结果表明： 1—4月气温在上升， 但总体较低， 降水量也较小， 导致1—4月的径流明显偏小； 4—6月径流的增加主要是由积雪融化造成的， 降水的影响次之； 6—7月， 径流大幅度下降， 主要是由于7月已经没有更多的积雪融化来补给径流。
图7
图7
气温、 降水与径流变化的对比
Fig.7
Comparison of the variations in temperature， precipitation and runoff
3.3.2 相关性分析
表1给出了径流与气温和降水量的相关系数。春季径流与春季气温呈显著正相关， 是由于春季气温升高， 导致积雪消融加快， 从而加大了春季径流。夏季、 秋季径流与夏季气温呈负相关， 是由于气温升高增加了蒸发量， 进而使径流量减小。夏季径流与春季气温呈负相关， 是由于气温升高导致更多积雪在春季融化， 从而使夏季融化的积雪减少， 径流也随之变小。以上结果与前面气温、 降水与径流变化的对比分析是一致的。冬季径流与春季、 夏季和冬季气温呈显著正相关， 是由于气温升高导致冻土退化或活动层厚度增加， 促进更多冻结水进入径流过程， 致使径流增加。研究结果表明， 俄罗斯地区多年冻土含冰量极高， 冻土融化或活动层厚度增加会释放大量冻结水［8，21］。
表1 径流与气温和降水量的相关系数
Table 1
| 径流 | 气温 | 降水 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 春季 | 夏季 | 秋季 | 冬季 | 春季 | 夏季 | 秋季 | 冬季 | |
| 春季径流 | 0.681** | 0.232* | 0.151 | 0.210 | 0.224* | 0.096 | 0.041 | 0.050 |
| 夏季径流 | -0.147 | -0.210 | 0.052 | 0.082 | 0.337** | 0.482** | 0.185 | 0.223* |
| 秋季径流 | -0.145 | -0.209 | 0.052 | 0.083 | 0.338** | 0.482** | 0.186 | 0.224* |
| 冬季径流 | 0.399** | 0.277* | 0.140 | 0.264* | 0.134 | 0.189 | 0.301** | 0.114 |
春季径流与春季降水量呈同步显著正相关， 夏季径流与春季降水呈滞后显著正相关、 与夏季降水量呈同步显著正相关， 秋季的径流与春季、 夏季降水量呈滞后显著正相关。径流与降水量呈同步显著正相关， 是由于降水直接补给了径流， 径流量随降水的增多而增大， 与降水量呈滞后显著正相关， 是由于选取了入海口站点的径流资料， 降水到达站点具有一定的延迟性。冬季径流与秋季降水量呈滞后显著正相关， 是由于秋季降水增多使得更多的地表水入渗为地下水， 进而使得冬季径流增加。春季径流与夏季气温呈显著正相关， 夏季、 秋季径流与冬季降水量呈显著正相关， 其原因还需进一步研究。
4 结论
本文根据全球降水气候学中心（GPCC）及俄罗斯水文气象部提供的1936—2017年间的气温、 降水和径流数据， 分析了勒拿河流域近80年来的气候和径流变化趋势， 并研究了气候变化对径流的影响。结果表明：
（1）勒拿河流域的气候经历了变湿变暖的过程。研究期内年平均气温上升0.18 ℃·（10a）-1， 11月—次年6月增温较为明显。气温突变时间为2004年。勒拿河年降水量增加率为4.7 mm·（10a）-1。降水量秋季增加最为明显， 春季次之。降水量突变时间为1950年、 1954年、 1955年和1993年。
（2）勒拿河年平均径流呈增加趋势， 且增长速率为399 m3·s-1·（10a）-1。4个季节的径流都呈增加趋势， 其中春季径流的增加最为明显， 冬季次之， 秋季最少。径流突变时间为1996年。从20世纪30年代至21世纪初年代， 由勒拿河流入北冰洋的总水量约为48 667.4 km3。
（3）不同季节径流与气温和降水的相关性表明： 春季径流的增加主要是由春季气温升高所致的积雪加速消融造成的， 其次是春季降水的补给。夏、 秋季径流的增加主要原因是降水的贡献， 气温升高加剧蒸发反而使径流减少。冬季径流增加， 是由于气温升高导致冻土退化或活动层厚度增加， 促进更多冻结水进入径流过程， 致使径流增加。
北极勒拿河流域年平均气温较低， 仅5—9月的月平均气温在0 ℃以上， 流域内大约78%~93%的面积都分布有多年冻土。因此研究气温升高所导致的积雪融化和冻土退化等对径流的影响非常重要， 需要进一步搜集可靠的相关数据， 对此作更具体的分析。
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