由图2、表3可以看出,渭河中游多年平均气温、气压、水汽压、风速和大气相对湿度的趋势率分别为0.35℃/10 a,0.96 hPa/10 a,0.11 hPa/10 a,-0.16 m/(s·10 a),-0.65%/10 a。季节变化中,气温四季都处于显著上升趋势,其中春季气温上升最快,达到0.49℃/10 a,说明渭河中游暖春现象明显; 气压和水汽压呈微弱上升趋势,四季变化幅度不大; 风速四季都呈下降趋势,其中春季下降幅度最大,达-0.19 m/s; 大气相对湿度除秋季上升外其余季节都为下降趋势,冬春两季下降明显,分别为-0.71%,-1.58%。总体来看,渭河中游气候有趋于暖干化的特征,冬春季节变化幅度较大。

表3 渭河中游气候要素变化趋势及特征值

图2 渭河中游气候要素年际与季节变化趋势

渭河中游气象要素倾向率空间变化特征见图3。可以看出,整个区域年平均气温呈上升趋势,但上升幅度区域有差异,其中,渭河宝鸡段及千河下游地区气温上升速度较快,最高达到了0.41℃/10 a,而千河上游及渭河武功段气温上升速度相对较为缓慢,升温速率为0.30℃/10 a,其他地区趋势率为0.33～0.36℃/10 a。气压变化表现为宝鸡与太白周边气压下降,幅度为-0.30～0.54 hPa/10 a,北部山区及东部地区气压呈上升趋势,气压空间变化整体上差异较小。年平均风速整体呈轻微下降趋势,平均下降幅度为0.16 m/s。其中,千阳地区、渭河中游南部地区下降幅度最大,为0.4 m/s,但在渭河中游西部地区风速有小幅度上升,上升幅度在0.1 m/s左右。平均相对湿度整体呈下降趋势,平均下降幅度为0.65%/10 a,下降趋势不十分明显。水汽压呈微弱上升趋势,平均趋势为0.1 hPa/10 a,其中宝鸡市区及周边有微弱的下降趋势。

运用小波变换法对渭河中游气候要素的周期变化进行分析。图4为渭河中游气候气象要素小波变化实部。从图4中可以看出,渭河中游年平均气温主要存在3～7 a和26～32 a的周期。在26～32 a时间尺度上,周期震荡显著。气压的变化存在一个25 a的周期,水汽压的变化没有发现明显的周期特征,湿度与风速变化也同样存在一个25 a的周期。由Mann-Kendall检验突变可以看出(图5),气温突变点在1996年,水汽压的突变点在1983年,湿度的突变点在2003年,气压与风速无突变发生,其中气温和水汽压都为突变上升,湿度为突变下降。

3.4.1 径流、降水及蒸发量变化 由图6可知,渭河中游各站的径流量与降水量均呈减少趋势,其中,林家村站的径流量与千河站的降水量变化最大,分别以0.48亿m³/a及2.04 mm/a的趋势减少。蒸发量则表现出波动变化,1980—1997年蒸发量为轻微增加趋势,1998—2017年蒸发量为显著减少趋势。蒸发量近年来显著减小的原因可能是由于风速减小造成的,加之渭河中游城市化进程不断加快,人类活动影响使得太阳辐射量减弱,导致蒸发量的下降。由于蒸发量在1995年,1997年出现两个较大值,整体上蒸发为增加趋势为2.66 mm/a。

图3 渭河中游气候要素倾向率空间变化特征

图4 渭河中游气候要素小波分析实部

图5 渭河中游气候要素突变分析

图6 渭河中游径流量、降水量与蒸发量年际变化

表4给出了渭河中游各水文站径流及降水年际变化特征的统计结果,从变差系数Cv值来看,径流量的年际变化幅度较大,最大值为林家村(Cv=0.72),降水量的年际变化幅度次之,最小值为千河站(Cv=0.20),蒸发量变化幅度最小,最小为林家村站(Cv=0.09)。从极值比来看,径流量的极值比最大,为林家村站,比值为58.12,降水量的极值比次之,最小值为千河站,比值为2.44,蒸发量极值比最小,最小为林家村站,比值为1.51。径流序列的波动程度要远大于降水量序列的波动幅度,其中林家村站的径流序列波动程度最大,千河站的降水序列波动幅度最小。从表5可以看出,各站的径流量在1990年后减少最为剧烈,其中处于渭河干流的林家村站径流量2000年后相对于20世纪60年代减少78.78%,降水量在20世纪90年代减少最为剧烈,其中千河站20世纪90年代的降水量相对于20世纪60年代减少了18.36%。整体上来看,渭河中游径流量的减少趋势大于降水量的减少趋势,蒸发量的变化趋势不明显。

表4 渭河中游径流量、降水量及蒸发量年际变化特征值

3.4.2 气侯要素与水文要素的相关性 气候要素是影响水文要素变化的主要原因之一,为了进一步讨论各水文要素与气候要素之间的关系,求出气候要素与水文要素之间的相关系数见表6。可以看出,渭河中游径流量与气温、气压和蒸发量呈现显著的负相关关系,与降水量和湿度呈现显著的正相关关系,与水汽压的相关关系较弱。蒸发量与气温和气压呈现显著的正相关关系,与湿度、水汽压和降水量有显著的负相关关系,与风速的负相关关系不显著(主要是由于20世纪90年代蒸发量突增所致,其余年代应为显著正相关)。

表5 渭河中游径流、降水及蒸发量代际变化率

表6 渭河中游水文要素与气象要素的相关系数

3.4.3 气候变化和人类活动对渭河中游径流的贡献率 为了进一步探究不同年代气候变化与人类活动对渭河中游径流量的影响程度的差异性,采用双累积曲线法对渭河中游的径流序列进行变异点诊断,结果见图7。可以看出,各站的径流和降水双累积曲线的斜率在1970年、1993年前后都发生了明显的变化。为更好印证这一判断,通过各站径流量累积曲线(图8)也可看出,在1970年与1993年前后径流量的累积距平值为先增大后减小,因此可以判定1970年与1993年为径流发生变异的年份。由此可将径流序列划分为1960—1970年、1971—1993年及1994—2015年3个时段。

由图9可以看出,在1970年和1993年各站径流、降水和蒸发量的累积曲线斜率都发生了明显的变化,并且在各分段内累积径流、累积降水和蒸发的线性相关程度都在0.99以上,通过显著性检验。以1960—1970年为基准期,计算相对于基准期的变化率见表7,可以看出,林家村和千河两站1971—1993年累积径流量斜率相对于基准期分别减少,益门站小幅增加,1994—2015年相对于基准期减少,各站径流量从20世纪70年代以来呈现出减少趋势,20世纪90年代后减少趋势更为显著,其中渭河林家村站减少最为明显。

图7 渭河中游降水量与各站径流量双累积曲线

图8 渭河中游各站年径流量累积距平

图9 渭河中游累积径流量、累积潜在蒸发量、累积降水量与年份的线性关系

为了进一步讨论人类活动与气候变化对各时期径流量变化的影响程度,采用累积量斜率变化率比较法计算降水和人类活动对径流量的影响。设降水对径流减少的贡献率为C_P,潜在蒸发对径流减少的贡献率为C_E,即气候变化对径流减少的贡献率为C_E+C_P,人类活动对径流减少的贡献率为C_H,见表8。可以看出进入1970s以来人类活动成为影响渭河中游地区径流量减少的主要因素,即20世纪70年代前为受人类活动影响径流较少时期,后两时期为受气候变化和人类活动影响较大的时期。20世纪70年代以来,渭河中游人类活动对径流量的影响不断增大。而20世纪90年代后,渭河中游气温发生了突变性上升,降水持续减少,对径流量产生较大影响。

表7 渭河中游累积径流量、降水量及蒸发量斜率及其变化率

表8 气候变化和人类活动对渭河中游径流量变化的贡献率

林家村站与千河站1971—1993年气候变化对径流减少的贡献率为分别为6.21%,8.89%,人类活动对径流减少的贡献率分别为93.79%,91.11%。可以看出渭河干流和支流千河径流量变化受人类影响较大,都在90%以上。1994—2015年人类活动仍然是影响径流减少的主要因素,贡献率分别为74.72%,62.68%,相对于1971—1993年的影响有所下降,1993年前自然气候对这两站径流减少的贡献率仅为10%以下,之后贡献率增加到25%以上。这可能是由于20世纪70年代以来渭河中游开始修建众多大型的水利水保工程,如冯家山水库、王家崖水库、宝鸡峡水利枢纽等,人为拦蓄成为径流量减少的主要因素,而20世纪90年代来气温的突变性上升,使潜在蒸散发量增加,使其对径流量减少的贡献率增加,从而导致气候变化对径流量减少的贡献率上升。同时,近些年来渭河中游大型水利水保工程规模趋于饱和,使得人类活动对径流量的影响程度趋于稳定,影响力显著下降。益门站所在清姜河流域径流量则受气候变化影响较大且较为稳定,这主要是由于清姜河流域主要位于秦岭山区,人类活动较少,因此这一区域人类活动对径流量变化的贡献率较小。