長江徑流強度的演變、區域協同模式及其驅動機制
《Journal of Hydrology》：Evolution of streamflow intensity, regional synergistic patterns, and driving mechanisms of the Yangtze River
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時間：2026年01月09日
來源：Journal of Hydrology 6.3
編輯推薦：
氣候變暖與人類活動驅動下長江流域流量強度時空演變及機理研究，基于56年11站日流量數據，采用等量分位數方法構建多級流量貢獻序列，結合主成分分析與氣候-水庫調度因子解析，揭示秋冬季流量強度顯著空間協同衰減與冬季回升的周期性特征，春夏季變化異質性明顯，主要干流與湖泊 connected 次流域存在強協同變異，降水蒸發影響極端流量頻率，水庫調度主導流域尺度流量結構重組，為流域適應性水資源管理提供新視角。
馮宇晴|塞爾吉奧·M·維森特-塞拉諾|吳志勇|尹浩|劉振辰|李陽倩|何海
河海大學水文與水資源學院，南京210098，中國
摘要
受全球氣候變化和人類活動的影響，了解徑流結構的時空演變對于有效的水資源管理和風險控制至關重要。盡管以往的研究主要集中在長江流域的極端徑流事件上，但徑流強度結構的季節性特征及其空間連貫變化模式仍待深入探討。此外，驅動這些變化的根本機制也需要進一步研究。本研究分析了長江流域11個代表性水文站的日徑流數據。采用等分位數方法構建了多類別徑流貢獻序列，并通過主成分分析來檢測季節性區域一致性。通過整合降水、蒸散量和水庫調度數據，進一步研究了氣候因素和人為影響。結果表明，秋季和冬季的徑流強度變化顯著且具有空間一致性——秋季下降，冬季上升；而春季和夏季的變化較弱且空間異質性較大。在主干河流子流域和東南部湖泊連接子流域中，發現了強烈的季節性協同變化。進一步分析顯示，降水和蒸散量變化主要影響極端徑流的頻率，而整個流域的徑流結構變化則主要由水庫調節控制。總體而言，本研究揭示了徑流強度的復雜季節性和空間動態，并強調了氣候變率和人類調節的雙重影響。這些發現為大型河流流域的氣候適應性水資源管理提供了新的見解。
引言
河流徑流的時間和空間變化及其強度分布對區域生態系統、社會經濟發展和可持續水資源管理有著深遠的影響。越來越多的證據表明，氣候變化和人類活動顯著改變了全球河流系統，導致徑流模式的變化（Gudmundsson等人，2021年）、河流網絡中的流量分布變化（Feng和Gleason，2024年）以及徑流季節性的減弱（Wang等人，2024年）。作為水資源系統的核心組成部分，檢測和理解徑流變化的機制對于綜合流域管理和氣候適應性水資源分配至關重要。
長江是世界第三長河，也是中國最大的河流，已成為眾多研究的重點，這些研究探討了該流域的年際徑流變化和極端事件頻率（Huang等人，2024年；Cheng等人，2019年），指出了降水模式的演變、由于溫度升高導致的大氣蒸發需求增加，以及人類干預——包括水庫運營（Hao等人，2024年；Huang等人，2024年）、水資源抽取（Hao等人，2024年；Zeng等人，2024年）和土地利用變化（Zeng等人，2024年；Wang等人，2018年；Xu等人，2017年）——作為主要驅動因素。值得注意的是，三峽、丹江口和白鶴灘水庫的建成極大地重塑了主干河流和支流的自然水文過程，對年際和季節性徑流產生了顯著的工程調節效應（Dai等人，2008年；Hao等人，2024年）。
盡管取得了這些進展，但大多數關于長江及其他受調節河流的研究（Hannaford等人，2025年；Dang和Pokhrel，2024年；Gudmundsson等人，2021年）都集中在趨勢或極端事件上，而非徑流強度整體結構的變化上。傳統的基于特征的水文方法，如最大值、最小值、平均值和百分位數統計，常用于趨勢識別和變化評估。例如，水文變化指標（IHA）方法（Guo等人，2022年；Gao等人，2012年；Richter等人，1997年）通過提取流量極端值、變異系數和事件持續時間等指標來評估人為引起的水文變化。雖然這些方法在捕捉整體水文趨勢方面有效，但往往忽略了流量分布的結構變化，可能忽略不同流量強度水平的響應。
此外，基于分位數或頻率的方法可以提供徑流的概率分布和分位數結構的見解，并廣泛用于評估強度演變和識別極端事件。典型應用包括等頻率分位數分析，以評估不同強度事件的頻率和變化率（Li等人，2022年；Hu等人，2021年；Karl和Knight，1998年）；通過低流量分位數識別極端干旱事件（Chang等人，2025年；Qi等人，2025年）；以及評估流量序列與生態參考區間（例如流量持續時間的第25-75百分位數）的偏差程度，以推斷潛在的生態系統影響，如生態盈余和生態赤字（Cheng等人，2019年；Gao等人，2012年）。盡管這些方法能夠捕捉不同強度的事件，但高頻低流量事件可能會在等頻率方法中掩蓋調節信號，降低對工程干預的敏感性。
為了解決這些局限性——即缺乏對徑流強度演變的全面結構評估以及傳統基于分位數方法的潛在偏差——本研究引入了“等量分位數方法”（Osborn等人，2000年），基于月度累積徑流構建多強度流量類別。該方法能夠敏感地檢測受調節河流系統中的強度驅動的水文變化和重構，將以往基于分位數的分析擴展到對徑流強度的結構理解。此外，以往的研究主要依賴于觀測分析來研究徑流的區域共變，而子流域間協調模式的定量識別較為有限。在這里，我們采用主成分分析并提供載荷數據來識別表現出季節性或年際變化的子流域。此外，結合定性和定量分析，揭示了不同強度級別的事件對流域水文氣候變化和水庫調節的全面響應。
通過結合定性和定量分析，本研究旨在：（1）檢測和量化長江流域徑流強度變化的時間演變和空間差異；（2）探索季節性徑流強度與關鍵氣候和人為驅動因素之間的區域協同模式；（3）研究徑流再分配對關鍵氣候和水庫調節的結構響應。最終目標是從流量貢獻結構的角度揭示自然-人工耦合系統下徑流強度的響應特征，為適應性和精細的水資源管理提供理論支持。
研究區域
長江主干流長度超過6300公里。其水系具有典型的樹狀結構，支流眾多，主干流和支流共同構成了一個總面積約為180萬平方公里的龐大流域。根據水文地貌特征和水系結構，本研究首先將長江流域劃分為四個主要流域：上游支流流域、中游支流流域、下游支流流域
數據
本研究使用了1965年至2020年間來自長江流域10個子流域內11個水文站的日徑流數據，共56年。所選站點基于數據完整性和站點穩定性進行篩選，以確保數據集的可靠性和代表性。站點的空間分布和位置如圖1a所示，詳細站點信息見表S1。
氣象
徑流強度的時間趨勢
在YC站點，1965年至2020年間，各徑流類別（1-10類）的相對貢獻表現出年際變化，不同類別之間存在統計學上的顯著趨勢。特別是，最低和最高徑流類別的貢獻在長期平均值附近波動，突出了徑流的季節性動態（圖2a）。最低類別的貢獻在春季和冬季下降，而最高類別的貢獻
長江流域徑流強度的變化
本研究以幾種新穎的方式加深了對長江流域徑流強度變化的理解。首先，與許多僅關注特征流量指標或極端事件的研究不同（Dang和Pokhrel，2024年；Patterson等人，2013年），我們的分析強調了不同強度級別上徑流強度的全面結構演變，提供了更全面的水文動態視圖。其次，我們采用了等量分位數方法
結論
本研究使用等量分位數方法分類、主成分分析（PCA）和相關性分析，分析了長江流域徑流強度的多尺度變化、空間模式及其驅動機制。闡明了徑流強度的時空特征及其對自然氣候變率和人為調節的響應。在年度尺度上，徑流強度的趨勢不顯著，而在季節性尺度上，變化明顯
未引用參考文獻
Li等人，2022a；Li等人，2022b；Zhang等人，2025a；Zhang等人，2025b。
CRediT作者貢獻聲明
馮宇晴：撰寫——初稿、軟件、方法論、概念化。塞爾吉奧·M·維森特-塞拉諾：撰寫——審閱與編輯、監督、概念化。吳志勇：資源獲取、資金籌集。尹浩：撰寫——審閱與編輯。劉振辰：撰寫——審閱與編輯。李陽倩：資源。何海：撰寫——審閱與編輯。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（編號：U2240225）的支持。作者衷心感謝中國留學基金委項目的支持（項目編號：202406710050）。
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