張晶,鄂崇毅,許乃軍,吳成永,張兆康

(1.青海師范大學 地理科學學院，青海 西寧 810008；2.青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青海 西寧 810008；3.青?？婶斂撕兴睾〖壸匀槐Ｗo區(qū)服務中心，青海 德令哈 817000)

引言

政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)發(fā)布的第四次評估報告指出，全球平均增溫0.074℃/10 a(1906～2005年)[1]，而青藏高原平均增溫0.52℃/10 a(1963～2009年拉薩地區(qū))[2]。青藏高原海拔高、空氣稀薄、氣候寒冷、生態(tài)環(huán)境脆弱，致使其對全球變暖的響應突出敏感[3]，因而研究青藏高原氣候變化成為當前關注的熱點問題。

青海湖位于青藏高原東北緣，是我國第一大內陸高原咸水湖，屬典型的構造斷陷湖。已開展大量研究：利用各種古環(huán)境感應體，重建該流域全新世以來的古氣候變化[4-6]；近幾十年來，通過氣象觀測站測得的數據，分析了該流域年均氣溫、年降水量等氣候因子的變化[7-8]；并基于現代器測資料，闡明該流域的氣候變化對青海湖水情、湖泊水位的影響[9-10]。然而，其中欠缺從長時間尺度(過去、現在與未來)探討氣候變化與湖泊水位變化的研究。

本文鑒于早全新世暖干條件下的青海湖低水位[11]啟發(fā)，運用比較法與相關系數法，分析古氣候古環(huán)境記錄和現代器測資料對青海湖湖泊水位變化的影響，從長時間尺度探討氣候變化對湖泊水位變化的影響，為青海湖生態(tài)環(huán)境演變等研究內容提供理論基礎。

1 材料與方法

青海湖流域(36°15′-38°20′ N,97°50′-101°20′ E)東至日月山、西至橡皮山、北至大通山、南至青海南山,流域總面積約為29 661 km2，湖泊面積約為4 400 km2，整個流域呈西北-東南走向，地形西北高東南低，屬于內陸盆地。青海湖是以河流補給為主、輔以降水和冰川融水補給的封閉湖泊，入湖河流共計50條，多為季節(jié)性河流，主要有布哈河、沙柳河、泉吉河、哈爾蓋河、甘子河、黑馬河和倒淌河7條，流域河網空間分布不對稱，西北稠密、流量大，東南稀疏、流量小(圖1)。該流域氣候類型屬于高原大陸性氣候，植被以高寒草甸、高寒灌叢為主[12]。

依據距離青海湖較近和觀測時間較長的原則，選用該流域的天峻(37.30° N, 99.03° E, 海拔3418 m)、茶卡(36.78° N, 99.08° E, 海拔3089 m)、共和(36.28° N, 100.62° E, 海拔3291 m)和剛察(37.33° N, 100.13° E, 海拔3302 m)4個氣象站(圖1)1958～2012年觀測資料，運用一元線性回歸方程、最小二乘法、氣候傾向率等，計算出該流域的年均氣溫、年降水量，并得到其變化趨勢；收集了青海湖北岸沙陀寺水文站(37.04° N, 99.74° E, 海拔3354 m)1958～2012年水位觀測資料，運用線性趨勢法對水位的逐年變化進行了趨勢檢驗，并以Person系數(R)分析水位變化與該流域的多年年均氣溫、年降水量變化之間的相關性。

圖1 青海湖流域的氣象觀測站和水文站位置分布

2 結果與分析

2.1 青海湖流域現代氣候的變化

氣候因子的變化決定了青海湖流域徑流量的豐枯。本文收集了環(huán)湖地區(qū)4個氣象站(天峻、茶卡、共和、剛察)的氣溫與降水數據，通過線性趨勢法、氣候傾向率得到：剛察、茶卡、共和3個站近54年的年均氣溫上升趨勢基本一致，表明環(huán)湖地區(qū)的氣溫變化呈逐年增加，且同全球的氣溫變化趨勢一致；自進入21世紀以來，氣溫增幅明顯；其中剛察站的年均溫波動變化較茶卡站、共和站大，這可能是海拔差異所致[13](圖2a)。從年降水量來看，環(huán)湖地區(qū)的降水量逐年微弱增加；在20世紀90年代，各地區(qū)的降水波動幅度較大；而進入21世紀以來，茶卡、共和的年降水量變化趨于平緩，剛察仍有小幅波動(圖2b)。

圖2 1958～2012年環(huán)湖地區(qū)氣溫(a)和降水量(b)的年際變化曲線

以氣候傾向率與線性回歸方程，對剛察站1958～2012年的逐年四季氣溫、降水量變化情況進行分析，表明：季均溫波動增加且升幅明顯，尤以冬季極為顯著；在20世紀90年代，夏季均溫波動較??；近54年來，春、秋與冬季均溫波動較大，特別是進入21世紀以來，除秋季外均溫的變化更加顯著，增溫趨勢更加明顯(圖3a)。該流域的降水量春季降低，而夏、秋與冬季呈增加趨勢；夏季降水增幅最為明顯，降水量的季節(jié)變幅由大到小依次為：夏季>秋季>春季>冬季；夏、秋季降水量，在20世紀90年代波動明顯，而進入21世紀以來波動逐漸減小(圖3b)。

圖3 1958～2012年剛察站氣溫(a)和降水量(b)的季節(jié)變化曲線

2.2 近54年青海湖水位波動的基本特征

從《青海湖志》獲悉[12]，距今3.6～2.7 千年的布哈河口水文站兩處遺址，海拔約3215 m，當時湖面高程約3 210 m，湖泊水位基本穩(wěn)定；而在距今1.4 千年～20世紀20、30年代，湖泊水位緩慢下降；20世紀30年代后，受人類活動的影響，湖泊水位開始快速下降，1958～1985年，沙陀寺水文站測得湖泊水位年均降低約10 cm/a(圖4)。

圖4 1958～1985年青海湖沙陀寺站年均水位變化

已有研究[14-15]發(fā)現：1959～2012年，青海湖下社水文站在1959年水位最高(3 196.6 m)，2004年水位最低(3 192.9 m)，而自2005年開始，水位出現明顯的持續(xù)上升趨勢，為近50年來首次出現且連續(xù)13a回升，水位上升速度為12.9 cm/a，隨后逐漸接近20世紀70、80年代的水位(圖5)。1959～2012年，青海湖水位年均值為3 194.3 m；1979年以前，青海湖多數年份平均水位高于均值，即該階段為偏高期；直至2014年10月青海湖水位達到3 194.5 m，湖泊水位再現偏高期。21世紀以來，2005年水位漲幅最大，為0.43 m；2011年次之，達0.24 m。

圖5 1959～2012年青海湖水位變化

3 討論

3.1 青海湖水位波動的氣候成因

青海湖水位的變化受到氣候(氣溫、降水量、地表蒸散量)、人類活動[16](水澆地面積、草地灌溉面積與年灌溉量、人畜飲水量)及其他因素(冰川融水、凍土覆蓋率、流域生態(tài)環(huán)境等)的影響。研究過去-現在的青海湖氣候[17]、水位變化，重建該流域古氣候、古環(huán)境(圖6)：早全新世(約10～8.5 千年)氣候暖干，湖泊水溫高于現在0.3～0.5℃，水位比現在相對低；中全新世(約8.5～4 千年)氣候暖濕，湖泊水溫比現在高約1.8℃，水位比現在高約9 m；晚全新世(約4～0 千年)氣候冷干，湖泊水位波動降至3 194.8 m，約接近2016年水位值。20世紀90年代，隨全球變暖日益明顯，湖泊水位持續(xù)下降，下降速率約0.79 m/10 a[19]，其中在1979年前出現偏高期；21世紀以來，極端氣候頻繁出現，湖泊水位波幅明顯，2005年波幅最大，2011年次之，2014年水位上升接近1979年的水平。其原因主要是暖干氣候導致青海湖湖泊水位下降，而人類活動對其影響微乎其微[20-21]，因此氣候因子是青海湖水位變化的決定因素。

圖6 末次冰消期以來青海湖湖面(a)[4，18]、水位(b)[11]和7月水溫(c)[11]變化

將現有的青海湖湖泊水位與器測氣溫、降水量數據進行相關分析，得到(圖7)：水位變化與氣溫的相關系數為0.292，在0.05水平上顯著相關；與降水量的相關系數為0.444，在0.01水平上顯著相關。表明：氣溫、蒸發(fā)并不是影響湖泊水位變化的關鍵因素，而降水量的變化與其密切相關(表1)。其原因可能為：青海湖流域地處西風環(huán)流、亞洲季風與高原季風的交互作用區(qū)，導致夏季降水量增多。李棟梁等[22]發(fā)現，高原季風指數與青海湖流域夏季降水量的相關系數為0.307，達到95%置信水平。

圖7 青海湖水位變化與年均氣溫(a)、年降水量(b)的相關性

表1 1959～2012年青海湖水位變化速率與降水量的關系

3.2 基于湖泊水量平衡的青海湖水位變化分析

根據1965～1985年水文資料，基于湖泊水量平衡公式(3-1)，計算出入湖年均徑流總量27.46億m3(其中地表徑流14.43億m3，地下徑流13.03億m3)，湖面年均降水量15.78億m3，湖泊水位下降0.1 m/a，即水量年均虧損4.47億m3，三者相加得出湖泊水面理論上的年均蒸發(fā)量47.71億m3。

δH=Q+R-E

(3-1)

δH: 水位年際變化值；Q: 入湖地表徑流量；R: 湖面降水量；E: 蒸發(fā)量

氣溫升高、降水量增加致使青海湖周圍的入湖河流徑流量顯著增加，表明氣候變化對湖泊水位的上升有明顯作用。如圖1所示，青海湖湖周直接入湖的河流有48條，其中較大的有布哈河(流域面積幾近青海湖流域面積的一半，年徑流量約占流域的53%)、泉吉河、沙柳河、哈爾蓋河、黑馬河；不直接入湖的較大河流有2條，分別為甘子河、倒淌河。該流域西北部面積廣闊，河網較密，布哈河、泉吉河等分布于此，入湖水量占總量的80 %以上[23]，年地表總徑流量15.35×108m3[24]，且經相關分析發(fā)現：1960～2009年湖面降水量與入湖徑流量的相關系數為0.563，達到99%置信水平[12]。此外，范建華和施雅風(1992)[25]、馬鈺(1994)[26]、丁永建等(1995)[9]、李林等(2005)[27]、李燕等(2014)[28]的研究結果也表明：降水量是青海湖水位波動的根本原因。

在全球變暖的背景下，冰川和凍土對我國寒區(qū)水文、生態(tài)和氣候影響十分顯著，冰川融水、凍土融化等也會對湖泊水位變化有一定貢獻。劉寶康等[14]通過遙感解譯發(fā)現：青海湖流域內的現代冰川共22條，分布于布哈河上游的崗格爾肖合力(38°14′ N,98°42′ E)，面積約13.29 km2，儲量約5.9億m3，年融水量可達約0.1億m3。此外，秦大河等(2006)[29]通過匯總我國冰凍圈特點、科學意義與國家需求，估算得出：近幾十年，青藏高原多年凍土退化導致釋放水量約達5×109～11×109m3/a。由于本文相關的具體觀測資料有限，其影響大小有待今后進一步探討。

4 結論

(1)已有的第四紀全新世古氣候、古環(huán)境重建記錄，表明青海湖湖泊水位升降與氣候因子密切相關。

(2)近54年來，環(huán)湖地區(qū)的氣溫上升、冰雪融水補給湖泊量增加；降水增加，導致入湖河流的徑流量增加，進而湖泊補給量增加；21世紀以來，湖泊水位顯著升高。

(3)從歷史時期至今，青海湖并不是持續(xù)的高湖面或低湖面，而是呈現出歷史相似性的周期波動特征，盡管其受到多種復雜因素(地下水、冰川補給、植被等)的影響，但氣候因子對湖泊水位變化仍起到了決定性作用。