李 想，張雪芹，徐曉明

(1：中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

(2：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

氣候變化是湖泊變化的重要驅(qū)動(dòng)因子. 湖面蒸發(fā)、湖表溫度和湖泊水位等對(duì)氣候變化響應(yīng)迅速[1]，進(jìn)而影響周邊區(qū)域水資源供給、生態(tài)環(huán)境等. 中外學(xué)者就氣候變暖對(duì)全球大型湖泊影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究. 1960s以來，中亞咸海面積萎縮了74%，水位下降了23 m，咸海幾近消失[2]. 咸海萎縮導(dǎo)致的鹽塵暴對(duì)周邊國(guó)家生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了巨大威脅. 究其原因，為氣候變暖引發(fā)湖面蒸發(fā)加強(qiáng)和入湖河流被截留用于沿岸農(nóng)業(yè)灌溉. 作為世界上最大的湖泊，里海水位呈不同時(shí)間尺度的周期性波動(dòng)，而水文氣候變化為主要影響因素[3]. 過去30年，分列我國(guó)第一、第二大淡水湖的鄱陽(yáng)湖和洞庭湖水位均呈現(xiàn)“上升-非穩(wěn)定狀態(tài)-下降”的階段變化格局[4-5]，而氣候變化則是水位變化的關(guān)鍵影響因子[6-7].

中蒙俄經(jīng)濟(jì)走廊區(qū)的貝加爾湖為世界第一深湖、歐亞大陸最大淡水湖，亦是俄羅斯西伯利亞地區(qū)重要的水源地、生物棲息地和氣候變化敏感區(qū). 全球氣候變暖將通過改變大氣環(huán)流形勢(shì)而影響貝加爾湖. 西伯利亞中部反氣旋阻塞環(huán)流出現(xiàn)頻率降低可能是貝加爾湖東南部降水減少的主要原因之一[8]. 變暖引發(fā)的荒漠漠化、干旱化將給貝加爾湖及其周邊生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力[9]. 氣溫升高、降水減少、風(fēng)力減弱和日照延長(zhǎng)等，不僅使湖泊表層水變暖，湖泊基礎(chǔ)食物網(wǎng)改變，且外部污染物也使水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)增加[10-12]. 因此，氣候變化對(duì)貝加爾湖的影響、開發(fā)與保護(hù)為水文氣候研究者和決策者所高度關(guān)注[13-17]. 這其中，貝加爾湖極值水位一直是研究的焦點(diǎn). 貝加爾湖泊水位不僅取決于流域的降水量、地表徑流和入湖徑流、出湖徑流和蒸發(fā)等環(huán)節(jié)，還取決于伊爾庫(kù)茨克水電站的運(yùn)行方式[18]. 1960年貝加爾湖下游的安加拉河伊爾庫(kù)茨克水電站正式運(yùn)營(yíng)以來，貝加爾湖泊水位比自然狀態(tài)下升高了0.8 m，這對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)和沿岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻影響[14]. 為此，2001年3月26日俄羅斯聯(lián)邦政府通過了第234號(hào)法令，規(guī)定貝加爾湖的水位極限值，最低和最高水位分別控制在456和457 m(太平洋海拔系統(tǒng)). 因流域持續(xù)干旱和伊爾庫(kù)茨克庫(kù)區(qū)居民用水和能源需求等，俄羅斯聯(lián)邦政府先后于2016年7月1日和2017年12月27日通過了第626和1667號(hào)法令，將貝加爾湖的最低和最高水位分別調(diào)整為455.54和457.85 m(http://www.baikalake.ru/en/security/info/). 貝加爾湖水位極限值的確定與調(diào)整反映了問題的復(fù)雜性和不確定性，其執(zhí)行過程亦質(zhì)疑和爭(zhēng)論不斷. 而算清水賬，走出水電開發(fā)利用和生態(tài)保護(hù)的兩難困境，亟待探討貝加爾湖區(qū)氣候變化及其對(duì)湖泊水位變化的影響. 為此，本文基于過去40年貝加爾湖區(qū)氣候、湖泊水位以及入湖和出湖徑流的變化特征，討論了氣候變化對(duì)湖泊水位的影響，分析了不同階段貝加爾湖水位突變的原因，以期為貝加爾湖水位控制和流域潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防范提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

貝加爾湖(51°29′～55°46′N，103°41′～109°57′E)隸屬俄羅斯伊爾庫(kù)茨克州和布里亞特共和國(guó). 湖泊淡水存儲(chǔ)量高達(dá)23600 km3，占世界不凍淡水總量的20%. 湖周被巴爾古津斯基山、貝加爾山、哈馬爾山、烏蘭布爾加塞山等多條山脈環(huán)繞(圖1). 貝加爾湖入湖河流眾多，其中色楞格河是其最重要流入河. 它發(fā)源于蒙古高原，主要流域分布在蒙古境內(nèi)，是蒙古流量最大的河流. 安加拉河則是貝加爾湖唯一的流出河流，也是葉尼塞河最重要的支流. 該河水利資源豐富，迄今為止安加拉河上已修建有伊爾庫(kù)茨克水電站、布拉茨克水電站等多座水利設(shè)施.

圖1 貝加爾湖周邊地形及主要?dú)庀?、水文站點(diǎn)分布

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文選取俄羅斯天氣和氣候網(wǎng)站(http://www.pogodaiklimat.ru)貝加爾湖及其周邊10個(gè)氣象站點(diǎn)(表1)的氣溫、降水月值數(shù)據(jù)，用以分析研究區(qū)1980-2019年氣候時(shí)空變化特征.

表1 貝加爾湖周邊氣象站點(diǎn)

貝加爾湖年平均水位觀測(cè)數(shù)據(jù)(1980-2019年)及貝加爾湖綜合管理信息出自俄羅斯聯(lián)邦自然資源與環(huán)境部的“貝加爾湖狀態(tài)及保護(hù)措施”年度報(bào)告，共計(jì)17份(其中，2012-2019年報(bào)告網(wǎng)址：http://www.baikalake.ru/en/security/info/；2003-2017年報(bào)告網(wǎng)址：http://geol.irk.ru/baikal/activ/mactiv2003).

數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)源于日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)和美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)合作開發(fā)的ASTER全球數(shù)字高程模型[19](ASTER GDEM V3，https://lpdaac.usgs.gov/products/astgtmv003/)，其空間分辨率為1弧秒，在赤道處約為30 m的水平距離.

徑流數(shù)據(jù)源于全球徑流數(shù)據(jù)庫(kù)(GRDC，https://www.bafg.de/GRDC/)，該數(shù)據(jù)庫(kù)致力于開展全球性的長(zhǎng)期水文研究[20-21]. 本文選取了1980-2015年位于色楞格河下游的莫斯特沃伊(Mostovoy)水文站以及安加拉河上游的伊爾庫(kù)茨克(Irkutsk)水文站，分別用以研究貝加爾湖的入湖與出湖徑流量. 其中，伊爾庫(kù)茨克水文站1990-1999年的徑流數(shù)據(jù)缺失.

1.3 研究方法

(1)

其次是Pettitt檢驗(yàn)法，這是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，常用于氣象和水文要素的趨勢(shì)和突變雙重檢驗(yàn)[22]. 利用要素秩序列(r)計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量Sk(式(2)、(3))，Sk絕對(duì)值最大處對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為可能的突變點(diǎn)[23]. 該方法適用于突變點(diǎn)較少的分析案例，倘若有多個(gè)突變點(diǎn)，使用該方法檢驗(yàn)可能會(huì)出現(xiàn)遺漏.

ri=sgn(xi-xj)j=1，2，3，…，i

(2)

(3)

(4)

(5)

第4種是Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)法，這也是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法. 通過計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Z值，判斷貝加爾湖水位在時(shí)間序列中是否具有顯著的升高或降低的趨勢(shì). 通過觀察正序統(tǒng)計(jì)量UF和逆序統(tǒng)計(jì)量UB的交點(diǎn)，識(shí)別水位突變點(diǎn)[25].

每種檢驗(yàn)方案在單獨(dú)使用時(shí)都具有一定的缺陷. 其中，累積距平法、Pettitt檢驗(yàn)法和M-K檢驗(yàn)法不適合處理多個(gè)突變點(diǎn)的復(fù)雜序列；滑動(dòng)t檢驗(yàn)法在子序列的選擇上人為性較強(qiáng)，識(shí)別出的突變點(diǎn)可能出現(xiàn)偏移. 因此，本文同時(shí)使用4種檢驗(yàn)方法，以彌補(bǔ)使用單一方法時(shí)出現(xiàn)的缺陷[24].

1.3.2 回歸分析 使用MATLAB2018a(軟件來源：https://www.mathworks.com)中regress函數(shù)對(duì)多年氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理，得到回歸系數(shù)、置信區(qū)間、顯著性概率等信息[26]. 從中可以分析研究區(qū)某一時(shí)段內(nèi)氣象要素變化情況，即是否具有變化趨勢(shì)，變化速率多大，以及是否可以通過顯著性檢驗(yàn)等.

1.3.3 變異系數(shù)分析 變異系數(shù)(CV)是衡量要素序列離散度的統(tǒng)計(jì)量(式(6)). 標(biāo)準(zhǔn)差可判斷時(shí)間序列的離散度，但往往不同氣象要素序列之間的標(biāo)準(zhǔn)差相差較大，因此引入變異系數(shù)以消除不同量綱的差異影響. 式(6)中，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，μ為平均值. 變異系數(shù)越高代表要素隨時(shí)間變化波動(dòng)越大.

(6)

1.3.4 通徑分析 通徑分析是利用通徑系數(shù)分析變量之間相關(guān)關(guān)系的方法，屬于結(jié)構(gòu)方程模型的一部分. 其主要原理為分解回歸系數(shù)或相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建要素因果關(guān)系模型. 在處理多要素因果關(guān)系的過程中，該方法可以借助通徑圖精確直觀地表達(dá)各變量之間相互關(guān)系[27]. 本文利用通徑分析，將氣溫、降水、徑流對(duì)水位的總作用拆分成直接作用和間接作用，從而對(duì)貝加爾湖水位變化及突變進(jìn)行歸因分析.

在小學(xué)體育教學(xué)活動(dòng)中，前庭運(yùn)動(dòng)覺的輸入刺激項(xiàng)目，可以選擇“青蛙蹬”、“抱球平衡”、“腳跟對(duì)腳尖走”、“飛機(jī)俯臥滑”等游戲式的體育活動(dòng)。這些前庭運(yùn)動(dòng)覺的游戲刺激，可以較好地協(xié)調(diào)學(xué)生的前庭失衡問題，有效地控制和協(xié)調(diào)自身的肌肉緊張度。促進(jìn)他們用自我的前庭器官控制自身的頭和身體的方向，從而緩解學(xué)生在閱讀、玩球、畫線等方面的學(xué)習(xí)困難問題。

2 結(jié)果和討論

2.1 氣候變化特征

選取貝加爾湖周邊10個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)(表1)的氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析過去40年研究區(qū)氣溫、降水時(shí)空變化特征(圖2，3). 由于哈馬爾達(dá)坂站海拔(1442 m)顯著高于其他站點(diǎn)，其氣候要素與其他站點(diǎn)差異較大，因此計(jì)算研究區(qū)氣溫降水平均值以及代表序列(表2，圖3)時(shí)僅選用其他9個(gè)相對(duì)較低海拔站點(diǎn).

表2 1980-2019年貝加爾湖及其周邊站點(diǎn)氣候要素統(tǒng)計(jì)

圖2 1980-2019年貝加爾湖及其周邊站點(diǎn)氣溫和降水的變化

圖3 1980-2019年貝加爾湖及其周邊站點(diǎn)氣溫(a)和降水(b)的季節(jié)變化

2.1.1 氣溫時(shí)空變化 1980-2019年，貝加爾湖及周邊區(qū)域各站點(diǎn)年均氣溫范圍大致為-2～1℃，平均氣溫為-0.7℃，屬溫帶大陸性氣候. 春、夏、秋、冬季多年平均氣溫分別為1.2、14.5、0.9、-16.9℃. 全年溫差大，特別是冬夏兩季(表2，圖3a). 最暖月(7月)氣溫平均高出最冷月(1月)34.8℃. 過去40年，冬季平均氣溫波動(dòng)最大(圖3a). 夏半年(5-10月)多年月平均氣溫高于0℃，冬半年(11-4月)則低于0℃. 因此，貝加爾湖及周邊地區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū). 其中，近湖岸區(qū)域的多年凍土層深度為50～90 cm；東部巴爾古津斯基山區(qū)域凍土深度大于90 cm[28]. 氣溫升高將導(dǎo)致研究區(qū)近地表凍土消融、凍土活動(dòng)層增厚[29].

研究區(qū)站點(diǎn)氣溫分布與緯度和海拔密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為氣溫由高緯向低緯、由高海拔向低海拔遞增的格局. 研究區(qū)大致以古里亞欽斯克站(近53°N)為界，界線以南氣溫相對(duì)較高(平均0.4℃)，以北氣溫較低(平均-1.6℃). 其中，下尼安加爾斯克、巴爾古津自然保護(hù)區(qū)、巴爾古津站位于界線以北，多年平均氣溫分別為-1.8、-2.7和-1.8℃(圖2c，e，g)，是年均氣溫最低的3個(gè)站點(diǎn)；界線以南，除高海拔站點(diǎn)哈馬爾達(dá)坂年平均氣溫為-0.7℃，其余站點(diǎn)年平均氣溫均高于0℃. 此外，由于貝加爾湖巨大水體的影響，臨近湖岸站點(diǎn)具有部分海洋性氣候特征，即相較其他區(qū)域冬天要暖，夏天要涼爽. 以南貝加爾湖緯度相近的3個(gè)站點(diǎn)為例，大戈洛烏斯特諾耶(圖2a)、巴布什金(圖2h)相對(duì)距離湖岸較近，夏季和冬季氣溫差小于30℃；伊爾庫(kù)茨克站(圖2d)距離水體最遠(yuǎn)，夏季多年平均氣溫為16.8℃，冬季為-15.8℃，與其余兩個(gè)站點(diǎn)相比，其夏季氣溫更高、冬季氣溫更低.

過去40年，貝加爾湖及其周邊區(qū)域站點(diǎn)氣溫均顯著上升，平均升溫率為0.31℃/10 a，略低于北半球陸地平均升溫水平(0.34℃/10 a)(表2). 其中，升溫率最高的兩個(gè)站點(diǎn)伊爾庫(kù)茨克和巴爾古津站氣溫變化率分別為0.39℃/10 a和0.37℃/10 a(圖2d、2g). 站點(diǎn)升溫率與距離貝加爾湖遠(yuǎn)近有關(guān)，由于湖泊水體比熱大，其周邊氣溫相比其他區(qū)域變化得慢. 伊爾庫(kù)茨克和巴爾古津站是距離湖岸最遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)，受水體影響相對(duì)較小，其氣溫變化率顯著高于其他站點(diǎn). 升溫幅度最低的站點(diǎn)為哈馬爾達(dá)坂，該站點(diǎn)位于降水充足的高山迎風(fēng)坡，積雪豐厚. 氣候變暖帶來的積雪融化過程會(huì)吸收潛熱，對(duì)升溫起到一定程度的抑制作用.

2.1.2 降水時(shí)空變化 研究區(qū)年降水量分布在250～500 mm，多年平均降水量為380.8 mm，大致為半干旱半濕潤(rùn)氣候. 降水最大值出現(xiàn)在哈馬爾達(dá)坂，其多年平均降水量高達(dá)1368.5 mm. 該區(qū)4季多年平均降水量分別為49.9、189.1、96.0和46.2 mm；夏季降水量最高且年際波動(dòng)劇烈(圖3b). 這種降水量季節(jié)分布格局的主要原因是貝加爾湖地處北半球盛行西風(fēng)帶控制區(qū)，是歐亞大陸高空槽脊活動(dòng)最活躍的地區(qū)之一[30]. 冬季受蒙古-西伯利亞高壓控制，氣候穩(wěn)定；夏季受頻繁活動(dòng)的高空槽脊影響，易形成貝加爾湖阻塞高壓.

貝加爾湖及周邊區(qū)域降水分布大致表現(xiàn)為南高北低，并深受地形地貌影響. 貝加爾湖南部哈馬爾達(dá)坂、巴布什金、伊爾庫(kù)茨克3個(gè)站點(diǎn)多年平均降水分別為1368.5、543.3、471.7 mm；除巴爾古津自然保區(qū)(429.1 mm)外，貝加爾湖北部其他站點(diǎn)年平均降水均小于400 mm(表2). 復(fù)雜的地形是研究區(qū)降水分布空間差異較大的主要原因，迎風(fēng)坡降水較多，背風(fēng)坡以及湖中島嶼降水較少(圖1). 位于研究區(qū)南部哈馬爾山北麓海拔1442 m處的哈馬爾達(dá)坂站點(diǎn)，受迎風(fēng)坡地形影響，多年平均降水量最高(圖2f). 而大烏什卡尼島和大戈洛烏斯特諾耶站是降水最少的兩個(gè)站點(diǎn)(圖2a，b)，年降水量均不足270 mm. 前者位于貝加爾湖大烏什卡尼島上，湖面上方大氣層結(jié)在夏季和白天比較穩(wěn)定，這導(dǎo)致了湖面日雨量較少，總降水量相對(duì)陸地偏少[31]；后者地處貝加爾湖西南岸，位于普里莫爾斯基山背風(fēng)坡山麓的雨影區(qū). 此外，貝加爾湖東北岸的巴爾古津區(qū)范圍內(nèi)設(shè)有巴爾古津站、烏斯季-巴爾古津站、巴爾古津自然保護(hù)區(qū)站(圖2e，g，j)3個(gè)站經(jīng)緯度相近的站點(diǎn). 其中，巴爾古津自然保護(hù)區(qū)位于貝加爾湖東南岸和巴爾古津斯基山西坡之間，氣候受迎風(fēng)坡和水體的影響更大，降水相對(duì)較多. 而巴爾古津和烏斯季-巴爾古津則地處巴爾古津河沿岸，二者均位于背風(fēng)坡，因而降水較巴爾古津自然保護(hù)區(qū)要少.

過去40年，貝加爾湖及其周邊站點(diǎn)降水量變化趨勢(shì)整體看不顯著(表2，圖2). 其中，僅烏斯季-巴爾古津(圖2j)和大烏什卡尼島站(圖2b)降水顯著減少，通過了0.1顯著性水平檢驗(yàn)，二者年降水減少率分別為19.34、18.50 mm/10 a(表2). 同時(shí)，受地形地貌影響，流域各站點(diǎn)年際波動(dòng)差異大(圖1、2). 各站點(diǎn)降水序列的變異系數(shù)大致分布在0.13～0.29之間(表2). 其中，年降水量最高的哈馬爾達(dá)坂站變異系數(shù)最小，為0.13；年降水量最小的大烏什卡尼島變異系數(shù)最大，為0.29. 低緯度站點(diǎn)整體波動(dòng)小，53°N以南站點(diǎn)變異系數(shù)均小于0.2；以北站點(diǎn)除巴爾古津自然保護(hù)區(qū)外，變異系數(shù)均大于0.2.

2.2 氣候變化對(duì)湖泊水位的影響

基于17份“貝加爾湖狀態(tài)及保護(hù)措施”年度報(bào)告分析，過去40年，流域氣候變化、上游色楞格河流域調(diào)水和下游安哥拉階梯水電站運(yùn)營(yíng)深刻影響著貝加爾湖水位變化，而溫濕組合特征則是最為關(guān)鍵的氣候影響因子. 其中，氣溫變化對(duì)湖泊水位的影響較為復(fù)雜，氣溫升高會(huì)導(dǎo)致湖泊蒸發(fā)量增加[32]. 但由于貝加爾湖所處緯度較高、氣溫較低、湖面結(jié)冰期較長(zhǎng)，湖泊蒸發(fā)水量有限. 此外，高緯地區(qū)冰川、凍土的消融為貝加爾湖帶來額外的水源注入，導(dǎo)致湖泊水位上升[33]. 由此原因?qū)е碌乃蛔兓考?jí)較小. 現(xiàn)有研究表明，冰川凍土消融僅為影響西伯利亞地區(qū)河流徑流的次要影響要素，其決定要素是流域內(nèi)降水[34]. 相比氣溫，降水變化對(duì)貝加爾湖水位的影響更為直接. 除了直接補(bǔ)給貝加爾湖外，降水通過對(duì)入湖河流的水源補(bǔ)給間接影響著湖泊水位變化.

2.2.1 水位變化及突變分析 1980-2019年間，貝加爾湖平均水位為456.42 m，水位變化大體呈先升高后下降的態(tài)勢(shì)(圖4a). 湖泊水位在1981年達(dá)到最低值(455.7 m)后呈顯著上升趨勢(shì)，上升速率高達(dá)0.25 m/a，并于1985年達(dá)到最高值(456.7 m). 此后，水位出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì).

過去40年，貝加爾湖水位在1983和2014年分別完成了水位距平大致由負(fù)到正、由正到負(fù)的轉(zhuǎn)變. 這期間，湖泊水位發(fā)生了多次較大幅度的升降轉(zhuǎn)折，尤以1982、1987、1995和2014年最為明顯(圖4a). 其中，1982-1983年水位變化幅度最大，上升了0.57 m. 綜合考量4種突變檢驗(yàn)(圖4b～e)以及湖泊水位年際變化(圖4a)，發(fā)現(xiàn)貝加爾湖1980-2019年間有3個(gè)水位突變年份，分別為1982、1995和2014年. 其中，1982年為低水位向高水位突變，1983年水位上升0.57 m；1995和2014年則為高水位向低水位突變，1996和2015年水位分別下降了0.16 和0.28 m.

圖4 貝加爾湖水位變化(a)及其突變檢驗(yàn)：累計(jì)距平法(b)、Pettitt法(c)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)(d)、M-K突變檢驗(yàn)(e)

2.2.2 貝加爾湖的主要入湖、出湖徑流 色楞格河和安加拉河分別是貝加爾湖流域內(nèi)最主要的入湖和出湖支流. 前者為貝加爾湖最大的徑流補(bǔ)給河流，其年徑流量占貝加爾湖總?cè)牒搅鞯?0%以上；后者為貝加爾湖唯一的流出河流. 圖5給出了水位大幅變化年份對(duì)應(yīng)的徑流變化，水位與徑流變化表現(xiàn)出良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系. 1981-1983年貝加爾湖水位下降0.80 m，對(duì)應(yīng)色楞格河、安加拉河徑流量分別減少296.4和285.0 m3/s；1985-1987年水位下降0.36 m，對(duì)應(yīng)色楞格河、安加拉河徑流量分別減少586.8和725.8 m3/s；1995-1996年水位下降0.16 m，對(duì)應(yīng)色楞格河徑流量減少117.3 m3/s；2013-2015年水位下降0.37 m，對(duì)應(yīng)色楞格河、安加拉河徑流量分別減少427.3和340.8 m3/s. 統(tǒng)計(jì)分析表明，1980-2015年色楞格河年平均徑流量與貝加爾湖泊水位之間的相關(guān)系數(shù)為0.59；除去部分水位異常上升的年份，1983-2015年色楞格河徑流量與水位之間相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.83；且不同時(shí)段色楞格河徑流量與貝加爾湖泊水位的相關(guān)性均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn). 這表明色楞格河的入湖徑流是影響貝加爾湖泊水位的重要原因之一. 在可獲得數(shù)據(jù)時(shí)段，安加拉河上游的徑流量變化格局與色楞格河保持高度一致，兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.70. 這表明貝加爾湖的徑流收支總體保持穩(wěn)定水平. 1980-1985年間，色楞格河徑流量激增導(dǎo)致貝加爾湖水位快速升高；1985年以來，色楞格河徑流量減少導(dǎo)致了貝加爾湖水位總體下降.

分析表明，降水的多寡直接影響入湖徑流的高低，從而間接影響貝加爾湖水位變化. 1980-2015年間，色楞格河入湖處多年平均徑流量為776.9 m3/s；這期間徑流呈減少趨勢(shì)，減少速率為11.1 m3/(s·a)(圖5). 色楞格河徑流量變化格局與貝加爾湖周邊降水大體一致，兩者之間相關(guān)系數(shù)為0.50. 之前研究亦表明，降水是該河流最主要的水源補(bǔ)給方式[35]. 色楞格河徑流最大值出現(xiàn)于1990年，高達(dá)1362.8 m3/s. 同年，貝加爾湖周邊年降水量為431.7 mm，相比1989年增加了109.0 mm. 可見，降水大幅增加導(dǎo)致了色楞格河徑流量最高值的出現(xiàn). 徑流最小值(不足500.0 m3/s)出現(xiàn)在2015年；對(duì)應(yīng)年降水量260.2 mm，為過去40年最少. 因此，2015年降水大幅降低導(dǎo)致色楞格河徑流量最低值的出現(xiàn). 值得注意的是，相比1985年，1986年色楞格河徑流量減少了505.0 m3/s，為徑流量變化幅度最大的一年. 同年貝加爾湖周邊降水量卻增加了61.3 mm，與徑流變化趨勢(shì)相反. 究其原因，蒙古境內(nèi)農(nóng)業(yè)用水急劇增加使得色楞格河流域水資源過度開發(fā)[36]，從而導(dǎo)致1986年色楞格河徑流大幅減少.

圖5 貝加爾湖周邊氣溫、降水、湖泊水位距平變化及色楞格河和安加拉河徑流變化

在數(shù)據(jù)未缺失時(shí)段內(nèi)，安加拉河徑流量總體呈下降趨勢(shì)，其最大徑流量(2466.7 m3/s)出現(xiàn)于1985年；同年色楞格河徑流量(1327.9 m3/s)為過去36年間次高值；該年貝加爾湖周邊年降水量440.2 mm，為1980-1987年間降水最大值. 安加拉河徑流量最小值(1295.8 m3/s)出現(xiàn)于2015年，同年降水量和色楞格河徑流量均為最小值. 整體而言，貝加爾湖流域降水、徑流、湖泊水位三者的變化保持了較好的一致性.

2.2.3 水位突變歸因分析 使用結(jié)構(gòu)方程模型中的通徑分析法，探討1980-2015年間氣溫、降水、徑流(色楞格河)這3個(gè)要素對(duì)貝加爾湖水位變化的影響. 結(jié)果表明，降水對(duì)湖泊水位的直接影響最大，其所占比重約為氣溫和徑流之和. 降水、徑流和氣溫對(duì)水位的間接影響分別為0.10、0.18和-0.13，對(duì)應(yīng)總影響分別為0.51、0.47和0(圖6). 這表明降水和徑流是導(dǎo)致湖泊水位變化的重要因素，且兩者的影響比重相近. 而氣溫對(duì)水位的直接影響為正，其通過改變降水和徑流帶來的間接影響為負(fù)，兩者量級(jí)相近，正負(fù)抵消，導(dǎo)致貝加爾湖區(qū)氣溫變化總體對(duì)水位影響較小. 因此，依據(jù)降水、徑流、水位之間的相關(guān)性，結(jié)合貝加爾湖當(dāng)?shù)亓⒎ㄕ{(diào)控水位的特殊性，對(duì)湖泊水位突變進(jìn)行歸因分析. 基于貝加爾湖1982、1985、1995和2014年4個(gè)水位大幅變化年份對(duì)應(yīng)的氣溫、降水和主要入湖/出湖徑流的變化(圖5)，將貝加爾湖水位升降轉(zhuǎn)折歸因?yàn)?種類型.

圖6 徑流、氣候要素與水位變化的因果關(guān)系示意圖(R2=0.66. 實(shí)線箭頭為要素對(duì)水位的直接影響，虛線箭頭為要素之間的相互影響)

第1種類型為氣候變化驅(qū)動(dòng)型，即氣候變化是影響水位變化的主要原因. 該類型下的突變點(diǎn)主要特征為降水、徑流、水位變化呈正相關(guān)，主要指1981-1983、1985-1987和2013-2015年這3個(gè)階段的水位突變過程. 其中，1981-1983為水位從負(fù)距平向正距平轉(zhuǎn)折，對(duì)應(yīng)著氣溫升高、降水增多的暖濕組合. 期間貝加爾湖周邊平均年降水量增加131.8 mm，色楞格河年均徑流量增加了296.4 m3/s. 湖面降水補(bǔ)給和入湖徑流大幅增加導(dǎo)致貝加爾湖水位上升. 1985-1987和2013-2015年水位突降，對(duì)應(yīng)著氣溫升高、降水量減少的暖干組合. 兩個(gè)時(shí)段內(nèi)貝加爾湖周邊降水分別減少92.6和53.3 mm；色楞格河徑流量分別減少586.8和427.3 m/s. 湖面降水補(bǔ)給和徑流補(bǔ)給大幅減少導(dǎo)致湖泊水位下降.

第2種類型為氣候變化及人類活動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)型，即貝加爾湖水位變化受氣候變化和人類活動(dòng)共同影響. 該類型下的突變點(diǎn)主要特征為降水、徑流、水位方向不一致，主要指1995-1996年水位大幅下降這個(gè)過程，期間貝加爾湖周邊氣溫下降1.4℃，降水減少61.3 mm，對(duì)應(yīng)冷濕組合. 若單純考慮氣候變化影響，冷濕組合條件下湖面蒸發(fā)受到抑制、湖面及入湖徑流增加，本應(yīng)有利于水位上升. 實(shí)際變化卻是，色楞格河徑流量減少505.0 m3/s，貝加爾湖水位下降0.16 m，這歸因于人類活動(dòng)的影響. 如上文所述，色楞格河上游水資源過度消耗導(dǎo)致入湖徑流大幅減少，從而使湖泊水位下降.

第3種類型為氣候變化背景下的人為調(diào)控驅(qū)動(dòng)型，這是貝加爾湖水位變化原因的獨(dú)特所在. 根據(jù)貝加爾湖流域氣候變化，特別是降水多寡，政府和流域管理機(jī)構(gòu)通過調(diào)整下游包括伊爾庫(kù)茨克水電站在內(nèi)的安哥拉階梯水電站運(yùn)營(yíng)方式，對(duì)貝加爾湖水位進(jìn)行了人為控制. 該類型下的突變點(diǎn)主要特征為突變期間有水位調(diào)控法令頒布，期間湖泊最高和最低水位得到嚴(yán)格控制. 統(tǒng)計(jì)表明，自2001年俄羅斯聯(lián)邦政府第234號(hào)法令實(shí)施以來的19年間，貝加爾湖泊多年平均水位為456.39 m，年內(nèi)水位波動(dòng)平均為0.59 m；最高水位多出現(xiàn)在9、10月份，最低水位則多出現(xiàn)在4、5月份. 這與降水集中在夏季且夏秋兩季高溫對(duì)湖周冰川、凍土消融的影響一致. 2015-2017年，貝加爾湖連續(xù)3年保持在456.07 m左右的低水位，基本上觸及了234號(hào)法令所規(guī)定的貝加爾湖水位允許最低值(456 m)(圖4a). 這與3年間，特別是2015年的暖干氣候組合條件有關(guān). 2015年貝加爾湖區(qū)域年平均氣溫達(dá)到了過去40年的最高溫0.9℃，氣溫距平高達(dá)1.5℃；但年降水量為過去40年最低值，只有260.2 mm，僅為多年平均降水量的68%. 這種暖干組合在夏季更為突出. 2015年，研究區(qū)夏季氣溫達(dá)到40年最高值16.4℃，比多年平均夏季氣溫14.5℃高出1.9℃；夏季降水達(dá)到40年最低值95.2 mm，僅為多年降水量189.1 mm的1/2. 流域持續(xù)極端高溫干旱，只能通過限制伊爾庫(kù)茨克水電站產(chǎn)能，以確保貝加爾水位不超過234號(hào)法令允許的最低值456 m. 但這嚴(yán)重影響了伊爾庫(kù)茨克庫(kù)區(qū)居民用水和能源需求. 為此，2016、2017年俄羅斯聯(lián)邦政府先后兩次通過法令，將貝加爾湖的水位極限值變化幅度由234號(hào)法令的100 mm擴(kuò)大為231 mm，即將最低和最高水位分別調(diào)整為455.54和457.85 m. 2018-2019年，隨著氣溫降低，年降水量上升，貝加爾湖水位持續(xù)回升，最低和最高水位分別達(dá)到了456.31和456.56 m，比上一年分別增長(zhǎng)了0.24和0.25 m.

2.3 討論

貝加爾湖水位變化會(huì)影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)以及湖岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展. 水位過高將淹沒湖周邊地勢(shì)較低的居民區(qū)及基礎(chǔ)設(shè)施. 1971年貝加爾湖最大入湖河流色楞格河流域發(fā)生了近200年來規(guī)模最大的洪水事件，湖泊水位上升2 m，對(duì)其周邊區(qū)域環(huán)境造成了巨大破壞[37]. 而過低的水位，特別是夏季高溫、持久干旱與強(qiáng)風(fēng)等致災(zāi)因素共同疊加時(shí)，將會(huì)引發(fā)流域的生態(tài)環(huán)境災(zāi)難. 以2014年為例，連續(xù)高溫少雨天氣導(dǎo)致貝加爾湖水位下降近40 cm，導(dǎo)致布里亞特共和國(guó)和伊爾庫(kù)茨克州部分區(qū)域出現(xiàn)了井水干涸、泥炭地自燃等災(zāi)害(來源：http://sputniknews.cn/russia/201801171024495920/；http://www.baikalake.ru/security/info/). 此外，貝加爾湖水位波動(dòng)會(huì)誘發(fā)湖泊周邊的生物群落關(guān)鍵物種數(shù)量的大幅削減[38-39]. 因此，合理的水位調(diào)控措施至關(guān)重要.

本研究探討了氣候要素變化對(duì)湖泊水位的影響，通過對(duì)過去40年貝加爾湖的水位變化歸因分析，初步構(gòu)建了水位變化的因果關(guān)系模型. 然而，由于數(shù)據(jù)可獲得性和文章篇幅的限制，本文暫未能完成湖泊水量平衡模型的建立，因此無法定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)湖泊水位的具體影響. 本文的后續(xù)研究將在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上，加強(qiáng)貝加爾湖野外觀測(cè)和環(huán)湖調(diào)查，結(jié)合水文過程模擬構(gòu)建湖泊水量平衡模型，進(jìn)一步揭示氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)貝加爾湖變化的影響機(jī)制，以期實(shí)現(xiàn)湖區(qū)生態(tài)保護(hù)和產(chǎn)業(yè)開發(fā)升級(jí)的雙贏. 同時(shí)，后續(xù)研究將對(duì)多種未來氣候預(yù)估模型和多套數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，以篩選出最優(yōu)的未來氣候變化情景，進(jìn)而預(yù)估水位變化，為貝加爾湖水位限制法令的實(shí)時(shí)高效修訂服務(wù).

3 結(jié)論

本文基于氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，剖析了貝加爾湖及其周邊區(qū)域過去40年的氣候時(shí)空分布，探討了氣候變化對(duì)貝加爾湖水位的可能影響. 1980-2019年，貝加爾湖及其周邊區(qū)域整體氣溫顯著上升，降水變化趨勢(shì)不明顯，但波動(dòng)較大. 氣溫、降水及其組合是影響貝加爾湖水位變化的主要?dú)庀笠蛩兀邓畬?duì)水位的影響更為關(guān)鍵. 降水通過直接補(bǔ)給和入湖徑流補(bǔ)給共同影響貝加爾湖水位. 受氣溫和降水組合條件影響，1980-2015年色楞格河年均徑流量先增后減，導(dǎo)致貝加爾湖水位于1980-1985年呈上升趨勢(shì)，1985年后呈下降趨勢(shì). 在氣候變化背景下，貝加爾湖水位分別于1982、1987、1995和2014年出現(xiàn)大幅變化. 本文將湖泊水位轉(zhuǎn)折歸因?yàn)?種類型：氣候變化驅(qū)動(dòng)型、氣候變化與人類活動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)型以及氣候變化背景下的人為調(diào)控驅(qū)動(dòng)型. 前兩種類型中，氣候變化、流域上游農(nóng)業(yè)用水激增等原因?qū)е仑惣訝柡牒搅髁繙p少，從而影響湖泊水位；第3種類型為貝加爾湖特殊的水位變化驅(qū)動(dòng)類型，即政府根據(jù)不同氣候條件，通過調(diào)控下游水電站運(yùn)營(yíng)對(duì)湖泊水位進(jìn)行人為干預(yù). 人為干預(yù)水位的力度主要取決于同期貝加爾湖流域的氣溫與降水組合條件，具體以俄羅斯聯(lián)邦政府給出的法令為準(zhǔn).