青海湖流域气候变化对湖泊水位变化的影响*

张晶,鄂崇毅,许乃军,吴成永,张兆康

(1.青海师范大学 地理科学学院，青海 西宁 810008；2.青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海 西宁 810008；3.青海可鲁克湖托素湖省级自然保护区服务中心，青海 德令哈 817000)

引言

政府间气候变化专业委员会(IPCC)发布的第四次评估报告指出，全球平均增温0.074℃/10 a(1906～2005年)[1]，而青藏高原平均增温0.52℃/10 a(1963～2009年拉萨地区)[2]。青藏高原海拔高、空气稀薄、气候寒冷、生态环境脆弱，致使其对全球变暖的响应突出敏感[3]，因而研究青藏高原气候变化成为当前关注的热点问题。

青海湖位于青藏高原东北缘，是我国第一大内陆高原咸水湖，属典型的构造断陷湖。已开展大量研究：利用各种古环境感应体，重建该流域全新世以来的古气候变化[4-6]；近几十年来，通过气象观测站测得的数据，分析了该流域年均气温、年降水量等气候因子的变化[7-8]；并基于现代器测资料，阐明该流域的气候变化对青海湖水情、湖泊水位的影响[9-10]。然而，其中欠缺从长时间尺度(过去、现在与未来)探讨气候变化与湖泊水位变化的研究。

本文鉴于早全新世暖干条件下的青海湖低水位[11]启发，运用比较法与相关系数法，分析古气候古环境记录和现代器测资料对青海湖湖泊水位变化的影响，从长时间尺度探讨气候变化对湖泊水位变化的影响，为青海湖生态环境演变等研究内容提供理论基础。

1 材料与方法

青海湖流域(36°15′-38°20′ N,97°50′-101°20′ E)东至日月山、西至橡皮山、北至大通山、南至青海南山,流域总面积约为29 661 km2，湖泊面积约为4 400 km2，整个流域呈西北-东南走向，地形西北高东南低，属于内陆盆地。青海湖是以河流补给为主、辅以降水和冰川融水补给的封闭湖泊，入湖河流共计50条，多为季节性河流，主要有布哈河、沙柳河、泉吉河、哈尔盖河、甘子河、黑马河和倒淌河7条，流域河网空间分布不对称，西北稠密、流量大，东南稀疏、流量小(图1)。该流域气候类型属于高原大陆性气候，植被以高寒草甸、高寒灌丛为主[12]。

依据距离青海湖较近和观测时间较长的原则，选用该流域的天峻(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)和刚察(37.33° N, 100.13° E, 海拔3302 m)4个气象站(图1)1958～2012年观测资料，运用一元线性回归方程、最小二乘法、气候倾向率等，计算出该流域的年均气温、年降水量，并得到其变化趋势；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年水位观测资料，运用线性趋势法对水位的逐年变化进行了趋势检验，并以Person系数(R)分析水位变化与该流域的多年年均气温、年降水量变化之间的相关性。

图1 青海湖流域的气象观测站和水文站位置分布

2 结果与分析

2.1 青海湖流域现代气候的变化

气候因子的变化决定了青海湖流域径流量的丰枯。本文收集了环湖地区4个气象站(天峻、茶卡、共和、刚察)的气温与降水数据，通过线性趋势法、气候倾向率得到：刚察、茶卡、共和3个站近54年的年均气温上升趋势基本一致，表明环湖地区的气温变化呈逐年增加，且同全球的气温变化趋势一致；自进入21世纪以来，气温增幅明显；其中刚察站的年均温波动变化较茶卡站、共和站大，这可能是海拔差异所致[13](图2a)。从年降水量来看，环湖地区的降水量逐年微弱增加；在20世纪90年代，各地区的降水波动幅度较大；而进入21世纪以来，茶卡、共和的年降水量变化趋于平缓，刚察仍有小幅波动(图2b)。

图2 1958～2012年环湖地区气温(a)和降水量(b)的年际变化曲线

以气候倾向率与线性回归方程，对刚察站1958～2012年的逐年四季气温、降水量变化情况进行分析，表明：季均温波动增加且升幅明显，尤以冬季极为显著；在20世纪90年代，夏季均温波动较小；近54年来，春、秋与冬季均温波动较大，特别是进入21世纪以来，除秋季外均温的变化更加显著，增温趋势更加明显(图3a)。该流域的降水量春季降低，而夏、秋与冬季呈增加趋势；夏季降水增幅最为明显，降水量的季节变幅由大到小依次为：夏季>秋季>春季>冬季；夏、秋季降水量，在20世纪90年代波动明显，而进入21世纪以来波动逐渐减小(图3b)。

图3 1958～2012年刚察站气温(a)和降水量(b)的季节变化曲线

2.2 近54年青海湖水位波动的基本特征

从《青海湖志》获悉[12]，距今3.6～2.7 千年的布哈河口水文站两处遗址，海拔约3215 m，当时湖面高程约3 210 m，湖泊水位基本稳定；而在距今1.4 千年～20世纪20、30年代，湖泊水位缓慢下降；20世纪30年代后，受人类活动的影响，湖泊水位开始快速下降，1958～1985年，沙陀寺水文站测得湖泊水位年均降低约10 cm/a(图4)。

图4 1958～1985年青海湖沙陀寺站年均水位变化

已有研究[14-15]发现：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年开始，水位出现明显的持续上升趋势，为近50年来首次出现且连续13a回升，水位上升速度为12.9 cm/a，随后逐渐接近20世纪70、80年代的水位(图5)。1959～2012年，青海湖水位年均值为3 194.3 m；1979年以前，青海湖多数年份平均水位高于均值，即该阶段为偏高期；直至2014年10月青海湖水位达到3 194.5 m，湖泊水位再现偏高期。21世纪以来，2005年水位涨幅最大，为0.43 m；2011年次之，达0.24 m。

图5 1959～2012年青海湖水位变化

3 讨论

3.1 青海湖水位波动的气候成因

青海湖水位的变化受到气候(气温、降水量、地表蒸散量)、人类活动[16](水浇地面积、草地灌溉面积与年灌溉量、人畜饮水量)及其他因素(冰川融水、冻土覆盖率、流域生态环境等)的影响。研究过去-现在的青海湖气候[17]、水位变化，重建该流域古气候、古环境(图6)：早全新世(约10～8.5 千年)气候暖干，湖泊水温高于现在0.3～0.5℃，水位比现在相对低；中全新世(约8.5～4 千年)气候暖湿，湖泊水温比现在高约1.8℃，水位比现在高约9 m；晚全新世(约4～0 千年)气候冷干，湖泊水位波动降至3 194.8 m，约接近2016年水位值。20世纪90年代，随全球变暖日益明显，湖泊水位持续下降，下降速率约0.79 m/10 a[19]，其中在1979年前出现偏高期；21世纪以来，极端气候频繁出现，湖泊水位波幅明显，2005年波幅最大，2011年次之，2014年水位上升接近1979年的水平。其原因主要是暖干气候导致青海湖湖泊水位下降，而人类活动对其影响微乎其微[20-21]，因此气候因子是青海湖水位变化的决定因素。

图6 末次冰消期以来青海湖湖面(a)[4，18]、水位(b)[11]和7月水温(c)[11]变化

将现有的青海湖湖泊水位与器测气温、降水量数据进行相关分析，得到(图7)：水位变化与气温的相关系数为0.292，在0.05水平上显著相关；与降水量的相关系数为0.444，在0.01水平上显著相关。表明：气温、蒸发并不是影响湖泊水位变化的关键因素，而降水量的变化与其密切相关(表1)。其原因可能为：青海湖流域地处西风环流、亚洲季风与高原季风的交互作用区，导致夏季降水量增多。李栋梁等[22]发现，高原季风指数与青海湖流域夏季降水量的相关系数为0.307，达到95%置信水平。

图7 青海湖水位变化与年均气温(a)、年降水量(b)的相关性

表1 1959～2012年青海湖水位变化速率与降水量的关系

3.2 基于湖泊水量平衡的青海湖水位变化分析

根据1965～1985年水文资料，基于湖泊水量平衡公式(3-1)，计算出入湖年均径流总量27.46亿m3(其中地表径流14.43亿m3，地下径流13.03亿m3)，湖面年均降水量15.78亿m3，湖泊水位下降0.1 m/a，即水量年均亏损4.47亿m3，三者相加得出湖泊水面理论上的年均蒸发量47.71亿m3。

δH=Q+R-E

(3-1)

δH: 水位年际变化值；Q: 入湖地表径流量；R: 湖面降水量；E: 蒸发量

气温升高、降水量增加致使青海湖周围的入湖河流径流量显著增加，表明气候变化对湖泊水位的上升有明显作用。如图1所示，青海湖湖周直接入湖的河流有48条，其中较大的有布哈河(流域面积几近青海湖流域面积的一半，年径流量约占流域的53%)、泉吉河、沙柳河、哈尔盖河、黑马河；不直接入湖的较大河流有2条，分别为甘子河、倒淌河。该流域西北部面积广阔，河网较密，布哈河、泉吉河等分布于此，入湖水量占总量的80 %以上[23]，年地表总径流量15.35×108m3[24]，且经相关分析发现：1960～2009年湖面降水量与入湖径流量的相关系数为0.563，达到99%置信水平[12]。此外，范建华和施雅风(1992)[25]、马钰(1994)[26]、丁永建等(1995)[9]、李林等(2005)[27]、李燕等(2014)[28]的研究结果也表明：降水量是青海湖水位波动的根本原因。

在全球变暖的背景下，冰川和冻土对我国寒区水文、生态和气候影响十分显著，冰川融水、冻土融化等也会对湖泊水位变化有一定贡献。刘宝康等[14]通过遥感解译发现：青海湖流域内的现代冰川共22条，分布于布哈河上游的岗格尔肖合力(38°14′ N,98°42′ E)，面积约13.29 km2，储量约5.9亿m3，年融水量可达约0.1亿m3。此外，秦大河等(2006)[29]通过汇总我国冰冻圈特点、科学意义与国家需求，估算得出：近几十年，青藏高原多年冻土退化导致释放水量约达5×109～11×109m3/a。由于本文相关的具体观测资料有限，其影响大小有待今后进一步探讨。

4 结论

(1)已有的第四纪全新世古气候、古环境重建记录，表明青海湖湖泊水位升降与气候因子密切相关。

(2)近54年来，环湖地区的气温上升、冰雪融水补给湖泊量增加；降水增加，导致入湖河流的径流量增加，进而湖泊补给量增加；21世纪以来，湖泊水位显著升高。

(3)从历史时期至今，青海湖并不是持续的高湖面或低湖面，而是呈现出历史相似性的周期波动特征，尽管其受到多种复杂因素(地下水、冰川补给、植被等)的影响，但气候因子对湖泊水位变化仍起到了决定性作用。