青海湖表層水溫變化特征及對氣候變化的響應(yīng)

李其江

摘要：分析了青海湖非冰期表層水溫變化特征及其對氣候變化的響應(yīng)情況，并對其影響因子和環(huán)流背景進(jìn)行了討論。結(jié)果表明：青海湖非冰期的表層水體溫度變化傾向率為0.50℃/10a，1986年發(fā)生突變;20世紀(jì)60年代末至90年代初15～18a的振蕩周期較為明顯，20世紀(jì)80年代初到21世紀(jì)初準(zhǔn)9a周期突出;向下長波輻射和氣溫是主導(dǎo)因子，降水、近地面空氣比濕、地表氣壓是指示因子;非冰期表層水溫受多種大氣環(huán)流因子的綜合作用，與局地環(huán)流因子具有更強(qiáng)的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：環(huán)流因子;變化特征;氣候變化;表層水溫;非冰期;青海湖

中圖分類號：P333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 引言

湖泊被普遍認(rèn)為是區(qū)域氣候的理想整合器，可以整合放大局地氣候[1-2]，且對氣候變化的響應(yīng)極為敏感。湖泊水溫是湖泊熱量平衡表現(xiàn)的結(jié)果，是湖泊的重要物理特征。在氣候信息傳遞到湖泊的眾多途徑中，對湖泊影響最明顯的方面體現(xiàn)在水溫上。長期以來，在對氣候變暖的事實(shí)進(jìn)行分析時，通常采用氣溫升高、冰川退縮、凍土消融等證據(jù)，而以高原內(nèi)陸湖泊水溫來反映全球氣候變化的研究很少。王明達(dá)等[3]在研究青藏高原淡水湖泊班公錯和咸水湖泊達(dá)則錯湖水溫度分層、翻轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，提出了班公錯為雙季對流混合型湖泊、達(dá)則錯為半對流湖泊的分類結(jié)論;黃磊等[4]分析了納木錯湖水溫變化及熱力學(xué)分層特征，認(rèn)為湖盆形狀及水深分布可能是其熱力學(xué)特征差異的主要原因;Huang L.等[5]利用校正后的通用模型對1979-2012年納木錯湖的水溫變化進(jìn)行了模擬，得出納木錯湖水溫對最近的氣候變暖具有明顯的響應(yīng)。

青海湖是我國面積最大的內(nèi)陸咸水湖，地處青藏高原東北部，是青藏高原上生物多樣性最豐富的地區(qū)之一。本文以青海湖為例，分析非冰期表層水溫變化趨勢，以期為全球氣候變化提供湖泊水溫事實(shí)證據(jù)，并研究水溫變化與氣象因子、大氣環(huán)流因子的響應(yīng)關(guān)系，探討和揭示表層水溫變化的主要影響因子和環(huán)流背景。

2 數(shù)據(jù)處理和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

青海湖水面通常自11月開始結(jié)冰，一直持續(xù)到次年4月，非冰期為5-10月。青海湖下社站在非冰期觀測的水溫為距岸邊0.5m處的湖水表層水溫;在冰期觀測的水溫為距岸邊30m、冰下水深的半深處的水溫。為了保證資料的一致性，本文僅分析非冰期的湖體表層水溫，資料來源于青海湖水溫觀測站點(diǎn)一郎劍（1969-1982年）、下社（1983-2016年）的數(shù)據(jù)，兩站距離15km，資料直接合并使用，系列長度為1969-2016年;氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)亦來源于一郎劍和下社站的觀測數(shù)據(jù)。向下長短波輻射、近地面空氣比濕、地表氣壓等氣象因子數(shù)據(jù)來源于青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國區(qū)域地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集（水平空間分辨率0.1°）[6-7]。亞洲緯向環(huán)流指數(shù)、青藏高原指數(shù)、SOI南方濤動指數(shù)來源于國家氣候中心發(fā)布的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)。南亞夏季風(fēng)指數(shù)來源于北京師范大學(xué)李建平發(fā)布的數(shù)據(jù)（http：//ljp.gcess.cn/dct/page/65576）。

2.2 主要方法

2.2.1 線性傾向佑計(jì)

用x_i表示樣本量為n的某一變量，用t_i表示x_i所對應(yīng)的時間，建立x_i與t_i之間的一元線性回歸方程：

x_i=a+bt_i（i=1，2，…，n）式中：a為回歸常數(shù);b為回歸系數(shù)。

a和b利用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，b的符號表示變量x的趨勢傾向，擬合優(yōu)度R²表示變量x與時間t之間線性相關(guān)的密切程度。對于判斷變化趨勢的程度是否顯著，必須對擬合優(yōu)度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，確定顯著性水平α。若R²>r_α²，則表明x隨時間t的變化趨勢顯著，否則表明變化趨勢不明顯。應(yīng)用t檢驗(yàn)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。取顯著性水平α=0.05，n=46，查正態(tài)分布表得臨界值r_α=0.285，則r_α²=0.0812。

2.2.2 突變檢驗(yàn)

選用Mann-Kendall（簡稱M-K）檢驗(yàn)、滑動t檢驗(yàn)和Yama檢驗(yàn)法，詳見文獻(xiàn)[8]。

2.2.3 周期分析

小波分析是20世紀(jì)80年代初在Fourier變換基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種信號分析方法，具有良好的局部化性質(zhì)，其時頻多分辨率功能適合于分析水文時間系列的多時間尺度。本文選擇Morlet小波[9]進(jìn)行周期分析。

3 結(jié)果分析

3.1 年際變化趨勢

非冰期（5-10月）的青海湖表層湖水平均溫度具有明顯的年際波動，整體呈逐漸升高趨勢，變化傾向率為0.50℃/10a，這一變化速率略高于全球范圍內(nèi)167個大型湖泊表面溫度的變暖速率（0.45℃/10a）[10]。1969-2016年表層水溫呈階梯式升高，1969-1986年多年平均非冰期水溫為9.7℃，1987-2008年多年平均非冰期水溫為11.0℃，2009-2016年多年平均非冰期水溫為11.7℃（見圖1）。

3.2 突變分析

M-K突變檢驗(yàn)、滑動t檢驗(yàn)、Yama突變檢驗(yàn)結(jié)果（見圖2）表明，青海湖非冰期表層水溫分別在1991年、1986年、1986年發(fā)生突變，根據(jù)非冰期表層水溫年際變化過程線（見圖1），1966-1986年基本維持一個相對穩(wěn)定的低溫期，而1987年以后水溫開始升高，且溫度升幅明顯大于近期（2009-2016年）較1987-2008年的升溫幅度。因此，結(jié)合年際變化過程線和突變檢驗(yàn)結(jié)果，綜合判定非冰期湖泊表層水溫在1986年發(fā)生突變。

3.3 周期分析

由非冰期湖泊表層水溫的Morlet小波實(shí)部系數(shù)時頻分析圖和小波模圖可知，對于10a及以上相對較大的時間尺度，20世紀(jì)60年代末至90年代初15～18a的振蕩周期較為明顯;而對于10a以下相對較小的時間尺度，20世紀(jì)80年代初到21世紀(jì)初準(zhǔn)9a周期突出，這與年際變化過程線所反映的波形完全一致。

4 與氣候變化的響應(yīng)

4.1 與近地面氣象要素的關(guān)系

本文選用氣溫、降水、向下長波輻射、向下短波輻射、近地面空氣比濕、地表氣壓等6種氣象要素，利用相關(guān)分析法分析青海湖非冰期表層水溫與氣象因素的響應(yīng)關(guān)系，見圖3、表1。

從相關(guān)分析結(jié)果來看，青海湖非冰期表層水溫與近地面空氣比濕的相關(guān)性最為顯著，相關(guān)系數(shù)為0.921（P<0.01，N=222，P、N分別為顯著性水平和樣本數(shù)量），原因可能是非結(jié)冰期青海湖水面的蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致湖面的空氣濕度較大[11]。表層水溫與近地面氣溫、向下長波輻射表現(xiàn)出很好的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)分別為0.889、0.824，均通過了0.01的信度檢驗(yàn)），而與向下短波輻射則呈現(xiàn)微弱的正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.214，未通過信度檢驗(yàn)），這表明太陽輻射不是表層水溫最主要的能量來源。地面所接收的大氣向下長波輻射的平均值約為太陽輻射平均值的2倍[12]，因此判定大氣向下長波輻射即大氣逆輻射的能量是青海湖表層水溫主要的能量來源，這與Huang L.等[5]利用校正后的通用模型得出空氣溫度和向下長波輻射的升高是造成納木錯湖水變暖的兩個驅(qū)動因素的結(jié)論類似。表層水溫與近地表氣壓呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.825），這與“夏季近地面氣壓為低壓，表層水溫高”的常規(guī)認(rèn)識似乎不符，但這種不符說明了青藏高原對周邊氣壓系統(tǒng)的影響。青藏高原地面氣壓場與平原地面氣壓場相似，夏季為熱低壓，冬季為冷高壓，但地面氣壓的年變化正好與平原相反，表現(xiàn)為夏季高、冬季低[13]。這種變化規(guī)律與表層水溫的年內(nèi)變化一致。此外，降水與表層水溫的相關(guān)性也比較顯著（相關(guān)系數(shù)為0.680），這是由青海湖地區(qū)雨熱同期的氣候特點(diǎn)和選取的分析時間尺度不同造成的。雖然表層水溫與各因子響應(yīng)關(guān)系顯著，但不同的因子作用機(jī)理是不同的：向下長波輻射和氣溫是主導(dǎo)因子，降水、近地面空氣比濕、地表氣壓對水溫的影響很微弱，僅是指示因子。

4.2 與環(huán)流指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系

青海湖位于青藏高原東北側(cè)，主要受到西風(fēng)環(huán)流、南亞季風(fēng)和高原天氣系統(tǒng)的影響，該地區(qū)氣候問題極其復(fù)雜，這種氣候特征與特殊的地形條件相聯(lián)系，也與特定大尺度環(huán)流背景的變化有關(guān)，是大尺度環(huán)流變化與特定地形條件相結(jié)合的產(chǎn)物。氣溫作為影響非冰期表層水溫的主導(dǎo)因子，其與環(huán)流背景是息息相關(guān)的[14]。

環(huán)流指數(shù)表征一定區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)流強(qiáng)度。環(huán)流指數(shù)的大小同大范圍天氣狀況有一定的聯(lián)系。本文選取SOI南方濤動指數(shù)、亞洲緯向環(huán)流指數(shù)、青藏高原指數(shù)B（TPI_B）、南亞夏季風(fēng)指數(shù)來反映青海湖非冰期水溫與厄爾尼諾或拉尼娜現(xiàn)象的活躍程度、西風(fēng)環(huán)流、青藏高原環(huán)流、南亞季風(fēng)的響應(yīng)關(guān)系。

青海湖非冰期水溫與青藏高原指數(shù)B的相關(guān)最顯著（相關(guān)系數(shù)為0.898，通過了0.01的信度檢驗(yàn)），與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)呈顯著中度負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.584，通過了0.01的信度檢驗(yàn)），與南亞夏季風(fēng)指數(shù)呈顯著低度正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.440，通過了0.01的信度檢驗(yàn)），與SOI南方濤動指數(shù)相關(guān)關(guān)系很弱（相關(guān)系數(shù)為0.011，未通過0.01的信度檢驗(yàn)）（見表2、圖4）。

緯向環(huán)流指數(shù)又稱西風(fēng)指數(shù)，是表示平均地轉(zhuǎn)風(fēng)速中西風(fēng)分量的一個指標(biāo)。本文采用亞洲緯向環(huán)流指數(shù)（IZ，東經(jīng)60°-150°），而青藏高原處于西風(fēng)帶的影響下。西風(fēng)指數(shù)的大小與振蕩反映了中緯度西風(fēng)帶槽脊波動的不同特征，南北氣壓差的變動使槽脊南伸北抬，引起槽脊的位置和強(qiáng)度異常分布，進(jìn)而影響高緯度冷空氣南下的路徑、強(qiáng)度及活動頻率，對歐亞中高緯度大陸的氣溫分布造成影響。南亞夏季風(fēng)及其中的擾動對高原天氣的影響主要體現(xiàn)在為青藏高原帶來大量暖濕氣流。空間上，夏季（每年6-9月）在青藏高原北緯30°以南地區(qū)，500hPa高度盛行南風(fēng)和西南風(fēng)，并在北緯30°-35°逐漸減弱，而西風(fēng)則在北緯35°以北盛行。青海湖下社站處于南亞季風(fēng)和西風(fēng)影響的交匯區(qū)，單一因子對該區(qū)域的影響勢均力敵（相關(guān)系數(shù)的絕對值差別不大）。龔道溢等[15]指出西風(fēng)環(huán)流與氣溫具有相互制約的關(guān)系，而氣溫是影響青海湖非冰期表層水溫的主要影響因子，因而佐證了本文得出的緯向環(huán)流與溫度呈顯著中度負(fù)相關(guān)的結(jié)論。

夏季，高原上空是西風(fēng)氣流和南亞季風(fēng)氣流直接匯合形成的500hPa切變線，其上常有次天氣尺度的500hPa低渦活動。青藏高原指數(shù)B是一個綜合指標(biāo)，反映了西風(fēng)環(huán)流和南亞夏季風(fēng)在青藏高原地形的綜合影響下形成的區(qū)域性大氣環(huán)流背景。TPI_B被定義為北緯30°-40°、東經(jīng)75°-105°范圍內(nèi)所有網(wǎng)格上500hPa高度（單位：位勢什米）去掉百位數(shù)后的累計(jì)值，大體反映了這一范圍內(nèi)500hPa高度低渦和高壓的活動狀況。受青藏高原地形的強(qiáng)迫作用，在南（北）側(cè)形成常定的正（負(fù)）渦度帶，從而有利于產(chǎn)生高原北側(cè)的南疆和河西高壓、高原東側(cè)的低渦[13]。青藏高原低渦多為暖性結(jié)構(gòu)，是青藏高原獨(dú)特的產(chǎn)物，多出現(xiàn)在夏季。青海湖位于青藏高原的東北部，在低渦（暖渦）的影響范圍之內(nèi)。青海湖表層水溫與TPI_B具有高度相關(guān)性。

綜上，青海湖非冰期表層水溫受多種大氣環(huán)流因子的綜合作用，但受青藏高原地形影響，與局地環(huán)流因子具有更強(qiáng)的相關(guān)性。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

青海湖非冰期的表層湖水平均溫度具有年際波動，呈逐漸升高趨勢，變化傾向率為0.50℃/10a，略高于全球范圍內(nèi)167個大型湖泊表面溫度變暖的結(jié)果（0.45℃/10a）。非冰期表層水溫在1986年發(fā)生突變。對于10a及以上相對較大的時間尺度，20世紀(jì)60年代末至90年代初15～18a的振蕩周期較為明顯;而對于10a以下相對較小的時間尺度，20世紀(jì)80年代初到21世紀(jì)初準(zhǔn)9a周期突出。

青海湖非冰期表層水溫與近地面空氣比濕、近地面氣溫、地表氣壓、向下長波輻射呈顯著高度相關(guān)，與降水呈顯著中度相關(guān)，與向下短波輻射和近地面風(fēng)速相關(guān)關(guān)系很弱。向下長波輻射和氣溫是主導(dǎo)因子，降水、近地面空氣比濕、地表氣壓是指示因子。

青海湖非冰期水溫與青藏高原指數(shù)B呈顯著高度相關(guān)，與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)呈顯著中度負(fù)相關(guān)，與南亞夏季風(fēng)指數(shù)呈顯著低度正相關(guān)，與SOI南方濤動指數(shù)相關(guān)關(guān)系很弱。青海湖處于南亞季風(fēng)和西風(fēng)影響的交匯區(qū)，單一因子對該區(qū)域的影響勢均力敵。青海湖非冰期表層水溫受多種大氣環(huán)流因子的綜合作用，但更多地表現(xiàn)出與局地環(huán)流因子更強(qiáng)的相關(guān)性。

5.2 討論

湖泊表層水溫是多種因子綜合作用的結(jié)果，這些因子包括氣候變化、湖泊所處的地理位置、河流的入湖水量等。本文僅分析了表層水溫對氣候變化的響應(yīng)，尚未考慮海拔和地形、河流入湖水量對水溫的影響。同時，本文雖然揭示出表層水溫與青藏高原指數(shù)B具有高度相關(guān)關(guān)系，與西風(fēng)環(huán)流和南亞季風(fēng)關(guān)系較弱，并初步分析了作用機(jī)理，但是還有待深入研究。

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