青海湖水位變化成因分析及其未來(lái)趨勢(shì)預(yù)估研究

周丹，張娟，羅靜，郭廣，李寶華

1. 青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧 810001；2. 青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810001；3. 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810001

青海湖位于青藏高原東北隅，是青藏高原重要的自然單元，不僅控制和調(diào)節(jié)著流域的生態(tài)環(huán)境，而且是西部干旱區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)、青藏高原區(qū)三大區(qū)域的交匯地帶，對(duì)全球氣候和環(huán)境變化的響應(yīng)十分敏感，是維系青藏高原東北部生態(tài)安全的重要屏障（Cui et al.，2017；Jiang et al.，2019；施雅風(fēng)，1990）。隨著全球氣候變暖，青海湖流域氣候呈現(xiàn)出氣溫升高、降水增加的暖濕化趨勢(shì)（IPCC，2013；丁之勇等，2018；劉義花等，2020；潘蕊蕊等，2020）。

青海湖的存在不僅是地質(zhì)作用和氣候變化的共同結(jié)果，而且湖泊水位的波動(dòng)更是青藏高原氣候變化和生態(tài)環(huán)境變化的指示器和調(diào)節(jié)器（袁云等，2012；Yu et al.，2016；劉寶康，2016；姚檀棟等，2017）。青海湖氣候變化與水位波動(dòng)之間存在著十分密切而又復(fù)雜的相互作用，是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題（白愛(ài)娟等，2014；Zhao et al.，2017；張洪源，2018；李林等，2020）。金章東等（2013）利用高分辨率河水化學(xué)、降水量和徑流量數(shù)據(jù)，探討了 2005年以來(lái)青海湖湖水的來(lái)源和水位持續(xù)回升的原因，結(jié)果表明全球增暖情形下區(qū)域夏季降水強(qiáng)度和降水量的同時(shí)增加是導(dǎo)致青海湖水位持續(xù)回升的主要原因；Cui et al.（2016）分析探討了青海湖 1961—2012年水位變化特征及其影響氣候因素，結(jié)果表明降水和徑流對(duì)水位變化有直接的積極影響，蒸發(fā)量有顯著的負(fù)面影響。環(huán)流尺度上東亞季風(fēng)對(duì)湖泊水位變化的貢獻(xiàn)高達(dá)49.8%。區(qū)域尺度上降水、蒸發(fā)量對(duì)湖泊水位變化的貢獻(xiàn)最大。李林等（2011）利用 1960—2009年青海湖水位資料及流域氣溫、降水量、蒸發(fā)量等氣象觀測(cè)資料，高原季風(fēng)、西風(fēng)環(huán)流等氣候指數(shù)，揭示了青海湖水位波動(dòng)的影響機(jī)理，并基于區(qū)域氣候模式對(duì)2010—2020年青海湖水位變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明 2010—2020年青海湖水位仍可能以下降為主。青海湖水位2005—2020年間出現(xiàn)了連續(xù)的持續(xù)回升（Zhu et al.，2020；Fan et al.，2021；杜嘉妮等，2020），表明依靠單一的區(qū)域氣候模式進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)果并不準(zhǔn)確。

青海湖屬于脆弱生態(tài)系統(tǒng)的典型地區(qū)，是青海省乃至全國(guó)生物多樣性保護(hù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣不僅影響著本區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育和分布，而且深刻影響著江河源頭、柴達(dá)木盆地、祁連山東部以及青海省東部湟水谷地的生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展（韓有香等，2019）?；诖耍疚睦?1961—2020年氣象觀測(cè)資料分析青海湖水位變化特征及其影響因素，并結(jié)合水位回升期氣象影響因素及未來(lái)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)，對(duì)青海湖 2021—2050年水位變化進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，旨在為湖區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃與管理提供科學(xué)的依據(jù)和參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海湖位于青藏高原東北部、祁連山南麓，是中國(guó)最大的咸水湖和國(guó)際重要濕地，是青藏高原東北部重要的自然地理單元（朱延龍等，2012；侯威，2020 ）。 青海湖地理位置介于 99°34′26″—100°48′44″E 之間，36°31′48″—37°15′29″N 之間，屬高原半干旱高寒氣候。青海湖匯水區(qū)總面積為29664.36 km2，西北高、東南低，主要河流有布哈河和沙柳河，占青海湖入湖總流量的65%以上，河水補(bǔ)給主要來(lái)自大氣降水及少量冰雪融水。湖區(qū)多年平均蒸發(fā)量為41.0 億立方米。其四周分界線為：東至日月山山脊與西寧市所屬湟源縣相連，西至敖侖諾爾、阿木尼尼庫(kù)山與柴達(dá)木盆地、哈拉湖盆地相接，北至大通山山脊與大通河流域分界處，南至青海南山山脊與茶卡-共和盆地分界處（圖1）。

圖1 青海湖概況圖Fig. 1 Overview of Qinghai Lake

1.2 資料與方法

1.2.1 研究資料

本文主要研究青海湖水位變化特征，因此選擇青海湖最主要的匯水區(qū)域氣象資料為參考。氣象站點(diǎn)資料選用青海湖流域天峻、剛察 2個(gè)氣象臺(tái)站1961—2020年逐年降水量、逐月降水量、逐年蒸發(fā)量資料，1986—2020年逐年最大凍土深度資料等，數(shù)據(jù)資料均來(lái)源于青海省氣象信息中心CIMISS數(shù)據(jù)平臺(tái)。青海湖湖泊水位資料來(lái)自于青海湖南岸下社水文站觀測(cè)資料，時(shí)間序列為 1961—2020年。布哈河、沙柳河流量資料選取入湖口水文站觀測(cè)資料，時(shí)間序列為1961—2020年。

基于 CMIP5資料的可獲取性，國(guó)家氣候中心整理和訂正了 21個(gè)全球氣候模式資料（http://www.iiasa.ac.at/web-apps/tnt/RcpDb/dsd?Acti on=htmlpage&page=welcom），并公開(kāi)了RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 6.0及RCP 8.5未來(lái)情景下氣候變化預(yù)估資料（王政琪，2017；周文翀等，2018；賈東于等，2020）。本文未來(lái)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)選用中等排放情景下 21個(gè)全球氣候模式預(yù)估訂正結(jié)果（RC P6.0，CO2濃度約650 ppm），時(shí)間序列為2021—2050年。所有要素預(yù)估數(shù)據(jù)均基于氣候基準(zhǔn)年1981—2010年。

1.2.2 水位變化預(yù)測(cè)方法

眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，影響青海湖水位變化的主要?dú)庀笠匕ń邓俊㈥懨嬲舭l(fā)量、風(fēng)速、氣溫（李林等，2011；白愛(ài)娟等，2014；李林等，2020）。其中降水量對(duì)水位變化起絕對(duì)的正作用，陸面蒸發(fā)量、風(fēng)速對(duì)水位變化起絕對(duì)的副作用，且陸面蒸發(fā)量的副作用顯著大于風(fēng)速的副作用，而陸面蒸發(fā)量的大小主要受風(fēng)速和氣溫的影響。因此，本文基于水量平衡原理和全球氣候變暖背景，依據(jù)青海湖2005—2020年水位上漲階段降水量和陸面蒸發(fā)量之間的相對(duì)關(guān)系，建立青海湖水位變化預(yù)測(cè)方程：

式中：

H0——未來(lái)逐年水位變化量；

P0——未來(lái)逐年降水量變化量；

E0——未來(lái)逐年陸面蒸發(fā)量變化量；

H——水位上漲階段年平均水位變化量；

P——水位上漲階段年降水量變化量；

E——水位上漲階段年陸面蒸發(fā)量變化量。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海湖年平均水位變化特征

圖2顯示的是根據(jù)青海湖南岸下社水文站觀測(cè)資料繪制的 1961—2020年青海湖年平均水位變化趨勢(shì)圖（圖2）。1961—2020年青海湖年平均水位為3194.36 m，1961—2004年，青海湖年平均水位呈顯著下降趨勢(shì)，下降變化率為0.76 m/10 a，總計(jì)下降3.22 m。從2005年開(kāi)始，青海湖年平均水位止跌回升，轉(zhuǎn)入快速上升期（圖 2），上升變化率為 2.01 m/10 a。2020年青海湖年平均水位達(dá)3196.34 m，較2004年最低位上升3.48 m，超1961年青海湖最高水位0.26 m（圖2）。從年代際變化特征分析，20世紀(jì)60年代—21世紀(jì)00年代的下降期，青海湖年平均水位分別為3195.80、3194.96、3193.89、3193.53、3193.19 m，21世紀(jì)10年代的上升期青海湖年平均水位為3194.82 m，已經(jīng)接近20世紀(jì)70年代水位。

圖2 1961—2020年青海湖年平均水位變化趨勢(shì)圖Fig. 2 Change trend of the annual average water level of Qinghai Lake in 1961?2020

2.2 青海湖年平均水位變化成因分析

2.2.1 夏季降水量和降水強(qiáng)度影響

1961年以來(lái)，青海湖流域夏季平均降水量呈顯著增加趨勢(shì)，增加變化率為13.2 mm/10 a，顯著性系數(shù)為0.48（圖3）。其中2011—2020年夏季平均降水量最多，較最少的1961—1970年偏多34.7%（75.0 mm）。1961—2004年青海湖水位下降階段青海湖流域夏季平均降水量為234.8 mm，2005年以來(lái)青海湖流域夏季平均降水量增加顯著，達(dá)到了284.2 mm，較1961—2004年平均偏多21.0%（49.4 mm）。

圖3 青海湖流域夏季平均降水量年際變化趨勢(shì)Fig. 3 Inter-annual variation trend of summer average rainfall in Qinghai Lake Basin

1961—2020年青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm日數(shù)總體呈增加趨勢(shì)，增加變化率為0.8 d/10 a，顯著性系數(shù)為 0.44（圖 4a）。1981—1990、2001—2010、2011—2020年青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm日數(shù)較多，其中2011—2020年夏季降水量≥5.0 mm日數(shù)較最少的1971—1980年偏多35.7%（5.0 d）。1961—2004年青海湖水位下降階段青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm日數(shù)為16.0 d，2005年以來(lái)青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm日數(shù)增加顯著，達(dá)到了19.0 d，較1961—2004年平均偏多18.8%（3.0 d）。

1961—2020年青海湖流域夏季降水量≥10.0 mm日數(shù)總體呈顯著增加趨勢(shì)，增加變化率為 0.6 d/10 a，顯著性系數(shù)為0.48（圖4b）。1991—2000、2011—2020年青海湖流域夏季降水量≥10.0 mm日數(shù)較多，其中2011—2020年夏季降水量≥10.0 mm日數(shù)較最少的1971—1980年偏多83.3%（5.0 d）。1961—2004年青海湖水位下降階段青海湖流域夏季降水量≥10.0 mm日數(shù)為7.0 d，2005年以來(lái)青海湖流域夏季降水量≥10.0 mm日數(shù)增加顯著，達(dá)到了10.0 d，較1961—2004年平均偏多42.9%（3.0 d）。

圖4 青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm和≥10.0 mm日數(shù)變化趨勢(shì)Fig. 4 Variation trend of the number of days of summer precipitation ≥5.0 mm and ≥10.0 mm in Qinghai Lake Basin

2.2.2 河流補(bǔ)給影響

1961年以來(lái)，青海湖流域布哈河年平均徑流量呈增加趨勢(shì)，增加變化率為3.47 m3·s?1/10 a，顯著性系數(shù)為0.38（圖5a）。布哈河2018年年平均徑流量最大，為 74.6 m3·s?1，1973年最小，僅為 6.26 m3·s?1。1961—1970、2001—2010、2011—2020 年布哈河年平均徑流量較大，其中 2011—2020年布哈河年平均徑流量較最小的 1991—2000年偏多148.3%（30.6 m3·s?1）。1961—2004 年海湖水位下降階段布哈河年平均徑流量為 24.72 m3·s?1，2005 年以來(lái)布哈河年平均徑流量增加顯著，達(dá)到了 43.95 m3·s?1，較 1961—2004 年平均偏多 77.8%（19.2 m3·s?1）。從布哈河年平均徑流量距平可以看出（圖5b），偏少年份有36 a，其中1971—2000年偏少非常顯著，1973年最大偏少79.1%。偏多年份有24 a，其中 1961—1970、2011—2020年偏多非常顯著，2018年最大偏多149.9%。

圖5 青海湖流域布哈河年平均徑流量變化趨勢(shì)及距平變化Fig. 5 Variation trend and anomaly of Buha River annual average runoff in Qinghai Lake Basin

1961年以來(lái)，青海湖流域沙柳河年平均徑流量呈顯著增加趨勢(shì)，增加變化率為0.83 m3·s?1/10 a，顯著性系數(shù)為0.46（圖6a）。布哈河1989年年平均徑流量最大，為 15.0 m3·s?1，1979 年最小，僅為 2.56 m3·s?1。1961—1970、2001—2010、2011—2020 年布哈河年平均徑流量較大，其中 2011—2020年布哈河年平均徑流量較最少的 1971—1980年偏多94.4%（5.89 m3·s?1）。1961—2004 年海湖水位下降階段布哈河年平均徑流量為 7.49 m3·s?1，2005年以來(lái)布哈河年平均徑流量增加顯著，達(dá)到了 11.73 m3·s?1，較 1961—2004 年平均偏多 56.6%（4.24 m3·s?1）。從沙柳河年平均徑流量距平可以看出（圖6b），偏少年份有31 a，其中1971—2000年偏少非常顯著，1979年最大偏少70.3%。偏多年份有29 a，其中 1961—1970、2001—2010、2011—2020年偏多非常顯著。從2004—2020年，除2013、2015年偏少13.2%—20.1%，其他年份偏多15.0%以上。

圖6 青海湖流域沙柳河年平均徑流量變化趨勢(shì)及距平變化Fig. 6 Variation trend and anomaly of Shaliu River annual average runoff in Qinghai Lake Basin

2.2.3 陸面蒸發(fā)量影響

陸面蒸發(fā)量、風(fēng)速對(duì)水位變化起絕對(duì)的副作用，且陸面蒸發(fā)量的副作用顯著大于風(fēng)速的副作用。本研究利用高僑浩一郎公式通過(guò)觀測(cè)蒸發(fā)量計(jì)算得出陸面蒸發(fā)量（叢振濤等，2008；劉波等，2008），圖 7a顯示的是 1961—2020年青海湖流域陸面蒸發(fā)量年際變化趨勢(shì)。1961—2020年青海湖流域陸面蒸發(fā)量呈顯著增加趨勢(shì)，增加變化率為 5.9 mm/10 a，顯著性系數(shù)為 0.60（圖 7a）。1981—1990、2001—2010、2011—2020年青海湖流域陸面蒸發(fā)量較大，其中2011—2020年陸面蒸發(fā)量較最小的1961—1970年偏多13.5%（27.9 mm）。1961—2004年青海湖水位下降階段青海湖流域陸面蒸發(fā)量為 211.0 mm，2005年以來(lái)青海湖流域陸面蒸發(fā)量增加顯著，達(dá)到了235.0 mm，較1961—2004年平均偏多11.4%（24.0 mm）。

2.2.4 凍土消融影響

凍土環(huán)境是青海湖流域草甸生長(zhǎng)和發(fā)育的重要條件，也是影響青海湖水位變化和周邊建筑工程的關(guān)鍵因素（侯威，2020；潘蕊蕊等，2020）。由于降水和氣溫的變化，青海湖流域地溫處于顯著上升狀態(tài)，地溫的增加使得多年凍土和季節(jié)性凍土水釋放，導(dǎo)致湖泊面積的擴(kuò)張和水位上漲。1986—2020年，青海湖流域年最大凍土深度呈顯著減小趨勢(shì)，平均減小變化率為20.5 cm/10 a，顯著性系數(shù)為 0.78（圖 7b）。年凍土深度最大值為 1989年的270 cm，最小值為2017年的148 cm。1986—2004年青海湖流域年最大凍土深度平均為214 cm，2005—2020年平均為177 cm，后者比前者減小17.3%（37.0 cm），表明2005年以來(lái)青海湖流域年最大凍土深度減小顯著。

圖7 青海湖陸面蒸發(fā)量和年最大凍土深度變化趨勢(shì)Fig. 7 Variation trend of land surface evaporation and annual maximum frozen soil depth in Qinghai Lake

2.3 青海湖流域未來(lái)水位變化

2.3.1 青海湖流域未來(lái)降水量預(yù)估

根據(jù)國(guó)家氣候中心對(duì)未來(lái)溫室氣體中等排放情景下（CO2體積分?jǐn)?shù)約 650 μL·L?1）21 個(gè)全球氣候模式預(yù)估訂正結(jié)果，與氣候基準(zhǔn)年（1981—2010年）相比，2021—2050年青海湖流域降水量呈增多趨勢(shì)，平均每10年增長(zhǎng)5.9%（表1、圖8a）。從年際變化來(lái)看，2021—2030年青海湖流域降水量距平百分率增多約0.9%，2031—2040年增多約6.3%，2041—2050年增多約10.6%。

表1 未來(lái)不同時(shí)間段內(nèi)年降水量和年蒸發(fā)量距平百分率Table 1 Anomaly percentages of annual precipitation and annual evaporation in different time periods in the future

2.3.2 青海湖流域未來(lái)蒸發(fā)量預(yù)估

根據(jù)國(guó)家氣候中心對(duì)未來(lái)溫室氣體中等排放情景下（CO2體積分?jǐn)?shù)約 650 μL·L?1）21 個(gè)全球氣候模式預(yù)估訂正結(jié)果，與氣候基準(zhǔn)年（1981—2010年）相比，2021—2050年青海湖流域年蒸發(fā)量呈增多趨勢(shì)，平均每10年增長(zhǎng)6.5%（表1、圖8b）。從年際變化來(lái)看，2021—2030年青海湖流域年平均蒸發(fā)量距平百分率增加約 5.9%，2031—2040年增加約6.3%，2041—2050年增加約7.4%。

圖8 青海湖未來(lái)年平均降水量和年平均蒸發(fā)量距平百分率Fig. 8 Percentage of the future annual average precipitation and annual average evaporation anomaly in Qinghai Lake Basin

2.3.3 青海湖未來(lái)水位變化預(yù)估

根據(jù)青海湖水位變化預(yù)測(cè)方程，對(duì)2021—2050年青海湖水位進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，計(jì)算每年青海湖水位變化量，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如表2、圖9。由圖表分析看出，2021—2050年青海湖水位呈持續(xù)增加趨勢(shì)，其中2021—2030年增加1.63 m，2031—2040年增加1.86 m，2041—2050年增加2.02 m，2041—2050年增加幅度顯著大于 2021—2030、2031—2040年。2021—2030年逐年水位變化差異較小，2031—2040年逐年水位變化差異較大。其中 2031年水位增加0.07 m，為30年最小值，而2036年水位增加高達(dá)0.34 m，為30年最大值（表2、圖9）。2041年青海湖水位將達(dá)到3200 m，2050年將達(dá)到3201.85 m。

圖9 2021—2050年青海湖年水位預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)Fig. 9 Predicted change trend of the annual water level of Qinghai Lake from 2021 to 2050

表2 2021—2050年青海湖年水位預(yù)測(cè)變化表Table 2 Annual water level forecast changes of Qinghai Lake from 2021 to 2050

3 結(jié)論

本文采用 1961—2020年氣象觀測(cè)資料分析青海湖水位變化特征及其影響因素，并結(jié)合水位回升期氣象影響因素及未來(lái)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)，對(duì)青海湖 2021—2050年水位變化進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，主要得到以下結(jié)論：

（1）1961—2020年青海湖年平均水位為3194.36 m。1961—2004年青海湖年平均水位呈顯著下降趨勢(shì)，下降變化率為0.76 m/10 a。從2005年開(kāi)始，青海湖年平均水位止跌回升，上升變化率為2.01 m/10 a，2020年平均水位達(dá)3196.34 m。

（2）2005年以來(lái)青海湖水位上升階段，青海湖流域夏季平均降水量和降水強(qiáng)度、陸面蒸發(fā)量均呈顯著增加趨勢(shì)，布哈河和沙流河年平均徑流量也呈顯著增加趨勢(shì)，年最大凍土深度呈顯著減小趨勢(shì)。表明青海湖水位變化主要受氣候干濕交替因素控制，降水量是最主要的因素，地表徑流和地下水補(bǔ)給也起著一定作用。

（3）溫室氣體中等排放情景下，預(yù)測(cè) 2021—2050年青海湖水位呈持續(xù)增加趨勢(shì)，其中 2021—2030年增加1.63 m，2031—2040年增加1.86 m，2041—2050年增加2.02 m。2041年青海湖水位將達(dá)到3200.0 m，2050年將達(dá)到3201.85 m。

4 討論

青海湖是維系青藏高原東北部生態(tài)安全的重要屏障，其水位的波動(dòng)更是青藏高原氣候變化和生態(tài)環(huán)境變化的指示器和調(diào)節(jié)器。1961—2020年青海湖水位呈現(xiàn)出顯著的“降—升”變化趨勢(shì)。依據(jù)本文研究結(jié)論，未來(lái)水位仍將以上升為主。青海湖水位變化主要受氣候干濕交替因素控制，而降水量是最主要的因素，與水位高低存在高度正相關(guān)。2005年以來(lái)青海湖水位持續(xù)上升主要取決于全球增暖情形下區(qū)域夏季降水量和降水強(qiáng)度的同時(shí)增加，地表徑流和地下水補(bǔ)給也起著一定作用。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和青海湖流域人口數(shù)量的增加，人類在青海湖流域的活動(dòng)日益頻繁，對(duì)青海湖水位的干預(yù)作用也越來(lái)越強(qiáng)。人類活動(dòng)對(duì)青海湖流域的水資源進(jìn)行重新分配，是青海湖水位變化的間接因素和誘導(dǎo)因素。但根據(jù)歷史資料分析，青海湖水位變化是自然和人類活動(dòng)共同作用的復(fù)合結(jié)果，自然因素占主導(dǎo)地位。在自然因素尤其是氣象因素和人為活動(dòng)的綜合作用下，2004年以前，青海湖水位呈現(xiàn)整體下降的態(tài)勢(shì)。2004年以后，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在青海湖流域采取的一系列生態(tài)治理措施也對(duì)青海湖水位的上升起到了積極作用。隨著青海湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的建立和《青海湖流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與綜合治理規(guī)劃》的啟動(dòng)實(shí)施，青海湖流域生態(tài)環(huán)境明顯改善，植被的改善有效減少了地表徑流量的耗損，對(duì)青海湖水位的上升也十分有利。