青海湖水位變化成因分析及其未來趨勢預估研究

周丹，張娟，羅靜，郭廣，李寶華

1. 青海省氣象服務中心，青海 西寧 810001；2. 青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001；3. 青海師范大學地理科學學院，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，不僅控制和調節著流域的生態環境，而且是西部干旱區、東部季風區、青藏高原區三大區域的交匯地帶，對全球氣候和環境變化的響應十分敏感，是維系青藏高原東北部生態安全的重要屏障（Cui et al.，2017；Jiang et al.，2019；施雅風，1990）。隨著全球氣候變暖，青海湖流域氣候呈現出氣溫升高、降水增加的暖濕化趨勢（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作用和氣候變化的共同結果，而且湖泊水位的波動更是青藏高原氣候變化和生態環境變化的指示器和調節器（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之間存在著十分密切而又復雜的相互作用，是國內外學術界長期關注的熱點問題（白愛娟等，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、降水量和徑流量數據，探討了 2005年以來青海湖湖水的來源和水位持續回升的原因，結果表明全球增暖情形下區域夏季降水強度和降水量的同時增加是導致青海湖水位持續回升的主要原因；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，結果表明降水和徑流對水位變化有直接的積極影響，蒸發量有顯著的負面影響。環流尺度上東亞季風對湖泊水位變化的貢獻高達49.8%。區域尺度上降水、蒸發量對湖泊水位變化的貢獻最大。李林等（2011）利用 1960—2009年青海湖水位資料及流域氣溫、降水量、蒸發量等氣象觀測資料，高原季風、西風環流等氣候指數，揭示了青海湖水位波動的影響機理，并基于區域氣候模式對2010—2020年青海湖水位變化進行了預測，結果表明 2010—2020年青海湖水位仍可能以下降為主。青海湖水位2005—2020年間出現了連續的持續回升（Zhu et al.，2020；Fan et al.，2021；杜嘉妮等，2020），表明依靠單一的區域氣候模式進行預測結果并不準確。

青海湖屬于脆弱生態系統的典型地區，是青海省乃至全國生物多樣性保護和生態環境建設的重點區域，其生態環境的優劣不僅影響著本區域生態系統的發育和分布，而且深刻影響著江河源頭、柴達木盆地、祁連山東部以及青海省東部湟水谷地的生態環境和可持續發展（韓有香等，2019）。基于此，本文利用 1961—2020年氣象觀測資料分析青海湖水位變化特征及其影響因素，并結合水位回升期氣象影響因素及未來氣候變化預估數據，對青海湖 2021—2050年水位變化進行了模擬預測，旨在為湖區生態環境保護規劃與管理提供科學的依據和參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究區概況

青海湖位于青藏高原東北部、祁連山南麓，是中國最大的咸水湖和國際重要濕地，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，河水補給主要來自大氣降水及少量冰雪融水。湖區多年平均蒸發量為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、阿木尼尼庫山與柴達木盆地、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域氣象資料為參考。氣象站點資料選用青海湖流域天峻、剛察 2個氣象臺站1961—2020年逐年降水量、逐月降水量、逐年蒸發量資料，1986—2020年逐年最大凍土深度資料等，數據資料均來源于青海省氣象信息中心CIMISS數據平臺。青海湖湖泊水位資料來自于青海湖南岸下社水文站觀測資料，時間序列為 1961—2020年。布哈河、沙柳河流量資料選取入湖口水文站觀測資料，時間序列為1961—2020年。

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

1.2.2 水位變化預測方法

眾多學者研究發現，影響青海湖水位變化的主要氣象要素包括降水量、陸面蒸發量、風速、氣溫（李林等，2011；白愛娟等，2014；李林等，2020）。其中降水量對水位變化起絕對的正作用，陸面蒸發量、風速對水位變化起絕對的副作用，且陸面蒸發量的副作用顯著大于風速的副作用，而陸面蒸發量的大小主要受風速和氣溫的影響。因此，本文基于水量平衡原理和全球氣候變暖背景，依據青海湖2005—2020年水位上漲階段降水量和陸面蒸發量之間的相對關系，建立青海湖水位變化預測方程：

式中：

H0——未來逐年水位變化量；

P0——未來逐年降水量變化量；

E0——未來逐年陸面蒸發量變化量；

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量變化量。

2 結果與分析

2.1 青海湖年平均水位變化特征

圖2顯示的是根據青海湖南岸下社水文站觀測資料繪制的 1961—2020年青海湖年平均水位變化趨勢圖（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，下降變化率為0.76 m/10 a，總計下降3.22 m。從2005年開始，青海湖年平均水位止跌回升，轉入快速上升期（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60年代—21世紀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10年代的上升期青海湖年平均水位為3194.82 m，已經接近20世紀70年代水位。

圖2 1961—2020年青海湖年平均水位變化趨勢圖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度影響

1961年以來，青海湖流域夏季平均降水量呈顯著增加趨勢，增加變化率為13.2 mm/10 a，顯著性系數為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年以來青海湖流域夏季平均降水量增加顯著，達到了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日數總體呈增加趨勢，增加變化率為0.8 d/10 a，顯著性系數為 0.44（圖 4a）。1981—1990、2001—2010、2011—2020年青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm日數較多，其中2011—2020年夏季降水量≥5.0 mm日數較最少的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日數為16.0 d，2005年以來青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm日數增加顯著，達到了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日數總體呈顯著增加趨勢，增加變化率為 0.6 d/10 a，顯著性系數為0.48（圖4b）。1991—2000、2011—2020年青海湖流域夏季降水量≥10.0 mm日數較多，其中2011—2020年夏季降水量≥10.0 mm日數較最少的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日數為7.0 d，2005年以來青海湖流域夏季降水量≥10.0 mm日數增加顯著，達到了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日數變化趨勢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 河流補給影響

1961年以來，青海湖流域布哈河年平均徑流量呈增加趨勢，增加變化率為3.47 m3·s?1/10 a，顯著性系數為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 年以來布哈河年平均徑流量增加顯著，達到了 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，青海湖流域沙柳河年平均徑流量呈顯著增加趨勢，增加變化率為0.83 m3·s?1/10 a，顯著性系數為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年以來布哈河年平均徑流量增加顯著，達到了 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 陸面蒸發量影響

陸面蒸發量、風速對水位變化起絕對的副作用，且陸面蒸發量的副作用顯著大于風速的副作用。本研究利用高僑浩一郎公式通過觀測蒸發量計算得出陸面蒸發量（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量年際變化趨勢。1961—2020年青海湖流域陸面蒸發量呈顯著增加趨勢，增加變化率為 5.9 mm/10 a，顯著性系數為 0.60（圖 7a）。1981—1990、2001—2010、2011—2020年青海湖流域陸面蒸發量較大，其中2011—2020年陸面蒸發量較最小的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量為 211.0 mm，2005年以來青海湖流域陸面蒸發量增加顯著，達到了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

凍土環境是青海湖流域草甸生長和發育的重要條件，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，地溫的增加使得多年凍土和季節性凍土水釋放，導致湖泊面積的擴張和水位上漲。1986—2020年，青海湖流域年最大凍土深度呈顯著減小趨勢，平均減小變化率為20.5 cm/10 a，顯著性系數為 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 青海湖陸面蒸發量和年最大凍土深度變化趨勢Fig. 7 Variation trend of land surface evaporation and annual maximum frozen soil depth in Qinghai Lake

2.3 青海湖流域未來水位變化

2.3.1 青海湖流域未來降水量預估

根據國家氣候中心對未來溫室氣體中等排放情景下（CO2體積分數約 650 μL·L?1）21 個全球氣候模式預估訂正結果，與氣候基準年（1981—2010年）相比，2021—2050年青海湖流域降水量呈增多趨勢，平均每10年增長5.9%（表1、圖8a）。從年際變化來看，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 未來不同時間段內年降水量和年蒸發量距平百分率Table 1 Anomaly percentages of annual precipitation and annual evaporation in different time periods in the future

2.3.2 青海湖流域未來蒸發量預估

根據國家氣候中心對未來溫室氣體中等排放情景下（CO2體積分數約 650 μL·L?1）21 個全球氣候模式預估訂正結果，與氣候基準年（1981—2010年）相比，2021—2050年青海湖流域年蒸發量呈增多趨勢，平均每10年增長6.5%（表1、圖8b）。從年際變化來看，2021—2030年青海湖流域年平均蒸發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 青海湖未來年平均降水量和年平均蒸發量距平百分率Fig. 8 Percentage of the future annual average precipitation and annual average evaporation anomaly in Qinghai Lake Basin

2.3.3 青海湖未來水位變化預估

根據青海湖水位變化預測方程，對2021—2050年青海湖水位進行預測分析，計算每年青海湖水位變化量，詳細計算結果如表2、圖9。由圖表分析看出，2021—2050年青海湖水位呈持續增加趨勢，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0.34 m，為30年最大值（表2、圖9）。2041年青海湖水位將達到3200 m，2050年將達到3201.85 m。

圖9 2021—2050年青海湖年水位預測變化趨勢Fig. 9 Predicted change trend of the annual water level of Qinghai Lake from 2021 to 2050

表2 2021—2050年青海湖年水位預測變化表Table 2 Annual water level forecast changes of Qinghai Lake from 2021 to 2050

3 結論

本文采用 1961—2020年氣象觀測資料分析青海湖水位變化特征及其影響因素，并結合水位回升期氣象影響因素及未來氣候變化預估數據，對青海湖 2021—2050年水位變化進行了模擬預測，主要得到以下結論：

（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，下降變化率為0.76 m/10 a。從2005年開始，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3196.34 m。

（2）2005年以來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度、陸面蒸發量均呈顯著增加趨勢，布哈河和沙流河年平均徑流量也呈顯著增加趨勢，年最大凍土深度呈顯著減小趨勢。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給也起著一定作用。

（3）溫室氣體中等排放情景下，預測 2021—2050年青海湖水位呈持續增加趨勢，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年青海湖水位將達到3200.0 m，2050年將達到3201.85 m。

4 討論

青海湖是維系青藏高原東北部生態安全的重要屏障，其水位的波動更是青藏高原氣候變化和生態環境變化的指示器和調節器。1961—2020年青海湖水位呈現出顯著的“降—升”變化趨勢。依據本文研究結論，未來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。2005年以來青海湖水位持續上升主要取決于全球增暖情形下區域夏季降水量和降水強度的同時增加，地表徑流和地下水補給也起著一定作用。

隨著經濟社會的發展和青海湖流域人口數量的增加，人類在青海湖流域的活動日益頻繁，對青海湖水位的干預作用也越來越強。人類活動對青海湖流域的水資源進行重新分配，是青海湖水位變化的間接因素和誘導因素。但根據歷史資料分析，青海湖水位變化是自然和人類活動共同作用的復合結果，自然因素占主導地位。在自然因素尤其是氣象因素和人為活動的綜合作用下，2004年以前，青海湖水位呈現整體下降的態勢。2004年以后，隨著人們環保意識的增強，在青海湖流域采取的一系列生態治理措施也對青海湖水位的上升起到了積極作用。隨著青海湖國家級自然保護區的建立和《青海湖流域生態環境保護與綜合治理規劃》的啟動實施，青海湖流域生態環境明顯改善，植被的改善有效減少了地表徑流量的耗損，對青海湖水位的上升也十分有利。