青海湖水位变化成因分析及其未来趋势预估研究

周丹，张娟，罗静，郭广，李宝华

1. 青海省气象服务中心，青海 西宁 810001；2. 青海省气象科学研究所，青海 西宁 810001；3. 青海师范大学地理科学学院，青海 西宁 810001

青海湖位于青藏高原东北隅，是青藏高原重要的自然单元，不仅控制和调节着流域的生态环境，而且是西部干旱区、东部季风区、青藏高原区三大区域的交汇地带，对全球气候和环境变化的响应十分敏感，是维系青藏高原东北部生态安全的重要屏障（Cui et al.，2017；Jiang et al.，2019；施雅风，1990）。随着全球气候变暖，青海湖流域气候呈现出气温升高、降水增加的暖湿化趋势（IPCC，2013；丁之勇等，2018；刘义花等，2020；潘蕊蕊等，2020）。

青海湖的存在不仅是地质作用和气候变化的共同结果，而且湖泊水位的波动更是青藏高原气候变化和生态环境变化的指示器和调节器（袁云等，2012；Yu et al.，2016；刘宝康，2016；姚檀栋等，2017）。青海湖气候变化与水位波动之间存在着十分密切而又复杂的相互作用，是国内外学术界长期关注的热点问题（白爱娟等，2014；Zhao et al.，2017；张洪源，2018；李林等，2020）。金章东等（2013）利用高分辨率河水化学、降水量和径流量数据，探讨了 2005年以来青海湖湖水的来源和水位持续回升的原因，结果表明全球增暖情形下区域夏季降水强度和降水量的同时增加是导致青海湖水位持续回升的主要原因；Cui et al.（2016）分析探讨了青海湖 1961—2012年水位变化特征及其影响气候因素，结果表明降水和径流对水位变化有直接的积极影响，蒸发量有显著的负面影响。环流尺度上东亚季风对湖泊水位变化的贡献高达49.8%。区域尺度上降水、蒸发量对湖泊水位变化的贡献最大。李林等（2011）利用 1960—2009年青海湖水位资料及流域气温、降水量、蒸发量等气象观测资料，高原季风、西风环流等气候指数，揭示了青海湖水位波动的影响机理，并基于区域气候模式对2010—2020年青海湖水位变化进行了预测，结果表明 2010—2020年青海湖水位仍可能以下降为主。青海湖水位2005—2020年间出现了连续的持续回升（Zhu et al.，2020；Fan et al.，2021；杜嘉妮等，2020），表明依靠单一的区域气候模式进行预测结果并不准确。

青海湖属于脆弱生态系统的典型地区，是青海省乃至全国生物多样性保护和生态环境建设的重点区域，其生态环境的优劣不仅影响着本区域生态系统的发育和分布，而且深刻影响着江河源头、柴达木盆地、祁连山东部以及青海省东部湟水谷地的生态环境和可持续发展（韩有香等，2019）。基于此，本文利用 1961—2020年气象观测资料分析青海湖水位变化特征及其影响因素，并结合水位回升期气象影响因素及未来气候变化预估数据，对青海湖 2021—2050年水位变化进行了模拟预测，旨在为湖区生态环境保护规划与管理提供科学的依据和参考。

1 研究资料与方法

1.1 研究区概况

青海湖位于青藏高原东北部、祁连山南麓，是中国最大的咸水湖和国际重要湿地，是青藏高原东北部重要的自然地理单元（朱延龙等，2012；侯威，2020 ）。 青海湖地理位置介于 99°34′26″—100°48′44″E 之间，36°31′48″—37°15′29″N 之间，属高原半干旱高寒气候。青海湖汇水区总面积为29664.36 km2，西北高、东南低，主要河流有布哈河和沙柳河，占青海湖入湖总流量的65%以上，河水补给主要来自大气降水及少量冰雪融水。湖区多年平均蒸发量为41.0 亿立方米。其四周分界线为：东至日月山山脊与西宁市所属湟源县相连，西至敖仑诺尔、阿木尼尼库山与柴达木盆地、哈拉湖盆地相接，北至大通山山脊与大通河流域分界处，南至青海南山山脊与茶卡-共和盆地分界处（图1）。

图1 青海湖概况图Fig. 1 Overview of Qinghai Lake

1.2 资料与方法

1.2.1 研究资料

本文主要研究青海湖水位变化特征，因此选择青海湖最主要的汇水区域气象资料为参考。气象站点资料选用青海湖流域天峻、刚察 2个气象台站1961—2020年逐年降水量、逐月降水量、逐年蒸发量资料，1986—2020年逐年最大冻土深度资料等，数据资料均来源于青海省气象信息中心CIMISS数据平台。青海湖湖泊水位资料来自于青海湖南岸下社水文站观测资料，时间序列为 1961—2020年。布哈河、沙柳河流量资料选取入湖口水文站观测资料，时间序列为1961—2020年。

基于 CMIP5资料的可获取性，国家气候中心整理和订正了 21个全球气候模式资料（http://www.iiasa.ac.at/web-apps/tnt/RcpDb/dsd?Acti on=htmlpage&page=welcom），并公开了RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 6.0及RCP 8.5未来情景下气候变化预估资料（王政琪，2017；周文翀等，2018；贾东于等，2020）。本文未来气候变化预估数据选用中等排放情景下 21个全球气候模式预估订正结果（RC P6.0，CO2浓度约650 ppm），时间序列为2021—2050年。所有要素预估数据均基于气候基准年1981—2010年。

1.2.2 水位变化预测方法

众多学者研究发现，影响青海湖水位变化的主要气象要素包括降水量、陆面蒸发量、风速、气温（李林等，2011；白爱娟等，2014；李林等，2020）。其中降水量对水位变化起绝对的正作用，陆面蒸发量、风速对水位变化起绝对的副作用，且陆面蒸发量的副作用显著大于风速的副作用，而陆面蒸发量的大小主要受风速和气温的影响。因此，本文基于水量平衡原理和全球气候变暖背景，依据青海湖2005—2020年水位上涨阶段降水量和陆面蒸发量之间的相对关系，建立青海湖水位变化预测方程：

式中：

H0——未来逐年水位变化量；

P0——未来逐年降水量变化量；

E0——未来逐年陆面蒸发量变化量；

H——水位上涨阶段年平均水位变化量；

P——水位上涨阶段年降水量变化量；

E——水位上涨阶段年陆面蒸发量变化量。

2 结果与分析

2.1 青海湖年平均水位变化特征

图2显示的是根据青海湖南岸下社水文站观测资料绘制的 1961—2020年青海湖年平均水位变化趋势图（图2）。1961—2020年青海湖年平均水位为3194.36 m，1961—2004年，青海湖年平均水位呈显著下降趋势，下降变化率为0.76 m/10 a，总计下降3.22 m。从2005年开始，青海湖年平均水位止跌回升，转入快速上升期（图 2），上升变化率为 2.01 m/10 a。2020年青海湖年平均水位达3196.34 m，较2004年最低位上升3.48 m，超1961年青海湖最高水位0.26 m（图2）。从年代际变化特征分析，20世纪60年代—21世纪00年代的下降期，青海湖年平均水位分别为3195.80、3194.96、3193.89、3193.53、3193.19 m，21世纪10年代的上升期青海湖年平均水位为3194.82 m，已经接近20世纪70年代水位。

图2 1961—2020年青海湖年平均水位变化趋势图Fig. 2 Change trend of the annual average water level of Qinghai Lake in 1961−2020

2.2 青海湖年平均水位变化成因分析

2.2.1 夏季降水量和降水强度影响

1961年以来，青海湖流域夏季平均降水量呈显著增加趋势，增加变化率为13.2 mm/10 a，显著性系数为0.48（图3）。其中2011—2020年夏季平均降水量最多，较最少的1961—1970年偏多34.7%（75.0 mm）。1961—2004年青海湖水位下降阶段青海湖流域夏季平均降水量为234.8 mm，2005年以来青海湖流域夏季平均降水量增加显著，达到了284.2 mm，较1961—2004年平均偏多21.0%（49.4 mm）。

图3 青海湖流域夏季平均降水量年际变化趋势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日数总体呈增加趋势，增加变化率为0.8 d/10 a，显著性系数为 0.44（图 4a）。1981—1990、2001—2010、2011—2020年青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm日数较多，其中2011—2020年夏季降水量≥5.0 mm日数较最少的1971—1980年偏多35.7%（5.0 d）。1961—2004年青海湖水位下降阶段青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm日数为16.0 d，2005年以来青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm日数增加显著，达到了19.0 d，较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日数总体呈显著增加趋势，增加变化率为 0.6 d/10 a，显著性系数为0.48（图4b）。1991—2000、2011—2020年青海湖流域夏季降水量≥10.0 mm日数较多，其中2011—2020年夏季降水量≥10.0 mm日数较最少的1971—1980年偏多83.3%（5.0 d）。1961—2004年青海湖水位下降阶段青海湖流域夏季降水量≥10.0 mm日数为7.0 d，2005年以来青海湖流域夏季降水量≥10.0 mm日数增加显著，达到了10.0 d，较1961—2004年平均偏多42.9%（3.0 d）。

图4 青海湖流域夏季降水量≥5.0 mm和≥10.0 mm日数变化趋势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 河流补给影响

1961年以来，青海湖流域布哈河年平均径流量呈增加趋势，增加变化率为3.47 m3·s−1/10 a，显著性系数为0.38（图5a）。布哈河2018年年平均径流量最大，为 74.6 m3·s−1，1973年最小，仅为 6.26 m3·s−1。1961—1970、2001—2010、2011—2020 年布哈河年平均径流量较大，其中 2011—2020年布哈河年平均径流量较最小的 1991—2000年偏多148.3%（30.6 m3·s−1）。1961—2004 年海湖水位下降阶段布哈河年平均径流量为 24.72 m3·s−1，2005 年以来布哈河年平均径流量增加显著，达到了 43.95 m3·s−1，较 1961—2004 年平均偏多 77.8%（19.2 m3·s−1）。从布哈河年平均径流量距平可以看出（图5b），偏少年份有36 a，其中1971—2000年偏少非常显著，1973年最大偏少79.1%。偏多年份有24 a，其中 1961—1970、2011—2020年偏多非常显著，2018年最大偏多149.9%。

图5 青海湖流域布哈河年平均径流量变化趋势及距平变化Fig. 5 Variation trend and anomaly of Buha River annual average runoff in Qinghai Lake Basin

1961年以来，青海湖流域沙柳河年平均径流量呈显著增加趋势，增加变化率为0.83 m3·s−1/10 a，显著性系数为0.46（图6a）。布哈河1989年年平均径流量最大，为 15.0 m3·s−1，1979 年最小，仅为 2.56 m3·s−1。1961—1970、2001—2010、2011—2020 年布哈河年平均径流量较大，其中 2011—2020年布哈河年平均径流量较最少的 1971—1980年偏多94.4%（5.89 m3·s−1）。1961—2004 年海湖水位下降阶段布哈河年平均径流量为 7.49 m3·s−1，2005年以来布哈河年平均径流量增加显著，达到了 11.73 m3·s−1，较 1961—2004 年平均偏多 56.6%（4.24 m3·s−1）。从沙柳河年平均径流量距平可以看出（图6b），偏少年份有31 a，其中1971—2000年偏少非常显著，1979年最大偏少70.3%。偏多年份有29 a，其中 1961—1970、2001—2010、2011—2020年偏多非常显著。从2004—2020年，除2013、2015年偏少13.2%—20.1%，其他年份偏多15.0%以上。

图6 青海湖流域沙柳河年平均径流量变化趋势及距平变化Fig. 6 Variation trend and anomaly of Shaliu River annual average runoff in Qinghai Lake Basin

2.2.3 陆面蒸发量影响

陆面蒸发量、风速对水位变化起绝对的副作用，且陆面蒸发量的副作用显著大于风速的副作用。本研究利用高侨浩一郎公式通过观测蒸发量计算得出陆面蒸发量（丛振涛等，2008；刘波等，2008），图 7a显示的是 1961—2020年青海湖流域陆面蒸发量年际变化趋势。1961—2020年青海湖流域陆面蒸发量呈显著增加趋势，增加变化率为 5.9 mm/10 a，显著性系数为 0.60（图 7a）。1981—1990、2001—2010、2011—2020年青海湖流域陆面蒸发量较大，其中2011—2020年陆面蒸发量较最小的1961—1970年偏多13.5%（27.9 mm）。1961—2004年青海湖水位下降阶段青海湖流域陆面蒸发量为 211.0 mm，2005年以来青海湖流域陆面蒸发量增加显著，达到了235.0 mm，较1961—2004年平均偏多11.4%（24.0 mm）。

2.2.4 冻土消融影响

冻土环境是青海湖流域草甸生长和发育的重要条件，也是影响青海湖水位变化和周边建筑工程的关键因素（侯威，2020；潘蕊蕊等，2020）。由于降水和气温的变化，青海湖流域地温处于显著上升状态，地温的增加使得多年冻土和季节性冻土水释放，导致湖泊面积的扩张和水位上涨。1986—2020年，青海湖流域年最大冻土深度呈显著减小趋势，平均减小变化率为20.5 cm/10 a，显著性系数为 0.78（图 7b）。年冻土深度最大值为 1989年的270 cm，最小值为2017年的148 cm。1986—2004年青海湖流域年最大冻土深度平均为214 cm，2005—2020年平均为177 cm，后者比前者减小17.3%（37.0 cm），表明2005年以来青海湖流域年最大冻土深度减小显著。

图7 青海湖陆面蒸发量和年最大冻土深度变化趋势Fig. 7 Variation trend of land surface evaporation and annual maximum frozen soil depth in Qinghai Lake

2.3 青海湖流域未来水位变化

2.3.1 青海湖流域未来降水量预估

根据国家气候中心对未来温室气体中等排放情景下（CO2体积分数约 650 μL·L−1）21 个全球气候模式预估订正结果，与气候基准年（1981—2010年）相比，2021—2050年青海湖流域降水量呈增多趋势，平均每10年增长5.9%（表1、图8a）。从年际变化来看，2021—2030年青海湖流域降水量距平百分率增多约0.9%，2031—2040年增多约6.3%，2041—2050年增多约10.6%。

表1 未来不同时间段内年降水量和年蒸发量距平百分率Table 1 Anomaly percentages of annual precipitation and annual evaporation in different time periods in the future

2.3.2 青海湖流域未来蒸发量预估

根据国家气候中心对未来温室气体中等排放情景下（CO2体积分数约 650 μL·L−1）21 个全球气候模式预估订正结果，与气候基准年（1981—2010年）相比，2021—2050年青海湖流域年蒸发量呈增多趋势，平均每10年增长6.5%（表1、图8b）。从年际变化来看，2021—2030年青海湖流域年平均蒸发量距平百分率增加约 5.9%，2031—2040年增加约6.3%，2041—2050年增加约7.4%。

图8 青海湖未来年平均降水量和年平均蒸发量距平百分率Fig. 8 Percentage of the future annual average precipitation and annual average evaporation anomaly in Qinghai Lake Basin

2.3.3 青海湖未来水位变化预估

根据青海湖水位变化预测方程，对2021—2050年青海湖水位进行预测分析，计算每年青海湖水位变化量，详细计算结果如表2、图9。由图表分析看出，2021—2050年青海湖水位呈持续增加趋势，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年增加幅度显著大于 2021—2030、2031—2040年。2021—2030年逐年水位变化差异较小，2031—2040年逐年水位变化差异较大。其中 2031年水位增加0.07 m，为30年最小值，而2036年水位增加高达0.34 m，为30年最大值（表2、图9）。2041年青海湖水位将达到3200 m，2050年将达到3201.85 m。

图9 2021—2050年青海湖年水位预测变化趋势Fig. 9 Predicted change trend of the annual water level of Qinghai Lake from 2021 to 2050

表2 2021—2050年青海湖年水位预测变化表Table 2 Annual water level forecast changes of Qinghai Lake from 2021 to 2050

3 结论

本文采用 1961—2020年气象观测资料分析青海湖水位变化特征及其影响因素，并结合水位回升期气象影响因素及未来气候变化预估数据，对青海湖 2021—2050年水位变化进行了模拟预测，主要得到以下结论：

（1）1961—2020年青海湖年平均水位为3194.36 m。1961—2004年青海湖年平均水位呈显著下降趋势，下降变化率为0.76 m/10 a。从2005年开始，青海湖年平均水位止跌回升，上升变化率为2.01 m/10 a，2020年平均水位达3196.34 m。

（2）2005年以来青海湖水位上升阶段，青海湖流域夏季平均降水量和降水强度、陆面蒸发量均呈显著增加趋势，布哈河和沙流河年平均径流量也呈显著增加趋势，年最大冻土深度呈显著减小趋势。表明青海湖水位变化主要受气候干湿交替因素控制，降水量是最主要的因素，地表径流和地下水补给也起着一定作用。

（3）温室气体中等排放情景下，预测 2021—2050年青海湖水位呈持续增加趋势，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年青海湖水位将达到3200.0 m，2050年将达到3201.85 m。

4 讨论

青海湖是维系青藏高原东北部生态安全的重要屏障，其水位的波动更是青藏高原气候变化和生态环境变化的指示器和调节器。1961—2020年青海湖水位呈现出显著的“降—升”变化趋势。依据本文研究结论，未来水位仍将以上升为主。青海湖水位变化主要受气候干湿交替因素控制，而降水量是最主要的因素，与水位高低存在高度正相关。2005年以来青海湖水位持续上升主要取决于全球增暖情形下区域夏季降水量和降水强度的同时增加，地表径流和地下水补给也起着一定作用。

随着经济社会的发展和青海湖流域人口数量的增加，人类在青海湖流域的活动日益频繁，对青海湖水位的干预作用也越来越强。人类活动对青海湖流域的水资源进行重新分配，是青海湖水位变化的间接因素和诱导因素。但根据历史资料分析，青海湖水位变化是自然和人类活动共同作用的复合结果，自然因素占主导地位。在自然因素尤其是气象因素和人为活动的综合作用下，2004年以前，青海湖水位呈现整体下降的态势。2004年以后，随着人们环保意识的增强，在青海湖流域采取的一系列生态治理措施也对青海湖水位的上升起到了积极作用。随着青海湖国家级自然保护区的建立和《青海湖流域生态环境保护与综合治理规划》的启动实施，青海湖流域生态环境明显改善，植被的改善有效减少了地表径流量的耗损，对青海湖水位的上升也十分有利。