1961—2018年呼伦湖水面面积变化特征及其对气候变化的响应

2021-04-25王鹏飞郭云艳郑朔方王书航

环境科学研究 2021年4期

王鹏飞，郭云艳，周康，郑朔方，姜霞，王书航

中国环境科学研究院湖泊生态环境研究所，湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，北京 100012

呼伦湖是亚洲中部草原区最大淡水湖，我国北方第一大湖[1]，具有调节气候、涵养水源、防止荒漠化、维持生物多样性等多种功能，是我国北方生态安全屏障的重要组成部分[1-2]. 呼伦湖流域位于中高纬度受东南季风影响的边缘区域，对全球气候变化的响应敏感[3]. 气候变化已对全球许多湖泊生态系统的物理、化学和生物特征产生了广泛影响[4]，如改变湖泊面积[5-6]、增加湖水有机物含量[7-8]、加剧湖泊富营养化[8-9]、改变污染物在湖内迁移转化过程[10]、降低鱼类生物多样性[4,11]等. 水面面积是湖泊的重要特征参数，水面面积缩小导致湖周湿地萎缩，破坏鱼类、鸟类栖息地，威胁湖泊生态安全[12-14]. 众多研究表明，气候变化是干旱区湖泊水面面积变化的重要影响因素[15-17]，因此，研究呼伦湖水面面积长时间序列变化趋势以及与气候变化的相关性，对区域水资源管理和生态环境变化分析具有重要意义.

现有关于气候变化对呼伦湖水面面积影响的研究多基于2010年以前数据，鲜有关于近10年呼伦湖水面面积变化的报道，且现有研究得到的影响呼伦湖水面面积变化的主导因子并不统一. 例如：高永刚等[18]发现，降水量变化是1961—2005年呼伦湖水面面积变化的主导因子；赵慧颖等[13,19]指出温度和蒸发量上升是1959—2005年和1991—2009年呼伦湖水面面积变化的主要因素，水面面积与降水量关系不密切. 为缓解呼伦湖水面面积萎缩趋势，呼伦贝尔市政府于2009年开始实施“引河济湖”工程，将海拉尔河河水经呼伦沟调入呼伦湖. 人工调水改变了呼伦湖水文情势，其对呼伦湖水面面积与气候变化响应关系的影响还鲜见报道.

鉴于此，该文基于1961—2018年呼伦湖水面面积以及区域气温、降水量、蒸发量和相对湿度的长时间序列数据，全面分析呼伦湖水面面积和区域气候变化特征，定量解析呼伦湖水面面积对气候变化的响应以及人工调水对此响应关系的影响，以期为呼伦湖保护修复提供支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

呼伦湖(117°00′10″E～117°41′40″E、48°30′40″N～49°20′40″N)位于内蒙古自治区东北部呼伦贝尔高原西部的中高纬度地带，横跨新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗和满洲里市，平均水深5～6 m，在我国境内流域面积1.08×105km2[11]，区域属于半干旱大陆性季风气候，冬季严寒漫长，春季干燥风大，秋季气温骤降霜冻早[3,20]. 呼伦湖湖水天然补给除大气降水和地下水外，主要来自克鲁伦河和乌尔逊河[2].

1.2 数据来源

1961—2018年呼伦湖水面面积数据来自文献[3,18,21-22]. 1961—2018年新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗和满洲里市气象站逐日平均气温、降水量、蒸发量和相对湿度观测数据下载自中国气象数据网. 计算各气象站每年逐日气温和相对湿度的算数平均值作为3个气象站年均气温和相对湿度，每年逐日降水量和蒸发量之和作为当年累积降水量和蒸发量. 以3个气象站气象要素平均值代表呼伦湖区域逐年气温、降水量、蒸发量和相对湿度[2,13,18].

1.3 分析方法

分别采用曼-肯德尔(Mann-Kendall，M-K)趋势检验、M-K突变检验和小波分析法解析呼伦湖水面面积以及呼伦湖区域气温、降水量、蒸发量和相对湿度的变化趋势、突变点和周期性变化特征；采用一元线性回归法计算各因子变化倾向率；采用皮尔逊相关性分析(Pearson correlation analysis)和灰色关联分析两种方法分析水面面积与气象要素的相关性，进而反映水面面积对气候变化的响应.

1.3.1M-K趋势和突变检验

M-K趋势检验和突变检验是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验法，具有对样本概率分布无要求的优点[23-24]. M-K趋势检验通过计算检验值(Z值)判断时间序列变化趋势是否显著，计算方法见文献[25]. M-K突变检验通过计算统计量时间序列UF和UB判断所检验时间序列是否存在突变点，当UF和UB交点位于95%置信区间(-1.96～1.96)内时，交点对应的时间即为发生显著突变的时间(P<0.05)，计算方法见文献[24].

1.3.2小波分析

小波分析法把时间序列分解为时间和频率的贡献，能有效分析序列在不同时间尺度上的周期结构和异常变化规律[26]，被广泛用于水文、气象时间序列的周期分析[27-29]. 采用MATLAB中的Morlet小波分析计算各因子小波系数和小波方差，公式[27]如下：

(1)

(2)

小波系数实部的等值线能够反映不同时间尺度下序列的周期变化及在时间域上的分布，实部系数为正表示处于偏高阶段，为负则表示处于偏低阶段，等值线越密集表明信号越强[30]. 小波方差表示时间序列中该周期波动的强弱或能量大小[31]，小波方差值越大，对应时间尺度的周期性变化特征越显著.

1.3.3灰色关联分析

灰色关联分析是一种基于灰色系统理论的高效的不确定系统研究方法，具有对数据要求低且计算量小、便于广泛应用的特点[32]；其基本思想是根据变量时间序列几何形状的相似程度来判别其联系是否紧密，形状越相似，相应序列关联度越大. 灰色关联分析常用于多因素分析中，通过计算多个因素与同一参考序列之间的关联度来确定主导因子[33]. 计算方法见文献[34].

M-K趋势检验、M-K突变检验、一元线性回归和灰色关联分析由Excel 2016软件完成，小波分析和Pearson相关性分析分别通过MATLAB R2016a和IBM SPSS Statistics 19软件完成. 图片采用Origin 2018软件绘制.

2 结果与分析

2.1 呼伦湖水面面积变化特征

1961—2018年呼伦湖水面面积在 1 739～2 360 km2之间，2011年最小，1991年最大〔见图1(a)〕. M-K趋势检验结果(见表1)显示，近年来呼伦湖水面面积显著减小(Z=-5.35，P<0.01)，57年间减小了415 km2，相当于1991年面积的17.6%，变化倾向率为-72.84 km2/(10 a). 近60年呼伦湖水面面积变化分为5个阶段：1961—1963年的扩张期；1964—1983年的萎缩期；1984—2000年的恢复期；2001—2009年的快速萎缩期，8年间水面面积减小了473 km2，平均每年减小59 km2；2009年“引河济湖”工程实施以后，水面面积逐渐恢复，近年来稳定在 2 030 km2左右. M-K突变检验结果〔见图1(b)〕显示，呼伦湖水面面积在1998年前后发生突变，平均值从1961—1998年的 2 247 km2减至1999—2018年的 1 972 km2.

呼伦湖水面面积小波方差图〔见图2(a)〕仅在时间尺度28 a处存在1个明显峰值，表明水面面积存在28 a左右的变化周期. 由小波系数实部值等值线图〔见图2(b)〕可知，1961—2018年呼伦湖水面面积在28 a时间尺度上经历了3个较完整的大小变换周期，1961—1967年、1978—1985年、1995—2003年和2013—2018年为水面面积较大时期，1968—1977年、1986—1994年和2004—2012年为水面面积较小时期.

图1 1961—2018年呼伦湖水面面积及其M-K突变检验结果Fig.1 Lake area of Hulun Lake from 1961 to 2018 and its M-K abrupt change test results

表1 1961—2018年呼伦湖水面面积及区域气象要素变化倾向率和M-K趋势检验值(Z值)Table 1 Tendency rates and M-K Z statistics of lake area of Hulun Lake and the meteorological elements during 1961-2018

图2 1961—2018年呼伦湖水面面积小波方差图和小波系数实部值等值线图Fig.2 Wavelet variance and contour map of the real part of wavelet coefficients of the lake area of Hulun Lake from 1961 to 2018

2.2 呼伦湖区域气候变化特征

1961—2018年呼伦湖区域多年平均气温、降水量、蒸发量和相对湿度分别为0.38 ℃、265 mm、1 724 mm、61.2%，蒸发量是降水量的6.5倍. 57年间年均气温和蒸发量显著上升(P<0.01)，相对湿度显著降低(P<0.01)，而降水量呈非显著减少趋势(P>0.05)，反映出呼伦湖区域暖干化的气候变化趋势.

呼伦湖区域气温和蒸发量分别在1988年和2004年左右发生突变(见图3)，在突变点以前呈下降趋势，突变点之后呈上升趋势. 相对湿度在2000年左右发生突变，由1961—1979年上升和1979—2000年微弱下降变为2000年以后显著下降(P<0.05). 降水量大致经历1961—1964年上升、1964—1983年下降、1983—2003年上升和2003—2018年下降4个阶段，变化趋势始终不显著(P>0.05)，不存在显著突变点.

图3 1961—2018年呼伦湖区域气温、降水量、蒸发量和相对湿度M-K突变检验结果Fig.3 M-K abrupt change test results of the annual air temperature, precipitation, evaporation and relative humidity of Hulun Lake area from 1961 to 2018

呼伦湖区域降水量、蒸发量和相对湿度小波方差图最高峰均位于28 a时间尺度处(见图4)，即变化主周期均为28 a左右，与呼伦湖水面面积变化周期相同. 此外，降水量还存在8 a和11 a的第二主周期以及19 a左右的次周期，蒸发量也存在22 a左右的第二主周期和8 a左右的准周期，呈现多时间尺度的周期性变化特征. 气温存在3个尺度的变化周期，分别为20 a左右的第一主周期、5～6 a的第二主周期以及10 a左右的次周期.

图4 1961—2018年呼伦湖区域气温、降水量、蒸发量和相对湿度小波方差图Fig.4 Wavelet variance of the annual air temperature, precipitation, evaporation and relative humidity of Hulun Lake area from 1961 to 2018

在第一主周期时间尺度上，1961—2018年呼伦湖区域气温经历了4个较完整的高低变换周期(见图5)，1961—1964年、1973—1981年、1990—1996年、2003—2009年和2016—2018年为高温期，1965—1972年、1982—1989年、1997—2002年和2010—2015年为低温期. 降水经历了3个较完整的丰枯变换周期，1961—1966年、1975—1983年、1992—2000年和2012—2018年为丰水期，1967—1974年、1984—1991年和2001—2011年为枯水期. 蒸发量和相对湿度也经历了3个完整的高低变换周期，它们偏高和偏低的年份分别与呼伦湖水面面积较大和较小的年份重合，因此，呼伦湖水面面积周期性变化特征与区域蒸发量和相对湿度完全一致. 水面面积较大和较小的年份分别始于降水丰水期和枯水期之后1～3年，反映出水面面积对降水量变化响应的时滞性.

图5 1961—2018年呼伦湖区域气温、降水量、蒸发量和相对湿度小波系数实部值等值线图Fig.5 Contour maps of the real part of the wavelet coefficients of the annual air temperature, precipitation, evaporation and relative humidity of Hulun Lake area from 1961 to 2018

2.3 呼伦湖水面面积与气象要素的相关性

为揭示人工调水对呼伦湖水面面积与气候变化响应关系的可能影响，分别分析1961—2018年、调水前的1961—2008年以及调水后的2009—2018年3个时段呼伦湖水面面积与气象要素的相关性. 相关性分析中只考虑与水面面积密切相关的气温、降水量和蒸发量3个要素[3,13,18-19]，结果见表2.

Pearson相关性分析表明，1961—2018年呼伦湖水面面积与蒸发量呈显著负相关(P<0.01)，相关系数为-0.546，蒸发量增大是呼伦湖水面面积减小的重要影响因素. 呼伦湖水面面积与气温呈负相关，与降水量呈正相关，但相关性均不显著(P>0.05)，这两个因素对水面面积的直接影响较小. 1961—2018年呼伦湖水面面积与降水量和蒸发量灰色关联度为0.938～0.960，水面面积与气温关联度低，表明降水量和蒸发量对呼伦湖水面面积有影响，其中蒸发量的影响更重要，与Pearson相关性分析结果一致.

如果只考虑调水前的数据，与1961—2018年相比，呼伦湖水面面积与降水量的Pearson相关系数以及其与气温的灰色关联度均略有减小，与气温、蒸发量的Pearson相关系数以及其与降水量、蒸发量的灰色关联度均增大，水面面积与气象要素的相关性总体增强. 除蒸发量外，呼伦湖水面面积与气温也呈显著负相关(P<0.05)，相关系数为-0.363，气温升高对呼伦湖1961—2008年水面面积减小也有影响，其程度弱于蒸发量. 1961—2008年水面面积与气象要素的灰色关联度排序为蒸发量>降水量>气温，与1961—2018年结果一致，可见蒸发量是水面面积变化的主导因子.

人工调水实施以后的2009—2018年，Pearson相关性分析表明呼伦湖水面面积与气温呈显著正相关(P<0.05)，这与气温上升对非冰川融雪补给湖泊水面面积的减小作用相矛盾，人工调水严重干扰了2009—2018年呼伦湖水面面积对气候变化的响应，该时段水面面积与气温、降水量、蒸发量的灰色关联度也明显小于其他两个时段.

表2 呼伦湖水面面积与气象要素的Pearson 相关系数及灰色关联度Table 2 Pearson correlation and grey relational coefficients of lake area of Hulun Lake and the meteorological elements

3 讨论

3.1 呼伦湖区域近60年的气候水文变化特征

呼伦湖区域近60年来气温显著升高、蒸发量显著增大、相对湿度显著降低、降水量非显著减少，气候趋于暖干化，与已有文献[3,7,19]研究结果一致. 近60年来呼伦湖水面面积显著减小，其中2001—2009年表现最为剧烈. 受全球大规模气候变化影响[20]，2001—2009年呼伦湖区域处于高温少雨的干旱期，与1961—2018年多年均值相比，平均温度和蒸发量分别高出0.9 ℃和161 mm，而降水量减少47 mm，有研究[2,35]认为气候变化背景下入湖径流减小是此阶段水面面积急剧减小的最主要原因. 呼伦湖水面面积在1998年发生突变，与区域相对湿度和蒸发量突变时间(分别为2000年和2004年)接近，而气温的突变时间更早(1988年)，说明区域气候变化最开始表现为气温显著升高，10～16 a后区域蒸发量和相对湿度以及呼伦湖水面面积发生突变.

降水量、蒸发量、相对湿度和水面面积均存在28 a左右的变化主周期，与已有文献[14,18]中报道的呼伦湖水面面积、水位及蒸发量、降水量存在25～27 a的主周期接近. 水面面积与蒸发量和相对湿度周期性变化特征完全一致，与降水量变化主周期相同，反映出水面面积对气候的周期波动存在相应的响应. 通过对气候要素和水面面积的突变和周期性变化特征的详细对比分析，该文明确了呼伦湖区域气候水文要素的突变顺序，指出水面面积、蒸发量和相对湿度周期性波动完全一致，有助于深入理解呼伦湖区域气候变化的影响.

3.2 呼伦湖水面面积对气候变化的响应

湖泊面积变化是其水量平衡的具体体现. 湖泊水量平衡取决于湖面降水、地表水入湖径流和地下水入湖径流等补给部分以及湖泊水面蒸发、出湖径流和人工取水等水量消耗部分[2]. 工农业生产每年从呼伦湖的取水量仅占入湖径流量的2%[7]，对水量平衡的影响较小. 除1971年等少数年份外，近60年来呼伦湖湖水无外泄，属内流湖[2]. 因此，湖面蒸发是呼伦湖水量消耗的主要途径. Pearson相关性分析表明，区域蒸发量增大是1961—2018年呼伦湖水面面积(水量)减小的重要影响因素，气温升高和蒸发量增大是1961—2008年水面面积减小的影响因素，而水面面积与降水量相关性不显著，与文献[13,19]结果一致. Pearson相关性分析是对两个变量之间线性相关程度的衡量[36]，其结果可能与实际不符，体现在2009—2018年呼伦湖水面面积与气温呈显著正相关，相关文献[18-19]中也有类似发现，如呼伦湖水面面积与降水量呈显著负相关，与蒸发量呈显著正相关，与降水量对面积增长的促进作用、蒸发量的削弱作用的实际情况相矛盾. 为增加结果的可靠性，该研究又采用了灰色关联分析法，该方法尚鲜见用于分析气候变化对呼伦湖水文特征的影响. 结果表明，1961—2018年和1961—2008年呼伦湖水面面积与区域蒸发量和降水量存在极强的关联性[33]，关联度为0.938～0.973，降水量对水面面积的影响弱于蒸发量. 综合上述两种方法分析结果可知，气候变化引起的蒸发量增大是1961—2018年和1961—2008年呼伦湖水面面积减小的重要原因，与文献[18]结论不一致，该文献通过比较气温和降水对呼伦湖水面面积变化的贡献率得出降水量占主导作用，并未对蒸发量贡献予以讨论.

1961—2018年和1961—2008年呼伦湖水面面积与气温和蒸发量的Pearson相关系数绝对值为0.363～0.553，属于弱到中等程度相关，表明水面面积还受到其他因素的影响[2-3]，如地表水和地下水入湖径流的减少. 进一步分析气象要素间相关性发现，蒸发量与气温呈显著正相关(P<0.01，相关系数为0.345～0.371)，与降水量和相对湿度呈显著负相关(P<0.01，相关系数为-0.821～-0.513). 可见，区域气候暖干化导致呼伦湖水面蒸发量增大，水量消耗增加，同时降水减少使湖面降水和入湖径流补给减少，呼伦湖水量入不敷出，水面面积萎缩.

1961—2008年呼伦湖水面面积与气象要素的相关性强于1961—2018年，可能与气候变化的非均匀性以及人工调水有关. 根据文献[37-38]可知，3个气象站观测蒸发量与呼伦湖水面蒸发量的折算系数为0.61～0.65，计算出2009—2018年呼伦湖湖面蒸发耗水量为22.5×108～24.0×108m3/a，是“引河济湖”工程最大调水量(11.0×108m3/a)[39]的2倍以上. 2009—2018年克鲁伦河和乌尔逊河平均总入湖径流量约为9.0×108m3/a[2]，人工调水量虽远小于湖面蒸发耗水量，但与天然河流入湖径流量相当，人工调水量在呼伦湖水量平衡中占重要作用，这是人工调水实施后严重干扰呼伦湖水面面积对气候变化的响应的根本原因.