青海湖表层水温变化特征及对气候变化的响应
2018-09-10李其江
李其江
摘要：分析了青海湖非冰期表层水温变化特征及其对气候变化的响应情况，并对其影响因子和环流背景进行了讨论。结果表明：青海湖非冰期的表层水体温度变化倾向率为0.50℃/10a，1986年发生突变;20世纪60年代末至90年代初15～18a的振荡周期较为明显，20世纪80年代初到21世纪初准9a周期突出;向下长波辐射和气温是主导因子，降水、近地面空气比湿、地表气压是指示因子;非冰期表层水温受多种大气环流因子的综合作用，与局地环流因子具有更强的相关性。
关键词：环流因子;变化特征;气候变化;表层水温;非冰期;青海湖
中图分类号：P333 文献标志码：A
1 引言
湖泊被普遍认为是区域气候的理想整合器，可以整合放大局地气候[1-2]，且对气候变化的响应极为敏感。湖泊水温是湖泊热量平衡表现的结果，是湖泊的重要物理特征。在气候信息传递到湖泊的众多途径中，对湖泊影响最明显的方面体现在水温上。长期以来，在对气候变暖的事实进行分析时，通常采用气温升高、冰川退缩、冻土消融等证据，而以高原内陆湖泊水温来反映全球气候变化的研究很少。王明达等[3]在研究青藏高原淡水湖泊班公错和咸水湖泊达则错湖水温度分层、翻转的基础上，提出了班公错为双季对流混合型湖泊、达则错为半对流湖泊的分类结论;黄磊等[4]分析了纳木错湖水温变化及热力学分层特征，认为湖盆形状及水深分布可能是其热力学特征差异的主要原因;Huang L.等[5]利用校正后的通用模型对1979-2012年纳木错湖的水温变化进行了模拟，得出纳木错湖水温对最近的气候变暖具有明显的响应。
青海湖是我国面积最大的内陆咸水湖，地处青藏高原东北部，是青藏高原上生物多样性最丰富的地区之一。本文以青海湖为例，分析非冰期表层水温变化趋势，以期为全球气候变化提供湖泊水温事实证据，并研究水温变化与气象因子、大气环流因子的响应关系，探讨和揭示表层水温变化的主要影响因子和环流背景。
2 数据处理和研究方法
2.1 数据
青海湖水面通常自11月开始结冰，一直持续到次年4月，非冰期为5-10月。青海湖下社站在非冰期观测的水温为距岸边0.5m处的湖水表层水温;在冰期观测的水温为距岸边30m、冰下水深的半深处的水温。为了保证资料的一致性，本文仅分析非冰期的湖体表层水温，资料来源于青海湖水温观测站点一郎剑（1969-1982年）、下社（1983-2016年）的数据，两站距离15km，资料直接合并使用，系列长度为1969-2016年;气温、降水数据亦来源于一郎剑和下社站的观测数据。向下长短波辐射、近地面空气比湿、地表气压等气象因子数据来源于青藏高原科学数据中心的中国区域地面气象要素数据集（水平空间分辨率0.1°）[6-7]。亚洲纬向环流指数、青藏高原指数、SOI南方涛动指数来源于国家气候中心发布的74项环流指数。南亚夏季风指数来源于北京师范大学李建平发布的数据（http：//ljp.gcess.cn/dct/page/65576）。
2.2 主要方法
2.2.1 线性倾向佑计
用xi表示样本量为n的某一变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程：
xi=a+bti（i=1，2，…，n）式中：a为回归常数;b为回归系数。
a和b利用最小二乘法进行估计，b的符号表示变量x的趋势倾向，拟合优度R2表示变量x与时间t之间线性相关的密切程度。对于判断变化趋势的程度是否显著，必须对拟合优度进行显著性检验，确定显著性水平α。若R2>rα2，则表明x随时间t的变化趋势显著，否则表明变化趋势不明显。应用t检验法进行统计检验。取显著性水平α=0.05，n=46，查正态分布表得临界值rα=0.285，则rα2=0.0812。
2.2.2 突变检验
选用Mann-Kendall（简称M-K）检验、滑动t检验和Yama检验法，详见文献[8]。
2.2.3 周期分析
小波分析是20世纪80年代初在Fourier变换基础上发展起来的一种信号分析方法，具有良好的局部化性质，其时频多分辨率功能适合于分析水文时间系列的多时间尺度。本文选择Morlet小波[9]进行周期分析。
3 结果分析
3.1 年际变化趋势
非冰期（5-10月）的青海湖表层湖水平均温度具有明显的年际波动，整体呈逐渐升高趋势，变化倾向率为0.50℃/10a，这一变化速率略高于全球范围内167個大型湖泊表面温度的变暖速率（0.45℃/10a）[10]。1969-2016年表层水温呈阶梯式升高，1969-1986年多年平均非冰期水温为9.7℃，1987-2008年多年平均非冰期水温为11.0℃，2009-2016年多年平均非冰期水温为11.7℃（见图1）。
3.2 突变分析
M-K突变检验、滑动t检验、Yama突变检验结果（见图2）表明，青海湖非冰期表层水温分别在1991年、1986年、1986年发生突变，根据非冰期表层水温年际变化过程线（见图1），1966-1986年基本维持一个相对稳定的低温期，而1987年以后水温开始升高，且温度升幅明显大于近期（2009-2016年）较1987-2008年的升温幅度。因此，结合年际变化过程线和突变检验结果，综合判定非冰期湖泊表层水温在1986年发生突变。
3.3 周期分析
由非冰期湖泊表层水温的Morlet小波实部系数时频分析图和小波模图可知，对于10a及以上相对较大的时间尺度，20世纪60年代末至90年代初15～18a的振荡周期较为明显;而对于10a以下相对较小的时间尺度，20世纪80年代初到21世纪初准9a周期突出，这与年际变化过程线所反映的波形完全一致。
4 与气候变化的响应
4.1 与近地面气象要素的关系
本文选用气温、降水、向下长波辐射、向下短波辐射、近地面空气比湿、地表气压等6种气象要素，利用相关分析法分析青海湖非冰期表层水温与气象因素的响应关系，见图3、表1。
从相关分析结果来看，青海湖非冰期表层水温与近地面空气比湿的相关性最为显著，相关系数为0.921（P<0.01，N=222，P、N分别为显著性水平和样本数量），原因可能是非结冰期青海湖水面的蒸发作用强烈，导致湖面的空气湿度较大[11]。表层水温与近地面气温、向下长波辐射表现出很好的相关性（相关系数分别为0.889、0.824，均通过了0.01的信度检验），而与向下短波辐射则呈现微弱的正相关（相关系数为0.214，未通过信度检验），这表明太阳辐射不是表层水温最主要的能量来源。地面所接收的大气向下长波辐射的平均值约为太阳辐射平均值的2倍[12]，因此判定大气向下长波辐射即大气逆辐射的能量是青海湖表层水温主要的能量来源，这与Huang L.等[5]利用校正后的通用模型得出空气温度和向下长波辐射的升高是造成纳木错湖水变暖的两个驱动因素的结论类似。表层水温与近地表气压呈显著正相关（相关系数为0.825），这与“夏季近地面气压为低压，表层水温高”的常规认识似乎不符，但这种不符说明了青藏高原对周边气压系统的影响。青藏高原地面气压场与平原地面气压场相似，夏季为热低压，冬季为冷高压，但地面气压的年变化正好与平原相反，表现为夏季高、冬季低[13]。这种变化规律与表层水温的年内变化一致。此外，降水与表层水温的相关性也比较显著（相关系数为0.680），这是由青海湖地区雨热同期的气候特点和选取的分析时间尺度不同造成的。虽然表层水温与各因子响应关系显著，但不同的因子作用机理是不同的：向下长波辐射和气温是主导因子，降水、近地面空气比湿、地表气压对水温的影响很微弱，仅是指示因子。
4.2 与环流指数的响应关系
青海湖位于青藏高原东北侧，主要受到西风环流、南亚季风和高原天气系统的影响，该地区气候问题极其复杂，这种气候特征与特殊的地形条件相联系，也与特定大尺度环流背景的变化有关，是大尺度环流变化与特定地形条件相结合的产物。气温作为影响非冰期表层水温的主导因子，其与环流背景是息息相关的[14]。
环流指数表征一定区域内大气环流强度。环流指数的大小同大范围天气状况有一定的联系。本文选取SOI南方涛动指数、亚洲纬向环流指数、青藏高原指数B（TPI_B）、南亚夏季风指数来反映青海湖非冰期水温与厄尔尼诺或拉尼娜现象的活跃程度、西风环流、青藏高原环流、南亚季风的响应关系。
青海湖非冰期水温与青藏高原指数B的相关最显著（相关系数为0.898，通过了0.01的信度检验），与亚洲纬向环流指数呈显著中度负相关（相关系数为0.584，通过了0.01的信度检验），与南亚夏季风指数呈显著低度正相关（相关系数为0.440，通过了0.01的信度检验），与SOI南方涛动指数相关关系很弱（相关系数为0.011，未通过0.01的信度检验）（见表2、图4）。
纬向环流指数又称西风指数，是表示平均地转风速中西风分量的一个指标。本文采用亚洲纬向环流指数（IZ，东经60°-150°），而青藏高原处于西风带的影响下。西风指数的大小与振荡反映了中纬度西风带槽脊波动的不同特征，南北气压差的变动使槽脊南伸北抬，引起槽脊的位置和强度异常分布，进而影响高纬度冷空气南下的路径、强度及活动频率，对欧亚中高纬度大陆的气温分布造成影响。南亚夏季风及其中的扰动对高原天气的影响主要体现在为青藏高原带来大量暖湿气流。空间上，夏季（每年6-9月）在青藏高原北纬30°以南地区，500hPa高度盛行南风和西南风，并在北纬30°-35°逐渐减弱，而西风则在北纬35°以北盛行。青海湖下社站处于南亚季风和西风影响的交汇区，单一因子对该区域的影响势均力敌（相关系数的绝对值差别不大）。龚道溢等[15]指出西风环流与气温具有相互制约的关系，而气温是影响青海湖非冰期表层水温的主要影响因子，因而佐证了本文得出的纬向环流与温度呈显著中度负相关的结论。
夏季，高原上空是西风气流和南亚季风气流直接汇合形成的500hPa切变线，其上常有次天气尺度的500hPa低涡活动。青藏高原指数B是一个综合指标，反映了西风环流和南亚夏季风在青藏高原地形的综合影响下形成的区域性大气环流背景。TPI_B被定义为北纬30°-40°、东经75°-105°范围内所有网格上500hPa高度（单位：位势什米）去掉百位数后的累计值，大体反映了这一范围内500hPa高度低涡和高压的活动状况。受青藏高原地形的强迫作用，在南（北）侧形成常定的正（负）涡度带，从而有利于產生高原北侧的南疆和河西高压、高原东侧的低涡[13]。青藏高原低涡多为暖性结构，是青藏高原独特的产物，多出现在夏季。青海湖位于青藏高原的东北部，在低涡（暖涡）的影响范围之内。青海湖表层水温与TPI_B具有高度相关性。
综上，青海湖非冰期表层水温受多种大气环流因子的综合作用，但受青藏高原地形影响，与局地环流因子具有更强的相关性。
5 结论与讨论
5.1 结论
青海湖非冰期的表层湖水平均温度具有年际波动，呈逐渐升高趋势，变化倾向率为0.50℃/10a，略高于全球范围内167个大型湖泊表面温度变暖的结果（0.45℃/10a）。非冰期表层水温在1986年发生突变。对于10a及以上相对较大的时间尺度，20世纪60年代末至90年代初15～18a的振荡周期较为明显;而对于10a以下相对较小的时间尺度，20世纪80年代初到21世纪初准9a周期突出。
青海湖非冰期表层水温与近地面空气比湿、近地面气温、地表气压、向下长波辐射呈显著高度相关，与降水呈显著中度相关，与向下短波辐射和近地面风速相关关系很弱。向下长波辐射和气温是主导因子，降水、近地面空气比湿、地表气压是指示因子。
青海湖非冰期水温与青藏高原指数B呈显著高度相关，与亚洲纬向环流指数呈显著中度负相关，与南亚夏季风指数呈显著低度正相关，与SOI南方涛动指数相关关系很弱。青海湖处于南亚季风和西风影响的交汇区，单一因子对该区域的影响势均力敌。青海湖非冰期表层水温受多种大气环流因子的综合作用，但更多地表现出与局地环流因子更强的相关性。
5.2 讨论
湖泊表层水温是多种因子综合作用的结果，这些因子包括气候变化、湖泊所处的地理位置、河流的入湖水量等。本文仅分析了表层水温对气候变化的响应，尚未考虑海拔和地形、河流入湖水量对水温的影响。同时，本文虽然揭示出表层水温与青藏高原指数B具有高度相关关系，与西风环流和南亚季风关系较弱，并初步分析了作用机理，但是还有待深入研究。
参考文献：
[1]BLENCKER T.A Conceptual Model of Climate RelatedEffects on Lake Ecosystems[J].Hydrobiologia，2005，533（1-3）：1-4
[2]GEORGE D G.Lakes as Integrators and Amplifiers of theLocal Climate[J].Verhandlungen der Internationalen Verei-migung fur Theorethische and Angewandte Limnologie，2006，29（4）：1966-1970.
[3]王明達，侯居峙，类延斌.青藏高原不同类型湖泊温度季节性变化及其分类[J].科学通报，2014，59（31）：3095-3103.
[4]黄磊，王君波，朱立平，等.纳木错水温变化及热力学分层特征初步研究[J].湖泊科学，2015，27（4）：711-718.
[5]HUANG L，WANG J，ZHU L，et al.The Warming of LargeLakes on the Tibetan Plateau：Evidence from a Lake ModelSimulation of Nam Co.，China，During 1979-2012[J].Journalof Geophysical Research，2017，12（24）：13095-13107.
[6]YANG K，HE J，TANG W J，et al.On Downward Shortwaveand Longwa、e Radiations～High Altitude Regions：Obser-vation and Modeling in the Tibetan Plateau[J].Agricultural&Forest Meteorology，2010，150（1）：38-46.
[7]CHEN Y，YANG K，HE J，et al.Improving Land SurfaceTemperature Modeling for Dry Land of China[J].Journal ofGeophysical Research，116（D20）：104.
[8]魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].2版.北京：气象出版社，2007：63-72.
[9]张少文，丁晶，廖杰，等.基于小波的黄河上游天然年径流变化特性分析[J].四川大学学报（工程科学版），2004，36（3）：32-37.
[10]SCHNEIDER P，HOOK S J.Space Observations of InlandWater Bodies Show Rapid Surface Warming Since 1985[J].Geophysical Research Letters，2010，37（22）：208-217.
[11]韩军彩，周顺武，吴萍，等.青藏高原上空夏季水汽含量的时空分布特征[J].干旱区研究，3012，29（3）：457-463.
[12]KIEHL J T，KEVIN E T.Earth's Annual Global Mean En-ergy Budget[J].Bulletin of the American MeteorologicalSociety，1997，78（2）：197-208.
[13]李国平.青藏高原动力气象学[M].北京：气象出版社，2007：3-4.
[14]LIVINGSTONE D M，DOKULIL M T.Eighty Years of Spa-tially Coherent Austrian Lake Surface Temperatures andTheir Relationship to Regional Air Temperature and theNorth Atlantic Oscillation[J].Limnology and Oceanogra-phy，2001，46（5）：1220-1227.
[15]龚道溢，王绍武.冬季西风环流指数的变率及其与北半球温度变化的关系研究[J].热带气象学报，2002，18（2）：104-110.
