1961—2018年呼倫湖水面面積變化特征及其對氣候變化的響應

王鵬飛， 郭云艷， 周 康， 鄭朔方， 姜 霞， 王書航

中國環境科學研究院湖泊生態環境研究所， 湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室， 國家環境保護湖泊污染控制重點實驗室， 北京 100012

呼倫湖是亞洲中部草原區最大淡水湖，我國北方第一大湖[1]，具有調節氣候、涵養水源、防止荒漠化、維持生物多樣性等多種功能，是我國北方生態安全屏障的重要組成部分[1-2]. 呼倫湖流域位于中高緯度受東南季風影響的邊緣區域，對全球氣候變化的響應敏感[3]. 氣候變化已對全球許多湖泊生態系統的物理、化學和生物特征產生了廣泛影響[4]，如改變湖泊面積[5-6]、增加湖水有機物含量[7-8]、加劇湖泊富營養化[8-9]、改變污染物在湖內遷移轉化過程[10]、降低魚類生物多樣性[4,11]等. 水面面積是湖泊的重要特征參數，水面面積縮小導致湖周濕地萎縮，破壞魚類、鳥類棲息地，威脅湖泊生態安全[12-14]. 眾多研究表明，氣候變化是干旱區湖泊水面面積變化的重要影響因素[15-17]，因此，研究呼倫湖水面面積長時間序列變化趨勢以及與氣候變化的相關性，對區域水資源管理和生態環境變化分析具有重要意義.

現有關于氣候變化對呼倫湖水面面積影響的研究多基于2010年以前數據，鮮有關于近10年呼倫湖水面面積變化的報道，且現有研究得到的影響呼倫湖水面面積變化的主導因子并不統一. 例如：高永剛等[18]發現，降水量變化是1961—2005年呼倫湖水面面積變化的主導因子；趙慧穎等[13,19]指出溫度和蒸發量上升是1959—2005年和1991—2009年呼倫湖水面面積變化的主要因素，水面面積與降水量關系不密切. 為緩解呼倫湖水面面積萎縮趨勢，呼倫貝爾市政府于2009年開始實施“引河濟湖”工程，將海拉爾河河水經呼倫溝調入呼倫湖. 人工調水改變了呼倫湖水文情勢，其對呼倫湖水面面積與氣候變化響應關系的影響還鮮見報道.

鑒于此，該文基于1961—2018年呼倫湖水面面積以及區域氣溫、降水量、蒸發量和相對濕度的長時間序列數據，全面分析呼倫湖水面面積和區域氣候變化特征，定量解析呼倫湖水面面積對氣候變化的響應以及人工調水對此響應關系的影響，以期為呼倫湖保護修復提供支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

呼倫湖(117°00′10″E～117°41′40″E、48°30′40″N～49°20′40″N)位于內蒙古自治區東北部呼倫貝爾高原西部的中高緯度地帶，橫跨新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和滿洲里市，平均水深5～6 m，在我國境內流域面積1.08×105km2[11]，區域屬于半干旱大陸性季風氣候，冬季嚴寒漫長，春季干燥風大，秋季氣溫驟降霜凍早[3,20]. 呼倫湖湖水天然補給除大氣降水和地下水外，主要來自克魯倫河和烏爾遜河[2].

1.2 數據來源

1961—2018年呼倫湖水面面積數據來自文獻[3,18,21-22]. 1961—2018年新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和滿洲里市氣象站逐日平均氣溫、降水量、蒸發量和相對濕度觀測數據下載自中國氣象數據網. 計算各氣象站每年逐日氣溫和相對濕度的算數平均值作為3個氣象站年均氣溫和相對濕度，每年逐日降水量和蒸發量之和作為當年累積降水量和蒸發量. 以3個氣象站氣象要素平均值代表呼倫湖區域逐年氣溫、降水量、蒸發量和相對濕度[2,13,18].

1.3 分析方法

分別采用曼-肯德爾(Mann-Kendall，M-K)趨勢檢驗、M-K突變檢驗和小波分析法解析呼倫湖水面面積以及呼倫湖區域氣溫、降水量、蒸發量和相對濕度的變化趨勢、突變點和周期性變化特征；采用一元線性回歸法計算各因子變化傾向率；采用皮爾遜相關性分析(Pearson correlation analysis)和灰色關聯分析兩種方法分析水面面積與氣象要素的相關性，進而反映水面面積對氣候變化的響應.

1.3.1M-K趨勢和突變檢驗

M-K趨勢檢驗和突變檢驗是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數檢驗法，具有對樣本概率分布無要求的優點[23-24]. M-K趨勢檢驗通過計算檢驗值(Z值)判斷時間序列變化趨勢是否顯著，計算方法見文獻[25]. M-K突變檢驗通過計算統計量時間序列UF和UB判斷所檢驗時間序列是否存在突變點，當UF和UB交點位于95%置信區間(-1.96～1.96)內時，交點對應的時間即為發生顯著突變的時間(P<0.05)，計算方法見文獻[24].

1.3.2小波分析

小波分析法把時間序列分解為時間和頻率的貢獻，能有效分析序列在不同時間尺度上的周期結構和異常變化規律[26]，被廣泛用于水文、氣象時間序列的周期分析[27-29]. 采用MATLAB中的Morlet小波分析計算各因子小波系數和小波方差，公式[27]如下：

(1)

(2)

小波系數實部的等值線能夠反映不同時間尺度下序列的周期變化及在時間域上的分布，實部系數為正表示處于偏高階段，為負則表示處于偏低階段，等值線越密集表明信號越強[30]. 小波方差表示時間序列中該周期波動的強弱或能量大小[31]，小波方差值越大，對應時間尺度的周期性變化特征越顯著.

1.3.3灰色關聯分析

灰色關聯分析是一種基于灰色系統理論的高效的不確定系統研究方法，具有對數據要求低且計算量小、便于廣泛應用的特點[32]；其基本思想是根據變量時間序列幾何形狀的相似程度來判別其聯系是否緊密，形狀越相似，相應序列關聯度越大. 灰色關聯分析常用于多因素分析中，通過計算多個因素與同一參考序列之間的關聯度來確定主導因子[33]. 計算方法見文獻[34].

M-K趨勢檢驗、M-K突變檢驗、一元線性回歸和灰色關聯分析由Excel 2016軟件完成，小波分析和Pearson相關性分析分別通過MATLAB R2016a和IBM SPSS Statistics 19軟件完成. 圖片采用Origin 2018軟件繪制.

2 結果與分析

2.1 呼倫湖水面面積變化特征

1961—2018年呼倫湖水面面積在 1 739～2 360 km2之間，2011年最小，1991年最大〔見圖1(a)〕. M-K趨勢檢驗結果(見表1)顯示，近年來呼倫湖水面面積顯著減小(Z=-5.35，P<0.01)，57年間減小了415 km2，相當于1991年面積的17.6%，變化傾向率為-72.84 km2/(10 a). 近60年呼倫湖水面面積變化分為5個階段：1961—1963年的擴張期；1964—1983年的萎縮期；1984—2000年的恢復期；2001—2009年的快速萎縮期，8年間水面面積減小了473 km2，平均每年減小59 km2；2009年“引河濟湖”工程實施以后，水面面積逐漸恢復，近年來穩定在 2 030 km2左右. M-K突變檢驗結果〔見圖1(b)〕顯示，呼倫湖水面面積在1998年前后發生突變，平均值從1961—1998年的 2 247 km2減至1999—2018年的 1 972 km2.

呼倫湖水面面積小波方差圖〔見圖2(a)〕僅在時間尺度28 a處存在1個明顯峰值，表明水面面積存在28 a左右的變化周期. 由小波系數實部值等值線圖〔見圖2(b)〕可知，1961—2018年呼倫湖水面面積在28 a時間尺度上經歷了3個較完整的大小變換周期，1961—1967年、1978—1985年、1995—2003年和2013—2018年為水面面積較大時期，1968—1977年、1986—1994年和2004—2012年為水面面積較小時期.

圖1 1961—2018年呼倫湖水面面積及其M-K突變檢驗結果Fig.1 Lake area of Hulun Lake from 1961 to 2018 and its M-K abrupt change test results

表1 1961—2018年呼倫湖水面面積及區域氣象要素 變化傾向率和M-K趨勢檢驗值(Z值)Table 1 Tendency rates and M-K Z statistics of lake area of Hulun Lake and the meteorological elements during 1961-2018

圖2 1961—2018年呼倫湖水面面積小波方差圖和小波系數實部值等值線圖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 呼倫湖區域氣候變化特征

1961—2018年呼倫湖區域多年平均氣溫、降水量、蒸發量和相對濕度分別為0.38 ℃、265 mm、1 724 mm、61.2%，蒸發量是降水量的6.5倍. 57年間年均氣溫和蒸發量顯著上升(P<0.01)，相對濕度顯著降低(P<0.01)，而降水量呈非顯著減少趨勢(P>0.05)，反映出呼倫湖區域暖干化的氣候變化趨勢.

呼倫湖區域氣溫和蒸發量分別在1988年和2004年左右發生突變(見圖3)，在突變點以前呈下降趨勢，突變點之后呈上升趨勢. 相對濕度在2000年左右發生突變，由1961—1979年上升和1979—2000年微弱下降變為2000年以后顯著下降(P<0.05). 降水量大致經歷1961—1964年上升、1964—1983年下降、1983—2003年上升和2003—2018年下降4個階段，變化趨勢始終不顯著(P>0.05)，不存在顯著突變點.

圖3 1961—2018年呼倫湖區域氣溫、降水量、蒸發量和相對濕度M-K突變檢驗結果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

呼倫湖區域降水量、蒸發量和相對濕度小波方差圖最高峰均位于28 a時間尺度處(見圖4)，即變化主周期均為28 a左右，與呼倫湖水面面積變化周期相同. 此外，降水量還存在8 a和11 a的第二主周期以及19 a左右的次周期，蒸發量也存在22 a左右的第二主周期和8 a左右的準周期，呈現多時間尺度的周期性變化特征. 氣溫存在3個尺度的變化周期，分別為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.

圖4 1961—2018年呼倫湖區域氣溫、降水量、蒸發量和相對濕度小波方差圖Fig.4 Wavelet variance of the annual air temperature, precipitation, evaporation and relative humidity of Hulun Lake area from 1961 to 2018

在第一主周期時間尺度上，1961—2018年呼倫湖區域氣溫經歷了4個較完整的高低變換周期(見圖5)，1961—1964年、1973—1981年、1990—1996年、2003—2009年和2016—2018年為高溫期，1965—1972年、1982—1989年、1997—2002年和2010—2015年為低溫期. 降水經歷了3個較完整的豐枯變換周期，1961—1966年、1975—1983年、1992—2000年和2012—2018年為豐水期，1967—1974年、1984—1991年和2001—2011年為枯水期. 蒸發量和相對濕度也經歷了3個完整的高低變換周期，它們偏高和偏低的年份分別與呼倫湖水面面積較大和較小的年份重合，因此，呼倫湖水面面積周期性變化特征與區域蒸發量和相對濕度完全一致. 水面面積較大和較小的年份分別始于降水豐水期和枯水期之后1～3年，反映出水面面積對降水量變化響應的時滯性.

圖5 1961—2018年呼倫湖區域氣溫、降水量、蒸發量和相對濕度小波系數實部值等值線圖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 呼倫湖水面面積與氣象要素的相關性

為揭示人工調水對呼倫湖水面面積與氣候變化響應關系的可能影響，分別分析1961—2018年、調水前的1961—2008年以及調水后的2009—2018年3個時段呼倫湖水面面積與氣象要素的相關性. 相關性分析中只考慮與水面面積密切相關的氣溫、降水量和蒸發量3個要素[3,13,18-19]，結果見表2.

Pearson相關性分析表明，1961—2018年呼倫湖水面面積與蒸發量呈顯著負相關(P<0.01)，相關系數為-0.546，蒸發量增大是呼倫湖水面面積減小的重要影響因素. 呼倫湖水面面積與氣溫呈負相關，與降水量呈正相關，但相關性均不顯著(P>0.05)，這兩個因素對水面面積的直接影響較小. 1961—2018年呼倫湖水面面積與降水量和蒸發量灰色關聯度為0.938～0.960，水面面積與氣溫關聯度低，表明降水量和蒸發量對呼倫湖水面面積有影響，其中蒸發量的影響更重要，與Pearson相關性分析結果一致.

如果只考慮調水前的數據，與1961—2018年相比，呼倫湖水面面積與降水量的Pearson相關系數以及其與氣溫的灰色關聯度均略有減小，與氣溫、蒸發量的Pearson相關系數以及其與降水量、蒸發量的灰色關聯度均增大，水面面積與氣象要素的相關性總體增強. 除蒸發量外，呼倫湖水面面積與氣溫也呈顯著負相關(P<0.05)，相關系數為-0.363，氣溫升高對呼倫湖1961—2008年水面面積減小也有影響，其程度弱于蒸發量. 1961—2008年水面面積與氣象要素的灰色關聯度排序為蒸發量>降水量>氣溫，與1961—2018年結果一致，可見蒸發量是水面面積變化的主導因子.

人工調水實施以后的2009—2018年，Pearson相關性分析表明呼倫湖水面面積與氣溫呈顯著正相關(P<0.05)，這與氣溫上升對非冰川融雪補給湖泊水面面積的減小作用相矛盾，人工調水嚴重干擾了2009—2018年呼倫湖水面面積對氣候變化的響應，該時段水面面積與氣溫、降水量、蒸發量的灰色關聯度也明顯小于其他兩個時段.

表2 呼倫湖水面面積與氣象要素的Pearson 相關系數及灰色關聯度Table 2 Pearson correlation and grey relational coefficients of lake area of Hulun Lake and the meteorological elements

3 討論

3.1 呼倫湖區域近60年的氣候水文變化特征

呼倫湖區域近60年來氣溫顯著升高、蒸發量顯著增大、相對濕度顯著降低、降水量非顯著減少，氣候趨于暖干化，與已有文獻[3,7,19]研究結果一致. 近60年來呼倫湖水面面積顯著減小，其中2001—2009年表現最為劇烈. 受全球大規模氣候變化影響[20]，2001—2009年呼倫湖區域處于高溫少雨的干旱期，與1961—2018年多年均值相比，平均溫度和蒸發量分別高出0.9 ℃和161 mm，而降水量減少47 mm，有研究[2,35]認為氣候變化背景下入湖徑流減小是此階段水面面積急劇減小的最主要原因. 呼倫湖水面面積在1998年發生突變，與區域相對濕度和蒸發量突變時間(分別為2000年和2004年)接近，而氣溫的突變時間更早(1988年)，說明區域氣候變化最開始表現為氣溫顯著升高，10～16 a后區域蒸發量和相對濕度以及呼倫湖水面面積發生突變.

降水量、蒸發量、相對濕度和水面面積均存在28 a左右的變化主周期，與已有文獻[14,18]中報道的呼倫湖水面面積、水位及蒸發量、降水量存在25～27 a的主周期接近. 水面面積與蒸發量和相對濕度周期性變化特征完全一致，與降水量變化主周期相同，反映出水面面積對氣候的周期波動存在相應的響應. 通過對氣候要素和水面面積的突變和周期性變化特征的詳細對比分析，該文明確了呼倫湖區域氣候水文要素的突變順序，指出水面面積、蒸發量和相對濕度周期性波動完全一致，有助于深入理解呼倫湖區域氣候變化的影響.

3.2 呼倫湖水面面積對氣候變化的響應

湖泊面積變化是其水量平衡的具體體現. 湖泊水量平衡取決于湖面降水、地表水入湖徑流和地下水入湖徑流等補給部分以及湖泊水面蒸發、出湖徑流和人工取水等水量消耗部分[2]. 工農業生產每年從呼倫湖的取水量僅占入湖徑流量的2%[7]，對水量平衡的影響較小. 除1971年等少數年份外，近60年來呼倫湖湖水無外泄，屬內流湖[2]. 因此，湖面蒸發是呼倫湖水量消耗的主要途徑. Pearson相關性分析表明，區域蒸發量增大是1961—2018年呼倫湖水面面積(水量)減小的重要影響因素，氣溫升高和蒸發量增大是1961—2008年水面面積減小的影響因素，而水面面積與降水量相關性不顯著，與文獻[13,19]結果一致. Pearson相關性分析是對兩個變量之間線性相關程度的衡量[36]，其結果可能與實際不符，體現在2009—2018年呼倫湖水面面積與氣溫呈顯著正相關，相關文獻[18-19]中也有類似發現，如呼倫湖水面面積與降水量呈顯著負相關，與蒸發量呈顯著正相關，與降水量對面積增長的促進作用、蒸發量的削弱作用的實際情況相矛盾. 為增加結果的可靠性，該研究又采用了灰色關聯分析法，該方法尚鮮見用于分析氣候變化對呼倫湖水文特征的影響. 結果表明，1961—2018年和1961—2008年呼倫湖水面面積與區域蒸發量和降水量存在極強的關聯性[33]，關聯度為0.938～0.973，降水量對水面面積的影響弱于蒸發量. 綜合上述兩種方法分析結果可知，氣候變化引起的蒸發量增大是1961—2018年和1961—2008年呼倫湖水面面積減小的重要原因，與文獻[18]結論不一致，該文獻通過比較氣溫和降水對呼倫湖水面面積變化的貢獻率得出降水量占主導作用，并未對蒸發量貢獻予以討論.

1961—2018年和1961—2008年呼倫湖水面面積與氣溫和蒸發量的Pearson相關系數絕對值為0.363～0.553，屬于弱到中等程度相關，表明水面面積還受到其他因素的影響[2-3]，如地表水和地下水入湖徑流的減少. 進一步分析氣象要素間相關性發現，蒸發量與氣溫呈顯著正相關(P<0.01，相關系數為0.345～0.371)，與降水量和相對濕度呈顯著負相關(P<0.01，相關系數為-0.821～-0.513). 可見，區域氣候暖干化導致呼倫湖水面蒸發量增大，水量消耗增加，同時降水減少使湖面降水和入湖徑流補給減少，呼倫湖水量入不敷出，水面面積萎縮.

1961—2008年呼倫湖水面面積與氣象要素的相關性強于1961—2018年，可能與氣候變化的非均勻性以及人工調水有關. 根據文獻[37-38]可知，3個氣象站觀測蒸發量與呼倫湖水面蒸發量的折算系數為0.61～0.65，計算出2009—2018年呼倫湖湖面蒸發耗水量為22.5×108～24.0×108m3/a，是“引河濟湖”工程最大調水量(11.0×108m3/a)[39]的2倍以上. 2009—2018年克魯倫河和烏爾遜河平均總入湖徑流量約為9.0×108m3/a[2]，人工調水量雖遠小于湖面蒸發耗水量，但與天然河流入湖徑流量相當，人工調水量在呼倫湖水量平衡中占重要作用，這是人工調水實施后嚴重干擾呼倫湖水面面積對氣候變化的響應的根本原因.

4 結論

a) 1961—2018年呼倫湖水面面積為 1 739～2 360 km2，總體以72.84 km2/(10 a)的速率顯著減小，其中2001—2009年急劇減小，2009年人工調水實施以后水面面積逐漸恢復并穩定在 2 030 km2左右.

b) 呼倫湖水面面積對氣候的突變和周期波動存在相應的響應，水面面積突變時間與蒸發量和相對濕度接近，周期性變化特征與蒸發量和相對濕度完全一致.

c) 氣候變化引起的蒸發量增大是呼倫湖水面面積減小的重要原因，2009年人工調水實施以后嚴重干擾了呼倫湖水面面積對氣候變化的響應.