青海湖小冰期以来的气候变化及其水文效应
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摘要
湖泊是古环境变化的记录器，也是现代环境变化的指示器。青海湖—我国最大湖泊，地处青藏高原东北部、半干旱区、西风带和季风的交汇处，对气候变化十分敏感，在青藏高原隆起及全球变化研究中具有重要价值。在这方面已经取得了许多成果，但对小冰期的水位高度和降水特征研究缺乏，对其认识存在争议。此外，实测记录表明水位下降非常显著，蒸发是这个内流湖泊水分消散唯一方式，而这方面的直接观测数据十分缺少，因此研究薄弱。本论文为解决上述问题，运用现代气候统计和诊断方法、统计分析软件、计算机语言编程等技术对湖区6个气象台站的气象数据进行分析，在认识湖区的现代气候变化趋势和湖体特征的基础上，对彭曼公式进行修正和扩展，估算了现代湖面的蒸发量，建立了蒸发与影响因素之间的关系方程；通过处于构造活动相对稳定湖滨地带湖岸堤的野外考察和航片判读、地形图和相关文献获得的数据，综合地貌学、气象学、水文学、年代学的理论和方法、在地理信息系统、遥感图像处理等技术的支持下，应用水热平衡模型，得到了不同时期、不同高度的湖泊范围及小冰期时段降水量。主要结果如下：
1．1960～2007年湖区升温较为显著，以秋、冬季升温最为明显，80年代中前期的降温幅度最大，年平均气温较明显增加始于1986年，显著增暖发生于1997年后；降水量年、夏季微弱上升，秋季微弱下降。夏季降水是降水变动的主要因素，20世纪70年代最少，1986～1989年持续偏多，1990年发生减少突变，2002～2003年后出现增加趋势，降水变化表现出明显的地区差异；蒸发器皿蒸发量年、春、夏两季均有显著下降趋势，20世纪70年代最大，1981年发生减弱突变，80年代偏少最多，90年代后减弱的趋势变缓。上述湖区的现代气候变化和青藏高原基本一致，中国西部地区1987年后暖湿转型在湖区有所表现。
对湖区气象要素关系研究表明：气温和降水总体上年际相关不显著，但有的时段正相关较突出；降水和蒸发变化呈负相关；气温的上升并未引起蒸发的增大，日照时数减少、水汽压增加、风速降低共同作用使蒸发量下降明显。不同地区蒸发量下降的主导因素不同，如果仅考虑单个因子难以解释蒸发量的变化；总云量、低云量和降水之间有正相关，与其它气象要素的关系并不确定。各气象要素之间存在复杂的关系，并带有明显的地域特征，湖区气候变化的原因尚需进一步研究。
2．对1960～2006年逐月、逐年湖面蒸发量进行了估算。47a湖面蒸发平均值为924．3mm，未表现出明显的变化趋势。考虑了水下热通量对湖面蒸发影响的数值更能体现湖泊水体蒸发的实际情况。从蒸发量与影响因子多元线性回归方程得到：日照百分率对蒸发的影响最显著，其次为云量和水汽压，再次为风速和温度。定性和定量的分析均表明，蒸发与温度的关系在气候研究中应予以重新认识。水量平衡计算表明：青海湖每年亏水-3．1×10~8m~3，导致水位自1959年以来持续显著下降。湖面蒸发和水量平衡计算结果证明：根据特定地区实际情况修正的彭曼公式，是解决无蒸发资料地区水体蒸发量的可行途径之一。水位年际波动主要受降水量的影响，气候变化决定了现代青海湖的水位变迁。此外，本文分析了水位下降引起的生态环境效应和人为活动对水位变化的间接影响。
3．上述结果表明水位波动对降水变化有较灵敏的响应，有关水位变化的证据，遂成为研究湖区古气候演变重要而可靠的指标。结合野外考察，本研究获得了位于二郎尖8道岸堤和海晏湾7道岸堤的位置及海拔高度。二郎尖岸堤的海拔高度为：3195．1m、3196．5m、3203．8m、3204．2m、3204．5m、3205．8m、3208．5m、3210m，前5道为近代岸堤，后3道为古湖堤；海晏湾岸堤的海拔高度为：3195m、3 196．5m、3 198m、3 199m、3201m、3202m、3203．8m，均为近代岸堤。测年结果表明：3198m岸堤年代为440±40 aB．P．，3201m岸堤年代为200 aB．P．，说明湖区距今440±40 a B．P．比200 a B．P．偏干。该结果可与其他研究相互印证。另外，哈达湾3201m岸堤测年结果为195 a B．P．，与海晏湾岸堤的高度和测年结果接近，说明年代可信，这就为恢复小冰期的青海湖范围和古降水量提供了可靠的依据。计算表明，200aB．P．的水位比现在高8m，年降水量为416mm，比现在高9％。
4．在前人研究基础和对高程数据分析下，得到了不同时期、不同高度的湖泊范围。全新世初期青海湖可能并不存在高湖面，湖成阶地所指示的高于现今100m以上的湖面是构造运动抬升的结果，因为当海拔在3300m时，青海湖水位已超过与湟水水系相连的克图垭口，野外调查表明在克图垭口以东并未发现湖相沉积。
Lakes are recorders of the past climate change and indicators of the modemenvironmental change.Qinghai Lake,the largest inland salt lake in China,located inthe northeast of Qinghai-XiZang(Tibetan)Plateau and semi-arid region where isunder the influence of westerly and Asia Monsoon,it is sensitive to climate change,therefore is of great importance in the study of the uplifting of the Qinghai-XiZangPlateau and global environmental change.Previously,numerous of scientificachievements have been made.But the lake level continues to be disputed because thedata is lack and the climate of Little Ice Age is still unclear.In past 50 years,the lakelevel has obviously ebbed.Unfortunately,due to the lack of field observation,littlehas been known about the water surface evaporation,which is the only way of losingwater for this inland lake.Modem lake evaporation is calculated withmended-and-extended Penman formula and relationship equation is constructedbetween evaporation and its driving forces on the basis of analyzing meteorologicaldata from six weather stations around Qinghai Lake.The lake level during the LittleIce Age is obtained by field investigation and geomorphologic analysis andprecipitation during the Little Ice Age is calculated using hydrological and energybudget model and the methodology of meteorology,hydrology and other softwaresuch as GIS,ERDAS.In summary,the dissertation including the following fourrespects:
1.The tendency of air temperature is increasing obviously from 1960 to 2007,especially more strongly in winter and autumn.The obvious increase in airtemperature begins 1986,and the dramatic increase happens after 1997.It dropslargely in the early and mid-1980s.In precipitation,the tendency of its year andsummer is increasing weakly and autumn is reducing slowly.It is the least in 1970sand the most from 1986 to 1989.There is an abrupt decrease in 1990 and it hasbecome more in recent years.There are different precipitation variations in differentplaces.In the evaporation pan,the tendency of its year,spring and summer hasdecreased distinctly for 1960-2005.It is the most in 1970s and the least in 1980s.There is an abrupt decrease in 1981 and since then it drops continuously and has risen in the late 1990s.Qinghai Lake can moderate the extent of climate change bycontrasting meteorological elements between near and far from it.There are the sametrends of climate change both in Qinghai Lake basin and the whole plateau.Theclimate transition to warm and wet in the western of China can be detected in thisbasin.
Relationship among meteorological elements shows:there is not the consistentrelation between air temperature and precipitation from 1960 to 2007,however,thepositive relation in some time represents.There is a negative relation betweenprecipitation and evaporation.The evaporation is not adding with the air temperatureascending.It is found that the reduction of sunshine duration,the increase of watervapor pressure and the lowering of wind speed have caused the decrease of theevaporation.These three factors play different roles in different places.So it isdifficult to explain the variation of the evaporation if the only factor is considered.There is a positive relation among total cloud amount,low cloud amount andprecipitation,but there are not clear relations between cloud amount and othermeteorological elements.In all,there are intricate non-linear relations amongmeteorological elements and they have the strong regional features.The further studymust be done to understand the cause of modem climate change in this basin.
2.The monthly and annual evaporation of the lake are calculated from 1960 to2006 and the results show:the average value of 47 years is 924.3mm and there is noobvious variation tendency as the evaporation pan has.It is more exact consideringthe impact of the underwater heat flux on the water body.The polybasic linearequation indicates that sunshine percentage is the most important one and cloudamount and water pressure are more important ones and wind speed and airtemperature are important ones in contributing factors making for the variation of theevaporation.Qualitative and quantitative analyses denote that relationship betweenevaporation and temperature need to be reconsidered in climate change.Water budgetcalculating show the reason of having dropped 3.36m of the level from 1959 to 2007that the lake is losing 3.1×10~8m~3 per year.The calculating values of lake evaporationand water balance prove that it is feasible method which is used to understand waterevaporation in terms of mending Penman formula based on specific conditions.Theprecipitation plays the most important role in fluctuation of the lake level.In addition, it is stated that the dropping of the lake level which eco-environmental effects havebeen caused by and human activities have brought indirect effects on.
3.The former conclusion reflects the fluctuation of the lake level is the bestindicator to the variation of precipitation,so,evidences that the fluctuation of lakelevel have left can be used to study the past climate change in this basin.In-situinvestigations indicate there are eight and seven lakeshore bars in Erlangjian andHaiyanwan around Qinghai Lake respectively.Elevations of lakeshore bars inErlangjian are 3195.1m,3196.5m,3203.8m,3204.2m,3204.5m,3205.8m,3208.5m,3210m from the lake to the land and the top five ones are formed in contemporarytimes and others in ancient times.Elevations of lakeshore bars in Haiyanwan are3195m,3196.5m,3198m,3199m,3201m,3202m,3203.8m from the lake to the landand they all are formed in contemporary times.The ~(14)C dating of the fish bones at3198m and the bird bones at 3201m in Haiyanwan are 440±40 a B.P.and 200 a B.P.respectively,which indicates that the climate in 440±40 a B.P.is drier than in 200 aB.P..This result has been proved by relative research done by other people.Moreover,the ~(14)C dating of the deadwood at 3201m of a lakeshore bar in Hadawan is 195 a B.P.,so the lake area of Qinghai Lake and precipitation can be estimated by the proofcoming from the level and age of lakeshore bars in Haiyanwan and Hadawan.Thelevel in 200 a B.P.is 8m higher than that of today and the precipitation in that time is416mm,which is 9% higher than that of today.
4.The lake areas are obtained in different times and levels on the basis of theformer research and elevation data about the lake.As a result,it is preliminarilythought that there is not high lacustrine shoreline in the early Holocene and 100mshorelines above the present lake level are formed by tectonic movement becausewhen the lake level arrives beyond 3300m it is connected to the water system ofHuangshui River through Kutu pass basin,but lacustrine sediments are not found inthe east of Kutu pass basin.
1．1960～2007年湖区升温较为显著，以秋、冬季升温最为明显，80年代中前期的降温幅度最大，年平均气温较明显增加始于1986年，显著增暖发生于1997年后；降水量年、夏季微弱上升，秋季微弱下降。夏季降水是降水变动的主要因素，20世纪70年代最少，1986～1989年持续偏多，1990年发生减少突变，2002～2003年后出现增加趋势，降水变化表现出明显的地区差异；蒸发器皿蒸发量年、春、夏两季均有显著下降趋势，20世纪70年代最大，1981年发生减弱突变，80年代偏少最多，90年代后减弱的趋势变缓。上述湖区的现代气候变化和青藏高原基本一致，中国西部地区1987年后暖湿转型在湖区有所表现。
对湖区气象要素关系研究表明：气温和降水总体上年际相关不显著，但有的时段正相关较突出；降水和蒸发变化呈负相关；气温的上升并未引起蒸发的增大，日照时数减少、水汽压增加、风速降低共同作用使蒸发量下降明显。不同地区蒸发量下降的主导因素不同，如果仅考虑单个因子难以解释蒸发量的变化；总云量、低云量和降水之间有正相关，与其它气象要素的关系并不确定。各气象要素之间存在复杂的关系，并带有明显的地域特征，湖区气候变化的原因尚需进一步研究。
2．对1960～2006年逐月、逐年湖面蒸发量进行了估算。47a湖面蒸发平均值为924．3mm，未表现出明显的变化趋势。考虑了水下热通量对湖面蒸发影响的数值更能体现湖泊水体蒸发的实际情况。从蒸发量与影响因子多元线性回归方程得到：日照百分率对蒸发的影响最显著，其次为云量和水汽压，再次为风速和温度。定性和定量的分析均表明，蒸发与温度的关系在气候研究中应予以重新认识。水量平衡计算表明：青海湖每年亏水-3．1×10~8m~3，导致水位自1959年以来持续显著下降。湖面蒸发和水量平衡计算结果证明：根据特定地区实际情况修正的彭曼公式，是解决无蒸发资料地区水体蒸发量的可行途径之一。水位年际波动主要受降水量的影响，气候变化决定了现代青海湖的水位变迁。此外，本文分析了水位下降引起的生态环境效应和人为活动对水位变化的间接影响。
3．上述结果表明水位波动对降水变化有较灵敏的响应，有关水位变化的证据，遂成为研究湖区古气候演变重要而可靠的指标。结合野外考察，本研究获得了位于二郎尖8道岸堤和海晏湾7道岸堤的位置及海拔高度。二郎尖岸堤的海拔高度为：3195．1m、3196．5m、3203．8m、3204．2m、3204．5m、3205．8m、3208．5m、3210m，前5道为近代岸堤，后3道为古湖堤；海晏湾岸堤的海拔高度为：3195m、3 196．5m、3 198m、3 199m、3201m、3202m、3203．8m，均为近代岸堤。测年结果表明：3198m岸堤年代为440±40 aB．P．，3201m岸堤年代为200 aB．P．，说明湖区距今440±40 a B．P．比200 a B．P．偏干。该结果可与其他研究相互印证。另外，哈达湾3201m岸堤测年结果为195 a B．P．，与海晏湾岸堤的高度和测年结果接近，说明年代可信，这就为恢复小冰期的青海湖范围和古降水量提供了可靠的依据。计算表明，200aB．P．的水位比现在高8m，年降水量为416mm，比现在高9％。
4．在前人研究基础和对高程数据分析下，得到了不同时期、不同高度的湖泊范围。全新世初期青海湖可能并不存在高湖面，湖成阶地所指示的高于现今100m以上的湖面是构造运动抬升的结果，因为当海拔在3300m时，青海湖水位已超过与湟水水系相连的克图垭口，野外调查表明在克图垭口以东并未发现湖相沉积。
Lakes are recorders of the past climate change and indicators of the modemenvironmental change.Qinghai Lake,the largest inland salt lake in China,located inthe northeast of Qinghai-XiZang(Tibetan)Plateau and semi-arid region where isunder the influence of westerly and Asia Monsoon,it is sensitive to climate change,therefore is of great importance in the study of the uplifting of the Qinghai-XiZangPlateau and global environmental change.Previously,numerous of scientificachievements have been made.But the lake level continues to be disputed because thedata is lack and the climate of Little Ice Age is still unclear.In past 50 years,the lakelevel has obviously ebbed.Unfortunately,due to the lack of field observation,littlehas been known about the water surface evaporation,which is the only way of losingwater for this inland lake.Modem lake evaporation is calculated withmended-and-extended Penman formula and relationship equation is constructedbetween evaporation and its driving forces on the basis of analyzing meteorologicaldata from six weather stations around Qinghai Lake.The lake level during the LittleIce Age is obtained by field investigation and geomorphologic analysis andprecipitation during the Little Ice Age is calculated using hydrological and energybudget model and the methodology of meteorology,hydrology and other softwaresuch as GIS,ERDAS.In summary,the dissertation including the following fourrespects:
1.The tendency of air temperature is increasing obviously from 1960 to 2007,especially more strongly in winter and autumn.The obvious increase in airtemperature begins 1986,and the dramatic increase happens after 1997.It dropslargely in the early and mid-1980s.In precipitation,the tendency of its year andsummer is increasing weakly and autumn is reducing slowly.It is the least in 1970sand the most from 1986 to 1989.There is an abrupt decrease in 1990 and it hasbecome more in recent years.There are different precipitation variations in differentplaces.In the evaporation pan,the tendency of its year,spring and summer hasdecreased distinctly for 1960-2005.It is the most in 1970s and the least in 1980s.There is an abrupt decrease in 1981 and since then it drops continuously and has risen in the late 1990s.Qinghai Lake can moderate the extent of climate change bycontrasting meteorological elements between near and far from it.There are the sametrends of climate change both in Qinghai Lake basin and the whole plateau.Theclimate transition to warm and wet in the western of China can be detected in thisbasin.
Relationship among meteorological elements shows:there is not the consistentrelation between air temperature and precipitation from 1960 to 2007,however,thepositive relation in some time represents.There is a negative relation betweenprecipitation and evaporation.The evaporation is not adding with the air temperatureascending.It is found that the reduction of sunshine duration,the increase of watervapor pressure and the lowering of wind speed have caused the decrease of theevaporation.These three factors play different roles in different places.So it isdifficult to explain the variation of the evaporation if the only factor is considered.There is a positive relation among total cloud amount,low cloud amount andprecipitation,but there are not clear relations between cloud amount and othermeteorological elements.In all,there are intricate non-linear relations amongmeteorological elements and they have the strong regional features.The further studymust be done to understand the cause of modem climate change in this basin.
2.The monthly and annual evaporation of the lake are calculated from 1960 to2006 and the results show:the average value of 47 years is 924.3mm and there is noobvious variation tendency as the evaporation pan has.It is more exact consideringthe impact of the underwater heat flux on the water body.The polybasic linearequation indicates that sunshine percentage is the most important one and cloudamount and water pressure are more important ones and wind speed and airtemperature are important ones in contributing factors making for the variation of theevaporation.Qualitative and quantitative analyses denote that relationship betweenevaporation and temperature need to be reconsidered in climate change.Water budgetcalculating show the reason of having dropped 3.36m of the level from 1959 to 2007that the lake is losing 3.1×10~8m~3 per year.The calculating values of lake evaporationand water balance prove that it is feasible method which is used to understand waterevaporation in terms of mending Penman formula based on specific conditions.Theprecipitation plays the most important role in fluctuation of the lake level.In addition, it is stated that the dropping of the lake level which eco-environmental effects havebeen caused by and human activities have brought indirect effects on.
3.The former conclusion reflects the fluctuation of the lake level is the bestindicator to the variation of precipitation,so,evidences that the fluctuation of lakelevel have left can be used to study the past climate change in this basin.In-situinvestigations indicate there are eight and seven lakeshore bars in Erlangjian andHaiyanwan around Qinghai Lake respectively.Elevations of lakeshore bars inErlangjian are 3195.1m,3196.5m,3203.8m,3204.2m,3204.5m,3205.8m,3208.5m,3210m from the lake to the land and the top five ones are formed in contemporarytimes and others in ancient times.Elevations of lakeshore bars in Haiyanwan are3195m,3196.5m,3198m,3199m,3201m,3202m,3203.8m from the lake to the landand they all are formed in contemporary times.The ~(14)C dating of the fish bones at3198m and the bird bones at 3201m in Haiyanwan are 440±40 a B.P.and 200 a B.P.respectively,which indicates that the climate in 440±40 a B.P.is drier than in 200 aB.P..This result has been proved by relative research done by other people.Moreover,the ~(14)C dating of the deadwood at 3201m of a lakeshore bar in Hadawan is 195 a B.P.,so the lake area of Qinghai Lake and precipitation can be estimated by the proofcoming from the level and age of lakeshore bars in Haiyanwan and Hadawan.Thelevel in 200 a B.P.is 8m higher than that of today and the precipitation in that time is416mm,which is 9% higher than that of today.
4.The lake areas are obtained in different times and levels on the basis of theformer research and elevation data about the lake.As a result,it is preliminarilythought that there is not high lacustrine shoreline in the early Holocene and 100mshorelines above the present lake level are formed by tectonic movement becausewhen the lake level arrives beyond 3300m it is connected to the water system ofHuangshui River through Kutu pass basin,but lacustrine sediments are not found inthe east of Kutu pass basin.
引文
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