2023, Vol. 35 
(2: 中国矿业大学环境与测绘学院, 徐州 221000)
(3: 中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室, 南京 210008)
(2: School of Environment and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221000, P.R. China)
(3: Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, P.R. China)
近年来，气候变化及其影响受到各界学者的广泛关注。气候变化加剧水循环的过程，驱动蒸发、降水、径流等水文要素发生变化，增强极端事件的发生频率，改变区域水量收支平衡[1-2]。2021年政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的第六次评估报告(AR6)指出，21世纪初全球气温将会升高1.5℃[3]。而北极是地球上变暖速度最快的地区，假设在最极端的情况下，北极年平均气温预计在本世纪末将会升高10℃[3-4]。温度升高会导致北极永久冻土的退化、冰川消融，影响该地区的水文过程和能量平衡[5]。因此，在全球气候变暖的背景下，针对(泛)北极湖泊的研究具有重要的意义。
湖泊作为地球水圈的重要组成部分，储存着地球表面最主要的液态淡水，对全球水循环具有重要影响[6]。湖泊为人类和生态系统提供了重要的水源，在维持生物多样性、人类农业生产和各种工业设施运营中发挥着重要作用[7]。水位是湖泊水量平衡的重要指标之一，对人类干预和气候变化影响非常敏感，水位的波动对湖泊生态系统也产生了显著的影响[8]。湖泊水位的极端波动可能会导致洪旱灾害、水资源短缺和湖泊水质变化等问题，对生态系统、渔业和旅游业都会产生潜在的影响[9]。北极湖泊数量众多，分布范围广泛，是北极地表景观的重要组成部分，为其栖居的动物和人类提供着重要的水源和食物[10]。有研究表明，近几十年来，在全球气候变化影响下，北极冻土带消退，水体流失，导致北极一些湖泊发生显著变化[11]。北极湖泊受气候影响非常显著，开展该区域湖泊水文变化以及驱动机制的研究，对科学认识北极响应全球气候变化特征具有重要意义。
目前，基于遥感手段开展湖泊水位变化监测的技术已经较为成熟，相关技术也在泛北极湖泊上得到了广泛地应用，但是系统地调查该地区湖泊水位变化特征及影响湖泊水位的主要因素(例如，气候和大气环流等)仍存在不足。本研究以泛北极(50°N以北)36个大型湖泊(面积>500 km2)为研究对象，分析湖泊21世纪以来水位的变化特征，结合水文气象变量和大气环流因子，分析湖泊水位与水文和大气环流的潜在联系。本研究旨在促进对泛北极湖泊水文变化的认识，为今后科学认识该地区湖泊变化对气候和大气环流的响应关系提供参考。
1 研究区概况北极地区的气候终年寒冷，极昼与极夜交替出现[12]。该地区以寒带气候和温带大陆性气候为主，对气候变化响应非常敏感。北极的水资源在不同季节之间有着巨大的变化，春季水资源充裕，而冬季水资源稀少[13]。北极年平均气温接近0℃，夏季最高气温接近10℃[14]。大多数北极湖泊全年或季节性地被冰覆盖，破冰期主要发生在每年的5—7月，受人类活动的影响较小[15-16]。近几十年来，随着北极气温的升高，大部分高纬度湖泊都有延缓冰期和提前破冰的趋势[17]。本研究综合考虑湖泊的大小、分布地理位置和水位数据的可获取性，选择北纬50°以北的泛北极36个面积大于500 km2的湖泊为研究对象(图 1)，分别为：(1)阿特托林湖；(2)大熊湖；(3)霍塔湖；(4)大奴湖；(5)布法罗湖；(6)克莱尔湖；(7)阿萨巴斯卡湖；(8)诺纳科湖；(9)小奴湖；(10)多雷湖；(11)马尼托巴湖；(12)多芬湖；(13)温尼伯戈西斯湖；(14)温尼伯湖；(15)穆斯湖；(16)锡皮韦斯克湖；(17)南印第安湖；(18)赖恩迪尔湖；(19)卡斯巴湖；(20)纽埃尔延湖；(21)希尼克湖；(22)图利马卢湖；(23)贝克湖；(24)阿马朱瓦克湖；(25)维纳恩湖；(26)韦特恩湖；(27)佩普西湖；(28)伊尔门湖；(29)拉多加湖；(30)奥涅加湖；(31)伊纳里湖；(32)钱尼湖；(33)贝加尔湖；(34)滕吉兹湖；(35)乌布苏湖；(36)库苏古尔湖。湖泊的具体信息见附表Ⅰ。本研究的湖泊对象占泛北极大型湖泊(>500 km2)数量的32%，面积和水量占比约为70%和92%，该统计信息来自于数据集HydroLAKES[18]。
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图 1 研究区湖泊分布 Fig.1 Map of the distribution of lakes in the study area |
湖泊边界数据来自Messager等[18]在2016年发布的全球湖泊数据集HydroLAKES(https://www.hydrosheds.org/products/hydrolakes)，此数据包含面积大于0.1 km2约143万个天然湖泊和人造水库的矢量边界。此外，该数据还提供了湖泊的面积、水量、经纬度等属性信息供人参考，本研究所选的湖泊信息均来自HydroLAKES数据集。湖泊流域数据来源于HydroBASINS数据集(https://www.hydrosheds.org/products/hydrobasins)，它表示一系列包含子流域边界的全球矢量化多边形图层，包括100万个单独的子流域边界，并提供12个分层的子流域边界的矢量化数据[19]。本研究选择能包含湖泊的最小等级的流域作为此湖泊的流域。
2.1.2 水位数据本研究收集的水位数据，主要来源于水文站、测高卫星和文献，具体信息见附表Ⅰ。本研究使用的水位数据都是根据日或月平均水位计算平均值得到的年水位。为了获得较长的水位时间序列，部分湖泊整合了多源的水位数据，具体见附表Ⅰ。
水文站数据源主要包括两个水文信息网站：加拿大水资源调查局(WSC)和瑞典气象水文研究所(SMHI)。WSC提供的是加拿大水文站的实测水位数据，它包含大量水文站点实时和历史的水位数据，还可以通过各个水文站点来获得湖泊或者水库的日平均值、月平均值、年最大值、最小值和瞬时值的水位[20]，数据可从https://wateroffice.ec.gc.ca/站点获取。SMHI包含大约200个水文站点的数据，它可以提供水位、径流、雪密度、雪深等多种数据产品。水位产品主要包括维纳恩湖和韦特恩湖这两个湖泊的历史和实时的月度和年度的水位最大值、最小值和平均值[21]，可在http://vattenwebb.smhi.se/查看。
测高卫星数据主要来自HYDROWEB和DAHITI，水位信息经过严格的质量控制和精度评价。HYDROWEB(https://hydroweb.theia-land.fr/)提供的水位数据是基于Topex/Poseidon、Jason-1、Jason-2、ENVISAT和GFO这5颗卫星数据整合得到的，它可以免费提供从多卫星高度测量推导出的大约150个湖泊和水库的月水位变化[22]。DAHITI由德国理工大学(DGFI-TUM)开发，利用多任务卫星测高数据来获取内陆水域的水位时间序列，可在http://dahiti.dgfi.tum.de.免费获取[23]。
2.1.3 ERA5-Land气象数据ERA5-Land来源于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)，它是一个高分辨率(9 km)的再分析数据集，提供了从1950年1月到现在的50个陆地上的水和能量循环变量的全球0.1°×0.1°网格化月度数据，可从https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-land-monthly-means?tab=overview上获取[24]。本文使用的是2000—2020年的月度数据，选择了7个与湖泊水位有关的变量，包括总蒸发量(E)、潜在蒸发量(PE)、雪覆盖(SC)、径流(R)、雪水当量(SDWE)、总降水(TP)和温度(T)，并以湖泊的流域边界为掩膜提取湖泊的变量值。
2.1.4 大气环流指数数据参考以往学者报道的对极地气候影响比较显著的大气环流异常情势[25-28]，本研究选取北极涛动(AO)、厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和北大西洋涛动(NAO)3个大气环流因子来分析湖泊水位变化与大气环流之间可能存在的联系。北极涛动是北半球温带大气变率的主要模式，主导着20°N以北的大气压力、风、温度和降水的大规模变化[29]。厄尔尼诺-南方涛动是由热带太平洋与大气之间复杂相互作用引起的气候准周期性变化[30]。北大西洋涛动是决定北半球中高纬度的主要大气环流类型，与北半球中高纬度的降水、气温等有着紧密的联系[31-32]。各个大气环流因子都是以指数的形式表示，此数据来源于美国国家气象局气候预报中心(https://psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/)。
2.2 方法 2.2.1 水位数据同化分析一元线性回归方程是利用最小二乘函数对一个自变量和因变量之间关系的一种回归分析，公式如下：
| $ \hat{y}=a_0+a_1 \hat{x} $ | (1) |
式中，
皮尔逊相关系数(R)表示的是两组变量之间相关性，它还可以表示这种相关性的方向和强度[33-34]。R取值范围在-1到+1之间，R的绝对值越接近1，说明两个变量之间的相关性越强。如果R>0，就说明两个变量的关系为正相关；反之表明两个变量的关系为负相关。R的计算公式如下：
| $ R=\frac{\sum\limits_{i=1}^n\left(x_i-\bar{x}\right)\left(y_i-\bar{y}\right)}{\sqrt{\sum\limits_{i=1}^n\left(x_i-\bar{x}\right)^2 \sum\limits_{i=1}^n\left(y_i-\bar{y}\right)^2}} $ | (2) |
式中，xi表示变量x的观测值，x表示变量x的平均值，yi表示变量y的观测值，y表示变量y的平均值。
本文通过对湖泊水位与水文变量和大气环流因子进行相关性分析，确定它们之间的潜在联系，通过相关系数的大小判断它们之间的相关性强弱。
2.2.3 Mann-Kendall突变检验目前，许多研究人员使用Mann-Kendall方法检测时间序列的突变问题[35-36]。本文主要使用Mann-Kendall方法检测水位、水文气象变量和大气环流因子时间序列的突变。
对具有n个样本大小的时间序列x构造一个秩序列：
| $ s_k=\sum\limits_{i=1}^k r_i, r_i=\left\{\begin{array}{l} 1, x_i>x_j(j=1, 2, \cdots, i) \\ 0, \text { else } \end{array}\right. $ | (3) |
假设时间序列x是随机且相互独立，定义以下统计量：
| $ U F_k=\frac{\left[s_k-E\left(s_k\right)\right]}{\sqrt{\operatorname{Var}\left(s_k\right)}}(k=1, 2, \cdots, n) $ | (4) |
式中，UF1=0，E(sk)和Var(sk)分别是sk的平均值和方差。当序列x1，x2，…，xn的n个变量相互独立并且具有相同的连续分布时，E(sk)和Var(sk)可以使用以下公式计算：
| $ E\left(s_k\right)=\frac{n(n-1)}{4} $ | (5) |
| $ \operatorname{Var}\left(s_k\right)=\frac{n(n-1)(2 n+5)}{72} $ | (6) |
式中，UFk遵循标准正态分布，且给定的显著性水平a为0.05。
根据时间序列x的倒序，即xn，xn-1，…，x1，重复上述过程，并使UBk=-UFk(k=n, n-1, …, 1)且UB1=0，则可以得到UBk(k=1, 2, …, n)。如果UFk和UBk两条曲线相交，并且交点在两条临界线之间，则该交点即为突变开始的时间。如果UFk和UBk两条曲线没有交点或者交点超出临界线，则说明突变趋势不显著。本研究通过湖泊水位与水文气象变量或大气环流因子在同一时间发生突变确定为该气象变量或该大气环流因子与该湖泊的突变有关。
3 结果与分析 3.1 湖泊水位变化36个泛北极湖泊水位在21世纪初的20年期间变化情况如图 2所示，图 3展示了泛北极湖泊水位变化速率的空间分布。其中，滕吉兹湖(0.078 m/a)水位上升最快，平均振幅(4.218 m)也最大；图利马卢湖(-0.016 m/a)和库苏古尔湖(-0.015 m/a)的水位下降得最快。泛北极36个湖泊水位总体上呈上升趋势(平均速率为0.013 m/a)，其中23个湖泊的水位以平均速率为0.024 m/a的趋势上升，13个湖泊水位以平均速率为-0.007 m/a的趋势下降。但是只有10个湖泊(如阿特托林湖、伊纳里湖、钱尼湖等)的水位在90%统计显著性水平下呈现显著上升或者下降趋势。水位上升湖泊总面积为126484.250 km2，水位下降湖泊总面积为79326.040 km2，水位上升湖泊的面积占总面积的61.46%，此面积统计数据来自HYRROLAKES数据集[18]。泛北极湖泊的年水位平均波动幅度为1.066 m，有20个(56%)的湖泊水位振幅小于1 m，水位振幅较大的几个湖泊分别为滕吉兹湖(4.218 m)、锡皮韦斯克湖(2.485 m)和阿萨巴斯卡湖(2.286 m)。
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图 2 36个湖泊水位时间序列 Fig.2 Time series of water level of 36 lakes |
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图 3 湖泊年际水位变化速率(黑框表示该湖泊的水位没有通过90%统计显著性水平) Fig.3 Interannual water level variation rate map of lakes (The black box indicates that the water level of the lake did not pass the 90% significance level) |
在位于北美洲的24个湖泊中，有16个湖泊的水位呈上升趋势，8个湖泊的水位下降，而水位下降的湖泊多集中于60°N以北的地区。北美洲湖泊水位的平均振幅为1.043 m，大部分湖泊(例如湖泊7~22)的水位振幅均超过1 m。位于欧洲的9个湖泊中，其中有6个湖泊的水位呈上升趋势，3个湖泊水位下降。在50°N以北的亚洲区域只研究了3个湖泊，其中滕吉兹湖水位上升速率远超于其他两个湖泊的下降速率。欧亚大陆极区12个湖泊水位的平均振幅为1.113 m，但其中只有4个湖泊的水位振幅超过1 m，其他几个湖泊的振幅均小于1 m。
3.2 湖泊水位变化与水文气象变量的关系湖泊月水位变化与对应月份水文变量的相关性如图 4所示。泛北极湖泊水位变化主要受到流域径流的影响，有19个湖泊的水位与径流最为相关。其中，有9个湖泊水位与径流表现为强相关(相关系数大于0.6)，而多芬湖的水位与径流的相关性最为显著(相关系数大于0.8)。
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图 4 湖泊水位与水文变量的关系(P < 0.01) Fig.4 Relationship between lake water levels and hydrological variables (P < 0.01) |
位于北美洲和欧洲的湖泊水位变化主要与径流有关，相较而言，位于亚洲的极地湖泊水位变化较大程度受到温度和降水的影响。其中，阿特托林湖的水位与其流域内的蒸发、雪水当量和雪覆盖相关性极强，与蒸发的相关系数更是高达0.90。布法罗湖、克莱尔湖和阿萨巴斯卡湖的水位均与降水和温度的相关性更强，图利马卢湖、贝克湖和阿马朱瓦克湖与雪水当量、雪覆盖和温度表现得相关性更强。近年来，由于大气变暖，一些高纬度地区的冰川正在快速融化，永久冻土融化，尤其是加拿大和俄罗斯北极地区的径流在稳步增加，从而导致湖泊水位上升[37-39]。
3.3 湖泊水位变化与大气环流指数的关系近年来，许多研究发现AO、ENSO和NAO对北半球中高纬度地区的气候变化有着显著的影响[29-31]。为了探讨湖泊水位年际波动与大气环流的关系，本研究计算了每个大气环流指数年值序列的3年滑动平均值与水位时间序列的相关性，分析结果如图 5所示。泛北极湖泊水位变化主要与厄尔尼诺-南方涛动有关，其次是北极涛动和北大西洋涛动。其中，11个湖泊的水位与厄尔尼诺-南方涛动中等程度相关(相关系数大于0.4)，7个湖泊的水位与北极涛动中等程度相关，6个湖泊的水位与北大西洋涛动中等程度相关。有研究发现，最近随着北极涛动的变化，北极的海平面压力下降，夏季海冰面积逐渐减少，湖泊的水位也跟着发生变化[40]。
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图 5 湖泊水位与大气环流指数的关系(P < 0.01) Fig.5 Correlations between lake water levels and atmospheric circulation index (P < 0.01) |
北美洲湖泊水位波动与北大西洋涛动和北极涛动较为相关。其中，诺纳科湖水位与北极涛动表现为强相关，与北大西洋涛动和厄尔尼诺-南方涛动表现为中等程度相关；穆斯湖水位与北大西洋涛动表现为强相关，与北极涛动表现为中等程度相关；赖恩迪尔湖水位与厄尔尼诺-南方涛动的相关性强。欧亚大陆湖泊水位变化主要受北极涛动和厄尔尼诺-南方涛动影响：9个湖泊与北极涛动负相关，8个湖泊与厄尔尼诺-南方涛动负相关，4个湖泊与北大西洋涛动负相关。其中，佩普西湖的水位与北极涛动具有强相关，与厄尔尼诺-南方涛动和北大西洋涛动中等程度相关，奥涅加湖的水位与厄尔尼诺-南方涛动表现为强相关。
4 讨论为探讨水文气象条件和大气环流对湖泊水位时间序列突变的潜在影响，研究分别对湖泊水位、水文气象变量和大气环流指数时间序列进行了突变检验，初步分析了引起水位发生突变的原因。值得注意的是，在所有湖泊中，穆斯湖水位的突变并不明显，没有探测到水位的突变年份，表 1展示了湖泊年水位的突变检验结果。
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表 1 研究区36个湖泊年水位突变年份 Tab. 1 Year of abrupt change in annual water level of 36 lakes in the study area |
图 6展示的是湖泊水位突变与水文气象变量的关系。泛北极湖泊水位突变主要受到潜在蒸发量、总蒸发量、温度和降水的影响。其中，有8个湖泊水位突变与潜在蒸发量有关，有6个湖泊水位突变受到总蒸发量和温度的影响。其中，多雷湖、大奴湖、卡斯巴湖、库苏古尔湖、纽埃尔延湖、赖恩迪尔湖和南印第安湖水位的突变并没有受到气象要素的影响；比如，位于北美洲的几个湖泊(阿马朱瓦克湖、贝克湖、图利马卢湖等)水位的突变与流域内蒸发量和温度更相关。而位于欧亚大陆的湖泊(如佩普西湖、韦特恩湖、维纳恩湖等)水位的突变主要受到潜在蒸发量、温度和降水的影响。而位于60°N以北的霍塔湖和诺纳科湖主要受到了雪水当量的影响。
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图 6 湖泊水位突变与水文气象变量的关系：(a)总蒸发量、(b)潜在蒸发量、(c)径流、(d)雪水当量、(e)温度、(f)总降水 Fig.6 Relationship between abrupt changes in lake level and hydrometeorological variables: (a) total evaporation, (b) potential evaporation, (c) runoff, (d) snow depth water equivalent, (e) temperature, (f) total precipitation |
图 7展示的是湖泊水位突变与大气环流的可能联系。北极涛动和北大西洋涛动均是在2014年发生的突变，而厄尔尼诺-南方涛动在多年(如2006年、2015年、2017—2019年)发生了突变。泛北极湖泊水位突变主要与厄尔尼诺-南方涛动有关，其次是北极涛动和北大西洋涛动。值得注意的是，阿特托林湖、大熊湖、库苏古尔湖等这几个湖泊并没有受到大气环流的显著影响。
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图 7 湖泊水位突变与大气环流指数的关系：(a)北极涛动和北大西洋涛动，(b)厄尔尼诺-南方涛动 Fig.7 The relationship between abrupt changes in lake levels and atmospheric circulation index: (a) Arctic Oscillation and North Atlantic Oscillation, (b) El Nino Southern Oscillation |
ENSO主要影响了中纬度北太平洋中部以及热带东太平洋的蒸发量，导致水位发生变化。在拉尼娜事件中，水汽在北太平洋中部异常辐散(辐合)，大气的水汽含量减小(增大)，造成蒸发量的增大(减小)。而在热带东太平洋由于降水量的增大(减小)，导致蒸发量的增大(减小)[41]。在北大西洋上空，AO的型态与NAO高度相关，关系最为密切[42]。在北半球的冬季，AO/NAO会影响欧洲的气温及降水，从而使湖泊的水位发生变化。当AO/NAO处于正相位时，北大西洋地区高纬的气旋性环流异常加强，将暖湿空气带到北欧大陆，使欧洲气温异常偏高，降水偏多[43]。
5 结论本研究利用多源水位数据，包括从水文站、测高卫星以及文献中获取的水位资料，分析了泛北极36个湖泊近20年水位的变化特征，进而分析其变化规律与水文气象因素和大气环流的潜在联系，还进一步探讨了湖泊水位突变特征及影响因素。本研究调查的泛北极大型湖泊在21世纪以来水位整体上呈现上升趋势，水位上升湖泊的数量和面积均高于水位下降湖泊，但是只有10个湖泊通过了90%统计显著性检验。泛北极湖泊的年际水位变化振幅平均为1.066 m，水位振幅最大的湖泊为腾吉兹湖(4.218 m)。
径流是影响泛北极湖泊水位发生变化的主要因子，有19个湖泊的水位与径流最为相关。北美洲和欧洲的湖泊水位主要与径流更为相关，而亚洲的湖泊水位的上升则更大程度受到蒸发增加的影响。泛北极湖泊水位变化主要受到了厄尔尼诺-南方涛动的影响，其次是北极涛动和北大西洋涛动。位于北美洲的湖泊水位波动与北大西洋涛动和北极涛动较为相关，而位于欧亚大陆湖泊水位变化主要受北极涛动和厄尔尼诺-南方涛动主导。泛北极湖泊水位的突变主要与流域蒸发、温度和降水有关，其中位于北美洲湖泊水位的突变主要与蒸发和温度有关，而位于欧亚大陆湖泊水位的突变主要受到潜在蒸发量、降水和温度的影响。
6 附录附表Ⅰ见电子版(DOI: 10.18307/2023.0641)。
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附表Ⅰ 研究区36个湖泊的具体信息 Appendix Ⅰ Detailed information on the 36 lakes in the study area |
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