应用气象学报  2012, 23 (4): 459-466   PDF    
引用本文
高永刚, 赵慧颖, 李翀, 宋卫士, 孟军. 呼伦湖湿地消长对气象水文因子变化的响应[J]. 应用气象学报, 2012, 23(4): 459-466.
Gao Yonggang, Zhao Huiying, Li Chong, Song Weishi, Meng Jun. Response of Rise and Fall in Hulun Lake Wetland to Meteorological and Hydrological Factor Change[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2012, 23(4): 459-466  
呼伦湖湿地消长对气象水文因子变化的响应
高永刚1, 赵慧颖2,3, 李翀4, 宋卫士5, 孟军5     
1. 黑龙江省气象科学研究所, 哈尔滨 150030;
2. 内蒙古自治区气象科学研究所，呼和浩特 010051;
3. 内蒙古自治区通辽市气象局，通辽 028001;
4. 中国水利水电科学研究院，北京 100038;
5. 内蒙古自治区呼伦贝尔市气象局，海拉尔 021008
2012-01-06 收到, 2012-06-01 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金项目 (40865005, 41165005);科技部基础性工作专项 (2007FY210100)    
通讯作者: 赵慧颖, E-mail: zhaohhyy2008@yahoo.com.cn.
摘要: 利用1961—2005年呼伦湖湿地的气象及水文资料，基于灰色关联度分析、Mann-Kendall检验及小波分析、回归统计等方法，分析了湿地消长对气象水文因子变化的响应特征。结果表明:年与夏季气候在湿地消长中起主导作用。区域年降水量每增加10 mm，年降水量的直接作用是使湿地水域面积和水位深度分别增加2.6 km2和1.6 cm；年径流量每增加1×108 m3，湿地水域面积和水位深度分别增加4.8 km2和3.0 cm。45年来，湿地消长对影响因子连续变化过程的响应特征具有一致性，特别在20世纪90年代后响应更显著，湿地萎缩加快；气温与降水量变化在湿地水域面积、水位深度消长中的贡献率分别为33.1%与66.9%，22.5%与77.5%，降水量变化起主导作用。湿地消长对影响因子的多时间尺度周期性具有很好的响应。在27年的年代际尺度主周期与11~16年次周期、2~10年年际尺度准周期的叠加作用下，45年来，湿地消长出现了2次减少、1次增加的周期过程，并呈现短周期波动特征。
关键词: 呼伦湖湿地    消长    气象水文因子变化    响应    
Response of Rise and Fall in Hulun Lake Wetland to Meteorological and Hydrological Factor Change
Gao Yonggang1, Zhao Huiying2,3, Li Chong4, Song Weishi5, Meng Jun5     
1. Heilongjiang Institute of Meteorological Science, Harbin 150030;
2. Inner Mongolia Meteorological Institute, Hohhot 010051;
3. Tongliao Meteorological Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region, Tongliao 028001;
4. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038;
5. Hulunbeier Meteorological Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region, Hailar 021008
Abstract: With meteorological and hydrological data from 1961 to 2005 in Hulun Lake Wetland, based on gray correlation analysis, Mann-Kendall test, regressive statistics, and wavelet analysis methods, the response models of rise and fall in Hulun Lake Wetland are established by meteorological and hydrological factors. The response characteristics of rise and fall are analyzed under meteorological and hydrological factors change in Hulun Lake Wetland, and references are provided for Hunlun Lake Wetland protecting, resuming and utilizing. Year and summer climate are major roles for the wetland rise and fall, but the water budget of the wetland rise and fall could be reflected completely by year climate. With annual evaporation and runoff fixed, water area and water level depth will respectively increase by 2.6 km2 and 1.6 cm if yearly precipitation increases by 10 mm. Runoff increase of 1×108m3 will lead the water area and water level depth to increase by 4.8 km2 and 3.0 cm respectively, given the evaporation and precipitation unchanged. The coincidence response characteristics are prominent between the wetland rise and fall and the continuous change process of the influential factors from 1961 to 2005.The response is more prominent after the 1990s in particular, when the water resource shortness of the wetland become serious, because the hydrologic environment of the wetland is worsening and the wetland atrophy is faster. The impacting rates of air temperature and precipitation changes on the rise and fall of water area and water level depth are respectively 33.1% and 66.9%, 22.5% and 77.5%, and the precipitation change are dominant. The response of multi-time scale periodic characteristics is prominent between the wetland rise and fall and the influential factors. Their chief periods are all 27 years on the inter-decadal timescale. At the same time, the secondary period (11—13 years) on the inter-decadal timescale and the quasi-period (5—10 years) on the inter-annual timescale are the same for annual precipitation and annual runoff, the secondary period (14—16 years) and the quasi-period (2—7 years) are the same too for annual average air temperature and annual evaporation. Under the overlying action with the chief period and the secondary period, the wetland rise and fall is displayed the period processes of twice increasings and once decreasing from 1961 to 2005. The short period response about quasi-period is prominent between the wetland rise and fall and the influential factors, the wetland rise and fall take on the wave characteristics from 1985 to 2000 in Hulun Lake Wetland.
Key words: Hulun Lake Wetland     rise and fall     meteorological and hydrological factor change     response    
引言

气候是控制湿地消长的最根本的动力因素, 气候变化对湿地的物质循环、能量循环、湿地生产力、湿地动植物均会产生重要影响, 同时湿地消长会改变湿地生态系统, 进而加快气候变化的速度[1]。有关气候变化与降水、径流及湿地消长的相互关系问题已引起人们的重视[2-3]。气候变化会影响区域水文条件的变化, 进而对湿地消长产生影响，目前较多学者探讨了湿地的消长与气候变化的关系，取得了相应研究成果[4-10]，这些成果对湿地的生态环境保护、恢复和可持续利用有重要参考价值。众多研究表明，湿地的消长对气候及水文条件变化响应极为敏感。当前在气候和水文条件对湿地消长的影响研究中主要有两种方法，一是采用相关性统计分析方法，包括线性统计分析和非线性统计分析，其中结合线性倾向率分析方法进行相应分析的成果较多[5, 9], 而非线性统计关系模型成果相对较少；二是采用湿地区域水量平衡方法进行评估分析，如五参数月水量平衡模型、新安江月模型、半干旱半湿润地区月水量平衡模型和两参数月水量平衡模型等[4, 7-8]，这些模型机理严谨，应用中得到认可，在我国区域湿地和水生态环境应用中发挥了重要作用。但这些机理模型较复杂，涉及物理参数较多，在实际应用中可能存在诸多不便。因此，本文通过对呼伦湖湿地现状、气象与水文的观测和调查及文献资料的综合整理，基于呼伦湖湿地水域面积和水位深度与气象和水文条件的关系分析，利用统计学方法建立呼伦湖湿地消长对气象和水文条件的响应模型，定量描述气象和水文因子的协同作用对湿地消长的影响程度，分析并揭示湿地消长对影响因子的变化过程和周期性的响应特征，为呼伦湖湿地的生态环境保护、恢复和可持续利用提供参考。

1 研究区域概况

呼伦湖 (又称达赉湖), 是我国四大淡水湖之一, 位于内蒙古西部高原的满洲里市及新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗之间，即48°40′~49°20′N, 116°58′~117°47′E。呼伦湖面积为2342.5 km2(包括新开湖), 其流域面积为33469 km2, 占呼伦贝尔草原总面积的41.3%。湖面海拔542.3 m (2005年)，平均水深5.7 m，最大水深为8 m。湖盆东边是兴安岭山脉，阻隔了东南季风带来的湿润气流，西边及南边是蒙古高原，北边通过达兰鄂木罗河与黑龙江上游河流额尔古纳河及海拉尔河相连通。湖盆内有大小河流80余条，主要有哈拉哈河、贝尔湖、乌尔逊河、克鲁伦河、新开河等。呼伦湖湖水补给除大气降水和地下水外，主要来自发源于蒙古国东部的克鲁伦河，以及连接贝尔湖和呼伦湖的乌尔逊河，排水通道为新开河，年径流补给量可达12×108 m3左右。流域多年平均降水量为268 mm，多年平均蒸发量为1652.2 mm (20 cm蒸发皿资料)，以草原植被为主，属寒温带大陆季风气候。呼伦湖湿地区域气象站与水文站点的位置如表 1所示。

表 1 呼伦湖湿地区域气象与水文站点的位置 Table 1 Location of meteorological and hydrological stations in Hulun Lake Wetland

2 资料

选取呼伦湖湿地所在区域呼伦贝尔市的新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗和满洲里市1961—2005年的年及四季气温、降水量、蒸发量观测资料，并对气象资料进行了区域平均计算, 以区域各站点的平均序列代表该区域的气候序列；呼伦湖湿地1961—2005年的水域面积年观测资料、水位深度 (湖面海拔高度) 和径流量连续的月观测资料来源于呼伦贝尔市生态与农业气象评估中心、达赉湖国家自然保护区管理局、满洲里市气象局、东旗坤都冷水文站、西旗阿拉坦水文站的监测资料及文献[7-8, 11-14]记载，以及中国水利水电设计院整理的1961—2002年呼伦湖湿地水域面积、水位深度和径流量的连续观测或计算的逐月资料，并对上述水文观测资料进行了比对，确保水文观测资料的一致性。1961—2005湿地水域面积年观测资料、水位深度和径流量逐月观测资料总的样本序列样本数分别为45，973个和930个。

3 湿地消长响应模型的建立与分析 3.1 灰色关联度与线性相关对比及因子的确定

气候变化对湿地消长的影响机制非常复杂，气候要素变化对湿地消长的影响往往具有非线性。对因素之间的关系，虽然用线性相关或线性回归分析等统计方法可以作出一定程度的解释，但往往要求数据分布的特征比较明显，而且对多因素非典型分布特征的现象，线性相关或线性回归分析较难反映出其实际的关系。灰色关联度分析是一种因素分析方法，是各因素间发展态势的量化比较分析，它通过系统统计数列几何关系的比较来分析系统众多因素间的关联程度，基本原理是利用曲线间几何形状的差别，因此将以曲线间差值的大小，作为关联度的衡量尺度[15]，这种方法比较适合分析湿地消长与多因素之间的关系[6, 11]。灰色关联度的计算步骤包括[16]：原始数据的标准化变换；计算两个比较序列的关联系数；计算两个比较序列的关联度；排关联序；列出关联矩阵，确定最优关联度。呼伦湖湿地水域面积及水位深度与自然因素的相关系数及灰色关联度的对比为表 2。

表 2 呼伦湖湿地水域面积、水位深度与自然因素的相关系数及灰色关联度比较 Table 2 Comparison for grey correlation and linear correlation of water area and water level depth to natural factors in Hulun Lake Wetland

由表 2可见，湿地水域面积或水位深度与气温、降水量、蒸发量的相关系数普遍很小，与夏季气温、秋季蒸发量分别呈显著和较显著负相关，说明夏季气温升高、秋季蒸发量增大对湿地面积或水位深度的削弱作用，但与春季及冬季降水量呈显著负相关，与春季蒸发量呈显著正相关，与降水量对面积或水位增加的促进作用、蒸发量的削弱作用的实际情况相矛盾。因此，线性相关性或线性回归在呼伦湖湿地不能较好地反映气象因子与湿地面积或水位深度之间较复杂的真实关系。

但表 2中的灰色关联度均为0.72~0.79，能在一定程度上反映出气象及水文因子与湿地面积或水位深度之间的关联性，尽管因子之间差异不显著，但年及各季节关联度存在着一定差异。对降水量而言，湿地面积和水位与夏季降水量和年降水量关联度相对较大，关联度在0.75以上，与春季和冬季降水量关联度相对较小，关联度为0.72~0.73；对气温而言，与年及秋、冬季关联度较大，关联度为0.74~0.76；对蒸发量而言，与春、夏及冬季关联度较大，关联度在0.75以上；与年径流量的关联度为0.74~0.75。从年与季节总体看，年与夏季因子的关联度相对较大，说明年与夏季气候在湿地消长中占主导作用。由于年降水量、年径流量、年蒸发量更能全面反映呼伦湖湿地年水量收支状况，因此，在拟建的湿地消长模型中选取年降水量、年径流量、年蒸发量及年平均气温作为建模因子，建立呼伦湖湿地水域面积和水位深度与影响因子之间的关系方程, 以解释气象及水文因子的协同作用在呼伦湖湿地消长中的影响程度。

值得注意的是, 水文因子径流量与气温、降水量、蒸发量等气象因子也密切关联并受其影响, 其中，年径流量与年降水量具有正相关关系, 其关联度最大 (0.81)；与年平均气温、年蒸发量具有负相关关系, 其关联度分别为0.75和0.70。45年来，呼伦湖湿地径流量总体呈显著下降趋势，其变化率为-2.19×108m3/10 a，Mann-Kendall检验中，通过了0.05水平的显著性检验，其突变点出现在1982年和1999年，1982年为径流量快速增加突变点，1999年为显著减少突变点；降水量在1982—1999年处于增加阶段，1999年后处于减少阶段；蒸发量在1982—1999年处于减少阶段，1999年后处于增加阶段；年平均气温突变点在1988年，1988年后气温显著升高，但在1994年后升幅增大，对蒸发量具有促进作用，对径流量产生间接影响；说明水文因子径流量与气象因子气温、降水量、蒸发量的变化具有较高的关联度和一致性特征。

3.2 湿地消长响应模型的建立与分析

由于湿地水域面积和水位深度与气象因子，包括年平均气温X1(单位：℃)、年降水量X2(单位：mm)、年蒸发量X3(单位：mm) 及水文因子年径流量X4(单位：108m3) 关系复杂，具有非线性特征，而采用多变量自回归 (CAR) 建模方法可以解决此类非线性模型构建问题。CAR建模方法的基本原理是采用递推最小二乘法进行模型参数估计, 并通过F统计量判定和时滞的F统计检验分别确定模型阶数和模型参数的系数。CAR建模方法主要包括3个步骤[16]：① 采用递推最小二乘法进行模型参数估计；② 利用模型最高阶n的F统计量判定真实模型是否为n阶；③ 对真实阶及其时滞的F进行统计检验，可根据模型的白噪声εt及参数估计值的误差协方差阵进行，对模型中某些系数是否为0进行F检验，以决定模型的真实阶及其时滞，从而得到真实模型的参数估计。

采用多变量线性回归模型、偏回归模型、Logistic模型、指数模型和CAR模型5种方法建立模型，经比较 (表 3、表 4)，CAR模型的决定系数高达0.97，其他4种模型决定系数为0.19~0.29；湿地水域面积和水位深度CAR模型拟合的平均相对误差分别为0.53%和0.02%，折算成平均绝对误差分别为11.8 km2和10.9 cm，其他4种模型相应平均相对误差分别在3.02%和0.09%以上，折算成平均绝对误差分别为67.2 km2和49.0 cm以上，不同方法水域面积和水位深度拟合的平均绝对误差相差在55.4 km2和38.1 cm以上。因此，在呼伦湖湿地水域面积和水位深度拟合的5种模型中，CAR模型拟合方程误差最小、效果最好，其他4种模型拟合方程误差较大、效果较差。

表 3 呼伦湖湿地水域面积5种模型拟合效果比较 Table 3 Simulated effective comparison for five models between water area and influencing factors in Hulun Lake Wetland

表 4 呼伦湖湿地水位深度5种模型拟合效果比较 Table 4 Simulated effective comparison for five models between water level depth and influencing factors in Hulun Lake Wetland

因此，利用与湿地消长关联度较大的气象因子，年降水量X2(单位：mm)、年蒸发量X3(单位：mm) 及水文因子年径流量X4(单位：108m3)，采用CAR建模方法建立非线性关系方程。

(1)
(2)

式 (1) 和式 (2) 分别为水域面积 (Y(t))、水位深度 (h(t)) 的关系方程，其中，t表示年份。全部通过0.001水平的显著性检验。方程拟合精度高 (图 1)，可利用预测年气象及水文因子值对湿地水域面积和水位深度值进行合理预测。

图 1. 水域面积 (a)、水位深度 (b) 的观测值与拟合值比较 Fig 1. Comparison of observation values with simulated values for water area (a) and water level depth (b)

从式 (1) 和式 (2) 可初步估算，当年蒸发量、径流量不变时，区域年降水量每增加10 mm，年降水量的直接作用使湿地水域面积和水位深度分别增加2.6 km2和1.6 cm，这与文献[9]分析结果基本一致。当年蒸发量、年降水量不变时，年径流量每增加1×108m3，湿地水域面积和水位深度分别增加4.8 km2和3.0 cm。

4 湿地消长对气象及水文因子的响应 4.1 湿地消长对气象及水文因子变化过程的响应

根据对呼伦湖湿地1961—2005年气象与水文因子的年代际变化趋势统计分析，年降水量和年径流量呈减少趋势，线性倾向率分别为-0.161 mm/a和-0.204×108m3/a，年径流量通过0.01水平的显著性检验，45年来两者作用使湿地水域面积和水位深度显著下降。45年来年降水量和年径流量的年代际变化主要有3个阶段，即1961—1981年两者持续减少阶段、1982—1989年两者持续增加阶段、20世纪90年代后两者显著减少阶段，3个阶段入湖水量的连续变化过程基本上与湿地水域面积及水位深度的连续变化过程相符合。特别是20世纪90年代后减少趋势更为显著，其线性倾向率分别为-9.461 mm/a和-1.723×108m3/a，均通过0.01水平的显著性检验，按模型讨论的变化计算，16年中年降水量和年径流量显著减少的共同作用使湿地水域面积和水位深度减少了171.9 km2和106.9 cm，而径流来源于降水，可看作年降水量的贡献。

呼伦湖湿地1961—2005年年平均气温和年蒸发量的线性倾向率分别为0.046℃/a和-1.977 mm/a，年平均气温通过了0.01水平的显著性检验。45年来年平均气温和年蒸发量亦主要有3个阶段，即1961—1981年平均气温微弱增加趋势与年蒸发量持续增加阶段，1982—1989年平均气温显著增加与年蒸发量显著减少阶段，20世纪90年代后年平均气温维持较高温度与年蒸发量显著增加阶段。45年来，与湖水水量支出有关的年平均气温与年蒸发量的连续变化过程基本上与湿地水域面积及水位深度的连续变化过程呈反位相。特别在20世纪90年代后，年平均气温维持较高温度，年蒸发量增加趋势显著，其线性倾向率为9.913 mm/a，通过了0.01水平的显著性检验，16年中年平均气温和年蒸发量分别增加了0.74℃和158.7 mm，气温因相关系数较小未进入关系方程，而气温是蒸发的主要条件之一，年蒸发量的贡献可看作是年平均气温的贡献。分析表明，气温和蒸发量与湿地水域面积和水位深度呈负相关，说明气温升高和蒸发量增加可以导致湿地水域面积和水位深度减少，但变化幅度不大。

因此，1961—2005年呼伦湖湿地水域面积及水位深度的连续变化过程与气象及水文因子的连续变化过程具有一致性特征。特别在20世纪90年代后，东北及呼伦湖区域暖干化趋势增强[9, 17-21]，气温显著升高和降水量显著减少使呼伦湖湿地水域面积和水位深度显著减少，两者在湿地水域面积减少中的贡献率分别为33.1%和66.9%，在水位深度降低中的贡献率分别为22.5%和77.5%，在呼伦湖湿地水域面积和水位深度显著减少中，降水量显著减少趋势的作用大于气温显著升高趋势的作用，降水量变化对湿地消长占主导作用。在20世纪90年代后呼伦湖区域气候持续暖干化环境下，湿地水域面积萎缩和水位深度下降将加快。

4.2 湿地消长对气象及水文因子周期性的响应

小波分析不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示出各频率随时间的变化及不同频率之间的关系，并且具有分析函数奇异性的能力，也可以用来分析气候资源信息变化中的突变，小波分析在气温、降水等气候要素序列的信息分析中得到重视，应用广泛[22-24]。因此，采用小波分析方法对湿地消长因素和气象及水文影响因子进行周期性分析, 揭示气象和水文因子在呼伦湖湿地消长中的周期性特征，不仅可以检验各影响因子与湿地水域面积和水位深度变化周期是否具有一致性，还可为湿地水域面积和水位深度的消长提供周期性的信息，为湿地恢复、保护和自然资源利用提供周期性特征依据。

在小波分析中，根据不同频率的小波方差中应选取最大峰值方差所对应的频率为主要频率的分析原则，1961—2005年呼伦湖湿地水域面积、水位深度、气象及水文因子45年时间序列的小波分析结果见图 2。从图 2可以看出，呼伦湖湿地水域面积、水位深度及各影响因子存在多时间尺度周期性特征，水域面积、水位深度及各影响因子的第1主周期均为27年，27年的年代际尺度主周期可作为背景周期。其中，湿地水量收入项因子降水量和径流量的年代际尺度次周期和年际尺度准周期相同，其次周期为11~13年，准周期为5~7年和8~10年；湿地水量支出项因子年平均气温和年蒸发量的年代际尺度次周期和年际尺度准周期相同，其次周期为14~16年，准周期为2~4年和5~7年；湿地水位深度存在14~16年的次周期，但水位深度2~4年的准周期信号相对较弱。

图 2. 呼伦湖湿地面积、水位和影响因子的周期分析 Fig 2. Periodic analysis of water area, water level depth and key factors in Hulun Lake Wetland

在27年年代际主周期背景下，背景主周期与水量收入项的11~13年次周期、水量支出项的14~16年次周期的叠加作用，形成呼伦湖湿地水域面积和水位深度的周期性变化特征，水域面积和水位深度在1961—2005年出现了2次 (1961—1977年、1995—2005年) 减少、1次 (1978—1994年) 增加过程，体现了呼伦湖湿地的消长与影响因子在年代际尺度周期上的一致性特征。

在年际尺度上，湿地水量收入项因子降水量和径流量存在明显的5~7年和8~10年准周期波动，支出项因子年平均气温和年蒸发量2~4年和5~7年的准周期波动。基于年代际周期背景，在年际尺度准周期波动的作用下，1985—2000年时段湿地水域面积和水位深度的波动体现较明显，说明了呼伦湖湿地消长的影响因子短周期变化特征明显，同时，也反映了湿地消长对气象及水文因子的短周期波动存在相应的响应。

5 结论与讨论

综合以上分析，可以得出以下主要结论:

1) 灰色关联度分析能较好地反映出呼伦湖湿地水域面积及水位深度与气象及水文因子之间的关系，年与夏季因子的关联度相对较大，在湿地消长中起重要作用。采用自回归 (CAR) 方法建立了呼伦湖湿地消长对年降水量、年径流量、年蒸发量的响应方程，方程拟合精度很高，可定量描述湿地的消长对气象及水文因子协同作用的响应程度。

2) 45年来，呼伦湖湿地消长对气象及水文因子变化过程具有一致性的响应特征，湿地水域面积及水位深度的连续变化过程与湖水水量收入有关的年降水量和年径流量的连续变化过程相符合，与湖水水量支出有关的年平均气温和年蒸发量的连续变化过程呈反位相配置。年平均气温显著升高和年降水量显著减少在湿地水域面积减少中的贡献率分别为33.1%和66.9%，在水位深度降低中的贡献率分别为22.5%和77.5%，年降水量变化占主导作用。

3) 湿地消长对影响因子的多时间尺度周期性具有很好的响应，均存在27年的年代际尺度主周期。其中，降水量和径流量的年代际尺度次周期 (11~13年) 和年际尺度准周期 (5~10年) 相同，年平均气温和年蒸发量的次周期 (14~16年) 和准周期 (2~7年) 相同。

需要说明的是，文献[9]中1961—1983年呼伦湖水域面积是连续观测资料, 1984—2005年仅使用6年不连续的湿地面积遥感资料；而本文使用的是1961—2005年湿地水域面积、水位深度和径流量的连续观测资料，并且研究方法和研究内容也不同。本文不仅探讨了湿地水域面积和水位深度对气象及水文因子变化过程和周期性响应情况，还讨论了气温升高和降水量减少变化趋势对呼伦湖湿地萎缩的贡献率问题。因此，本研究可作为文献[9]研究结果的重要补充。

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