贝加尔湖近期湖面水位的波动作为大气环流变化的指示器

时间：2026年2月20日

来源：Journal of Great Lakes Research

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湖 Baikal 水位变化与流域天气型频率关系研究。基于2010-2024年日尺度天气型分类数据，发现反气旋型（A）在除夏季外的所有季节占主导地位，夏季以未分类型（U）为主。降水与水位变化显著相关，夏季降水可解释最大年水位60%的年际变率。低水位期（2014-2017）降水不足、A型频率强度增加，高水位期（2018-2024）降水过量、NE型频率上升及A型强度减弱。年际水位波动与A型和NE型频率显著相关。

Eduard Y. Osipov | Olga P. Osipova

俄罗斯科学院西伯利亚分院湖沼学研究所，乌兰巴托尔斯卡亚街3号，伊尔库茨克664033

摘要

迄今为止，人们对贝加尔湖流域大气环流的天气系统机制与水文平衡参数及水位变化之间的关系研究还不够充分。因此，本研究分析了2010–2024年间贝加尔湖水位的变动及其与流域内天气系统模式频率的关联。基于美国国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析的海平面和大气压力数据编制的每日天气类型目录，分析了27种天气系统的季节性变化及其与20个气象站降水量的关系。除夏季外，所有季节都以反气旋天气类型（A）为主。研究发现湖水位季节性变化与降水量之间存在显著相关性。某些气象站的夏季降水量可解释贝加尔湖年最高水位年际变化的60%。水位较低的时期（2014–2017年）特征是降水量不足、反气旋频率和强度增加以及平流天气类型NE的增加；而水位较高的时期（2018–2024年）则表现为降水量过剩、平流天气类型NE频率增加以及反气旋强度减弱。湖水位年际波动与天气系统类型A（反气旋）的频率存在显著关联。

引言

贝加尔湖是地球上最大的淡水储库（23,000立方公里，占全球淡水储量的20%），其独特的地质和水文特征以及特有的动植物使其独具特色。湖水位是区域水文平衡的重要指标，包括降水量、河流径流和流域内的蒸发量。水位变化对许多环境要素有重要影响：地下水和河流径流（地下水位变化、河流变浅）、地貌过程（海岸侵蚀）以及水生生物（鱼类食物供应减少）。此外，水位变化还与当地居民的生活密切相关（供水不稳定、水电站发电能力下降、森林火灾、泥炭燃烧等）。因此，了解贝加尔湖水位波动的物理机制有助于及时识别周期性出现的环境风险并将其影响降到最低。

贝加尔湖的长期自然水位波动范围可达2米（Sinyukovich, 2022），但在20世纪50年代中期安加拉河上建成水电站后，湖水位被人为调控，平均上升了0.8米。目前，湖水位的年际和季节性波动受到气候变化和径流调控的共同影响（Sinyukovich et al., 2024）。湖水位具有明显的年内波动特征，4月份最低，9月份最高（Sinyukovich, 2022）。与自然条件相比，人工调控下的最高水位出现时间变化不大。可以认为，年最高水位在很大程度上反映了流域内的气候背景变化。对1898–2020年间贝加尔湖水位自然波动的重建显示，存在年均0.15厘米的上升趋势（Sinyukovich et al., 2024）。这一发现与200个大型湖泊的卫星测高数据一致（Kraemer et al., 2020）。然而，也观察到低频的水位波动。自20世纪70年代初以来，湖泊入水量总体呈增加趋势，但在1976–1981年（气温上升初期）和1996–2010年（气温上升结束期）期间，入水量有所减少（Sinyukovich et al., 2013）。根据这些作者的研究，自1996年以来，入水量变化变得更加不稳定。最近一次水位下降期出现在2014–2017年，当时贝加尔湖水位降至456米的允许范围以下（2018年降幅达30厘米）。相反，2020–2021年出现了高水位期，水位超过了457米的允许上限（2021年增幅达23厘米）（Sinyukovich, 2022）。这些波动的原因仍在讨论中，但主要归因于流域内气候变化的影响。例如，有人认为大气环流条件的变化（尤其是纬向环流活动的减弱）影响了湖水位（Sinyukovich et al., 2013）。

许多研究探讨了湖水位变化与多尺度大气环流过程之间的关系。例如，Polderman和Pryor（2004）研究了1956–1999年间密歇根-休伦湖水位变化与大气环流的关系。Saber等人（2023）评估了全球气候变量（大西洋多年代际振荡AMO、太平洋十年际振荡PDO、厄尔尼诺-南方涛动ENSO和北大西洋振荡NAO）与五大湖水量平衡各组成部分之间的远距离联系。Zhu等人（2024）研究了大气环流对青藏高原降水量和极端水位变化的影响。Jalili等人（2012）的研究表明，大尺度大气环流（通过区域降水量和气温间接反映的蒸发量）影响乌尔米亚湖（伊朗）的水位。后来，Fathian等人（2021）发现了该湖水位与两种大尺度大气振荡（南方涛动指数SOI和NAO）之间的关联。

以往的研究主要集中在大尺度大气环流特征及其对贝加尔湖流域水文过程的影响上。Afanasyev（1976）认为1930–1942年的高水位期是由东风输送增强、纬向环流减弱引起的；而1943–1960年的低水位期则与东风输送减弱和纬向环流增强有关。Shimaraev等人（2002, Shimaraev and Starygina, 2010）指出，降水量和河流径流的变化与纬向环流过程的周期性有关，这种环流的增强促进了河流向湖泊的径流增长，一直持续到20世纪90年代中期。Berezhnykh等人（2012）发现，1976–1982年和1996–2011年塞伦加河低水位期的原因是蒙古和中国北部地区季风环流与中纬度环流的交汇区环流减弱。Sizova（2017）指出，贝加尔湖的总入水量主要受6–10月环流过程的影响。Antokhina等人（2018）认为，1979–2013年间东西伯利亚上空的阻塞现象促进了塞伦加河流域的降水，而欧洲和贝加尔湖以东地区的阻塞则阻碍了降水。Sinyukovich等人（2019）发现，1996–2016年夏季贝加尔湖入水量减少与近地面大气压力升高及中层大气位势高度增加（南部（蒙古）气旋形成区）同时发生。

以往的研究主要关注大尺度大气环流特征及其对贝加尔湖流域水文过程的影响。例如，Afanasyev（1976）认为1930–1942年的高水位期是由于东风输送增强、纬向环流减弱所致；1943–1960年的低水位期则与东风输送减弱和纬向环流增强有关。Shimaraev等人（2002, Shimaraev and Starygina, 2010）指出，降水量和河流径流的变化与纬向环流过程的周期性有关，这种环流的增强促进了河流向湖泊的径流增长。Berezhnykh等人（2012）发现，1976–1982年和1996–2011年塞伦加河低水位期的原因是蒙古和中国北部地区季风环流与中纬度环流的交汇区环流减弱。Sizova（2017）指出，贝加尔湖总入水量主要受6–10月环流过程的影响。Antokhina等人（2018）认为，1979–2013年间东西伯利亚上空的阻塞现象促进了塞伦加河流域的降水，而欧洲和贝加尔湖以东地区的阻塞则阻碍了降水。Sinyukovich等人（2019）发现，1996–2016年夏季贝加尔湖入水量减少与近地面大气压力升高及中纬度地区南部气旋形成区位势高度增加同时发生。

本研究的主要目的是利用Jenkinson-Collison提出的客观分类方法，探讨贝加尔湖流域内区域天气系统过程与降水量及年际最高水位变化之间的关系。我们选择了2010–2024年这一时期，该时期包含了水位变化的完整周期（低水位期和高水位期）。我们分析了天气系统类型的季节性分布、大气环流的区域指数、水位变化及其与降水量的关系，以及不同天气类型与降水量的关联，并量化了年际最高水位的波动。

贝加尔湖流域

贝加尔湖流域面积为541,000平方公里（不包括贝加尔湖本身的31,500平方公里）。其中约45%（240,500平方公里）位于俄罗斯境内，剩余55%（300,500平方公里）位于蒙古（图1）。贝加尔湖最大的支流塞伦加河全长1024公里，其中615公里位于蒙古境内（Potemkina et al., 2016）。塞伦加河流域是贝加尔湖的主要集水区，占湖泊总径流的50%。