董斯揚，薛 嫻，尤全剛，彭 飛

(1:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州730000)

(2:中國科學院大學，北京100049)

青藏高原分布有地球上海拔最高、數(shù)量最多、面積最大，以鹽湖和咸水湖集中為特色的高原內(nèi)陸湖群，是我國湖泊分布密集的地區(qū)之一，其湖泊總面積約占全國湖泊總面積的一半［1］.由于湖泊是大氣圈、生物圈、巖石圈和陸地水圈相互作用的連接點，它的形成與消失、擴張與收縮是其周圍環(huán)境因子共同作用的結(jié)果，同時，湖面面積的增減也可通過改變下墊面條件對氣候變化產(chǎn)生影響［2］.青藏高原地區(qū)地勢高、自然條件惡劣，湖泊大多數(shù)仍保持或接近自然原始狀態(tài)，其變化受人類活動因素影響較小，能夠真實地反映區(qū)域氣候與環(huán)境的變化狀況，是全球氣候變化的敏感指示器.因此，掌握近幾十年來青藏高原地區(qū)湖泊的變化特征對于研究區(qū)域氣候變化具有十分重要的意義.

衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、信息量大、重復頻率高等優(yōu)勢，在全球變化研究中已經(jīng)成為常規(guī)觀測無法替代的重要信息源.近年來已有一些學者利用RS和GIS技術(shù)對青藏高原地區(qū)部分湖泊的面積變化進行研究［3－16］，結(jié)果表明，近半個世紀以來，伴隨著全球氣候變暖及其影響下的冰川消融、凍土退化，青藏高原地區(qū)的湖泊因補給條件差異而分別表現(xiàn)出擴張、萎縮、穩(wěn)定3種狀態(tài)，整體上以擴張趨勢為主.同時，有少數(shù)學者認為青藏高原湖泊呈全面萎縮的態(tài)勢［17］.在前期的科學研究中，由于研究者、研究時段、研究方法及衡量標準各不相同，且研究區(qū)范圍主要集中在羌塘東南、那曲地區(qū)及少數(shù)面積較大的單個湖泊(如青海湖)，使得我們很難從這些研究結(jié)果中獲取青藏高原湖泊面積變化的總體信息.李均力等［18］曾以流域為單元對青藏高原內(nèi)陸湖泊的面積變化進行分析，該研究是目前對于青藏高原湖泊面積變化分析中研究范圍最廣的，但也僅覆蓋了高原70%的湖泊.

本文針對以上不足，以整個青藏高原作為研究區(qū)，利用遙感、GIS技術(shù)對該區(qū)域內(nèi)面積大于10 km2的湖泊在1970s-2010s期間面積的變化情況進行研究，并對湖泊變化情況進行分區(qū)域、分面積梯度以及分海拔梯度的分析，以期對近40年來青藏高原地區(qū)湖泊面積變化的整體特征有一個相對全面的了解.同時，結(jié)合1972-2011年間青藏高原地區(qū)的氣候變化情況，初步定性地分析湖泊面積變化的主要原因.

1 研究區(qū)概況

青藏高原在我國境內(nèi)部分西起帕米爾高原，東至橫斷山脈，南自喜馬拉雅山脈南緣，北迄昆侖山-祁連山北側(cè)，面積約為2.6×106km2，占我國陸地總面積的26.8%［19］.高原面平均海拔4000～5000 m，冰川廣布，凍土發(fā)育.氣候總體特征表現(xiàn)為輻射強烈、日照多、氣溫低.由于其范圍廣闊、地域差異較大，在氣候區(qū)劃上可劃為3個溫度帶、9個干濕區(qū)、12個氣候區(qū)［20］.據(jù)統(tǒng)計［1］，高原區(qū)內(nèi)面積大于1 km2的湖泊有1091個，總面積約為44993.3 km2，且大多為咸水湖，主要分布在高原西部.降水、冰雪融水、地下水以及凍土中的水分釋放是該區(qū)域湖泊補給的主要形式.

為便于討論，本文依據(jù)山脈、地形等要素將青藏高原劃分為北(N)、東(E)、南(S)、西(W)4個子區(qū)域(圖1).

1)高原北部區(qū):為昆侖山脈山脊線以北、柴達木盆地東緣以西的高原區(qū)，該區(qū)湖泊主要分布在東部柴達木盆地內(nèi)，盆地邊緣分布有氣象臺站.

2)高原東部區(qū):為柴達木盆地以東以及可可西里山脈、唐古拉山脈山脊線以東的高原區(qū)，該區(qū)湖泊分布不均，主要集中在三江源地區(qū)，氣象站廣布.

3)高原南部區(qū):為岡底斯山脈、念青唐古拉山脈山脊線以南的高原區(qū)，該區(qū)湖泊較少，氣象站大多分布在東部地區(qū).

4)高原西部區(qū):為昆侖山脈山脊線以南、可可西里山脈和唐古拉山脈山脊線以西、岡底斯山脈和念青唐古拉山脈山脊線以北的高原區(qū)，該區(qū)范圍大體上與羌塘高原范圍一致，湖泊分布十分密集，氣象臺站極為稀少.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

圖1 青藏高原主要湖泊、氣象站分布Fig.1 Distribution of main lakes and meteorological stations in the Qinghai－Tibet Plateau

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的可獲得性和云量情況，分別選取以1975、1990、2000和2010年為中心年份的覆蓋研究區(qū)的一系列數(shù)據(jù)，包括MSS、TM和ETM影像.由于1970s MSS影像無法覆蓋全區(qū)，少數(shù)缺失地區(qū)采用1970s(1970-1974年)1∶10萬地形圖作為補充.各期遙感影像質(zhì)量完好，基本無云覆蓋，地形圖掃描清晰(掃描精度為300 dpi)，湖泊水邊線易于勾畫.由于青藏高原湖泊面積的季節(jié)性變化十分明顯，所以不同時期遙感影像所反映的湖泊面積變化可能屬于階段性變化，也可能是季節(jié)性變化與階段性變化的綜合結(jié)果.已有研究結(jié)果表明:盡管內(nèi)陸湖泊在一年之內(nèi)的面積變化劇烈，而在9-12月卻能保持面積的相對穩(wěn)定，湖泊最大面積變化率不超過2%［18］.基于此，遙感影像盡量選用9-12月的數(shù)據(jù)，且以10-11月數(shù)據(jù)為最佳.同時，將2%的變化率確定為判斷湖泊面積是否發(fā)生階段性變化的臨界值:若湖泊面積變化率的絕對值小于或等于2%，則認為湖泊是穩(wěn)定的，沒有發(fā)生階段性變化;若面積變化率的絕對值大于2%，則認為湖泊發(fā)生了擴張或萎縮的階段性變化.

分別從SRTM DEM影像(空間分辨率為90 m)和Google Earth數(shù)據(jù)提取湖泊的高程信息，通過對比，發(fā)現(xiàn)整體上Google Earth的數(shù)據(jù)較SRTM DEM影像數(shù)據(jù)更準確，故本文中的湖泊高程信息使用的是Google Earth提供的數(shù)據(jù).

氣象資料為由國家氣象中心提供的青藏高原地區(qū)有完整觀測資料的65個標準氣象臺站1972-2011年的逐月氣象觀測數(shù)據(jù)，包括最低、最高和平均空氣溫度，最低、最高和平均空氣相對濕度，10 m高度處平均風速、日照時數(shù)、降水量等以及各站的經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù).

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)水體的光譜特性，本研究選用ETM741、TM543及MSS754波段合成圖像作為主要信息源，其行列號、獲取時間、數(shù)據(jù)類型等基本信息見表1.用空間分辨率為15 m的全色波段對ETM741合成影像作圖像融合處理，以獲得信息更豐富、影像更清晰的圖像數(shù)據(jù).然后以空間分辨率相對較高的2000s期ETM影像作為參考圖像，對其他各期遙感影像及地形圖進行配準，誤差均控制在1個像素之內(nèi)，以保證各期影像在空間上具有一致性，其數(shù)據(jù)可用于動態(tài)對比.之后，通過人工目視解譯的方法勾繪各期影像中的湖泊邊界，提取湖泊面積信息.以上所有操作均在ENVI及ArcGIS軟件平臺上進行.所有數(shù)據(jù)均采用WGS－84大地坐標系.

表1 遙感影像/地形圖時相選擇Tab.1 The selection of RS images and topographic maps

續(xù)表1

對于湖泊邊界的確定，遵循以下2個原則:1)以豐水期水邊線的上邊界作為湖泊邊界;2)湖泊面積指湖泊水域面積，島嶼和水邊線外圍灘地均不作為湖泊的組成部分.

在氣象數(shù)據(jù)的處理過程中，氣溫(T)與降水(P)由觀測數(shù)據(jù)整理而得，最大可能蒸散(ETo)及干燥度指數(shù)(AI)根據(jù)公式計算得出.ETo根據(jù)1998年聯(lián)合國糧農(nóng)組織修訂的Penman－Monteith公式進行計算［21］，其中凈輻射(Rn)的計算由公式(2)進行地區(qū)校正［22］，以更加符合青藏高原的氣候特點.干燥度指數(shù)由公式(3)計算得出［20］.最后，用Mann－Kendall方法對氣象要素的變化趨勢進行信度檢驗.

式中，Δ為飽和水汽壓隨溫度的斜率，Rn為凈輻射，G為土壤熱通量，γ為干濕表常數(shù)，u2為2 m高處風速，es為飽和水汽壓，ea為實際水汽壓為日照百分率，R為晴天輻射，σ為Stefan－Boltzmann常數(shù) (4.903×so10－9MJ/(K4·m2·d))，Tmax，K和 Tmin，K分別為絕對溫標的最高和最低氣溫.

3 結(jié)果與討論

3.1 湖泊現(xiàn)狀

由于小型湖泊的面積受季節(jié)變化影響較大，且其面積的變化對區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生的影響十分有限，故本文僅選取面積大于10 km2的湖泊作為研究對象.4期影像的解譯結(jié)果表明，青藏高原面積大于10 km2的湖泊一共有417個，總面積(研究時段內(nèi)湖泊面積的平均值)為39106.66 km2，其分區(qū)域、分面積梯度及海拔梯度的統(tǒng)計結(jié)果列于表2.本文所使用的分類標準中，區(qū)域劃分按照第1節(jié)所述方法分為北部、東部、南部、西部4類;面積梯度劃分以100、500和1000 km2為分界點將湖泊分為小型、中型、大型和超大型4類;海拔梯度劃分以4000、4500和5000 m為分界點分為低海拔、中海拔、中高海拔和高海拔4類.

在空間分布方面，青藏高原的湖泊分布并不均勻(表2)，有72.4%的湖泊集中在西部地區(qū)，該區(qū)湖泊分布的密集程度遠遠大于其他地區(qū);在湖泊面積方面，青藏高原內(nèi)的湖泊大多為面積不足100 km2的小型湖泊(占高原湖泊總數(shù)的81.5%)，面積大于500 km2的大型湖泊有13個，其中面積最大的是青海湖;在海拔高度方面，有65.9%的湖泊分布在海拔4500～5000 m的范圍內(nèi)，海拔最高的湖泊是森里錯，湖面海拔為5393 m.

表2 青藏高原湖泊數(shù)量、面積及海拔的分段統(tǒng)計*Tab.2 The numbers，areas and elevations of different groups of lakes in the Qinghai－Tibet Plateau

3.2 湖泊面積變化的總體趨勢及差異性特征

近40年湖泊面積變化總體趨勢如圖2所示.為了進一步分析近40年青藏高原湖泊面積變化的差異性特征，依據(jù)上節(jié)所述的分類標準，各研究時段內(nèi)各類湖泊總面積變化率的統(tǒng)計值列于表3.

圖2 青藏高原近40年湖泊面積變化Fig.2 Lake area changes in the Qinghai－Tibet Plateau in recent 40 years

表3 近40年來青藏高原湖泊面積變化率(%)統(tǒng)計Tab.3 Statistics of lake area changes in the Qinghai－Tibet Plateau in recent 40 years

不難看出，近40年來青藏高原的湖泊總體上呈明顯的加速擴張趨勢，特別是在2000s-2010s期間，擴張尤為劇烈.而在湖泊面積變化的差異性特征上，北部地區(qū)的湖泊總體上擴張程度最劇烈，近40年的變化趨勢表現(xiàn)為明顯擴張-萎縮-劇烈擴張;西部地區(qū)的湖泊總體擴張也十分明顯，近40年表現(xiàn)出持續(xù)加速擴張的趨勢，如色林錯［4，11］、納木錯［6－7，10，15］及其周邊的巴木錯、班戈錯、茲格塘錯、蓬錯、懂錯、乃日平錯［12，18］等，近幾十年來水量增加，面積擴張十分明顯;東部地區(qū)的湖泊總體上也呈現(xiàn)出擴張趨勢，但擴張程度遠不及北部和西部地區(qū)的湖泊，近40年其變化趨勢表現(xiàn)為萎縮-穩(wěn)定-擴張，相關(guān)研究結(jié)果也表明近年來該區(qū)內(nèi)的鄂陵湖面積有所增加，冬給措納湖面積則保持相對穩(wěn)定［14］;南部地區(qū)的湖泊總體面積保持相對穩(wěn)定，近40年表現(xiàn)出穩(wěn)定-擴張-萎縮的變化趨勢，有研究表明該區(qū)內(nèi)的主要湖泊如羊卓雍錯［5］、佩枯錯［9］近年來面積減少、水位下降.從面積規(guī)模方面來看，表現(xiàn)出隨湖泊面積規(guī)模逐漸增大，湖泊擴張程度逐漸減小的特征;小型湖泊擴張最劇烈，近40年呈持續(xù)加速擴張狀態(tài);中型湖泊表現(xiàn)出擴張-穩(wěn)定-明顯擴張的變化趨勢;大型和超大型湖泊均表現(xiàn)為先穩(wěn)定后擴張的趨勢.從海拔范圍方面來看，低海拔地區(qū)的湖泊擴張最明顯，近40年表現(xiàn)出擴張-萎縮-明顯擴張的變化趨勢;中海拔和中高海拔地區(qū)的湖泊均呈持續(xù)加速擴張的趨勢，且中高海拔地區(qū)的湖泊擴張程度稍大;高海拔地區(qū)的湖泊也呈擴張狀態(tài)，但擴張程度相對較小，近40年的變化趨勢為先穩(wěn)定后擴張.

3.3 湖泊面積變化對氣候變化的響應

將氣象觀測資料按前文所述方法進行數(shù)據(jù)處理后獲得青藏高原各氣象臺站1972-2011 年平均 T、P、ETo和AI及其累積距平序列.結(jié)果表明［23］，近40年青藏高原地區(qū)的氣溫明顯升高，降水顯著增加，最大可能蒸散顯著降低，干燥度指數(shù)顯著降低，氣候向暖濕化方向發(fā)展.

近40年來青藏高原的氣候變化存在明顯的區(qū)域差異:北部地區(qū)的暖濕化程度最為明顯，其次是西部地區(qū)，東部和南部地區(qū)的氣候暖濕化程度相對較輕.相應的，近40年青藏高原的湖泊面積變化也存在明顯的區(qū)域差異:北部地區(qū)的湖泊擴張程度最為劇烈，其次是西部地區(qū)的湖泊，而東部和南部地區(qū)的湖泊相對來說面積變化不大，比較穩(wěn)定(表4).可見，受氣候差異的影響，不同區(qū)域湖泊的面積變化特征也存在明顯的區(qū)域差異.

表4 近40年青藏高原氣候變化與湖泊面積變化特征值統(tǒng)計Tab.4 Statistics of lake area changes and climate change in the Qinghai－Tibet Plateau in recent 40 years

為了進一步分析湖泊面積變化與各氣象要素之間的關(guān)系，計算了近40年青藏高原湖泊標準化面積與T、P、ETo、AI標準化累積距平曲線(圖3).對T、P、ETo和AI計算累積距平有助于掌握氣候的階段性特征.氣溫累積距平曲線的上升段和下降段分別代表氣候的相對暖期和相對冷期;降水累積距平曲線的上升/下降代表降水量偏多/少，對應流域的豐水期/枯水期;最大可能蒸散累積距平曲線的上升段和下降段分別對應強蒸散時期和弱蒸散時期;干燥度指數(shù)累積距平曲線的上升段和下降段分別代表氣候的干旱期和濕潤期.

結(jié)合表4和圖3數(shù)據(jù)，對比高原北部與西部地區(qū)，北部湖泊只依靠降水補給，西部地區(qū)的湖泊除降水外還有冰川融水作為補給.兩區(qū)氣候變化趨勢較為一致，溫度顯著升高，降水顯著增加，最大可能蒸散顯著降低，干燥度指數(shù)顯著降低，在變化程度上，由于北部地區(qū)年降水量較少，故降水增加更為劇烈，氣候的濕潤化程度較西部地區(qū)更明顯.相應地，兩個區(qū)域湖泊總面積均明顯增加，但西部湖泊的擴張程度遠不及北部湖泊.在時間過程上，兩個區(qū)域的降水量都有明顯的波動，但基本趨勢是一致的，并且與湖泊面積的變化趨勢基本吻合:在1980s中期以前，兩個區(qū)域降水量都低于正常值，處于枯水期，之后的3～5年時間里，降水較為充足，北部地區(qū)降水量明顯高于正常值，西部地區(qū)降水量略高于正常值，兩區(qū)湖泊面積相應增加;進入1990s，兩區(qū)降水量又異常偏低，區(qū)域氣候相對干旱，西部降水于1996年恢復正常，并于1998年開始持續(xù)偏高，然而，北部地區(qū)的旱情一直持續(xù)到2001年，期間降水量只在1998年高于正常值，從2002年開始降水量持續(xù)偏高，區(qū)域氣候相對濕潤.相應地，兩區(qū)湖泊分別呈現(xiàn)出萎縮-劇烈擴張(北部)和持續(xù)擴張(西部)兩種不同的變化趨勢.同時，這也與受升溫影響而產(chǎn)生大量冰川融水補給西部湖泊有一定關(guān)系.

對比高原東部地區(qū)和南部地區(qū)，氣候變化趨勢是一致的:氣溫顯著升高，降水變化不顯著，最大可能蒸散顯著降低，干燥度指數(shù)顯著降低，區(qū)域氣候向暖濕化方向發(fā)展.東部地區(qū)的主要湖泊如扎陵湖、鄂陵湖等大多位于三江源地區(qū)，屬外流湖，湖泊大多依靠降水補給，部分湖泊同時存在冰川融水補給.南部地區(qū)雖然基本屬于恒河流域，為外流區(qū)，但該區(qū)主要湖泊如羊卓雍錯、普莫雍錯、佩枯錯、拉昂錯、瑪旁雍錯等均為內(nèi)陸湖，僅有少數(shù)小型湖泊為外流湖，該區(qū)湖泊主要依靠降水補給，部分湖泊同時存在冰川融水補給.對于東部地區(qū)的湖泊來說，受到暖濕化氣候的影響以及冰川融水的補給，湖泊總面積有所增加.而南部地區(qū)湖泊總面積基本穩(wěn)定但略有減少的情況則很可能與近年來該區(qū)降水量的減少有關(guān).

圖3 近40年青藏高原湖泊標準化面積與T、P、ETo和AI標準化累積距平Fig.3 Standardized lake area and accumulated anomalies of T，P，ETo and AI of the Qinghai－Tibet Plateau in recent 40 years

與北部和西部地區(qū)相比，東部和南部地區(qū)氣候的暖濕化程度較弱，降水變化不明顯，因此，整體上湖泊的變化程度較小.另外，與內(nèi)陸湖泊不同，外流湖的水量變化主要取決于出湖徑流，而出湖徑流量的變化同時受許多因素影響，使得這類湖泊對氣候變化的響應不夠敏感.或多或少的外流湖在不同程度上降低了東部和南部地區(qū)總體上湖泊對于氣候變化響應的敏感程度.因此，區(qū)域湖泊的總面積變化不大.在時間過程上，與北部地區(qū)和西部地區(qū)一樣，東、南兩區(qū)降水量都存在明顯的波動，但降水累積距平曲線依然能夠較為準確地反映出湖泊面積的變化情況.

比較圖3各條曲線的變化情況，不難看出:1)在T、P、ETo和AI中，P累積距平曲線能夠最好地反映湖泊總面積的變化情況;2)雖然AI的變化同時取決于ETo與P的變化情況，但在青藏高原地區(qū)明顯受降水影響更大.據(jù)此，我們推測，在受人為因素影響較小的青藏高原地區(qū)，降水量的變化是導致該區(qū)湖泊面積發(fā)生變化的主要驅(qū)動因子.

4 結(jié)論

本文主要利用RS和GIS技術(shù)，從遙感影像(地形圖)中提取出青藏高原內(nèi)面積大于10 km2的湖泊面積信息，并對其在1970s-2010s時段內(nèi)的變化特征進行分析.同時，結(jié)合近40年青藏高原地區(qū)的氣候變化情況，初步探討了影響青藏高原湖泊面積變化的主要原因.通過分析，我們得到以下結(jié)論:

1)青藏高原面積大于10 km2的湖泊有417個，這些湖泊大多為面積10～100 km2的小型湖泊，空間上集中分布于西部地區(qū)，海拔上集中在4500～5000 m范圍內(nèi).

2)近40年來，青藏高原的湖泊總體上呈加速擴張趨勢，2000s-2010s時段是湖泊擴張最顯著的時期.

3)在變化差異上，北部地區(qū)的湖泊擴張程度最劇烈，其次是西部地區(qū)的湖泊，東部和南部地區(qū)的湖泊面積變化程度相對較小;面積小于100 km2的小型湖泊擴張最為劇烈;低海拔地區(qū)湖泊擴張劇烈.

4)近40年青藏高原氣候暖濕化程度明顯，氣候變化對湖泊面積變化影響顯著.在氣象要素中，降水量的變化是青藏高原湖泊面積變化的主要驅(qū)動因子.

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