拉巴 邊多 頓玉多吉 央美 張偉華 白瑪仁增

(1.西藏自治區(qū)氣候中心，西藏 拉薩 850001； 2.那曲市氣象局，西藏 那曲 852000)

引言

湖泊是陸表水的重要組成部分，水循環(huán)對(duì)于生活在陸地上的生命必不可少[1]。湖泊也是氣候與環(huán)境變化的敏感指示器[2]，揭示區(qū)域氣候變化特征的重要信息載體。青藏高原是地球上海拔最高的湖泊密集區(qū)域，也是諸多大江大河的發(fā)源地。青藏高原的湖泊面積占全國湖泊總面積的51.4%[3]。是兩極之外最大的冰雪儲(chǔ)存區(qū)，有“第三極”或“亞洲水塔”之稱，該區(qū)域有36800條冰川分布，總面積為49873 km2，總體積為4561 km3[4-6]。

近年來有關(guān)青藏高原湖泊的研究眾多[7-9]，研究結(jié)果均指出青藏高原湖泊面積整體上呈增加趨勢(shì)。閆立娟等[7]提取了青藏高原所有湖泊邊界信息，建立了青藏高原湖泊空間數(shù)據(jù)庫，指出1973—2010年，青藏高原湖泊個(gè)數(shù)和總面積呈顯著增加趨勢(shì)。1990—2015年青藏高原湖泊范圍整體上呈顯著擴(kuò)張趨勢(shì)，湖泊個(gè)數(shù)也逐年增加，表現(xiàn)為穩(wěn)定且持續(xù)擴(kuò)張趨勢(shì)。導(dǎo)致湖泊面積增大的主要因素是溫度的變化、冰雪融水量的擴(kuò)大以及降水量的增加[8]。閭利等[9]認(rèn)為自2000年以來青藏高原面積大于50 km2的138個(gè)湖泊整體擴(kuò)張趨勢(shì)顯著，其中，以冰川融水為主要補(bǔ)給來源的湖泊擴(kuò)張趨勢(shì)明顯，以地表徑流和河流補(bǔ)給為主要補(bǔ)給源的湖泊也呈擴(kuò)張態(tài)勢(shì)，受青藏高原氣候暖濕化影響，湖泊面積與氣候因素顯著相關(guān)。整體來看，氣溫主要影響以冰川融水為補(bǔ)給來源的湖泊，降水量主要影響以降水和地表徑流為補(bǔ)給來源的湖泊。董斯揚(yáng)等[10]認(rèn)為近40 a青藏高原湖泊面積大于10 km2的變化趨勢(shì)及差異性特征表現(xiàn)為加速擴(kuò)張趨勢(shì)，尤其是2000—2010年是擴(kuò)張最顯著的時(shí)段，并指出降水量的變化是青藏高原湖泊面積變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。車向紅等[11]發(fā)現(xiàn)2000—2013年青藏高原地區(qū)湖泊范圍整體上呈顯著的增大趨勢(shì)，而且湖泊面積逐月變化率均大于0，表明青藏高原湖泊面積整體增大，不屬于季節(jié)性擴(kuò)張。張?chǎng)蔚萚12]利用多源衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)，對(duì)扎日南木錯(cuò)1992—2012年水位動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)扎日南木錯(cuò)水位上漲了0.786 m。近年來藏北地區(qū)由于氣候變暖，引起氣溫升高、降水量增加、對(duì)該區(qū)域的湖泊、草地、冰川等生態(tài)系統(tǒng)的變化具有一定的影響[13-15]。綜上所述，研究青藏高原地區(qū)湖泊面積時(shí)空變化特征及原因，對(duì)認(rèn)識(shí)該區(qū)域氣候變化響應(yīng)具有重要的科學(xué)意義，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)和當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民放牧活動(dòng)具有一定的指導(dǎo)意義。

本文參考已有研究方法和成果，發(fā)現(xiàn)以往有關(guān)高原湖泊面積變化方面的研究，主要是利用人工數(shù)字化和水體指數(shù)法完成湖泊面積提取。第一種方法雖然精度較高，但不同的分析人員對(duì)于湖泊邊界的界定具有較大差別，工作效率也較低，特別是對(duì)于大型湖泊的數(shù)字化花費(fèi)的時(shí)間和精力更多，另外其方法具有一定的主觀性。湖泊水體信息的計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取方法，對(duì)水體及其他地物波譜特征利用水體指數(shù)進(jìn)行分析和比較，得出不同地物間的區(qū)別和變化特征。如1996年McFeeters[16]根據(jù)歸一化差值植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)的構(gòu)建方法提出歸一化水體指數(shù)NDWI(Normalized Difference Water Index)，即利用Landsat影像的綠光波段與近紅外光波段，進(jìn)行差值對(duì)比增強(qiáng)水體與其他地物的差別，該方法最大的特點(diǎn)在于能夠?qū)⑺w信息與植被信息進(jìn)行區(qū)分。徐涵秋等[17]在NDWI的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的水體指數(shù)—改進(jìn)型歸一化差分水體指數(shù)MNDWI(Modified Normalized Difference Water Index)，經(jīng)驗(yàn)證后得出MNDWI在混合有建筑像元信息的地物中提取水體具有較好的效果。此外，還有增強(qiáng)水體指數(shù)EWI(Enhanced Water Index)、新型水體指數(shù)NWI(New Water Index)等[18]。因此，本文主要利用水體指數(shù)法提取湖泊水域范圍，可以保證分析方法和精度的一致性，減少主觀因素的影響，研究效率較高，并能有效減小第一種方法造成的主觀誤差。在分析時(shí)段上，本文選擇了近31 a的衛(wèi)星影像資料，并且自2000年以后，選取了連續(xù)19 a的影像數(shù)據(jù)(至2018年)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

其香錯(cuò)位于32°24′—32°31′N、89°52′—90°04′E，又名氣香錯(cuò)、齊波江錯(cuò)(圖1)，在雙湖縣唐古拉山南坡一山間盆地內(nèi)。盆地外圍南、東岸高200 m以下、第三紀(jì)紅層質(zhì)低山，北岸為灰?guī)r質(zhì)低山，山前洪積扇寬1.0 km，分布兩級(jí)湖濱階地，分別高出現(xiàn)湖面7.0 m和14.0 m；濱湖西岸為寬1.0—2.0 km白色鹽堿沼澤，長有嵩草，是當(dāng)?shù)剌^好的牧場(chǎng)，地勢(shì)平坦。水位湖面海拔為4610.00 m，湖面長為18.1 km，最大寬為13.5 km，平均寬為8.23 km，面積為149.0 km2。岸線長為54.0 km，發(fā)育系數(shù)為1.26。集水面積為2639.00 km2，補(bǔ)給系數(shù)為16.7。湖水主要依賴地表徑流補(bǔ)給，主要入湖河流有戳潤曲、改來曲、色曲、夏龍曲、夏瑪納多曲等，以夏瑪納多曲最大，長61.0 km，源頭海拔高度為5415 m。泉水亦是湖泊的重要補(bǔ)給源，濱湖泉水廣泛出露，其中西北岸色哇區(qū)政府駐地的色哇泉水，穩(wěn)定流量0.004 m3·s-1，礦化度391.0 mg·L-1，總硬度8.4；西岸的另一泉水，由數(shù)十處極細(xì)的泉眼匯成面積300.0 m2的水塘，水深0.5—1.0 m，pH值7.0，塘水外泄入其香錯(cuò)，實(shí)測(cè)流量0.02 m3·s-1。湖水透明度1.95 m(水深3.9 m處)，表層水溫9.0 ℃，底層水溫5.8 ℃。pH值10.2，礦化度63.27 g·L-1。底質(zhì)為黑色淤泥(范云崎，1976年)[19]。

圖1 其香錯(cuò)地理位置Fig.1 The geographical location of Qixiangco lake

1.2 資料來源

本文使用Landsat-5 TM、Landsat-7 ETM+和Landsat-8 OLI_TIRS，數(shù)據(jù)來源于地理空間云(http：//www.gscloud.cn)網(wǎng)站。影像獲取時(shí)間Landsat影像為1988年、1993年、1994年和2000—2018年，軌道號(hào)為(139/38)；由于研究區(qū)域在9—11月降水量較少，且無云和少云，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，湖泊水域面積較穩(wěn)定，基本滿足研究分析需求，有利于提取湖泊面積進(jìn)行分析，因此，大部分影像時(shí)間選擇了該時(shí)段數(shù)據(jù)，個(gè)別年份由于天空狀況或衛(wèi)星未過境，影像時(shí)段上可能會(huì)有所差別。

氣象數(shù)據(jù)選取了離湖泊較近的申扎、安多和班戈縣氣象站1988—2018年的年降水量、年平均氣溫和年平均蒸發(fā)量，以及安多縣氣象站多年最大凍土深度，研究分析湖泊面積與氣候變化響應(yīng)關(guān)系。

1.3 研究方法

1.3.1 衛(wèi)星資料處理方法

Landsat影像的預(yù)處理使用ENVI軟件完成，處理過程包括輻射定標(biāo)、正射校正、幾何校正和數(shù)據(jù)重采樣以及波段運(yùn)算(表1)。

表1 研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)源Table 1 Remote sensing image data source of the study area

水體提取方法本文比較了已有方法的適用性，結(jié)合本文研究區(qū)特點(diǎn)，選取了修正的歸一化水體指數(shù)MNDWI提取水體信息，計(jì)算公式如下：

MNDWI=(Green-SWIR)/(Green+SWIR)

(1)

式(1)中，Green為綠光波段反射率；SWIR為短波紅外波段反射率；分別對(duì)應(yīng)Landsat-5和Landsat-7的波段2和波段5、Landsat-8的波段3和波段6。

1.3.2 氣象資料處理方法

氣象要素主要包括年平均氣溫、年降水量、年平均蒸發(fā)量和年最大凍土深度，上述任一要素可用y表示，y的長期趨勢(shì)變化可用一元線性回歸方法獲得[20-23]，表達(dá)式如下：

y=ax+b

(2)

式(2)中，x表示年代序號(hào)；b為常數(shù)項(xiàng)；a為線性趨勢(shì)項(xiàng)，a的值表示氣象要素上升或下降趨勢(shì)。趨勢(shì)項(xiàng)a×10，稱為氣候傾向率。

2 結(jié)果分析

2.1 湖泊水體面積提取

利用NDWI和MNDWI分別提取2010年7月15日其香錯(cuò)湖泊水體信息可以發(fā)現(xiàn)(圖2)，兩種水體指數(shù)提取的湖泊水體信息基本一致，特別是對(duì)于湖泊邊界的提取兩種方法沒有明顯的差別，主要差別在于湖泊邊緣的沼澤水域區(qū)，將兩種方法與人工數(shù)字化解譯結(jié)果比較，MNDWI誤差為0.47%，NDWI誤差為1.14%，對(duì)于水體判識(shí)閾值，由水體指數(shù)直方圖可知(圖2c)，當(dāng)水體指數(shù)大于0.4時(shí)，可以區(qū)分水域與其他地表信息，提取效果最好，因此將該值作為湖泊水域范圍閾值。

圖2 2010年7月15日其香錯(cuò)湖泊水體指數(shù)NDWI≥0.4(a)、MNDWI≥0.4(b)提取結(jié)果、水體判別(c)和Landsat-7 合成影像(d)Fig.2 Extraction results of water body index i.e.NDWI≥0.4(a) and MNDWI≥0.4(b),water discriminant (c) and synthetic imagery (d) in Qixiangco lake on July 15,2010

2.2 湖泊面積時(shí)空變化

其香錯(cuò)位于那曲市雙湖縣東部的巴鄰鄉(xiāng)境內(nèi)，利用1988—2018年20期Landsat陸地資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析湖泊水域面積變化表明(圖3)，近31 a湖泊水域面積呈顯著增長趨勢(shì)(R2=0.88，P<0.001)，31 a內(nèi)增長了33.37 km2，增長率為18.03%；其中2014年湖泊面積達(dá)到最大值187.48 km2，1988年達(dá)到最小值為151.74 km2。與1988年比較，2000年湖泊面積增長了5.84 km2，增長率為3.71%，2000—2010年湖泊面積增長了24.78 km2，增長率為13.59%。2010—2018年湖泊面積增長了2.75 km2，增長率為1.49%。

圖3 1988—2018年其香錯(cuò)面積變化Fig.3 The variation trend of Qixiangco lake area from 1988 to 2018

從湖泊面積空間變化上分析，其香錯(cuò)在近31 a內(nèi)水域面積顯著增大，湖泊面積不斷向四周擴(kuò)展，其中在東西方向和北部變化尤為顯著(圖4和圖5)。1988年與2000年比較，湖泊面積增大區(qū)域主要在東北和西南部，其他區(qū)域湖泊水域范圍變化不大，到2008年時(shí)，湖泊面積繼續(xù)保持增大趨勢(shì)，且仍然以東西兩側(cè)的擴(kuò)張占主導(dǎo)，另外在湖泊北部和南部出現(xiàn)了新的擴(kuò)張區(qū)，從多年動(dòng)態(tài)變化影像上看(圖6)，2002開始湖泊向南北擴(kuò)張，2006年湖泊邊界擴(kuò)大較為顯著，2008持續(xù)擴(kuò)張、2018年達(dá)到最大。

圖4 1988—2018年其香錯(cuò)面積變化空間分布Fig.4 The spatial distribution of the variation of the Qixiangco lake area from 1988 to 2018

衛(wèi)星影像為2018年圖5 1988—2018年其香錯(cuò)湖泊面積局部放大圖Fig.5 Maps of local magnification of Qixiangco lake area from 1988 to 2018

矢量數(shù)據(jù)年份分別為1988年、1994年、2000—2004年、2006—2012年、2015年、2018年，衛(wèi)星影像年份為2018年圖6 其香錯(cuò)湖泊水域面積矢量與影像疊加結(jié)果Fig.6 The superposition result of Qixiangco lake area vector and image

2.3 氣候因子的變化特征

利用湖泊周邊的申扎、安多和班戈縣氣象站1988—2018年年降水量數(shù)據(jù)分析氣象因子的變化趨勢(shì)可知(圖7a)，近31 a來區(qū)域年降水量波動(dòng)變化較大，總體上呈不顯著增加趨勢(shì)(R2=0.03)，增長率為

1.26 mm/10 a，31 a平均年降水量達(dá)到384.88 mm，其中，2015年3站平均年降水量只有184.2 mm，低于平均值200.68 mm，為31 a內(nèi)最低值，2008年年降水量達(dá)到31 a最大值504.03 mm，高出平均值119.15 mm。

從湖泊周邊站年平均氣溫變化分析(圖7b)可知，年平均氣溫呈波動(dòng)性變化態(tài)勢(shì)，總體上呈顯著增大趨勢(shì)(R2=0.45，P<0.01)，增長率為0.49 ℃/10 a。31 a年平均氣溫為-0.48 ℃，其中，1997年3站年平均氣溫只有-2.77 ℃，低于平均值2.29 ℃，為31 a內(nèi)最低值，2009年年平均氣溫達(dá)到31 a最大值0.48 ℃，高出平均值0.95 ℃。

圖7 其香錯(cuò)湖泊周邊氣象站年降水量(a)、年平均氣溫(b)、年平均蒸發(fā)量(c)、年平均最大凍土深度(d)變化Fig.7 Variation tendencies of annual precipitation(a),average annual temperature(b),average annual evaporation(c),and annual mean maximum frozen soil depth (d) at weather stations around Qixiangco lake from 1988 to 2018

蒸發(fā)量作為另一個(gè)影響湖泊水域面積變化的重要?dú)庀笠蛩?，分?988—2017年申扎縣、安多縣和班戈縣的年平均蒸發(fā)量變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，近30 a內(nèi)，研究區(qū)蒸發(fā)量呈波動(dòng)性顯著減小趨勢(shì)(R2=0.44，P<0.01)，減小率為1.07 mm/10 a。30 a年平均蒸發(fā)量為150.31 mm，其中，最低值為1997年的126.85 mm，低于平均值23.46 mm，為30 a內(nèi)最低，1994年年平均蒸發(fā)量達(dá)到30 a最大值174.37 mm，高出平均值24.06 mm(圖7c)。

由于湖泊所在區(qū)域?qū)俨乇备吆０蔚貐^(qū)，分布有大面積的高原凍土層，在這種暖濕型氣候變化影響下，近年來藏北地區(qū)凍土層深度也發(fā)生著顯著變化。此處針對(duì)安多縣多年最大凍土深度進(jìn)行分析(圖7d)，近30 a安多縣年平均最大凍土深度呈顯著減小趨勢(shì)(R=0.78，P<0.001)，減小率為34.6 cm/10 a。30 a年平均值為127.68 cm，其中，2016年凍土深度只有66.58 cm，低于平均值61.1 cm，為30 a內(nèi)最低值，1998年凍土深度達(dá)到30 a最大值182.25 cm，高出平均值54.57 cm。

2.4 湖泊變化成因分析

本文研究得出近31 a來其香錯(cuò)湖泊面積顯著增加。其結(jié)論與文獻(xiàn)[24]中指出的2000—2016年其香錯(cuò)湖泊面積呈顯著增長趨勢(shì)(R=0.81)，年增長率為1.66 km2/a，且該湖泊屬于河流補(bǔ)給型，兩者的研究結(jié)果基本一致。分析其面積變化的原因主要考慮以下幾個(gè)方面：首先，從其香錯(cuò)所處流域的河流水源分布來看，補(bǔ)給河流集中分布于北部和東西兩側(cè)，另外追溯河流水源及水體的流向可知，在東北方向發(fā)育有格拉丹東冰川，近年來該冰川在氣候變化影響下，面積顯著減小[25]，1992—2009年面積共減少66.68 km2(減少率為7.37%)。研究指出[26-28]，1973年以來的近40 a格拉丹東冰川總面積減少95.33 km2，年均減少2.65 km2。從冰川變化趨勢(shì)來看，其香錯(cuò)水域面積增長有一部分應(yīng)該來源于冰川融水的補(bǔ)給。其次，從周邊氣象站氣溫、降水量、蒸發(fā)量和最大凍土深度等變化趨勢(shì)分析，湖泊面積增大的另一個(gè)因素與湖泊所在區(qū)域氣候因素有著密切關(guān)系。利用2000—2018年連續(xù)19 a的其香錯(cuò)湖泊面積與周邊氣象站氣溫、降水量、蒸發(fā)量和最大凍土深度的相關(guān)分析可知，氣溫和最大凍土深度與湖泊面積的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.68(P<0.001)和-0.69(P<0.001)，與降水量和蒸發(fā)量相關(guān)性較弱相關(guān)系數(shù)分別為-0.16和-0.22，未通過顯著性檢驗(yàn)，即區(qū)域升高的氣溫，導(dǎo)致凍土和流域上游水源地冰川的加速融化的共同作用下，引起湖泊徑流補(bǔ)給的水源增加，使得湖泊本身的水容量增大，最終導(dǎo)致湖泊面積增長。

圖8 其香錯(cuò)湖泊面積與年平均氣溫(a)、最大凍土深度(b)的散點(diǎn)圖Fig.8 The scatter plot between Qixiangco lake area and annual mean air temperature (a) and maximum depth of frozen soil (b)

3 結(jié)論

(1)1988—2018年其香錯(cuò)湖泊水域面積呈顯著增長趨勢(shì)(R2=0.88，P<0.001)，31 a內(nèi)增長了33.37 km2，增長率為18.03%。從空間變化上看，其香錯(cuò)湖泊面積不斷向四周擴(kuò)展，特別是東西部和北部擴(kuò)張較顯著。

(2)近31 a來，湖泊區(qū)域年降水量呈波動(dòng)變化，增長趨勢(shì)不顯著(R2=0.03)；年平均蒸發(fā)量呈波動(dòng)性顯著減小趨勢(shì)(R2=0.44，P<0.01)；年平均最大凍土深度呈顯著減小趨勢(shì)(R2=0.78，P<0.001)。

(3)氣溫的持續(xù)上升，蒸發(fā)量的減少，以及凍土層和湖泊流域上游冰川融水是湖泊水域面積增大的主要原因。