謝詩怡，況潤元，宋子豪，2

（1.江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.中煤浙江測繪地理信息有限公司，杭州 310000）

0 引 言

湖泊是重要的天然水利資源，具有至關(guān)重要的生態(tài)和社會(huì)功能，包括調(diào)節(jié)徑流、蓄洪、農(nóng)業(yè)灌溉和生物多樣性保護(hù)等。水文節(jié)律是指湖泊水情周期性、有節(jié)律的變化［1］，其變化直接影響著流域內(nèi)旱澇災(zāi)害的加劇和減緩，長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測是水體研究的主要方向［2，3］。有研究表明，區(qū)域內(nèi)氣象變化對(duì)環(huán)境及水文有一定的影響作用。傳統(tǒng)非遙感方法主要是利用水文、氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如肖農(nóng)等［4］結(jié)合1960-2020年長系列水文資料研究氣候變化對(duì)鄱陽湖贛江流域不同子區(qū)域水文情勢(shì)的影響；謝坤等［5］基于1961-2017年的氣象數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)定量分析了鄱陽湖流域干旱的時(shí)空變化及影響因素。但鄱陽湖區(qū)范圍較大，站點(diǎn)數(shù)據(jù)難以反映湖泊整體情況，遙感技術(shù)以其監(jiān)測范圍廣、獲取信息量多等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于大面積湖泊研究，在長時(shí)間序列研究中，高時(shí)間分辨率的MODIS 影像更具優(yōu)勢(shì)，如劉海等［6］使用MODIS NDVI 數(shù)據(jù)集研究2000-2017年鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建成前后歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）變化與氣溫、降雨及人類活動(dòng)之間的關(guān)系；張敏［7］利用2000-2016年鄱陽湖流域的MODIS NDVI 數(shù)據(jù)集和氣象數(shù)據(jù)分析流域內(nèi)植被變化時(shí)空特征及對(duì)氣象要素的響應(yīng)特征。

這些研究揭示了氣象因素對(duì)鄱陽湖水文情況影響情況，但由于水文和氣象序列變化較為復(fù)雜，以上研究未能很好地反映出鄱陽湖水域面積對(duì)氣象因素突變及周期變化的響應(yīng)情況。本文利用2001-2020年Terra-MODIS 長時(shí)間序列反射率產(chǎn)品，基于歸一化植被指數(shù)對(duì)鄱陽湖水體進(jìn)行提取，結(jié)合M-K 檢驗(yàn)、小波分析、相關(guān)性分析等方法，探討其面積變化特征及對(duì)氣象因素的響應(yīng)，定量分析氣象與水文變化之間的相關(guān)性，不僅關(guān)乎流域的可持續(xù)發(fā)展，而且為科學(xué)有效的防治旱澇災(zāi)害和保護(hù)鄱陽湖提供參考依據(jù)，對(duì)鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖地處東經(jīng)115°50＇～116°44＇，北緯28°25＇～29°45＇（圖1），位于江西省北部，長江中下游的南岸，承納贛江、饒河、修水、信江和撫河等流域來水，經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長江，是一個(gè)過水性、吞吐型、季節(jié)性的湖泊。作為中國第一大淡水湖，鄱陽湖水系流域面積16.22 萬km2，約占長江流域面積的9%，是長江流域最大的天然洪水調(diào)蓄區(qū)，長江中下游重要的水生生態(tài)區(qū)，也是諸多候鳥的越冬棲息地。鄱陽湖在經(jīng)濟(jì)、旅游及生物多樣性保護(hù)方面有著極其重要的功能，維系著長江中下游的飲水和生態(tài)安全，是湖區(qū)人民賴以生存發(fā)展的重要區(qū)域。本文將研究期內(nèi)最大水域面積作為研究的范圍基準(zhǔn)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)與處理

本文采用MODIS 的三級(jí)反射率8 d 合成產(chǎn)品MOD09Q1 來進(jìn)行鄱陽湖水域范圍的提取和面積計(jì)算（數(shù)據(jù)下載地址：https：//earthdata.nasa.gov）。該產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過大氣校正，時(shí)間分辨率為8 d，空間分辨率為250 m，采用最大值合成8 d 內(nèi)基于高觀測覆蓋、低視角、無云及云的陰影和氣溶膠的影像數(shù)據(jù)。使用ENVI_Raster_Processing_Batch_Tools 處理工具對(duì)MODIS 影像批量進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，并裁剪研究區(qū)范圍。鄱陽湖每年有較長的時(shí)間被云覆蓋，需要對(duì)影像進(jìn)行篩選，排除被云干擾的數(shù)據(jù)，最終從2001-2020年共920 期影像中篩選出820 期數(shù)據(jù)用來反映鄱陽湖的水體面積和淹沒頻率變化。此外，從國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心和水利部收集了來自鄱陽湖區(qū)附近不同方位的4個(gè)站點(diǎn)——九江站、南昌站、廬山站、鄱陽站2001-2019年降雨量、氣溫、相對(duì)濕度和水汽壓等的氣象數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 水體提取方法

采用歸一化植被指數(shù)NDVI閾值法來進(jìn)行MODIS 影像水體的提取，計(jì)算公式為：

式中：BandNIR表示近紅外波段；BandRed表示紅光波段。

一般來講，水體的NDVI值通常小于0，而鄱陽湖水體部分區(qū)域受到水生植物的影響，NDVI閾值往往會(huì)略高于0，且不同季節(jié)取值不同，因此閾值的選取需要反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。本文通過對(duì)比MODIS 水體范圍像元與ISODATA 非監(jiān)督分類得到的水體范圍，參考其他學(xué)者研究經(jīng)驗(yàn)［8］，反復(fù)試驗(yàn)選定閾值，使得每期影像的水體提取結(jié)果盡可能準(zhǔn)確。經(jīng)試驗(yàn)，最終選定1-4月和11-12月的NDVI閾值為0.05，5-6月及10月的NDVI閾值為0.1，7-9月的NDVI閾值為0.15。將水域面積提取結(jié)果與部分學(xué)者研究成果對(duì)比［9，10］，面積變化趨勢(shì)及高低起伏情況大致相似。

1.3.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall 檢驗(yàn)是氣候和水文學(xué)研究中常用的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，可以定量的說明序列趨勢(shì)的變化，且無需對(duì)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行特定的分布檢驗(yàn)。本文用其分析各因子突變時(shí)間和總體變化趨勢(shì)。其原理如下［11］：

對(duì)于時(shí)間序列數(shù)據(jù)Xn，構(gòu)造xj＜xi（i≥j≥1）的累積樣本數(shù)序列dk：假定時(shí)間序列是隨機(jī)獨(dú)立的，從而定義統(tǒng)計(jì)量：

其中，累計(jì)數(shù)dk的均值和方差分別為：

UFk是按時(shí)間序列順序x1，x2，…，xn計(jì)算出來的統(tǒng)計(jì)量序列。再將時(shí)間序列Xn逆序重排，重復(fù)上述步驟，并將計(jì)算結(jié)果乘以-1，得到序列UBk。給定顯著性水平α（本研究取α=0.05，Uα=±1.96），若|UFi|＞Uα，則序列存在顯著趨勢(shì)變化。若UFk=UBk，且|UFk|＜|Uα|，則k點(diǎn)即為突變點(diǎn)。

1.3.3 小波分析

小波分析法可以有效地反映序列多尺度時(shí)間特征［12］，在水文方面應(yīng)用有利于理解復(fù)雜的水文過程。采用Morlet小波分析檢驗(yàn)鄱陽湖水域面積及氣象因素變化周期，公式如下［13，14］：

式中：a是時(shí)間尺度因子；b是時(shí)間位置因子；Wf(a，b)為小波系數(shù)；Var(a)為小波方差；Ψˉ[(t-b)/a]為基小波函數(shù)。

1.3.4 相關(guān)性分析

相關(guān)系數(shù)可以定量地衡量兩組變量間的相關(guān)關(guān)系，本文采用Pearson 相關(guān)系數(shù)和Spearman 相關(guān)系數(shù)分析鄱陽湖水域面積與氣象因素間可能存在的相互關(guān)系。

Pearson相關(guān)系數(shù)常用于評(píng)估兩個(gè)連續(xù)變量間的相關(guān)性，計(jì)算公式如下［15］：

式中：r為相關(guān)系數(shù)值；xi和yi分別為變量x和變量y所對(duì)應(yīng)的不同數(shù)值；和分別為變量x和變量y的平均數(shù)；n為變量個(gè)數(shù)。

Spearman 相關(guān)系數(shù)又稱為等級(jí)相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式如下［16］：

式中：rs相關(guān)系數(shù)；di為兩變量每一對(duì)樣本的等級(jí)之差；n為變量個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄱陽湖水域面積變化特征

通過NDVI指數(shù)法，從2001-2020年篩選出的820期MODIS數(shù)據(jù)中提取出水域面積數(shù)據(jù)。圖2為鄱陽湖20年水域面積的時(shí)間變化，橫坐標(biāo)為MODIS影像年內(nèi)時(shí)間序列，縱坐標(biāo)為年份，圖中圓圈大小表示水域面積大小，空缺部分為異常影像統(tǒng)計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失，該圖可大體反映鄱陽湖20年水域面積在時(shí)間序列變化。

圖2 2001-2020年鄱陽湖水域面積Fig.2 Water area of Poyang Lake from 2001 to 2020

從多年水域面積變化情況可以看出，水域面積較大的時(shí)間集中在每年中期，年初和年末面積相對(duì)較小，表明鄱陽湖存在明顯的季節(jié)特征。湖面從4-5月份開始擴(kuò)張，6-9月份水域面積明顯增大，湖水在這段時(shí)間內(nèi)維持高水位；9月之后水域面積逐漸降低，進(jìn)入枯水期，直至次年3月，面積維持在較低水平。受到各種因素的影響，每一年的豐水期和枯水期的時(shí)間也不相同，豐水年份進(jìn)入豐水期的時(shí)間較早，進(jìn)入枯水期的時(shí)間較晚，高水位持續(xù)時(shí)間較長，例如2010年湖面面積從3月開始擴(kuò)張，至10月逐漸退水，豐水期時(shí)間跨度長且面積處于較高水平；干旱年份進(jìn)入豐水期時(shí)間較晚，進(jìn)入枯水期時(shí)間較早，高水位持續(xù)時(shí)間較短，例如2001、2011、2018年，豐水期特征較弱，年內(nèi)大部分時(shí)間水域面積處于偏低水平。進(jìn)一步對(duì)比不同年份的豐水期和枯水期時(shí)間變化發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖從2003年開始枯水季的持續(xù)時(shí)間逐漸呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)。

鄱陽湖水域面積最小值在2001-2008年間顯著下降，20年內(nèi)最小水域面積出現(xiàn)在2006年10月，為688.25 km2，最大水域面積出現(xiàn)在2016年7月，為3 267.44 km2，平均值在2010-2012年出現(xiàn)強(qiáng)烈震蕩，這三年為旱澇急轉(zhuǎn)年，此外在枯水特征較強(qiáng)的2018年也有大幅下降；從標(biāo)準(zhǔn)差變化情況可以看出，20年間除2010-2012年和2018年這類豐枯特征明顯的年份存在顯著波動(dòng)外，其他年份面積標(biāo)準(zhǔn)差整體呈弱增加，表明年內(nèi)水域面積高低落差有小幅增大。三峽水利工程自2003年投入使用，之后分別在2006、2008年曾兩次提高蓄水水位，每年4-6月放水為蓄水期做準(zhǔn)備，10月左右大量蓄水，在長江與鄱陽湖相互作用下［17］，鄱陽湖豐水期水量增加，枯水期水量減少，夏季湖面面積最大時(shí)可到達(dá)冬季的4倍。鄱陽湖水域面積最值和平均值在7月最大，平均值可達(dá)2 500 km2以上；年內(nèi)水域面積標(biāo)準(zhǔn)差偏大的時(shí)期為5月和9-10月，分別為鄱陽湖的漲水期和退水期。

用2001-2020年鄱陽湖水面面積時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行M-K 檢驗(yàn)，結(jié)果顯示20年中鄱陽湖水域面積整體呈下降趨勢(shì)，在2001-2003年中UF曲線震蕩較為劇烈，變化趨勢(shì)不穩(wěn)定，隨后產(chǎn)生突變，2004年起UF曲線長期處于0 值以下，鄱陽湖水域面積呈下降趨勢(shì)，尤其是在2007-2009年和2011年期間水域面積顯著降低，其中2010年UF曲線急劇上升隨后在2011年下降，是由于2010-2012年為旱澇急轉(zhuǎn)年，在2010年的大洪水過后，2011年長江中下游地區(qū)遭遇了建國以來較為嚴(yán)重的干旱，2015年后下降趨勢(shì)有所減緩。

圖3 2001-2020年鄱陽湖水域面積變化特征Fig.3 Variation characteristics of Poyang Lake water area from 2001 to 2020

圖4 2001-2020年鄱陽湖水域面積M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig.4 M-K mutation test results of Poyang Lake water area from 2001 to 2020

鄱陽湖水域面積小波方差圖中存在3個(gè)較為明顯的峰值分別位于時(shí)間尺度18個(gè)月（約1.5 a）左右、30～50個(gè)月（約2.5～4 a）和70～90 個(gè)月（約6～7.5 a）上，其中最大峰值對(duì)應(yīng)18 個(gè)月（約1.5 a）左右時(shí)間尺度，為20年內(nèi)鄱陽湖水域面積變化的主周期，表明其在18個(gè)月（約1.5 a）左右震蕩最強(qiáng)；30～50個(gè)月（約2.5～4 a）和70～90 個(gè)月（約6～7.5 a）時(shí)間尺度的峰值為鄱陽湖水域面積變化的次周期。水域面積在70～90 個(gè)月（約6～7.5 a）時(shí)間尺度上存在4 次完整的大小變化周期，在整個(gè)研究時(shí)域上變化較為穩(wěn)定；30～50 個(gè)月（約2.5～4 a）時(shí)間尺度存在多個(gè)面積大小交替周期，在140 個(gè)月（約2012年）后開始變化雜亂，規(guī)律性較差；在18月（約1.5 a）左右時(shí)間尺度等值線密集表明信號(hào)較強(qiáng)，存在若干個(gè)穩(wěn)定變化周期，反映出鄱陽湖水域季節(jié)變化明顯。

圖5 2001-2020年鄱陽湖水域面積小波分析結(jié)果Fig.5 Wavelet analysis results of water area of Poyang Lake from 2001 to 2020

2.2 鄱陽湖水面面積影響因子分析

2.2.1 鄱陽湖區(qū)域氣象變化特征

將4 個(gè)氣象站點(diǎn)獲得的各氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，分別得到鄱陽湖區(qū)域的降雨量、氣溫、相對(duì)濕度和水汽壓的月序數(shù)據(jù)，進(jìn)行突變檢驗(yàn)。降雨量與相對(duì)濕度變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)存在部分相似，2001-2003年間，二者變化趨勢(shì)均不夠穩(wěn)定，2004-2012年間降雨量整體呈非顯著下降（P＞0.05），在2013年左右發(fā)生突變，2015年之后非顯著上升，相對(duì)濕度自2003年后呈下降趨勢(shì)，尤其是在2004-2013年間下降顯著（P＜0.05），2015年發(fā)生突變后變化趨勢(shì)轉(zhuǎn)為上升。氣溫與水汽壓UF曲線形態(tài)高度相似，季節(jié)性波動(dòng)較強(qiáng)，但變化趨勢(shì)不盡相同，氣溫在研究時(shí)期內(nèi)大部分時(shí)段變化呈非顯著增加，而水汽壓在2005-2014年中較長時(shí)期呈非顯著減少。

小波方差圖中顯示，降雨量變化主周期在時(shí)間尺度18個(gè)月（約1.5 a）左右，同時(shí)存在35～50 個(gè)月（約3～4 a）左右和75～90 個(gè)月（約6～7.5 a）左右的次周期，變化周期整體上與水面面積相一致；此外氣溫和水汽壓變化周期也存在相似，二者都與水面面積有相同的變化主周期在18個(gè)月（約1.5 a）左右，還存在110個(gè)月（約9 a）左右時(shí)間尺度的次周期；相對(duì)濕度的小波方差圖中僅在110個(gè)月（約9 a）左右存在一個(gè)峰值，為其變化主周期。從小波系數(shù)實(shí)部等值線可以看出，鄱陽湖區(qū)域降雨量、氣溫、水汽壓在第一主周期18 個(gè)月（約1.5 a）尺度上周期變化非常穩(wěn)定且密集，并且與鄱陽湖水面面積高-低變規(guī)律表現(xiàn)出高度一致，降雨量35～50 個(gè)月（約3～4 a）左右和75～90 個(gè)月（約6～7.5 a）左右的次周期上存在的高-低轉(zhuǎn)換較為紊亂，周期性弱；氣溫、水汽壓、相對(duì)濕度在110 個(gè)月（約9 a）左右尺度上出現(xiàn)高-低交替的3 個(gè)完整周期，三者產(chǎn)生周期交替的時(shí)間也基本相同；各氣象因素在主周期上變化顯著且穩(wěn)定，具有全域性。

圖6 2001-2019年鄱陽湖區(qū)域氣象因子M-K檢驗(yàn)結(jié)果Fig.6 M-K test results of meteorological factors in Poyang Lake region from 2001 to 2019

圖7 2001-2019鄱陽湖區(qū)域降雨量小波分析結(jié)果Fig.7 Wavelet analysis results of rainfall of Poyang Lake from 2001 to 2019

2.2.2 鄱陽湖水面面積與氣象因素的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果能反映數(shù)據(jù)之間的相關(guān)密切程度。豐水期中4-6月鄱陽湖水量最大，向長江大量注水；7-9月長江中上游水位升高，對(duì)鄱陽湖存在頂托和倒灌作用。根據(jù)不同水情下表現(xiàn)的水文特征差異，將對(duì)鄱陽湖水面面積與氣象因素的相關(guān)性研究分為5 個(gè)時(shí)間段：全年（1-12月）、枯水期（10月-次年3月）、豐水期（4-9月）、豐水期前期（4-6月）和豐水期后期（7-9月）。從對(duì)全年數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析結(jié)果中看，鄱陽湖水面面積與降雨量、氣溫、相對(duì)濕度、水汽壓皆呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），Spearman 相關(guān)性結(jié)果與Pearson 相關(guān)性結(jié)果一致。由于Pearson相關(guān)系數(shù)不適用于評(píng)估非連續(xù)數(shù)據(jù)，在對(duì)不同研究時(shí)期單獨(dú)分析時(shí)采用Spearman 相關(guān)系數(shù)計(jì)算。結(jié)果顯示，降雨量在各研究時(shí)期與水面面積都存在顯著正相關(guān)（P＜0.01），且相關(guān)程度較其他因素更高；相對(duì)濕度在不同時(shí)期與面積具有不同程度的正相關(guān)，與降雨量一樣，同樣在枯水期相關(guān)程度更高；氣溫和水汽壓與水面面積的相關(guān)性變化具有同步性，枯水期其相關(guān)性均不顯著（P＞0.05），但在豐水期相反，其中豐水期前期的相關(guān)程度高于整個(gè)豐水期；豐水期后期各氣象因素與鄱陽湖水面面積的相關(guān)性都有所減弱。

圖8 2001-2019鄱陽湖區(qū)域氣溫小波分析結(jié)果Fig.8 Wavelet analysis results of temperature of Poyang Lake from 2001 to 2019

圖9 2001-2019鄱陽湖區(qū)域相對(duì)濕度小波分析結(jié)果Fig.9 Wavelet analysis results of relative humidity of Poyang Lake from 2001 to 2019

圖10 2001-2019鄱陽湖區(qū)域水汽壓小波分析結(jié)果Fig.10 Wavelet analysis results of water vapor of Poyang Lake from 2001 to 2019

鄱陽湖水量主要受出入湖徑流量的影響［18］，降雨量是影響徑流量變化的主要因素［19］，各個(gè)時(shí)期中降雨量均為鄱陽湖水域面積的重要影響因素。極端降水受氣溫升高影響一般先上升后下降［20］，在5-7月，極端降水主要集中于鄱陽湖流域北部和中部［21］，子流域受到較大影響，入湖徑流量增加。豐水期后期氣溫持續(xù)升高，極端降水減少，降雨量下降，鄱陽湖水域面積與降雨量之間相關(guān)性減弱。同時(shí)由于豐水期后期長江水量較大，對(duì)鄱陽湖存在頂托作用，湖內(nèi)水量受到長江水量影響，此時(shí)水域面積對(duì)氣象因素響應(yīng)減弱。

表1 鄱陽湖水域面積與氣象因素相關(guān)性Tab.1 Correlation between water surface area of Poyang Lake and meteorological factors

3 結(jié) 論

湖泊動(dòng)態(tài)變化特征與氣象環(huán)境、人類活動(dòng)、江湖水量交換等因素密切相關(guān)，本文采用MODIS影像數(shù)據(jù)提取鄱陽湖水面面積，分析水域面積和氣象因素變化情況變化特征及規(guī)律，得到以下幾點(diǎn)主要研究結(jié)果。

（1）鄱陽湖存在明顯的豐-枯交替現(xiàn)象，每年豐、枯水期持續(xù)時(shí)間不完全相同，整體上看，2001-2020年間枯水期持續(xù)時(shí)間有一定程度的延長，年內(nèi)豐枯差異有弱增加。鄱陽湖水域面積在7月最大，12月至次年1月最小，豐水期面積可達(dá)到枯水期的4 倍，5月和9月至10月水體情況不穩(wěn)定，通常是鄱陽湖進(jìn)行豐枯變更的時(shí)期。

（2）鄱陽湖水域面積時(shí)序具有時(shí)間尺度18個(gè)月（約1.5 a）左右、30～50 個(gè)月（約2.5～4 a）和70～90 個(gè)月（約6～7.5 a）共3 個(gè)尺度的變化周期，與降雨量周期基本一致，其中主周期18個(gè)月（約1.5 a）還與氣溫、水汽壓主周期相同，水面面積變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)對(duì)降雨量和相對(duì)濕度存在響應(yīng)。

（3）在整個(gè)研究時(shí)期內(nèi)，鄱陽湖區(qū)域降雨、氣溫、相對(duì)濕度、水汽壓均與水域面積顯著相關(guān)，不同水情下氣象因素的作用效果有差異，降雨量是影響鄱陽湖水域面積變化的主要?dú)庀笠蛩亍?/p>

由于自然環(huán)境復(fù)雜，湖泊變化受到多種因素的影響。有研究證明［22-24］，鄱陽湖水文變化與出入湖徑流量、湖底地形變化、水利工程運(yùn)行等多種因素均存在一定聯(lián)系，此外人類活動(dòng)和土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化對(duì)水域范圍產(chǎn)生較大影響［25，26］，在后期的研究中，將多因素共同作用考慮進(jìn)去，對(duì)比各因素在水文變化中起到的貢獻(xiàn)程度，可以為鄱陽湖環(huán)境保護(hù)、生態(tài)管理提供更為切實(shí)可靠的參考依據(jù)。