基于湖泊面積的中國五大淡水湖旱澇急轉(zhuǎn)分析

繩夢雅+杜帥+印琪

摘 要：本文以中國五大淡水湖為研究對象，利用遙感監(jiān)測五大淡水湖的湖泊面積，分析五大淡水湖的旱澇急轉(zhuǎn)氣候特征。研究結(jié)果表明：受湖泊降水和湖泊岸線的影響，五大湖泊夏季湖泊面積變化之間具有差異性，鄱陽湖和洞庭湖的面積變化最為明顯；氣候變化導(dǎo)致的旱澇急轉(zhuǎn)是導(dǎo)致湖泊面積變化的重要原因之一，通過湖泊面積變化特征在一定程度上能夠反映湖泊的旱澇急轉(zhuǎn)情況。

關(guān)鍵詞：旱澇急轉(zhuǎn)；五大淡水湖；湖泊面積；遙感

近年來，氣候變化引起的旱澇異常越來越引起人們的重視，旱澇異常主要分為旱澇急轉(zhuǎn)和旱澇并存兩種，其中旱澇并存又由不同周期尺度的旱澇急轉(zhuǎn)所構(gòu)成[1]。由于旱澇急轉(zhuǎn)造成的災(zāi)害趨于嚴(yán)重，當(dāng)前立足于夏季平均降水異常和季節(jié)內(nèi)降水異常兩方面對旱澇急轉(zhuǎn)演變規(guī)律和成因已有大量研究[2-4]。這些研究大多通過氣象數(shù)據(jù)分析流域的旱澇急轉(zhuǎn)氣候特征。湖泊作為揭示全球氣候變化與區(qū)域響應(yīng)的重要信息載體，對區(qū)域氣候變化的響應(yīng)十分敏感，其面積變化在一定程度上能夠反映該區(qū)域旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象。遙感技術(shù)以其實(shí)時性、周期性、宏觀性及綜合性等特點(diǎn)為湖泊水體面積的準(zhǔn)確快速監(jiān)測提供了可能。因此，本文利用遙感監(jiān)測中國五大淡水湖的湖泊面積，通過1985-2015年間夏季湖泊面積變化研究五大淡水湖的旱澇急轉(zhuǎn)，以期為五大淡水湖的旱澇災(zāi)害防御和水資源管理提供重要的參考價值。

1.研究區(qū)概況

中國五大淡水湖主要分布在長江中下游平原、淮河中下游 [6]。鄱陽湖是吞吐型、季節(jié)性淡水湖泊，位于長江中、下游交界處的南側(cè)。洞庭湖是長江中游重要吞吐湖泊，屬于構(gòu)造湖，跨湘、鄂兩省。太湖橫跨江、浙兩省。洪澤湖屬于淺水湖泊，位于江蘇省。巢湖位于安徽省中部。

2.數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1.數(shù)據(jù)來源

利用Landsat遙感影像解譯水體可用于湖泊面積監(jiān)測，本文采用的數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//www.gscloid.cn），包括Landsat4-5（TM、MSS）、Landsat7（ETM+）、Landsat8（OLI_TRIS）三種數(shù)字產(chǎn)品，數(shù)據(jù)空間分辨率為30m。在各湖泊研究時間段（1985-2015年）內(nèi)，選取同年份夏季5-6月、7-8月各一景較清晰（無云或少云）的影像。降水?dāng)?shù)據(jù)為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的《中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集》，選用五大淡水湖周圍氣象臺站（波陽、岳陽、吳縣東山、盱眙、巢湖）1985-2015年的降雨量月值數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

本文采用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)法（MNDWI）建立水體信息提取模型[7-9]，經(jīng)過多次試驗(yàn)確定水體提取的合理閾值范圍，提取水體信息。對湖泊邊界進(jìn)行矢量化以便于計(jì)算湖泊面積，邊界內(nèi)的所有面積均算作湖泊面積（包括水面面積、島嶼面積、灘地面積和圍墾面積）。

根據(jù)各湖泊所處流域的水文氣象特點(diǎn)，本文定義夏季汛期時間為5-8月份，長周期旱澇急轉(zhuǎn)下旱和澇的時間尺度均在2個月左右。通過五大淡水湖夏季前、后兩景遙感影像提取出來的湖泊面積可反映夏季湖泊面積的變化情況。本文通過夏季湖泊面積的相對變化指標(biāo)衡量旱澇急轉(zhuǎn)程度，定義了基于湖泊面積的旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)LACI： 。式中：A1、A2分別表示從同年份前后兩景遙感影像中提取的湖泊面積，該指數(shù)以百分?jǐn)?shù)的形式表示，其絕對值在一定程度上反映旱澇急轉(zhuǎn)的強(qiáng)度，指數(shù)的符號反映旱澇急轉(zhuǎn)的兩種現(xiàn)象。

3.驗(yàn)證與分析

3.1.五大湖面積變化對比

五大湖泊之間的湖泊面積變化具有明顯的差異性，鄱陽湖、洞庭湖的湖泊面積變化相對于太湖、洪澤湖、巢湖三個湖泊的面積變化更為明顯。湖泊面積受氣候變化和人類活動兩方面的影響。由于難以對人類活動這一影響因素進(jìn)行定量分析[10-11]，我們主要對氣候變化引起的五大湖泊面積變化的差異性進(jìn)行討論。湖泊的面積變化主要受降水的影響，與其呈正相關(guān)的關(guān)系。五大湖泊由于地理位置的不同導(dǎo)致年降水量有所差異。鄱陽湖、洞庭湖、太湖、巢湖位于長江流域中下游地區(qū)，對比四個湖泊之間的多年平均降水，鄱陽湖降水量最多，達(dá)1629.77mm，洞庭湖的降水量高于太湖，但是二者之間相差較少。洪澤湖位于淮河流域，降水量最少。

3.2 五大湖旱澇急轉(zhuǎn)分析

本文定義基于湖泊面積變化的|LACI|大于30%時，為明顯的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象，|LACI|大于100%時，為嚴(yán)重的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象。對比圖2中五大湖泊的LACI指數(shù)，鄱陽湖1989、2004、2015年LACI指數(shù)為負(fù)，表現(xiàn)為“澇轉(zhuǎn)旱”現(xiàn)象，其中1989年、2015年|LACI|均超過了50%。洞庭湖夏季內(nèi)湖泊面積以2007年、2011年變化最為顯著，其LACI指數(shù)分別高達(dá)446.19%、201.28%，說明在這兩個年份中發(fā)生了嚴(yán)重的“旱轉(zhuǎn)澇”現(xiàn)象。洪澤湖、太湖、巢湖三個湖泊的LACI指數(shù)絕對值均低于10%，其湖泊面積出現(xiàn)了一定程度的變化，但是并無明顯的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在不考慮湖泊局部變化的情況下，可以將其視為正常年份。

湖泊面積變化還與湖泊所處地形、湖泊周長等多種非氣候因素相關(guān)。我們計(jì)算了五大湖泊的MSI形狀指數(shù)，指數(shù)越大，其湖泊岸線越曲折多變，越容易引起湖泊面積的變化[12-13]。鄱陽湖的MSI指數(shù)最高，高達(dá)9.86，其他四個湖泊的指數(shù)介于1.5-4之間，無較大差異性，洞庭湖、洪澤湖的MSI指數(shù)略高于太湖和巢湖。綜合五大湖泊的多年平均降水和MSI形狀指數(shù)兩個指標(biāo)進(jìn)行分析，鄱陽湖降水量偏多、湖泊岸線極不規(guī)則，容易由湖泊面積的變化表現(xiàn)出旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象。洞庭湖僅次于鄱陽湖，其明顯的湖泊面積變化主要由湖泊岸線不規(guī)則導(dǎo)致。而太湖、洪澤湖、巢湖三個湖泊由于年降水偏少、湖泊岸線相對規(guī)則，并未反映出明顯的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

為了對LACI指數(shù)的可靠性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，分別選取5個高、低|LACI|湖泊年份將各湖泊LACI指數(shù)與吳志偉[3]定義的長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)LDFAI對比，太湖、洪澤湖、巢湖對應(yīng)的LDFAI指數(shù)絕對值均為較小值，而鄱陽湖、洞庭湖則明顯對應(yīng)于較高的LDFAI指數(shù)絕對值。然而，兩種指數(shù)并沒有呈現(xiàn)出很好的相關(guān)關(guān)系，兩種指數(shù)在洞庭湖2007年、2011年分別表現(xiàn)為不同的旱澇急轉(zhuǎn)情況。一方面原因在于LDFAI指數(shù)只考慮了夏季5-8月份降水的變化特征，而夏季的旱澇情況在一定程度上也會受到春季降水的影響；另一方面，LDFAI指數(shù)是否適合不同時空尺度下旱澇急轉(zhuǎn)的對比仍有待考證。

（a）鄱陽湖 （b）洞庭湖

圖 3鄱陽湖、洞庭湖降水特征

我們選取|LACI|大于50%的年份為旱澇急轉(zhuǎn)的代表性年份對湖泊的降水特征做進(jìn)一步分析。鄱陽湖1989、2015年兩個年份降水特征相似（圖），其降水特征如下：1989年、2015年1-4月份月均降水量與多年平均相比無太大差異。5、6月份降水量開始增長，由于1989、2015年兩個年份5、6月份降水均高于多年月平均降水值，因此均表現(xiàn)為“澇轉(zhuǎn)旱”現(xiàn)象。兩個年份的降水變化特征相比之下，2015年降水變化振幅較大，與多年月均降水特征進(jìn)行對比，6月份降水量增長約171mm。洞庭湖2007年1-3月份降水正常，與多年平均降水相比，其差值低于30mm，無太大差異，4-7月份降水偏少，5月份降水有所增長，但是并不明顯，導(dǎo)致洞庭湖夏季前期仍表現(xiàn)為干旱，湖泊面積為224.49km2，8月份降水的增加，湖泊面積出現(xiàn)明顯的增長，因此表現(xiàn)為嚴(yán)重的“旱轉(zhuǎn)澇”現(xiàn)象。2011年1-5月份洞庭湖降水偏少，較常年同期平均降水偏少一半，湖泊面積僅為232.72km2，而6月份降水顯著增長，短時間內(nèi)的強(qiáng)降水導(dǎo)致湖泊面積增加，發(fā)生了嚴(yán)重的“旱轉(zhuǎn)澇”現(xiàn)象。這與實(shí)際旱澇急轉(zhuǎn)情況一致，2011年4-5月份，長江中下游遭遇嚴(yán)重旱災(zāi)，2011年6月3日以后的幾場暴雨使長江中下游地區(qū)發(fā)生了快速、劇烈的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由此進(jìn)一步驗(yàn)證了LACI指數(shù)能夠在一定程度上反映湖泊夏季旱澇急轉(zhuǎn)情況。鄱陽湖旱澇急轉(zhuǎn)的發(fā)生主要與夏季降水異常相關(guān)，而洞庭湖的旱澇急轉(zhuǎn)主要受湖泊春季旱澇情況的影響，夏季降水的異常會加劇旱澇急轉(zhuǎn)的發(fā)生，這也說明了受春季降水特征的影響，LDFAI指數(shù)反映的旱澇急轉(zhuǎn)存在一定的不準(zhǔn)確性，因此洞庭湖兩種指數(shù)反映的旱澇急轉(zhuǎn)具有很大差異。

3.結(jié)論

本文利用遙感對五大淡水湖的湖泊面積進(jìn)行監(jiān)測，分析了旱澇急轉(zhuǎn)代表性年份中湖泊的降水特征，得出以下結(jié)論：在不考慮人類活動影響的情況下，五大湖夏季湖泊面積變化之間的差異性受降水與湖泊岸線兩方面的影響。由于降水偏多，湖泊岸線最不規(guī)則，鄱陽湖的面積變化最為明顯，其次是洞庭湖，均能通過湖泊面積的變化反映出嚴(yán)重的旱澇急轉(zhuǎn)。旱澇急轉(zhuǎn)的發(fā)生與湖泊春季降水導(dǎo)致的旱澇情況、夏季降水異常兩方面的影響相關(guān)，根據(jù)夏季降水異常情況不同，發(fā)生不同程度的“旱轉(zhuǎn)澇”或“澇轉(zhuǎn)旱”現(xiàn)象。按湖泊春季降水特征，可將旱澇急轉(zhuǎn)的發(fā)生分為兩種情況，春季降水較少，湖泊偏旱，夏季降水出現(xiàn)異常，則容易引起旱澇急轉(zhuǎn)的發(fā)生；春季降水正常，夏季降水出現(xiàn)異常。

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