1986～2016年呼倫湖水域面積動態(tài)變化及與氣候因素關(guān)系研究*

趙 澍，冀瑋強(qiáng)，高 鵬，韓文君，徐大偉※

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站，北京 100081； 2.包頭師范學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014030)

0 引言

湖泊是地下水與地表水、陸地與大氣間進(jìn)行水氣交換的重要環(huán)節(jié)，在水資源供給、調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮著重要的作用[1-3]。呼倫湖又名達(dá)賚湖，是內(nèi)蒙古自治區(qū)第一大湖，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和滿洲里市之間[4]。呼倫湖流域遠(yuǎn)離海洋，大陸性氣候極強(qiáng)，又是南北冷暖氣流交匯沖撞頻繁地區(qū)，是響應(yīng)全球氣候變化最積極、最敏感的地區(qū)之一[5]。受氣候變化和人類活動共同影響，呼倫湖出現(xiàn)了面積萎縮、水量減少等問題，開展水體面積動態(tài)監(jiān)測并分析其影響因素具有重要意義。遙感(RS)技術(shù)始于20世紀(jì)60年代初，之后成為大尺度研究主要手段之一，為地面監(jiān)測提供了強(qiáng)有力支持，在資源調(diào)查與制圖、動態(tài)監(jiān)測、管理與評估、災(zāi)害預(yù)測預(yù)報等方面有著廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)湖泊監(jiān)測方式相比，遙感技術(shù)具有宏觀、綜合、動態(tài)和快速的特點，可迅速、精確地提取湖泊信息，由此可進(jìn)行長時間序列動態(tài)變化監(jiān)測，節(jié)省大量的人力、物力和時間[6]。

目前已有大量基于遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行湖泊面積動態(tài)監(jiān)測的研究，如駱成鳳等[7]利用長時間序列中分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，通過人工提取湖岸水涯線信息獲得了1974～2016年青海湖水面面積； 臧菁菁等[8]利用Landsat影像，根據(jù)水體光譜特征，利用波段比值法提取了1975～2014年巴爾喀什湖水體面積； 萬華偉等[9]利用低空間分辨率MODIS數(shù)據(jù)，采用水體指數(shù)提取了2000～2013年呼倫湖水域面積，同時也開展了水域面積與水位[10]、氣候[11]等相關(guān)影響因素的研究。為研究呼倫湖長序列水域面積動態(tài)變化及與氣候因素的關(guān)系，搜集呼倫湖地區(qū)1986～2016年Landsat系列衛(wèi)星TM、ETM+、OLI影像以及相關(guān)氣候數(shù)據(jù)，在遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)支持下，通過影像分析，提取呼倫湖31年水域面積信息，分析其在時間和空間上變化特征，利用統(tǒng)計學(xué)分析方法，探尋其動態(tài)變化的氣候驅(qū)動因素，為以后呼倫湖保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供合理的理論依據(jù)。

圖1 研究區(qū)地理位置

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市呼倫湖流域，行政區(qū)域包括新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗、滿洲里市(圖1)，草原、水體是該區(qū)域主要的土地覆蓋類型。氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，年平均氣?.82℃(1986～2016年)，年降水量264mm(1986～2016年)，降水主要集中在6～9月。呼倫湖除接受湖面大氣降水外，烏爾遜河、克魯倫河是其主要的地表徑流供給，除此還有部分地下水的補(bǔ)給。

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感影像為Landsat系列衛(wèi)星影像(TM、ETM+、OLI)，影像空間分辨率30m，來源于美國地質(zhì)勘探局(http：//glovis.usgs.gov)，考慮到不同季節(jié)水域面積存在變化的情況，該文主要選擇9～10月影像，此時呼倫湖水域較為穩(wěn)定，受植被、雪水干擾較少。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http：//data.cma.cn)，選擇呼倫湖周邊新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗、滿洲里市3個站點數(shù)據(jù)，水域面積動態(tài)變化是受到一系列因子相互作用的復(fù)雜過程，按照本地區(qū)氣候特征，選擇生長季(4～9月)降水量、平均氣溫、平均相對濕度、蒸發(fā)量4個指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

將Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段組合、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理，影像均采用UTM(Universal Transvers Mercator)投影，通過目視解譯提取并計算呼倫湖水域面積。通過Excel、SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 呼倫湖水域面積年際變化特征

由圖2可知， 1986～2016年呼倫湖水域面積動態(tài)變化可分為4個階段， 1986～1990年，小幅度上升階段，此階段呼倫湖水域面積增加了87.54km2； 1991～2000年，保持穩(wěn)定階段，此階段呼倫水域面積維持在2 300km2左右，最大差幅為32.02km2； 2001～2012年，劇烈減小階段，此階段呼倫湖水域面積總體呈縮小趨勢， 2012年相對2001年水域面積縮小了469.57萬km2； 2013～2016年，逐步上升階段， 2016年相對2013年水域面積擴(kuò)大167.18萬km2。1986～2016年呼倫湖水域面積最大為1991年的2 315.94萬km2，最小為2012年的1 761.90萬km2。

圖2 不同年份呼倫湖水域面積動態(tài)變化

圖3 代表年份呼倫湖水域面積分布

圖3是1986～2016年代表年份呼倫湖水域面積分布圖，變化較為劇烈的地區(qū)主要分布在呼倫湖東北部及南部，其中東北部湖泊消失后一直未恢復(fù)； 2012年之前呼倫湖南部水域總體上呈減少趨勢， 2012年之后水域面積逐漸上升，部分消失區(qū)域重新恢復(fù)。

2.2 呼倫湖水域面積與氣象要素相關(guān)性分析

表1是呼倫湖水域面積與生長季不同氣象因子的相關(guān)系數(shù)，呼倫湖水域面積與平均相對濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系， 1986～1990年生長季平均相對濕度呈上升趨勢，從1986年的48.83%上升到1990年61.06%； 1991～2000年維持在相對較高水平，介于51.89%～59.06%； 2001～2012年相對較低，最高為2002年(54.56%)，最低為2007年(45.06%)； 2013年由于降水量大幅高于平均降水量，相對濕度達(dá)到60.11%， 2014年以后維持在50%左右，生長季平均相對濕度與呼倫湖水域面積整體變化規(guī)律相似。相對濕度是降水、溫度、蒸發(fā)等綜合情況的反映，降水量、平均氣溫、蒸發(fā)量雖然在統(tǒng)計上與呼倫湖水域面積無顯著相關(guān)關(guān)系，但間接地與平均相對濕度存在顯著相關(guān)關(guān)系。圖4是呼倫湖水域面積與生長季平均相對濕度、平均氣溫、降水量、蒸發(fā)量的關(guān)系，可以看出，呼倫湖水域面積與平均相對濕度、降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與平均氣溫、蒸發(fā)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與表1中的結(jié)果相吻合。

表1 呼倫湖水域面積與生長季不同氣候因子相關(guān)系數(shù)

面積降水量平均氣溫平均相對濕度蒸發(fā)量面積1降水量02381平均氣溫-0342-0385?1平均相對濕度0488??0766??-0600??1蒸發(fā)量-0070-0665??0469?-0653??1 注：?表示在005水平顯著相關(guān)，??表示在001水平極顯著相關(guān)(表2同)

圖4 呼倫湖水域面積與生長季不同氣候因子相關(guān)性分析

表2 呼倫湖水域面積與注入河流年徑流量相關(guān)系數(shù)

面積烏爾遜河年徑流量克魯倫河年徑流量面積1烏爾遜河年徑流量00752??1克魯倫河年徑流量00556??0861??1

2.3 呼倫湖水域面積與地表徑流相關(guān)性分析

呼倫湖除接受湖面大氣降水外，還依靠地表徑流和地下水的補(bǔ)給，注入呼倫湖的主要河流有烏爾遜河、克魯倫河等。表2說明烏爾遜河、克魯倫河年徑流量與呼倫湖水域面積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，圖5是2條主要河流與呼倫湖水域面積建立的回歸模型，注入河流年徑流量越大，呼倫湖水域面積也越大。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，烏爾遜河、克魯倫河年徑流量處于動態(tài)變化過程，整體上呈現(xiàn)減少趨勢， 1986～2001年之前處于相對較高水平， 2001～2012年處于相對較低水平，之后有所增加，整體上與呼倫湖水域面積4個階段的變化規(guī)律相吻合。

圖5 呼倫湖水域面積與年徑流量相關(guān)性分析

圖6 不同年份呼倫湖水域面積與年徑流量動態(tài)變化

3 結(jié)論

(1)1986～2016年呼倫湖水域面積動態(tài)變化可分為4個階段， 1986～1990年，小幅度上升階段； 1991～2000年，保持穩(wěn)定階段； 2001～2012年，劇烈減小階段； 2013～2016年，逐步上升階段。1986～2016年呼倫湖水域面積最大為1991年的2 315.94萬km2，最小為2012年的1 761.90萬km2。呼倫湖水域面積變化較為劇烈的地區(qū)主要分布在呼倫湖東北部及南部。

(2)呼倫湖水域面積與生長季平均相對濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，降水量、平均氣溫、蒸發(fā)量雖然在統(tǒng)計上與呼倫湖水域面積無顯著相關(guān)關(guān)系，但間接地與平均相對濕度存在顯著的相關(guān)關(guān)系。烏爾遜河、克魯倫河作為呼倫湖主要的地表徑流來源，年徑流量與呼倫湖水域面積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系， 1986～2001年之前處于相對較高水平， 2001～2012年處于相對較低水平，之后有所增加，整體上與呼倫湖水域面積4個階段的變化規(guī)律相吻合，說明保護(hù)2條主要注入河流對呼倫湖水域面積的重要性。

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