可可西里湖泊水面面積與雪冰覆蓋率相關(guān)分析

駱騰飛 ，譚德寶 ，，文雄飛 ，趙登忠

（1. 河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，湖北 武漢 430010）

0 引言

全球陸地和海洋 100 多萬個(gè)觀察記錄表明，近一個(gè)世紀(jì)以來全球平均氣溫顯著上升，尤其是 20 世紀(jì)80 年代以來，變暖的速度較快。全球氣溫總體呈現(xiàn)上升趨勢，但增溫幅度存在顯著的空間差異。政府間氣候變化專門委員會(huì) 2013 年評(píng)估顯示[1]：中國最近 60 a 氣溫上升速度為 0.23℃/10 a，而青藏高原地區(qū)的氣溫上升幅度達(dá)到 0.37℃/10 a，明顯高于我國氣溫上升的平均水平，且時(shí)間距今越近，青藏高原增溫的趨勢越明顯。伴隨氣溫的顯著升高，近 30 a來青藏高原降水量也呈增加趨勢。

受氣候變化影響，青藏高原湖泊面積發(fā)生了顯著變化。湖泊是氣候變化的指示器，它的形成與消失、擴(kuò)張與收縮近年來一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。青藏高原是地球上海拔最高、湖泊數(shù)量最多和面積最大的高原內(nèi)陸湖區(qū)。高原湖泊的變化檢測是環(huán)境變化研究的重要組成部分，對全球環(huán)境及氣候變化的研究也具有深遠(yuǎn)的影響作用[2]，國內(nèi)外學(xué)者對湖泊變化進(jìn)行了大量研究。Benson 等[3]通過對美國Lhontan 湖精確度量湖泊對于水平衡的變化的影響，利用湖泊尺寸作為研究氣候變化的因子，發(fā)現(xiàn)湖泊的表面積比湖泊的體積和水位更具有說明意義，面積變化在一定程度上更為直觀地說明了水量的變化。李治國等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)近 30 a 來青藏高原北部湖泊出現(xiàn)先萎縮后擴(kuò)張的變化；邊多等[5]發(fā)現(xiàn)青藏高原腹地色林錯(cuò)及周邊區(qū)域湖泊呈持續(xù)擴(kuò)張狀態(tài)；除多等[6]發(fā)現(xiàn)青藏高原南部喜馬拉雅山脈地區(qū)湖泊呈退縮趨勢；姚曉軍等[7]研究結(jié)果表明，1970 年初期至 2011 年，可可西里地區(qū)湖泊經(jīng)歷了“先萎縮后擴(kuò)張”的變化過程。

可可西里地區(qū)[8]深處青藏高原腹地，是青藏高原湖泊集中分布區(qū)之一。湖泊不僅是該區(qū)大氣降水、冰雪融水和泉水的歸宿地，還是區(qū)內(nèi)野生動(dòng)植物較為穩(wěn)固的水分涵養(yǎng)地及無機(jī)鹽營養(yǎng)元素的汲取地，湖泊在可可西里無人區(qū)對保持脆弱的高原生態(tài)系統(tǒng)起著重要的作用?？煽晌骼锏貐^(qū)的卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾和鹽湖，均屬內(nèi)流湖，原來各自相對封閉且獨(dú)立，湖區(qū)降水、四周河流匯聚于各自湖區(qū)，消耗于蒸發(fā)。自 2011 年 9 月卓乃湖發(fā)生湖岸潰決事件后，大量外泄水量向東徑流，導(dǎo)致 4 個(gè)湖泊自西向東建立了水力聯(lián)系，引發(fā)卓乃湖面積急驟減小，鹽湖面積持續(xù)增大，威脅下游基礎(chǔ)設(shè)施等一系列問題，因此有必要對庫塞湖等湖泊進(jìn)行遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

高寒地區(qū)的雪冰覆蓋變化與當(dāng)?shù)貧庀笠叵嚓P(guān)，會(huì)對高寒地區(qū)流域水文的時(shí)空變化產(chǎn)生影響。國內(nèi)外學(xué)者對高寒地區(qū)雪冰覆蓋變化對流域水文變化的影響進(jìn)行了研究，國際上學(xué)者主要對里奧格蘭德河[9]、Mokelumne River[10]、恒河[11]、庫班河[12]的融雪徑流進(jìn)行研究， 我國學(xué)者主要對黑河[13–14]、青海湖流域[15]、天山[16]、長江源區(qū)[17]的融雪徑流進(jìn)行研究。近幾十年來，青藏高原湖泊水量時(shí)空變化成為研究的熱點(diǎn)，而雪冰融化是青藏高原湖泊水量的徑流組成之一，因此對青藏高原湖泊集水區(qū)的雪冰覆蓋進(jìn)行遙感監(jiān)測是很有必要的。

為了對青藏高原湖泊進(jìn)行變化監(jiān)測，本研究選擇可可西里地區(qū)庫塞湖及周邊四湖（以下簡稱四湖）作為典型試驗(yàn)區(qū)，利用衛(wèi)星遙感和地理信息技術(shù)等，對四湖集水區(qū)進(jìn)行了湖泊水面面積（由Landsat TM，ETM+ 和高分 1 號(hào)等影像提取）和雪冰覆蓋的遙感監(jiān)測，同時(shí)結(jié)合附近的五道梁氣象站的月均氣溫和月降水量數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)分析，挖掘四湖湖泊水面面積的變化規(guī)律與驅(qū)動(dòng)因素，以及四湖集水區(qū)雪冰覆蓋率與湖泊水面面積的相關(guān)關(guān)系，為四湖集水區(qū)水資源管理與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供支撐，為氣候變化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域的介紹

可可西里地區(qū)位于羌塘高原東北部，東經(jīng) 89.25°～94.05°，北緯 34.19°～36.16°，平均海拔 4600 m 以上[18]。區(qū)內(nèi)地勢南北高，中部低，西部高，東部低。可可西里山和冬布勒山橫貫中部，山地間 2 個(gè)寬谷湖盆帶，地勢平坦。海拔 5500～6000 m 以上的山地，有現(xiàn)代冰川發(fā)育。該地區(qū)面積 ＞ 1 km2的湖泊有 252 個(gè)，總面積為 6848 km2，占地區(qū)總面積（179227 km2）的 3.6%。該地區(qū)的內(nèi)陸湖泊未受人類影響，其變化主要受流域內(nèi)氣候和環(huán)境變化影響。

庫塞湖是可可西里自然保護(hù)區(qū)第 6 大湖，與海丁諾爾、鹽湖等共同組成可可西里自然保護(hù)區(qū)東北部重要的鹽漬化濕地區(qū)域[19]。庫塞湖湖區(qū)屬青南高寒草原半干旱氣候，年均氣溫為 0～2 ℃，年降水量為 100～150 mm。集水區(qū)面積為 3700 km2，補(bǔ)給系數(shù)為 14.5，主要依賴源于昆侖山大雪峰和雪月山的庫塞河補(bǔ)給。卓乃湖湖盆受區(qū)域構(gòu)造呈東西向梨形，西寬東窄，湖水主要依賴卓乃河補(bǔ)給，卓乃河長 65 km，源于五雪峰冰川南緣，匯冰川融水，在下游滲漏砂礫之中以潛流形式入湖。

1.2 氣象數(shù)據(jù)的獲取

可從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上，下載五道梁氣象站 2005—2015 年逐月月平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)。

1.3 雪冰覆蓋率的求取

在美國國家雪冰數(shù)據(jù)中心下載 2005—2016 年庫塞湖等四湖集水區(qū)范圍 M O D I S 積雪產(chǎn)品MOD10A2，行列號(hào)為 h25v05。MOD10A2 以 8 d 為1 個(gè)周期，處理后得到逐月雪冰覆蓋率。

應(yīng)用積雪指數(shù)NDSI對原始遙感影像進(jìn)行處理得到分類產(chǎn)品 MOD10A1，經(jīng)過 8 d 合成消除了云的影響，得到 MOD10A2 積雪產(chǎn)品，影像中數(shù)據(jù)為 200的為雪冰[20]。實(shí)際使用過程中，需要對遙感積雪產(chǎn)品進(jìn)行一些處理，包括遙感數(shù)據(jù)的拼接、等面積投影變換和裁剪等步驟。

利用 ArcGIS 的統(tǒng)計(jì)功能，得到雪冰的像元個(gè)數(shù)，乘以像元代表的實(shí)際面積，即為四湖集水區(qū)雪冰覆蓋面積，除以四湖集水區(qū)總面積（8652 km2）得到四湖集水區(qū)雪冰覆蓋率。再將 8 d 為一周期的冰雪覆蓋率數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日插值（即這 8 d 的雪冰覆蓋率數(shù)據(jù)相同）和月平均運(yùn)算（即總和除以天數(shù)），得到逐月的四湖集水區(qū)雪冰覆蓋率序列。把 1 a 的日均雪冰覆蓋率做平均運(yùn)算，得到年均雪冰覆蓋率。

1.4 四湖水面面積的提取

從美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（www.usgs.gov）下載四湖集水區(qū)范圍 2009—2017 年 Landsat TM，ETM+及高分 1 號(hào)等影像，提取四湖湖泊面積的動(dòng)態(tài)變化。2006—2008 年湖泊水面面積數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn) [21]，2009—2017 年湖泊水面面積數(shù)據(jù)部分來自青海省衛(wèi)星遙感中心提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論分析

2.1 湖泊水面面積與雪冰覆蓋變化趨勢的分析

2.1.1 四湖水面面積變化趨勢分析

2009—2017 年卓乃湖等湖泊群面積變化情況統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 2009—2017 年卓乃湖等湖泊群面積變化情況統(tǒng)計(jì)表 km2

從 4 個(gè)湖泊歷年水面面積變化情況可以看出，2011 年 9 月，卓乃湖湖岸潰決后面積急劇減小，2012 年后趨于穩(wěn)定；庫賽湖和海丁諾爾面積先增后減，2013 年后趨于穩(wěn)定。鹽湖面積 2009—2017 年總體呈增加趨勢，面積從 2009 年的 40.95 km2逐漸增加到 2011 年的 45.89 km2，增加幅度較??；2011 年以來，面積從 45.89 km2急劇增加到 2013 年的138.55 km2；2013 年后呈持續(xù)緩慢增加的趨勢，年平均面積擴(kuò)張速率為 4.5 km2/a，至 2017 年 5 月，鹽湖面積為 156.60 km2。因此，鹽湖上游的卓乃湖、庫賽湖和海丁諾爾面積已趨于穩(wěn)定，鹽湖將進(jìn)一步呈擴(kuò)大的趨勢。

2.1.2 雪冰覆蓋率變化趨勢分析

利用 2005—2014 年 MOD10A2 提取四湖集水區(qū)范圍逐月平均雪冰覆蓋率。將 2005—2014 年 10 a 的年均雪冰覆蓋率序列做一個(gè)折線圖，如圖1 所示，變化趨勢是正的，說明 2005—2014 年期間，雪冰覆蓋率每年增加 0.3%，10 a 共增加了 3.0%?？傮w來說，雪冰覆蓋率呈小幅增加趨勢，說明近 10 a 四湖集水區(qū)范圍的雪冰覆蓋率是穩(wěn)定的，且呈小幅增加趨勢。

圖1 2005—2014 年逐年四湖集水區(qū)年均雪冰覆蓋率折線圖

分析 2005—2014 年四湖集水區(qū)月均雪冰覆蓋率，發(fā)現(xiàn)雪冰覆蓋率通常在 10 月份達(dá)到該年份的最大值（10 a 平均值為 55.58%），在 7 月份達(dá)到該年份的最小值（10 a 平均值為 3.46%）；另外一個(gè)異常的現(xiàn)象是，5 月份雪冰覆蓋率比較突出（10 a 平均值為26.00%），在 1—6 月份處于最高。

2.2 雪冰覆蓋率與其他氣象水文要素相關(guān)關(guān)系的分析

2.2.1 氣溫與雪冰覆蓋率的關(guān)系

規(guī)定相關(guān)系數(shù)R的絕對值 ＜ 0.0500 為不相關(guān)；＜ 0.4000 為低度相關(guān)；處于 0.4000～0.7000間為中度相關(guān)；＞ 0.7000 為高度相關(guān)。

2005—2014 年五道梁站月均氣溫與四湖集水區(qū)月均雪冰覆蓋率的相關(guān)系數(shù)如表2 所示。從表2 可以看出，4 月份雪冰覆蓋率與月均氣溫的相關(guān)系數(shù)R為 -0.4481，呈中度負(fù)相關(guān)。原因分析如下：4 月份氣溫越低（2005—2014 年 4 月份五道梁站的月均氣溫在 -4.0 ℃ 左右），越利于降雪，降雪量及范圍越大，且積雪在低溫天氣不容易融化，此時(shí)的主導(dǎo)因素是降雪事件。

6 月份相關(guān)系數(shù)R為 -0.7516，呈高度負(fù)相關(guān)。原因分析如下：6 月份氣溫越高（2005—2014 年 6 月份五道梁站的月均氣溫在 3.5 ℃ 左右），越利于雪冰融化，進(jìn)而導(dǎo)致雪冰覆蓋面積越小，此時(shí)主導(dǎo)因素是隨著氣溫的升高而導(dǎo)致的雪冰的融化。

5 月份相關(guān)系數(shù)R為 -0.0886，呈低度負(fù)相關(guān)。在 2—6 月份，5 月份的相關(guān)度最低，說明 5 月份影響雪冰覆蓋率的要素中，氣溫處于非常次要的因素。

1 月份相關(guān)系數(shù)R為 0.0538，呈低度正相關(guān)。說明 1 月份影響雪冰覆蓋率的要素中，氣溫處于非常次要的因素，原因可能是此時(shí)無論氣溫是高或是低，降雪量都很小。

表2 2005—2014 年五道梁站月均氣溫與四湖集水區(qū)月均雪冰覆蓋率的相關(guān)系數(shù)

2.2.2 降水量與雪冰覆蓋率的關(guān)系

將 2005—2014 年各月五道梁站月降水量與四湖集水區(qū)月均雪冰覆蓋率建立相關(guān)關(guān)系，各相關(guān)系數(shù)如表3 所示。從表3 可以得出，1 月份雪冰覆蓋率和月降水量的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到 0.8309，高度正相關(guān)，原因是 1 月份的降水量里大部分是降雪；3 月份的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到 0.7886，高度正相關(guān)，原因是 3 月份的降水量里大部分是降雪。

表3 2005—2014 年各月五道梁站月降水量與四湖集水區(qū)月均雪冰覆蓋率相關(guān)系數(shù)

9 月份相關(guān)系數(shù)R達(dá)到 0.3068，說明四湖集水區(qū)的雪冰覆蓋率與五道梁站的月降水量在 9 月份呈低度正相關(guān)，原因是 9 月份的降水量里只有部分是降雪。

7 月份相關(guān)系數(shù)R為 -0.3275，說明四湖集水區(qū)的雪冰覆蓋面積與五道梁站的月降水量在 7 月份呈低度負(fù)相關(guān)，這是由于 7 月份的氣溫在 6℃ 左右，基本為降水形式，降水量的增加并不能使雪冰覆蓋率增大。

2.3 四湖湖泊水面面積與其他水文要素的相關(guān)分析

對于四湖湖泊水面面積和其他水文要素的相關(guān)分析，以年尺度展開?？紤]到卓乃湖在 2011 年發(fā)生了潰決，導(dǎo)致卓乃湖自身及下游的庫塞湖、海丁諾爾湖、鹽湖的水面面積在 2011 年發(fā)生了劇烈變化，因此對于四湖湖泊水面面積和其他水文要素的相關(guān)分析，將從整體（2005—2016 年）及卓乃湖潰決前（2006—2010 年）和 潰決后（2012—2015 年）分3 種情況進(jìn)行討論。

2.3.1 四湖水面面積和氣溫的相關(guān)分析

四湖年水面面積和五道梁站年均氣溫的相關(guān)系數(shù)如表4 所示。

表4 四湖年水面面積和五道梁站年均氣溫的相關(guān)系數(shù) R

變化規(guī)律：卓乃湖潰決前，庫塞湖和卓乃湖年水面面積與五道梁站年均氣溫呈低度正相關(guān)或者不相關(guān)；卓乃湖潰決后，庫塞湖和卓乃湖年水面面積與五道梁站年均氣溫呈高度負(fù)相關(guān)，鹽湖和四湖總水面面積與五道梁站年均氣溫都呈高度正相關(guān)。

2.3.2 四湖水面面積和降水量的相關(guān)分析

四湖年均水面面積和五道梁站年降水量的相關(guān)系數(shù)如表5 所示。

表5 四湖年水面面積和五道梁站年降水量的相關(guān)系數(shù) R

變化規(guī)律：卓乃湖潰決前，庫塞湖和卓乃湖年水面面積與五道梁站年降水量呈低度或中度正相關(guān)；卓乃湖潰決后，庫塞湖和卓乃湖年水面面積與五道梁站年降水量呈中度正相關(guān)，且相關(guān)性增強(qiáng)，四湖總水面面積與五道梁站年均氣溫呈高度負(fù)相關(guān)。

2.3.3 四湖水面面積和集水區(qū)雪冰覆蓋率的相關(guān)分析

四湖年水面面積和集水區(qū)年均雪冰覆蓋率的相關(guān)系數(shù)如表6 所示。

表6 四湖年水面面積和四湖集水區(qū)年雪冰覆蓋率的相關(guān)系數(shù) R

變化規(guī)律：卓乃湖潰決前，庫塞湖和卓乃湖年水面面積都與四湖集水區(qū)年雪冰覆蓋度呈高度正相關(guān)；卓乃湖潰決后，庫塞湖和卓乃湖年水面面積都與四湖集水區(qū)年雪冰覆蓋度呈中度正相關(guān)。說明在卓乃湖潰決前，庫塞湖和卓乃湖水面面積的增加受冰雪融化影響很大。

2.3.4 四湖水面面積之間的相關(guān)分析

一個(gè)特別的發(fā)現(xiàn)：鹽湖水面面積與卓乃湖水面面積的相關(guān)系數(shù)為 -0.9697（2012—2017 年），這意味著卓乃湖潰決后，卓乃湖與鹽湖年水面面積呈高度負(fù)相關(guān)，此消彼長，其中的物理內(nèi)涵還待進(jìn)一步分析，原因可能是卓乃湖減少的水量，很大一部分通過庫塞湖和海丁諾爾湖，流入到了鹽湖。

進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：2012—2017 年間，鹽湖水面面積與庫塞湖和海丁諾爾湖水面面積也是高度負(fù)相關(guān)，鹽湖水面面積與四湖總水面面積呈高度正相關(guān)。鹽湖水面面積與其他諸湖水面面積相關(guān)系數(shù)如表7 所示。

表7 鹽湖年水面面積和其他諸湖年水面面積的相關(guān)系數(shù) R

2009—2017 年間，鹽湖水面面積與卓乃湖水面面積是高度負(fù)相關(guān)，鹽湖水面面積與庫塞湖、海丁諾爾湖、四湖總水面面積呈高度正相關(guān)。

3 結(jié)語

根據(jù)分析，可以得出以下 3 個(gè)結(jié)論：

1）卓乃湖潰決后面積急劇減小，2012 年后趨于穩(wěn)定。庫賽湖和海丁諾爾則先增后減，2013年后趨于穩(wěn)定。鹽湖面積 2009—2011 年，增加幅度較??；2011—2013 年急劇增加；2013 年后呈現(xiàn)持續(xù)緩慢增加的趨勢。

2）2005—2014 年期間，四湖集水區(qū)雪冰覆蓋率總體呈顯著增加趨勢；每年的 10 月四湖集水區(qū)雪冰覆蓋率達(dá)到最大值， 7 月達(dá)到最小值，5 月通常也達(dá)到一個(gè)很大的值。

3）卓乃湖潰決后，庫塞湖及卓乃湖的水面面積與五道梁站年均氣溫的相關(guān)性顯著提高，而庫塞湖及卓乃湖的水面面積與四湖集水區(qū)雪冰覆蓋率的相關(guān)性顯著降低，四湖總水面面積與五道梁站年均氣溫呈高度正相關(guān)。

本研究部分揭示了 2005—2017 年間四湖水面面積變化與集水區(qū)的雪冰覆蓋率變化規(guī)律及其與氣溫、降水的相關(guān)關(guān)系，可以為全球氣候變化問題提供參考，同時(shí)也能為可可西里地區(qū)的水資源管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策支撐?？煽晌骼锏貐^(qū)的四湖水面面積與集水區(qū)的雪冰覆蓋率與氣溫、降水的具體物理機(jī)理，還待深入研究，這將會(huì)涉及到更多的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法或者水文模型的使用。

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