基于長時間序列的洞庭湖面積變化與氣候響應(yīng)關(guān)系研究

王威 隋兵 林南

摘要：洞庭湖是長江中下游最大的調(diào)蓄湖泊，它的存在對調(diào)節(jié)湖區(qū)周邊氣候具有重要的作用，同時氣候也會反作用于湖泊。為研究洞庭湖水體面積變化與氣候變化之間的響應(yīng)機(jī)制，利用1989—2018年洞庭湖水體面積長序列數(shù)據(jù)分析其時空演變特征，并研究水體面積變化與氣候要素的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，洞庭湖水體面積月際波動明顯，月平均面積7月最大，1月最小。30年間洞庭湖水體面積總體處于縮減趨勢，水體年最大面積和年內(nèi)面積變化有減小趨勢。對30年間洞庭湖水體面積與氣溫、降水量的分析可知，洞庭湖水體面積的變化與周邊氣候條件在長期演變過程中存在顯著相關(guān)性，但短期內(nèi)的相關(guān)性不顯著;湖泊水體面積的變化導(dǎo)致湖區(qū)周邊溫度上升速率高于湖南省乃至全國的平均上升速率。

關(guān)鍵詞：水體面積;氣候變化;洞庭湖

中圖分類號：P446 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）17-0038-05

Abstract： Dongting lake is the largest reserve lake in the middle and lower reaches of the Yangtze river. It plays an important role in regulating the surrounding climate of the lake， and the climate also reacts on the lake. In order to study the response mechanism between the area change of Dongting lake and climate change， the long sequence data of water area of Dongting lake from 1989 to 2018 was used to analyze the spatio-temporal evolution characteristics of water area of Dongting lake， and the relationship between the change of water area and climate factors was studied. The results showed that the area of Dongting lake fluctuated significantly， with the largest monthly average area in July and the smallest in January. In recent 30 years， the water area of Dongting lake was in a general shrinking trend， and the annual maximum lake area and area change had a decreasing trend. ?According to the analysis of the lake area of nearly 30a with temperature and precipitation， the change of the water area of Dongting lake had a significant correlation with the surrounding climate conditions in the long-term evolution process， but the correlation was not significant in the short term. The change of lake area caused the temperature around the lake area to rise faster than the average rise rate of Hunan province and even the whole country.

Key words： water area; climate change; Dongting lake

水體尤其是大型湖泊具有調(diào)節(jié)氣候的作用，同時氣候變化通過氣象要素如降水、氣溫等反作用于湖泊，使得湖泊水域面積發(fā)生變化。洞庭湖是長江中下游最大的調(diào)蓄湖泊，也是中國第二大淡水湖泊，它的存在對調(diào)節(jié)湖區(qū)周邊氣候具有重要的作用，從而形成區(qū)別于其他地區(qū)的洞庭湖區(qū)局地小氣候。目前洞庭湖由于受氣候的變化和人類因素的影響，湖泊面積呈現(xiàn)萎縮的趨勢[1]。

近年來隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者借助遙感資料對洞庭湖面積的變化開展了很多研究。閭利等[2]利用2000—2016年青藏高原遙感數(shù)據(jù)分析了面積與氣候要素之間的響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)湖泊面積變化與氣候要素具有顯著的區(qū)域相關(guān)性。徐浩杰等[3]通過對1981—2010年柴達(dá)木盆地和氣象要素的分析，發(fā)現(xiàn)柴達(dá)木盆地湖泊面積受夏季可利用降水量影響顯著。崔亮等[4]通過分析1993—2010年洞庭湖水體面積動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)18年間湖泊面積萎縮嚴(yán)重，秋季平水期萎縮比例少于40%。高耶等[5]通過對1979—2016年洞庭湖內(nèi)湖面積進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)湖水面面積主要受降雨等氣候因素的影響。除此以外，田偉國等[6]、王慧等[7]發(fā)現(xiàn)除受氣候影響以外，三峽大壩的建立對洞庭湖面積變化影響也很大。這些研究提供了洞庭湖面積與氣候變化存在相關(guān)性的可能性，但在兩者之間響應(yīng)關(guān)系研究上不夠清晰，因此利用遙感數(shù)據(jù)和長序列降水量和氣溫?cái)?shù)據(jù)開展洞庭湖面積與氣候要素之間的響應(yīng)機(jī)制研究非常必要。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)源與方法

1.1 研究區(qū)概況

洞庭湖位于長江中下游，北接長江，西南面與湘、資、沅、澧四水相通，跨岳陽、常德和益陽3市，在北緯28°30′—29°31′、東經(jīng)111°40′—113°10′[8]。洞庭湖主體大致可分為東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖3部分，湖體之間通過星羅密布的河網(wǎng)和洪道相連。

1.2 數(shù)據(jù)源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù) 采用的地表反射率數(shù)據(jù)（MOD09Q1）來自美國國家航空航天局網(wǎng)站https：//search.earthdata.nasa.gov/，由搭載在terra衛(wèi)星上的modis傳感器獲取。MOD09Q1空間分辨率為250 m，時間分辨率為8 d，主要利用其中的紅光波段反射率（ρred，620～670 nm）和近紅外波段反射率（ρnir，841～876 nm）計(jì)算植被指數(shù)。1989—2018年洞庭湖水體面積長序列值來自中國衛(wèi)星遙感中心。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 采用的氣象數(shù)據(jù)為湖南省地面氣候資料年值數(shù)據(jù)，由洞庭湖所屬區(qū)域的岳陽站、湘陰站、赫山站、沅江站、常德站和漢壽站6個國家站提供（圖1）。數(shù)據(jù)序列為1989—2018年的氣候觀測數(shù)據(jù)，包括年降水量、年平均氣溫和年蒸發(fā)量。

1.3 湖泊水體面積提取方法

利用遙感影像提取湖泊水體面積的方法包括單波段閾值分析法、多波段譜間關(guān)系法、植被指數(shù)法（NDVI）、水體指數(shù)法（NDWI）和目視解譯法等。本研究選用水體指數(shù)和目視解譯相結(jié)合的方法提取洞庭湖水體面積[4]。水體指數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)是可使遙感影像中水體信息加強(qiáng)，而非水體信息被抑制，缺點(diǎn)是水體信息中易混進(jìn)部分山體和居民用地信息，因此需要結(jié)合目視解譯法對分離出的水體做進(jìn)一步提取。

2 結(jié)果與分析

2.1 洞庭湖水體面積變化分析

2.1.1 洞庭湖水體面積月際變化分析 由圖2可知，洞庭湖水體面積月際波動明顯，在豐水季，東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖接連成片;在枯水季，3個湖泊僅靠窄小的河道相互連接，這也印證了“洪水一大片，枯水幾條線”的說法。

圖3為1989—2018年洞庭湖水體月平均面積變化。從圖3a可知，過去30年洞庭湖水體月平均面積呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，水體面積自4月開始擴(kuò)張，7月平均面積達(dá)到最大，為1 839.2 km2，11月開始面積明顯縮減，至次年1月面積達(dá)到最小，為467.3 km2。由圖3b和圖3c可知，過去30年洞庭湖水體月最大面積為3 024.0 km2，出現(xiàn)在1996年8月; 最小面積為272.0 km2，出現(xiàn)在2006年12月。由圖3d可知，除1月、2月、12月湖泊水體面積波動不大之外，其他月份湖泊水體面積波動均較大，水體月面積最大波動值達(dá)到1 890.0 km2。

2.1.2 洞庭湖水體面積年際變化分析 根據(jù)1989—2018年洞庭湖水體面積年內(nèi)波動情況來看，7月的月平均面積達(dá)到一年中的最大值，因此選用2000—2018年每年7月的MODIS影像數(shù)據(jù)得到19年間洞庭湖水面的淹水頻率（圖4），大致反映了該時期內(nèi)洞庭湖水體的波動情況。由圖4可知，洞庭湖年最大水體面積變化出現(xiàn)在東洞庭湖，其次為西洞庭湖，面積波動不大的為南洞庭湖。

根據(jù)國家氣象衛(wèi)星中心統(tǒng)計(jì)的1989—2018年洞庭湖水體面積變化得到圖5和表1。由圖5a可知，洞庭湖1989—2018年水體年平均面積具有較大波動，過去30年總體處于縮減趨勢。由圖5b可知，30年間洞庭湖水體年最大面積變化分為3個階段，1990—1994年年最大面積波動減小，1995—2005年年最大面積顯著增大，1996年達(dá)到峰值，自2005年后洞庭湖水體年最大面積波動減小，波動幅度較2005年以前減弱。由圖5c可知，30年間洞庭湖水體年最小面積除2003年和2006年異常偏小之外，總體呈增大趨勢。由圖5d可知，30年間洞庭湖水體年面積變化趨于穩(wěn)定，年內(nèi)水體面積變化值有減小趨勢。由表1可知，洞庭湖水體年平均面積20世紀(jì)90年代最大，其次是21世紀(jì)10年代，面積最小的為21世紀(jì)前10年?？梢娫谶^去的30年間洞庭湖湖水面積經(jīng)歷了從萎縮至擴(kuò)張的變化過程。洞庭湖水體年最大面積和年內(nèi)面積變化在30年間呈逐漸減小的趨勢，說明隨著時間的推移，湖泊水體年內(nèi)面積波動幅度減小。

2.2 洞庭湖水體面積變化對氣候的響應(yīng)分析

近年來，全球正經(jīng)歷著一場以全球變暖為主的氣候變化。氣候變化通過影響全球的水循環(huán)，直接或間接地改變著湖泊的生態(tài)環(huán)境，這種改變最直接地體現(xiàn)在湖泊面積的變化之上，而湖泊的變化也會反作用于氣候，尤其是對區(qū)域性的氣候影響更加明顯。為了研究氣候變化與洞庭湖生態(tài)之間的響應(yīng)關(guān)系和程度，研究搜集臨近湖面且具有代表性的6個氣象站點(diǎn)的氣候要素與湖泊面積進(jìn)行分析。

由圖6a可知，1998—2018年年蒸發(fā)量呈顯著增加趨勢（通過0.05信度顯著性檢驗(yàn)），以55.603 mm/10年速率增加， 2014年后蒸發(fā)量上升明顯。由圖6b可知，年平均氣溫呈升高趨勢，且通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，上升速率為0.366 ℃/10年，較全國平均氣溫上升速率0.22 ℃/10年明顯偏高。由圖6c可知，年降水量呈下降趨勢，且通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，下降速率為137.39 mm/10年。

將1998—2018年洞庭湖水體月面積與月降水量、月蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)洞庭湖水體月面積與月降水量、月蒸發(fā)量無明顯相關(guān);將1998—2018年洞庭湖水體年平均面積與年降水量、年蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)洞庭湖水體年平均面積與年降水量、年蒸發(fā)量無明顯相關(guān);將1998—2018年洞庭湖水體10年滑動平均面積與各氣候要素進(jìn)行相關(guān)性分析，得出洞庭湖水體年平均面積、年最大面積與年降水量相關(guān)性較高，均通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn);水體年最小面積與年蒸發(fā)量相關(guān)性也較高，且通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn)（圖7）。

3 結(jié)論與展望

利用1989—2018年洞庭湖水體面積長序列數(shù)據(jù)分析洞庭湖水體面積的時空演變特征，并研究面積的變化與氣候要素的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，洞庭湖水體面積月際波動明顯，月平均面積7月最大，1月最小;1989—2018年洞庭湖水體年平均面積總體處于萎縮趨勢，年最大面積和年內(nèi)面積變化有減小趨勢;1989—2018年洞庭湖周邊氣溫變化傾向率為0.366 ℃ /10年，湖區(qū)氣溫上升速率較湖南省平均水平（0.15 ℃/10年）、全國平均水平（0.22 ℃ /10年）明顯偏高;洞庭湖水體面積的變化與周邊氣候條件在長期演變過程中存在顯著相關(guān)性，但短期內(nèi)的相關(guān)性不顯著，湖泊水體10年滑動的年平均面積、年最大面積與年降水量呈顯著相關(guān)，年最小面積與年蒸發(fā)量顯著相關(guān)。

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