1986—2019年哈拉湖面積動(dòng)態(tài)變化及其成因分析

王仁軍，劉寶康，黃炳婷

(天水師范學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 天水 741000)

哈拉湖位于青藏高原東北部，地處季風(fēng)和西風(fēng)影響的交匯帶[1]，湖區(qū)西接柴達(dá)木盆地，東鄰河西走廊，是青藏高原乃至整個(gè)西北地區(qū)重要的水汽源。哈拉湖地處祁連山腹地，位置偏遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣，海拔高4 000 m以上，周圍大多為無(wú)人區(qū)，受人類活動(dòng)影響較小，曾被認(rèn)為是中國(guó)北方保留最完整、最原始的濕地生態(tài)系統(tǒng)[2]，其面積的動(dòng)態(tài)變化能夠真實(shí)地反映區(qū)域氣候與環(huán)境的變化狀況，是氣候變化的天然指示器。作為青藏高原上大型的咸水湖，哈拉湖不但調(diào)控著湖區(qū)區(qū)域氣候，而且也是維系青藏高原生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要支柱。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取哈拉湖水體動(dòng)態(tài)信息，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綜合治理具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

遙感作為一種新的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，在20世紀(jì)興起后，被廣泛應(yīng)用于水資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。遙感具有大面積、快速準(zhǔn)確獲取水體信息的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)獲取湖泊面積方法相比優(yōu)勢(shì)明顯。目前，基于多源衛(wèi)星資料監(jiān)測(cè)湖泊面積動(dòng)態(tài)變化的研究已取得了一定成果，如曾昔等[3]利用Landsat衛(wèi)星遙感影像資料，提取并計(jì)算青海湖近20年湖泊面積，并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)分析其變化特征與周圍氣候變化的響應(yīng)；德吉央宗等[4]以Landsat衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)色林錯(cuò)流域湖面面積進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)序(1976—2016年)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并探討了湖泊面積變化的可能影響因素；拉巴卓瑪?shù)萚5]利用高分辨率陸地資源衛(wèi)星Landsat 為數(shù)據(jù)源綜合利用氣象、冰川資料等輔助數(shù)據(jù)，全面地分析了1977—2014年當(dāng)惹雍錯(cuò)湖泊面積變化；邵兆剛等[6]利用MSS和TM數(shù)據(jù)，對(duì)近20年青藏高原重點(diǎn)湖泊面積變遷進(jìn)行了分析；盧娜[7]以MODIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)，提取并分析了柴達(dá)木盆地中心平原區(qū)的湖泊面積變化及其影響因素；閭利等[8]以MODIS為數(shù)據(jù)源,提取了近16年青藏高原豐水期面積大于50 km2的湖泊邊界；普布次仁等[9]利用MODIS數(shù)據(jù),分析了2002—2017年扎日南木錯(cuò)湖泊面積變化，并結(jié)合周圍氣象觀測(cè)資料，對(duì)氣象要素和湖泊面積之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。上述遙感數(shù)據(jù)或存在時(shí)間/空間分辨率較低(如MODIS、NOAA/AVHRR)，或存在衛(wèi)星損壞、退役(如Landsat 5)，或存在獲取成本高等問(wèn)題，難以對(duì)湖泊進(jìn)行連續(xù)、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)。此外，以往對(duì)哈拉湖的研究大部分以湖泊區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、湖泊沉積物等研究為主[10-12]，而且缺少長(zhǎng)時(shí)間序列湖泊面積動(dòng)態(tài)化的研究。因此，本研究選取哈拉湖為研究區(qū)，結(jié)合Landsat 歷史數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，利用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星GF1-WFV數(shù)據(jù)高空間分辨率、寬幅寬協(xié)同的優(yōu)勢(shì)，對(duì)哈拉湖湖泊年代際、年際及月際動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究，探討湖泊在自然狀態(tài)下的演變規(guī)律,旨在為當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)政府部門的生態(tài)環(huán)境綜合治理及生態(tài)文明建設(shè)提供理論和決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

1.1 研究區(qū)概況

哈拉湖又稱黑海，介于38°11′N～38°25′N，97°24′E～97°47′E，是青海省第三大湖泊，屬咸水湖，深藏在祁連山腹地。其位于青海省德令哈市北部，疏勒南山與哈爾科山之間，隸屬天峻縣和烏蘭縣(圖1)。哈拉湖近似橢圓形，湖面海拔為4 078 m，長(zhǎng)34.2 km，最大寬度為23 km，湖泊面積為637 km2。哈拉湖流域四周多雪山冰川，冰川面積為93.97 km2,冰川儲(chǔ)冰量約5×109m3。共有20多條河流從四周注入湖內(nèi)，且周邊河流較短，多為季節(jié)性河流。主要以高山冰雪融水和降水補(bǔ)給為主。自然氣候因素對(duì)該湖的水量變化影響較大。湖泊位于中國(guó)季風(fēng)過(guò)渡帶，對(duì)區(qū)域氣候變化的影響十分敏感[13-15]。

圖1 哈拉湖地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所使用的遙感影像數(shù)據(jù)包括Landsat TM/ETM+和GF1-WFV數(shù)據(jù)。由于2000年前哈拉湖地區(qū)質(zhì)量較高的遙感影像有限，因此選取1986年9月27日、1987年8月17日、1988年2月6日、1993年2月3日及1998年8月15日的Landsat TM/ETM+影像，2000年6月15日、2001年9月27日和2011年11月1日的遙感影像均為L(zhǎng)andsat ETM+遙感影像，Landsat TM/ETM+來(lái)自美國(guó)航空航天局(https://www.usgs.gov/)；GF1-WFV數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，時(shí)間段為2013—2019年。本研究中所涉及到的衛(wèi)星傳感器類型、獲取時(shí)間、分辨率及數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 衛(wèi)星資料與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.3方法

1.3.1影像數(shù)據(jù)處理方法

由于大氣等對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，使傳感器接收到的信息與真實(shí)地物之間存在一定的誤差，這些誤差降低的影像的質(zhì)量，必須對(duì)其進(jìn)行消除。在ENVI5.3下加載影像，首先為了清晰地反映各類地物的光譜差異，對(duì)影像進(jìn)行4、3、2波段假彩色合成；其次，利用ENVI中的Radiometric Calibration工具對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，消除輻射變形的影響；然后對(duì)影像依次進(jìn)行大氣校正和幾何校正，其中大氣校正利用ENVI中的FLAASH大氣校正模型完成影像校正，幾何校正采用有控制點(diǎn)的幾何精校正，校正后的均方根(RMS)誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)，均方根誤差計(jì)算公式為：

(1)

式中 (XR,YR)——控制點(diǎn)的坐標(biāo)；(XI,YI)——實(shí)際輸出點(diǎn)的坐標(biāo)。

最后，采用波段比值模型提取哈拉湖湖泊水體面積，公式為B4/B2<1&B4

圖2 影像處理流程

為驗(yàn)證基于高分一號(hào)衛(wèi)星WFV數(shù)據(jù)水體識(shí)別的精確性，本研究與經(jīng)過(guò)目視解譯的Landsat TM/ETM+影像的提取結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，Landsat TM/ETM+影像和GF1-WFV衛(wèi)星影像的過(guò)境時(shí)間相同。結(jié)果表明兩者的誤差率僅為1.52%,表明高分一號(hào)WFV衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別哈拉湖水體。

1.3.2線性趨勢(shì)法

哈拉湖地區(qū)氣象數(shù)據(jù)采用托勒和德令哈2個(gè)氣象站地面數(shù)據(jù)的平均值，由算術(shù)平均法獲得。其年際變化用線性趨勢(shì)法進(jìn)行分析(式2)。并利用SPSS軟件，通過(guò)對(duì)氣象要素與湖泊面積進(jìn)行相關(guān)分析，來(lái)揭示氣象要素與湖泊面積之間的關(guān)系。

yi=a+bti

(2)

式中yi——?dú)庀笠?；a——常數(shù)項(xiàng)；ti——時(shí)間(1961—2018年)；b——線性趨勢(shì)項(xiàng)。

2 結(jié)果分析

2.1 湖泊的年代際變化

1980s至2010s哈拉湖面積呈先減小后增大趨勢(shì)。其中，1980s至1990s湖泊面積呈減小趨勢(shì)，減小了3.93 km2；1990s至2000s湖泊面積變化不大；2000s后湖泊面積顯著增加。90年代哈拉湖年平均面積最小，為589.90 km2；2010年以來(lái)湖泊年平均面積最大，平均面積為610.86 km2。2010年以來(lái)哈拉湖年平均面積分別較1980s、1990s、2000s的年平均面積擴(kuò)大了17.03、20.93、20.06 km2(表2、圖3)。

表2 不同年代際哈拉湖面積變化

圖3 哈拉湖的年代際變化

2.2 湖泊的年際變化

1986—2019年哈拉湖面積呈先減小后增大趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為：1986—2001年，哈拉湖面積呈減小趨勢(shì)，減小速率為8.74 km2/(10a)，且2001年湖泊面積減小到近36年歷史最小值，2001年哈拉湖湖泊面積為579 km2，與1986年相比，湖泊面積減小了15 km2；2002—2019年，哈拉湖面積整體呈增加趨勢(shì)，增加速率為23.53 km2/(10a)，2002—2014年哈拉湖面積變化較為穩(wěn)定，期間面積變化幅度為1～ 6.22 km2，然而2015年以來(lái)，哈拉湖顯著擴(kuò)張，2019年哈拉湖面積增加到近36年歷史最大值，2019年哈拉湖面積為641.07 km2，2019年湖泊面積與2002—2014年平均面積相比擴(kuò)大了45.17 km2，與2015年相比擴(kuò)大了31.14 km2(圖4)。

圖4 1984—2019年哈拉湖面積變化

2.3 湖泊的年內(nèi)變化

利用高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取了近3年各月哈拉湖面積數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：1—12月，湖泊面積呈先減小后增大的趨勢(shì)。通常1—6月上旬湖泊處于封凍期，湖泊面積較大，6月中下旬解凍后面積趨于減少，隨著7月份雨季的到來(lái)，湖泊面積隨降水增多趨于增大。2019年與前兩年相比，湖泊面積除4月和12月與2018年相近外，其余各月面積均大于前兩年，且近3年哈拉湖月面積最大和最小之間的差值分別為10.08、12.52 km2。2019年8月哈拉湖面積達(dá)到近3年來(lái)的月最大值為641 km2(圖5)。

圖5 哈拉湖面積年內(nèi)變化

2.4 湖岸線變化

通過(guò)對(duì)哈拉湖不同時(shí)期湖泊邊界進(jìn)行疊加(1988、1998、2011、2019年)，能夠清楚地分辨出湖岸線的動(dòng)態(tài)變化(圖6)。結(jié)果顯示，1998年湖岸線與1988年相比，湖岸線萎縮，湖岸線向湖中心退縮；2019年湖泊面積分別與2011、1998、1988年的湖泊面積相比，均呈擴(kuò)張態(tài)勢(shì)。2019年湖岸線擴(kuò)張最為顯著，且擴(kuò)張最明顯的區(qū)域位于哈拉湖東南部和西南部，東南部最大擴(kuò)張距離為2.17 km，2019年7月尾湖與整體湖泊基本相連；西南部的擴(kuò)張不及東南部，最大擴(kuò)張距離為1.53 km。

圖6 哈拉湖湖岸線變化遙感監(jiān)測(cè)

3 成因分析

3.1 氣候變化

1961—2018年，哈拉湖地區(qū)年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，上升速率為0.4℃/(10a)。其中，1960s、1970s、1980s年平均氣溫分別為-0.1℃、0.2℃、0.5℃，到了1990s年平均氣溫為1.1℃，2000s和2010s年平均氣溫分別為1.6℃和1.7℃。1960s、1970s和1980s年平均氣溫均低于常年平均氣溫，常年平均氣溫為0.8℃，而1990s后平均氣溫高于常年平均氣溫，尤其是2000年以來(lái)，增溫速率顯著(圖7)。

1961—2018年，哈拉湖地區(qū)年平均降水為244 mm，量呈上升趨勢(shì)，上升速度為19.3 mm/(10a)。其中1960s至1980s降水量呈上升趨勢(shì)，1960s、1970s和1980s年平均降水量分別為191、226、253 mm,1960s和1970s與1980s年平均降水量相比分別低62、27 mm；1980s至1990s年降水量呈減小趨勢(shì)，共減少了29 mm；2000年以來(lái)降水量增加顯著，2010s年降水量為292 mm，2000s年降水量為281 mm，2010s和2000s年平均降水量與1990s相比分別增加了68、57 mm(圖7)。

上述分析表明1961—2018年哈拉湖地區(qū)氣溫和降水呈現(xiàn)出氣溫升高和降水增加的變濕變暖趨勢(shì)，2000年以后，特別是2010s以來(lái)這一趨勢(shì)更加顯著。而湖泊面積響應(yīng)氣候變化，2000年前湖泊面積整體呈減小趨勢(shì)，2000年后湖泊面積逐漸增大，到了2010s湖泊面積顯著增加。這一變化趨勢(shì)與氣溫、降水的變化趨勢(shì)具有很好的一致性。 2000年前年平均氣溫與降水均低于2000s后，降水量減少，使得入湖徑流量減小，從而導(dǎo)致湖泊面積萎縮；2000年以來(lái)，雖然氣溫較低，但降水量較高，特別是近3年以來(lái)，降水量顯著增加，直接導(dǎo)致哈拉湖面積顯著擴(kuò)張。為了近一步說(shuō)明氣候與湖泊變化間的關(guān)系，對(duì)湖泊面積與其周邊氣溫、降水進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明：1986—2018年，年平均氣溫與湖泊面積之間呈比較弱的正相關(guān)關(guān)系，而年降水與湖泊面積之間呈較強(qiáng)的正相關(guān)(R=0.565，P<0.01)。由此表明，氣溫與降水對(duì)湖泊面積的變化均起到一定的作用，但降水對(duì)湖泊面積的影響較大。

圖7 1961—2018年哈拉湖地區(qū)氣候變化

3.2 冰川變化

對(duì)于以高山冰雪融水和降水補(bǔ)給為主的哈拉湖來(lái)說(shuō)，除了氣候變化因素對(duì)哈拉湖的影響外，冰川融水也是主要的影響因素之一。哈拉湖流域的冰川主要分布在北部的疏勒南山和南部的哈爾科山，其中疏勒南山有冰川70條，哈爾科山48條，流域內(nèi)最大的冰川位于北部的崗納樓5號(hào)冰川，面積為15.27 km2。近幾十年來(lái)，受全球氣溫變暖的影響，青藏高原冰川基本上呈退縮狀態(tài)[5]，位于青藏高原東北部的哈拉湖流域也響應(yīng)了這種變化趨勢(shì)。已有的研究表明，2000—2015年哈拉湖流域冰川虧損量為(6.9±2.0)×108m3水當(dāng)量，但冰川虧損加速趨勢(shì)不明顯[16]。冰川消融，將會(huì)補(bǔ)給河流徑流，使得湖泊面積增大。因此，表明冰川融水可能是引起哈拉湖面積擴(kuò)張的部分原因，但并非是主要原因。

4 結(jié)論與討論

利用1986—2019年多源衛(wèi)星資料，對(duì)哈拉湖進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

a)1980s至2010s哈拉湖面積呈先減小后增大趨勢(shì)，90年代年平均面積最小，2010年以來(lái)哈拉湖年平均面積最大；1986—2019年哈拉湖面積呈先減小后增大的趨勢(shì)，且2017年以來(lái)面積擴(kuò)大顯著；近3年年內(nèi)變化結(jié)果，1—12月湖泊面積呈先減小后增大趨勢(shì)。

b)哈拉湖湖岸線變化分析表明：變化最明顯的區(qū)域位于哈拉湖的東南部和西南部，東南部最大擴(kuò)張距離為2.17 km，西南部的擴(kuò)張雖不及東南部，但最大擴(kuò)張距離也有1.53 km。

c)近57年，哈拉湖周邊地區(qū)氣候呈現(xiàn)氣溫升高、降水增加的暖濕化趨勢(shì)。其中氣溫增溫速率為0.4℃/(10a)，降水增加速率為19.3 mm/(10a)。

d)氣候暖濕化導(dǎo)致的降水增加和冰川融化，特別近3年以來(lái)降水顯著增多是導(dǎo)致哈拉湖面積增大的主要原因。

哈拉湖是受人為影響較少的干旱區(qū)湖泊，湖泊面積的變化是氣候變化背景下的自然演化過(guò)程，其變化主要受氣候、冰川、冰川徑流和湖面蒸發(fā)等因素的影響。但由于哈拉湖地區(qū)缺少氣象數(shù)據(jù)，因此本文只從氣溫、降水及冰川融水3個(gè)方面來(lái)探討湖泊變化成因，結(jié)論具有一定的局限性，但可供參考。后續(xù)研究中還需進(jìn)一步深入探討除氣溫、降水以外的蒸發(fā)、風(fēng)速等因素，以期全面分析哈拉湖面積的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征。