藏西北高原郭扎錯(cuò)湖泊面積變化與氣候響應(yīng)分析

張偉華 德吉央宗 平措旺丹 李榮

摘要：高原內(nèi)陸湖泊以其對氣候變化敏感的指示作用，常用于分析區(qū)域氣候變化趨勢，為氣候預(yù)報(bào)預(yù)測、生態(tài)氣象服務(wù)等提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。筆者基于1975年郭扎錯(cuò)地形圖、1992—2018年TM/ETM+和GF1-WFV等衛(wèi)星遙感影像資料，對郭扎錯(cuò)湖泊信息進(jìn)行提取，并分析該湖近40年時(shí)空異質(zhì)性以及面積變化與氣候響應(yīng)之間的關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：（1）40年來郭扎錯(cuò)湖泊面積波動(dòng)式萎縮，萎縮了3.22km2，萎縮率為1.30%，其中2006—2019年間萎縮最為明顯，從空間上來看主要變化區(qū)域在甜水河和崇測河入湖口處；（2）湖泊面積和年平均氣溫變化綜合反映出20世紀(jì)90年代以前該區(qū)域氣候趨勢表現(xiàn)為暖濕化，隨后趨于暖干化；（3）年平均氣溫是湖泊萎縮的主要影響因素，年平均降水量滯后性影響冰川，從而間接作用于湖泊面積變化，年平均蒸發(fā)量對湖泊面積劇變響應(yīng)較為明顯。

關(guān)鍵詞：多源衛(wèi)星資料；郭扎錯(cuò)；氣候變化；遙感；氣候響應(yīng)；高原湖泊

中圖分類號：P467文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號：cjas20191200314

Climate Response for Gozhacuo Area Change in Northwest Tibetan Plateau

Zhang Weihua1，2， Deji Yangzong1，2， Pingcuo Wangdan1，2， Li Rong3

（1Lhasa Branch of Chengdu Institute of Plateau Meteorology， CMA， Lhasa 850000， Tibet， China；

2Climate Centre of Tibet Autonomous Region， Lhasa 850000， Tibet， China； 3Agricultural Technology Extension Service Center of Tibet Autonomous Region， Lhasa 850000， Tibet， China）

Abstract： Plateau inland lakes， as an indicator of their sensitivity to climate change， are often used to analyze the trend of climate change in this region， providing scientific data support for climate prediction and ecological meteorological services. Based on the 1975 Guozhacuo topographic map， TM/ETM + in 1992 to 2018 and satellite remote sensing image data， the spatial and temporal heterogeneity in recent 40 years and the lake area with climate response were analyzed. The results showed that （1） Guozhacuo area was shrinking in a fluctuant way， by 3.22 km2with the rate of 1.30%， and the shrinking area mainly located in the outlet of Tianshui River and Chongce River； （2） the change of lake area and annual average temperature comprehensively reflected that the climate trend of the region before the 1990s was warm and wet， then changed to warm and dry； （3） the annual average temperature was the main influencing factor for the shrinking of the lake， the hysteresis of the annual average precipitation affected the glacier， and then indirectly influenced the lake area， and the annual average evaporation change responded obviously to the significant variation of the lake area.

Keywords：Multi-sourceSatelliteData；Guozhacuo；ClimateChange；RemoteSense；ClimateResponse；PlateauLake

0引言

湖泊作為陸地水圈中重要的組成部分之一，具有調(diào)節(jié)河川徑流、防洪減災(zāi)、繁衍水生動(dòng)植物、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的功能[1]。青藏高原內(nèi)陸湖泊是中國周邊區(qū)域乃至全球氣候變化指示器[2]，氣候因子對其時(shí)空動(dòng)態(tài)格局變化響應(yīng)顯著[3]。尤其是隨著全球氣候變暖，對脆弱的青藏高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)影響明顯，湖泊的水位、面積、水量、水質(zhì)以及高原濕地生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空格局、動(dòng)植物群落特征等已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)[4]。

青藏高原氣候寒冷而干燥，晝夜溫差大，湖泊群多發(fā)育在一些與山脈平行的山間盆地或巨型谷地之間，大多數(shù)湖泊因歷次造山運(yùn)動(dòng)、地層斷裂形成[5]，少數(shù)中小型湖泊受晚近地質(zhì)時(shí)期河流溯源侵蝕與切割形成[1]。近幾十年來，全球變暖趨勢明顯，青藏高原冰川萎縮加劇，為眾多高原湖泊提供了充分的水源補(bǔ)給，德吉央宗、閆麗娟等[6-8]眾多專家認(rèn)為除拉昂錯(cuò)、佩枯錯(cuò)等少數(shù)湖泊以外絕大多數(shù)的高原湖泊面積整體呈增漲趨勢；馬穎釗[9]認(rèn)為降水是納木錯(cuò)湖泊面積擴(kuò)張的直接原因，且該地區(qū)蒸發(fā)能力逐年下降；向靈芝[10]分析了波密冰川萎縮原因，認(rèn)為氣溫上升是其主要原因；勾鵬[11]通過研究納木錯(cuò)湖冰時(shí)空異質(zhì)性，得出2000—2013年間，湖冰消融期天數(shù)平均每年縮短3.1天；聶寧[12]通過研究雅魯藏布江流域的冰川，得出1976—2005年間流域內(nèi)的大型海洋型冰川沒有明顯的進(jìn)退痕跡；陳飛[13]通過研究冰雪消融特性，發(fā)現(xiàn)2000—2010年間氣候變暖、溫度上升引起寒區(qū)冰雪消融加??；朱美林[14]基于GIS估算了納木錯(cuò)地區(qū)扎當(dāng)冰川的冰儲(chǔ)量；徐曉明[15]發(fā)現(xiàn)青藏高原凍土區(qū)活動(dòng)層厚度呈增大趨勢；吳艷紅[16]基于多年影像資料發(fā)現(xiàn)同處藏西南的佩枯錯(cuò)面積在縮減，而瑪旁雍錯(cuò)和拉昂錯(cuò)均有所增加；張國慶[17]對青藏高原大于1 km2的湖泊數(shù)量與面積變化研究發(fā)現(xiàn)，1970—1990年間湖泊數(shù)量和面積略有減少，隨后明顯增加，且湖水升溫和降溫（加快的冰川融化冷水補(bǔ)給）都受氣候變暖影響；朱大崗[18]認(rèn)為1982—2007年間青藏高原河流變化不明顯，天然湖泊變化較大；李蒙[19]指出量化識別高原內(nèi)流湖泊水域面積和蓄水量變化可直觀反映封閉湖盆區(qū)內(nèi)水循環(huán)過程的氣候響應(yīng)；張博[20]對黃河上游的扎陵湖、鄂陵湖分析認(rèn)為1976—2006年間氣候向暖干方向發(fā)展直接影響了兩湖水面面積；張瑞紅等[21]指出青藏高原的湖泊擴(kuò)張、濕地減少等現(xiàn)象對高原、下游及周邊地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康程度影響顯著，其引發(fā)的次生災(zāi)害對人類生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了威脅。郭扎錯(cuò)屬典型的構(gòu)造湖，控制其形成的郭扎錯(cuò)走滑斷裂對青藏高原向東的擠出起到重要調(diào)節(jié)作用[22-24]，也對郭扎錯(cuò)空間動(dòng)態(tài)格局有一定影響。

筆者基于RS/GIS技術(shù)，利用郭扎錯(cuò)地區(qū)的1975年地形圖、1992—2018年TM/ETM+以及高分系列衛(wèi)星遙感資料，對郭扎錯(cuò)湖泊范圍信息提取，探討1975—2018年近40年郭扎錯(cuò)湖泊變化、空間范圍變化，并分析了氣候因子對湖泊面積的影響，總結(jié)了該區(qū)域氣候發(fā)展趨勢。

1研究區(qū)概況

郭扎錯(cuò)（80°55′—81°15′E，34°58′—35°5′N）又名里田湖、明亮湖（圖1），位于西藏西北日土縣北部，西昆侖山山間盆地內(nèi)，目前為封閉湖盆，在全新世以前湖水向西流入僅以低緩崗地相隔的阿克賽欽湖[25]。湖區(qū)屬昆侖高寒半荒漠、荒漠干旱氣候，平均氣溫-0.8～-6.0℃，年降水量75～100 mm。集水面積2369.4 km2，補(bǔ)給系數(shù)9.4。湖水主要依賴冰雪融水補(bǔ)給，集水域內(nèi)分布現(xiàn)代冰川62條，冰雪覆蓋面積544.34 km2，水源豐富[1]。

2資料來源與研究方法

2.1資料來源

鑒于郭扎錯(cuò)流域面積較大，氣象站點(diǎn)稀少，所以氣象資料選取距該湖較近的獅泉河和改則氣象站資料。氣象資料由西藏自治區(qū)信息網(wǎng)絡(luò)中心提供，資料年限從1970—2018年的常規(guī)氣象要素，包括氣溫、降水量、蒸發(fā)量與氣候變化密切相關(guān)的要素。

郭扎錯(cuò)湖泊數(shù)據(jù)主要通過地形圖和影像資料獲取，其中1975年來源于1：10萬區(qū)域地形圖資料，1992—2018年數(shù)據(jù)基于MSS、TM/ETM+、OLI以及GF1-WFV2衛(wèi)星遙感資料信息提取獲得（表1）。地形數(shù)據(jù)采用日本METI和美國NASA聯(lián)合研制的ASTER GDEMV2數(shù)據(jù)（空間分辨率30 m）。

2.2數(shù)據(jù)處理與方法

2.2.1湖泊面積提取選取的1992—2018年衛(wèi)星遙感影像資料均為晴空數(shù)據(jù)，時(shí)相盡量控制在9—12月湖泊面積相對穩(wěn)定的時(shí)期，利用ENVI/IDL對遙感影像進(jìn)行大氣校正、影像融合（圖2），并以1975年郭扎錯(cuò)區(qū)域地形圖為參考底圖，通過添加控制點(diǎn)進(jìn)行影像正射處理，誤差控制在1個(gè)像元以內(nèi)，完成影像增強(qiáng)等預(yù)處理。其中輸出影像坐標(biāo)統(tǒng)一采用Beijing 1954 GK Zone 13N，格式均為GeoTiff圖像格式（2003年以后的ETM資料進(jìn)行了條帶修復(fù)）。

湖泊空間范圍信息提取主要采用水體指數(shù)閾值分割和種子增長法相結(jié)合的混合方法，對于冰凍區(qū)域目視解譯插補(bǔ)，確保湖泊邊界信息位置的精準(zhǔn)性，在ArcMap中計(jì)算湖泊水體面積[26-27]（圖2）。

3湖泊面積變化分析

3.1湖泊面積變化趨勢分析

利用地形圖、TM/ETM+、OLI和GF1-WFV2衛(wèi)星遙感影像資料提取1975—2018年郭扎錯(cuò)湖泊水域面積，結(jié)果顯示近40年來湖泊水域面積呈波動(dòng)式下降趨勢（R2=0.39，P<0.001），總體面積萎縮了3.22 km2，萎縮率為1.30%。水域面積波動(dòng)具體表現(xiàn)在1975—1992年17年間增加了3.36 km2，增長率為1.34%，1994—1999年增加了4.74 km2，增長率為1.89%，2009—2012年增加了3.17 km2，增長率為1.28%，1999—2004年間湖泊面積減少了2.9 km2，萎縮率為1.16%，2006—2009年間減少了6.41 km2，萎縮率為2.56%。其中2005年湖泊面積達(dá)到最大值250.52 km2，2009年湖泊面積縮到最小244.11 km2，二者相差11.41 km2，而且其中1994—1999年間增長最為顯著，2006—2009年間下降趨勢最為顯著（圖3）。

3.2湖泊空間異質(zhì)性分析

西昆侖南坡的郭扎錯(cuò)地區(qū)是目前已觀測到的青藏高原氣溫最低處[29]，郭扎錯(cuò)周圍是基巖山坡，湖岸階地不發(fā)育，湖下岸坡陡峻[30]。通過地形圖、衛(wèi)星影像資料提取的該湖水域范圍分析得知，1975—2018年間在北部（I）、東北部（II）和南部（III）邊緣處水域范圍變化較為明顯（圖4），其余地區(qū)受基巖山坡及階地不發(fā)育影響無變化，其中I處2000年左右萎縮明顯，其次在2010年間有效部分區(qū)域湖泊面積萎縮；II處是郭扎錯(cuò)面積變化最為顯著的區(qū)域，也是在2001—2004年間明顯減少；III處主要在2012—2014年萎縮明顯。

4郭扎錯(cuò)氣候變化分析

西昆侖山脈南坡的郭扎錯(cuò)自然環(huán)境惡劣，交通不便，氣候分析采用距離較近，氣候類型基本相似，并且時(shí)間序列較長的獅泉河站和改則氣象站資料進(jìn)行分析[31]。20世紀(jì)80年代以來，郭扎錯(cuò)地區(qū)年平均氣溫逐步上升，尤其是20世紀(jì)90年代以來升溫顯著；年平均降水量上升緩慢，20世紀(jì)90年代年際變化幅度較小；年平均蒸發(fā)量帶有不明顯的周期性增減波動(dòng)，大概13年左右為一周期。

4.1年平均氣溫

郭扎錯(cuò)的氣象站資料分析表明，1971—2018年該流域地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢，平均每10年升高0.55℃（圖5）。20世紀(jì)70年代至90年代以氣溫偏低為主，進(jìn)入21世紀(jì)后，氣溫升溫較快。2000—2018年平均氣溫為1.60℃，較常年值（1981—2010年）偏高0.9℃。2016年氣溫最高值為3.0℃，較常年值偏高2.3℃。1997年平均氣溫為-1.2℃，為48年最低值，較常年值偏低-0.5℃。

4.2年降水量

年降水量變化（圖6）來看，自1970年以來降水量年際變化波動(dòng)較大，總體上呈增加趨勢，平均每10年增加9.84 mm，其中2017年平均降水量最高，為251.6 mm，較常年（1981—2010年）平均值高132.8 mm。1982年平均降水量最低，為52.9 mm，較常年平均值低65.9 mm。20世紀(jì)70年代—80年代末以降水量偏低為主，20世紀(jì)90年代以來，降水量逐步增加，流域降水以正距平居多，占51.61%，這反映出湖泊水量從降水變化中得到了一些補(bǔ)給。

4.3年蒸發(fā)量

年蒸發(fā)量變化（圖7）來看，自1970年以來蒸發(fā)量年際變化波動(dòng)較大，總體上呈弱的減少趨勢，平均每10年減少2.22 mm，其中1996年平均蒸發(fā)量最高，為2652.1 mm，較常年（1981—2010年）平均值高246.9 mm。2000年平均降水量最低，為2096.7 mm，較常年平均值低309 mm。20世紀(jì)70年代至今蒸發(fā)量以偏低為主，流域蒸發(fā)以負(fù)距平為主。

5結(jié)論與討論

筆者根據(jù)郭扎錯(cuò)地區(qū)1975—2018年的地形圖和Landsat TM/ETM+以及高分衛(wèi)星等資料，對近40年郭扎錯(cuò)湖泊時(shí)空異質(zhì)性和面積變化與氣候響應(yīng)關(guān)系研究，得出以下結(jié)論：

（1）對郭扎錯(cuò)地區(qū)氣候分析得出，溫度是該區(qū)域氣候變化最顯著的氣象因子，溫度持續(xù)上升引起西昆侖東側(cè)山脈的崇測冰川融化，為該構(gòu)造湖提供了充足的水源補(bǔ)給，降水對湖泊水量有一定補(bǔ)充作用，但蒸發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量。

（2）郭扎錯(cuò)湖岸階地不發(fā)育，周圍多為基巖山坡，湖泊空間變化主要集中在補(bǔ)給河流入湖口，20世紀(jì)90年代以前該地區(qū)氣候暖濕化，甜水河和崇測河水源充足，入湖口水位上升，湖泊面積相對增大；20世紀(jì)90年代以后該地區(qū)氣候暖干化明顯，入湖口水位下降，湖泊相對萎縮。

（3）氣溫逐漸上升，導(dǎo)致該地區(qū)蒸發(fā)年際變化增大，北側(cè)冰川積雪海拔過高，冰川區(qū)不論白天還是夜晚近地表均存在逆溫層，層結(jié)穩(wěn)定[32]，冰川融水變化不明顯，是導(dǎo)致該湖波動(dòng)式萎縮的主要原因，降水對北側(cè)冰川影響較大，間接作用于該地區(qū)的氣候變化，是湖泊面積變化的次要原因。

綜上所述，郭扎錯(cuò)湖泊面積波動(dòng)性萎縮，反映出該區(qū)域在全球變暖趨勢下，干濕化以20世紀(jì)90年代為分界點(diǎn)，90年代以前表現(xiàn)為暖濕化，溫度相對較低，冰雪融水補(bǔ)給較好，湖泊面積增加；90年代降水趨于平緩，溫度持續(xù)增加，冰雪進(jìn)一步融化，湖泊面積也在增大；但進(jìn)入21世紀(jì)，冰雪融水減少，湖泊水源補(bǔ)給不足，入湖口水位下降，湖泊面積減少，該地區(qū)氣候暖干化趨勢明顯[33]。隨著全球氣候變化異常，該區(qū)域的湖泊時(shí)空異質(zhì)性仍是研究的焦點(diǎn)。

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