多源衛(wèi)星資料綜合監(jiān)測(cè)黃河流域生態(tài)環(huán)境變化與天氣現(xiàn)象

文 | 周芳成 韓秀珍 唐世浩 耿維成 張曄萍 張志清

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心

一、前言

黃河發(fā)源于青海省巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地，成“幾”字形流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東九個(gè)?。▍^(qū)），在山東省墾利縣注入渤海，干流全長(zhǎng)5464km，流域面積79.6萬(wàn)平方千米，是我國(guó)第二長(zhǎng)河，世界第五長(zhǎng)河。

黃河是中華民族的母親河，孕育了璀璨的中華文明。自古以來(lái)，黃河流域人類活動(dòng)強(qiáng)度大、地貌單元復(fù)雜、生態(tài)系統(tǒng)類型多樣化以及區(qū)域氣候差異明顯等特點(diǎn)，使得黃河流域生態(tài)敏感區(qū)和脆弱區(qū)面積大、類型多、程度也比較深，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為了更好地保護(hù)黃河、服務(wù)黃河、發(fā)展黃河，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心針對(duì)黃河流域地勢(shì)高程、土地利用、土壤含水量、植被覆蓋、湖泊、大氣環(huán)境等多個(gè)生態(tài)環(huán)境要素，利用多源衛(wèi)星資料開展了綜合監(jiān)測(cè)，對(duì)黃河流域長(zhǎng)時(shí)序生態(tài)環(huán)境變化以及短臨天氣現(xiàn)象進(jìn)行了持續(xù)追蹤。

二、黃河流域地勢(shì)

黃河流域的地勢(shì)從西到東呈三級(jí)階梯下降趨勢(shì)。最高一級(jí)階梯位于黃河的源頭區(qū)，主要位于青海和四川，地處“世界屋脊”青藏高原的東北部，平均海拔4000m以上，最高點(diǎn)超過(guò)5100m。第二級(jí)階梯大致以太行山為東界，流經(jīng)甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西等地區(qū)，海拔1000～2000m，包括河套平原、鄂爾多斯高原、黃土高原和汾渭盆地等較大的地貌單元。第三級(jí)階梯自太行山系以東直至渤海入?？冢窘?jīng)河南、山東，由黃河下游沖積平原和魯中丘陵組成，海拔一般在100m以下，最低處低于10m（圖1）。黃河干流巨大的高程差蘊(yùn)藏了豐富的水力資源，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，黃河流域陸續(xù)建設(shè)了三門峽、三盛公、青銅峽等十多座大型水利樞紐，承擔(dān)著灌溉、航運(yùn)、發(fā)電、養(yǎng)殖、蓄洪、排凌、排沙、排污等重要作用。

圖1 黃河流域90m分辨率高程圖（單位：m）

三、黃河流域土地利用

黃河流域從東部濱海到西部源頭共跨越四個(gè)植被地帶：落葉闊葉林帶、草原帶、荒漠帶、青藏高原帶（圖2）。

圖2 黃河流域16m分辨率多通道合成圖（2019年）

根據(jù)中分辨率成像光譜儀生產(chǎn)的2019年黃河流域土地利用分類數(shù)據(jù)（圖3）可知，黃河流域主要土地利用類型是草地，約占全部流域面積的70.5%；其次是耕地，約占全部流域面積的20.6%，兩者占據(jù)了黃河流域全部面積的91.1%。其他土地利用類型如林地（5.3%）、城鎮(zhèn)工礦用地（0.9%）、未利用土地（2.3%）、水域（0.4%）占比相對(duì)較小。

圖3 黃河流域土地利用圖（2019年）

四、黃河流域生態(tài)環(huán)境變化

利用2007-2019年的氣象衛(wèi)星土壤干旱指數(shù)產(chǎn)品、植被指數(shù)產(chǎn)品和大氣氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品對(duì)黃河流域進(jìn)行了土壤含水量、植被覆蓋度和大氣環(huán)境質(zhì)量的遙感監(jiān)測(cè)，并構(gòu)建了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，對(duì)黃河流域的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果顯示：黃河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈逐年向好發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一是上游水源涵養(yǎng)能力穩(wěn)定提升（圖4）。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的土壤干旱指數(shù)（與土壤濕度呈負(fù)相關(guān)，其值越低，表明土壤含水量越高）顯示，黃河上游土壤含水量與歷史值相比呈上升趨勢(shì)，2019年黃河上游土壤含水量達(dá)到近年最高，較2007-2014年歷史平均值提高9.2%。

圖4 黃河流域植被垂直干旱指數(shù)分布圖

二是中游植被覆蓋明顯提升（圖5）。近5年黃河流域的植被指數(shù)與2007-2014年平均值相比呈明顯上升趨勢(shì)，特別是中游地區(qū)，2018年達(dá)到最高，較2007-2014年平均值提高9.7%；2019年略有回落，較2007-2014年平均值提高8.1%。

圖5 黃河流域植被指數(shù)分布圖

三是下游空氣質(zhì)量明顯改善（圖6）。自2013年以來(lái)黃河流域的氣溶膠光學(xué)厚度顯著下降，下游的河南和山東地區(qū)在2019年氣溶膠光學(xué)厚度較2007-2014年平均值降低了17.6%。

圖6 黃河流域氣溶膠光學(xué)厚度分布圖

四是黃河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯提高（圖7）。參照環(huán)保部2015年頒發(fā)的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，利用遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建了遙感生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型：植被指數(shù)、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力和綠度指數(shù)，表征原標(biāo)準(zhǔn)中的生物豐度指數(shù)與植被覆蓋指數(shù)；垂直干旱指數(shù)，表征原標(biāo)準(zhǔn)中的土地脅迫指數(shù)；氣溶膠光學(xué)厚度，表征原標(biāo)準(zhǔn)中的污染負(fù)荷指數(shù)。通過(guò)主成分分析法計(jì)算了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，并對(duì)計(jì)算出的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行了歸一化：其值0-0.2表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差，0.2-0.4表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差，0.4-0.6表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量合格，0.6-0.8表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良，0.8-1.0表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)。黃河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)良的面積占比從2007年的26.9%上升至2019年的39.8%；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為較差的區(qū)域全部轉(zhuǎn)為合格及優(yōu)良。與2007年相比，2019年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的黃河流域南部地區(qū)持續(xù)向好，西北部地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯改善。

圖7 黃河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分布圖

五、黃河短臨天氣現(xiàn)象監(jiān)測(cè)

扎陵湖和鄂陵湖是黃河上游的大型湖泊（圖8），并稱為“黃河源頭姊妹湖”，除了對(duì)黃河源區(qū)徑流量有調(diào)蓄作用，兩湖還被列入國(guó)際重要濕地名錄，是寶貴的生物資源庫(kù)，魚類、鳥類、植物資源非常豐富。

圖8 扎陵湖與鄂陵湖16m分辨率多通道合成圖

利用風(fēng)云三號(hào)D星250m真彩色影像可以清晰看到兩湖冰雪融化以及上游來(lái)水增加導(dǎo)致的兩湖面積增大過(guò)程。如圖9所示，2020年5月9日扎陵湖已基本融化，僅留東部小部分結(jié)冰區(qū)域，而鄂陵湖仍處于大面積結(jié)冰狀態(tài)，見(jiàn)圖9（a）；2020年6月23日兩湖已全部融化，此時(shí)兩湖面積相對(duì)較小，見(jiàn)圖9（b）；2020年8月2日，由于上游來(lái)水量增大，兩湖面積均有所增加，特別是鄂陵湖，其西南面河流入流處面積增大尤為明顯，見(jiàn)圖9（c）。

圖9 扎陵湖與鄂陵湖250m分辨率衛(wèi)星影像圖

六、結(jié)束語(yǔ)

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是重大國(guó)家戰(zhàn)略，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)，是生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐。要貫徹新發(fā)展理念，遵循自然規(guī)律和客觀規(guī)律，統(tǒng)籌推進(jìn)山水林田湖草沙綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理，改善黃河流域生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化水資源配置，促進(jìn)全流域高質(zhì)量發(fā)展，改善人民群眾生活，保護(hù)傳承弘揚(yáng)黃河文化，讓黃河成為造福人民的幸福河。

在對(duì)黃河流域的綜合監(jiān)測(cè)方面，衛(wèi)星遙感具有空間可視性好、監(jiān)測(cè)范圍廣、重訪周期短、服務(wù)成本低等優(yōu)勢(shì)，利用多源衛(wèi)星資料綜合監(jiān)測(cè)黃河流域生態(tài)環(huán)境變化以及短臨天氣現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河流域主要生態(tài)系統(tǒng)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和早期預(yù)警，為黃河流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)提供更有針對(duì)性的氣象服務(wù)，貢獻(xiàn)氣象智慧和力量。