1991年～2018年呼倫湖區(qū)域氣候特征及其對水域面積的影響

金鴿，安慧君*，虎日樂

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019;2 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原種苗總站,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

湖泊是氣候與環(huán)境變化的敏感指示器，是地球表層系統(tǒng)各圈層相互作用的聯(lián)結(jié)點和陸地水圈的重要組成部分[1-2]。呼倫湖地處呼倫貝爾大草原中心地帶，是對全球氣候變化響應(yīng)最敏感的地區(qū)之一。隨著全球氣候變暖，呼倫湖水位下降、水域面積萎縮、濕地退化等嚴重威脅了呼倫湖地區(qū)乃至整個東北地區(qū)的生態(tài)安全[3-5]。因此研究呼倫湖區(qū)域氣候變化特征及對其水域面積的影響，對呼倫湖水域的保護及該區(qū)域的生態(tài)安全等均具有重要意義。

目前已有大量氣候變化特征及其對湖泊面積變化影響的研究。秦伯強[6]通過1959年～1983年呼倫湖水量平衡分析發(fā)現(xiàn)，降水量增加會引起湖泊面積擴大；張娜等[7]以1991年～2009年呼倫湖地區(qū)的氣象和水域面積為基礎(chǔ)資料，用一元回歸和Spearman分析法，研究氣候變化對湖泊面積的影響，認為氣溫和蒸發(fā)量上升是影響水域面積和水位變化的主要因素；王鵬飛等[8]借鑒1961年～2018年公開發(fā)表的呼倫湖面積資料及該區(qū)域逐年氣溫、蒸發(fā)量、降水量、相對濕度分析，認為蒸發(fā)量增大是呼倫湖水面面積減小的重要原因。這些對呼倫湖的研究均采用氣象因子的年均值，研究的時間序列不同，其主要氣象要素與湖面面積的相關(guān)性存在一定差異。

自20世紀70年代以來，基于Landsat從高空獲取大范圍、多譜段、多時相的大量數(shù)據(jù)，監(jiān)測長時間序列地表覆蓋特征動態(tài)變化，已成為有效手段[9]。趙澍等[10]通過Landsat影像目視解譯，分析呼倫湖水域面積的時空變化特征及影響因素，認為其與克魯倫河及烏爾遜河的年徑流量呈顯著正相關(guān)；張璐[11]等通過Landsat ETM+和OLI影像資料研究呼倫湖面積變化，認為其水域面積的持續(xù)萎縮主要是受氣候變化和人類活動影響。因此本文利用近年廣泛應(yīng)用的Landsat數(shù)據(jù)提取呼倫湖水域面積。

因此本研究基于呼倫湖區(qū)域1991年～2018年(每隔3年共10期)的Landsat系列衛(wèi)星TM、OLI數(shù)據(jù)以及該區(qū)域氣象觀測站點的日觀測數(shù)據(jù)，分析氣候年及季節(jié)、呼倫湖水域面積變化特征及其相關(guān)性，為進一步闡述氣候變化的總體背景下，該區(qū)域近28年的氣候年、季變化特征，特別是季節(jié)氣候變化對呼倫湖水域的影響提供數(shù)據(jù)支持。對水資源管理有一定的指導作用。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫湖位于我國東北部呼倫貝爾大草原，它具有很特殊的地理位置，是對全球變化響應(yīng)最敏感的地區(qū)之一[12-13]。呼倫湖(東經(jīng)117°00′10″～117°41′40″，北緯48°30′40″～49°20′40″)是亞洲中部干旱地區(qū)最大的淡水湖，位于呼倫貝爾草原西部新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗和滿洲里之間，湖面呈不規(guī)則長方形見圖1,(審圖號：蒙S(2020)027號)。在區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護中具有特殊地位，是維系呼倫貝爾大草原生物多樣性和豐富動植物資源的重要資源[14]。呼倫湖湖水的主要補給來自于蘭鄂羅木河、克魯倫河、烏爾遜河，少量的地下水及自然降水是次要補給。

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于呼倫湖周邊新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗、滿洲里市3個氣象觀測站點，選取1991年～2018年共28年的日觀察的數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水量、蒸發(fā)量、相對濕度、積雪、風速、日照等多條記錄，數(shù)據(jù)為Excel表格。

遙感影像為Landsat系列衛(wèi)星影像(TM、OLI)，影像空間分辨率30 m，來自美國USGS(美國地質(zhì)勘探局)官網(wǎng)，自1991年起至2018年、每3年1期的影像，共10期遙感影像。

1.2.2 研究方法

1.2.2.1 氣象數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)研究需要，對原始日觀察數(shù)據(jù)(Excel)進行篩選、統(tǒng)計，采用Matlab軟件的曼-肯德爾(M-K)趨勢及突變檢驗法、一元線性回歸處理28年的氣象數(shù)據(jù)。四季中春季為3月～5月，夏季為6月～8月，秋季為9月～11月，冬季為12月～翌年2月。

選用SPSS 19.0軟件，采用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析各氣象因子間的關(guān)系及其與呼倫湖水域面積的相關(guān)關(guān)系。M-K檢驗法判斷氣候序列中是否存在氣候突變及突變發(fā)生的時間、時間序列變化趨勢的顯著性，均參考文獻[8,15]。

1.2.2.2 水體面積提取

利用ENVI將Landsat影像數(shù)據(jù)進行大氣校正、幾何校正、輻射定標等預處理[16]；采用改進的歸一化差異水域指數(shù)(MNDWI)提取水域信息[17]，其計算方法如公式(1)。

MNDWI=(G-MIR)/(G+MIR)。

(1)

式中：G代表綠光波段，MIR代表中紅外波段；TM影像分別為2波段和5波段，OLI影像分別為3波段和6波段。

1.2.2.3 呼倫湖水域面積變化率計算

呼倫湖水域面積變化計算方法如公式(2)。

水域面積變化率=(期末水域面積-期初水域面積)/期初水域面積。

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 呼倫湖區(qū)域氣候變化分析

2.1.1 氣溫變化

由圖2、表1可知，呼倫湖區(qū)域年均氣溫2012年發(fā)生突變。年均氣溫變化率為-0.009 1 ℃·a-1，1991年～2018年總體呈不顯著下降趨勢；但其中1991年～1999年、2006年～2009年呈上升趨勢，1999年～2006年較穩(wěn)定，2009年～2018年呈下降趨勢；年均最高、最低氣溫分別出現(xiàn)在2007年(2.67 ℃)、2012年(-0.50 ℃)。春、夏、秋季均溫變化率分別為0.014 2 ℃·a-1、0.043 8 ℃·a-1和0.013 5 ℃·a-1，均呈上升趨勢；其中夏季氣溫呈顯著上升趨勢。冬季均溫變化率為-0.108 ℃·a-1，呈極顯著下降趨勢。28年間，呼倫湖區(qū)域年均氣溫有下降趨勢。但春秋季均溫升高且不明顯，夏季均溫越來越高、冬季均溫越來越低，表現(xiàn)出兩極化趨勢。

圖2 氣溫M-K突變檢驗結(jié)果

表1 氣溫變化率及M-K分析結(jié)果

2.1.2 降水量變化

由圖3、表2可知，呼倫湖區(qū)域年降水量2001年和2015年發(fā)生突變。年降水量變化率-0.296 3 mm·a-1，1991年～2018年呈不顯著下降趨勢；但其中1991年～2001年呈明顯上升趨勢、2001年～2018年呈明顯下降趨勢。1998年年降水量最多達到448.5 mm、2001年最少為89.23 mm。春、秋和冬季降水量變化率分別為0.711 4 mm·a-1、0.175 8 mm·a-1和0.204 8 mm·a-1，均呈上升趨勢，其中春季上升顯著、冬季上升極顯著；夏季降水量變化率為-1.388 3 mm·a-1，呈不顯著下降趨勢；夏季降水量占全年降水量的70%以上，與年降水量變化關(guān)系緊密的。

圖3 降水量M-K突變檢驗結(jié)果

表2 降水量變化率及M-K分析結(jié)果

2.1.3 相對濕度變化

由圖4、表3可知，呼倫湖區(qū)域平均相對濕度2017年發(fā)生突變。1991年～2018年平均相對濕度變化率為-0.204 8%·a-1，呈極顯著下降趨勢(P<0.01)；其中2007年～2016年呈顯著下降趨勢(P<0.05)。四季平均相對濕度均呈下降趨勢，其中夏、冬季分別為顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)下降趨勢；春、秋季下降趨勢不顯著。呼倫湖區(qū)域四季相對濕度均減少，趨于干旱。

圖4 相對濕度M-K突變檢驗結(jié)果

表3 相對濕度變化率及M-K分析結(jié)果

2.1.4 蒸發(fā)量變化

由圖5、表4可知，呼倫湖區(qū)域年蒸發(fā)量2013年發(fā)生突變。1991年～2018年年蒸發(fā)量變化率2.271 8 mm·a-1，呈顯著上升趨勢(P<0.05)。春、夏、秋季蒸發(fā)量變化率分別為0.737 9 mm·a-1、1.246 9 mm·a-1、0.320 3 mm·a-1，均呈上升趨勢，其中夏季蒸發(fā)量上升顯著(P<0.05)；冬季蒸發(fā)量變化率為-0.058 9 mm·a-1，呈不顯著下降趨勢。

圖5 蒸發(fā)量M-K突變檢驗結(jié)果

表4 蒸發(fā)量變化率及M-K分析結(jié)果

2.1.5 積雪量變化

本文分析主要積雪季的冬季平均積雪量。圖6可知，呼倫湖區(qū)域積雪量1995年和1998年發(fā)生突變。近28年來積雪量變化率為0.142 3 cm·a-1，呈極顯著上升趨勢(P<0.01)；其中1991年～1998年積雪量變化基本穩(wěn)定，1999年～2002年穩(wěn)中有升，其后上升顯著。

圖6 積雪量M-K突變檢驗結(jié)果

近28年呼倫湖區(qū)域主要氣象因子變化:年均氣溫、年降水量呈不明顯下降趨勢，年蒸發(fā)量呈顯著上升趨勢，平均相對濕度呈極顯著下降趨勢。春秋兩季濕度下降不顯著。氣溫、降水量、蒸發(fā)量均呈上升趨勢，其中春季降水量顯著上升。夏季氣溫、蒸發(fā)量顯著上升，降水量呈不顯著下降趨勢，濕度顯著下降。冬季降水量、積雪量均呈極顯著上升趨勢，氣溫、濕度均呈極顯著下降趨勢，蒸發(fā)量呈不顯著下降趨勢。呼倫湖區(qū)域出現(xiàn)冬季寒冷其它季節(jié)暖化的趨勢，四季趨于干燥特別是夏季，整體趨于暖干化。

2.2 水域面積變化分析

呼倫湖水域面積的變化(表5、圖7)，呼倫湖東北部附屬小湖到2006年基本消失；南岸水域2012年萎縮最為顯著。呼倫湖水域面積變化可分為3個階段，1991年～1997年水域面積表現(xiàn)為先減少后增加的波動期，變化率為0.63%，6年間水域面積增加5.59 km2，1997年水域面積在10期中表現(xiàn)為最大，達到2 326.81 km2。1997年～2012年總體表現(xiàn)為波動下降趨勢，總變化率為-24.77%，呼倫湖水域面積持續(xù)縮減，即處于萎縮期；水域面積2012年在10期中最小，為1 750.36 km2。2012年后水域面積持續(xù)增加，6年的變化率為16.43%，處于恢復期。研究期呼倫湖水域面積縮小了273.92 km2，減少11.85%。

表5 呼倫湖水域面積變化率

圖7 呼倫湖水域面積變化圖

2.3 氣象因子的相關(guān)性分析

對呼倫湖區(qū)域1991年～2018年連續(xù)28年對應(yīng)年份的氣溫、降水、相對濕度和蒸發(fā)量進行相關(guān)性分析得表6。蒸發(fā)量與降水量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)、相關(guān)系數(shù)為-0.686，與年均相對濕度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)、相關(guān)系數(shù)為-0.871；表明隨著降水量和相對濕度降低蒸發(fā)量上升。

表6 各氣象因子間的相關(guān)性分析

2.4 氣象因子與水域面積相關(guān)分析

10期水域面積與對應(yīng)年份的主要氣象因子進行相關(guān)分析，如表7所示。

表7 呼倫湖水域面積與各氣象因子間的相關(guān)性分析

呼倫湖水域面積與夏季平均氣溫、蒸發(fā)量呈顯

著負相關(guān)(P<0.05)，說明夏季平均氣溫高、蒸發(fā)量大，水域面積會萎縮；與冬季平均氣溫、呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與冬季平均積雪量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

本文對呼倫湖區(qū)域近28年的氣象數(shù)據(jù)進行年和四季水平的變化分析，并研究其對水域面積的影響。對主要氣象因子的分析表明，呼倫湖區(qū)域年均氣溫及年降水量基本穩(wěn)定，相對濕度降低極顯著、蒸發(fā)量增加顯著；夏季氣溫、蒸發(fā)量增加顯著，相對濕度降低顯著，降水量基本穩(wěn)定；總體表現(xiàn)為暖干化趨勢。與王紹武等[18]分析全球氣候變暖的趨勢及王鵬飛[8]分析1961年～2018年呼倫湖區(qū)域氣候變化的趨勢基本一致。本研究與王鵬飛[8]基于60年的氣象數(shù)據(jù)，在其重疊區(qū)間得出的呼倫湖區(qū)域年蒸發(fā)量、相對濕度突變年份差異較大，這與時間序列的選取有關(guān)；從降水量變化趨勢看，二者的研究結(jié)果一致。本區(qū)域四季變化明顯，結(jié)合這一特點，本研究在年度氣象要素分析的基礎(chǔ)上增加了四季氣象要素的變化分析，認為該區(qū)域出現(xiàn)了冬季寒冷、其它季節(jié)暖化，且四季特別是夏季趨于高溫、干燥顯著的趨勢。近年對呼倫湖區(qū)域的相關(guān)研究中[8,10,18]，尚無此報道。

本研究基于1991年～2018年(每隔3年共10期)的Landsat數(shù)據(jù)提取呼倫湖水域面積進行分析，認為1991～1997年為基本穩(wěn)定期；1997～2012年間為持續(xù)萎縮期；2012～2018年間為恢復期。趙慧穎等[19]基于1959年～2006年呼倫湖水域面積的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析認為，1959年～1963年、1983年～1991年為緩慢增加期，1964年～1982年、1992年～2006年為逐年減少期，與本研究劃分略有不同，但時間序列重疊部分結(jié)論基本一致。本研究呼倫湖水域面積從2012年的1 750.36 km2，逐漸恢復到2018年的2 038.03 km2，以年均47.95 km2即2.73%的速率增加，與王鵬飛[8]基本穩(wěn)定在2 030 km2左右的結(jié)論一致，恢復速率不一致與研究期的選取有關(guān)，本研究主要關(guān)注近期。

湖面蒸發(fā)是呼倫湖水量消耗的主要途徑[8]。Pearson相關(guān)性分析表明，呼倫湖水域面積與年均氣溫、年蒸發(fā)量無顯著相關(guān)；與夏季平均氣溫、蒸發(fā)量呈顯著負相關(guān)。該區(qū)域夏季氣溫升高、蒸發(fā)量增加是影響呼倫湖水域面積萎縮的主要因素。結(jié)合氣象因子間的相關(guān)性，本研究認為水域面積變化與降水量關(guān)系不顯著，夏季平均氣溫升高、平均相對濕度下降和蒸發(fā)量上升是導致呼倫湖水域面積萎縮的主要氣象因子。在該地氣候條件的總體背景下，湖泊面積對年均氣象要素響應(yīng)不明顯。Pearson相關(guān)性分析是對兩個變量之間線性相關(guān)程度的衡量，其結(jié)果存在與實際不符的情況[8]。本研究出現(xiàn)了呼倫湖水域面積與冬季氣溫呈極顯著正相關(guān)、冬季積雪量呈極顯著負相關(guān)。28年統(tǒng)計資料顯示，該區(qū)域冬季平均氣溫-24.81 ℃、平均積雪6.52 cm，相對濕度66.67%，蒸發(fā)量19.8 mm、占全年的2.09%，此條件下，湖面處于長期冰封狀態(tài)，一般不會發(fā)生變化。另外影像選用時間段是5月～9月，距積雪融化對湖面產(chǎn)生影響的時間長。故認為這種相關(guān)關(guān)系不符合實際。

徑流及人為活動也是影響呼倫湖水域面積變化的主要因素[10-11]，今后應(yīng)綜合考慮氣象因子、徑流及人為因素等對湖泊水域面積變化的影響進行分析。

3.2 結(jié)論

(1)呼倫湖區(qū)域年均氣溫和冬季氣溫降低，春、夏、秋季氣溫升高；年蒸發(fā)量和春、夏、秋季蒸發(fā)量增多，冬季蒸發(fā)量減少；降水量和相對濕度降低；氣候趨于暖干化。(2)呼倫湖水域面積變化可分為3個階段，1991年～1997年為基本穩(wěn)定期；1997年～2012年為持續(xù)萎縮期；2012年～2018年為恢復期。2012年水域面積最小、為1 750.36 km2，1997年水域面積最大、為2326.81 km2；28年間呼倫湖水域面積縮小273.92 km2，年均減少0.42%。南岸水域基本穩(wěn)定，東北部附屬小湖水域面積消失。(3)夏季平均氣溫升高、平均相對濕度下降和蒸發(fā)量上升是導致呼倫湖水域面積萎縮的主要氣象因子。