近40 a藏西北魯瑪江冬錯湖面變化的多源衛(wèi)星遙感監(jiān)測

德吉央宗 , 白瑪仁增 , 白瑪央宗 , 強巴歐珠 , 邊 多

（1. 中國氣象局成都高原氣象研究所拉薩分部, 拉薩 850000；2. 西藏自治區(qū)氣候中心, 拉薩 850000；3. 西藏林芝市氣象局, 林芝 860000）

引言

青藏高原分布著約1200個面積大于1 km2的湖泊，占中國湖泊數(shù)量與面積的一半；同時也是黃河、長江、恒河、印度河等大河的源頭，被稱為“亞洲水塔”[1]。青藏高原湖泊受人類活動直接影響較小，大多數(shù)湖泊水量變化主要受自然氣候因素的控制，湖面變化趨勢和過程能夠很好地反映氣候變化歷史[2]。近幾十年來，在全球變暖的背景下，青藏高原升溫更加突出，其能量與水循環(huán)發(fā)生了顯著變化，氣候趨于暖濕化，冰川大面積退縮和湖泊面積擴(kuò)張改變了高原與地面的物質(zhì)能量交換，而地面溫度的升高、蒸發(fā)增大和凍土退化等因素將導(dǎo)致青藏高原災(zāi)害頻發(fā)[1,3]。因此，加強青藏高原湖泊動態(tài)觀測研究對于認(rèn)識區(qū)域氣候變化事實和防災(zāi)減災(zāi)具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

藏西北地處高原，大氣透明度高，晴空日數(shù)較多，運用衛(wèi)星遙感手段可以實時、準(zhǔn)確、定量地掌握湖泊水域面積變化。近年來，針對該區(qū)域湖泊的動態(tài)觀測研究取得了一系列進(jìn)展。Zhang等[4]研究指出青藏高原湖泊面積、水位與水量變化相似，并同時經(jīng)歷了1970s~1995年略有減少、1996~2010年快速增加以及近幾年來(2011~2015年)增速減緩的階段。邊多等[5]、孟楷等[6]、德吉央宗等[7]研究指出近40 a色林錯湖面呈較顯著的擴(kuò)張趨勢。李蒙等[8]、馬穎釗等[9]、德吉央宗等[10]研究表明近40 a納木錯蓄水量增加了97.85×108m3，增加比例達(dá)到9.93%；納木錯湖泊面積不斷擴(kuò)張，尤其是近10 a來最為劇烈，2001~2009年湖面擴(kuò)張超過50 km2，流域降水變化是納木錯湖泊面積擴(kuò)張的直接原因。在此背景下，張國慶等[11]研究表明，青藏高原地區(qū)色林錯、納木錯湖顯示出湖面高程增加。德吉央宗等[12]研究表明近40 a扎日南木錯湖泊面積呈增長趨勢，增長面積為7.08 km2，氣溫升高可能是湖面擴(kuò)大的原因之一。閆立娟等[13]提取了青藏高原所有湖泊邊界信息，建立了青藏高原湖泊空間數(shù)據(jù)庫，指出1973~2010年青藏高原湖泊個數(shù)和總面積呈顯著增加趨勢。

總的說來，針對西藏西北部典型湖泊如色林錯、納木錯、扎日納木錯的研究比較多，而對魯瑪江冬錯的研究未見報道。本文擬利用多時相高分辨率遙感影像、地形圖和DEM數(shù)據(jù)，分析近40 a魯瑪江冬錯湖泊面積的時空演變規(guī)律，并結(jié)合獅泉河和改則站的氣象觀測資料，探討魯瑪江冬錯流域氣溫、降水和蒸發(fā)等氣象要素對湖泊面積變化的影響。

1 研究區(qū)概況

魯瑪江冬錯（33°54′~34°07′N，81°27′~81°49′E），又名措作錯，位于西藏阿里地區(qū)日土縣境內(nèi)，該縣地形地貌為高原山地寬谷湖盆區(qū)，平均海拔4500 m。魯瑪江冬錯呈近似鳥足狀，湖泊水位4810 m，面積324.8 km2。湖岸陡峭曲折多灣，岸線長146.0 km，發(fā)育系數(shù)2.29。湖水主要依賴東南部入湖的爾瑪好爾毛河地表徑流和冰雪融水滲漏形成的地下徑流補給，屬內(nèi)陸尾閭湖（圖1）。

圖1 魯瑪江冬錯流域位置示意

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域底圖利用了1975年出版的1:100000的電子版地形圖和DEM資料，用于了解近40 a的湖泊變化情況。根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量和云量情況，文中選取20世紀(jì)90年代3期、2000~2018年19期覆蓋魯瑪江冬錯的遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為Landsat-7（TM、ETM）、Landsat-5 TM、Landsat 8 OLI_TRIS和高分1號遙感影像數(shù)據(jù)。陸地衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gsclou.cn）和中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心（http://218.247.138.119），具體影像數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)

本研究共選用22期多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)分辨率介于16~57 m，其中Landsat-TM/ETM數(shù)據(jù)的分辨率為28.5~30.0 m，高分1號分辨率為16 m。由于湖泊的季節(jié)性變化很明顯，因此，遙感資料獲取時間為相應(yīng)年份的10~12月水位穩(wěn)定季節(jié)，均為無云晴空資料。地理投影為UTM-WGS84投影坐標(biāo)系，輸出格式為GeoTIFF。

由于流域面積較大，氣象臺站稀少，氣象資料選取魯瑪江冬錯周圍的獅泉河和改則站。氣象觀測資料由西藏自治區(qū)氣象局信息網(wǎng)絡(luò)中心提供，資料年限為1970~2018年，包括氣溫、降水量、蒸發(fā)量等與氣候變化密切相關(guān)的要素。

2.2 數(shù)據(jù)處理與方法

湖泊面積提取方法如下：首先在ENVI 遙感圖像處理軟件下，對所有影像進(jìn)行彩色合成，導(dǎo)出帶有地理信息的Geotif 文件（通過假彩色合成，水體在合成后的影像中均表現(xiàn)為藍(lán)黑色）；其次，依據(jù)馬里蘭大學(xué)校正過的資料（2001年）作為基準(zhǔn)圖對 1992~2018年衛(wèi)星遙感影像圖進(jìn)行幾何校正（對高分影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了正射校正），所有圖像誤差控制在一個像元之內(nèi)，且選擇通道組合突出湖泊水體的遙感信息；最后，利用ARCMAP軟件對1992~2018年的湖泊數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，編譯提取邊界和計算湖泊水體面積，將不同年份的（選取變化比較大的年份）湖泊面積疊加制圖。

計算氣象要素趨勢變化率采用如下公式：

式中：Y為氣象要素，t為時間，a0為常數(shù)項，a1為線性趨勢項，把a1×10 表示為氣象要素每10 a的氣候傾向率(變化趨勢)，常年平均值采用1981~2010年30 a平均值。

3 湖泊變化特征分析

3.1 湖泊水面面積變化特征

通過對1975~2018年多源衛(wèi)星遙感資料分析，發(fā)現(xiàn)近40 a魯瑪江冬錯湖面面積總體呈上升趨勢（圖2）。具體表現(xiàn)為：1975~1993年湖泊面積增長了2.44 km2，1994~1998年湖泊面積增長了2.34 km2，1999~2000年湖泊面積增長了3.46 km2；2000年以后湖泊面積持續(xù)增長，2007年有了一個突變，湖泊面積為376.3 km2，與1975年相比，增長了32.63 km2；2001~2017年湖泊面積增長了49.18 km2，增幅為12.26%；2018年魯瑪江冬錯湖面面積為399.49 km2，較1975年（343.67 km2）擴(kuò)張55.82 km2，擴(kuò)張率為13.97%。

圖2 1975~2018年魯瑪江冬錯湖面面積變化

3.2 湖泊空間動態(tài)變化

從魯瑪江冬錯湖泊面積空間變化（圖3）看，近20 a魯瑪江東錯水域面積向四周擴(kuò)展，其中湖泊西南部和東部變化較明顯。分析1992~2018年魯瑪江冬錯湖面空間局部變化（圖4）可知：2000年與1992年比較，魯瑪江冬錯湖面變化較明顯的區(qū)域位于該湖的西南岸和東部，分別向外擴(kuò)張；同樣，2018年與1992年相比，擴(kuò)張方向與前者相同，且擴(kuò)張更明顯；2010年湖泊擴(kuò)大較為顯著，2018年達(dá)到最大。

圖3 1992~2018 年魯瑪江冬錯湖面空間變化

圖4 1992~2018年魯瑪江冬錯湖面空間局部變化（黑色水體為2017年10月8日影像）

4 湖泊面積變化的成因分析

已有研究[14]表明，氣候變化對湖泊變化的影響很大，近幾十年來，受氣候變化周期性和冰川快速消融等要素的影響，我國西部地區(qū)湖泊水量和面積呈現(xiàn)明顯的波動變化，不同時段萎縮與擴(kuò)張交替變化。閭利等[15]分析了青藏高原2000~2016年湖泊面積變化，發(fā)現(xiàn)青藏高原面積>50 km2的138個湖泊整體呈顯著擴(kuò)張趨勢，與地表徑流和河流補給為主要補給源的湖泊相比，冰川融水為主要補給來源的湖泊擴(kuò)張趨勢更為明顯，此外在青藏高原氣候向暖濕化方向發(fā)展的背景下，湖泊面積與氣候因素具有顯著的區(qū)域相關(guān)性。整體而言，氣溫主要影響以冰川融水為主要補給來源的湖泊，降水量主要影響以降水和地表徑流為主要補給來源的湖泊。而魯瑪江冬錯的補給類型為地表徑流和冰川融水補給，氣溫、降水和蒸發(fā)等氣象要素均對湖泊面積變化有重要影響。

4.1 氣候因子的變化特征

劉佳麗等[16]指出1990~2015年青藏高原湖泊范圍整體上呈顯著擴(kuò)張趨勢，湖泊個數(shù)也逐年增加，表現(xiàn)為穩(wěn)定且持續(xù)擴(kuò)張趨勢，造成湖泊面積擴(kuò)張的主要因素是氣溫變化、冰雪融水量的增加以及降水量的增多。

圖5給出了1970~2018年魯瑪江冬錯流域氣溫、降水量和蒸發(fā)量的逐年變化及線性趨勢。如圖所示，近50 a魯瑪江冬錯流域氣溫和降水量呈上升趨勢，蒸發(fā)量呈減少趨勢。

如圖5a所示，1970~2018年該流域年平均氣溫呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.55℃/10 a。20世紀(jì)70~90年代以氣溫偏低為主，進(jìn)入21世紀(jì)后，氣溫快速升溫。2000~2018年平均氣溫為1.60℃，較常年值（1981~2010年）偏高0.9℃。年平均氣溫在2016年最高（3.0℃），較常年值偏高2.3℃。年平均氣溫在1997年最低（-1.2℃），較常年值偏低-0.5℃。

如圖5b所示，1970~2018年該流域年降水量年際變化波動較大，總體上呈增加趨勢，氣候傾向率為9.84 mm/10 a，其中年降水量在2017年最多（251.6 mm），較常年（1981~2010年）平均值高132.8 mm。年降水量在1982年最低（52.9 mm），較常年平均值低-65.9 mm。20世紀(jì)70~80年代末以降水量偏低為主，90年代以來，降水量呈增加趨勢，流域降水以正距平居多，占51.61%，這反映出湖泊水量從降水中得到了一些補給。

如圖5c所示，1970~2018年該流域年蒸發(fā)量年際變化波動較大，總體上呈弱的減少趨勢，氣候傾向率為-2.22 mm/10 a。年平均蒸發(fā)量在1996年最高（2652.1 mm），較常年（1981~2010年）平均值高246.9 mm。年平均蒸發(fā)量在2000年最低（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。

圖5 1970~2018年魯瑪江冬錯流域年平均氣溫（a）、年降水量（b）和年蒸發(fā)量（c）逐年變化及線性趨勢

4.2 氣候因子對湖面變化的影響

氣候變化直接或間接影響著湖泊水量的收入和支出，是湖泊變遷的主要驅(qū)動因素。董斯揚等[17]研究表明，近40 a青藏高原氣候暖濕化程度明顯，氣候變化對湖泊面積變化影響顯著。

通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：1975~2018年魯瑪江冬錯流域年平均降水量、年平均氣溫與其湖泊面積呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.4111、0.659，分別通過了0.05、0.001水平的顯著性檢驗（圖略），反映出氣溫升高和降水增加可能是導(dǎo)致魯瑪江冬錯湖面面積增長的重要原因，與以冰川融水補給為主的納木錯、色林錯、班公錯等湖泊面積均有不同程度增加的結(jié)論一致[2,18-20]。湖面面積增加的湖泊有一個共同的特點，就是冰川融水占入湖水量的比例大，湖泊流域內(nèi)冰川本身有強烈的退縮現(xiàn)象。因此，湖泊面積的增加與氣候變暖變濕、冰川消融密切相關(guān)[2,18-20]。

5 結(jié)論

本文選取衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地形圖和DEM數(shù)據(jù)，分析魯瑪江冬錯湖面的時空演變特征，并結(jié)合該流域的氣象觀測資料，探討了魯瑪江冬錯湖面對氣候變化的響應(yīng)，得到如下結(jié)論：

（1）1975~2018年魯瑪江冬錯湖面面積總體呈增長趨勢，擴(kuò)張了55.82 km2，擴(kuò)張率為13.97%。1975~1993年湖泊面積增長2.44 km2；1994~1998年湖泊面積增長2.34 km2；1999~2000年湖泊面積增長3.46 km2；2001~2017年間湖泊面積增長49.18 km2。

（2）1992~2018年魯瑪江冬錯水域面積向四周擴(kuò)展，其中湖泊西南部和東部變化較明顯。2000年與1992年比較，魯瑪江冬錯湖面變化較明顯的區(qū)域位于該湖的西南岸和東部，分別向外擴(kuò)張。同樣，2018年與1992年相比，擴(kuò)張方向與前者相同，且擴(kuò)張得更明顯。

（3）1970~2018年魯瑪江冬錯流域年平均氣溫呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.55℃/10 a；年降水量年際變化波動較大，總體呈增加趨勢，氣候傾向率為9.84 mm/10 a；年蒸發(fā)量年際變化波動較大，總體呈弱的減少趨勢，氣候傾向率為-2.22 mm/10 a。

（4）近40 a魯瑪江冬錯流域年平均降水量、年平均氣溫均與其湖泊面積呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.4111、0.659，分別通過了0.05、0.001水平的顯著性檢驗，反映出氣溫升高和降水增加可能是導(dǎo)致魯瑪江冬錯湖面面積增長的重要原因。