呼伦湖水面动态变化遥感监测及气候因素驱动分析

万华伟,康　峻,高　帅,申文明*(.环境保护部卫星环境应用中心,北京 0009；.中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 000；3.中国科学院大学资源与环境学院,北京 00049)



呼伦湖水面动态变化遥感监测及气候因素驱动分析

万华伟1,康峻2,3,高帅2,申文明1*(1.环境保护部卫星环境应用中心,北京 100029；2.中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100101；3.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049)

摘要：利用长时间序列的MODIS数据,采用水体指数动态分析的方法,对2000～2013年呼伦湖的水体面积进行了动态变化分析,并结合区域气候数据进行了驱动力分析.结果表明:2000～2012年期间,呼伦湖流域水体面积从2286k m2减少至1773km2,减少22.4%,主要减少部分分布在湖体东北部和南部;2013年水体面积尤其是南部水域水体面积略有所恢复.呼伦湖主体湖区面积的变化与年均温呈现不显著的负相关关系.

关键词：呼伦湖；水体面积；时间序列；气候因素

* 责任作者, 正高级工程师, shenwenm@sepa.gov.cn

呼伦湖是我国东北部以保护草原生态、湿地系统和珍稀濒危鸟类为主的最大的综合性自然保护区,在呼伦贝尔草原的生态保护和经济发展中发挥着不可替代的重要作用[1-2].受全球变化和人类活动的共同影响,呼伦湖出现水量减少、面积萎缩、水位下降等问题,备受关注[3-6],因此,开展呼伦湖流域及湖区水体面积的动态监测并分析其影响因素具有重要意义.

遥感技术以及数据处理能力的迅速发展,使得大尺度全球地表水体面积变化过程的定量、动态观测成为可能,通过遥感手段来获取水体面积及其动态变化的遥感过程模型构建亦取得了较大的进步[7].为摸清呼伦湖近年来的水体面积变化状况,本研究通过搜集呼伦湖流域中国境内部分(包括新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗、满洲里市)2000～2013年的MODIS数据、气候数据和其他辅助数据,对呼伦湖丰水期水体面积进行动态监测,并对其驱动力进行了初步分析.

1　数据与方法

1.1MODIS数据和气候数据搜集

研究选取的数据为MODIS 500m分辨率反射率8天合成产品(MOD09A1),在可见光和近红外区域有7个波段,该产品采用了最大值合成法,选择8日内具有反射率最大值的像元,用以保证最佳的数据质量[8].

如图1所示,呼伦湖主要水体的范围为117°00′10″～117°41′40″E, 48°30′40″～49°20′40″N,流域范围为115°31′51″～120°41′43″E, 47°17′28″～50°43′42″N.研究选取数据的条带号为H25V04,时间范围为2000～2013年,为消除因湖面结冰反射率发生变化,每年选取第89～273d各24景影像,其时间范围处于4月初和9月底,地面平均气温高于零度(图2).对于MODIS数据,首先使用ENVI插件MCTK(MODIS conversion toolkit)工具提取第4波段(绿波段)与第6波段(中红外波段)反射率数据,采用Delaunay三角网最邻近采样法将Sinusoidal投影转换为地理坐标投影,再将整个影像经投影变换由地理坐标转换为UTM投影(分度带为51N),最后根据经纬度范围,裁剪得到呼伦湖流域与呼伦湖主体湖区的绿波段、中红外波段反射率影像.

图1　呼伦湖地理位置示意Fig.1　Location of study area

气候变化和人类活动是区域生态环境变化的主要驱动力[9-10],本研究中使用的气象数据来自于中国气象科学数据共享网(http://cdc. cma.gov.cn/)发布的中国地面气候资料月值数据集及中国高分辨率地面气象要素驱动数据集[11-12].研究选取月平均气温与降水量两个参数,累加得到平均气温与降水量的逐年数据,并通过MicroMet模型[13]进行站点数据插值得到分辨率为1km×1km的空间栅格数据,裁剪研究区域得到呼伦湖流域范围的2000～2013年气温和降水量资料.模型首先采用距离加权插值方法将源数据插值到网格,并且将输入的源数据的高程信息也按距离加权插值出一个虚拟的高程水准面,再对参考网格与虚拟的高程水准面的高程差进行调整得到插值结果.气温的插值结果是用高程差与气温直减率来计算;降水量的插值则釆用了非线性的降雨—高程方程[14].

图2　2000～2013年呼伦湖流域地表温度逐月变化Fig.2　Monthly variation of temperature in the Hulun Lake watershed from the year 2000 to 2013

1.2水体面积提取方法

为克服利用分类后提取水体面积的方法和利用构建水体特征指数的方法的不足,本研究采用水体指数动态分析的方法通过将时间连续的水体指数计算结果进行累计,对累计水面观测达到一定阈值后才认为是有效丰水期水体面积,减小了因偶然波动带来的误差[15].

呼伦湖位于中高纬度地区,在冬季时易受积雪的影响,湖体难以与周围地面明显区分,且冬季一般为该流域的枯水期,故丰水期水体面积方法计算采用一年内非结冰期的遥感影像进行如下的动态分析方法:在裁剪过后的呼伦湖主体湖区和流域的遥感影像范围内,对每一景图像利用第4波段(绿波段)和第6波段(中红外波段)计算NDWI.公式如下:

取NDWI＞0的点即视为该点在该时间被淹没一次,将24景图像被淹没的次数进行累加,即取得每个像元在一年丰水期当中被水覆盖的次数,淹没次数≥10次的区域,视为当年呼伦湖的丰水期水体范围,根据得到的淹没像元数目和像元大小计算水体面积.最后得到呼伦湖流域和呼伦湖主体湖区丰水期水体面积图(图3)和呼伦湖流域丰水期水体面积提取结果时序图(图4).

1.3水体面积与气候要素相关性分析方法

呼伦湖流域丰水期水体面积与气候要素相关分析采用偏相关分析的方法,通过去除另外的随机变量的影响,来度量两组随机变量之间的关联程度的方法.若随机变量只有3组,则去除第3组变量的影响,来考虑1、2组变量之间的偏相关关系r12,3,可由公式(2)表示:

式中:r12表示变量1与变量2的相关性,如公式(3)所示,并以此类推.

式中:xi与yi分别表示变量1与变量2的个体.研究假设年均温、年总降水量对丰水期水体面积变化均产生一定的作用,在分别研究年均温、年总降水量这两个变量与水体面积变化的驱动力影响关系时,偏相关分析可以只分析一个变量与水体面积变化之间的相关程度,而将另一个变量的影响剔除.

2　结果与分析

2.1呼伦湖水体面积变化分析

从图3、图4可以看出,2000～2012年期间,呼伦湖流域丰水期水体面积呈现出加速减小的趋势.2012年呼伦湖流域丰水期水体面积比2000年减少了539km2.其中呼伦湖东北部和南部水域减少非常显著,至2005年呼伦湖东北部水域已经完全消失.2006年以后呼伦湖南部开始逐步缩小, 至2012年南部突出水域也趋于消失.相关研究综合各种资料得到的水体面积结果也表明,呼伦湖的水体面积21世纪初(2000～2006年)由于干旱的影响,出现了快速的萎缩[5].同时,本研究遥感监测结果表明在呼伦湖周边地区,出现了一批面积较小的新增水域,主要集中在新巴尔虎左旗中南部地区.呼伦湖主体湖区丰水期面积也呈现加速减小的趋势,与流域丰水期水体面积减小相趋势一致,主要体现在呼伦湖南部突出水域.2008年起,呼伦湖南部突出水域与主体湖区分离,形成南北两小片独立水域,并继续缩小.2010年南部独立水域的北片水域完全消失.

图3　2000～2013年呼伦湖流域和湖区水体面积逐年变化Fig.3　Yearly variation of water area in the Hulun Lake watershed from the year 2000 to 2013

图4　2000～2013年呼伦湖流域水体面积变化影像Fig.4　The images of water area variation in the Hulun Lake watershed from 2000 to 2013

2013年由于呼伦贝尔地区百年一遇的暴雨,呼伦湖流域水体和主体湖区丰水期面积均有所增长,体现在呼伦湖南部突出水域的面积部分恢复,以及主体湖区周围地区新巴尔虎左旗中部和新巴尔虎右旗中西部地区水体面积的恢复.流域和主体湖区丰水期面积均恢复到2008年左右的水平.

2.2呼伦湖流域气候要素变化分析

从图5可以看出,2000～2013年期间,呼伦湖流域年均温平均为2.1℃,呈现波动中降低的趋势,年均温约以3年为一个波动周期;2003、2006、2009、2012和2013年年均温低于平均水平,分别为1.8、1.9、1.6、1.3和0.9℃;2007年年均温达到14年来最高值(3.2℃),2013年年均温达到14年来最低值(0.9℃);自2010～2013年,年均温连续降低,降温幅度平均为0.63℃/a.

2000～2013年期间,呼伦湖流域中国境内部分年总降水量平均为321.4mm,呈现波动中增加的趋势,2001年总降水量达到14年来最低值(205.3mm),2013年总降水量达到14年来最高值(581.7mm);自2010～2013年,年总降水量连续增加,增加幅度平均为93.7mm/a,与相关研究得到的结论相一致[6].

图5　2000～2013年呼伦湖流域年均气温、总降水量逐年变化Fig.5　Yearly variation of average annual temperature and precipitation in the Hulun Lake watershed from the year 2000 to 2013

2.3呼伦湖流域水体面积与气候要素相关分析

从图5可以看出,年均温和年总降水量呈现较为明显的负相关关系,在2013年年均温达到14年来最低值的同时,年总降水量达到14年来的最高值.

图6　2000～2013年呼伦湖流域水体面积变化与年总降水量相关性分析Fig.6　Relationship between water area change and annual precipitation in the Hulun Lake watershed from 2000 to 2013

图7　2000～2013年呼伦湖流域水体面积变化与温度相关性分析Fig.7　Relationship between water area change and average annual temperature in the Hulun Lake watershed from 2000 to 2013

对年均温(变量1)、年总降水量(变量2)和呼伦湖流域丰水期水体面积变化量(变量3)进行回归分析(图6～),r2分别是:=0.51,=0.08,= 0.34.对年均温(变量1)、年总降水量(变量2)和呼伦湖流域丰水期水体面积变化量(变量3)进行偏相关分析,偏相关系数r分别如下:r12,3= -0.69, r13,2=-0.22,r23,1=0.56;由此可知:年均温与年总降水量有明显的负相关关系(r12,3=-0.69),年均温较低的年份年总降水量往往较高,反之亦然;年均温与呼伦湖流域丰水期水体面积变化有一定负相关关系,年均温越高的年份呼伦湖流域丰水期水体面积减少越明显,但关系并不显著(r13,2=-0.22);年总降水量与呼伦湖丰水期流域水体面积变化有明显的正相关关系,年总降水量越多的年份呼伦湖丰水期水体面积减少越不明显,甚至有所增大;年总降水量是决定呼伦湖丰水期水体面积变化的主要影响因素(r23,1=0.56),其他研究综合近50年气候数据分析也表明,降水、温度等气象因子对流域丰水期水面积会产生影响,分析表明降水减少、温度增加等气候变化会造成相对蒸散提高,从而带来流域水体减少.

图8　2000～2013年呼伦湖流域年总降水量与年均气温相关性分析Fig.8　Relationship between annual precipitation and average annual temperature in the Hulun Lake watershed from 2000 to 2013

3　结论

监测表明,2000～2012年期间,呼伦湖流域水体面积呈现出加速减小的趋势,其中,2000～2012年期间呼伦湖主体湖区面积从2286km2减少至1773km2,减幅22.4%,2013年面积回升至1883km2,约为2008年左右的水平.呼伦湖主体湖区水体面积减少部分主要分布在湖体东北部和南部水域,2005年呼伦湖东北部水域已经完全消失,2008年起,呼伦湖南部突出水域与主体湖区分离,形成南北两小片独立水域,并继续缩小,至2012年趋于消失.2013年,主要恢复区域为呼伦湖南部水域.分析呼伦湖主体湖区面积的变化与流域内气温和降水的关系,年均温与呼伦湖流域水体面积变化有一定负相关关系,但并不显著;年总降水量与呼伦湖流域水体面积变化有明显的正相关关系.因此,年总降水量是决定呼伦湖水体面积变化的主要影响因素,尤其是2013年的湖体面积增加主要原因为降水因素.

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Study on dynamic change of hulun lake water area and climate driving force analysis.

WAN Hua-wei1, KANG Jun2,3, GAO Shuai2, SHEN Wen-ming1(1.Satellite Environmental Application Center, Ministry of Environmental Protection, Bejing 100029, China；2.Institute of Remote sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；3.College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：894～898

Abstract：Water area dynamic change of the Hulun lake was analyzed from 2000 to 2013 using long time-series MODIS data and water index dynamic analysis method. The driving force of the change was also analyzed by combining meteorological data. The preliminary results showed that the water area of the lake decreased from 2286km2in 2000 to 1773km2in 2012 and the decreasing rate was 22.4%. The drastic changes mostly happened in the northeast and south of the lake. Due to the great increase of precipitation in 2013, the water area restored to 1883km2and the main growth happened in the south of the lake. The driving force analysis showed the variation of water area correlated negatively with an average annual temperature and positively with the annual total precipitation. However, the level of significance was for the precipitation higher than temperature.

Key words：Hulun Lake；water area；time series；climate

作者简介：万华伟(1981-),女,山东东阿人,正高级工程师,博士,主要从事定量遥感应用、生态系统与生物多样性遥感监测与评价相关研究.发表论文20余篇.

基金项目：国家“863”项目(2012AA12A310);国家高分重大科技专项(05-Y30B02-9001-13/15-9)

收稿日期：2015-06-23

中图分类号：X524,TP751

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)03-0894-05