1986～2016年呼伦湖水域面积动态变化及与气候因素关系研究*

赵 澍，冀玮强，高 鹏，韩文君，徐大伟※

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/呼伦贝尔草原生态系统野外科学观测研究站，北京 100081； 2.包头师范学院，内蒙古包头 014030)

0 引言

湖泊是地下水与地表水、陆地与大气间进行水气交换的重要环节，在水资源供给、调节气候、保护生物多样性等方面发挥着重要的作用[1-3]。呼伦湖又名达赉湖，是内蒙古自治区第一大湖，位于内蒙古自治区呼伦贝尔市新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗和满洲里市之间[4]。呼伦湖流域远离海洋，大陆性气候极强，又是南北冷暖气流交汇冲撞频繁地区，是响应全球气候变化最积极、最敏感的地区之一[5]。受气候变化和人类活动共同影响，呼伦湖出现了面积萎缩、水量减少等问题，开展水体面积动态监测并分析其影响因素具有重要意义。遥感(RS)技术始于20世纪60年代初，之后成为大尺度研究主要手段之一，为地面监测提供了强有力支持，在资源调查与制图、动态监测、管理与评估、灾害预测预报等方面有着广泛的应用。与传统湖泊监测方式相比，遥感技术具有宏观、综合、动态和快速的特点，可迅速、精确地提取湖泊信息，由此可进行长时间序列动态变化监测，节省大量的人力、物力和时间[6]。

目前已有大量基于遥感数据进行湖泊面积动态监测的研究，如骆成凤等[7]利用长时间序列中分辨率遥感影像数据，通过人工提取湖岸水涯线信息获得了1974～2016年青海湖水面面积； 臧菁菁等[8]利用Landsat影像，根据水体光谱特征，利用波段比值法提取了1975～2014年巴尔喀什湖水体面积； 万华伟等[9]利用低空间分辨率MODIS数据，采用水体指数提取了2000～2013年呼伦湖水域面积，同时也开展了水域面积与水位[10]、气候[11]等相关影响因素的研究。为研究呼伦湖长序列水域面积动态变化及与气候因素的关系，搜集呼伦湖地区1986～2016年Landsat系列卫星TM、ETM+、OLI影像以及相关气候数据，在遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)技术支持下，通过影像分析，提取呼伦湖31年水域面积信息，分析其在时间和空间上变化特征，利用统计学分析方法，探寻其动态变化的气候驱动因素，为以后呼伦湖保护和可持续发展提供合理的理论依据。

图1 研究区地理位置

1 研究区与数据

1.1 研究区域

研究区域位于内蒙古自治区呼伦贝尔市呼伦湖流域，行政区域包括新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗、满洲里市(图1)，草原、水体是该区域主要的土地覆盖类型。气候属温带大陆性气候，年平均气温0.82℃(1986～2016年)，年降水量264mm(1986～2016年)，降水主要集中在6～9月。呼伦湖除接受湖面大气降水外，乌尔逊河、克鲁伦河是其主要的地表径流供给，除此还有部分地下水的补给。

1.2 数据来源

遥感影像为Landsat系列卫星影像(TM、ETM+、OLI)，影像空间分辨率30m，来源于美国地质勘探局(http：//glovis.usgs.gov)，考虑到不同季节水域面积存在变化的情况，该文主要选择9～10月影像，此时呼伦湖水域较为稳定，受植被、雪水干扰较少。气象数据来源于中国气象数据共享网(http：//data.cma.cn)，选择呼伦湖周边新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗、满洲里市3个站点数据，水域面积动态变化是受到一系列因子相互作用的复杂过程，按照本地区气候特征，选择生长季(4～9月)降水量、平均气温、平均相对湿度、蒸发量4个指标进行相关性分析。

1.3 数据分析

将Landsat卫星影像数据进行波段组合、图像增强等预处理，影像均采用UTM(Universal Transvers Mercator)投影，通过目视解译提取并计算呼伦湖水域面积。通过Excel、SPSS 16.0软件进行数据整理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 呼伦湖水域面积年际变化特征

由图2可知， 1986～2016年呼伦湖水域面积动态变化可分为4个阶段， 1986～1990年，小幅度上升阶段，此阶段呼伦湖水域面积增加了87.54km2； 1991～2000年，保持稳定阶段，此阶段呼伦水域面积维持在2 300km2左右，最大差幅为32.02km2； 2001～2012年，剧烈减小阶段，此阶段呼伦湖水域面积总体呈缩小趋势， 2012年相对2001年水域面积缩小了469.57万km2； 2013～2016年，逐步上升阶段， 2016年相对2013年水域面积扩大167.18万km2。1986～2016年呼伦湖水域面积最大为1991年的2 315.94万km2，最小为2012年的1 761.90万km2。

图2 不同年份呼伦湖水域面积动态变化

图3 代表年份呼伦湖水域面积分布

图3是1986～2016年代表年份呼伦湖水域面积分布图，变化较为剧烈的地区主要分布在呼伦湖东北部及南部，其中东北部湖泊消失后一直未恢复； 2012年之前呼伦湖南部水域总体上呈减少趋势， 2012年之后水域面积逐渐上升，部分消失区域重新恢复。

2.2 呼伦湖水域面积与气象要素相关性分析

表1是呼伦湖水域面积与生长季不同气象因子的相关系数，呼伦湖水域面积与平均相对湿度呈极显著正相关关系， 1986～1990年生长季平均相对湿度呈上升趋势，从1986年的48.83%上升到1990年61.06%； 1991～2000年维持在相对较高水平，介于51.89%～59.06%； 2001～2012年相对较低，最高为2002年(54.56%)，最低为2007年(45.06%)； 2013年由于降水量大幅高于平均降水量，相对湿度达到60.11%， 2014年以后维持在50%左右，生长季平均相对湿度与呼伦湖水域面积整体变化规律相似。相对湿度是降水、温度、蒸发等综合情况的反映，降水量、平均气温、蒸发量虽然在统计上与呼伦湖水域面积无显著相关关系，但间接地与平均相对湿度存在显著相关关系。图4是呼伦湖水域面积与生长季平均相对湿度、平均气温、降水量、蒸发量的关系，可以看出，呼伦湖水域面积与平均相对湿度、降水量呈正相关关系，与平均气温、蒸发量呈负相关关系，与表1中的结果相吻合。

表1 呼伦湖水域面积与生长季不同气候因子相关系数

面积降水量平均气温平均相对湿度蒸发量面积1降水量02381平均气温-0342-0385∗1平均相对湿度0488∗∗0766∗∗-0600∗∗1蒸发量-0070-0665∗∗0469∗-0653∗∗1 注：∗表示在005水平显著相关，∗∗表示在001水平极显著相关(表2同)

图4 呼伦湖水域面积与生长季不同气候因子相关性分析

表2 呼伦湖水域面积与注入河流年径流量相关系数

面积乌尔逊河年径流量克鲁伦河年径流量面积1乌尔逊河年径流量00752∗∗1克鲁伦河年径流量00556∗∗0861∗∗1

2.3 呼伦湖水域面积与地表径流相关性分析

呼伦湖除接受湖面大气降水外，还依靠地表径流和地下水的补给，注入呼伦湖的主要河流有乌尔逊河、克鲁伦河等。表2说明乌尔逊河、克鲁伦河年径流量与呼伦湖水域面积呈极显著正相关关系，图5是2条主要河流与呼伦湖水域面积建立的回归模型，注入河流年径流量越大，呼伦湖水域面积也越大。从图6可以发现，乌尔逊河、克鲁伦河年径流量处于动态变化过程，整体上呈现减少趋势， 1986～2001年之前处于相对较高水平， 2001～2012年处于相对较低水平，之后有所增加，整体上与呼伦湖水域面积4个阶段的变化规律相吻合。

图5 呼伦湖水域面积与年径流量相关性分析

图6 不同年份呼伦湖水域面积与年径流量动态变化

3 结论

(1)1986～2016年呼伦湖水域面积动态变化可分为4个阶段， 1986～1990年，小幅度上升阶段； 1991～2000年，保持稳定阶段； 2001～2012年，剧烈减小阶段； 2013～2016年，逐步上升阶段。1986～2016年呼伦湖水域面积最大为1991年的2 315.94万km2，最小为2012年的1 761.90万km2。呼伦湖水域面积变化较为剧烈的地区主要分布在呼伦湖东北部及南部。

(2)呼伦湖水域面积与生长季平均相对湿度呈极显著正相关关系，降水量、平均气温、蒸发量虽然在统计上与呼伦湖水域面积无显著相关关系，但间接地与平均相对湿度存在显著的相关关系。乌尔逊河、克鲁伦河作为呼伦湖主要的地表径流来源，年径流量与呼伦湖水域面积呈极显著正相关关系， 1986～2001年之前处于相对较高水平， 2001～2012年处于相对较低水平，之后有所增加，整体上与呼伦湖水域面积4个阶段的变化规律相吻合，说明保护2条主要注入河流对呼伦湖水域面积的重要性。

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