1973～2020年西藏昂拉仁错流域湖泊及东部冰川对气候变化的响应

白玛央宗 ,拉 珍 ,扎西央宗

（1.西藏自治区气候中心，拉萨 850000；2.西藏自治区遥感应用研究中心，拉萨 850000；3.高分西藏中心，拉萨 850000）

引言

青藏高原作为“亚洲水塔”，高原湖泊星罗棋布，蕴藏了丰富水资源，直接影响着中国乃至周边其他亚洲国家近20亿人口的生存环境。青藏高原拥有地球上面积最大的高原湖泊群，湖泊面积占全国的51.4%[1]，冰川面积占全国的11.52%，是亚洲一些主要河流的发源地。已有研究[2−8]表明，冰川对气候变化的响应极为敏感，而降水和冰川融水作为高原湖泊水源的主要补给，使得高原湖泊也与气候变化密切相关。近50a，青藏高原增温幅度是全球平均增幅的2倍。在此气候变化背景下，亚洲水塔的各组成要素势必响应剧烈，其中冰川和湖泊的变化尤为显著。相关研究指出，全球变暖已经导致青藏高原冰川积雪和湖泊水位等发生了显著变化[9]，冰川大面积退缩和湖泊面积的变化改变了高原与地面的物质能量交换，而地面温度的升高、蒸发增大和冻土退化等因素将导致青藏高原灾害频发[10]。因此，加强青藏高原湖泊、冰川动态观测研究对于防灾减灾具有重要意义。

随着遥感技术的发展，利用卫星资料分析湖泊及冰川动态变化的研究日趋成熟。针对青藏高原东部冰川与湖泊的研究较多[11−13]，而对条件恶劣的高原西部湖泊的研究相对较少。已有研究[14]表明，藏北羌塘高原湖泊面积呈现先萎缩后扩张的变化趋势，藏东南湖泊面积出现明显扩张，喜马拉雅山脉北坡的羊卓雍错及其流域内的空姆错、沉错和巴纠错等湖泊面积呈缓慢下降趋势，藏西南区域玛旁雍错流域的湖泊面积也在减少，冈底斯山北麓的高山深谷湖泊面积则保持相对稳定的状态。昂拉仁错作为藏西为数不多的大湖泊，它在全盛时期湖泊最大面积约为2872.4km2，湖面海拔最高为4862m，且包括仁青休布错[15]。随着昂拉仁错湖水位不断下降，湖面萎缩，现已分成昂拉仁错和仁青休布错两个独立的湖泊，这是青藏高原东部及其他地区不常见的，表明昂拉仁错和仁青休布错对气候变化的响应可能更为敏感。目前已开展的相关研究主要集中在南部冰川与昂拉仁错流域的分析，而南北走向的隆格仁山脉冰川紧挨昂拉仁错，其变化极有可能与两个湖泊演变密切相关。本文就是针对这一关键点，选取1973～2020年多种卫星探测数据和站点观测资料，利用ENVI和ArcGIS软件等新技术手段，研究昂拉仁错和仁青休布错两大湖泊与东部隆格尔山脉冰川的时空演变特征及其与气象要素的关系，不仅可以加深对青藏高原气候变化事实的认识，还能为昂拉仁错流域的防灾减灾提供决策参考。

1 研究区概况

昂拉仁错和仁青休布错位于仲巴县境内（图1），地处冈底斯山脉北麓，属于构造凹陷而成的微咸水湖。其中，昂拉仁错湖面积较大，且湖水以冰雪融水补给为主，入湖河流有阿毛藏布、甲布日阿藏布和峻藏布，是藏西地区为数不多的内陆湖泊。昂拉仁错流域三面环山，东部为南北走向的隆格尔山脉[16]，海拔在5700～6000m，南部为喜马拉雅山脉，距离相对较远。

图1 研究区地理位置

2 数据与方法

2.1 遥感数据来源及处理方法

选用1973～2020年空间分辨率16～30m的陆地资源Landsat TM/ETM卫星、GF1/WFV卫星数据以及ASTER G-DEM第二版空间分辨率30m的高程数据，其中2000年之前覆盖研究区的影像数据较少，2000年以后的数据选取均进行了质优筛选。20世纪70年代选用的数据只有1973年，20世纪80年代只有1989年，20世纪90年代有1990、1991、1993和1999年数据；2000年以后每年都有覆盖研究区的影像数据。1973～2012年选用的是空间分辨率30m的陆地资源Landsat TM/ETM系列卫星数据，2013年以后选用的是空间分辨率16m的高分一号（GF1/WFV）卫星数据。在时间尺度上影像数据选用湖泊较为稳定的9～11月为主的影像数据，冰川数据则选取春秋两季的影像。其中对8景landsat7 ETM+影像进行了条带修复。以1973年影像数据为基准进行配准、控制点不少于30个，RMS误差控制在1个像素以内，所有25景影像都经过定标、矫正和镶嵌等处理。

2.2 气象数据

由于昂拉仁错流域内仲巴站的气象数据时间尺度较短，故本文选用距离较近且同一纬度的狮泉河、改则和普兰3站1973～2020年的观测资料，包括气温、降水量、蒸发量和地温4要素，开展昂拉仁错流域湖泊及东部冰川对气候变化的响应分析。

2.3 湖泊、冰川面积信息的提取

利用ENVI和ArcGIS软件，采用人机交互的形式提取了1973～2020年昂拉仁错和仁青休布错的湖面面积和流域东部隆格尔山脉的冰川面积信息。

2.4 湖泊水量变化分析

湖泊水量变化公式如下所示：

式中，s1、s2分别为湖泊在不同时期的面积，H为不同时期的湖面高程差，V为两个时期的相对水量变化[17]。

2.5 湖泊面积动态度

以年平均变化来表征湖泊面积变化[18]，具体公式如下所示：

式中，K为研究区某一时段湖泊面积的动态度，b和a分别为某一时段研究初期和研究末期湖泊的面积，t为研究时段长度。

2.6 湖泊动态变化与补给系数

秦伯强[19]指出在稳定的气候条件下，封闭流域湖泊变化与气候要素的关系可表示为：

式中，AB为流域面积，AL是湖面面积，EL是湖面上的蒸发，PL为湖面降水，pB为流域内降水，γ为径流系数。等式左边为湖泊补给系数，右边为气候函数。在特定内流流域内，可以认定流域面积和径流系数为常数，湖面降水和流域降水相等。

3 结果分析

3.1 湖泊面积时空变化特征

1973～2020年，昂拉仁错与仁青休布错湖面面积均呈波动式变化（图2）。昂拉仁错湖面面积总体上呈减少趋势；1973年面积为512.86km2，2020年缩小至498.21km2，共减少了14.65km2，萎缩率为3.0%；2016年面积减少至最低，为489.45km2。仁青休布错湖面面积总体上略有扩张；1973年面积为185.63km2，2020年面积为188.93km2，增加了3.3km2，扩张率为1.7%。两大湖泊均在1973～2000年呈持续萎缩状态，2001～2016年变化不大，2017～2019年呈扩张趋势，2020年又开始萎缩。

图2 1973～2020年两大湖泊面积变化曲线（左纵坐标代表昂拉仁错，右纵坐标代表仁青休布错）

图3给出了通过各期影像叠加分析获取的1973～2020年两大湖泊面积年代际空间变化特征。如图3a所示，在空间分布上，昂拉仁错湖面近48a来持续萎缩，其中西部萎缩幅度最大，尤其是西部入水口处最为明显，其次是北部和东北部，再次是东南部；在时间变化上，1990～1999年萎缩幅度最大，2000～2010年湖面几乎无变化，其中湖面西部入水口处在2010年稍有扩张，2011～2020年湖面东北部萎缩幅度最大。如图3b所示，在空间分布上，仁青休布错湖面近48a来在西部、北部和南部均有萎缩；在时间变化上，1990～1999年湖面西部萎缩幅度较大，其次是南部和东南部，2000～2010年湖面四周整体稍有扩张，2011～2020年湖面几乎无变化。

图3 两大湖泊面积的年代际空间变化特征（a.昂拉仁错，b.仁青休布错）

3.2 湖泊面积与相对水量的变化

表1给出了昂拉仁错湖面面积、湖面高程与相对水量。1973～2000年昂拉仁错湖泊水量持续减少，2011～2020年水量有所增加。其中，1989～1993年湖泊水量减少最多，达111.19km3，表明该时段湖泊加速萎缩。

表1 1973～2020年昂拉仁错湖泊面积与相对水量变化

表2给出了仁青休布错湖面面积、湖面高程与相对水量。1973～1993年仁青休布错湖泊水量持续减少，其中1989～1993年湖泊水量减少最大，达18.38km3，表明该时段湖泊加速萎缩。2001～2020年湖泊水量有所增加，其中2011～2020年增加幅度最大，达63.78km3。

表2 1973～2020年仁青休布错湖泊面积与相对水量变化

3.3 湖泊动态补给系数与气候敏感性

已有研究[20]表明，湖泊补给系数对于分析湖泊动态平衡具有重要作用。根据公式（3），补给系数越大，受入湖水量影响越大，湖面面积和水位变化越剧烈，则湖面对气候反应就越敏感；反之亦然。结合张淑萍等[21]给出的湖泊流域数据结果，利用1973～2020年湖泊平均面积数据计算得到昂拉仁错和仁青休布错的补给系数分别为22.07和13.28，与郑玉萍[22]依据2003～2009年数据计算的补给系数对比发现，昂拉仁错补给系数增长0.01，仁青休布错补给系数增长0.07，表明昂拉仁错较仁青休布错对气候变化的响应更为敏感。

3.4 冰川面积时空变化特征

在时间变化（图4）上，1973～2020年隆格尔山脉冰川面积显著退缩，48a共退缩了102.11km2，平均速度为−2.13km2/a，退缩率为34.6%。2000年之前退缩幅度最大，平均速度为−9.69km2/a；2000～2009年退缩不明显；2010～2020年稍有退缩，平均速度为−5.9km2/a。

图4 1973～2020年隆格尔山脉冰川面积时间变化

在空间分布（图5）上，隆格尔山脉冰川整体退缩，南部各冰川退缩最明显，其次是北部部分和中部冰川。1973～1999年，冰川西南部和北部退缩最显著，其次是中东部边缘；2000～2009年，只有中部部分边缘退缩明显；2010～2020年，冰川整体稍有退缩，其中南部和中西部边缘冰川退缩明显。

图5 1973～2020年隆格尔山脉冰川面积空间变化

3.5 不同海拔高度冰川面积变化

昂拉仁错流域内东部和南部均有冰川，南部是冈底斯山脉的顶拉居日冰川和冈仁波齐峰冰川，其中东部冰川是隆格尔山脉冰川，且紧邻昂拉仁错流域。利用DEM数据研究海拔在5500～6700m以内该冰川的面积变化，以500m为间距分为三个等级即5500～6000m、6000～6500m及6500m以上，如表3所示。海拔5500～6000m的冰川占比随年代逐渐减少，海拔6000～6500m的冰川占比随年代增大，海拔6500m以上的冰川随年代变化不明显。

表3 不同海拔高度冰川面积占比情况

4 相关性分析

湖泊面积变化、冰川消融与降水气温有很好的相关性[23−28]。本文研究的两大湖泊均属内陆湖泊，其水量变化主要由周围冰川消融和降水进行补给。为了研究湖泊和冰川面积与气象因素之间的响应关系，图6给出了4个气象要素（气温、降水量、蒸发量、地温）与昂拉仁错、仁青休布错湖面面积和隆格尔山脉冰川面积的相关分析结果。如图所示，昂拉仁错和仁青休布错湖面面积均与地温、降水和气温呈现较好的相关性。昂拉仁错湖面面积与降水的相关性最高，通过了0.001水平的显著性检验；其次是气温，通过了0.05水平的显著性检验。仁青休布错湖面面积与地温、气温的相关性最好，均通过了0.001水平的显著性检验。隆格尔山脉冰川面积与蒸发量的相关性最好，通过了0.0001水平的显著性检验。

图6 4个气象要素与昂拉仁错、仁青休布错湖面面积和隆格尔山脉冰川面积的相关

5 结论与讨论

本文选取1973～2020年多种卫星探测数据和站点观测资料，利用ENVI和ArcGIS软件，研究了昂拉仁错和仁青休布错两大湖泊与东部隆格尔山脉冰川的时空演变特征及其与气象要素的关系。主要结论如下：

（1）近48a来，昂拉仁错湖面持续萎缩，其中西部萎缩幅度最大，尤其是西部入水口处最为明显，其次是北部和东北部，再次是东南部；1990～1999年萎缩幅度最大，2000～2010年湖面几乎无变化，其中湖面西部入水口处在2010年稍有扩张，2011～2020年湖面东北部萎缩幅度最大。近48a来，仁青休布错湖面在西部、北部和南部均有萎缩；1990～1999年湖面西部萎缩幅度较大，其次是南部和东南部，2000～2010年湖面四周整体稍有扩张，2011～2020年湖面几乎无变化。

（2）1973～2000年昂拉仁错湖泊水量持续减少，2011～2020年水量有所增加；其中，1989～1993年湖泊水量减少最多，达111.19km3，表明该时段湖泊加速萎缩。1973～1993年仁青休布错湖泊水量持续减少，其中1989～1993年湖泊水量减少最大，达18.38km3，表明该时段湖泊加速萎缩；2001～2020年湖泊水量有所增加，其中2011～2020年增加幅度最大，达63.78km3。

（3）1973～2020年，隆格尔山脉冰川整体萎缩，面积共退缩了102.11km2，尤其是南部冰川最为显著；2000年之前的消融速度远大于2000年之后的消融速度，2000～2009年消融不明显，2010～2020年又稍有萎缩。隆格尔山脉冰川面积变化在不同海拔高度上存在差异，5500～6000m的冰川面积呈显著减少趋势，6000～6500m的冰川面积呈增长趋势，6500m以上的冰川面积基本不变。

（4）昂拉仁错湖面面积与降水的相关性最高，其次是气温；仁青休布错湖面面积与地温、气温的相关性最好；隆格尔山脉冰川面积与蒸发量的相关性最好，通过了0.0001水平的显著性检验。