1988—2018年那曲市其香错水域面积变化及原因分析

拉巴 边多 顿玉多吉 央美 张伟华 白玛仁增

(1.西藏自治区气候中心，西藏 拉萨 850001； 2.那曲市气象局，西藏 那曲 852000)

引言

湖泊是陆表水的重要组成部分，水循环对于生活在陆地上的生命必不可少[1]。湖泊也是气候与环境变化的敏感指示器[2]，揭示区域气候变化特征的重要信息载体。青藏高原是地球上海拔最高的湖泊密集区域，也是诸多大江大河的发源地。青藏高原的湖泊面积占全国湖泊总面积的51.4%[3]。是两极之外最大的冰雪储存区，有“第三极”或“亚洲水塔”之称，该区域有36800条冰川分布，总面积为49873 km2，总体积为4561 km3[4-6]。

近年来有关青藏高原湖泊的研究众多[7-9]，研究结果均指出青藏高原湖泊面积整体上呈增加趋势。闫立娟等[7]提取了青藏高原所有湖泊边界信息，建立了青藏高原湖泊空间数据库，指出1973—2010年，青藏高原湖泊个数和总面积呈显著增加趋势。1990—2015年青藏高原湖泊范围整体上呈显著扩张趋势，湖泊个数也逐年增加，表现为稳定且持续扩张趋势。导致湖泊面积增大的主要因素是温度的变化、冰雪融水量的扩大以及降水量的增加[8]。闾利等[9]认为自2000年以来青藏高原面积大于50 km2的138个湖泊整体扩张趋势显著，其中，以冰川融水为主要补给来源的湖泊扩张趋势明显，以地表径流和河流补给为主要补给源的湖泊也呈扩张态势，受青藏高原气候暖湿化影响，湖泊面积与气候因素显著相关。整体来看，气温主要影响以冰川融水为补给来源的湖泊，降水量主要影响以降水和地表径流为补给来源的湖泊。董斯扬等[10]认为近40 a青藏高原湖泊面积大于10 km2的变化趋势及差异性特征表现为加速扩张趋势，尤其是2000—2010年是扩张最显著的时段，并指出降水量的变化是青藏高原湖泊面积变化的主要驱动因子。车向红等[11]发现2000—2013年青藏高原地区湖泊范围整体上呈显著的增大趋势，而且湖泊面积逐月变化率均大于0，表明青藏高原湖泊面积整体增大，不属于季节性扩张。张鑫等[12]利用多源卫星测高数据，对扎日南木错1992—2012年水位动态变化进行分析，发现扎日南木错水位上涨了0.786 m。近年来藏北地区由于气候变暖，引起气温升高、降水量增加、对该区域的湖泊、草地、冰川等生态系统的变化具有一定的影响[13-15]。综上所述，研究青藏高原地区湖泊面积时空变化特征及原因，对认识该区域气候变化响应具有重要的科学意义，对防灾减灾和当地农牧民放牧活动具有一定的指导意义。

本文参考已有研究方法和成果，发现以往有关高原湖泊面积变化方面的研究，主要是利用人工数字化和水体指数法完成湖泊面积提取。第一种方法虽然精度较高，但不同的分析人员对于湖泊边界的界定具有较大差别，工作效率也较低，特别是对于大型湖泊的数字化花费的时间和精力更多，另外其方法具有一定的主观性。湖泊水体信息的计算机自动提取方法，对水体及其他地物波谱特征利用水体指数进行分析和比较，得出不同地物间的区别和变化特征。如1996年McFeeters[16]根据归一化差值植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)的构建方法提出归一化水体指数NDWI(Normalized Difference Water Index)，即利用Landsat影像的绿光波段与近红外光波段，进行差值对比增强水体与其他地物的差别，该方法最大的特点在于能够将水体信息与植被信息进行区分。徐涵秋等[17]在NDWI的基础上进行了改进，提出了一种新的水体指数—改进型归一化差分水体指数MNDWI(Modified Normalized Difference Water Index)，经验证后得出MNDWI在混合有建筑像元信息的地物中提取水体具有较好的效果。此外，还有增强水体指数EWI(Enhanced Water Index)、新型水体指数NWI(New Water Index)等[18]。因此，本文主要利用水体指数法提取湖泊水域范围，可以保证分析方法和精度的一致性，减少主观因素的影响，研究效率较高，并能有效减小第一种方法造成的主观误差。在分析时段上，本文选择了近31 a的卫星影像资料，并且自2000年以后，选取了连续19 a的影像数据(至2018年)。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

其香错位于32°24′—32°31′N、89°52′—90°04′E，又名气香错、齐波江错(图1)，在双湖县唐古拉山南坡一山间盆地内。盆地外围南、东岸高200 m以下、第三纪红层质低山，北岸为灰岩质低山，山前洪积扇宽1.0 km，分布两级湖滨阶地，分别高出现湖面7.0 m和14.0 m；滨湖西岸为宽1.0—2.0 km白色盐碱沼泽，长有嵩草，是当地较好的牧场，地势平坦。水位湖面海拔为4610.00 m，湖面长为18.1 km，最大宽为13.5 km，平均宽为8.23 km，面积为149.0 km2。岸线长为54.0 km，发育系数为1.26。集水面积为2639.00 km2，补给系数为16.7。湖水主要依赖地表径流补给，主要入湖河流有戳润曲、改来曲、色曲、夏龙曲、夏玛纳多曲等，以夏玛纳多曲最大，长61.0 km，源头海拔高度为5415 m。泉水亦是湖泊的重要补给源，滨湖泉水广泛出露，其中西北岸色哇区政府驻地的色哇泉水，稳定流量0.004 m3·s-1，矿化度391.0 mg·L-1，总硬度8.4；西岸的另一泉水，由数十处极细的泉眼汇成面积300.0 m2的水塘，水深0.5—1.0 m，pH值7.0，塘水外泄入其香错，实测流量0.02 m3·s-1。湖水透明度1.95 m(水深3.9 m处)，表层水温9.0 ℃，底层水温5.8 ℃。pH值10.2，矿化度63.27 g·L-1。底质为黑色淤泥(范云崎，1976年)[19]。

图1 其香错地理位置Fig.1 The geographical location of Qixiangco lake

1.2 资料来源

本文使用Landsat-5 TM、Landsat-7 ETM+和Landsat-8 OLI_TIRS，数据来源于地理空间云(http：//www.gscloud.cn)网站。影像获取时间Landsat影像为1988年、1993年、1994年和2000—2018年，轨道号为(139/38)；由于研究区域在9—11月降水量较少，且无云和少云，数据质量较好，湖泊水域面积较稳定，基本满足研究分析需求，有利于提取湖泊面积进行分析，因此，大部分影像时间选择了该时段数据，个别年份由于天空状况或卫星未过境，影像时段上可能会有所差别。

气象数据选取了离湖泊较近的申扎、安多和班戈县气象站1988—2018年的年降水量、年平均气温和年平均蒸发量，以及安多县气象站多年最大冻土深度，研究分析湖泊面积与气候变化响应关系。

1.3 研究方法

1.3.1 卫星资料处理方法

Landsat影像的预处理使用ENVI软件完成，处理过程包括辐射定标、正射校正、几何校正和数据重采样以及波段运算(表1)。

表1 研究区遥感影像数据源Table 1 Remote sensing image data source of the study area

水体提取方法本文比较了已有方法的适用性，结合本文研究区特点，选取了修正的归一化水体指数MNDWI提取水体信息，计算公式如下：

MNDWI=(Green-SWIR)/(Green+SWIR)

(1)

式(1)中，Green为绿光波段反射率；SWIR为短波红外波段反射率；分别对应Landsat-5和Landsat-7的波段2和波段5、Landsat-8的波段3和波段6。

1.3.2 气象资料处理方法

气象要素主要包括年平均气温、年降水量、年平均蒸发量和年最大冻土深度，上述任一要素可用y表示，y的长期趋势变化可用一元线性回归方法获得[20-23]，表达式如下：

y=ax+b

(2)

式(2)中，x表示年代序号；b为常数项；a为线性趋势项，a的值表示气象要素上升或下降趋势。趋势项a×10，称为气候倾向率。

2 结果分析

2.1 湖泊水体面积提取

利用NDWI和MNDWI分别提取2010年7月15日其香错湖泊水体信息可以发现(图2)，两种水体指数提取的湖泊水体信息基本一致，特别是对于湖泊边界的提取两种方法没有明显的差别，主要差别在于湖泊边缘的沼泽水域区，将两种方法与人工数字化解译结果比较，MNDWI误差为0.47%，NDWI误差为1.14%，对于水体判识阈值，由水体指数直方图可知(图2c)，当水体指数大于0.4时，可以区分水域与其他地表信息，提取效果最好，因此将该值作为湖泊水域范围阈值。

图2 2010年7月15日其香错湖泊水体指数NDWI≥0.4(a)、MNDWI≥0.4(b)提取结果、水体判别(c)和Landsat-7 合成影像(d)Fig.2 Extraction results of water body index i.e.NDWI≥0.4(a) and MNDWI≥0.4(b),water discriminant (c) and synthetic imagery (d) in Qixiangco lake on July 15,2010

2.2 湖泊面积时空变化

其香错位于那曲市双湖县东部的巴邻乡境内，利用1988—2018年20期Landsat陆地资源卫星数据分析湖泊水域面积变化表明(图3)，近31 a湖泊水域面积呈显著增长趋势(R2=0.88，P<0.001)，31 a内增长了33.37 km2，增长率为18.03%；其中2014年湖泊面积达到最大值187.48 km2，1988年达到最小值为151.74 km2。与1988年比较，2000年湖泊面积增长了5.84 km2，增长率为3.71%，2000—2010年湖泊面积增长了24.78 km2，增长率为13.59%。2010—2018年湖泊面积增长了2.75 km2，增长率为1.49%。

图3 1988—2018年其香错面积变化Fig.3 The variation trend of Qixiangco lake area from 1988 to 2018

从湖泊面积空间变化上分析，其香错在近31 a内水域面积显著增大，湖泊面积不断向四周扩展，其中在东西方向和北部变化尤为显著(图4和图5)。1988年与2000年比较，湖泊面积增大区域主要在东北和西南部，其他区域湖泊水域范围变化不大，到2008年时，湖泊面积继续保持增大趋势，且仍然以东西两侧的扩张占主导，另外在湖泊北部和南部出现了新的扩张区，从多年动态变化影像上看(图6)，2002开始湖泊向南北扩张，2006年湖泊边界扩大较为显著，2008持续扩张、2018年达到最大。

图4 1988—2018年其香错面积变化空间分布Fig.4 The spatial distribution of the variation of the Qixiangco lake area from 1988 to 2018

卫星影像为2018年图5 1988—2018年其香错湖泊面积局部放大图Fig.5 Maps of local magnification of Qixiangco lake area from 1988 to 2018

矢量数据年份分别为1988年、1994年、2000—2004年、2006—2012年、2015年、2018年，卫星影像年份为2018年图6 其香错湖泊水域面积矢量与影像叠加结果Fig.6 The superposition result of Qixiangco lake area vector and image

2.3 气候因子的变化特征

利用湖泊周边的申扎、安多和班戈县气象站1988—2018年年降水量数据分析气象因子的变化趋势可知(图7a)，近31 a来区域年降水量波动变化较大，总体上呈不显著增加趋势(R2=0.03)，增长率为

1.26 mm/10 a，31 a平均年降水量达到384.88 mm，其中，2015年3站平均年降水量只有184.2 mm，低于平均值200.68 mm，为31 a内最低值，2008年年降水量达到31 a最大值504.03 mm，高出平均值119.15 mm。

从湖泊周边站年平均气温变化分析(图7b)可知，年平均气温呈波动性变化态势，总体上呈显著增大趋势(R2=0.45，P<0.01)，增长率为0.49 ℃/10 a。31 a年平均气温为-0.48 ℃，其中，1997年3站年平均气温只有-2.77 ℃，低于平均值2.29 ℃，为31 a内最低值，2009年年平均气温达到31 a最大值0.48 ℃，高出平均值0.95 ℃。

图7 其香错湖泊周边气象站年降水量(a)、年平均气温(b)、年平均蒸发量(c)、年平均最大冻土深度(d)变化Fig.7 Variation tendencies of annual precipitation(a),average annual temperature(b),average annual evaporation(c),and annual mean maximum frozen soil depth (d) at weather stations around Qixiangco lake from 1988 to 2018

蒸发量作为另一个影响湖泊水域面积变化的重要气象因素，分析1988—2017年申扎县、安多县和班戈县的年平均蒸发量变化趋势可以发现，近30 a内，研究区蒸发量呈波动性显著减小趋势(R2=0.44，P<0.01)，减小率为1.07 mm/10 a。30 a年平均蒸发量为150.31 mm，其中，最低值为1997年的126.85 mm，低于平均值23.46 mm，为30 a内最低，1994年年平均蒸发量达到30 a最大值174.37 mm，高出平均值24.06 mm(图7c)。

由于湖泊所在区域属藏北高海拔地区，分布有大面积的高原冻土层，在这种暖湿型气候变化影响下，近年来藏北地区冻土层深度也发生着显著变化。此处针对安多县多年最大冻土深度进行分析(图7d)，近30 a安多县年平均最大冻土深度呈显著减小趋势(R=0.78，P<0.001)，减小率为34.6 cm/10 a。30 a年平均值为127.68 cm，其中，2016年冻土深度只有66.58 cm，低于平均值61.1 cm，为30 a内最低值，1998年冻土深度达到30 a最大值182.25 cm，高出平均值54.57 cm。

2.4 湖泊变化成因分析

本文研究得出近31 a来其香错湖泊面积显著增加。其结论与文献[24]中指出的2000—2016年其香错湖泊面积呈显著增长趋势(R=0.81)，年增长率为1.66 km2/a，且该湖泊属于河流补给型，两者的研究结果基本一致。分析其面积变化的原因主要考虑以下几个方面：首先，从其香错所处流域的河流水源分布来看，补给河流集中分布于北部和东西两侧，另外追溯河流水源及水体的流向可知，在东北方向发育有格拉丹东冰川，近年来该冰川在气候变化影响下，面积显著减小[25]，1992—2009年面积共减少66.68 km2(减少率为7.37%)。研究指出[26-28]，1973年以来的近40 a格拉丹东冰川总面积减少95.33 km2，年均减少2.65 km2。从冰川变化趋势来看，其香错水域面积增长有一部分应该来源于冰川融水的补给。其次，从周边气象站气温、降水量、蒸发量和最大冻土深度等变化趋势分析，湖泊面积增大的另一个因素与湖泊所在区域气候因素有着密切关系。利用2000—2018年连续19 a的其香错湖泊面积与周边气象站气温、降水量、蒸发量和最大冻土深度的相关分析可知，气温和最大冻土深度与湖泊面积的相关性较好，相关系数分别为0.68(P<0.001)和-0.69(P<0.001)，与降水量和蒸发量相关性较弱相关系数分别为-0.16和-0.22，未通过显著性检验，即区域升高的气温，导致冻土和流域上游水源地冰川的加速融化的共同作用下，引起湖泊径流补给的水源增加，使得湖泊本身的水容量增大，最终导致湖泊面积增长。

图8 其香错湖泊面积与年平均气温(a)、最大冻土深度(b)的散点图Fig.8 The scatter plot between Qixiangco lake area and annual mean air temperature (a) and maximum depth of frozen soil (b)

3 结论

(1)1988—2018年其香错湖泊水域面积呈显著增长趋势(R2=0.88，P<0.001)，31 a内增长了33.37 km2，增长率为18.03%。从空间变化上看，其香错湖泊面积不断向四周扩展，特别是东西部和北部扩张较显著。

(2)近31 a来，湖泊区域年降水量呈波动变化，增长趋势不显著(R2=0.03)；年平均蒸发量呈波动性显著减小趋势(R2=0.44，P<0.01)；年平均最大冻土深度呈显著减小趋势(R2=0.78，P<0.001)。

(3)气温的持续上升，蒸发量的减少，以及冻土层和湖泊流域上游冰川融水是湖泊水域面积增大的主要原因。