1991年～2018年呼伦湖区域气候特征及其对水域面积的影响

金鸽，安慧君*，虎日乐

(1 内蒙古农业大学林学院,内蒙古 呼和浩特 010019;2 内蒙古自治区林业和草原种苗总站,内蒙古 呼和浩特 010010)

湖泊是气候与环境变化的敏感指示器，是地球表层系统各圈层相互作用的联结点和陆地水圈的重要组成部分[1-2]。呼伦湖地处呼伦贝尔大草原中心地带，是对全球气候变化响应最敏感的地区之一。随着全球气候变暖，呼伦湖水位下降、水域面积萎缩、湿地退化等严重威胁了呼伦湖地区乃至整个东北地区的生态安全[3-5]。因此研究呼伦湖区域气候变化特征及对其水域面积的影响，对呼伦湖水域的保护及该区域的生态安全等均具有重要意义。

目前已有大量气候变化特征及其对湖泊面积变化影响的研究。秦伯强[6]通过1959年～1983年呼伦湖水量平衡分析发现，降水量增加会引起湖泊面积扩大；张娜等[7]以1991年～2009年呼伦湖地区的气象和水域面积为基础资料，用一元回归和Spearman分析法，研究气候变化对湖泊面积的影响，认为气温和蒸发量上升是影响水域面积和水位变化的主要因素；王鹏飞等[8]借鉴1961年～2018年公开发表的呼伦湖面积资料及该区域逐年气温、蒸发量、降水量、相对湿度分析，认为蒸发量增大是呼伦湖水面面积减小的重要原因。这些对呼伦湖的研究均采用气象因子的年均值，研究的时间序列不同，其主要气象要素与湖面面积的相关性存在一定差异。

自20世纪70年代以来，基于Landsat从高空获取大范围、多谱段、多时相的大量数据，监测长时间序列地表覆盖特征动态变化，已成为有效手段[9]。赵澍等[10]通过Landsat影像目视解译，分析呼伦湖水域面积的时空变化特征及影响因素，认为其与克鲁伦河及乌尔逊河的年径流量呈显著正相关；张璐[11]等通过Landsat ETM+和OLI影像资料研究呼伦湖面积变化，认为其水域面积的持续萎缩主要是受气候变化和人类活动影响。因此本文利用近年广泛应用的Landsat数据提取呼伦湖水域面积。

因此本研究基于呼伦湖区域1991年～2018年(每隔3年共10期)的Landsat系列卫星TM、OLI数据以及该区域气象观测站点的日观测数据，分析气候年及季节、呼伦湖水域面积变化特征及其相关性，为进一步阐述气候变化的总体背景下，该区域近28年的气候年、季变化特征，特别是季节气候变化对呼伦湖水域的影响提供数据支持。对水资源管理有一定的指导作用。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

呼伦湖位于我国东北部呼伦贝尔大草原，它具有很特殊的地理位置，是对全球变化响应最敏感的地区之一[12-13]。呼伦湖(东经117°00′10″～117°41′40″，北纬48°30′40″～49°20′40″)是亚洲中部干旱地区最大的淡水湖，位于呼伦贝尔草原西部新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗和满洲里之间，湖面呈不规则长方形见图1,(审图号：蒙S(2020)027号)。在区域生态环境保护中具有特殊地位，是维系呼伦贝尔大草原生物多样性和丰富动植物资源的重要资源[14]。呼伦湖湖水的主要补给来自于兰鄂罗木河、克鲁伦河、乌尔逊河，少量的地下水及自然降水是次要补给。

1.2 数据来源及研究方法

1.2.1 数据来源

气象数据来源于呼伦湖周边新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗、满洲里市3个气象观测站点，选取1991年～2018年共28年的日观察的数据，包括气温、降水量、蒸发量、相对湿度、积雪、风速、日照等多条记录，数据为Excel表格。

遥感影像为Landsat系列卫星影像(TM、OLI)，影像空间分辨率30 m，来自美国USGS(美国地质勘探局)官网，自1991年起至2018年、每3年1期的影像，共10期遥感影像。

1.2.2 研究方法

1.2.2.1 气象数据处理与分析

根据研究需要，对原始日观察数据(Excel)进行筛选、统计，采用Matlab软件的曼-肯德尔(M-K)趋势及突变检验法、一元线性回归处理28年的气象数据。四季中春季为3月～5月，夏季为6月～8月，秋季为9月～11月，冬季为12月～翌年2月。

选用SPSS 19.0软件，采用Pearson相关系数法分析各气象因子间的关系及其与呼伦湖水域面积的相关关系。M-K检验法判断气候序列中是否存在气候突变及突变发生的时间、时间序列变化趋势的显著性，均参考文献[8,15]。

1.2.2.2 水体面积提取

利用ENVI将Landsat影像数据进行大气校正、几何校正、辐射定标等预处理[16]；采用改进的归一化差异水域指数(MNDWI)提取水域信息[17]，其计算方法如公式(1)。

MNDWI=(G-MIR)/(G+MIR)。

(1)

式中：G代表绿光波段，MIR代表中红外波段；TM影像分别为2波段和5波段，OLI影像分别为3波段和6波段。

1.2.2.3 呼伦湖水域面积变化率计算

呼伦湖水域面积变化计算方法如公式(2)。

水域面积变化率=(期末水域面积-期初水域面积)/期初水域面积。

(2)

2 结果与分析

2.1 呼伦湖区域气候变化分析

2.1.1 气温变化

由图2、表1可知，呼伦湖区域年均气温2012年发生突变。年均气温变化率为-0.009 1 ℃·a-1，1991年～2018年总体呈不显著下降趋势；但其中1991年～1999年、2006年～2009年呈上升趋势，1999年～2006年较稳定，2009年～2018年呈下降趋势；年均最高、最低气温分别出现在2007年(2.67 ℃)、2012年(-0.50 ℃)。春、夏、秋季均温变化率分别为0.014 2 ℃·a-1、0.043 8 ℃·a-1和0.013 5 ℃·a-1，均呈上升趋势；其中夏季气温呈显著上升趋势。冬季均温变化率为-0.108 ℃·a-1，呈极显著下降趋势。28年间，呼伦湖区域年均气温有下降趋势。但春秋季均温升高且不明显，夏季均温越来越高、冬季均温越来越低，表现出两极化趋势。

图2 气温M-K突变检验结果

表1 气温变化率及M-K分析结果

2.1.2 降水量变化

由图3、表2可知，呼伦湖区域年降水量2001年和2015年发生突变。年降水量变化率-0.296 3 mm·a-1，1991年～2018年呈不显著下降趋势；但其中1991年～2001年呈明显上升趋势、2001年～2018年呈明显下降趋势。1998年年降水量最多达到448.5 mm、2001年最少为89.23 mm。春、秋和冬季降水量变化率分别为0.711 4 mm·a-1、0.175 8 mm·a-1和0.204 8 mm·a-1，均呈上升趋势，其中春季上升显著、冬季上升极显著；夏季降水量变化率为-1.388 3 mm·a-1，呈不显著下降趋势；夏季降水量占全年降水量的70%以上，与年降水量变化关系紧密的。

图3 降水量M-K突变检验结果

表2 降水量变化率及M-K分析结果

2.1.3 相对湿度变化

由图4、表3可知，呼伦湖区域平均相对湿度2017年发生突变。1991年～2018年平均相对湿度变化率为-0.204 8%·a-1，呈极显著下降趋势(P<0.01)；其中2007年～2016年呈显著下降趋势(P<0.05)。四季平均相对湿度均呈下降趋势，其中夏、冬季分别为显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)下降趋势；春、秋季下降趋势不显著。呼伦湖区域四季相对湿度均减少，趋于干旱。

图4 相对湿度M-K突变检验结果

表3 相对湿度变化率及M-K分析结果

2.1.4 蒸发量变化

由图5、表4可知，呼伦湖区域年蒸发量2013年发生突变。1991年～2018年年蒸发量变化率2.271 8 mm·a-1，呈显著上升趋势(P<0.05)。春、夏、秋季蒸发量变化率分别为0.737 9 mm·a-1、1.246 9 mm·a-1、0.320 3 mm·a-1，均呈上升趋势，其中夏季蒸发量上升显著(P<0.05)；冬季蒸发量变化率为-0.058 9 mm·a-1，呈不显著下降趋势。

图5 蒸发量M-K突变检验结果

表4 蒸发量变化率及M-K分析结果

2.1.5 积雪量变化

本文分析主要积雪季的冬季平均积雪量。图6可知，呼伦湖区域积雪量1995年和1998年发生突变。近28年来积雪量变化率为0.142 3 cm·a-1，呈极显著上升趋势(P<0.01)；其中1991年～1998年积雪量变化基本稳定，1999年～2002年稳中有升，其后上升显著。

图6 积雪量M-K突变检验结果

近28年呼伦湖区域主要气象因子变化:年均气温、年降水量呈不明显下降趋势，年蒸发量呈显著上升趋势，平均相对湿度呈极显著下降趋势。春秋两季湿度下降不显著。气温、降水量、蒸发量均呈上升趋势，其中春季降水量显著上升。夏季气温、蒸发量显著上升，降水量呈不显著下降趋势，湿度显著下降。冬季降水量、积雪量均呈极显著上升趋势，气温、湿度均呈极显著下降趋势，蒸发量呈不显著下降趋势。呼伦湖区域出现冬季寒冷其它季节暖化的趋势，四季趋于干燥特别是夏季，整体趋于暖干化。

2.2 水域面积变化分析

呼伦湖水域面积的变化(表5、图7)，呼伦湖东北部附属小湖到2006年基本消失；南岸水域2012年萎缩最为显著。呼伦湖水域面积变化可分为3个阶段，1991年～1997年水域面积表现为先减少后增加的波动期，变化率为0.63%，6年间水域面积增加5.59 km2，1997年水域面积在10期中表现为最大，达到2 326.81 km2。1997年～2012年总体表现为波动下降趋势，总变化率为-24.77%，呼伦湖水域面积持续缩减，即处于萎缩期；水域面积2012年在10期中最小，为1 750.36 km2。2012年后水域面积持续增加，6年的变化率为16.43%，处于恢复期。研究期呼伦湖水域面积缩小了273.92 km2，减少11.85%。

表5 呼伦湖水域面积变化率

图7 呼伦湖水域面积变化图

2.3 气象因子的相关性分析

对呼伦湖区域1991年～2018年连续28年对应年份的气温、降水、相对湿度和蒸发量进行相关性分析得表6。蒸发量与降水量呈显著负相关(P<0.05)、相关系数为-0.686，与年均相对湿度呈极显著负相关(P<0.01)、相关系数为-0.871；表明随着降水量和相对湿度降低蒸发量上升。

表6 各气象因子间的相关性分析

2.4 气象因子与水域面积相关分析

10期水域面积与对应年份的主要气象因子进行相关分析，如表7所示。

表7 呼伦湖水域面积与各气象因子间的相关性分析

呼伦湖水域面积与夏季平均气温、蒸发量呈显

著负相关(P<0.05)，说明夏季平均气温高、蒸发量大，水域面积会萎缩；与冬季平均气温、呈极显著正相关(P<0.01)，与冬季平均积雪量呈极显著负相关(P<0.01)。

3 结论与讨论

3.1 讨论

本文对呼伦湖区域近28年的气象数据进行年和四季水平的变化分析，并研究其对水域面积的影响。对主要气象因子的分析表明，呼伦湖区域年均气温及年降水量基本稳定，相对湿度降低极显著、蒸发量增加显著；夏季气温、蒸发量增加显著，相对湿度降低显著，降水量基本稳定；总体表现为暖干化趋势。与王绍武等[18]分析全球气候变暖的趋势及王鹏飞[8]分析1961年～2018年呼伦湖区域气候变化的趋势基本一致。本研究与王鹏飞[8]基于60年的气象数据，在其重叠区间得出的呼伦湖区域年蒸发量、相对湿度突变年份差异较大，这与时间序列的选取有关；从降水量变化趋势看，二者的研究结果一致。本区域四季变化明显，结合这一特点，本研究在年度气象要素分析的基础上增加了四季气象要素的变化分析，认为该区域出现了冬季寒冷、其它季节暖化，且四季特别是夏季趋于高温、干燥显著的趋势。近年对呼伦湖区域的相关研究中[8,10,18]，尚无此报道。

本研究基于1991年～2018年(每隔3年共10期)的Landsat数据提取呼伦湖水域面积进行分析，认为1991～1997年为基本稳定期；1997～2012年间为持续萎缩期；2012～2018年间为恢复期。赵慧颖等[19]基于1959年～2006年呼伦湖水域面积的统计数据分析认为，1959年～1963年、1983年～1991年为缓慢增加期，1964年～1982年、1992年～2006年为逐年减少期，与本研究划分略有不同，但时间序列重叠部分结论基本一致。本研究呼伦湖水域面积从2012年的1 750.36 km2，逐渐恢复到2018年的2 038.03 km2，以年均47.95 km2即2.73%的速率增加，与王鹏飞[8]基本稳定在2 030 km2左右的结论一致，恢复速率不一致与研究期的选取有关，本研究主要关注近期。

湖面蒸发是呼伦湖水量消耗的主要途径[8]。Pearson相关性分析表明，呼伦湖水域面积与年均气温、年蒸发量无显著相关；与夏季平均气温、蒸发量呈显著负相关。该区域夏季气温升高、蒸发量增加是影响呼伦湖水域面积萎缩的主要因素。结合气象因子间的相关性，本研究认为水域面积变化与降水量关系不显著，夏季平均气温升高、平均相对湿度下降和蒸发量上升是导致呼伦湖水域面积萎缩的主要气象因子。在该地气候条件的总体背景下，湖泊面积对年均气象要素响应不明显。Pearson相关性分析是对两个变量之间线性相关程度的衡量，其结果存在与实际不符的情况[8]。本研究出现了呼伦湖水域面积与冬季气温呈极显著正相关、冬季积雪量呈极显著负相关。28年统计资料显示，该区域冬季平均气温-24.81 ℃、平均积雪6.52 cm，相对湿度66.67%，蒸发量19.8 mm、占全年的2.09%，此条件下，湖面处于长期冰封状态，一般不会发生变化。另外影像选用时间段是5月～9月，距积雪融化对湖面产生影响的时间长。故认为这种相关关系不符合实际。

径流及人为活动也是影响呼伦湖水域面积变化的主要因素[10-11]，今后应综合考虑气象因子、径流及人为因素等对湖泊水域面积变化的影响进行分析。

3.2 结论

(1)呼伦湖区域年均气温和冬季气温降低，春、夏、秋季气温升高；年蒸发量和春、夏、秋季蒸发量增多，冬季蒸发量减少；降水量和相对湿度降低；气候趋于暖干化。(2)呼伦湖水域面积变化可分为3个阶段，1991年～1997年为基本稳定期；1997年～2012年为持续萎缩期；2012年～2018年为恢复期。2012年水域面积最小、为1 750.36 km2，1997年水域面积最大、为2326.81 km2；28年间呼伦湖水域面积缩小273.92 km2，年均减少0.42%。南岸水域基本稳定，东北部附属小湖水域面积消失。(3)夏季平均气温升高、平均相对湿度下降和蒸发量上升是导致呼伦湖水域面积萎缩的主要气象因子。