藏西北高原郭扎错湖泊面积变化与气候响应分析
0 引言
湖泊作为陆地水圈中重要的组成部分之一,具有调节河川径流、防洪减灾、繁衍水生动植物、改善区域生态环境的功能[1]。青藏高原内陆湖泊是中国周边区域乃至全球气候变化指示器[2],气候因子对其时空动态格局变化响应显著[3]。尤其是随着全球气候变暖,对脆弱的青藏高原湖泊生态系统影响明显,湖泊的水位、面积、水量、水质以及高原湿地生态系统的时空格局、动植物群落特征等已成为全球关注的热点[4]。
青藏高原气候寒冷而干燥,昼夜温差大,湖泊群多发育在一些与山脉平行的山间盆地或巨型谷地之间,大多数湖泊因历次造山运动、地层断裂形成[5],少数中小型湖泊受晚近地质时期河流溯源侵蚀与切割形成[1]。近几十年来,全球变暖趋势明显,青藏高原冰川萎缩加剧,为众多高原湖泊提供了充分的水源补给,德吉央宗、闫丽娟等[6,7,8]众多专家认为除拉昂错、佩枯错等少数湖泊以外绝大多数的高原湖泊面积整体呈增涨趋势;马颖钊[9]认为降水是纳木错湖泊面积扩张的直接原因,且该地区蒸发能力逐年下降;向灵芝[10]分析了波密冰川萎缩原因,认为气温上升是其主要原因;勾鹏[11]通过研究纳木错湖冰时空异质性,得出2000—2013年间,湖冰消融期天数平均每年缩短3.1天;聂宁[12]通过研究雅鲁藏布江流域的冰川,得出1976—2005年间流域内的大型海洋型冰川没有明显的进退痕迹;陈飞[13]通过研究冰雪消融特性,发现2000—2010年间气候变暖、温度上升引起寒区冰雪消融加剧;朱美林[14]基于GIS估算了纳木错地区扎当冰川的冰储量;徐晓明[15]发现青藏高原冻土区活动层厚度呈增大趋势;吴艳红[16]基于多年影像资料发现同处藏西南的佩枯错面积在缩减,而玛旁雍错和拉昂错均有所增加;张国庆[17]对青藏高原大于1 km2的湖泊数量与面积变化研究发现,1970—1990年间湖泊数量和面积略有减少,随后明显增加,且湖水升温和降温（加快的冰川融化冷水补给）都受气候变暖影响;朱大岗[18]认为1982—2007年间青藏高原河流变化不明显,天然湖泊变化较大;李蒙[19]指出量化识别高原内流湖泊水域面积和蓄水量变化可直观反映封闭湖盆区内水循环过程的气候响应;张博[20]对黄河上游的扎陵湖、鄂陵湖分析认为1976—2006年间气候向暖干方向发展直接影响了两湖水面面积;张瑞红等[21]指出青藏高原的湖泊扩张、湿地减少等现象对高原、下游及周边地区的生态系统健康程度影响显著,其引发的次生灾害对人类生命财产构成了威胁。郭扎错属典型的构造湖,控制其形成的郭扎错走滑断裂对青藏高原向东的挤出起到重要调节作用[22,23,24],也对郭扎错空间动态格局有一定影响。
笔者基于RS/GIS技术,利用郭扎错地区的1975年地形图、1992—2018年TM/ETM+以及高分系列卫星遥感资料,对郭扎错湖泊范围信息提取,探讨1975—2018年近40年郭扎错湖泊变化、空间范围变化,并分析了气候因子对湖泊面积的影响,总结了该区域气候发展趋势。
1 研究区概况
郭扎错(80°55′—81°15′E,34°58′—35°5′N)又名里田湖、明亮湖（
图1）,位于西藏西北日土县北部,西昆仑山山间盆地内,目前为封闭湖盆,在全新世以前湖水向西流入仅以低缓岗地相隔的阿克赛钦湖[25]。湖区属昆仑高寒半荒漠、荒漠干旱气候,平均气温-0.8~ -6.0℃,年降水量75~100 mm。集水面积2369.4 km2,补给系数9.4。湖水主要依赖冰雪融水补给,集水域内分布现代冰川62条,冰雪覆盖面积544.34 km2,水源丰富[1]。
2 资料来源与研究方法
2.1 资料来源
鉴于郭扎错流域面积较大,气象站点稀少,所以气象资料选取距该湖较近的狮泉河和改则气象站资料。气象资料由西藏自治区信息网络中心提供,资料年限从1970—2018年的常规气象要素,包括气温、降水量、蒸发量与气候变化密切相关的要素。
郭扎错湖泊数据主要通过地形图和影像资料获取,其中1975年来源于1:10万区域地形图资料,1992—2018年数据基于MSS、TM/ETM+、OLI以及GF1-WFV2卫星遥感资料信息提取获得（
表1）。地形数据采用日本METI和美国NASA联合研制的ASTER GDEMV2数据（空间分辨率30 m）。
表1 研究区遥感影像数据 数据年份 卫星类型 轨道号/行号/经纬度 分辨率/m 1992、1994 Landsat4-5 TM P145/R36 30 1999—2003 Landsat-7 ETM+ SLC-on P145/R36 30 2004—2012 Landsat-7 ETM+ SLC-off P145/R36 30 2013—2017 Landsat-8 OLI_TRIS P145/R36 30 2018 GF1-WFV2 E81.8/N34.3 162.2 数据处理与方法
2.2.1 湖泊面积提取 选取的1992—2018年卫星遥感影像资料均为晴空数据,时相尽量控制在9—12月湖泊面积相对稳定的时期,利用ENVI/IDL对遥感影像进行大气校正、影像融合（
图2）,并以1975年郭扎错区域地形图为参考底图,通过添加控制点进行影像正射处理,误差控制在1个像元以内,完成影像增强等预处理。其中输出影像坐标统一采用Beijing 1954 GK Zone 13N,格式均为GeoTiff图像格式（2003年以后的ETM资料进行了条带修复）。
湖泊空间范围信息提取主要采用水体指数阈值分割和种子增长法相结合的混合方法,对于冰冻区域目视解译插补,确保湖泊边界信息位置的精准性,在ArcMap中计算湖泊水体面积[26,27]（
图2）。
2.2.2 气候资料趋势分析方法 气候要素趋势变化采用公式(1)进行分析。
式中,Y为气象要素;t为时间;a0为常数项;a1为线性趋势项,把a1×10表示为气象要素每10年的气候倾向率（变化趋势）[28]。
3 湖泊面积变化分析
3.1 湖泊面积变化趋势分析
利用地形图、TM/ETM+、OLI和GF1-WFV2卫星遥感影像资料提取1975—2018年郭扎错湖泊水域面积,结果显示近40年来湖泊水域面积呈波动式下降趋势(R2=0.39,P<0.001),总体面积萎缩了3.22 km2,萎缩率为1.30%。水域面积波动具体表现在1975—1992年17年间增加了3.36 km2,增长率为1.34%,1994—1999年增加了4.74 km2,增长率为1.89%,2009—2012年增加了3.17 km2,增长率为1.28%,1999—2004年间湖泊面积减少了2.9 km2,萎缩率为1.16%,2006—2009年间减少了6.41 km2,萎缩率为2.56%。其中2005年湖泊面积达到最大值250.52 km2,2009年湖泊面积缩到最小244.11 km2,二者相差11.41 km2,而且其中1994—1999年间增长最为显著,2006—2009年间下降趋势最为显著（
图3）。
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3.2 湖泊空间异质性分析
西昆仑南坡的郭扎错地区是目前已观测到的青藏高原气温最低处[29],郭扎错周围是基岩山坡,湖岸阶地不发育,湖下岸坡陡峻[30]。通过地形图、卫星影像资料提取的该湖水域范围分析得知,1975—2018年间在北部(I)、东北部(II)和南部(III)边缘处水域范围变化较为明显（
图4）,其余地区受基岩山坡及阶地不发育影响无变化,其中I处2000年左右萎缩明显,其次在2010年间有效部分区域湖泊面积萎缩;II处是郭扎错面积变化最为显著的区域,也是在2001—2004年间明显减少;III处主要在2012—2014年萎缩明显。
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4 郭扎错气候变化分析
西昆仑山脉南坡的郭扎错自然环境恶劣,交通不便,气候分析采用距离较近,气候类型基本相似,并且时间序列较长的狮泉河站和改则气象站资料进行分析[31]。20世纪80年代以来,郭扎错地区年平均气温逐步上升,尤其是20世纪90年代以来升温显著;年平均降水量上升缓慢,20世纪90年代年际变化幅度较小;年平均蒸发量带有不明显的周期性增减波动,大概13年左右为一周期。
4.1 年平均气温
郭扎错的气象站资料分析表明,1971—2018年该流域地表年平均气温呈显著上升趋势,平均每10年升高0.55℃（
图5）。20世纪70年代至90年代以气温偏低为主,进入21世纪后,气温升温较快。2000—2018年平均气温为1.60℃,较常年值（1981—2010年）偏高0.9℃。2016年气温最高值为3.0℃,较常年值偏高2.3℃。1997年平均气温为-1.2℃,为48年最低值,较常年值偏低-0.5℃。
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4.2 年降水量
年降水量变化（
图6）来看,自1970年以来降水量年际变化波动较大,总体上呈增加趋势,平均每10年增加9.84 mm,其中2017年平均降水量最高,为251.6 mm,较常年（1981—2010年）平均值高132.8 mm。1982年平均降水量最低,为52.9 mm,较常年平均值低 65.9 mm。20世纪70年代—80年代末以降水量偏低为主,20世纪90年代以来,降水量逐步增加,流域降水以正距平居多,占51.61%,这反映出湖泊水量从降水变化中得到了一些补给。
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4.3 年蒸发量
年蒸发量变化（
图7）来看,自1970年以来蒸发量年际变化波动较大,总体上呈弱的减少趋势,平均每10年减少2.22 mm,其中1996年平均蒸发量最高,为 2652.1 mm,较常年（1981—2010年）平均值高 246.9 mm。2000年平均降水量最低,为2096.7 mm,较常年平均值低309 mm。20世纪70年代至今蒸发量以偏低为主,流域蒸发以负距平为主。
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5 结论与讨论
笔者根据郭扎错地区1975—2018年的地形图和Landsat TM/ETM+以及高分卫星等资料,对近40年郭扎错湖泊时空异质性和面积变化与气候响应关系研究,得出以下结论：
（1）对郭扎错地区气候分析得出,温度是该区域气候变化最显著的气象因子,温度持续上升引起西昆仑东侧山脉的崇测冰川融化,为该构造湖提供了充足的水源补给,降水对湖泊水量有一定补充作用,但蒸发远远大于降水量。
（2）郭扎错湖岸阶地不发育,周围多为基岩山坡,湖泊空间变化主要集中在补给河流入湖口,20世纪90年代以前该地区气候暖湿化,甜水河和崇测河水源充足,入湖口水位上升,湖泊面积相对增大;20世纪90年代以后该地区气候暖干化明显,入湖口水位下降,湖泊相对萎缩。
（3）气温逐渐上升,导致该地区蒸发年际变化增大,北侧冰川积雪海拔过高,冰川区不论白天还是夜晚近地表均存在逆温层,层结稳定[32],冰川融水变化不明显,是导致该湖波动式萎缩的主要原因,降水对北侧冰川影响较大,间接作用于该地区的气候变化,是湖泊面积变化的次要原因。
综上所述,郭扎错湖泊面积波动性萎缩,反映出该区域在全球变暖趋势下,干湿化以20世纪90年代为分界点,90年代以前表现为暖湿化,温度相对较低,冰雪融水补给较好,湖泊面积增加;90年代降水趋于平缓,温度持续增加,冰雪进一步融化,湖泊面积也在增大;但进入21世纪,冰雪融水减少,湖泊水源补给不足,入湖口水位下降,湖泊面积减少,该地区气候暖干化趋势明显[33]。随着全球气候变化异常,该区域的湖泊时空异质性仍是研究的焦点。
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=2" class="main_content_center_left_zhengwen_bao_erji_title main_content_center_left_one_title" style="font-size: 16px;">{{custom_sec.title}}{{custom_sec.content}}[1]王苏民, 窦鸿身. 中国湖泊志[M]. 北京: 科学出版社, 1998.
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{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}[4]辛晓冬, 姚檀栋, 叶庆华, 等. 1980—2005年藏东南然乌湖流域冰川湖泊变化研究[J]. 冰川冻土, 2009, 31(1):19-26.
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{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}[10]向灵芝, 刘志红, 柳锦宝, 等. 1980—2010年西藏波密地区典型冰川变化特征及其对气候变化的响应[J]. 冰川冻土, 2013, 35(3):593-600.
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湖冰物候事件是气候变化的敏感指示器。本文以西藏纳木错湖为研究对象,基于MODIS多光谱反射率产品数据监测了2000-2013年纳木错湖冰冻融日期,并结合多个气象站点的气象数据和实测湖面温度、湖面辐射亮温分析验证了湖冰变化的原因。纳木错湖冰变化较好地响应了区域气候变暖：开始冻结日期延迟和完全消融日期提前使湖冰存在期显著缩短(2.8 d/a)、湖冰冻结期增长、湖冰消融期缩短,其中消融期变化最为明显,平均每年缩短3.1 d。湖冰冻融日期的变化表明：2000年后纳木错湖冰冻结困难,消融加速,稳定性减弱。纳木错湖冰变化主要受湖面温度、湖面辐射亮温和气温变化的影响,它们可以作为气象因子来解释区域气候变化。
{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}[12]聂宁, 张智杰, 张万昌, 等. 近30a来雅鲁藏布江流域冰川系统特征遥感研究及典型冰川变化分析[J]. 冰川冻土, 2013, 35(3):541-552.
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Xin Zhang,
Hongxing Zheng. Investigating changes in lake systems in the south-central Tibetan Plateau with multi-source remote sensing[J]. Journal of Geographical Sciences, 2017, 27(3):337-347.
Lakes in the Tibetan Plateau are considered sensitive responders to global warming. Variations in physical features of lake systems such as surface area and water level are very helpful in understanding regional responses to global warming in recent decades. In this study, multi-source remote sensing data were used to retrieve the surface area and water level time series of five inland lakes in the south-central part of the Tibetan Plateau over the past decades. Changes in water level and surface area of the lakes were investigated. The results showed that the water level of three lakes (Puma Yumco, Taro Co, Zhari Namco) increased, with expanding surface area, while the water levels of the other two lakes (Paiku Co, Mapam Yumco) fell, with shrinking area. The water levels of the lakes experienced remarkable changes in 2000-2012 as compared with 1976-1999. Spatially, lakes located at the southern fringe of the Tibetan Plateau showed consistency in water level changes, which was different from lakes in the central Tibetan Plateau.
{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}[17]Zhang Guoqing,
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{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}[29]焦克勤, 姚檀栋, 李世杰. 西昆仑山32ka来的冰川与环境演变[J]. 冰川冻土, 2000(3):250-256.
{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}[30]李世杰, 郑本兴, 焦克勤. 西昆仑山南坡湖相沉积和湖泊演化的初步研究[J]. 地理科学, 1991(4):306-314,391.
{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}[31]纪鹏, 郭华东, 张露. 基于Landsat数据的郭扎错北面冰川近20年来面积动态变化遥感研究[J]. 遥感技术与应用, 2011, 26(2):202-208.
{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}[32]康兴成. 冰川作用区的温度及其特征[J]. 地理学报, 1993(2):152-160.
本文通过西昆仑山崇侧冰川区的观测资料。揭示了冰川区和非冰雪区气温的日变化,垂直和水平方向的摘变以及季节变化。结果表明,冰雪区气温的日变化小,而昼夜温差大,全天均为绝热稳定区。非冰雪区白天为绝热不稳定状态,夜晚存在逆温现象。接近冰雪区地带气温递减率较大。水平方向温差主要发生在冰雪区前缘地带。由此,提出了冰川区特有的现象——“冰川锋”,并给出了该地区作为青藏高原最冷区域之一的一些数值。
{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}[33]姜永见, 李世杰, 沈德福, 等. 青藏高原近40年来气候变化特征及湖泊环境响应[J]. 地理科学, 2012, 32(12):1503-1512.
以青藏高原52个气象台站1971~2008年的逐月气温、降水资料为基础,采用因子分析、气候趋势分析、气候突变分析等方法,对高原内部不同区域的气候变化特征进行研究,并讨论了高原湖泊环境对气候变化的响应。结果表明,近40 a来,青藏高原各区域年平均气温整体持续上升,柴达木地区增温尤为显著,年平均气温增长率达0.49℃/10a;1987年和1998年各区域气温普遍由低向高突变,1998年以来增温尤为显著。年可利用降水的变化特征存在区域差异,柴达木地区、藏北南羌塘高原东部地区整体增湿。除藏东地区,青藏高原其它地区气候条件于20世纪末21世纪初由暖干向暖湿转变,受其影响,以青海湖、鄂陵湖、冬给措纳、兹格塘错为代表的高原大型湖泊表现出水位上升、湖水离子浓度减小的特征,反映了气候暖湿条件下湖泊水量的增加。
{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}{{custom_ref.label}}{{custom_citation.content}}https://doi.org/{{custom_citation.doi}}https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/{{custom_citation.pmid}}{{custom_citation.url}}本文引用 [{{custom_ref.citedCount}}]摘要{{custom_citation.annotation}}基金
第二次青藏高原综合科学考察研究“西藏高原典型湖泊动态变化与影响”(2019QZKK0208)
国家自然科学基金项目“能源消耗变化背景下高原城市光化学污染现状与潜势研究”(21876214)
国家自然科学基金项目“能源消耗变化背景下高原城市光化学污染现状与潜势研究”(41765011)
国家自然科学基金项目“能源消耗变化背景下高原城市光化学污染现状与潜势研究”(41561017)
“羌塘国家级自然保护区气候变化及其对生态环境的影响”(41765011)
第二次青藏高原综合科学考察研究“湿地生态系统与水文过程变化”(2019QZKK0304)
西藏自治区气象科技研究项目“高分数据智能获取及预处理系统研发”(XZQX201907)
创新团队：西藏自治区气象局高原遥感技术应用创新团队
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[题目] 藏波罗花是青藏高原特有的草本植物.生长在海拔3600
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