1993—2013年甘肃甘南尕海湖湖面变化及其原因分析

马　斌，黄银洲*，王伟伟，马沛龙

(1．兰州大学资源环境学院，甘肃兰州　730000；临潭县第二中学，甘肃临潭　747500；3.甘肃尕海-则岔国家级自然保护区管理局，甘肃碌曲　747200)



1993—2013年甘肃甘南尕海湖湖面变化及其原因分析

马斌1,2，黄银洲*，王伟伟1，马沛龙3

(1．兰州大学资源环境学院，甘肃兰州730000；临潭县第二中学，甘肃临潭747500；3.甘肃尕海-则岔国家级自然保护区管理局，甘肃碌曲747200)

利用尕海地区的遥感影像资料与碌曲县站、尕海站的气象资料，综合使用RS，GIS技术以及统计分析的方法对尕海湖面积变化的空间特征做了定量分析．结果表明，尕海湖区年平均气温、降水量显著增加，积雪天数、蒸发量显著减少，冻土深度有所变浅；湖泊面积显著增加，特别近10年增加速率加快；湖面变化受年均气温、极端低温、蒸发量、降水量、1，2月最大冻土深度的影响最为显著．年平均气温、极端低温、降水量与湖泊面积呈正相关关系；蒸发量、1，2月最大冻土深度与湖泊面积呈负相关关系．尕海湖水面的扩张是同期气温升高、降水量增大、蒸发量减少和冻土退化等因素共同作用的结果．

尕海湖;气候变化;面积变化；相关性分析

湖泊是地球表面能够蓄水的天然洼地，是陆地仅次于冰川的水圈的重要组成部分，其面积变化忠实地记录了湖区气候变化和人类活动等信息，它的形成与消失、扩张与收缩及其引起的生态环境的演化过程都是全球的、区域的和局部的构造和气候事件共同作用的结果[1-3]．

青藏高原湖区是全球海拔最高、面积最大、数量最多的高原湖群区，湖泊面积41 831.7 km2，占我国湖泊总面积的51.4%，湖泊数量占我国湖泊总数的39.2%[4]．在全球气候变化的大背景下，青藏高原气候变化更明显，近几十年，青藏高原气温逐年上升，且上升速度明显高于全国平均速度，冰川普遍呈减薄退缩状态，冰川融水增加[5-7]；降水量呈增加趋势，近年来趋势更为明显，最大可能蒸散呈降低趋势，大多数地区的干湿状况有由干向湿发展的趋势[8-9]．受气温、降水等诸多要素的影响，青藏高原湖泊也发生了显著的变化．青藏高原湖泊受人类活动直接影响较小，其面积变化是流域内气候变化最为敏感的标志之一[10]．而且，青藏高原也是我国重要的河流发源地，位于大江大河上游地区的高原湖泊面积、水量的变化会影响到整条河流，进而对全国生态环境、社会经济的发展产生影响．

遥感技术能够实时、准确、定量地获取湖面变化的动态数据，而且受人为因素影响较小，遥感与地理信息技术的发展为湿地研究提供了新的方法和强有力的技术支持[11]．2004年，朱大岗等[12]利用MSS和ETM+影像，分析了25年来青藏高原湖泊的分布及其变迁，认为导致湖泊变化的主要因素是气温、降水及冰川变化．2007年，卓嘎等[13]利用中巴地球资源卫星、美国陆地卫星资料，分析了45年来那曲中东部地区各气候要素的变化对湖泊面积变化的影响，发现降水量、气温、地温、蒸发量、日照时数、最大积雪深度、最大冻土深度等要素的变化与湖泊面积的增加具有显著的线性关系．边多等[14]研究发现，由于气温升高和冰雪融水增加，1975—2008年西藏第二大湖色林错的面积变化扩大了将近两倍．董斯扬等[15]研究40年整个青藏高原湖面的变化，发现从时间尺度来看，近十几年青藏高原湖泊扩张最为显著，从空间尺度来看，高原北部和低海拔地区的湖面扩张更加剧烈．

有关青藏高原湖泊面积变化的研究很多，但从地域范围来说，研究较多的是青藏高原中东部地区的一些面积较大的湖泊，如纳木错[16]、玛旁雍错[17]等，对面积较小以及边缘地区的湖泊研究较少．文中以位于青藏高原东北边缘的尕海湖为研究对象，利用遥感和地理信息系统技术，对近20年来湖面变化特征进行分析，并定量分析其面积变化原因．

1　研究区概况

尕海湖(102°11′E～102°28′E，34°04′N～34°14′N)位于青藏高原东北边缘，黄河上游，甘肃省甘南州碌曲县境内的尕海盆地(图1)，湖滨周围为宽广的河谷冲击平原．平均海拔约3 450 m，是典型的高原内陆淡水湖，湖水清澈，水深2～2.5 m，蓄水量最大时可达5 000万m3．尕海地区属于青藏高原气候带、高寒湿润气候区，年平均气温为1.2 ℃；最热月7月平均为10.5 ℃；最冷月1月平均-9.1 ℃．受西风环流影响和高原地形作用，尕海湿地雨量充沛，年均降雨量为781.8 mm，年蒸发量1 150.5 mm；降水集中在7—9月，为439.1 mm，占全年降水量的56.2%．充沛的雨量、较低的蒸发量、良好的植被覆盖、平坦的地形和较大的集水区是尕海湖形成的主要原因．尕海湿地对维持生物多样性，涵养黄河重要支流——洮河水源以及减缓温室效应都有着重要的作用．2000年11月被列入中国重要湿地名录，2011年9月成功申报国际重要湿地，成为全球第1 975块、我国第41块，甘肃省首块国际重要湿地[18-19].

图1　尕海湖流域和气象站点分布

获取时间卫星名称数据类型传感器平均云量中心经度中心纬度条带号行编号1993-09-02LANDSAT5L45TMTM2.64102.635E34.612N131361994-09-05LANDSAT5L45TMTM2.62102.581E34.624N131362000-10-31LANDSAT7L7slc-onETM+1.37102.606E34.607N131362002-11-06LANDSAT7L7slc-onETM+0.15102.609E34.610N131362004-11-11LANDSAT7L7slc-offETM+0.00102.660E34.628N131362005-11-06LANDSAT5L45TMTM23.39102.655E34.609N131362006-10-08LANDSAT5L45TMTM0.00102.619E34.618N131362007-09-25LANDSAT5L45TMTM0.00102.638E34.610N131362008-10-05LANDSAT7L7slc-offETM+14.00102.459E34.657N131362009-09-22LANDSAT7L7slc-offETM+0.00102.606E34.606N131362010-09-09LANDSAT7L7slc-offETM+12.00102.617E34.605N131362012-11-01LANDSAT7L7slc-offETM+36.37102.643E34.605N131362013-10-11LANDSAT8OLI_TIRSOLI_TIRS0.01102.625E34.611N13136

2　数据获取及其处理

2.1影像资料

本研究使用的影像资料为1993—2013年的13景TM,ETM+,OLI_TIRS遥感影像，来源于美国地质调查局(USGS)与地理空间数据云网站．影像均为TIFF格式，基准面为WGS-84，投影坐标是UTM,Zone 48 N．考虑到青藏高原湖泊面积季节变化明显，为了更加准确地分析湖泊的年际变化，数据具有可比性，本研究都采用相同季节(秋季)、水量稳定时期的影像进行分析(表1)．

遥感影像的处理包括利用ENVI 4.8，以从尕海-则岔国家级自然保护区获取的地形图作为基准图，对TM,ETM+,OLI_TIRS数据进行几何校正，误差控制在1个像元以内，选择5,4,3波段，分别赋予红、绿、蓝3种颜色完成图像合成，制作成假彩色图像.遥感影像的解译，在实地考察的基础之上，结合尕海自然保护区的有关资料，采用了人工目视解译的方法，然后利用ArcGIS 10.0的矢量提取工具提取湖泊边界信息，获取湖泊的矢量图，并自动生成面积及其周长数据．

2.2气象资料

由于尕海自然保护区气象站2005年10月才建成，文中2005年以前选择了与尕海地区地理位置最近、气候条件最相似的碌曲县气象观测站的气象数据．2005—2013年气象资料全部都从尕海观站获取．气象数据主要包括平均气温、极端高温、极端低温、蒸发量、降水量、积雪日数、冬季各月份的最大冻土深度等一些与湖泊面积变化密切相关的要素．

3　结果与分析

3.1湖泊水面的变化

在时间上，通过1993—2013年遥感数据解译的湖泊面积(图2)可以看出，尕海湖湖面总体呈波动增大趋势，平均面积1 490.25 hm2，1993—2013年共增加了1 638.52 hm2，增加速率为81.93 hm2·a-1．具体表现为，1993年、1994年、2000年、2002年4年，湖泊面积较小，平均为478.43 hm2，2002—2004年湖面显著增大，增加率为183.75%，2004年之后湖泊面积均超过1 600 hm2，平均为1 939.95 hm2，2012年湖泊面积最大，达到2 424.71 hm2，与1993年相比，面积扩大了5倍多，这与尕海-则岔国家级自然保护区管理局的监测结果基本吻合．

湖泊的动态变化，不仅有水域面积的变化，湖面扩张或萎缩还表现出明显的空间分异特征,这种空间分异与湖泊的地理位置、湖岸坡度、构造地貌、水深、交通线路的影响等因素密切相关．尕海湖在不同方向扩张的面积和速度是不相同的的，湖面不是一种均匀的扩展．文中利用象限方位分析法，结合实地考察，以1993年尕海湖边界的几何重心为起点，将平面划分成夹角45°的8个象限，分析各个方向上湖面的扩展情况．结果发现，湖面向东南、正南、正东、西南4个方向的扩展最为显著，正北、正西、西北方向扩大很小.

图2　尕海湖面积变化

图3　尕海湖水面变化

3.2气象要素的变化

1)与青藏高原大多数地方一样，尕海湖地区气温也很低，1993—2013年21年的年平均气温只有3.3 ℃，总体上呈显著的波动上升趋势(图4(a))，上升速率为0.72 ℃/10a．具体来看，1993—2002年平均气温为2.89 ℃，比后11年气温的平均值低0.67 ℃．

尕海湖所在区尕海盆地属青藏高原气候带，高原湿润气候区，气温低，温差大．近21年，年平均极端最高气温、最低气温的平均值分别为27.03 ℃,-22．96 ℃．从极端高温(图4(b))、极端低温(图4(c))的年际变化来看，都呈波动式上升趋势，上升速率分别为1.37 ℃/10a,1.47 ℃/10a．2003—2013年极端高温的平均值为27.41 ℃，比前10年高0.95 ℃；2003—2013年极端低温的平均值是-22.43 ℃，与1990年代相比，高1.25 ℃，可见，极端低温的上升更加显著．李林等[20]研究发现1961—2007年青藏高原年均气温以0.37 ℃/10a的速率上升，而且冷季气温上升更加明显．尕海地区气温上升速率为0.72 ℃/10a，远高于青藏高原的平均水平．可见，青藏高原边缘地区气候变暖明显于高原腹地[20-21].

2)近21年年降水量的平均值为595 mm，标准差到达89.92 mm，结合年降水量变化的散点图(图4(d))可以看出，1993—2013年尕海地区年降水量总体呈波动上升趋势，上升速率为4.7 mm·a-1．2003年、2005年降水较多，出现2个“峰值”；2003年最多，达到795.12 mm，超出多年平均值200.12 mm；降水量最少的是2002年，只有459.36 mm，比多年平均值少135.64 mm；2003—2013年，年降水量的平均值为641.57mm，比前10年年降水量的平均值高97.8 mm，降水量增加显著.

3)1993—2013年尕海盆地蒸发量的平均值为1 228.83 mm，是降水量平均值的2倍多，通过研究区气象站蒸发量变化的散点图(图4(e))可以看出，尕海湖区蒸发量呈显著的波动减小态势，减小速率为7 mm·a-1,这与一些学者的研究结果相同[22].具体来看，2002年蒸发量最大，达到1 336.5 mm，超出多年平均值107.73 mm，最少的是2005年，只有1 090.56 mm.1993—2002年蒸发量的平均值为1 287.2 mm,比后11年的平均值高111.42 mm,蒸发量减小显著．

4)1993—2013年研究区积雪日数的平均值为32 d，标准差为15.28 d，结合研究区气象站点积雪日数变化的散点图(图4(f))可以看出，尕海湖区年积雪日数波动减少趋势显著，减少速率为1.5 d·a-1.从积雪日数的变化来看，1993年积雪日数最多，为69 d,2010年积雪日数最少，2003—2013年积雪日数的平均值为24 d，比起前10年几乎减少了一半．可见，气温升高引起积雪消融，积雪天数显著减少.

3.3冻土深度的变化

多年冻土是气候变化的指示器，而接近地表的季节性冻结和活动层对气候变化更为敏感，反应更为迅速[22-23]．本研究区季节性冻土广泛分布，随着全球气候的变化，冻土深度也相应发生变化，冻土的消融与冻结会直接影响到湖泊地下水源的供给，从而蓄水量、面积发生改变．本次研究选择各年12,1,2月份的最大冻土深度分别进行比较，冻土深度均有所变浅(图5)，1993—2002年12,1,2月的年平均深度分别为48.9,71.1,72.9 cm．2003—2013年12,1,2月的年平均深度分别为46.90,67.00,69.54 cm，冻土明显变浅．冻土深度主要受温度变化影响[25]，近几十年青藏高原气温升高，冬季升温更加明显[20]，使得高原冻土退化严重[26].

图4　尕海湖流域近20年气温、降水量、蒸发量、积雪日数的变化

3.4湖泊面积变化原因分析

在长时间尺度上，湖泊的形成与消亡，扩张与萎缩是全球或区域的构造运动与气候演变共同作用的结果；短期来看，主要与气候变化，人类活动有关．尕海湖地区人烟稀少，人类活动的影响较轻，因此尕海湖湖面扩张主要是降水量增加、气温升高、蒸发量减小、冻土变浅、积雪消融等自然原因综合作用的结果．

图5　尕海湖流域20年最大冻土深度的变化

湖区降水可分为湖面降水与陆面降水，湖面降水对湖面大小产生直接影响，陆面降水通过径流、地下水补给间接影响到湖面大小[14]．1993—2013年尕海湖面积和湖区降水量的变化趋势大致相同，总体上都呈波动上升趋势，2002—2004年湖面显著增大，发生“突变”,相应的2003年、2004年降水量也很大，并且2003年降水量达到最大(795.12 mm)，之后在2005年降水量又出现第二个“峰值”(784.56 mm)，同年，湖泊面积也达到2 340.84 hm2，与最大面积相比，只相差83.87 hm2(图2，图4(d))．可见，尕海湖面积的变化与降水存在显著的耦合关系，湖区降水量的变化对湖泊面积的变化影响非常显著．

表2　各气候因素与湖泊面积线性相关性统计

注：** 在0.01水平下显著，* 在0.05水平下显著．

从尕海湖区极端高温、积雪日数、冻土深度变化的散点图可以看出，1998年、2006年极端低温均较高(图4(c))，相应地，1998年、1999年、2006年积雪日数明显减少(图4(f))，冻土深度在上述几年也出现了几个低值(图5)．可见，气温升高，特别是冷季气温的上升对积雪消融、冻土变浅的作用明显，进而造成径流量、地下水量增大，湖面将趋于扩张．

水面蒸发是内陆湖泊最主要的排泄方式[27]，近20年尕海湖区蒸发量明显减小(图4(e)).湖水损失减少，也会引起湖面的扩张．

为了进一步明确各气象要素对湖泊面积的影响程度，利用SPSS对湖泊面积与各要素的关系进行了定量分析(表2)．可以看出，年内平均气温、降水量、蒸发量与湖泊面积呈现出显著的相关性，相关系数都大于0.65．其中，平均气温、降水量与湖泊面积正相关，相关系数分别为0.742与0.687．而蒸发量与湖泊面积负相关，相关系数为-0.666．湖泊面积与积雪日数、12月最大冻土深、1月最大冻土深、2月最大冻土深的相关性相对较低，均为负相关关系，相关系数分别为-0.459,-0.232,-0.584,-0.591．因此，可以看出近20多年尕海湖湖面扩张主要和当地气温升高，降雨量增多，蒸发量减少，冻土退化有关．

4　讨论与结论

文中利用碌曲县与尕海自然保护区气象站的气候资料分析了尕海湖区近20年的气候变化特征，同时，利用遥感影像分析了青藏高原东北边缘区尕海湖的湖面变化特征，并研究了湖泊面积变化对气候变化的响应情况．

1)从遥感资料的分析可知，近20年尕海湖面积呈显著的扩大趋势，到2013年面积为2 116.8 hm2，与1993年相比增加了1 638.52 hm2，湖泊面积年均扩大率为81.93 hm2·a-1．

2)从气象资料的分析结果可以看出，自1990年代以来，研究区气温总体呈上升趋势，冷季增温更加明显，降水量波动较大，也呈上升趋势，而蒸发量、积雪日数减少，冻土深度明显变浅．

3)尕海湖位于尕海盆地最低洼的地区，是水流汇集的中心，所以在全球气候变化的大背景下，气温升高引起湖区冰雪融水量持续增加，冰雪融水又会通过季节性河流汇入湖泊.气温升高也会引起部分冻土消融，深度变浅，地下水源增多，会给湖泊带来更多的补给，因此，结合相关性分析的结果可以看出，气温升高是湖面扩张的最主要，也是最根本的原因．除此之外，降雨量的增加给湖泊带来了更多的补给，而蒸发量的减少又减少了湖水的排泄．

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(责任编辑惠松骐)

Area variation and its causes of Gahai Lake in Gannan of Gansu Province from 1993 to 2013

MA Bin1,2，HUANG Yin-zhou，WANG Wei-wei1，MA Pei-long3

(1．College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000,Gansu,China； 2．The Second Middle School in Lintan County，Lintan 747500，Gansu，China；3.Gahai-Zecha National Nature Preserve Administration Bureau of Gansu，Luqu 747200,Gansu，China)

Using the remote sensing images of Gahai area and meteorological data of Luqu county station and Gahai station,we quantitatively analyze spatial characteristics of Gahai Lake area with the support of GIS，RS technology and the method of correlation analysis．The major results can be summarized as follows:average temperature and precipitation increase significantly，snow days and evaporation reduce significantly，the depth of permafrost becomes shallow in Gahai area.Lake area increased significantly，especially the increase rate is faster in the past 10 years.The effects of average temperature,precipitation，evaporation and permafrost depth on the change of lake area are the most significant．The average temperature，precipitation,extreme low temperatures and precipitation are positive correlation to the lake area；evaporation and maximum depth of permafrost in January and February are negative correlation to the lake area．Gahai Lake expansion is the result of rising temperature，increasing precipitation，reducing evaporation and degradation of permafrost.

Gahai Lake;climate change;area change;correlation analysis

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.02.022

2015-09-21;修改稿收到日期:2015-11-12

国家自然科学基金资助项目(41101187)

马斌(1985—)，男，甘肃临潭人，硕士研究生．主要研究方向为城乡规划．

E-mail:mab2013@lzu.edu.cn

*通讯联系人，男，副教授，博士．主要研究方向为人地关系与环境变化．E-mail：yzhhuang@lzu.edu.cn

P 331

A

1001-988Ⅹ(2016)02-0114-07