基于湖泊面积的中国五大淡水湖旱涝急转分析

绳梦雅+杜帅+印琪

摘 要：本文以中国五大淡水湖为研究对象，利用遥感监测五大淡水湖的湖泊面积，分析五大淡水湖的旱涝急转气候特征。研究结果表明：受湖泊降水和湖泊岸线的影响，五大湖泊夏季湖泊面积变化之间具有差异性，鄱阳湖和洞庭湖的面积变化最为明显；气候变化导致的旱涝急转是导致湖泊面积变化的重要原因之一，通过湖泊面积变化特征在一定程度上能够反映湖泊的旱涝急转情况。

关键词：旱涝急转；五大淡水湖；湖泊面积；遥感

近年来，气候变化引起的旱涝异常越来越引起人们的重视，旱涝异常主要分为旱涝急转和旱涝并存两种，其中旱涝并存又由不同周期尺度的旱涝急转所构成[1]。由于旱涝急转造成的灾害趋于严重，当前立足于夏季平均降水异常和季节内降水异常两方面对旱涝急转演变规律和成因已有大量研究[2-4]。这些研究大多通过气象数据分析流域的旱涝急转气候特征。湖泊作为揭示全球气候变化与区域响应的重要信息载体，对区域气候变化的响应十分敏感，其面积变化在一定程度上能够反映该区域旱涝急转现象。遥感技术以其实时性、周期性、宏观性及综合性等特点为湖泊水体面积的准确快速监测提供了可能。因此，本文利用遥感监测中国五大淡水湖的湖泊面积，通过1985-2015年间夏季湖泊面积变化研究五大淡水湖的旱涝急转，以期为五大淡水湖的旱涝灾害防御和水资源管理提供重要的参考价值。

1.研究区概况

中国五大淡水湖主要分布在长江中下游平原、淮河中下游 [6]。鄱阳湖是吞吐型、季节性淡水湖泊，位于长江中、下游交界处的南侧。洞庭湖是长江中游重要吞吐湖泊，属于构造湖，跨湘、鄂两省。太湖横跨江、浙两省。洪泽湖属于浅水湖泊，位于江苏省。巢湖位于安徽省中部。

2.数据来源与研究方法

2.1.数据来源

利用Landsat遥感影像解译水体可用于湖泊面积监测，本文采用的数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站（http：//www.gscloid.cn），包括Landsat4-5（TM、MSS）、Landsat7（ETM+）、Landsat8（OLI_TRIS）三种数字产品，数据空间分辨率为30m。在各湖泊研究时间段（1985-2015年）内，选取同年份夏季5-6月、7-8月各一景较清晰（无云或少云）的影像。降水数据为中国气象数据网提供的《中国地面气候资料月值数据集》，选用五大淡水湖周围气象台站（波阳、岳阳、吴县东山、盱眙、巢湖）1985-2015年的降雨量月值数据。

2.2 研究方法

本文采用改进的归一化差异水体指数法（MNDWI）建立水体信息提取模型[7-9]，经过多次试验确定水体提取的合理阈值范围，提取水体信息。对湖泊边界进行矢量化以便于计算湖泊面积，边界内的所有面积均算作湖泊面积（包括水面面积、岛屿面积、滩地面积和围垦面积）。

根据各湖泊所处流域的水文气象特点，本文定义夏季汛期时间为5-8月份，长周期旱涝急转下旱和涝的时间尺度均在2个月左右。通过五大淡水湖夏季前、后两景遥感影像提取出来的湖泊面积可反映夏季湖泊面积的变化情况。本文通过夏季湖泊面积的相对变化指标衡量旱涝急转程度，定义了基于湖泊面积的旱涝急转指数LACI： 。式中：A1、A2分别表示从同年份前后两景遥感影像中提取的湖泊面积，该指数以百分数的形式表示，其绝对值在一定程度上反映旱涝急转的强度，指数的符号反映旱涝急转的两种现象。

3.验证与分析

3.1.五大湖面积变化对比

五大湖泊之间的湖泊面积变化具有明显的差异性，鄱阳湖、洞庭湖的湖泊面积变化相对于太湖、洪泽湖、巢湖三个湖泊的面积变化更为明显。湖泊面积受气候变化和人类活动两方面的影响。由于难以对人类活动这一影响因素进行定量分析[10-11]，我们主要对气候变化引起的五大湖泊面积变化的差异性进行讨论。湖泊的面积变化主要受降水的影响，与其呈正相关的关系。五大湖泊由于地理位置的不同导致年降水量有所差异。鄱阳湖、洞庭湖、太湖、巢湖位于长江流域中下游地区，对比四个湖泊之间的多年平均降水，鄱阳湖降水量最多，达1629.77mm，洞庭湖的降水量高于太湖，但是二者之间相差较少。洪泽湖位于淮河流域，降水量最少。

3.2 五大湖旱涝急转分析

本文定义基于湖泊面积变化的|LACI|大于30%时，为明显的旱涝急转现象，|LACI|大于100%时，为严重的旱涝急转现象。对比图2中五大湖泊的LACI指数，鄱阳湖1989、2004、2015年LACI指数为负，表现为“涝转旱”现象，其中1989年、2015年|LACI|均超过了50%。洞庭湖夏季内湖泊面积以2007年、2011年变化最为显著，其LACI指数分别高达446.19%、201.28%，说明在这两个年份中发生了严重的“旱转涝”现象。洪泽湖、太湖、巢湖三个湖泊的LACI指数绝对值均低于10%，其湖泊面积出现了一定程度的变化，但是并无明显的旱涝急转现象，在不考虑湖泊局部变化的情况下，可以将其视为正常年份。

湖泊面积变化还与湖泊所处地形、湖泊周长等多种非气候因素相关。我们计算了五大湖泊的MSI形状指数，指数越大，其湖泊岸线越曲折多变，越容易引起湖泊面积的变化[12-13]。鄱阳湖的MSI指数最高，高达9.86，其他四个湖泊的指数介于1.5-4之间，无较大差异性，洞庭湖、洪泽湖的MSI指数略高于太湖和巢湖。综合五大湖泊的多年平均降水和MSI形状指数两个指标进行分析，鄱阳湖降水量偏多、湖泊岸线极不规则，容易由湖泊面积的变化表现出旱涝急转现象。洞庭湖仅次于鄱阳湖，其明显的湖泊面积变化主要由湖泊岸线不规则导致。而太湖、洪泽湖、巢湖三个湖泊由于年降水偏少、湖泊岸线相对规则，并未反映出明显的旱涝急转现象。

为了对LACI指数的可靠性进行进一步验证，分别选取5个高、低|LACI|湖泊年份将各湖泊LACI指数与吴志伟[3]定义的长周期旱涝急转指数LDFAI对比，太湖、洪泽湖、巢湖对应的LDFAI指数绝对值均为较小值，而鄱阳湖、洞庭湖则明显对应于较高的LDFAI指数绝对值。然而，两种指数并没有呈现出很好的相关关系，两种指数在洞庭湖2007年、2011年分别表现为不同的旱涝急轉情况。一方面原因在于LDFAI指数只考虑了夏季5-8月份降水的变化特征，而夏季的旱涝情况在一定程度上也会受到春季降水的影响；另一方面，LDFAI指数是否适合不同时空尺度下旱涝急转的对比仍有待考证。

（a）鄱阳湖 （b）洞庭湖

图 3鄱阳湖、洞庭湖降水特征

我们选取|LACI|大于50%的年份为旱涝急转的代表性年份对湖泊的降水特征做进一步分析。鄱阳湖1989、2015年两个年份降水特征相似（图），其降水特征如下：1989年、2015年1-4月份月均降水量与多年平均相比无太大差异。5、6月份降水量开始增长，由于1989、2015年两个年份5、6月份降水均高于多年月平均降水值，因此均表现为“涝转旱”现象。两个年份的降水变化特征相比之下，2015年降水变化振幅较大，与多年月均降水特征进行对比，6月份降水量增长约171mm。洞庭湖2007年1-3月份降水正常，与多年平均降水相比，其差值低于30mm，无太大差异，4-7月份降水偏少，5月份降水有所增长，但是并不明显，导致洞庭湖夏季前期仍表现为干旱，湖泊面积为224.49km2，8月份降水的增加，湖泊面积出现明显的增长，因此表现为严重的“旱转涝”现象。2011年1-5月份洞庭湖降水偏少，较常年同期平均降水偏少一半，湖泊面积仅为232.72km2，而6月份降水显著增长，短时间内的强降水导致湖泊面积增加，发生了严重的“旱转涝”现象。这与实际旱涝急转情况一致，2011年4-5月份，长江中下游遭遇严重旱灾，2011年6月3日以后的几场暴雨使长江中下游地区发生了快速、剧烈的旱涝急转现象。由此进一步验证了LACI指数能够在一定程度上反映湖泊夏季旱涝急转情况。鄱阳湖旱涝急转的发生主要与夏季降水异常相关，而洞庭湖的旱涝急转主要受湖泊春季旱涝情况的影响，夏季降水的异常会加剧旱涝急转的发生，这也说明了受春季降水特征的影响，LDFAI指数反映的旱涝急转存在一定的不准确性，因此洞庭湖两种指数反映的旱涝急转具有很大差异。

3.结论

本文利用遥感对五大淡水湖的湖泊面积进行监测，分析了旱涝急转代表性年份中湖泊的降水特征，得出以下结论：在不考虑人类活动影响的情况下，五大湖夏季湖泊面积变化之间的差异性受降水与湖泊岸线两方面的影响。由于降水偏多，湖泊岸线最不规则，鄱阳湖的面积变化最为明显，其次是洞庭湖，均能通过湖泊面积的变化反映出严重的旱涝急转。旱涝急转的发生与湖泊春季降水导致的旱涝情况、夏季降水异常两方面的影响相关，根据夏季降水异常情况不同，发生不同程度的“旱转涝”或“涝转旱”现象。按湖泊春季降水特征，可将旱涝急转的发生分为两种情况，春季降水较少，湖泊偏旱，夏季降水出现异常，则容易引起旱涝急转的发生；春季降水正常，夏季降水出现异常。

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大学生创新创业训练计划项目（编号201610459030）资助.