可可西里湖泊水面面积与雪冰覆盖率相关分析

骆腾飞 ，谭德宝 ，，文雄飞 ，赵登忠

（1. 河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 210098；2. 长江科学院空间信息技术应用研究所，湖北 武汉 430010）

0 引言

全球陆地和海洋 100 多万个观察记录表明，近一个世纪以来全球平均气温显著上升，尤其是 20 世纪80 年代以来，变暖的速度较快。全球气温总体呈现上升趋势，但增温幅度存在显著的空间差异。政府间气候变化专门委员会 2013 年评估显示[1]：中国最近 60 a 气温上升速度为 0.23℃/10 a，而青藏高原地区的气温上升幅度达到 0.37℃/10 a，明显高于我国气温上升的平均水平，且时间距今越近，青藏高原增温的趋势越明显。伴随气温的显著升高，近 30 a来青藏高原降水量也呈增加趋势。

受气候变化影响，青藏高原湖泊面积发生了显著变化。湖泊是气候变化的指示器，它的形成与消失、扩张与收缩近年来一直是科学研究的热点。青藏高原是地球上海拔最高、湖泊数量最多和面积最大的高原内陆湖区。高原湖泊的变化检测是环境变化研究的重要组成部分，对全球环境及气候变化的研究也具有深远的影响作用[2]，国内外学者对湖泊变化进行了大量研究。Benson 等[3]通过对美国Lhontan 湖精确度量湖泊对于水平衡的变化的影响，利用湖泊尺寸作为研究气候变化的因子，发现湖泊的表面积比湖泊的体积和水位更具有说明意义，面积变化在一定程度上更为直观地说明了水量的变化。李治国等[4]通过研究发现近 30 a 来青藏高原北部湖泊出现先萎缩后扩张的变化；边多等[5]发现青藏高原腹地色林错及周边区域湖泊呈持续扩张状态；除多等[6]发现青藏高原南部喜马拉雅山脉地区湖泊呈退缩趋势；姚晓军等[7]研究结果表明，1970 年初期至 2011 年，可可西里地区湖泊经历了“先萎缩后扩张”的变化过程。

可可西里地区[8]深处青藏高原腹地，是青藏高原湖泊集中分布区之一。湖泊不仅是该区大气降水、冰雪融水和泉水的归宿地，还是区内野生动植物较为稳固的水分涵养地及无机盐营养元素的汲取地，湖泊在可可西里无人区对保持脆弱的高原生态系统起着重要的作用。可可西里地区的卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔和盐湖，均属内流湖，原来各自相对封闭且独立，湖区降水、四周河流汇聚于各自湖区，消耗于蒸发。自 2011 年 9 月卓乃湖发生湖岸溃决事件后，大量外泄水量向东径流，导致 4 个湖泊自西向东建立了水力联系，引发卓乃湖面积急骤减小，盐湖面积持续增大，威胁下游基础设施等一系列问题，因此有必要对库塞湖等湖泊进行遥感动态监测。

高寒地区的雪冰覆盖变化与当地气象要素相关，会对高寒地区流域水文的时空变化产生影响。国内外学者对高寒地区雪冰覆盖变化对流域水文变化的影响进行了研究，国际上学者主要对里奥格兰德河[9]、Mokelumne River[10]、恒河[11]、库班河[12]的融雪径流进行研究， 我国学者主要对黑河[13–14]、青海湖流域[15]、天山[16]、长江源区[17]的融雪径流进行研究。近几十年来，青藏高原湖泊水量时空变化成为研究的热点，而雪冰融化是青藏高原湖泊水量的径流组成之一，因此对青藏高原湖泊集水区的雪冰覆盖进行遥感监测是很有必要的。

为了对青藏高原湖泊进行变化监测，本研究选择可可西里地区库塞湖及周边四湖（以下简称四湖）作为典型试验区，利用卫星遥感和地理信息技术等，对四湖集水区进行了湖泊水面面积（由Landsat TM，ETM+ 和高分 1 号等影像提取）和雪冰覆盖的遥感监测，同时结合附近的五道梁气象站的月均气温和月降水量数据，进行相关分析，挖掘四湖湖泊水面面积的变化规律与驱动因素，以及四湖集水区雪冰覆盖率与湖泊水面面积的相关关系，为四湖集水区水资源管理与生态环境保护提供支撑，为气候变化研究提供基础数据。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域的介绍

可可西里地区位于羌塘高原东北部，东经 89.25°～94.05°，北纬 34.19°～36.16°，平均海拔 4600 m 以上[18]。区内地势南北高，中部低，西部高，东部低。可可西里山和冬布勒山横贯中部，山地间 2 个宽谷湖盆带，地势平坦。海拔 5500～6000 m 以上的山地，有现代冰川发育。该地区面积 ＞ 1 km2的湖泊有 252 个，总面积为 6848 km2，占地区总面积（179227 km2）的 3.6%。该地区的内陆湖泊未受人类影响，其变化主要受流域内气候和环境变化影响。

库塞湖是可可西里自然保护区第 6 大湖，与海丁诺尔、盐湖等共同组成可可西里自然保护区东北部重要的盐渍化湿地区域[19]。库塞湖湖区属青南高寒草原半干旱气候，年均气温为 0～2 ℃，年降水量为 100～150 mm。集水区面积为 3700 km2，补给系数为 14.5，主要依赖源于昆仑山大雪峰和雪月山的库塞河补给。卓乃湖湖盆受区域构造呈东西向梨形，西宽东窄，湖水主要依赖卓乃河补给，卓乃河长 65 km，源于五雪峰冰川南缘，汇冰川融水，在下游渗漏砂砾之中以潜流形式入湖。

1.2 气象数据的获取

可从中国气象科学数据共享服务网上，下载五道梁气象站 2005—2015 年逐月月平均气温和降水量数据。

1.3 雪冰覆盖率的求取

在美国国家雪冰数据中心下载 2005—2016 年库塞湖等四湖集水区范围 M O D I S 积雪产品MOD10A2，行列号为 h25v05。MOD10A2 以 8 d 为1 个周期，处理后得到逐月雪冰覆盖率。

应用积雪指数NDSI对原始遥感影像进行处理得到分类产品 MOD10A1，经过 8 d 合成消除了云的影响，得到 MOD10A2 积雪产品，影像中数据为 200的为雪冰[20]。实际使用过程中，需要对遥感积雪产品进行一些处理，包括遥感数据的拼接、等面积投影变换和裁剪等步骤。

利用 ArcGIS 的统计功能，得到雪冰的像元个数，乘以像元代表的实际面积，即为四湖集水区雪冰覆盖面积，除以四湖集水区总面积（8652 km2）得到四湖集水区雪冰覆盖率。再将 8 d 为一周期的冰雪覆盖率数据进行逐日插值（即这 8 d 的雪冰覆盖率数据相同）和月平均运算（即总和除以天数），得到逐月的四湖集水区雪冰覆盖率序列。把 1 a 的日均雪冰覆盖率做平均运算，得到年均雪冰覆盖率。

1.4 四湖水面面积的提取

从美国地质调查局网站（www.usgs.gov）下载四湖集水区范围 2009—2017 年 Landsat TM，ETM+及高分 1 号等影像，提取四湖湖泊面积的动态变化。2006—2008 年湖泊水面面积数据来自文献 [21]，2009—2017 年湖泊水面面积数据部分来自青海省卫星遥感中心提供的监测数据。

2 实验结果与讨论分析

2.1 湖泊水面面积与雪冰覆盖变化趋势的分析

2.1.1 四湖水面面积变化趋势分析

2009—2017 年卓乃湖等湖泊群面积变化情况统计如表1 所示。

表1 2009—2017 年卓乃湖等湖泊群面积变化情况统计表 km2

从 4 个湖泊历年水面面积变化情况可以看出，2011 年 9 月，卓乃湖湖岸溃决后面积急剧减小，2012 年后趋于稳定；库赛湖和海丁诺尔面积先增后减，2013 年后趋于稳定。盐湖面积 2009—2017 年总体呈增加趋势，面积从 2009 年的 40.95 km2逐渐增加到 2011 年的 45.89 km2，增加幅度较小；2011 年以来，面积从 45.89 km2急剧增加到 2013 年的138.55 km2；2013 年后呈持续缓慢增加的趋势，年平均面积扩张速率为 4.5 km2/a，至 2017 年 5 月，盐湖面积为 156.60 km2。因此，盐湖上游的卓乃湖、库赛湖和海丁诺尔面积已趋于稳定，盐湖将进一步呈扩大的趋势。

2.1.2 雪冰覆盖率变化趋势分析

利用 2005—2014 年 MOD10A2 提取四湖集水区范围逐月平均雪冰覆盖率。将 2005—2014 年 10 a 的年均雪冰覆盖率序列做一个折线图，如图1 所示，变化趋势是正的，说明 2005—2014 年期间，雪冰覆盖率每年增加 0.3%，10 a 共增加了 3.0%。总体来说，雪冰覆盖率呈小幅增加趋势，说明近 10 a 四湖集水区范围的雪冰覆盖率是稳定的，且呈小幅增加趋势。

图1 2005—2014 年逐年四湖集水区年均雪冰覆盖率折线图

分析 2005—2014 年四湖集水区月均雪冰覆盖率，发现雪冰覆盖率通常在 10 月份达到该年份的最大值（10 a 平均值为 55.58%），在 7 月份达到该年份的最小值（10 a 平均值为 3.46%）；另外一个异常的现象是，5 月份雪冰覆盖率比较突出（10 a 平均值为26.00%），在 1—6 月份处于最高。

2.2 雪冰覆盖率与其他气象水文要素相关关系的分析

2.2.1 气温与雪冰覆盖率的关系

规定相关系数R的绝对值 ＜ 0.0500 为不相关；＜ 0.4000 为低度相关；处于 0.4000～0.7000间为中度相关；＞ 0.7000 为高度相关。

2005—2014 年五道梁站月均气温与四湖集水区月均雪冰覆盖率的相关系数如表2 所示。从表2 可以看出，4 月份雪冰覆盖率与月均气温的相关系数R为 -0.4481，呈中度负相关。原因分析如下：4 月份气温越低（2005—2014 年 4 月份五道梁站的月均气温在 -4.0 ℃ 左右），越利于降雪，降雪量及范围越大，且积雪在低温天气不容易融化，此时的主导因素是降雪事件。

6 月份相关系数R为 -0.7516，呈高度负相关。原因分析如下：6 月份气温越高（2005—2014 年 6 月份五道梁站的月均气温在 3.5 ℃ 左右），越利于雪冰融化，进而导致雪冰覆盖面积越小，此时主导因素是随着气温的升高而导致的雪冰的融化。

5 月份相关系数R为 -0.0886，呈低度负相关。在 2—6 月份，5 月份的相关度最低，说明 5 月份影响雪冰覆盖率的要素中，气温处于非常次要的因素。

1 月份相关系数R为 0.0538，呈低度正相关。说明 1 月份影响雪冰覆盖率的要素中，气温处于非常次要的因素，原因可能是此时无论气温是高或是低，降雪量都很小。

表2 2005—2014 年五道梁站月均气温与四湖集水区月均雪冰覆盖率的相关系数

2.2.2 降水量与雪冰覆盖率的关系

将 2005—2014 年各月五道梁站月降水量与四湖集水区月均雪冰覆盖率建立相关关系，各相关系数如表3 所示。从表3 可以得出，1 月份雪冰覆盖率和月降水量的相关系数R达到 0.8309，高度正相关，原因是 1 月份的降水量里大部分是降雪；3 月份的相关系数R达到 0.7886，高度正相关，原因是 3 月份的降水量里大部分是降雪。

表3 2005—2014 年各月五道梁站月降水量与四湖集水区月均雪冰覆盖率相关系数

9 月份相关系数R达到 0.3068，说明四湖集水区的雪冰覆盖率与五道梁站的月降水量在 9 月份呈低度正相关，原因是 9 月份的降水量里只有部分是降雪。

7 月份相关系数R为 -0.3275，说明四湖集水区的雪冰覆盖面积与五道梁站的月降水量在 7 月份呈低度负相关，这是由于 7 月份的气温在 6℃ 左右，基本为降水形式，降水量的增加并不能使雪冰覆盖率增大。

2.3 四湖湖泊水面面积与其他水文要素的相关分析

对于四湖湖泊水面面积和其他水文要素的相关分析，以年尺度展开。考虑到卓乃湖在 2011 年发生了溃决，导致卓乃湖自身及下游的库塞湖、海丁诺尔湖、盐湖的水面面积在 2011 年发生了剧烈变化，因此对于四湖湖泊水面面积和其他水文要素的相关分析，将从整体（2005—2016 年）及卓乃湖溃决前（2006—2010 年）和 溃决后（2012—2015 年）分3 种情况进行讨论。

2.3.1 四湖水面面积和气温的相关分析

四湖年水面面积和五道梁站年均气温的相关系数如表4 所示。

表4 四湖年水面面积和五道梁站年均气温的相关系数 R

变化规律：卓乃湖溃决前，库塞湖和卓乃湖年水面面积与五道梁站年均气温呈低度正相关或者不相关；卓乃湖溃决后，库塞湖和卓乃湖年水面面积与五道梁站年均气温呈高度负相关，盐湖和四湖总水面面积与五道梁站年均气温都呈高度正相关。

2.3.2 四湖水面面积和降水量的相关分析

四湖年均水面面积和五道梁站年降水量的相关系数如表5 所示。

表5 四湖年水面面积和五道梁站年降水量的相关系数 R

变化规律：卓乃湖溃决前，库塞湖和卓乃湖年水面面积与五道梁站年降水量呈低度或中度正相关；卓乃湖溃决后，库塞湖和卓乃湖年水面面积与五道梁站年降水量呈中度正相关，且相关性增强，四湖总水面面积与五道梁站年均气温呈高度负相关。

2.3.3 四湖水面面积和集水区雪冰覆盖率的相关分析

四湖年水面面积和集水区年均雪冰覆盖率的相关系数如表6 所示。

表6 四湖年水面面积和四湖集水区年雪冰覆盖率的相关系数 R

变化规律：卓乃湖溃决前，库塞湖和卓乃湖年水面面积都与四湖集水区年雪冰覆盖度呈高度正相关；卓乃湖溃决后，库塞湖和卓乃湖年水面面积都与四湖集水区年雪冰覆盖度呈中度正相关。说明在卓乃湖溃决前，库塞湖和卓乃湖水面面积的增加受冰雪融化影响很大。

2.3.4 四湖水面面积之间的相关分析

一个特别的发现：盐湖水面面积与卓乃湖水面面积的相关系数为 -0.9697（2012—2017 年），这意味着卓乃湖溃决后，卓乃湖与盐湖年水面面积呈高度负相关，此消彼长，其中的物理内涵还待进一步分析，原因可能是卓乃湖减少的水量，很大一部分通过库塞湖和海丁诺尔湖，流入到了盐湖。

进一步发现：2012—2017 年间，盐湖水面面积与库塞湖和海丁诺尔湖水面面积也是高度负相关，盐湖水面面积与四湖总水面面积呈高度正相关。盐湖水面面积与其他诸湖水面面积相关系数如表7 所示。

表7 盐湖年水面面积和其他诸湖年水面面积的相关系数 R

2009—2017 年间，盐湖水面面积与卓乃湖水面面积是高度负相关，盐湖水面面积与库塞湖、海丁诺尔湖、四湖总水面面积呈高度正相关。

3 结语

根据分析，可以得出以下 3 个结论：

1）卓乃湖溃决后面积急剧减小，2012 年后趋于稳定。库赛湖和海丁诺尔则先增后减，2013年后趋于稳定。盐湖面积 2009—2011 年，增加幅度较小；2011—2013 年急剧增加；2013 年后呈现持续缓慢增加的趋势。

2）2005—2014 年期间，四湖集水区雪冰覆盖率总体呈显著增加趋势；每年的 10 月四湖集水区雪冰覆盖率达到最大值， 7 月达到最小值，5 月通常也达到一个很大的值。

3）卓乃湖溃决后，库塞湖及卓乃湖的水面面积与五道梁站年均气温的相关性显著提高，而库塞湖及卓乃湖的水面面积与四湖集水区雪冰覆盖率的相关性显著降低，四湖总水面面积与五道梁站年均气温呈高度正相关。

本研究部分揭示了 2005—2017 年间四湖水面面积变化与集水区的雪冰覆盖率变化规律及其与气温、降水的相关关系，可以为全球气候变化问题提供参考，同时也能为可可西里地区的水资源管理和生态环境保护提供数据基础和决策支撑。可可西里地区的四湖水面面积与集水区的雪冰覆盖率与气温、降水的具体物理机理，还待深入研究，这将会涉及到更多的数学统计方法或者水文模型的使用。

参考文献：

[1] 李睿，朵海瑞 ，史林鹭， 等. 可可西里 1970—2013 年气候变化特征及其对景观格局的影响[J]. 北京林业大学学报，2015，37 (12): 59-68.

[2] 郭柳平，叶庆华，姚檀栋，等. 基于 GIS 的玛旁雍错流域冰川地貌及现代冰川湖泊变化研究 [J]. 冰川冻土，2007，29 (4): 517-524.

[3] BENSONA LV, THOMPSON R. Lake-level variation in the Lahontan basin for the past 50.000 years[J]. Quaternary Research, 1987, 28 (1): 69-85.

[4] 李治国. 近 50 a 气候变化背景下青藏高原冰川与湖泊变化[J]. 自然资源学报，2012，27 (8): 1431-1443.

[5] 边多，边巴次仁，拉巴，等. 1975—2008 年西藏色林错湖面变化对气候变化的响应[J]. 地理学报，2010，65 (3):313-319.

[6] 除多，普穷，拉巴卓玛. 近 40 a 西藏羊卓雍错湖泊面积变化遥感分析[J]. 湖泊科学，2012，24 (3): 494-502.

[7] 姚晓军 ，刘时银 ，李龙，等. 近 40 年可可西里地区湖泊时空变化特征[J]. 地理学报，2013，68 (7): 886-896.

[8] 李龙. 近年来可可西里地区湖泊及冰情时空变化特征研究[D]. 兰州：西北师范大学，2015: 1.

[9] STEELE C, RANGO A. Modeling streamflow from snowmelt in the upper Rio Grande[C]// American Water Resources Association Conference Proceedings. Albuquerque, New Mexico, 2011: 17.

[10] POWELL C, BLESIUS L, DAVIS J, et al. Using MODIS snow cover and precipitation data to model water runoff for the Mokelumne River Basin in the Sierra Nevada,California (2000—2009)[J]. Global and Planetary Change,2011, 77 (1): 77-84.

[11] SEIDEL K, MARTINEC J. Modelling runoff and impact of climate change in large himalayan basins[C] //Intelnational Conference on Integrated Water Resources Management(ICIWRM). Roorkee: ICIWRM, 2000: 19-21.

[12] GEORGIEVSKY M V. Application of the Snowmelt Runoff Model in the Kuban river basin using MODIS satellite images[J]. Environmental Research Letters, 2009, 4 (4): 940-941.

[13] 王建，沈永平，鲁安新，等. 气候变化对中国西北地区山区融雪径流的影响[J]. 冰川冻土，2001，23(1): 2-33.

[14] 李弘毅，王建. SRM 融雪径流模型在黑河流域上游的模拟研究[J]. 冰川冻土，2008，30 (5): 769-775.

[15] ZHANG G Q, XIE H J , YAO T D, et al. Quantitative water resources assessment of Qinghai Lake basin using Snowmelt Runoff Model (SRM) [J] .Journal of Hydrology, 2014, 519:976-987.

[16] 马虹，程国栋. SRM 融雪径流模型在西天山巩乃斯河流域的应用实验[J]. 科学通报，2003，48 (19): 2088-2093.

[17] 骆腾飞，谭德宝，文雄飞，等. 基于 MODIS 的长江源区雪冰遥感监测及其变化规律分析[J]. 长江科学院院报，2017 (3): 143-147.

[18] 闫强，可可西里地区湖泊变化遥感监测与水文模拟[D].北京：中国科学院大学，2013: 13-14.

[19] 姚晓军，刘时银，孙美平，等. 可可西里地区库塞湖变化及湖水外溢成因[J]. 地理学报，2012，67 (5): 689-698.

[20] 黄晓东，张学通，李霞，等. 北疆牧区 MODIS 积雪产品MOD10A1 和 MOD10A2 的精度分析与评价[J]. 冰川冻土，2007，29 (5): 722-729.