基于ICESat/GLAS数据的可可西里地区湖泊水位变化研究*

李 龙，姚晓军，李风贤，李晓锋

(1.兰州资源环境职业技术学院，甘肃兰州 730021； 2.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州 730070)

0 引言

自19世纪后期以来，全球平均地表温度(GMST)持续上升。过去30年比任何有气象资料以来的年份都暖，其中2000年以来的10年是有史以来最暖的10年； 相比气温变化而言，全球陆地表面降水总体变化并不大， 30°N～60°N降水增加较为明显[1]。水是人类赖以生存的自然资源、经济资源和生态资源[2]。湖泊作为陆地水圈的重要组成部分，其水域变化是其所在流域水量平衡的综合结果[3]，是气候变化敏感的指示器[4]，湖泊面积变化会加剧了湖区洪涝灾害[5]。青藏高原是地球上海拔最高、数量最多、面积最大的高原湖群区，共有面积大于1.0km2湖泊1 055个，分别占我国湖泊总数量和总面积的39.2%和51.4%[6]。研究表明，青藏高原近50年年均气温以0.37℃/10年的速率上升，降水则以9.1mm/10年的速率增加[7]。

湖泊水位数据是湖泊水量平衡的重要指标[8， 9]，也是湖泊溃决模拟研究的重要参数[10]。早期的湖泊水位监测主要依赖于水位实测数据，但由于绝大多数湖泊都位于环境恶劣、人烟稀少的无人区，无法得到湖泊水位数据。随着卫星测高技术的不断发展，卫星测高数据已广泛应用于在全球范围内大型湖泊的水位动态监测。如Zhang等[11]利用ICESat/GLAS数据测得青藏高原部分盐湖的水位变化，发现青藏高原大部分盐湖水位上升明显，才多茶卡水位上升速率最快，为0.80m/年； Wang等[12]利用ICESat/GLAS数据研究发现中国青藏高原湖泊水位上升，雅鲁藏布江流域、内蒙古北部地区和新疆地区湖泊水位下降，东部平原地区和云贵高原地区湖泊水位出现强烈波动现象，但影响因素不尽相同； 同样，Zhang等[13]基于ICESat/GLAS数据对我国10个最大湖泊进行研究，发现青藏高原地区的青海湖、纳木错、色林错和东北地区的兴凯湖水位上升明显，新疆地区的博斯腾湖和呼伦湖水位下降显著，扬子江流域的洞庭湖、鄱阳湖、太湖和洪泽湖水位无明显变化； Krause等[14]利用分布式水文模型得到纳木错水位近年来升高0.35m/年，Kropáek等[15]利用ICESat/GLAS数据测得纳木错水位升高0.31m/年，对分布式水文模型精度做了很好验证。

可可西里地区是青藏高原湖泊集中分布区之一，目前有大于10km2的湖泊83个，并且湖泊之间存在合并现象[16]，湖水外溢事件格外受学者关注[17]。文章通过对可可西里地区主要湖泊文献资料的整理，结合统计资料和地理信息技术获取1993—2009年该地区主要湖泊水位变化数据，系统阐述湖泊水位变化特征并对其影响因素进行探讨。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

可可西里地区深处青藏高原腹地，介于33°30′N～36°29′N， 81°56′E～94°06′E之间，面积约23.5万km2(图1)。在行政区划上，可可西里地区横跨我国的青海省和西藏自治区，包括格尔木、治多、班戈、尼玛和改则等市(县)部分区域。地理上的可可西里指的是以可可西里山为主体的邻近山原湖盆地区，位于喀喇昆仑山以东，青藏公路以西，唐古拉山以北，昆仑山以南[14]，较人们一般认为的可可西里地区范围要大[18]。可可西里地区地势高亢，平均海拔4 600m以上，最高峰海拔6 973m，为木孜塔格峰[19]。区内中部较低缓，具有西部高而东部低的地势特点。基本地貌类型除南北边缘山地为大、中起伏的高山和极高山外，广大地区主要为中小起伏的山高和高海拔丘陵、台地和平原。山地起伏和缓，河谷盆地宽坦，是青藏高原上高原面保存最完整的地区[20]。

图1 可可西里地区位置及其境内湖泊分布

1.2 数据来源

可可西里地区湖泊众多，仅面积大于10km2的湖泊有83个，且多为咸水湖—半咸水湖，淡水湖和盐湖分布较少[16]。将《中国湖泊志》统计的湖泊信息作为1993年的水位参考资料[21]，利用可可西里地区湖泊矢量数据[16]，通过美国国家冰雪数据中心(NSIDC，National Snow and Ice Data Center)发布的ICESat/GLAS陆地测高数据产品(GLA14)提取2003—2009年湖泊水位数据，获得可可西里地区有ICESat/GLAS数据的40个面积大于10km2的湖泊水位数据，表1给出了可可西里地区湖泊水位数据获得时间。此外，将0.5°插值年均气温、年降水量数据和距离可可西里地区最近的伍道梁、改则和狮泉河气象台站资料作为研究湖泊变化背景参考，该数据均由中国气象数据网提供(http：//data.cma.cn)。

表1 可可西里地区主要湖泊ICESat/GLAS数据获取时间序列

湖泊名称ICESat/GLAS数据获取时间(20∗∗年∗∗月∗∗日)湖泊名称ICESat/GLAS数据获取时间(20∗∗年∗∗月∗∗日)振泉湖03-10-06玉液湖07-10-12饮马湖03-10-13浩波湖03-10-14永红湖03-10-05黑石北湖03-10-24双连湖04-11-07葫芦池03-10-06太阳湖03-10-13美马错03-11-18豌豆湖03-10-13阿鲁错03-11-18可考湖04-05-23, 06-10-30, 07-03-16盐湖04-10-28, 05-03-15, 07-04-05涟湖03-11-07, 04-10-26, 05-11-1206-11-16, 07-10-24, 08-12-06苟鲁错03-10-29, 04-10-17, 05-11-0307-10-15, 08-10-17, 09-03-21银波湖04-10-05, 05-05-22, 06-10-2607-10-04, 08-10-05, 09-10-02西金乌兰湖03-11-11, 04-10-29, 05-11-1606-11-19, 07-10-28, 08-12-09月亮湖03-11-11, 04-10-29, 05-11-1606-06-18, 07-10-28, 08-12-09乌兰乌拉湖03-11-07, 04-10-29, 05-11-1206-11-16, 07-10-28, 08-12-09向阳湖03-10-30, 04-03-02, 05-11-0406-03-08, 07-10-16雀莫错03-11-15, 04-11-03, 05-11-2006-11-24, 08-12-14, 09-04-07移山湖03-10-17, 04-05-18, 05-10-2207-10-03, 08-10-04, 09-10-01玛章错钦04-10-12, 06-11-02, 07-10-1108-02-25, 09-10-09仙鹤湖04-10-05, 05-05-22, 06-10-2607-10-04, 08-10-05, 09-10-02库赛湖03-03-02, 03-03-06, 03-03-1003-03-18, 03-09-30, 03-10-04江尼茶卡04-11-06, 05-03-24, 06-03-2707-04-14, 08-03-21, 09-04-11勒斜武担湖03-11-03, 04-10-26, 05-11-1206-11-16, 07-10-24, 08-12-06节约湖03-11-07, 04-10-26, 05-11-1206-11-16, 07-10-24, 08-12-06库水浣03-11-07, 04-10-26, 05-11-1206-11-16, 07-10-24, 08-12-06错尼03-11-12, 04-03-14, 05-11-1706-11-, 07-10-29, 08-12-10玛尔盖茶卡03-02-24, 03-03-12, 03-03-2003-03-28, 03-09-28朝阳湖03-11-08, 04-10-27, 05-11-1306-11-17, 07-10-25, 08-12-07, 09-03-31岛湖03-02-25, 03-03-05, 03-03-1303-03-21, 03-09-29得雨湖03-11-08, 04-10-27, 05-11-1306-11-17, 07-10-25, 08-12-07, 09-03-31涌波湖03-10-02, 04-10-22, 05-11-0906-11-12, 07-10-21, 08-12-02, 09-03-27高台湖03-11-15, 04-11-03, 05-11-2006-11-24, 07-04-10, 08-12-14, 09-04-07可可西里湖03-10-17, 04-10-04, 05-10-22,06-10-25, 07-10-03, 08-10-04, 09-10-01多格错仁03-10-26, 04-10-13, 05-10-2706-10-31, 07-10-08, 08-10-10, 09-10-10玛日阿措04-05-23, 04-10-09, 05-10-2606-10-30, 07-10-07, 08-10-09, 09-03-13

1.3 研究方法

将ICESat/GLA14陆地地表测高数据进行格式转化，生成文本格式的GPS点位数据，并根据点位数据的经纬度坐标生成矢量点图层。由于现有大部分水位数据基准一般都采用平均海平面高程，所以该文将ICESat/GLAS的基于EMG96的大地水准面高程转换为基于平均海平面的高程，这样以便以后与实测水位数据进行对比验证。

获得较高精度的湖泊水面高程信息，需要排除湖岸等因素的影响。为此，该文将2003—2009年可可西里地区湖泊边界数据向湖心方向作一定距离的缓冲区(湖泊面积小于50km2缓冲区距离为200m，面积50～100km2缓冲区距离为500m，湖泊面积大于100km2缓冲区距离为1km)，取高程均值作为当天的水位信息； 根据GLAS高程点的高程属性信息，在ArcGIS 9.3软件平台下剔除被云、波浪等干扰的高程点，并根据单个观测日内最大/最小水位、标准方差，删除当日水位异常的高程点，使高程点位的方差小于0.1，按照观测日期生成每个湖泊水位数据。从图2可以看出，ICESat/GLAS卫星测高点数据经过美马错和阿鲁错，通过上述方法可以得出湖泊当时水位数据。

图2 ICESat卫星过境时湖泊水位高程测量

2 结果与分析

2.1 可可西里地区主要湖泊水位统计

早在20世纪50年代，我国即建立了湖泊科学研究机构，通过广大湖泊科技工作者50多年来的努力工作，取得了丰硕的科研成果，出版了《中国湖泊志》[20]等多部科学专著，但都多缺乏系统、综合性、动态的水位研究工作。表2列出了ICESat/GLAS卫星测高数据得到的可可西里地区主要湖泊水位数据，该数据可作为《中国湖泊志》水位数据验证数据。该研究的可可西里地区40个湖泊中，黑石北湖水位最高(5 050.83m)，盐湖水位最低(4 440.05m)，可可西里地区湖泊水位与各湖泊所在湖盆海拔有关。

表2 ICESat数据获得的各湖泊水位数据

湖泊名称海拔(m)日期湖泊名称海拔(m)日期乌兰乌拉湖4 858.702008-12-09振泉湖4 796.352003-10-06多格错仁4 820.782009-10-10永红湖4 773.752003-10-05西金乌兰湖4 774.212008-12-09可考湖4 888.172007-03-16可可西里湖4 889.552009-10-01涌波湖4 886.522009-03-27库赛湖4 476.182003-10-04得雨湖4 850.472009-03-31勒斜武担湖4 873.332008-12-06岛湖4 926.282003-09-29美马错4 923.742003-11-18银波湖4 884.842009-10-02玛尔盖茶卡4 798.452003-09-28仙鹤湖4 843.872009-10-02错尼4 926.682008-12-10涟湖4 910.362008-12-06玉液湖4 861.852007-10-12库水浣5 005.302008-12-06饮马湖4 911.012003-10-13双连湖4 818.052004-11-07阿鲁错4 937.262003-11-18月亮湖4 910.472008-12-09太阳湖4 881.612003-10-13移山湖4 845.292009-10-01向阳湖4 865.862007-10-16苟鲁错4 665.712009-03-21黑石北湖5 050.832003-10-24浩波湖4 829.562003-10-14雀莫错4 924.632007-10-11豌豆湖4 858.152003-10-13葫芦池4 798.9072003-10-06节约湖4 818.862008-12-06朝阳湖4 745.312009-03-31玛日阿措4 648.782009-03-13玛章错钦4 676.152009-10-09高台湖5 015.712009-04-07盐湖4 440.052007-04-05江尼茶卡4 789.582009-04-11

2.2 可可西里地区湖泊水位变化

从湖泊水位波动幅度来看(图3)，错尼湖水位波动幅度最大，共计上升24.68m，在可可西里地区有23个湖泊水位波动在0～5m， 9个湖泊水位波动幅度在5～10m之间， 7个湖泊水位波动幅度在10～15m之间。依据可可西里地区湖泊面积数据[16]， 1990—2009年，岛湖面积扩张接近60倍，玛尔盖茶卡面积扩张6倍多，振泉湖和得雨湖面积扩张接近5倍，错尼湖面积扩张接近3倍，由此可以得出，可可西里地区湖泊水位波动超过10m的湖泊面积都呈倍数级增加。从图3可以看出，可可西里水位波动较大的湖泊均集中于可可西里中部地区，东西部湖泊水位波动并不大。

图3 可可西里地区主要湖泊水位变化幅度

为动态监测可可西里地区湖泊，分别计算出1993—2009年区内湖泊水位变化趋势(图4)， 21个湖泊水位有上升， 7个湖泊水位先降低后升高， 5个湖泊水位先升高后降低。可可西里地区湖泊虽然有很大一部分无数据或数据不全，且由于水位数据和面积数据时间段不一致，例如水位变化状态为先升高后降低、降低的12个湖泊中， 3个湖泊水位采集时间为枯水期， 9个湖泊数据采集时间为丰水期，但仅有2003年一期数据，而在1970—2011年整体上湖泊面积是扩张的[16]，两者并不矛盾。由于数据限制，湖泊水位年内变化尚不清楚，初步推断每年3月份为湖泊水位最低点， 11月份为湖泊水位最高点。

图4 可可西里地区主要湖泊水位变化趋势

图5 可可西里地区降水、气温变化

图6 1970—2011年伍道梁、改则和狮泉河3个气象台站年潜在蒸散发变化

2.3 可可西里地区湖泊水位变化气候因素分析

1970—2013年，可可西里地区气候发生明显变化，由0.5°×0.5°插值降水、气温数据可知(图5)，可可西里地区降水呈增加趋势，气候倾向率高达21.72mm/10年。参考其他学者对可可西里地区湖泊面积变化的研究，可可西里地区湖泊面积变化趋势与0.5°×0.5°插值降水数据的降水变化具有很好的一致性， 1995年之后降水量迅速增加，而此时的湖泊面积规模也迅速扩张[16]。尤其是在2002年，降水增加至历史时期最高值，为343.68mm，这是引起可可西里地区湖泊水位上升的首要气候因素。

1970—2013年，可可西里地区气温上升明显(图5)，气候倾向率为0.45℃/10年，但气温增加并未引起湖泊蒸发量增加。鉴于可可西里地区湖泊多为内陆湖，又由于该区域缺少相关实测资料，在不计其他因素的条件下，湖泊水量流失主要取决于湖面蒸发，且湖面蒸发与由气象台站资料得到的潜在蒸发具有很好的线性关系[22]，因此该文利用Penman-Monteith的方法分别计算伍道梁、狮泉河和改则3个气象台站的年潜在蒸散发量及其变化情况(图6)。显然，1971—2011年，改则、狮泉河和伍道梁3个气象台站的年潜在蒸散发总量都呈减少趋势，减少速率分别为-25mm/10年、-18mm/10年和-11mm/10年。进一步分析发现，这3个气象台站2000—2011年平均潜在蒸散发量均小于研究时段内多年平均值，表明2000—2011年研究区潜在蒸散发整体上下降了一个台阶，这是可可西里地区湖泊水位上升的另一气候因素。

3 讨论

该研究以可可西里地区为研究区，利用ICESat/GLAS卫星测高数据对其境内有卫星过境的40个湖泊的水位进行测算，并对各个湖泊水位变化幅度和变化规律进行详细阐述。该研究将《中国湖泊志》中的湖泊水位与ICESat/GLAS卫星测高数据放在同一的参考系统内，并采用了缓冲区算法和水位均值算法，消除了ICESat/GLAS卫星测高数据中湖泊岸堤影响和浪涌影响。详细列出了可可西里地区ICESat/GLAS卫星过境的40个湖泊水位数据，其中有7个湖泊2003年水位较《中国湖泊志》水位上升超过10m，错尼湖水位上升超过20m，变化超出湖泊一般变化规律，依据姚晓军[16]等的研究成果，可可西里地区湖泊面积在1990年达到历史最低值， 2000—2002年3年期间湖泊面积陡然上升，湖泊扩张总面积超过20%，表明该研究数据可靠，并可为《中国湖泊志》数据进行精度验证。近年来，可可西里地区主要湖泊水位上升明显，这与该地区湖泊面积扩张现象所一致[16]，也符合青藏高原湖泊面积扩张的整体趋势[23]。

就湖泊变化的驱动因素而言，利用0.5°插值气温、降水数据并结合研究区周边3个气象台站数据，能够很好分析出可可西里地区湖泊水位整体上升的主要影响因素为降水增加和蒸发减少。除降水补给之外，冰川融水和冻土中的水分释放也是青藏高原湖泊补给的主要形式[24， 25]。根据中国冰川目录[26]和最新一期冰川目录资料[27]可知，在20世纪70年代初期，可可西里地区冰川面积为2 423.60km2，到2000年以后减少为2 243.35km2，共减少180.25km2，表明在可可西里地区，冰川整体上呈退缩状态。然而在整个研究区，太阳湖距马兰冰帽距离较近(约2.13km)，但其面积变化不大，其余湖泊距冰川均较远，若考虑冰川融水沿途水分蒸发与下渗，以及部分湖泊并无冰川融水注入，冰川融水对湖泊的补给量应该十分有限。就冻土中水分释放而言，伍道梁地区冻土变化自1980年以来冻土厚度变薄，活动层增厚，冻结持续天数缩短[28]，但冻土层中地下冰融化很难转入可流动的地下水，且比例很小[29]。

此外，可可西里地区存在地下水补给，且补给量较大[20]，如Yao等[30]通过对湖泊冰情的研究发现可可西里地区存在很多地下温泉，温泉在夏季不易发现但在冬季影响湖泊结冰且较为明显。从图3可以看出，错尼湖泊水位波动幅度最大，共计上升24.68，研究发现错尼水温垂直分布呈“S”型，水深0～15m水温逐渐下降， 15m以下逐渐升高， 30～35m达16.3～17.3°C，并据此认为该湖湖底存在温泉补给[20]。因此，两湖连接处偏东的部位应是该温泉所处位置，同时，这也表明区域泉水活动对于湖泊的空间演化也起着重要作用[30]。综上所述，在研究时段内，降水增加导致湖泊输入增多和蒸发减少导致湖泊输出减少应该是可可西里地区湖泊水位发生变化的主要原因，冰川融水和冻土中的水分释放以及区内地下水补给形式可能是引起可可西里地区湖泊水位上升的原因，但应非决定性因素。

由于可可西里地区为无人区，缺少相应实测资料，该研究未能从水量平衡角度分析湖泊水位变化，未能给出降水、蒸发、下渗、地下水等补给参数的量值； 此外，受数据限制，ICESat/GLAS卫星测高数据年限仅为2003—2009年，并且部分湖泊该时间序列也并不完整，该研究未对个湖泊水位变化做年内分析，今后将利用多源数据进行补充。

4 结论

(1)1993—2009年，可可西里地区错尼湖泊水位上升最高，为24.68m，银波湖下降最为明显，下降6.16m。在可可西里地区中部湖泊水位波动较大，整个区域大部分湖泊水位波动在0～5m之间，有7个湖泊水位波动幅度在10～15m之间，应该引起人们重点关注。

(2)1993—2009年，可可西里地区湖泊水位整体上呈上升趋势，但呈现出一定的区域差异。湖泊水位上升的湖泊最多，约占湖泊总数量的60%以上，分布于整个可可西里地区。水位下降的湖泊数量较少，零星分布在整个区域。

(3)受资料限制，该文尚无法从水量平衡角度给出可可西里地区湖泊水量变化及各输入输出要素变化量值，初步分析认为可可西里地区湖泊动态变化主要与气候变化有关，其中降水增加(或减少)和湖面蒸发减少(或增加)是导致湖泊水位上升(或下降)的决定性因素，而气候变暖引起的冰川融水增加、冻土水分释放以及区内地下水补给形式可能是次要原因。