基于长时间序列的洞庭湖面积变化与气候响应关系研究

王威 隋兵 林南

摘要：洞庭湖是长江中下游最大的调蓄湖泊，它的存在对调节湖区周边气候具有重要的作用，同时气候也会反作用于湖泊。为研究洞庭湖水体面积变化与气候变化之间的响应机制，利用1989—2018年洞庭湖水体面积长序列数据分析其时空演变特征，并研究水体面积变化与气候要素的响应关系。结果表明，洞庭湖水体面积月际波动明显，月平均面积7月最大，1月最小。30年间洞庭湖水体面积总体处于缩减趋势，水体年最大面积和年内面积变化有减小趋势。对30年间洞庭湖水体面积与气温、降水量的分析可知，洞庭湖水体面积的变化与周边气候条件在长期演变过程中存在显著相关性，但短期内的相关性不显著;湖泊水体面积的变化导致湖区周边温度上升速率高于湖南省乃至全国的平均上升速率。

关键词：水体面积;气候变化;洞庭湖

中图分类号：P446         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）17-0038-05

Abstract： Dongting lake is the largest reserve lake in the middle and lower reaches of the Yangtze river. It plays an important role in regulating the surrounding climate of the lake， and the climate also reacts on the lake. In order to study the response mechanism between the area change of Dongting lake and climate change， the long sequence data of water area of Dongting lake from 1989 to 2018 was used to analyze the spatio-temporal evolution characteristics of water area of Dongting lake， and the relationship between the change of water area and climate factors was studied. The results showed that the area of Dongting lake fluctuated significantly， with the largest monthly average area in July and the smallest in January. In recent 30 years， the water area of Dongting lake was in a general shrinking trend， and the annual maximum lake area and area change had a decreasing trend.  According to the analysis of the lake area of nearly 30a with temperature and precipitation， the change of the water area of Dongting lake had a significant correlation with the surrounding climate conditions in the long-term evolution process， but the correlation was not significant in the short term. The change of lake area caused the temperature around the lake area to rise faster than the average rise rate of Hunan province and even the whole country.

Key words： water area; climate change; Dongting lake

水體尤其是大型湖泊具有调节气候的作用，同时气候变化通过气象要素如降水、气温等反作用于湖泊，使得湖泊水域面积发生变化。洞庭湖是长江中下游最大的调蓄湖泊，也是中国第二大淡水湖泊，它的存在对调节湖区周边气候具有重要的作用，从而形成区别于其他地区的洞庭湖区局地小气候。目前洞庭湖由于受气候的变化和人类因素的影响，湖泊面积呈现萎缩的趋势[1]。

近年来随着卫星遥感技术的不断发展，研究者借助遥感资料对洞庭湖面积的变化开展了很多研究。闾利等[2]利用2000—2016年青藏高原遥感数据分析了面积与气候要素之间的响应关系，发现湖泊面积变化与气候要素具有显著的区域相关性。徐浩杰等[3]通过对1981—2010年柴达木盆地和气象要素的分析，发现柴达木盆地湖泊面积受夏季可利用降水量影响显著。崔亮等[4]通过分析1993—2010年洞庭湖水体面积动态变化，发现18年间湖泊面积萎缩严重，秋季平水期萎缩比例少于40%。高耶等[5]通过对1979—2016年洞庭湖内湖面积进行分析，发现内湖水面面积主要受降雨等气候因素的影响。除此以外，田伟国等[6]、王慧等[7]发现除受气候影响以外，三峡大坝的建立对洞庭湖面积变化影响也很大。这些研究提供了洞庭湖面积与气候变化存在相关性的可能性，但在两者之间响应关系研究上不够清晰，因此利用遥感数据和长序列降水量和气温数据开展洞庭湖面积与气候要素之间的响应机制研究非常必要。

1 研究区概况、数据源与方法

1.1 研究区概况

洞庭湖位于长江中下游，北接长江，西南面与湘、资、沅、澧四水相通，跨岳阳、常德和益阳3市，在北纬28°30′—29°31′、东经111°40′—113°10′[8]。洞庭湖主体大致可分为东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖3部分，湖体之间通过星罗密布的河网和洪道相连。

1.2 数据源

1.2.1 遥感数据 采用的地表反射率数据（MOD09Q1）来自美国国家航空航天局网站https：//search.earthdata.nasa.gov/，由搭载在terra卫星上的modis传感器获取。MOD09Q1空间分辨率为250 m，时间分辨率为8 d，主要利用其中的红光波段反射率（ρred，620～670 nm）和近红外波段反射率（ρnir，841～876 nm）计算植被指数。1989—2018年洞庭湖水体面积长序列值来自中国卫星遥感中心。

1.2.2 气象数据 采用的气象数据为湖南省地面气候资料年值数据，由洞庭湖所属区域的岳阳站、湘阴站、赫山站、沅江站、常德站和汉寿站6个国家站提供（图1）。数据序列为1989—2018年的气候观测数据，包括年降水量、年平均气温和年蒸发量。

1.3 湖泊水体面积提取方法

利用遥感影像提取湖泊水体面积的方法包括单波段阈值分析法、多波段谱间关系法、植被指数法（NDVI）、水体指数法（NDWI）和目视解译法等。本研究选用水体指数和目视解译相结合的方法提取洞庭湖水体面积[4]。水体指数法的优点是可使遥感影像中水体信息加强，而非水体信息被抑制，缺点是水体信息中易混进部分山体和居民用地信息，因此需要结合目视解译法对分离出的水体做进一步提取。

2 结果与分析

2.1 洞庭湖水体面积变化分析

2.1.1 洞庭湖水体面积月际变化分析 由图2可知，洞庭湖水体面积月际波动明显，在丰水季，东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖接连成片;在枯水季，3个湖泊仅靠窄小的河道相互连接，这也印证了“洪水一大片，枯水几条线”的说法。

图3为1989—2018年洞庭湖水体月平均面积变化。从图3a可知，过去30年洞庭湖水体月平均面积呈现明显的季节变化，水体面积自4月开始扩张，7月平均面积达到最大，为1 839.2 km2，11月开始面积明显缩减，至次年1月面积达到最小，为467.3 km2。由图3b和图3c可知，过去30年洞庭湖水体月最大面积为3 024.0 km2，出现在1996年8月; 最小面积为272.0 km2，出现在2006年12月。由图3d可知，除1月、2月、12月湖泊水体面积波动不大之外，其他月份湖泊水体面积波动均较大，水体月面积最大波动值达到1 890.0 km2。

2.1.2 洞庭湖水体面积年际变化分析 根据1989—2018年洞庭湖水体面积年内波动情况来看，7月的月平均面积达到一年中的最大值，因此选用2000—2018年每年7月的MODIS影像数据得到19年间洞庭湖水面的淹水频率（图4），大致反映了该时期内洞庭湖水体的波动情况。由图4可知，洞庭湖年最大水体面积变化出现在东洞庭湖，其次为西洞庭湖，面积波动不大的为南洞庭湖。

根据国家气象卫星中心统计的1989—2018年洞庭湖水体面积变化得到图5和表1。由图5a可知，洞庭湖1989—2018年水体年平均面积具有较大波动，过去30年总体处于缩减趋势。由图5b可知，30年间洞庭湖水体年最大面积变化分为3个阶段，1990—1994年年最大面积波动减小，1995—2005年年最大面积显著增大，1996年达到峰值，自2005年后洞庭湖水体年最大面积波动减小，波动幅度较2005年以前减弱。由图5c可知，30年间洞庭湖水体年最小面积除2003年和2006年异常偏小之外，总体呈增大趋势。由图5d可知，30年间洞庭湖水体年面积变化趋于稳定，年内水体面积变化值有减小趋势。由表1可知，洞庭湖水体年平均面积20世纪90年代最大，其次是21世纪10年代，面积最小的为21世纪前10年。可见在过去的30年间洞庭湖湖水面积经历了从萎缩至扩张的变化过程。洞庭湖水体年最大面积和年内面积变化在30年间呈逐渐减小的趋势，说明随着时间的推移，湖泊水体年内面积波动幅度减小。

2.2 洞庭湖水体面积变化对气候的响应分析

近年来，全球正经历着一场以全球变暖为主的气候变化。气候变化通过影响全球的水循环，直接或间接地改变着湖泊的生態环境，这种改变最直接地体现在湖泊面积的变化之上，而湖泊的变化也会反作用于气候，尤其是对区域性的气候影响更加明显。为了研究气候变化与洞庭湖生态之间的响应关系和程度，研究搜集临近湖面且具有代表性的6个气象站点的气候要素与湖泊面积进行分析。

由图6a可知，1998—2018年年蒸发量呈显著增加趋势（通过0.05信度显著性检验），以55.603 mm/10年速率增加， 2014年后蒸发量上升明显。由图6b可知，年平均气温呈升高趋势，且通过了0.05信度的显著性检验，上升速率为0.366 ℃/10年，较全国平均气温上升速率0.22 ℃/10年明显偏高。由图6c可知，年降水量呈下降趋势，且通过了0.05信度的显著性检验，下降速率为137.39 mm/10年。

将1998—2018年洞庭湖水体月面积与月降水量、月蒸发量进行相关性分析，发现洞庭湖水体月面积与月降水量、月蒸发量无明显相关;将1998—2018年洞庭湖水体年平均面积与年降水量、年蒸发量进行相关性分析，发现洞庭湖水体年平均面积与年降水量、年蒸发量无明显相关;将1998—2018年洞庭湖水体10年滑动平均面积与各气候要素进行相关性分析，得出洞庭湖水体年平均面积、年最大面积与年降水量相关性较高，均通过0.05信度的显著性检验;水体年最小面积与年蒸发量相关性也较高，且通过0.05信度的显著性检验（图7）。

3 结论与展望

利用1989—2018年洞庭湖水体面积长序列数据分析洞庭湖水体面积的时空演变特征，并研究面积的变化与气候要素的响应关系。结果表明，洞庭湖水体面积月际波动明显，月平均面积7月最大，1月最小;1989—2018年洞庭湖水体年平均面积总体处于萎缩趋势，年最大面积和年内面积变化有减小趋势;1989—2018年洞庭湖周边气温变化倾向率为0.366 ℃ /10年，湖区气温上升速率较湖南省平均水平（0.15 ℃/10年）、全国平均水平（0.22 ℃ /10年）明显偏高;洞庭湖水体面积的变化与周边气候条件在长期演变过程中存在显著相关性，但短期内的相关性不显著，湖泊水体10年滑动的年平均面积、年最大面积与年降水量呈显著相关，年最小面积与年蒸发量显著相关。

参考文献：

[1] 中国水利百科全书第二版编辑委员会.中国水利百科全书[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[2] 闾 利，张廷斌，易桂花，等. 2000年以来青藏高原湖泊面积变化与气候要素的响应关系[J].湖泊科学，2019，31（2）：573-589.

[3] 徐浩杰，杨太保.1981—2010年柴达木盆地气候要素变化特征及湖泊和植被响应[J].地理科学进展，2013，32（6）：868-879.

[4] 崔 亮，李永平，黄国和，等.基于LANDSAT—TM影像的洞庭湖水面动态变化[J]. 南水北调与水利科技，2015，13（1）：63-66.

[5] 高 耶，谢永宏，邹冬生，等.近40年洞庭湖区内湖水面面积变化及其驱动因素[J].湖泊科学，2019，31（3）：755-765.

[6] 田伟国，彭嘉栋，沈 军，等.基于MODIS影像序列的三峡截流前后洞庭湖面积变化序列分析[J].安徽农业科学，2012，40（16）：9141-9145.

[7] 王 慧，谢小魁，米胜渊. 基于遥感的洞庭湖面积变化及其影响研究[J].农业网络信息，2017（1）：90-95.

[8] 张 猛，曾永年.基于多时相Landsat数据融合的洞庭湖区水稻面积提取[J].农业工程学报，2015，31（13）：178-185.