1986—2019年哈拉湖面积动态变化及其成因分析

王仁军，刘宝康，黄炳婷

(天水师范学院资源与环境工程学院，甘肃 天水 741000)

哈拉湖位于青藏高原东北部，地处季风和西风影响的交汇带[1]，湖区西接柴达木盆地，东邻河西走廊，是青藏高原乃至整个西北地区重要的水汽源。哈拉湖地处祁连山腹地，位置偏远，环境恶劣，海拔高4 000 m以上，周围大多为无人区，受人类活动影响较小，曾被认为是中国北方保留最完整、最原始的湿地生态系统[2]，其面积的动态变化能够真实地反映区域气候与环境的变化状况，是气候变化的天然指示器。作为青藏高原上大型的咸水湖，哈拉湖不但调控着湖区区域气候，而且也是维系青藏高原生态系统平衡的重要支柱。因此，及时、准确地获取哈拉湖水体动态信息，对区域生态环境保护和综合治理具有重要现实意义。

遥感作为一种新的对地观测技术，在20世纪兴起后，被广泛应用于水资源监测领域。遥感具有大面积、快速准确获取水体信息的特点，与传统获取湖泊面积方法相比优势明显。目前，基于多源卫星资料监测湖泊面积动态变化的研究已取得了一定成果，如曾昔等[3]利用Landsat卫星遥感影像资料，提取并计算青海湖近20年湖泊面积，并结合气象数据分析其变化特征与周围气候变化的响应；德吉央宗等[4]以Landsat卫星影像为基础数据，对色林错流域湖面面积进行了长时序(1976—2016年)动态监测，并探讨了湖泊面积变化的可能影响因素；拉巴卓玛等[5]利用高分辨率陆地资源卫星Landsat 为数据源综合利用气象、冰川资料等辅助数据，全面地分析了1977—2014年当惹雍错湖泊面积变化；邵兆刚等[6]利用MSS和TM数据，对近20年青藏高原重点湖泊面积变迁进行了分析；卢娜[7]以MODIS数据为基础，基于改进的归一化差异水体指数，提取并分析了柴达木盆地中心平原区的湖泊面积变化及其影响因素；闾利等[8]以MODIS为数据源,提取了近16年青藏高原丰水期面积大于50 km2的湖泊边界；普布次仁等[9]利用MODIS数据,分析了2002—2017年扎日南木错湖泊面积变化，并结合周围气象观测资料，对气象要素和湖泊面积之间的相关性进行了分析。上述遥感数据或存在时间/空间分辨率较低(如MODIS、NOAA/AVHRR)，或存在卫星损坏、退役(如Landsat 5)，或存在获取成本高等问题，难以对湖泊进行连续、精准的监测。此外，以往对哈拉湖的研究大部分以湖泊区域地质构造、湖泊沉积物等研究为主[10-12]，而且缺少长时间序列湖泊面积动态化的研究。因此，本研究选取哈拉湖为研究区，结合Landsat 历史数据和气象数据，利用国产卫星GF1-WFV数据高空间分辨率、宽幅宽协同的优势，对哈拉湖湖泊年代际、年际及月际动态变化进行研究，探讨湖泊在自然状态下的演变规律,旨在为当地相关政府部门的生态环境综合治理及生态文明建设提供理论和决策依据。

1 数据来源及方法

1.1 研究区概况

哈拉湖又称黑海，介于38°11′N～38°25′N，97°24′E～97°47′E，是青海省第三大湖泊，属咸水湖，深藏在祁连山腹地。其位于青海省德令哈市北部，疏勒南山与哈尔科山之间，隶属天峻县和乌兰县(图1)。哈拉湖近似椭圆形，湖面海拔为4 078 m，长34.2 km，最大宽度为23 km，湖泊面积为637 km2。哈拉湖流域四周多雪山冰川，冰川面积为93.97 km2,冰川储冰量约5×109m3。共有20多条河流从四周注入湖内，且周边河流较短，多为季节性河流。主要以高山冰雪融水和降水补给为主。自然气候因素对该湖的水量变化影响较大。湖泊位于中国季风过渡带，对区域气候变化的影响十分敏感[13-15]。

图1 哈拉湖地理位置

1.2 数据来源

本研究所使用的遥感影像数据包括Landsat TM/ETM+和GF1-WFV数据。由于2000年前哈拉湖地区质量较高的遥感影像有限，因此选取1986年9月27日、1987年8月17日、1988年2月6日、1993年2月3日及1998年8月15日的Landsat TM/ETM+影像，2000年6月15日、2001年9月27日和2011年11月1日的遥感影像均为Landsat ETM+遥感影像，Landsat TM/ETM+来自美国航空航天局(https://www.usgs.gov/)；GF1-WFV数据来自中国资源卫星应用中心，时间段为2013—2019年。本研究中所涉及到的卫星传感器类型、获取时间、分辨率及数据来源见表1。

表1 卫星资料与数据来源

1.3方法

1.3.1影像数据处理方法

由于大气等对太阳辐射的影响，使传感器接收到的信息与真实地物之间存在一定的误差，这些误差降低的影像的质量，必须对其进行消除。在ENVI5.3下加载影像，首先为了清晰地反映各类地物的光谱差异，对影像进行4、3、2波段假彩色合成；其次，利用ENVI中的Radiometric Calibration工具对影像进行辐射定标，消除辐射变形的影响；然后对影像依次进行大气校正和几何校正，其中大气校正利用ENVI中的FLAASH大气校正模型完成影像校正，几何校正采用有控制点的几何精校正，校正后的均方根(RMS)误差控制在0.5个像元内，均方根误差计算公式为：

(1)

式中 (XR,YR)——控制点的坐标；(XI,YI)——实际输出点的坐标。

最后，采用波段比值模型提取哈拉湖湖泊水体面积，公式为B4/B2<1&B4

图2 影像处理流程

为验证基于高分一号卫星WFV数据水体识别的精确性，本研究与经过目视解译的Landsat TM/ETM+影像的提取结果进行了对比，Landsat TM/ETM+影像和GF1-WFV卫星影像的过境时间相同。结果表明两者的误差率仅为1.52%,表明高分一号WFV卫星数据能够准确地识别哈拉湖水体。

1.3.2线性趋势法

哈拉湖地区气象数据采用托勒和德令哈2个气象站地面数据的平均值，由算术平均法获得。其年际变化用线性趋势法进行分析(式2)。并利用SPSS软件，通过对气象要素与湖泊面积进行相关分析，来揭示气象要素与湖泊面积之间的关系。

yi=a+bti

(2)

式中yi——气象要素；a——常数项；ti——时间(1961—2018年)；b——线性趋势项。

2 结果分析

2.1 湖泊的年代际变化

1980s至2010s哈拉湖面积呈先减小后增大趋势。其中，1980s至1990s湖泊面积呈减小趋势，减小了3.93 km2；1990s至2000s湖泊面积变化不大；2000s后湖泊面积显著增加。90年代哈拉湖年平均面积最小，为589.90 km2；2010年以来湖泊年平均面积最大，平均面积为610.86 km2。2010年以来哈拉湖年平均面积分别较1980s、1990s、2000s的年平均面积扩大了17.03、20.93、20.06 km2(表2、图3)。

表2 不同年代际哈拉湖面积变化

图3 哈拉湖的年代际变化

2.2 湖泊的年际变化

1986—2019年哈拉湖面积呈先减小后增大趋势。具体表现为：1986—2001年，哈拉湖面积呈减小趋势，减小速率为8.74 km2/(10a)，且2001年湖泊面积减小到近36年历史最小值，2001年哈拉湖湖泊面积为579 km2，与1986年相比，湖泊面积减小了15 km2；2002—2019年，哈拉湖面积整体呈增加趋势，增加速率为23.53 km2/(10a)，2002—2014年哈拉湖面积变化较为稳定，期间面积变化幅度为1～ 6.22 km2，然而2015年以来，哈拉湖显著扩张，2019年哈拉湖面积增加到近36年历史最大值，2019年哈拉湖面积为641.07 km2，2019年湖泊面积与2002—2014年平均面积相比扩大了45.17 km2，与2015年相比扩大了31.14 km2(图4)。

图4 1984—2019年哈拉湖面积变化

2.3 湖泊的年内变化

利用高分一号卫星数据提取了近3年各月哈拉湖面积数据，结果表明：1—12月，湖泊面积呈先减小后增大的趋势。通常1—6月上旬湖泊处于封冻期，湖泊面积较大，6月中下旬解冻后面积趋于减少，随着7月份雨季的到来，湖泊面积随降水增多趋于增大。2019年与前两年相比，湖泊面积除4月和12月与2018年相近外，其余各月面积均大于前两年，且近3年哈拉湖月面积最大和最小之间的差值分别为10.08、12.52 km2。2019年8月哈拉湖面积达到近3年来的月最大值为641 km2(图5)。

图5 哈拉湖面积年内变化

2.4 湖岸线变化

通过对哈拉湖不同时期湖泊边界进行叠加(1988、1998、2011、2019年)，能够清楚地分辨出湖岸线的动态变化(图6)。结果显示，1998年湖岸线与1988年相比，湖岸线萎缩，湖岸线向湖中心退缩；2019年湖泊面积分别与2011、1998、1988年的湖泊面积相比，均呈扩张态势。2019年湖岸线扩张最为显著，且扩张最明显的区域位于哈拉湖东南部和西南部，东南部最大扩张距离为2.17 km，2019年7月尾湖与整体湖泊基本相连；西南部的扩张不及东南部，最大扩张距离为1.53 km。

图6 哈拉湖湖岸线变化遥感监测

3 成因分析

3.1 气候变化

1961—2018年，哈拉湖地区年平均气温呈上升趋势，上升速率为0.4℃/(10a)。其中，1960s、1970s、1980s年平均气温分别为-0.1℃、0.2℃、0.5℃，到了1990s年平均气温为1.1℃，2000s和2010s年平均气温分别为1.6℃和1.7℃。1960s、1970s和1980s年平均气温均低于常年平均气温，常年平均气温为0.8℃，而1990s后平均气温高于常年平均气温，尤其是2000年以来，增温速率显著(图7)。

1961—2018年，哈拉湖地区年平均降水为244 mm，量呈上升趋势，上升速度为19.3 mm/(10a)。其中1960s至1980s降水量呈上升趋势，1960s、1970s和1980s年平均降水量分别为191、226、253 mm,1960s和1970s与1980s年平均降水量相比分别低62、27 mm；1980s至1990s年降水量呈减小趋势，共减少了29 mm；2000年以来降水量增加显著，2010s年降水量为292 mm，2000s年降水量为281 mm，2010s和2000s年平均降水量与1990s相比分别增加了68、57 mm(图7)。

上述分析表明1961—2018年哈拉湖地区气温和降水呈现出气温升高和降水增加的变湿变暖趋势，2000年以后，特别是2010s以来这一趋势更加显著。而湖泊面积响应气候变化，2000年前湖泊面积整体呈减小趋势，2000年后湖泊面积逐渐增大，到了2010s湖泊面积显著增加。这一变化趋势与气温、降水的变化趋势具有很好的一致性。 2000年前年平均气温与降水均低于2000s后，降水量减少，使得入湖径流量减小，从而导致湖泊面积萎缩；2000年以来，虽然气温较低，但降水量较高，特别是近3年以来，降水量显著增加，直接导致哈拉湖面积显著扩张。为了近一步说明气候与湖泊变化间的关系，对湖泊面积与其周边气温、降水进行相关分析，结果表明：1986—2018年，年平均气温与湖泊面积之间呈比较弱的正相关关系，而年降水与湖泊面积之间呈较强的正相关(R=0.565，P<0.01)。由此表明，气温与降水对湖泊面积的变化均起到一定的作用，但降水对湖泊面积的影响较大。

图7 1961—2018年哈拉湖地区气候变化

3.2 冰川变化

对于以高山冰雪融水和降水补给为主的哈拉湖来说，除了气候变化因素对哈拉湖的影响外，冰川融水也是主要的影响因素之一。哈拉湖流域的冰川主要分布在北部的疏勒南山和南部的哈尔科山，其中疏勒南山有冰川70条，哈尔科山48条，流域内最大的冰川位于北部的岗纳楼5号冰川，面积为15.27 km2。近几十年来，受全球气温变暖的影响，青藏高原冰川基本上呈退缩状态[5]，位于青藏高原东北部的哈拉湖流域也响应了这种变化趋势。已有的研究表明，2000—2015年哈拉湖流域冰川亏损量为(6.9±2.0)×108m3水当量，但冰川亏损加速趋势不明显[16]。冰川消融，将会补给河流径流，使得湖泊面积增大。因此，表明冰川融水可能是引起哈拉湖面积扩张的部分原因，但并非是主要原因。

4 结论与讨论

利用1986—2019年多源卫星资料，对哈拉湖进行了长时间序列的动态监测，并对其影响因素进行了分析，主要结论如下。

a)1980s至2010s哈拉湖面积呈先减小后增大趋势，90年代年平均面积最小，2010年以来哈拉湖年平均面积最大；1986—2019年哈拉湖面积呈先减小后增大的趋势，且2017年以来面积扩大显著；近3年年内变化结果，1—12月湖泊面积呈先减小后增大趋势。

b)哈拉湖湖岸线变化分析表明：变化最明显的区域位于哈拉湖的东南部和西南部，东南部最大扩张距离为2.17 km，西南部的扩张虽不及东南部，但最大扩张距离也有1.53 km。

c)近57年，哈拉湖周边地区气候呈现气温升高、降水增加的暖湿化趋势。其中气温增温速率为0.4℃/(10a)，降水增加速率为19.3 mm/(10a)。

d)气候暖湿化导致的降水增加和冰川融化，特别近3年以来降水显著增多是导致哈拉湖面积增大的主要原因。

哈拉湖是受人为影响较少的干旱区湖泊，湖泊面积的变化是气候变化背景下的自然演化过程，其变化主要受气候、冰川、冰川径流和湖面蒸发等因素的影响。但由于哈拉湖地区缺少气象数据，因此本文只从气温、降水及冰川融水3个方面来探讨湖泊变化成因，结论具有一定的局限性，但可供参考。后续研究中还需进一步深入探讨除气温、降水以外的蒸发、风速等因素，以期全面分析哈拉湖面积的时空动态变化特征。