近40 a藏西北鲁玛江冬错湖面变化的多源卫星遥感监测

德吉央宗 , 白玛仁增 , 白玛央宗 , 强巴欧珠 , 边 多

（1. 中国气象局成都高原气象研究所拉萨分部, 拉萨 850000；2. 西藏自治区气候中心, 拉萨 850000；3. 西藏林芝市气象局, 林芝 860000）

引言

青藏高原分布着约1200个面积大于1 km2的湖泊，占中国湖泊数量与面积的一半；同时也是黄河、长江、恒河、印度河等大河的源头，被称为“亚洲水塔”[1]。青藏高原湖泊受人类活动直接影响较小，大多数湖泊水量变化主要受自然气候因素的控制，湖面变化趋势和过程能够很好地反映气候变化历史[2]。近几十年来，在全球变暖的背景下，青藏高原升温更加突出，其能量与水循环发生了显著变化，气候趋于暖湿化，冰川大面积退缩和湖泊面积扩张改变了高原与地面的物质能量交换，而地面温度的升高、蒸发增大和冻土退化等因素将导致青藏高原灾害频发[1,3]。因此，加强青藏高原湖泊动态观测研究对于认识区域气候变化事实和防灾减灾具有重要的科学和现实意义。

藏西北地处高原，大气透明度高，晴空日数较多，运用卫星遥感手段可以实时、准确、定量地掌握湖泊水域面积变化。近年来，针对该区域湖泊的动态观测研究取得了一系列进展。Zhang等[4]研究指出青藏高原湖泊面积、水位与水量变化相似，并同时经历了1970s~1995年略有减少、1996~2010年快速增加以及近几年来(2011~2015年)增速减缓的阶段。边多等[5]、孟楷等[6]、德吉央宗等[7]研究指出近40 a色林错湖面呈较显著的扩张趋势。李蒙等[8]、马颖钊等[9]、德吉央宗等[10]研究表明近40 a纳木错蓄水量增加了97.85×108m3，增加比例达到9.93%；纳木错湖泊面积不断扩张，尤其是近10 a来最为剧烈，2001~2009年湖面扩张超过50 km2，流域降水变化是纳木错湖泊面积扩张的直接原因。在此背景下，张国庆等[11]研究表明，青藏高原地区色林错、纳木错湖显示出湖面高程增加。德吉央宗等[12]研究表明近40 a扎日南木错湖泊面积呈增长趋势，增长面积为7.08 km2，气温升高可能是湖面扩大的原因之一。闫立娟等[13]提取了青藏高原所有湖泊边界信息，建立了青藏高原湖泊空间数据库，指出1973~2010年青藏高原湖泊个数和总面积呈显著增加趋势。

总的说来，针对西藏西北部典型湖泊如色林错、纳木错、扎日纳木错的研究比较多，而对鲁玛江冬错的研究未见报道。本文拟利用多时相高分辨率遥感影像、地形图和DEM数据，分析近40 a鲁玛江冬错湖泊面积的时空演变规律，并结合狮泉河和改则站的气象观测资料，探讨鲁玛江冬错流域气温、降水和蒸发等气象要素对湖泊面积变化的影响。

1 研究区概况

鲁玛江冬错（33°54´~34°07´N，81°27´~81°49´E），又名措作错，位于西藏阿里地区日土县境内，该县地形地貌为高原山地宽谷湖盆区，平均海拔4500 m。鲁玛江冬错呈近似鸟足状，湖泊水位4810 m，面积324.8 km2。湖岸陡峭曲折多湾，岸线长146.0 km，发育系数2.29。湖水主要依赖东南部入湖的尔玛好尔毛河地表径流和冰雪融水渗漏形成的地下径流补给，属内陆尾闾湖（图1）。

图1 鲁玛江冬错流域位置示意

2 数据和方法

2.1 数据来源

研究区域底图利用了1975年出版的1:100000的电子版地形图和DEM资料，用于了解近40 a的湖泊变化情况。根据遥感数据的质量和云量情况，文中选取20世纪90年代3期、2000~2018年19期覆盖鲁玛江冬错的遥感影像数据，数据类型为Landsat-7（TM、ETM）、Landsat-5 TM、Landsat 8 OLI_TRIS和高分1号遥感影像数据。陆地卫星遥感数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云网站（http://www.gsclou.cn）和中国资源卫星应用中心（http://218.247.138.119），具体影像数据详见表1。

表1 研究区遥感影像数据

本研究共选用22期多源卫星遥感数据。遥感数据分辨率介于16~57 m，其中Landsat-TM/ETM数据的分辨率为28.5~30.0 m，高分1号分辨率为16 m。由于湖泊的季节性变化很明显，因此，遥感资料获取时间为相应年份的10~12月水位稳定季节，均为无云晴空资料。地理投影为UTM-WGS84投影坐标系，输出格式为GeoTIFF。

由于流域面积较大，气象台站稀少，气象资料选取鲁玛江冬错周围的狮泉河和改则站。气象观测资料由西藏自治区气象局信息网络中心提供，资料年限为1970~2018年，包括气温、降水量、蒸发量等与气候变化密切相关的要素。

2.2 数据处理与方法

湖泊面积提取方法如下：首先在ENVI 遥感图像处理软件下，对所有影像进行彩色合成，导出带有地理信息的Geotif 文件（通过假彩色合成，水体在合成后的影像中均表现为蓝黑色）；其次，依据马里兰大学校正过的资料（2001年）作为基准图对 1992~2018年卫星遥感影像图进行几何校正（对高分影像数据进行了正射校正），所有图像误差控制在一个像元之内，且选择通道组合突出湖泊水体的遥感信息；最后，利用ARCMAP软件对1992~2018年的湖泊数据进行数字化处理，编译提取边界和计算湖泊水体面积，将不同年份的（选取变化比较大的年份）湖泊面积叠加制图。

计算气象要素趋势变化率采用如下公式：

式中：Y为气象要素，t为时间，a0为常数项，a1为线性趋势项，把a1×10 表示为气象要素每10 a的气候倾向率(变化趋势)，常年平均值采用1981~2010年30 a平均值。

3 湖泊变化特征分析

3.1 湖泊水面面积变化特征

通过对1975~2018年多源卫星遥感资料分析，发现近40 a鲁玛江冬错湖面面积总体呈上升趋势（图2）。具体表现为：1975~1993年湖泊面积增长了2.44 km2，1994~1998年湖泊面积增长了2.34 km2，1999~2000年湖泊面积增长了3.46 km2；2000年以后湖泊面积持续增长，2007年有了一个突变，湖泊面积为376.3 km2，与1975年相比，增长了32.63 km2；2001~2017年湖泊面积增长了49.18 km2，增幅为12.26%；2018年鲁玛江冬错湖面面积为399.49 km2，较1975年（343.67 km2）扩张55.82 km2，扩张率为13.97%。

图2 1975~2018年鲁玛江冬错湖面面积变化

3.2 湖泊空间动态变化

从鲁玛江冬错湖泊面积空间变化（图3）看，近20 a鲁玛江东错水域面积向四周扩展，其中湖泊西南部和东部变化较明显。分析1992~2018年鲁玛江冬错湖面空间局部变化（图4）可知：2000年与1992年比较，鲁玛江冬错湖面变化较明显的区域位于该湖的西南岸和东部，分别向外扩张；同样，2018年与1992年相比，扩张方向与前者相同，且扩张更明显；2010年湖泊扩大较为显著，2018年达到最大。

图3 1992~2018 年鲁玛江冬错湖面空间变化

图4 1992~2018年鲁玛江冬错湖面空间局部变化（黑色水体为2017年10月8日影像）

4 湖泊面积变化的成因分析

已有研究[14]表明，气候变化对湖泊变化的影响很大，近几十年来，受气候变化周期性和冰川快速消融等要素的影响，我国西部地区湖泊水量和面积呈现明显的波动变化，不同时段萎缩与扩张交替变化。闾利等[15]分析了青藏高原2000~2016年湖泊面积变化，发现青藏高原面积>50 km2的138个湖泊整体呈显著扩张趋势，与地表径流和河流补给为主要补给源的湖泊相比，冰川融水为主要补给来源的湖泊扩张趋势更为明显，此外在青藏高原气候向暖湿化方向发展的背景下，湖泊面积与气候因素具有显著的区域相关性。整体而言，气温主要影响以冰川融水为主要补给来源的湖泊，降水量主要影响以降水和地表径流为主要补给来源的湖泊。而鲁玛江冬错的补给类型为地表径流和冰川融水补给，气温、降水和蒸发等气象要素均对湖泊面积变化有重要影响。

4.1 气候因子的变化特征

刘佳丽等[16]指出1990~2015年青藏高原湖泊范围整体上呈显著扩张趋势，湖泊个数也逐年增加，表现为稳定且持续扩张趋势，造成湖泊面积扩张的主要因素是气温变化、冰雪融水量的增加以及降水量的增多。

图5给出了1970~2018年鲁玛江冬错流域气温、降水量和蒸发量的逐年变化及线性趋势。如图所示，近50 a鲁玛江冬错流域气温和降水量呈上升趋势，蒸发量呈减少趋势。

如图5a所示，1970~2018年该流域年平均气温呈显著上升趋势，气候倾向率为0.55℃/10 a。20世纪70~90年代以气温偏低为主，进入21世纪后，气温快速升温。2000~2018年平均气温为1.60℃，较常年值（1981~2010年）偏高0.9℃。年平均气温在2016年最高（3.0℃），较常年值偏高2.3℃。年平均气温在1997年最低（-1.2℃），较常年值偏低-0.5℃。

如图5b所示，1970~2018年该流域年降水量年际变化波动较大，总体上呈增加趋势，气候倾向率为9.84 mm/10 a，其中年降水量在2017年最多（251.6 mm），较常年（1981~2010年）平均值高132.8 mm。年降水量在1982年最低（52.9 mm），较常年平均值低-65.9 mm。20世纪70~80年代末以降水量偏低为主，90年代以来，降水量呈增加趋势，流域降水以正距平居多，占51.61%，这反映出湖泊水量从降水中得到了一些补给。

如图5c所示，1970~2018年该流域年蒸发量年际变化波动较大，总体上呈弱的减少趋势，气候倾向率为-2.22 mm/10 a。年平均蒸发量在1996年最高（2652.1 mm），较常年（1981~2010年）平均值高246.9 mm。年平均蒸发量在2000年最低（2096.7 mm），较常年平均值低309 mm。20世纪70年代至今蒸发量以偏低为主，流域蒸发以负距平为主。

图5 1970~2018年鲁玛江冬错流域年平均气温（a）、年降水量（b）和年蒸发量（c）逐年变化及线性趋势

4.2 气候因子对湖面变化的影响

气候变化直接或间接影响着湖泊水量的收入和支出，是湖泊变迁的主要驱动因素。董斯扬等[17]研究表明，近40 a青藏高原气候暖湿化程度明显，气候变化对湖泊面积变化影响显著。

通过相关分析发现：1975~2018年鲁玛江冬错流域年平均降水量、年平均气温与其湖泊面积呈正相关关系，相关系数分别为0.4111、0.659，分别通过了0.05、0.001水平的显著性检验（图略），反映出气温升高和降水增加可能是导致鲁玛江冬错湖面面积增长的重要原因，与以冰川融水补给为主的纳木错、色林错、班公错等湖泊面积均有不同程度增加的结论一致[2,18-20]。湖面面积增加的湖泊有一个共同的特点，就是冰川融水占入湖水量的比例大，湖泊流域内冰川本身有强烈的退缩现象。因此，湖泊面积的增加与气候变暖变湿、冰川消融密切相关[2,18-20]。

5 结论

本文选取卫星遥感数据、地形图和DEM数据，分析鲁玛江冬错湖面的时空演变特征，并结合该流域的气象观测资料，探讨了鲁玛江冬错湖面对气候变化的响应，得到如下结论：

（1）1975~2018年鲁玛江冬错湖面面积总体呈增长趋势，扩张了55.82 km2，扩张率为13.97%。1975~1993年湖泊面积增长2.44 km2；1994~1998年湖泊面积增长2.34 km2；1999~2000年湖泊面积增长3.46 km2；2001~2017年间湖泊面积增长49.18 km2。

（2）1992~2018年鲁玛江冬错水域面积向四周扩展，其中湖泊西南部和东部变化较明显。2000年与1992年比较，鲁玛江冬错湖面变化较明显的区域位于该湖的西南岸和东部，分别向外扩张。同样，2018年与1992年相比，扩张方向与前者相同，且扩张得更明显。

（3）1970~2018年鲁玛江冬错流域年平均气温呈显著上升趋势，气候倾向率为0.55℃/10 a；年降水量年际变化波动较大，总体呈增加趋势，气候倾向率为9.84 mm/10 a；年蒸发量年际变化波动较大，总体呈弱的减少趋势，气候倾向率为-2.22 mm/10 a。

（4）近40 a鲁玛江冬错流域年平均降水量、年平均气温均与其湖泊面积呈正相关关系，相关系数分别为0.4111、0.659，分别通过了0.05、0.001水平的显著性检验，反映出气温升高和降水增加可能是导致鲁玛江冬错湖面面积增长的重要原因。