气候变化对可可西里盐湖流域湖泊水量变化的影响分析

李 琳，谭德宝，文雄飞，王 莹，刘希胜，王 岗

(1.长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010； 2.武汉市智慧流域工程技术研究中心，武汉 430010；3.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010； 4.青海省水文水资源测报中心，西宁 810001)

1 研究背景

湖泊在地球水体中仅占0.4%，却在自然界的水循环中发挥着重要的作用[1]。湖泊是气候环境变化的指示器，对气候变化反应迅速，是连接地球表层系统冰冻圈、大气圈、水圈和生物圈的纽带，湖泊面积、水位及水量变化是其所在流域水量平衡综合作用的结果[2]。青藏高原分布着大量的湖泊，这些湖泊较少受到人类活动的影响，对气候暖湿化感应强烈，可以反映自然状态下的区域气候变化规律，是气候变化的前哨[3]。近20多年来，湖泊水量的变化尤为显著，其原因大多为气候变化的影响[4]。

盐湖流域湖泊位于青藏高原腹地高寒地带，受气候变化影响较大。杜玉娥等[5]认为2011年前气候暖湿化是盐湖面积缓慢扩大的主要原因，冰川和冻土融水可能是次要原因。姚晓军等[6]认为可可西里地区湖泊动态变化主要与气候变化有关，降雨增多、蒸发减少是湖泊扩大的主要原因，而气候变暖引起的冰川融水增加、冻土水分释放是次要原因。Qiao等[7]利用1976—2019年多时相Landsat遥感影像与地形数据估算了可可西里湖泊蓄水量的变化，利用五道梁气象站数据分析多年平均、最大最小气温和多年降雨量的变化趋势，将气温和降雨的变化相比较，认为降雨增加可能主导湖泊的扩张。陈强等[8]统计分析了1961—2018年可可西里主要气候要素变化趋势，并从水量平衡角度探讨了水文情势变化后的盐湖水体补排、泄、蓄关系。

以往的研究主要是基于遥感卫星等技术手段研究不同气候条件下湖泊面积的变化，但是由于湖泊周边地形的差异，面积变化不能充分反映湖泊对气候变化的响应[9]。研究湖泊水量变化需要考虑流域及周边相连的水系，常常借助数学模型解析湖泊水量变化的影响因素[4]。VIC(Variable Infiltration Capacity)模型是基于SVATS(Soil Vegetation Atmospheric Transfer Schemes)机制的大尺度分布式水文模型。VIC模型以混合产流作为产流机制，在模拟产汇流过程中考虑了融雪和冻土因素的影响，并在径流模拟方面有很多研究与进展，适用于盐湖流域湖泊水量模拟与分析[10]。

由于实测数据难得，对于盐湖流域水文模型模拟研究并不多，且之前未将湖泊水量变化量如冰川融水、冻土和地下水补给量化。因此本文结合多源遥感数据和气象站数据，在利用统计方法计算长时间气象要素与湖泊面积关系的基础上，通过VIC模型模拟的水量和利用冰川数据集[11-12]估算的冰川融水，得到2015—2018年盐湖流域湖面降雨、陆面净补给、冻土释水和地下水、冰川融水径流组成与占比。探讨气候变化对湖泊水量变化的影响机制，辨识影响湖泊水量的主导因素，为青藏高原的水资源调查及合理利用和开发提供科学依据和理论依据[13]。

2 研究区域概况

盐湖流域位于青海省玉树州治多县西部、昆仑山脉南侧，属可可西里腹地，范围在35°19′N—35°54′N，91°21′E—93°39′E，海拔在4 400 m以上。研究区属于半干旱气候区，为蒸发大于补给的水量收支负平衡区域，降雨量由东南向西北逐渐减少[10]。土温低、结冻期长，下伏深厚的多年冻土，地表寒冻冰缘地貌形态多种多样。自西向东依次分布有卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖和盐湖。2011年以前，4个湖泊各自水量基本平衡。卓乃湖外溢后，4个湖泊自西向东建立了水力联系，盐湖来水量不仅包括原有的湖面降雨、四周河流、沟道汇水补给等，还增加了从上游卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖向其输送的水量。研究区地理位置见图1。

3 数据与方法

3.1 数据准备

3.1.1 气象要素年际分析数据

五道梁气象站位于93°03′E、35°08′N，距盐湖子流域中心直线距离约30 km，区域大气热力和动力条件相似，采用五道梁气象站数据具有一定的空间代表性[8]。因此选用五道梁气象站年降雨、年平均气温、年蒸发数据用于1989—2018年盐湖流域气象要素年际间变化分析。

3.1.2 遥感数据

研究区12—5月份湖泊受冰封影响，选取1989—2018年10—11月无云遮挡的国产高分一号卫星和国外Landsat卫星数据。高分一号空间分辨率为16 m，数据来源于中国资源卫星应用中心。Landsat卫星包括Landsat5TM、Landsat7ETM+、Landsat8OLI，空间分辨率为30 m，数据来源于美国地质调查局[14]。具体遥感数据时间见表1。

3.1.3 VIC模型模拟所用数据

基于笔者之前的研究[10]可认为VIC模型适用于盐湖流域水文模拟，因此采用30 m分辨率的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)数字高程数据，并将可可西里盐湖流域划分为分辨率0.1°×0.1°的子网格120个、FAO世界粮农组织的5′分辨率的土壤质地分布图、2009年欧空局基于MERIS数据发布的全球陆地覆盖数据(ESA GlobCover)和阳坤研发的中国区域高时空分辨率地表气象驱动数据集[15-17](CMFD)用于模型模拟。

由于研究区附近只有五道梁气象站，将单一气象站数据插值到整个流域可能难以满足模型模拟精度，因此选用CMFD代替。将1989—2018年五道梁气象站的年降雨量、年平均气温的观测值与CMFD

表1 卫星影像数据

数据集五道梁气象站所在格点数据进行比较，评估结果见图2。

图2 1989—2018年五道梁气象站观测值与CMFD数据对比Fig.2 Comparison between observation and CMFD data of Wudaoliang meteorological station from 1989 to 2018

年降雨量的观测值与CMFD数据的决定系数R2为0.952 6，RMSE为8.313 9；年平均气温的观测值与CMFD数据的决定系数R2为0.986 8，均方根误差RMSE为6.201 2。决定系数R2>0.95，且RMSE在误差范围内，证明CMFD数据集在盐湖流域具有较高的合理性和适用性，可用于流域的气候变化与水文模拟研究。

3.1.4 冰川水量分析数据

估算冰川融水数据源于第二次冰川编目数据集[11](http：//westdc.westgis.ac.cn)与2017—2018年中国西部冰川编目数据集[12](http：//www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00227)。

3.2 方法介绍

本文总体研究路线见图3。

图3 总体技术路线Fig.3 General technical route

3.2.1 气象要素年际变化分析方法

利用线性倾向估计法计算分析气候要素的变化速率。使用累积距平法来分析气候要素的阶段性变化特征。Mann-Kendall(M-K)检验用于气象要素突变检验。

3.2.2 湖泊面积计算方法

对高分一号和Landsat卫星数据进行辐射定标、大气校正、几何校正、影像裁剪等预处理。针对陆地水体，基于卫星影像多波段反射率数据归一化比值运算得到的水体指数，能够自动消除地形起伏的影响，并通过突出水体、抑制其他地物信息，是区分水体和非水体地表覆盖的一种常用和有效办法[18]。针对高分一号和Landsat卫星的光谱特征，本文选择归一化水体指数(Normalized Difference Water Index，NDWI)作为特征参数用于提取湖泊面积。

具体步骤如下：

(1)使用大尺度均值漂移算法[19](Large-scale Mean Shift)，通过设置合适的空间和光谱参数，对NDWI特征参数进行图像分割。

(2)计算分割后各个图斑的NDWI参数平均值，利用直方图双峰分布准则进行逐图斑判断，利用动态阈值算法自动化实现水体提取的最佳分割阈值。

(3)对提取结果进行人工目视检验并修正，最终得到湖泊面积提取结果。

3.2.3 VIC模型模拟方法

VIC模型进行水量平衡计算后，输出研究区各网格的径流和蒸发结果，同Lohmann等[20]开发的汇流模型相耦合，将网格内的产流转化为流域出口断面的流量[10]。可在湖泊出口断面设置出水口，通过设置汇流参数，可以将出口流量分为陆面净补给量与冻土融水和地下水入湖补给量。

3.2.4 冰川水量估算方法

将第二次冰川编目数据集与2017—2018年中国西部冰川编目数据集中研究区内冰川面积进行统计，利用式(1)[11]和式(2)[11]计算，取平均值，最终计算出2011年与2018年盐湖流域冰川体积(单位km3)，将2011—2018年冰川体积变化量做线性插值为2015—2018年冰川体积变化量，并利用冰与水的体积比0.9将其换算成水量，参与湖泊水量平衡计算。

V=0.036 5A1.375；

(1)

V=0.043 3A1.29。

(2)

3.3 湖泊水量计算公式

盐湖来水量主要包括湖面降雨补给、陆面净补给入、冰川融水补给、冻土融水和地下水入湖补给4部分，损失量主要是湖面蒸发，湖面降雨根据湖面面积与降雨量计算，湖面蒸发根据湖面面积与水面蒸发计算。建立水量平衡方程为

ΔV=P+Rs+Rg+Ri-Ew。

(3)

式中：ΔV为湖泊蓄变量；P为湖面降雨量；Rs为陆面净补给量；Rg为冻土融水和地下水入湖补给量；Ri为冰川融水补给量；Ew为湖面蒸发量。

由于VIC模型不包含冰川模块，冰川融水会不断补给到河道径流中[21]，认为冰川融水汇入陆面净补给中，因此模拟结果中陆面净补给量需扣除冰川融水量。

3.4 相关性分析方法

将1989—2010年、2011—2018年湖泊总面积与气象要素累积距平[14]进行Pearson相关性计算，分析气象要素对湖泊面积变化的影响，并分析湖泊面积与湖泊水量间关系。

利用2015—2018年VIC模型模拟结果得到的湖泊水量变化，定量分析气象要素对湖泊水量变化的影响，计算影响湖泊水量变化的主要因素。

4 研究结果

4.1 盐湖流域气候变化特征

由图4可知：①可可西里湖泊群受季风影响，1989—1995年降雨量总体呈下降趋势，1995—2018年降雨量总体增加趋势显著，多年平均变化速率为36.2 mm/(10 a)。②1989—1997年平均气温总体呈下降趋势，1997—2018年平均气温总体增加趋势显著，多年平均变化速率为0.59 ℃/(10 a)。③1989—2018年间年蒸发量总体呈下降趋势，呈波动变化，下降速率为14.5 mm/(10 a)，且自2015年后年蒸发量迅速下降。

图4 年降雨量、年平均气温、年蒸发量线性趋势分析Fig.4 Linear trend analysis of annual rainfall，annual average temperature and annual evaporation

利用M-K检验对年降雨量、年平均气温、年蒸发量进行突变检验(图5)，结果表明降雨量在2006年存在突变点，降雨量不断累积，且在2010年后UFK统计量超过U0.05特征值，上升趋势显著，为后期卓乃湖外溢提供了基础。年平均气温在1989—2018年间没有明显突变点，在2003年以后UFK统计量超过U0.05特征值，年平均气温呈显著上升趋势。年蒸发UFK统计量与UBK统计量均没有超过特征值线，下降变化趋势不显著。

图5 年降雨量、年平均气温、年蒸发量M-K检验结果Fig.5 M-K test of annual rainfall，annual average temperature and annual evaporation

4.2 湖泊面积变化特征

1989—2010年4个湖泊面积先减小后增大，且均在1995年发生转折。2011年卓乃湖面积较前年骤减105.48 km2，此后平均下降速率为2.02 km2/a。2011年库赛湖面积较前年增加54.58 km2，此后平均下降速率为2.06 km2/a。2011年海丁诺尔湖面积较前年增加29.13 km2，此后平均下降速率为0.58 km2/a。2011年盐湖接收上游来水，面积迅速扩张，此后平均上升速率为17.46 km2/a，变化最为剧烈。4个湖泊部分水体面积计算结果、面积变化遥感图像及变化曲线见表2、图6、图7。

表2 部分年份湖泊面积计算结果

图6 盐湖流域部分年份面积变化遥感图像Fig.6 Remotely sensed images of area change of Salt Lake Basin

图7 1989—2018年盐湖流域湖泊面积变化Fig.7 Lake area change in Salt Lake Basin from 1989 to 2018

4.3 气象要素对湖泊面积变化的影响

利用SPSS软件分析1989—2010年、2011—2018年两个时段湖泊面积与气象要素的相关性。其中将2011—2018年细分为2011—2014年和2015—2018年两个时段。将2015年前后分开是为了与VIC模型定量分析做对比验证。2011年前研究单独湖泊面积与其相关性，2011年后研究四湖总面积与其相关性。分析中只考虑年降雨量、年平均气温和年蒸发量3个要素，结果见表3、表4。

表3 盐湖流域湖泊面积与气象要素的Pearson相关系数

表4 盐湖流域四湖总面积与气象要素的Pearson相关系数

1989—2010年卓乃湖与盐湖湖泊面积与年降雨量、年平均气温呈显著正相关，与年蒸发量呈显著负相关(P<0.01)，年降雨量相关性系数最大。

1989—2010年库赛湖与海丁诺尔湖泊面积与年降雨量、年平均气温呈显著正相关，与年蒸发量呈显著负相关(P<0.01)，年平均气温相关性系数最大。

2011—2018年四湖总面积与3个气象要素呈显著正相关，年降雨量相关性系数最大，年蒸发量次之，年平均气温最小。细化时段分析可知2011—2014年四湖总面积与3个气象要素均呈正相关，年降雨量相关性系数最大。2015—2018年四湖总面积与年降雨量、年平均气温呈显著正相关(P<0.05)，年平均气温相关性系数最大。

综上所述有：

(1)2011年前，卓乃湖和盐湖面积变化可能受降雨量影响较大，库赛湖与海丁诺尔湖面积变化可能受气温影响较大。

(2)2011—2018年4个湖泊面积变化可能受年降雨量影响最大。

(3)细化时间段，2011—2014年可能受年降雨量影响较大，年平均气温影响次之，2015—2018年可能受年平均气温影响较大，年降雨量影响次之。

相关性计算结果不同，可能原因为2011年4个湖泊受卓乃湖外溢影响，面积变化存在突变，而气候变化对于湖泊水量变化是一个前期累积的过程，没有达到与面积变化一致的突变程度，二者数据统计的相关性受到影响。此外还可能与选取计算的时间序列的长度等因素有关。

4.4 湖泊面积与湖泊水量间关系

湖泊水量的变化表现在面积变化，其变化是所在补给流域水量平衡的结果[22]。借助水位-面积、水位-容积曲线关系得到湖泊面积-容积间关系。

利用得到的库赛湖、盐湖面积-容积关系曲线，拟合曲线推求出相应水量，最终面积-水量关系见图8。用Pearson相关性分析库赛湖、盐湖面积与容积变化之间关系，相关系数分别为0.967、0.960，呈显著正相关(P<0.01)。湖泊面积变化与湖泊水量变化有较好的相关性，湖泊面积的变化间接体现湖泊水量变化，气象要素与湖泊面积间的变化可以间接体现出气象要素对湖泊水量变化的影响。

图8 库赛湖和盐湖2011—2018年面积-水量关系Fig.8 Area-volume relations in 2011-2018 for Kusai Lake and Salt Lake

Pearson相关性一定程度上可以体现年尺度上气象要素与湖泊面积变化之间有一定相关性，虽然可通过面积-容积曲线关系间接反映气象要素对水量的影响，但Pearson相关性分析是对两个变量之间线性相关程度的衡量[23]，其结果可能与实际情况不同，需引入水文模型进行定量计算进行对比验证。

4.5 定量分析气象要素对湖泊水量的影响

2011年后湖泊总面积变化与降雨量、年平均气温、年蒸发量相关性很高，可说明气象要素与流域水量变化之间存在关系。对于统计结果的差异性，需要通过VIC模型定量计算气象要素对湖泊水量的影响，由于用于模型验证的数据目前只有2015—2018年，因此选用2015—2018年时间段定量分析相关性。

经VIC模型模拟和汇流模型汇流后得到各出水口水量变化结果。2015年和2018年计算结果见图9、表5，结合计算的流域内冰川补给量，最终2015—2018年盐湖流域水量变化见表6。

图9 2015年和2018年盐湖流域水量分析结果Fig.9 Analysis results of water quantity in the Salt Lake Basin in 2015 and 2018

表5 VIC模型模拟结果

表6 盐湖流域水量变化

将结果进行整理，陆面净补给变化量扣除冰川补给量后算入降雨量贡献中，可得降雨增加量、冻土释水和地下水补给增加量、冰川融水量对盐湖流域扩张的贡献约为34.48%、57.66%、7.86%。气温变化成为影响湖泊水量变化的主要因素，降雨量影响次之。与2015—2018年Pearson相关分析结果一致。

综合统计结果及水文模型定量分析可知：

(1)1989—2010年间，卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔、盐湖面积变化与年降雨量、年平均气温呈显著正相关，与年蒸发量均呈显著负相关。卓乃湖、盐湖水量变化主要受降雨量的影响；库赛湖、海丁诺尔湖水量变化主要受气温的影响。

(2)2011年后四湖连通，研究总面积与水量变化之间的关系，2011—2014年由统计结果得知水量变化主要受降雨量的影响，气温影响次之。2015—2018年统计结果结合水文模型模拟计算得知气温变为主要因素，降雨量影响次之。

(3)2011年前4个湖泊各自水量平衡，并没有上游湖泊下溢湖水的补给，而2011年后卓乃湖外溢改变了原有的来水组成，上游来水占补给中较大比例，上游补给水量的变化主要受气候变化的影响。2015—2018年气温升高的速度远高于多年平均温度，随着气温升高，加快了区域冰川、冻土和积雪的消融速度，气温变化成为影响湖泊补给变化的主要因素。

5 结论与展望

(1)1989—2018年降雨量总体增加趋势显著，增长速率为36.2 mm/(10 a)，在2006年突变且在2010年后增加趋势显著，为后期卓乃湖外溢提供了基础。年平均气温增长速率为0.59 ℃/(10 a)，2003年后升高趋势显著。年蒸发量下降速率为14.5 mm/(10 a)，并波动变化，且变化趋势不显著。

(2)1989—2010年湖泊面积先减小后增大，且均在1995年发生转折。2011—2018年四湖总面积由664.09 km2扩大至753.63 km2，盐湖面积扩大是四湖面积增加的原因。年降雨量、年平均气温、年蒸发量与湖泊面积密切相关，湖泊面积变化与湖泊水量变化相关性高，气象要素与湖泊面积间的变化可以间接体现出气象要素对湖泊水量变化的影响。

(3)结合统计分析及VIC模型定量分析结果可知2011年前卓乃湖和盐湖水量变化主要受降雨量的影响，库赛湖和海丁诺尔湖水量变化主要受气温的影响。2011—2014年4个湖泊水量主要受降雨量影响，2015—2018年4个湖泊水量变化主要受气温影响，降雨量影响次之。

(4)青藏高原的湖泊变化对气候变化具有非常敏感的响应，若未来气候的暖湿化更加强烈，湖泊可能会出现更强烈的扩张。盐湖流域水量持续增加可能对于下游的青藏公路、铁路和保护区内其他设施造成危害。未来要继续细化水量研究，分析水量时空变化，完善统计分析中的不确定性，更充分评价湖泊水量变化与气候变化之间的关系。