近30年色林错湖面变化特征及其对气候变化的响应

宋玉芝 德吉玉珍

摘要为了探讨气候变化对高原湖色林错湖面面积变化的影响，基于1988—2020年Landsat卫星遥感影像資料，用最大似然法提取色林错水体信息，采用线性回归及M-K检验法分析色林错湖面面积及其流域内温度、降水和积雪深度等气候因子变化特征，并用皮尔逊相关分析法探讨了湖面面积与气象因子之间的相关性．结果表明：近30年色林错湖面面积增加了650.70 km2，增长速率为203.34 km2／（10 a）．色林错湖面扩张存在着明显的空间差异，湖面向南、向北扩展比较明显;色林错流域年平均气温及降水量呈显著上升趋势（p<0.05），而积雪深度呈显著下降的趋势（p<0.05），其中增温速率为0.50  ℃／（10 a），降水量增加速率为17.32 mm／（10 a），积雪深度递减率为0.65 cm／（10 a）;色林错湖面面积的变化与该流域气温的升高以及冷季积雪深度的降低具有极显著相关性（p<0.001），气温升高使得色林错上游的冰雪融水增加是色林错湖面面积增大的主要原因．

关键词气候变化;湖面变化;遥感;色林错

中图分类号

P237;P343.3

文献标志码

A

收稿日期

2021-12-31

资助项目

国家自然科学基金（4207733）

作者简介宋玉芝，女，博士，教授，主要从事水环境与生态气象方面的研究．syz70@nuist.edu.cn

0 引言

青藏高原是世界上海拔最高的高原，也是中国最大的湖泊密集地区［1］，其湖泊总面积约占我国湖泊总面积的49.5％，是中国乃至东亚大河的发源地，被称为“亚洲水塔”［2］．湖泊作为陆地水圈的重要组成部分，对地表水循环过程具有重要的影响，对气候变化的响应极为敏感.因此，在全球气候变化背景下，研究青藏高原湖泊的扩张与收缩对气候变化的响应具有重要的意义［3-5］．

近年来，由于气候变暖，青藏高原湖泊的变迁及其变迁的原因受到广泛的关注，国内外许多学者基于不同方法对青藏高原湖泊变化进行了研究［6-17］．董斯扬等［15］选取青藏高原1970、1990、2000和2010年4个时段的Landsat遥感影像，通过人工解译提取湖泊面积，指出近40年来青藏高原湖泊面积呈加速扩张的趋势，但在不同地理位置和海拔高度，湖泊面积变化趋势并不一致．李蒙等［16］基于Landsat影像，利用归一化水体指数法提取水体信息，发现纳木错水面面积从1976年的1 928.63 km2增加到2015年的2 018.55 km2．李东昇等［17］基于3S技术提取青藏高原哈拉湖流域内湖泊面积，发现该流域湖泊面积在1986—2001年间呈波动下降的趋势，2001—2015年间却呈波动上升的趋势．湖泊面积变迁主要受地质构造决定，而短时间尺度（几十年）的湖泊变迁主要受气候因素的影响［18-20］．Zhang等［19］发现，由于气温升高，蒸发量增加及降水量的减少，使得玛旁雍措湖泊面积在1970—2008年之间持续发生萎缩．何友翔等［20］认为，2000—2020年纳木错湖泊面积的扩大与气温升高导致冰川融水增加有关．色林错作为西藏第一大湖泊，近年来也有一些学者对其变化特征进行了研究［21-24］．孟恺等［23］认为，气温升高是2000—2010年间色林错湖面面积急剧扩大的主要因素，而降水量的增加是次要因素．德吉央宗等［24］则认为，近40年来色林错流域湖泊面积变化与气温和降水有关．已有的研究成果为进一步探讨高原内陆湖泊面积变化与高原气候变化之间的关系奠定了基础，但这些研究结果主要基于间断的时间序列分析，缺乏对研究区域连续性长时间序列数据的分析，且部分研究使用的数据月份不统一，这将造成因丰水期和枯水期湖泊现象不同产生的水体提取误差．此外，在湖面面积变化与气象因子如气温、降水量和积雪等之间的关系还需进一步探讨．基于此，本文选取1988—2020年7—9月色林错处于丰水期的Landsat影像资料共33期，利用遥感影像监督分类法中应用最广泛的最大似然分类法，提取水体信息，分析色林错湖面面积的时空变化特征并探讨其对气候变化的响应，为在全球气候变化背景下，对未来水资源合理使用和调配提供科学依据．

1 研究区概况

色林错位于西藏自治区尼玛、申扎、班戈三县交界处，是西藏第一大湖泊，湖面海拔高度约为4 530 m．流域总面积45 530 km2，流域内湖泊面积3 262 km2［25］．色林错湖水补给依赖于地表径流，入湖河流有发源于巴布日雪山的波曲藏布、甲岗雪山的扎根藏布、冈底斯山的阿里藏布以及唐古拉雪山的扎加藏布，这些河流分别从色林错湖泊的东、西、南、北岸入湖，源区都是冰雪覆盖，水源丰富［23］．

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

基于遥感技术提取色林错水体信息的Landsat数据，为1988—2020年7—9月湖泊处于丰水期且无云或少云的影像资料（表1），Landsat卫星影像资料来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云和美国地质勘探局（USGS）官网．气象资料由西藏自治区气象局信息网络中心提供，气象资料为色林错流域附近的申扎、那曲、安多、班戈和当雄5个气象站（图1）的1985—2020年月平均气温、降水量和最大积雪深度数据．

2.2 分析方法

2.2.1 遥感资料处理方法

利用ENVI软件对Landsat影像进行几何校正和大气校正的预处理［26］，通过人工判别将图像中的地物分类为裸地、水体、雪山，并进行训练样区的选取，采用遥感影像监督分类法中应用最广泛的最大似然分类法提取水体信息［27-30］．此方法主要利用每个像元与邻近像元之间的光谱特性，或像元在已分类好的裸地、水体、雪山三个训练样区中属于哪一个训练样区的概率最大来最终确定其所属的地物类型.在完成水体信息提取之后，对最终分类结果进行精度评价，即将分类结果与标准分类像元建立混淆矩阵，进行总体分类精度与Kappa系数的计算［30］．其中总体分类精度表示分类正确的像元数量与标准的像元总数量的比值，Kappa系数表示分类后的像元与标准像元的一致程度，只有符合分类要求（Kappa系数>0.90）之后，再利用ArcGIS软件将结果转换成矢量数据来统计湖泊的面积，以及用来分析湖面的空间变化特征．

2.2.2 数据分析

1）本文将月平均气温大于0 ℃的月份（5—10月）归类为暖季，月平均气温小于0 ℃的月份（11月—次年4月）归类为冷季，使用气候倾向率法分析气象因子的变化趋势，计算公式如下：

Y=a 0+a 1t，  （1）

式中Y为气象要素，a 0为常数项，t为时间，a 1为线性趋势项，a 1×10表示为气象因子每10年的变化趋势．

2）利用Mann-Kendall突变检验法（M-K test）［31-32］，揭示色林错湖面面积和各气象因子的突变特征，采用皮尔逊相关分析（Pearson correlation）研究湖泊面积与气象因子之间的相关性．

3 结果与讨论

3.1 色林错湖泊面积变化特征

近30年色林错湖面面积总体上呈增大的趋势（表2，图2）．从图2可看出，色林错湖面面积随时间的变化显著增加（r=0.957，p<0.001）．由表2可知，1988—2020年，湖面面积从1 742.65 km2增长到2 393.35 km2，增加了650.70 km2，增加速率为203.34 km2/（10 a）．进一步分析发现，近30年色林错湖面面积的增长过程可分为缓慢增长、急剧增长、缓慢增长三个阶段，即1997年之前湖泊面积增幅较小，平均每年增加2.98 km2;1997—2015年增长迅速，平均每年增加34.23 km2;2015年之后色林错湖面面积的增长开始减慢，平均每年增加14.50 km2．通过遥感影像发现，2003年之前色林错与雅根错是两个独立的湖泊，2003年这两个湖面连成一片，这与已有文献［18］的结果，即色林错南部在2003—2005年间与雅根错发生了连通接近．因此，2003年开始，色林错湖面面积将雅根错湖面面积纳入计算．2003年色林错和雅根错的湖面总面积为2 099.13 km2，与2002年（两个湖泊还未相连）色林错湖面面积相比，2003年（相连之后）湖面面积增加了91.29 km2．进一步采用M-K检验法，对色林错流域湖面面积的变化进行突变检验，发现UF和UB曲线相交于2006年，但交叉点并不在a=0.05的显著水平内，表明色林错湖面面积不存在显著突变点（图3）．

利用1990、2000、2010和2020年四个时期的遥感影像数据，对色林错湖面面积空间变化进行分析，分析结果也表明：色林错湖面面积随时间推移呈增加的趋势，不同时间段湖面扩张的速率不同，也呈慢快慢的变化规律．即1990—2000年色林错湖面面积扩展了169.40 km2，占总扩展面积的26％;2000—2010年是近30年中色林错湖面扩展最快的10年，湖面面积扩展了378.95 km2，占总扩展面积的58％;2010—2020年湖面扩张度整体变慢，湖面面积扩展了99.94 km2，只占总扩展面积的15％（图4）．进一步分析发现，色林错湖岸线在四周扩展程度并不相同，扩展最明显的区域在湖的北部和南部（图4）．由于色林错北部与扎加藏布相连，而扎加藏布是属于西藏地区最长的内流河，源于唐古拉雪山的当玛岗北坡［23］，因此，色林错北部湖水面积的增加与冰川融水经过扎加藏布汇入色林错有密不可分的关系．色林错南部与其相邻的雅根错发生了连通，使得色林错面积明显增大．

3.2 色林错流域气候变化

3.2.1 气温

1985—2020年，色林错流域年平均气温呈极显著的上升趋势（r=0.743，p<0.001），增温速率为0.50 ℃／（10 a），多年平均气温为0.2 ℃（图5a）．1998年之前（除了1988年）流域年均气温低于多年平均气温，最低气温达-1.9 ℃（1997年）;1998年之后，该流域气温明显升高，除2000和2002年之外均高于多年平均气温，最高年均气温为1.3 ℃（2009、2016和2017年）．采用M-K突变检验法，对年平均气温进行突变检验（图6）．由图6可知，UF和UB曲线相交与2004年，且交叉点在a=0.05的显著水平内，即气温在2004年发生了突变，多年平均气温从突变前（1985—2004年）的-0.22 ℃上升到突变后（2005—2020年）的0.83 ℃，上升了1.05 ℃，表明2004年以后色林错流域的气温增暖趋势变得十分显著．此外，该流域多年平均冷季气温为-6.35 ℃，暖季为6.87 ℃，且冷季及暖季年平均气温随时间的变化均呈极显著的上升趋势（r 冷=0.686，r 暖=0.647，p<0.001），冷季增温速率为0.61 ℃／（10 a），暖季为0.43 ℃／（10 a），冷季增温速率是暖季的1.42倍（图5b、c）．由此可见，色林错流域气候正在变暖，增温幅度比较明显，且冷季更为显著．

3.2.2 降水量

1985—2020年間色林错流域年平均降水量呈显著上升趋势（r=0.301，p<0.05），平均每10年增加17.3 mm，多年平均降水量为381.0 mm，年平均降水量最低为218.0 mm（2015年），最高为551.3 mm（2008年）（图7a）．该流域在1985—1995年间降水量较少，1995年之后缓慢增多，而在2005—2015年期间降水量呈波动变化，2015年之后再持续增加（图7a）．采用M-K检验法，对色林错流域降水量的变化进行突变检验，发现UF和UB曲线相交与1998年，且在a=0.05的显著水平内，即降水量在1998年发生了突变，多年平均降水量从突变前（1985—1998年）的351.8 mm上升到突变后（1999—2020年）的399.6 mm，上升了47.8 mm（图8），这说明色林错流域降水量在1998年开始显著上升．这一结果与已有的关于高原气候变化的研究结果基本一致［25］．此外，该流域冷暖季降水量虽都呈上升趋势，但冷季降水量随时间的变化并不显著（r=0.105，p>0.05），暖季却呈显著上升的趋势（r=0.324，p<0.05），其中降水量上升速率冷季为1.11 mm／（10 a），暖季为3.17 mm／（10 a）（图7b、c）．冷季的多年平均降水量为3.35 mm，远远小于暖季的多年平均降水量（60.39 mm），这说明，色林错流域降水量的变化主要以暖季为主．

3.2.3 积雪深度

图9为色林错流域最大积雪深度．由图9a可知，色林错流域年平均最大积雪深度在1985—2020年呈显著下降趋势（r=0.376，p<0.05），下降速率为0.65 cm／（10 a）．2000之前，该流域年平均最大积雪深度除1991、1992年和1994年以外均大于多年平均积雪深度（6.30 cm）．2000年之后，该流域年平均最大积雪深度均小于多年平均积雪深度，最低值为3.20 cm（2010和2018年）（图9a）．采用M-K突变检验法，对年平均最大积雪深度进行了突变检验，发现UF和UB曲线相交与2002—2003年，且在a=0.05的显著水平内，即积雪深度在2002—2003年间发生了突变，多年平均积雪深度从突变前（1985—2003年）的6.74 cm下降到突变后（2004—2020年）的5.84 cm，下降了0.90 cm，表明2003年后色林错流域积雪深度的降低趋势十分显著（图10）．此外，色林错流域冷季和暖季积雪深度均呈显著下降趋势，且冷季积雪深度的下降趋势相比暖季更显著（r 冷=0.528，p 冷<0.01;r 暖=0.387，p 暖<0.05），以及冷季积雪深度的下降速率（0.32 cm／（10 a））大于暖季（0.25 cm／（10 a））（图9b、c）．

3.3 色林错湖泊面积变化与气象因子的关系

根据以上的研究结果可知，色林错湖面面积及该流域温度、降水量和最大积雪深度均存在显著的变化趋势（图3、5、7、9）．采用皮尔逊相关分析法分析湖泊面积与流域气象因子之间的相关性发现，色林错湖面面积与该流域年平均气温的相关系数r=0.744（p<0.001），两者之间呈极显著的正相关（图11a）．从图11b和图11c也发现，冷暖季气温均与湖面面积存在极显著的正相关（r 冷=0.739，p 冷<0.001;r 暖=0.552，p 暖<0.001），其中冷季气温与湖面面积的相关系数（r 冷）略大于暖季气温与湖面面积的相关系數（r 暖）．

图12是色林错湖面面积与该流域冷季降水量之间的关系.从图12b可知，湖面面积与与该流域冷季降水量不存在相关关系，与年平均降水量和暖季降水量虽呈一定的正相关，但均未达到显著水平（p>0.05）（图12a、c），这说明色林错流域降水量虽呈显著的增加趋势，但对色林错湖面面积的扩张影响不大．

图13是色林错湖泊面积与积雪深度间的关系．由图13可见，色林错流域年平均最大积雪深度与湖面面积呈显著的负相关（r=-0.347，p<0.05），进一步分析发现，冷季最大积雪深度与湖泊面积呈极显著的负相关（r 冷=-0.661，p<0.001），但暖季最大积雪深度与湖泊面积的负相关性并不显著（r 暖=-0.228，p>0.05）．

4 结论

色林错湖面面积在近30年里持续增加，这与该流域气象因子有着密切的关系.本文根据色林错湖面面积与该流域各气象因子的变化特征，以及它们之间的相关性，得出以下结论：

1）近30年色林错湖面面积总体上呈持续增加的趋势，湖面面积在1988年为1 742.65 km2，到2020年湖面已达2 393.35 km2，湖泊面积共增加了650.70 km2．1997—2015年间湖面增长尤为迅速，平均每年增加34.23 km2．随着时间的变化，湖岸不断向外扩展但向四周扩展的速度并不均一，湖的北部及南边扩展明显．

2）近30年色林错流域气候变化特征比较明显，年平均气温和降水量均呈显著的增加趋势（p<0.05），而年平均最大积雪深度呈显著下降的趋势（p<0.05），其中增温速率为0.50 ℃／（10 a），降水量增加速率为17.32 mm／（10 a），最大积雪深度递减率为0.65 cm／（10 a）．此外，冷季气温和积雪深度的变化较暖季更为明显，而降水量的变化主要以暖季为主．

3）近30年色林错湖面面积不断扩大与流域气候变化密切相关．色林错湖面面积与气温的升高及冷季积雪深度的降低呈极显著的相关性（p<0.001），与降水量的相关性并不显著（p>0.05）．这说明，色林错湖面面积的增长主要是由于温度的显著升高导致上游冰雪迅速融化，湖水补给增加所致．

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Variation of Selin Co lake area during 1988-2020 and its response to climate change

SONG Yuzhi1，2 DEJI Yuzhen1，2

1Key Laboratory of Ecosystem Carbon Source and Sink，China Meteorlogical Administration（ECSS-CMA），

Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044

2School of Applied Meteorology，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044

Abstract To explore the impact of climate change on the lake area of Selin Co，this paper used maximum likelihood method to extract the lake areas of Selin Co for the past 33 years （1988-2020） from Landsat data，then analyzed the variations in lake area，temperature，precipitation as well as snow cover depth in Selin Co basin using linear regression and Mann-Kendall test，and discussed the correlation between lake area and climate change by Pearson correlation.The results showed that，in the past 33 years，the Selin Co Lake expanded by 650.70 km2 at the rate of 203.34 km2／（10 a），mostly at northward and southward directions.The average annual temperature and precipitation increased significantly at the rates of 0.50  ℃／（10 a） and 17.32 mm／（10 a） （p<0.05），while the average maximum snow cover depth decreased significantly at the rate of 0.65 cm／（10 a） （p<0.05） during 1988-2020.An extremely significant correlation was found between the change of lake area and the rise of air temperature in the basin as well as the decreasing maximum snow cover depth in cold season （p<0.001），indicating that the Selin Co lakes expansion in the past 33 years was a consequence of the increasing water supply from ice-snow meltwater due to the rising air temperature in Selin Co basin.

Key words climate change;lake area change;remote sensing;Selin Co