1986—2019年哈拉湖面積動態變化及其成因分析

王仁軍，劉寶康，黃炳婷

(天水師范學院資源與環境工程學院，甘肅 天水 741000)

哈拉湖位于青藏高原東北部，地處季風和西風影響的交匯帶[1]，湖區西接柴達木盆地，東鄰河西走廊，是青藏高原乃至整個西北地區重要的水汽源。哈拉湖地處祁連山腹地，位置偏遠，環境惡劣，海拔高4 000 m以上，周圍大多為無人區，受人類活動影響較小，曾被認為是中國北方保留最完整、最原始的濕地生態系統[2]，其面積的動態變化能夠真實地反映區域氣候與環境的變化狀況，是氣候變化的天然指示器。作為青藏高原上大型的咸水湖，哈拉湖不但調控著湖區區域氣候，而且也是維系青藏高原生態系統平衡的重要支柱。因此，及時、準確地獲取哈拉湖水體動態信息，對區域生態環境保護和綜合治理具有重要現實意義。

遙感作為一種新的對地觀測技術，在20世紀興起后，被廣泛應用于水資源監測領域。遙感具有大面積、快速準確獲取水體信息的特點，與傳統獲取湖泊面積方法相比優勢明顯。目前，基于多源衛星資料監測湖泊面積動態變化的研究已取得了一定成果，如曾昔等[3]利用Landsat衛星遙感影像資料，提取并計算青海湖近20年湖泊面積，并結合氣象數據分析其變化特征與周圍氣候變化的響應；德吉央宗等[4]以Landsat衛星影像為基礎數據，對色林錯流域湖面面積進行了長時序(1976—2016年)動態監測，并探討了湖泊面積變化的可能影響因素；拉巴卓瑪等[5]利用高分辨率陸地資源衛星Landsat 為數據源綜合利用氣象、冰川資料等輔助數據，全面地分析了1977—2014年當惹雍錯湖泊面積變化；邵兆剛等[6]利用MSS和TM數據，對近20年青藏高原重點湖泊面積變遷進行了分析；盧娜[7]以MODIS數據為基礎，基于改進的歸一化差異水體指數，提取并分析了柴達木盆地中心平原區的湖泊面積變化及其影響因素；閭利等[8]以MODIS為數據源,提取了近16年青藏高原豐水期面積大于50 km2的湖泊邊界；普布次仁等[9]利用MODIS數據,分析了2002—2017年扎日南木錯湖泊面積變化，并結合周圍氣象觀測資料，對氣象要素和湖泊面積之間的相關性進行了分析。上述遙感數據或存在時間/空間分辨率較低(如MODIS、NOAA/AVHRR)，或存在衛星損壞、退役(如Landsat 5)，或存在獲取成本高等問題，難以對湖泊進行連續、精準的監測。此外，以往對哈拉湖的研究大部分以湖泊區域地質構造、湖泊沉積物等研究為主[10-12]，而且缺少長時間序列湖泊面積動態化的研究。因此，本研究選取哈拉湖為研究區，結合Landsat 歷史數據和氣象數據，利用國產衛星GF1-WFV數據高空間分辨率、寬幅寬協同的優勢，對哈拉湖湖泊年代際、年際及月際動態變化進行研究，探討湖泊在自然狀態下的演變規律,旨在為當地相關政府部門的生態環境綜合治理及生態文明建設提供理論和決策依據。

1 數據來源及方法

1.1 研究區概況

哈拉湖又稱黑海，介于38°11′N～38°25′N，97°24′E～97°47′E，是青海省第三大湖泊，屬咸水湖，深藏在祁連山腹地。其位于青海省德令哈市北部，疏勒南山與哈爾科山之間，隸屬天峻縣和烏蘭縣(圖1)。哈拉湖近似橢圓形，湖面海拔為4 078 m，長34.2 km，最大寬度為23 km，湖泊面積為637 km2。哈拉湖流域四周多雪山冰川，冰川面積為93.97 km2,冰川儲冰量約5×109m3。共有20多條河流從四周注入湖內，且周邊河流較短，多為季節性河流。主要以高山冰雪融水和降水補給為主。自然氣候因素對該湖的水量變化影響較大。湖泊位于中國季風過渡帶，對區域氣候變化的影響十分敏感[13-15]。

圖1 哈拉湖地理位置

1.2 數據來源

本研究所使用的遙感影像數據包括Landsat TM/ETM+和GF1-WFV數據。由于2000年前哈拉湖地區質量較高的遙感影像有限，因此選取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日的遙感影像均為Landsat ETM+遙感影像，Landsat TM/ETM+來自美國航空航天局(https://www.usgs.gov/)；GF1-WFV數據來自中國資源衛星應用中心，時間段為2013—2019年。本研究中所涉及到的衛星傳感器類型、獲取時間、分辨率及數據來源見表1。

表1 衛星資料與數據來源

1.3方法

1.3.1影像數據處理方法

由于大氣等對太陽輻射的影響，使傳感器接收到的信息與真實地物之間存在一定的誤差，這些誤差降低的影像的質量，必須對其進行消除。在ENVI5.3下加載影像，首先為了清晰地反映各類地物的光譜差異，對影像進行4、3、2波段假彩色合成；其次，利用ENVI中的Radiometric Calibration工具對影像進行輻射定標，消除輻射變形的影響；然后對影像依次進行大氣校正和幾何校正，其中大氣校正利用ENVI中的FLAASH大氣校正模型完成影像校正，幾何校正采用有控制點的幾何精校正，校正后的均方根(RMS)誤差控制在0.5個像元內，均方根誤差計算公式為：

(1)

式中 (XR,YR)——控制點的坐標；(XI,YI)——實際輸出點的坐標。

最后，采用波段比值模型提取哈拉湖湖泊水體面積，公式為B4/B2<1&B4

圖2 影像處理流程

為驗證基于高分一號衛星WFV數據水體識別的精確性，本研究與經過目視解譯的Landsat TM/ETM+影像的提取結果進行了對比，Landsat TM/ETM+影像和GF1-WFV衛星影像的過境時間相同。結果表明兩者的誤差率僅為1.52%,表明高分一號WFV衛星數據能夠準確地識別哈拉湖水體。

1.3.2線性趨勢法

哈拉湖地區氣象數據采用托勒和德令哈2個氣象站地面數據的平均值，由算術平均法獲得。其年際變化用線性趨勢法進行分析(式2)。并利用SPSS軟件，通過對氣象要素與湖泊面積進行相關分析，來揭示氣象要素與湖泊面積之間的關系。

yi=a+bti

(2)

式中yi——氣象要素；a——常數項；ti——時間(1961—2018年)；b——線性趨勢項。

2 結果分析

2.1 湖泊的年代際變化

1980s至2010s哈拉湖面積呈先減小后增大趨勢。其中，1980s至1990s湖泊面積呈減小趨勢，減小了3.93 km2；1990s至2000s湖泊面積變化不大；2000s后湖泊面積顯著增加。90年代哈拉湖年平均面積最小，為589.90 km2；2010年以來湖泊年平均面積最大，平均面積為610.86 km2。2010年以來哈拉湖年平均面積分別較1980s、1990s、2000s的年平均面積擴大了17.03、20.93、20.06 km2(表2、圖3)。

表2 不同年代際哈拉湖面積變化

圖3 哈拉湖的年代際變化

2.2 湖泊的年際變化

1986—2019年哈拉湖面積呈先減小后增大趨勢。具體表現為：1986—2001年，哈拉湖面積呈減小趨勢，減小速率為8.74 km2/(10a)，且2001年湖泊面積減小到近36年歷史最小值，2001年哈拉湖湖泊面積為579 km2，與1986年相比，湖泊面積減小了15 km2；2002—2019年，哈拉湖面積整體呈增加趨勢，增加速率為23.53 km2/(10a)，2002—2014年哈拉湖面積變化較為穩定，期間面積變化幅度為1～ 6.22 km2，然而2015年以來，哈拉湖顯著擴張，2019年哈拉湖面積增加到近36年歷史最大值，2019年哈拉湖面積為641.07 km2，2019年湖泊面積與2002—2014年平均面積相比擴大了45.17 km2，與2015年相比擴大了31.14 km2(圖4)。

圖4 1984—2019年哈拉湖面積變化

2.3 湖泊的年內變化

利用高分一號衛星數據提取了近3年各月哈拉湖面積數據，結果表明：1—12月，湖泊面積呈先減小后增大的趨勢。通常1—6月上旬湖泊處于封凍期，湖泊面積較大，6月中下旬解凍后面積趨于減少，隨著7月份雨季的到來，湖泊面積隨降水增多趨于增大。2019年與前兩年相比，湖泊面積除4月和12月與2018年相近外，其余各月面積均大于前兩年，且近3年哈拉湖月面積最大和最小之間的差值分別為10.08、12.52 km2。2019年8月哈拉湖面積達到近3年來的月最大值為641 km2(圖5)。

圖5 哈拉湖面積年內變化

2.4 湖岸線變化

通過對哈拉湖不同時期湖泊邊界進行疊加(1988、1998、2011、2019年)，能夠清楚地分辨出湖岸線的動態變化(圖6)。結果顯示，1998年湖岸線與1988年相比，湖岸線萎縮，湖岸線向湖中心退縮；2019年湖泊面積分別與2011、1998、1988年的湖泊面積相比，均呈擴張態勢。2019年湖岸線擴張最為顯著，且擴張最明顯的區域位于哈拉湖東南部和西南部，東南部最大擴張距離為2.17 km，2019年7月尾湖與整體湖泊基本相連；西南部的擴張不及東南部，最大擴張距離為1.53 km。

圖6 哈拉湖湖岸線變化遙感監測

3 成因分析

3.1 氣候變化

1961—2018年，哈拉湖地區年平均氣溫呈上升趨勢，上升速率為0.4℃/(10a)。其中，1960s、1970s、1980s年平均氣溫分別為-0.1℃、0.2℃、0.5℃，到了1990s年平均氣溫為1.1℃，2000s和2010s年平均氣溫分別為1.6℃和1.7℃。1960s、1970s和1980s年平均氣溫均低于常年平均氣溫，常年平均氣溫為0.8℃，而1990s后平均氣溫高于常年平均氣溫，尤其是2000年以來，增溫速率顯著(圖7)。

1961—2018年，哈拉湖地區年平均降水為244 mm，量呈上升趨勢，上升速度為19.3 mm/(10a)。其中1960s至1980s降水量呈上升趨勢，1960s、1970s和1980s年平均降水量分別為191、226、253 mm,1960s和1970s與1980s年平均降水量相比分別低62、27 mm；1980s至1990s年降水量呈減小趨勢，共減少了29 mm；2000年以來降水量增加顯著，2010s年降水量為292 mm，2000s年降水量為281 mm，2010s和2000s年平均降水量與1990s相比分別增加了68、57 mm(圖7)。

上述分析表明1961—2018年哈拉湖地區氣溫和降水呈現出氣溫升高和降水增加的變濕變暖趨勢，2000年以后，特別是2010s以來這一趨勢更加顯著。而湖泊面積響應氣候變化，2000年前湖泊面積整體呈減小趨勢，2000年后湖泊面積逐漸增大，到了2010s湖泊面積顯著增加。這一變化趨勢與氣溫、降水的變化趨勢具有很好的一致性。 2000年前年平均氣溫與降水均低于2000s后，降水量減少，使得入湖徑流量減小，從而導致湖泊面積萎縮；2000年以來，雖然氣溫較低，但降水量較高，特別是近3年以來，降水量顯著增加，直接導致哈拉湖面積顯著擴張。為了近一步說明氣候與湖泊變化間的關系，對湖泊面積與其周邊氣溫、降水進行相關分析，結果表明：1986—2018年，年平均氣溫與湖泊面積之間呈比較弱的正相關關系，而年降水與湖泊面積之間呈較強的正相關(R=0.565，P<0.01)。由此表明，氣溫與降水對湖泊面積的變化均起到一定的作用，但降水對湖泊面積的影響較大。

圖7 1961—2018年哈拉湖地區氣候變化

3.2 冰川變化

對于以高山冰雪融水和降水補給為主的哈拉湖來說，除了氣候變化因素對哈拉湖的影響外，冰川融水也是主要的影響因素之一。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爾科山，其中疏勒南山有冰川70條，哈爾科山48條，流域內最大的冰川位于北部的崗納樓5號冰川，面積為15.27 km2。近幾十年來，受全球氣溫變暖的影響，青藏高原冰川基本上呈退縮狀態[5]，位于青藏高原東北部的哈拉湖流域也響應了這種變化趨勢。已有的研究表明，2000—2015年哈拉湖流域冰川虧損量為(6.9±2.0)×108m3水當量，但冰川虧損加速趨勢不明顯[16]。冰川消融，將會補給河流徑流，使得湖泊面積增大。因此，表明冰川融水可能是引起哈拉湖面積擴張的部分原因，但并非是主要原因。

4 結論與討論

利用1986—2019年多源衛星資料，對哈拉湖進行了長時間序列的動態監測，并對其影響因素進行了分析，主要結論如下。

a)1980s至2010s哈拉湖面積呈先減小后增大趨勢，90年代年平均面積最小，2010年以來哈拉湖年平均面積最大；1986—2019年哈拉湖面積呈先減小后增大的趨勢，且2017年以來面積擴大顯著；近3年年內變化結果，1—12月湖泊面積呈先減小后增大趨勢。

b)哈拉湖湖岸線變化分析表明：變化最明顯的區域位于哈拉湖的東南部和西南部，東南部最大擴張距離為2.17 km，西南部的擴張雖不及東南部，但最大擴張距離也有1.53 km。

c)近57年，哈拉湖周邊地區氣候呈現氣溫升高、降水增加的暖濕化趨勢。其中氣溫增溫速率為0.4℃/(10a)，降水增加速率為19.3 mm/(10a)。

d)氣候暖濕化導致的降水增加和冰川融化，特別近3年以來降水顯著增多是導致哈拉湖面積增大的主要原因。

哈拉湖是受人為影響較少的干旱區湖泊，湖泊面積的變化是氣候變化背景下的自然演化過程，其變化主要受氣候、冰川、冰川徑流和湖面蒸發等因素的影響。但由于哈拉湖地區缺少氣象數據，因此本文只從氣溫、降水及冰川融水3個方面來探討湖泊變化成因，結論具有一定的局限性，但可供參考。后續研究中還需進一步深入探討除氣溫、降水以外的蒸發、風速等因素，以期全面分析哈拉湖面積的時空動態變化特征。