藏西北高原郭扎錯湖泊面積變化與氣候響應分析

張偉華 德吉央宗 平措旺丹 李榮

摘要：高原內陸湖泊以其對氣候變化敏感的指示作用，常用于分析區域氣候變化趨勢，為氣候預報預測、生態氣象服務等提供科學的數據支持。筆者基于1975年郭扎錯地形圖、1992—2018年TM/ETM+和GF1-WFV等衛星遙感影像資料，對郭扎錯湖泊信息進行提取，并分析該湖近40年時空異質性以及面積變化與氣候響應之間的關系，主要得出以下結論：（1）40年來郭扎錯湖泊面積波動式萎縮，萎縮了3.22km2，萎縮率為1.30%，其中2006—2019年間萎縮最為明顯，從空間上來看主要變化區域在甜水河和崇測河入湖口處；（2）湖泊面積和年平均氣溫變化綜合反映出20世紀90年代以前該區域氣候趨勢表現為暖濕化，隨后趨于暖干化；（3）年平均氣溫是湖泊萎縮的主要影響因素，年平均降水量滯后性影響冰川，從而間接作用于湖泊面積變化，年平均蒸發量對湖泊面積劇變響應較為明顯。

關鍵詞：多源衛星資料；郭扎錯；氣候變化；遙感；氣候響應；高原湖泊

中圖分類號：P467文獻標志碼：A論文編號：cjas20191200314

Climate Response for Gozhacuo Area Change in Northwest Tibetan Plateau

Zhang Weihua1，2， Deji Yangzong1，2， Pingcuo Wangdan1，2， Li Rong3

（1Lhasa Branch of Chengdu Institute of Plateau Meteorology， CMA， Lhasa 850000， Tibet， China；

2Climate Centre of Tibet Autonomous Region， Lhasa 850000， Tibet， China； 3Agricultural Technology Extension Service Center of Tibet Autonomous Region， Lhasa 850000， Tibet， China）

Abstract： Plateau inland lakes， as an indicator of their sensitivity to climate change， are often used to analyze the trend of climate change in this region， providing scientific data support for climate prediction and ecological meteorological services. Based on the 1975 Guozhacuo topographic map， TM/ETM + in 1992 to 2018 and satellite remote sensing image data， the spatial and temporal heterogeneity in recent 40 years and the lake area with climate response were analyzed. The results showed that （1） Guozhacuo area was shrinking in a fluctuant way， by 3.22 km2with the rate of 1.30%， and the shrinking area mainly located in the outlet of Tianshui River and Chongce River； （2） the change of lake area and annual average temperature comprehensively reflected that the climate trend of the region before the 1990s was warm and wet， then changed to warm and dry； （3） the annual average temperature was the main influencing factor for the shrinking of the lake， the hysteresis of the annual average precipitation affected the glacier， and then indirectly influenced the lake area， and the annual average evaporation change responded obviously to the significant variation of the lake area.

Keywords：Multi-sourceSatelliteData；Guozhacuo；ClimateChange；RemoteSense；ClimateResponse；PlateauLake

0引言

湖泊作為陸地水圈中重要的組成部分之一，具有調節河川徑流、防洪減災、繁衍水生動植物、改善區域生態環境的功能[1]。青藏高原內陸湖泊是中國周邊區域乃至全球氣候變化指示器[2]，氣候因子對其時空動態格局變化響應顯著[3]。尤其是隨著全球氣候變暖，對脆弱的青藏高原湖泊生態系統影響明顯，湖泊的水位、面積、水量、水質以及高原濕地生態系統的時空格局、動植物群落特征等已成為全球關注的熱點[4]。

青藏高原氣候寒冷而干燥，晝夜溫差大，湖泊群多發育在一些與山脈平行的山間盆地或巨型谷地之間，大多數湖泊因歷次造山運動、地層斷裂形成[5]，少數中小型湖泊受晚近地質時期河流溯源侵蝕與切割形成[1]。近幾十年來，全球變暖趨勢明顯，青藏高原冰川萎縮加劇，為眾多高原湖泊提供了充分的水源補給，德吉央宗、閆麗娟等[6-8]眾多專家認為除拉昂錯、佩枯錯等少數湖泊以外絕大多數的高原湖泊面積整體呈增漲趨勢；馬穎釗[9]認為降水是納木錯湖泊面積擴張的直接原因，且該地區蒸發能力逐年下降；向靈芝[10]分析了波密冰川萎縮原因，認為氣溫上升是其主要原因；勾鵬[11]通過研究納木錯湖冰時空異質性，得出2000—2013年間，湖冰消融期天數平均每年縮短3.1天；聶寧[12]通過研究雅魯藏布江流域的冰川，得出1976—2005年間流域內的大型海洋型冰川沒有明顯的進退痕跡；陳飛[13]通過研究冰雪消融特性，發現2000—2010年間氣候變暖、溫度上升引起寒區冰雪消融加劇；朱美林[14]基于GIS估算了納木錯地區扎當冰川的冰儲量；徐曉明[15]發現青藏高原凍土區活動層厚度呈增大趨勢；吳艷紅[16]基于多年影像資料發現同處藏西南的佩枯錯面積在縮減，而瑪旁雍錯和拉昂錯均有所增加；張國慶[17]對青藏高原大于1 km2的湖泊數量與面積變化研究發現，1970—1990年間湖泊數量和面積略有減少，隨后明顯增加，且湖水升溫和降溫（加快的冰川融化冷水補給）都受氣候變暖影響；朱大崗[18]認為1982—2007年間青藏高原河流變化不明顯，天然湖泊變化較大；李蒙[19]指出量化識別高原內流湖泊水域面積和蓄水量變化可直觀反映封閉湖盆區內水循環過程的氣候響應；張博[20]對黃河上游的扎陵湖、鄂陵湖分析認為1976—2006年間氣候向暖干方向發展直接影響了兩湖水面面積；張瑞紅等[21]指出青藏高原的湖泊擴張、濕地減少等現象對高原、下游及周邊地區的生態系統健康程度影響顯著，其引發的次生災害對人類生命財產構成了威脅。郭扎錯屬典型的構造湖，控制其形成的郭扎錯走滑斷裂對青藏高原向東的擠出起到重要調節作用[22-24]，也對郭扎錯空間動態格局有一定影響。

筆者基于RS/GIS技術，利用郭扎錯地區的1975年地形圖、1992—2018年TM/ETM+以及高分系列衛星遙感資料，對郭扎錯湖泊范圍信息提取，探討1975—2018年近40年郭扎錯湖泊變化、空間范圍變化，并分析了氣候因子對湖泊面積的影響，總結了該區域氣候發展趨勢。

1研究區概況

郭扎錯（80°55′—81°15′E，34°58′—35°5′N）又名里田湖、明亮湖（圖1），位于西藏西北日土縣北部，西昆侖山山間盆地內，目前為封閉湖盆，在全新世以前湖水向西流入僅以低緩崗地相隔的阿克賽欽湖[25]。湖區屬昆侖高寒半荒漠、荒漠干旱氣候，平均氣溫-0.8～-6.0℃，年降水量75～100 mm。集水面積2369.4 km2，補給系數9.4。湖水主要依賴冰雪融水補給，集水域內分布現代冰川62條，冰雪覆蓋面積544.34 km2，水源豐富[1]。

2資料來源與研究方法

2.1資料來源

鑒于郭扎錯流域面積較大，氣象站點稀少，所以氣象資料選取距該湖較近的獅泉河和改則氣象站資料。氣象資料由西藏自治區信息網絡中心提供，資料年限從1970—2018年的常規氣象要素，包括氣溫、降水量、蒸發量與氣候變化密切相關的要素。

郭扎錯湖泊數據主要通過地形圖和影像資料獲取，其中1975年來源于1：10萬區域地形圖資料，1992—2018年數據基于MSS、TM/ETM+、OLI以及GF1-WFV2衛星遙感資料信息提取獲得（表1）。地形數據采用日本METI和美國NASA聯合研制的ASTER GDEMV2數據（空間分辨率30 m）。

2.2數據處理與方法

2.2.1湖泊面積提取選取的1992—2018年衛星遙感影像資料均為晴空數據，時相盡量控制在9—12月湖泊面積相對穩定的時期，利用ENVI/IDL對遙感影像進行大氣校正、影像融合（圖2），并以1975年郭扎錯區域地形圖為參考底圖，通過添加控制點進行影像正射處理，誤差控制在1個像元以內，完成影像增強等預處理。其中輸出影像坐標統一采用Beijing 1954 GK Zone 13N，格式均為GeoTiff圖像格式（2003年以后的ETM資料進行了條帶修復）。

湖泊空間范圍信息提取主要采用水體指數閾值分割和種子增長法相結合的混合方法，對于冰凍區域目視解譯插補，確保湖泊邊界信息位置的精準性，在ArcMap中計算湖泊水體面積[26-27]（圖2）。

3湖泊面積變化分析

3.1湖泊面積變化趨勢分析

利用地形圖、TM/ETM+、OLI和GF1-WFV2衛星遙感影像資料提取1975—2018年郭扎錯湖泊水域面積，結果顯示近40年來湖泊水域面積呈波動式下降趨勢（R2=0.39，P<0.001），總體面積萎縮了3.22 km2，萎縮率為1.30%。水域面積波動具體表現在1975—1992年17年間增加了3.36 km2，增長率為1.34%，1994—1999年增加了4.74 km2，增長率為1.89%，2009—2012年增加了3.17 km2，增長率為1.28%，1999—2004年間湖泊面積減少了2.9 km2，萎縮率為1.16%，2006—2009年間減少了6.41 km2，萎縮率為2.56%。其中2005年湖泊面積達到最大值250.52 km2，2009年湖泊面積縮到最小244.11 km2，二者相差11.41 km2，而且其中1994—1999年間增長最為顯著，2006—2009年間下降趨勢最為顯著（圖3）。

3.2湖泊空間異質性分析

西昆侖南坡的郭扎錯地區是目前已觀測到的青藏高原氣溫最低處[29]，郭扎錯周圍是基巖山坡，湖岸階地不發育，湖下岸坡陡峻[30]。通過地形圖、衛星影像資料提取的該湖水域范圍分析得知，1975—2018年間在北部（I）、東北部（II）和南部（III）邊緣處水域范圍變化較為明顯（圖4），其余地區受基巖山坡及階地不發育影響無變化，其中I處2000年左右萎縮明顯，其次在2010年間有效部分區域湖泊面積萎縮；II處是郭扎錯面積變化最為顯著的區域，也是在2001—2004年間明顯減少；III處主要在2012—2014年萎縮明顯。

4郭扎錯氣候變化分析

西昆侖山脈南坡的郭扎錯自然環境惡劣，交通不便，氣候分析采用距離較近，氣候類型基本相似，并且時間序列較長的獅泉河站和改則氣象站資料進行分析[31]。20世紀80年代以來，郭扎錯地區年平均氣溫逐步上升，尤其是20世紀90年代以來升溫顯著；年平均降水量上升緩慢，20世紀90年代年際變化幅度較小；年平均蒸發量帶有不明顯的周期性增減波動，大概13年左右為一周期。

4.1年平均氣溫

郭扎錯的氣象站資料分析表明，1971—2018年該流域地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢，平均每10年升高0.55℃（圖5）。20世紀70年代至90年代以氣溫偏低為主，進入21世紀后，氣溫升溫較快。2000—2018年平均氣溫為1.60℃，較常年值（1981—2010年）偏高0.9℃。2016年氣溫最高值為3.0℃，較常年值偏高2.3℃。1997年平均氣溫為-1.2℃，為48年最低值，較常年值偏低-0.5℃。

4.2年降水量

年降水量變化（圖6）來看，自1970年以來降水量年際變化波動較大，總體上呈增加趨勢，平均每10年增加9.84 mm，其中2017年平均降水量最高，為251.6 mm，較常年（1981—2010年）平均值高132.8 mm。1982年平均降水量最低，為52.9 mm，較常年平均值低65.9 mm。20世紀70年代—80年代末以降水量偏低為主，20世紀90年代以來，降水量逐步增加，流域降水以正距平居多，占51.61%，這反映出湖泊水量從降水變化中得到了一些補給。

4.3年蒸發量

年蒸發量變化（圖7）來看，自1970年以來蒸發量年際變化波動較大，總體上呈弱的減少趨勢，平均每10年減少2.22 mm，其中1996年平均蒸發量最高，為2652.1 mm，較常年（1981—2010年）平均值高246.9 mm。2000年平均降水量最低，為2096.7 mm，較常年平均值低309 mm。20世紀70年代至今蒸發量以偏低為主，流域蒸發以負距平為主。

5結論與討論

筆者根據郭扎錯地區1975—2018年的地形圖和Landsat TM/ETM+以及高分衛星等資料，對近40年郭扎錯湖泊時空異質性和面積變化與氣候響應關系研究，得出以下結論：

（1）對郭扎錯地區氣候分析得出，溫度是該區域氣候變化最顯著的氣象因子，溫度持續上升引起西昆侖東側山脈的崇測冰川融化，為該構造湖提供了充足的水源補給，降水對湖泊水量有一定補充作用，但蒸發遠遠大于降水量。

（2）郭扎錯湖岸階地不發育，周圍多為基巖山坡，湖泊空間變化主要集中在補給河流入湖口，20世紀90年代以前該地區氣候暖濕化，甜水河和崇測河水源充足，入湖口水位上升，湖泊面積相對增大；20世紀90年代以后該地區氣候暖干化明顯，入湖口水位下降，湖泊相對萎縮。

（3）氣溫逐漸上升，導致該地區蒸發年際變化增大，北側冰川積雪海拔過高，冰川區不論白天還是夜晚近地表均存在逆溫層，層結穩定[32]，冰川融水變化不明顯，是導致該湖波動式萎縮的主要原因，降水對北側冰川影響較大，間接作用于該地區的氣候變化，是湖泊面積變化的次要原因。

綜上所述，郭扎錯湖泊面積波動性萎縮，反映出該區域在全球變暖趨勢下，干濕化以20世紀90年代為分界點，90年代以前表現為暖濕化，溫度相對較低，冰雪融水補給較好，湖泊面積增加；90年代降水趨于平緩，溫度持續增加，冰雪進一步融化，湖泊面積也在增大；但進入21世紀，冰雪融水減少，湖泊水源補給不足，入湖口水位下降，湖泊面積減少，該地區氣候暖干化趨勢明顯[33]。隨著全球氣候變化異常，該區域的湖泊時空異質性仍是研究的焦點。

參考文獻

[1]王蘇民，竇鴻身.中國湖泊志[M].北京：科學出版社，1998.

[2]潘保田，李吉均.青藏高原—全球氣候變化的驅動機與放大器[J].蘭州大學學報：自然科學版，1996.32（1）：105-108.

[3]閭利，張廷斌，易桂花，等.2000年以來青藏高原湖泊面積變化與氣候要素的響應關系[J].湖泊科學，2019，31（2）：573-589.

[4]辛曉冬，姚檀棟，葉慶華，等.1980—2005年藏東南然烏湖流域冰川湖泊變化研究[J].冰川凍土，2009，31（1）：19-26.

[5]宋善永，王鵬祥.西藏氣候[M].北京：氣象出版社.2013.

[6]德吉央宗，強巴歐珠，白瑪央宗，等.西藏納木錯湖泊面積變化對氣候變化的響應[J].河南科技，2019（10）：133-136.

[7]閆立娟，鄭綿平，魏樂軍.近40年來青藏高原湖泊變遷及其對氣候變化的響應[J].地學前緣，2016，23（4）：310-323.

[8]梁斌，齊實，李智勇，等.青藏高原湖泊面積動態變化及其對氣候變化的響應[J].山地學報，2018，36（2）：206-216.

[9]馬穎釗，易朝路，吳家章，等.1970—2009年納木錯湖泊面積擴張的遙感衛星觀測證據及原因之商榷[J].冰川凍土，2012，34（1）：81-88.

[10]向靈芝，劉志紅，柳錦寶，等.1980—2010年西藏波密地區典型冰川變化特征及其對氣候變化的響應[J].冰川凍土，2013，35（3）：593-600.

[11]勾鵬，葉慶華，魏秋方.2000—2013年西藏納木錯湖冰變化及其影響因素[J].地理科學進展，2015，34（10）：1241-1249.

[12]聶寧，張智杰，張萬昌，等.近30a來雅魯藏布江流域冰川系統特征遙感研究及典型冰川變化分析[J].冰川凍土，2013，35（3）：541-552.

[13]陳飛，蔡強國，鄭明國，等.納木錯流域冰雪消融特性研究及融水量估算[J].山地學報，2015，33（04）：465-472.

[14]朱美林，姚檀棟，楊威，等.念青唐古拉山扎當冰川冰儲量估算及冰下地形特征分析[J].冰川凍土，2014，36（2）：268-277.

[15]徐曉明，吳青柏，張中瓊.青藏高原多年凍土活動層厚度對氣候變化的響應[J].冰川凍土，2017，39（01）：1-8.

[16]Yanhong Wu，Xin Zhang，Hongxing Zheng.Investigating changes in lake systems in the south-central Tibetan Plateau with multi-source remote sensing[J].Journal of Geographical Sciences，2017，27（3）：337- 347.

[17]Zhang Guoqing， Yao Tandong， Xie Hongjie， et al. Estimating surface temperature changes of lakes in the Tibetan Plateau using MODISLSTdata[J].JournalofGeophysicalResearch： Atmospheres，2014，119（14）.

[18]朱大崗，孟憲剛，鄭達興，等.青藏高原近25年來河流、湖泊的變遷及其影響因素[J].地質通報，2007（1）：22-30.

[19]李蒙，嚴登華，劉少華，等.近40年來納木錯水面面積及蓄水量變化特征[J].水電能源科學，2017，35（2）：41-43，52.

[20]張博，秦其明，孫永軍，等.扎陵湖鄂陵湖近三十年變化的遙感監測與分析[J].測繪科學，2010，35（4）：54-56.

[21]張瑞江，方洪賓，趙福岳.青藏高原近30年來現代冰川的演化特征[J].國土資源遙感，2010，22（s1）：49-53.

[22]CHEVALIER Marie-Luce.青藏高原西部喀喇昆侖斷裂活動構造研究進展綜述（英文）[J].地球學報，2019，40（1）：37-54.

[23]李志海，馬宏生，曲延軍.2008年3月21日新疆于田7.3級地震發震構造與震前地震活動特征研究[J].中國地震，2009，25（2）：199-205.

[24]魯如魁，張國偉，鐘華明，等.從郭扎錯斷裂構造特征探討阿爾金斷裂帶西延問題[J].中國地質，2007（2）：229-239.

[25]王富葆，曹瓊英，劉福濤.西昆侖山南麓湖泊和水系的近期變化[J].第四紀研究，1990（4）：316-325.

[26]梁丁丁.1975—2010青藏高原湖泊面積變化及對氣候變化的響應[D].北京：中國地質大學，2016.

[27]關元秀，王學恭，郭濤，等.eCognition基于對象影像分析教程[M].北京：科學出版社，2019.

[28]德吉央宗，尼瑪吉，強巴歐珠，等.近40年西藏色林錯流域湖泊面積變化及影響因素分析[J].高原山地氣象研究，2018，38（2）：35-41，96.

[29]焦克勤，姚檀棟，李世杰.西昆侖山32ka來的冰川與環境演變[J].冰川凍土，2000（3）：250-256.

[30]李世杰，鄭本興，焦克勤.西昆侖山南坡湖相沉積和湖泊演化的初步研究[J].地理科學，1991（4）：306-314，391.

[31]紀鵬，郭華東，張露.基于Landsat數據的郭扎錯北面冰川近20年來面積動態變化遙感研究[J].遙感技術與應用，2011，26（2）：202-208.

[32]康興成.冰川作用區的溫度及其特征[J].地理學報，1993（2）：152-160.

[33]姜永見，李世杰，沈德福，等.青藏高原近40年來氣候變化特征及湖泊環境響應[J].地理科學，2012，32（12）：1503-1512.