多源衛星資料綜合監測黃河流域生態環境變化與天氣現象

文 | 周芳成 韓秀珍 唐世浩 耿維成 張曄萍 張志清

國家衛星氣象中心

一、前言

黃河發源于青海省巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地，成“幾”字形流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南、山東九個省（區），在山東省墾利縣注入渤海，干流全長5464km，流域面積79.6萬平方千米，是我國第二長河，世界第五長河。

黃河是中華民族的母親河，孕育了璀璨的中華文明。自古以來，黃河流域人類活動強度大、地貌單元復雜、生態系統類型多樣化以及區域氣候差異明顯等特點，使得黃河流域生態敏感區和脆弱區面積大、類型多、程度也比較深，水土流失嚴重，生態系統不穩定。

為了更好地保護黃河、服務黃河、發展黃河，國家衛星氣象中心針對黃河流域地勢高程、土地利用、土壤含水量、植被覆蓋、湖泊、大氣環境等多個生態環境要素，利用多源衛星資料開展了綜合監測，對黃河流域長時序生態環境變化以及短臨天氣現象進行了持續追蹤。

二、黃河流域地勢

黃河流域的地勢從西到東呈三級階梯下降趨勢。最高一級階梯位于黃河的源頭區，主要位于青海和四川，地處“世界屋脊”青藏高原的東北部，平均海拔4000m以上，最高點超過5100m。第二級階梯大致以太行山為東界，流經甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西等地區，海拔1000～2000m，包括河套平原、鄂爾多斯高原、黃土高原和汾渭盆地等較大的地貌單元。第三級階梯自太行山系以東直至渤海入海口，途經河南、山東，由黃河下游沖積平原和魯中丘陵組成，海拔一般在100m以下，最低處低于10m（圖1）。黃河干流巨大的高程差蘊藏了豐富的水力資源，自20世紀60年代以來，黃河流域陸續建設了三門峽、三盛公、青銅峽等十多座大型水利樞紐，承擔著灌溉、航運、發電、養殖、蓄洪、排凌、排沙、排污等重要作用。

圖1 黃河流域90m分辨率高程圖（單位：m）

三、黃河流域土地利用

黃河流域從東部濱海到西部源頭共跨越四個植被地帶：落葉闊葉林帶、草原帶、荒漠帶、青藏高原帶（圖2）。

圖2 黃河流域16m分辨率多通道合成圖（2019年）

根據中分辨率成像光譜儀生產的2019年黃河流域土地利用分類數據（圖3）可知，黃河流域主要土地利用類型是草地，約占全部流域面積的70.5%；其次是耕地，約占全部流域面積的20.6%，兩者占據了黃河流域全部面積的91.1%。其他土地利用類型如林地（5.3%）、城鎮工礦用地（0.9%）、未利用土地（2.3%）、水域（0.4%）占比相對較小。

圖3 黃河流域土地利用圖（2019年）

四、黃河流域生態環境變化

利用2007-2019年的氣象衛星土壤干旱指數產品、植被指數產品和大氣氣溶膠光學厚度產品對黃河流域進行了土壤含水量、植被覆蓋度和大氣環境質量的遙感監測，并構建了生態環境質量評價模型，對黃河流域的生態環境狀況進行了評估，評估結果顯示：黃河流域生態環境質量呈逐年向好發展趨勢，主要表現在以下幾個方面：

一是上游水源涵養能力穩定提升（圖4）。衛星遙感監測的土壤干旱指數（與土壤濕度呈負相關，其值越低，表明土壤含水量越高）顯示，黃河上游土壤含水量與歷史值相比呈上升趨勢，2019年黃河上游土壤含水量達到近年最高，較2007-2014年歷史平均值提高9.2%。

圖4 黃河流域植被垂直干旱指數分布圖

二是中游植被覆蓋明顯提升（圖5）。近5年黃河流域的植被指數與2007-2014年平均值相比呈明顯上升趨勢，特別是中游地區，2018年達到最高，較2007-2014年平均值提高9.7%；2019年略有回落，較2007-2014年平均值提高8.1%。

圖5 黃河流域植被指數分布圖

三是下游空氣質量明顯改善（圖6）。自2013年以來黃河流域的氣溶膠光學厚度顯著下降，下游的河南和山東地區在2019年氣溶膠光學厚度較2007-2014年平均值降低了17.6%。

圖6 黃河流域氣溶膠光學厚度分布圖

四是黃河流域生態環境質量明顯提高（圖7）。參照環保部2015年頒發的《生態環境狀況評價技術規范》，利用遙感數據構建了遙感生態環境質量評價模型：植被指數、植被凈初級生產力和綠度指數，表征原標準中的生物豐度指數與植被覆蓋指數；垂直干旱指數，表征原標準中的土地脅迫指數；氣溶膠光學厚度，表征原標準中的污染負荷指數。通過主成分分析法計算了生態環境質量指數，并對計算出的生態環境質量指數進行了歸一化：其值0-0.2表征生態環境質量差，0.2-0.4表征生態環境質量較差，0.4-0.6表征生態環境質量合格，0.6-0.8表征生態環境質量良，0.8-1.0表征生態環境質量優。黃河流域生態環境質量為優良的面積占比從2007年的26.9%上升至2019年的39.8%；生態環境質量為較差的區域全部轉為合格及優良。與2007年相比，2019年生態環境質量較好的黃河流域南部地區持續向好，西北部地區生態環境質量明顯改善。

圖7 黃河流域生態環境質量指數分布圖

五、黃河短臨天氣現象監測

扎陵湖和鄂陵湖是黃河上游的大型湖泊（圖8），并稱為“黃河源頭姊妹湖”，除了對黃河源區徑流量有調蓄作用，兩湖還被列入國際重要濕地名錄，是寶貴的生物資源庫，魚類、鳥類、植物資源非常豐富。

圖8 扎陵湖與鄂陵湖16m分辨率多通道合成圖

利用風云三號D星250m真彩色影像可以清晰看到兩湖冰雪融化以及上游來水增加導致的兩湖面積增大過程。如圖9所示，2020年5月9日扎陵湖已基本融化，僅留東部小部分結冰區域，而鄂陵湖仍處于大面積結冰狀態，見圖9（a）；2020年6月23日兩湖已全部融化，此時兩湖面積相對較小，見圖9（b）；2020年8月2日，由于上游來水量增大，兩湖面積均有所增加，特別是鄂陵湖，其西南面河流入流處面積增大尤為明顯，見圖9（c）。

圖9 扎陵湖與鄂陵湖250m分辨率衛星影像圖

六、結束語

黃河流域生態保護和高質量發展是重大國家戰略，生態環境監測是環境保護的基礎，是生態文明建設的重要支撐。要貫徹新發展理念，遵循自然規律和客觀規律，統籌推進山水林田湖草沙綜合治理、系統治理、源頭治理，改善黃河流域生態環境，優化水資源配置，促進全流域高質量發展，改善人民群眾生活，保護傳承弘揚黃河文化，讓黃河成為造福人民的幸福河。

在對黃河流域的綜合監測方面，衛星遙感具有空間可視性好、監測范圍廣、重訪周期短、服務成本低等優勢，利用多源衛星資料綜合監測黃河流域生態環境變化以及短臨天氣現象，可實現對黃河流域主要生態系統災害的實時監測和早期預警，為黃河流域生態系統保護和修復提供更有針對性的氣象服務，貢獻氣象智慧和力量。