1973～2020年西藏昂拉仁錯流域湖泊及東部冰川對氣候變化的響應

白瑪央宗 ,拉 珍 ,扎西央宗

（1.西藏自治區氣候中心，拉薩 850000；2.西藏自治區遙感應用研究中心，拉薩 850000；3.高分西藏中心，拉薩 850000）

引言

青藏高原作為“亞洲水塔”，高原湖泊星羅棋布，蘊藏了豐富水資源，直接影響著中國乃至周邊其他亞洲國家近20億人口的生存環境。青藏高原擁有地球上面積最大的高原湖泊群，湖泊面積占全國的51.4%[1]，冰川面積占全國的11.52%，是亞洲一些主要河流的發源地。已有研究[2?8]表明，冰川對氣候變化的響應極為敏感，而降水和冰川融水作為高原湖泊水源的主要補給，使得高原湖泊也與氣候變化密切相關。近50a，青藏高原增溫幅度是全球平均增幅的2倍。在此氣候變化背景下，亞洲水塔的各組成要素勢必響應劇烈，其中冰川和湖泊的變化尤為顯著。相關研究指出，全球變暖已經導致青藏高原冰川積雪和湖泊水位等發生了顯著變化[9]，冰川大面積退縮和湖泊面積的變化改變了高原與地面的物質能量交換，而地面溫度的升高、蒸發增大和凍土退化等因素將導致青藏高原災害頻發[10]。因此，加強青藏高原湖泊、冰川動態觀測研究對于防災減災具有重要意義。

隨著遙感技術的發展，利用衛星資料分析湖泊及冰川動態變化的研究日趨成熟。針對青藏高原東部冰川與湖泊的研究較多[11?13]，而對條件惡劣的高原西部湖泊的研究相對較少。已有研究[14]表明，藏北羌塘高原湖泊面積呈現先萎縮后擴張的變化趨勢，藏東南湖泊面積出現明顯擴張，喜馬拉雅山脈北坡的羊卓雍錯及其流域內的空姆錯、沉錯和巴糾錯等湖泊面積呈緩慢下降趨勢，藏西南區域瑪旁雍錯流域的湖泊面積也在減少，岡底斯山北麓的高山深谷湖泊面積則保持相對穩定的狀態。昂拉仁錯作為藏西為數不多的大湖泊，它在全盛時期湖泊最大面積約為2872.4km2，湖面海拔最高為4862m，且包括仁青休布錯[15]。隨著昂拉仁錯湖水位不斷下降，湖面萎縮，現已分成昂拉仁錯和仁青休布錯兩個獨立的湖泊，這是青藏高原東部及其他地區不常見的，表明昂拉仁錯和仁青休布錯對氣候變化的響應可能更為敏感。目前已開展的相關研究主要集中在南部冰川與昂拉仁錯流域的分析，而南北走向的隆格仁山脈冰川緊挨昂拉仁錯，其變化極有可能與兩個湖泊演變密切相關。本文就是針對這一關鍵點，選取1973～2020年多種衛星探測數據和站點觀測資料，利用ENVI和ArcGIS軟件等新技術手段，研究昂拉仁錯和仁青休布錯兩大湖泊與東部隆格爾山脈冰川的時空演變特征及其與氣象要素的關系，不僅可以加深對青藏高原氣候變化事實的認識，還能為昂拉仁錯流域的防災減災提供決策參考。

1 研究區概況

昂拉仁錯和仁青休布錯位于仲巴縣境內（圖1），地處岡底斯山脈北麓，屬于構造凹陷而成的微咸水湖。其中，昂拉仁錯湖面積較大，且湖水以冰雪融水補給為主，入湖河流有阿毛藏布、甲布日阿藏布和峻藏布，是藏西地區為數不多的內陸湖泊。昂拉仁錯流域三面環山，東部為南北走向的隆格爾山脈[16]，海拔在5700～6000m，南部為喜馬拉雅山脈，距離相對較遠。

圖1 研究區地理位置

2 數據與方法

2.1 遙感數據來源及處理方法

選用1973～2020年空間分辨率16～30m的陸地資源Landsat TM/ETM衛星、GF1/WFV衛星數據以及ASTER G-DEM第二版空間分辨率30m的高程數據，其中2000年之前覆蓋研究區的影像數據較少，2000年以后的數據選取均進行了質優篩選。20世紀70年代選用的數據只有1973年，20世紀80年代只有1989年，20世紀90年代有1990、1991、1993和1999年數據；2000年以后每年都有覆蓋研究區的影像數據。1973～2012年選用的是空間分辨率30m的陸地資源Landsat TM/ETM系列衛星數據，2013年以后選用的是空間分辨率16m的高分一號（GF1/WFV）衛星數據。在時間尺度上影像數據選用湖泊較為穩定的9～11月為主的影像數據，冰川數據則選取春秋兩季的影像。其中對8景landsat7 ETM+影像進行了條帶修復。以1973年影像數據為基準進行配準、控制點不少于30個，RMS誤差控制在1個像素以內，所有25景影像都經過定標、矯正和鑲嵌等處理。

2.2 氣象數據

由于昂拉仁錯流域內仲巴站的氣象數據時間尺度較短，故本文選用距離較近且同一緯度的獅泉河、改則和普蘭3站1973～2020年的觀測資料，包括氣溫、降水量、蒸發量和地溫4要素，開展昂拉仁錯流域湖泊及東部冰川對氣候變化的響應分析。

2.3 湖泊、冰川面積信息的提取

利用ENVI和ArcGIS軟件，采用人機交互的形式提取了1973～2020年昂拉仁錯和仁青休布錯的湖面面積和流域東部隆格爾山脈的冰川面積信息。

2.4 湖泊水量變化分析

湖泊水量變化公式如下所示：

式中，s1、s2分別為湖泊在不同時期的面積，H為不同時期的湖面高程差，V為兩個時期的相對水量變化[17]。

2.5 湖泊面積動態度

以年平均變化來表征湖泊面積變化[18]，具體公式如下所示：

式中，K為研究區某一時段湖泊面積的動態度，b和a分別為某一時段研究初期和研究末期湖泊的面積，t為研究時段長度。

2.6 湖泊動態變化與補給系數

秦伯強[19]指出在穩定的氣候條件下，封閉流域湖泊變化與氣候要素的關系可表示為：

式中，AB為流域面積，AL是湖面面積，EL是湖面上的蒸發，PL為湖面降水，pB為流域內降水，γ為徑流系數。等式左邊為湖泊補給系數，右邊為氣候函數。在特定內流流域內，可以認定流域面積和徑流系數為常數，湖面降水和流域降水相等。

3 結果分析

3.1 湖泊面積時空變化特征

1973～2020年，昂拉仁錯與仁青休布錯湖面面積均呈波動式變化（圖2）。昂拉仁錯湖面面積總體上呈減少趨勢；1973年面積為512.86km2，2020年縮小至498.21km2，共減少了14.65km2，萎縮率為3.0%；2016年面積減少至最低，為489.45km2。仁青休布錯湖面面積總體上略有擴張；1973年面積為185.63km2，2020年面積為188.93km2，增加了3.3km2，擴張率為1.7%。兩大湖泊均在1973～2000年呈持續萎縮狀態，2001～2016年變化不大，2017～2019年呈擴張趨勢，2020年又開始萎縮。

圖2 1973～2020年兩大湖泊面積變化曲線（左縱坐標代表昂拉仁錯，右縱坐標代表仁青休布錯）

圖3給出了通過各期影像疊加分析獲取的1973～2020年兩大湖泊面積年代際空間變化特征。如圖3a所示，在空間分布上，昂拉仁錯湖面近48a來持續萎縮，其中西部萎縮幅度最大，尤其是西部入水口處最為明顯，其次是北部和東北部，再次是東南部；在時間變化上，1990～1999年萎縮幅度最大，2000～2010年湖面幾乎無變化，其中湖面西部入水口處在2010年稍有擴張，2011～2020年湖面東北部萎縮幅度最大。如圖3b所示，在空間分布上，仁青休布錯湖面近48a來在西部、北部和南部均有萎縮；在時間變化上，1990～1999年湖面西部萎縮幅度較大，其次是南部和東南部，2000～2010年湖面四周整體稍有擴張，2011～2020年湖面幾乎無變化。

圖3 兩大湖泊面積的年代際空間變化特征（a.昂拉仁錯，b.仁青休布錯）

3.2 湖泊面積與相對水量的變化

表1給出了昂拉仁錯湖面面積、湖面高程與相對水量。1973～2000年昂拉仁錯湖泊水量持續減少，2011～2020年水量有所增加。其中，1989～1993年湖泊水量減少最多，達111.19km3，表明該時段湖泊加速萎縮。

表1 1973～2020年昂拉仁錯湖泊面積與相對水量變化

表2給出了仁青休布錯湖面面積、湖面高程與相對水量。1973～1993年仁青休布錯湖泊水量持續減少，其中1989～1993年湖泊水量減少最大，達18.38km3，表明該時段湖泊加速萎縮。2001～2020年湖泊水量有所增加，其中2011～2020年增加幅度最大，達63.78km3。

表2 1973～2020年仁青休布錯湖泊面積與相對水量變化

3.3 湖泊動態補給系數與氣候敏感性

已有研究[20]表明，湖泊補給系數對于分析湖泊動態平衡具有重要作用。根據公式（3），補給系數越大，受入湖水量影響越大，湖面面積和水位變化越劇烈，則湖面對氣候反應就越敏感；反之亦然。結合張淑萍等[21]給出的湖泊流域數據結果，利用1973～2020年湖泊平均面積數據計算得到昂拉仁錯和仁青休布錯的補給系數分別為22.07和13.28，與鄭玉萍[22]依據2003～2009年數據計算的補給系數對比發現，昂拉仁錯補給系數增長0.01，仁青休布錯補給系數增長0.07，表明昂拉仁錯較仁青休布錯對氣候變化的響應更為敏感。

3.4 冰川面積時空變化特征

在時間變化（圖4）上，1973～2020年隆格爾山脈冰川面積顯著退縮，48a共退縮了102.11km2，平均速度為?2.13km2/a，退縮率為34.6%。2000年之前退縮幅度最大，平均速度為?9.69km2/a；2000～2009年退縮不明顯；2010～2020年稍有退縮，平均速度為?5.9km2/a。

圖4 1973～2020年隆格爾山脈冰川面積時間變化

在空間分布（圖5）上，隆格爾山脈冰川整體退縮，南部各冰川退縮最明顯，其次是北部部分和中部冰川。1973～1999年，冰川西南部和北部退縮最顯著，其次是中東部邊緣；2000～2009年，只有中部部分邊緣退縮明顯；2010～2020年，冰川整體稍有退縮，其中南部和中西部邊緣冰川退縮明顯。

圖5 1973～2020年隆格爾山脈冰川面積空間變化

3.5 不同海拔高度冰川面積變化

昂拉仁錯流域內東部和南部均有冰川，南部是岡底斯山脈的頂拉居日冰川和岡仁波齊峰冰川，其中東部冰川是隆格爾山脈冰川，且緊鄰昂拉仁錯流域。利用DEM數據研究海拔在5500～6700m以內該冰川的面積變化，以500m為間距分為三個等級即5500～6000m、6000～6500m及6500m以上，如表3所示。海拔5500～6000m的冰川占比隨年代逐漸減少，海拔6000～6500m的冰川占比隨年代增大，海拔6500m以上的冰川隨年代變化不明顯。

表3 不同海拔高度冰川面積占比情況

4 相關性分析

湖泊面積變化、冰川消融與降水氣溫有很好的相關性[23?28]。本文研究的兩大湖泊均屬內陸湖泊，其水量變化主要由周圍冰川消融和降水進行補給。為了研究湖泊和冰川面積與氣象因素之間的響應關系，圖6給出了4個氣象要素（氣溫、降水量、蒸發量、地溫）與昂拉仁錯、仁青休布錯湖面面積和隆格爾山脈冰川面積的相關分析結果。如圖所示，昂拉仁錯和仁青休布錯湖面面積均與地溫、降水和氣溫呈現較好的相關性。昂拉仁錯湖面面積與降水的相關性最高，通過了0.001水平的顯著性檢驗；其次是氣溫，通過了0.05水平的顯著性檢驗。仁青休布錯湖面面積與地溫、氣溫的相關性最好，均通過了0.001水平的顯著性檢驗。隆格爾山脈冰川面積與蒸發量的相關性最好，通過了0.0001水平的顯著性檢驗。

圖6 4個氣象要素與昂拉仁錯、仁青休布錯湖面面積和隆格爾山脈冰川面積的相關

5 結論與討論

本文選取1973～2020年多種衛星探測數據和站點觀測資料，利用ENVI和ArcGIS軟件，研究了昂拉仁錯和仁青休布錯兩大湖泊與東部隆格爾山脈冰川的時空演變特征及其與氣象要素的關系。主要結論如下：

（1）近48a來，昂拉仁錯湖面持續萎縮，其中西部萎縮幅度最大，尤其是西部入水口處最為明顯，其次是北部和東北部，再次是東南部；1990～1999年萎縮幅度最大，2000～2010年湖面幾乎無變化，其中湖面西部入水口處在2010年稍有擴張，2011～2020年湖面東北部萎縮幅度最大。近48a來，仁青休布錯湖面在西部、北部和南部均有萎縮；1990～1999年湖面西部萎縮幅度較大，其次是南部和東南部，2000～2010年湖面四周整體稍有擴張，2011～2020年湖面幾乎無變化。

（2）1973～2000年昂拉仁錯湖泊水量持續減少，2011～2020年水量有所增加；其中，1989～1993年湖泊水量減少最多，達111.19km3，表明該時段湖泊加速萎縮。1973～1993年仁青休布錯湖泊水量持續減少，其中1989～1993年湖泊水量減少最大，達18.38km3，表明該時段湖泊加速萎縮；2001～2020年湖泊水量有所增加，其中2011～2020年增加幅度最大，達63.78km3。

（3）1973～2020年，隆格爾山脈冰川整體萎縮，面積共退縮了102.11km2，尤其是南部冰川最為顯著；2000年之前的消融速度遠大于2000年之后的消融速度，2000～2009年消融不明顯，2010～2020年又稍有萎縮。隆格爾山脈冰川面積變化在不同海拔高度上存在差異，5500～6000m的冰川面積呈顯著減少趨勢，6000～6500m的冰川面積呈增長趨勢，6500m以上的冰川面積基本不變。

（4）昂拉仁錯湖面面積與降水的相關性最高，其次是氣溫；仁青休布錯湖面面積與地溫、氣溫的相關性最好；隆格爾山脈冰川面積與蒸發量的相關性最好，通過了0.0001水平的顯著性檢驗。