近30年青藏高原可可西里鹽湖面積動態變化及其影響因素分析

郭子瑛,廖中平,劉寶康,徐正東,劉 銘

(1. 長沙理工大學交通運輸工程學院,湖南 長沙 410004; 2. 天水師范學院資源與環境工程學院,甘肅 天水 741000)

青藏高原湖泊是全球氣候變化的敏感指示器。處于青藏高原腹地的青海可可西里,由于地勢極高,氣候干冷,自然環境惡劣,人類活動較少[1],因此湖泊的擴張與萎縮可以直接反映出全球氣候變化。對湖泊的長期監測也可以直接促進青藏高原水循環及全球水循環研究。

近年來,許多學者依靠遙感手段對難以獲得實測數據的青藏高原地區的湖泊進行研究。如文獻[2]利用衛星影像,對青藏高原近30年的湖泊變化進行清查和跟蹤;文獻[3]提出一種綜合多種水體指數的青藏高原水體提取方法,從時空變化趨勢上分析了青藏高原湖泊面積動態變化;文獻[4]初步探查青藏高原的湖泊數量、面積及水位變化,研究時空格局和湖泊變化對氣候的響應。基于此,很多學者研究探討了青藏高原地區湖泊變化的影響因素,如文獻[5]從植被覆蓋度和氣候的角度分析了近30年青藏高原湖泊面積變化;文獻[6]認為降水量是青藏高原湖泊面積變化的主要驅動因子;文獻[7]分析了可可西里地區湖泊動態變化主要與氣候變化有關。在眾多湖泊中,鹽湖的擴張也得到很多研究者的關注。文獻[8]從水量平衡角度分析出鹽湖擴張的主要成因是區域降雨量顯著持續增加,其次是氣溫升高消融水量增加;文獻[9]指出氣候暖濕化和卓乃湖潰堤是其面積增大的主要原因。

2011年9月卓乃湖發生潰堤[10-11],導致鹽湖面積迅速擴張,鹽湖的擴張不僅吞噬周邊的草地植被,并且逐漸融化、軟化流經的凍土,對青藏鐵路和青藏公路的正常運行產生干擾。自2020年可可西里鹽湖的引流工程[12]完工后,鹽湖面積的急速擴張得到有效遏制。但運用多源衛星資料對鹽湖進行連續、長期的監測與研究仍然是工作重點[13]。

本文以可可西里鹽湖為研究對象,針對引流前后的面積變化進行統計分析,并從氣候和冰川融水的角度分析其影響因素,以期對長江上游的環境保護和青藏鐵路、青藏公路的安全保障提供理論依據[14],為湖泊水體的長期監測與研究提供決策支持。

1 研究數據及預處理

1.1 研究區概況

可可西里鹽湖又稱68道班鹽湖,位于青海省玉樹藏族自治州治多縣西部、昆侖山脈南側,可可西里國家級自然保護區東北部。鹽湖地處可可西里腹地,平均海拔在4400 m以上,為昆侖山南部新生代山間構造斷陷盆地中的次一級封閉洼地。鹽湖西北部自西向東依次為卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖,4個湖泊均為內流湖,原來相對封閉且獨立,降水時四周河流匯入各自湖區進行蒸發消耗。自2011年9月卓乃湖發生潰決后,4個湖泊建立了水力聯系[15-16],外泄水自西向東流經庫賽湖和海丁諾爾湖,最后集中匯入鹽湖。

1.2 數據來源

本文所采用的Landsat數據源于美國地質勘探局(United States Geological Survey, USGS),采集的數據為30 m分辨率的Landsat 5和Landsat 7數據。高分一號來源于中國資源衛星應用中心陸地觀測衛星數據服務平臺,采集的數據是空間分辨率為16 m的寬幅相機(WFV)傳感器影像。

2 研究方法

2.1 研究路線

以青海青藏高原腹地中可可西里鹽湖為研究區域,首先運用多源遙感監測手段對近30年來鹽湖面積的變化進行監測,并分析湖泊面積變化規律和特點,建立1990—2021年的年際變化曲線;然后分析湖岸線的歷年變化,建立相關變化關系;最后結合湖泊面積和湖岸線變化,分析鹽湖面積變化的成因,建立影響因素與面積變化的相對動態關系并進行相關性分析,為可可西里鹽湖面積的監測提供決策支持。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

2.2 水體提取

為更好地突出水體,選取基于歸一化水體指數(normalized difference water index,NDWI)[17-18]進行水體提取,計算公式為

(1)

式中,ρGreen為綠光波段;ρNIR為近紅外波段。基于式(1)通過波段組合進行水體提取。

3 結果與分析

3.1 鹽湖面積動態變化特征

經過對數據進行水體自動提取與目視解譯,統計分析出近30年鹽湖年際面積動態變化,如表1和圖2所示。

表1 不同時段的面積增長變化

圖2 1990—2021年鹽湖年際面積變化

由表1和圖2可知,1990—2020年,可可西里鹽湖的面積增大了178.535 km2,變化速率為15.1%,并于2020年達到216 km2。第1時段的1990—2011年鹽湖面積總體趨于穩定,22年間變化不大。之后由于2011年9月卓乃湖發生潰決,第2時段鹽湖面積顯著增大,由2011年的45.2 km2擴大至2013年的141.77 km2,3年間面積擴張了96.57 km2。第3時段自2013—2017年鹽湖面積緩慢增長,5年間面積增長20.048 km2。而第4時段自2017—2020年,相對于第3時段則迅速增長,并且已經突破了200 km2,2020年針對可可西里鹽湖的引流工程完工后,鹽湖面積得到有效控制,并于2021年面積下降為191.145 km2。

3.2 鹽湖湖岸線變化特征

如圖3所示,1990—1995年鹽湖面積有所減小,鹽湖湖岸線在西北方向與西南方向有所縮小;自1995年后,由于鹽湖面積開始以不同速率增大,因此鹽湖湖岸線也在發生變化。其中,2010—2012年湖岸線變化尤為明顯,湖岸線在東南部和西南部顯著向外擴張;2012—2015年,在東南部又一次向外擴張;2015—2020年,鹽湖的湖岸線開始穩步擴張,而且最大的變化是鹽湖東部由以前伸入湖中央的半島變為孤島。

圖3 1990—2020年鹽湖湖岸線變化

3.3 湖泊面積的變化成因分析

3.3.1 氣候影響因素

根據青海省氣象數據網中五道梁站點氣象數據,分別統計了1990—2020年五道梁站點的降水量、氣溫和日照時長等數據。

由圖4可知,近30年來可可西里地區年平均氣溫呈不斷上升趨勢,以0.03℃/a的速度上升;年平均最高氣溫以0.05℃/a的速度上升,年平均最低氣溫以-0.07℃/a的速度上升,并且自2008年以來,年平均氣溫值都大于多年平均氣溫值。由圖5可知,30年來可可西里地區年日照時長波動較大,1990—2020年以22.71 h/a的速率減少,由1990年的3049.9 h減小到2020年的2346.1 h。而近30年來降水量總體呈不斷增大趨勢,1990—2020年以不同速率增大,由1990年的247.1 mm到2020年的427.8 mm,尤其是2015年以51.7 mm/a的速率迅速增大,并且于2018年降水量達到近30年最大值(495.7 mm)。

圖4 1990—2020年氣溫年際變化曲線

圖5 1990—2020年降水-日照時長變化曲線

3.3.2 冰川融水影響因素

通過提取1990、2000、2010—2020年的冰川數據,并結合全國第二次冰川編目[19],分析得出該流域的冰川面積。如圖6所示,自1990—2020年,鹽湖流域的冰川面積增多12.888 km2,并且在研究時序內波動幅度較大。

圖6 1990—2020年冰川面積變化曲線

3.3.3 相關性分析

通過分析氣候因子和冰川融水與鹽湖面積的相關性(見表2),可知鹽湖的面積與降水的相關性為0.405,通過了0.05顯著性相關關系;面積與氣溫的相關性為0.563,通過了0.01顯著性相關關系;鹽湖的面積與日照時長的相關性為0.08,呈弱相關關系;與冰川融水的相關性為0.299,呈弱相關關系。

表2 相關性分析

4 結 論

(1)分析得出鹽湖的面積共經歷了4個時期:緩慢增大(1990—2011年)、急劇增大(2011—2013年)、穩定增大(2013—2017年)、快速增大(2017—2020年)。自1990—2020年近30年鹽湖的面積增大了178.535 km2,變化速率為15.1%,并于2020年達到了216 km2。

(2)自2020年可可西里鹽湖的引流工程完工后,其面積在2021年縮小至191.145 km2,鹽湖面積得到了有效的遏制。

(3)鹽湖湖岸線也有所變化,在1990—1995年,鹽湖湖岸線在西北方向與西南方向有所縮小,自1995年后,鹽湖湖岸線開始有所擴張,以2012年尤為明顯,在東南部和西南部有著顯著的向外擴張,2012年之后,鹽湖湖岸線開始穩步擴張,而且最大的變化是鹽湖東部由以前伸入湖中央的半島變為孤島。

(4)針對鹽湖擴張成因從氣候因子和冰川融水兩方面進行分析,得出面積與降水、氣溫呈顯著相關關系,與日照時長和冰川融水呈弱相關關系。

(5)鹽湖面積的迅速擴張雖然在2020年之后得到有效控制,但對其進行監測仍然具有重要意義。