研究高寒高海拔地区湖泊冰情变化规律,不仅有利于当地社会经济发展和人民生产生活,对自然资源的规划开发和管理利用也具有较大影响,尤其是对冰冻期野外通行能力建设(包括边境地区的国防巡检巡查和当地民众的有效冰面通行)及解冻期的洪水灾害预测预报等具有重大意义^[1,2]。

作为冰冻圈研究的重要组成部分,湖泊冰情变化监测具有重大的科学研究价值和生产应用借鉴意义。作为气候变化的敏感指示剂,湖冰变化不但能够反映局地气象条件、水文环境以及地理地质条件等小尺度的变化,同时也能够反映全球变暖等大尺度的气候变化^[3]。近几十a的研究表明,全球大部分的湖泊冰冻期都在缩短,结冰时间逐渐后延而解冻时间不断提前,引发了跨学科、跨领域的一系列次生问题,包括生态环境变化、气候气象条件变化以及地质灾害等^[4,5]。早在1995年,陈贤章等^[6]就利用NOAA的AVHRR资料,通过1993—1994年度的湖冰监测,研究了年内及年际湖冰变化的气候响应。虽然该研究监测周期比较短,且受当时影像空间分辨率限制,但是对本领域类似科研工作的开展却起到了先导作用。作为全球变化监测的热点领域,西北高寒高海拔地区的湖泊冰情变化监测也开展了多项研究。王智颖等^[7]利用MODIS数据,采用阈值法提取湖冰物候,分析了2000—2015年间青藏高原湖冰物候的时空变化规律及其影响因素; 姚晓军等^[8]利用MODIS等遥感影像数据和气象资料,综合分析了2000—2010年间可可西里地区主要湖泊的冰情变化特征及其影响因素; 赵水霞等^[9]利用野外冰情观测及水文气象资料,结合遥感影像,开展了黄河什四份子弯道河冰生消及冰塞过程分析。但是这些监测地区一般都选择在交通相对便利、条件相对较好的青藏高原中东部以及周边地区,而对于青藏高原腹地,如阿里地区的调查却相对较少。本研究区正处在此地理条件艰险、野外工作不易开展的地区,充分发挥遥感的“千里眼”功效,利用多期遥感影像开展了班公湖地区冷季湖冰监测,以服务于边境地区冷季的国防巡检巡查和当地居民的湖面通行。

班公湖地区位于阿里高原西北部,北部为东喀喇昆仑山(也称阿里喀喇昆仑山),南部为冈底斯山西段,由于高海拔的地理条件,区内高山林立,冰川相对发育。该地区属于高寒气候区,极端低温可达-33.9 ℃,区内以大风天气最为显著,11月—次年5月为主要的风季,其中3—5月多大风(经常超过10级),7—8月为雨季,冬春季节降雪相对较少。受班公—东巧—怒江大断裂控制,本区湖泊较多,且大多为构造断陷湖,因此大多湖泊呈长条状,不少湖泊是国界或者区域分界线,位置险要; 另外,在高原地区的漫长冷季中结冰后的湖面经常作为重要的通行道路。研究区湖泊分布如图1所示,图中影像采用Landsat8 OLI数据,获取时间为2013年11月21日,经过波段假彩色合成及增强处理。

图1中面积大于1.0 km²的湖泊共13个,其中有3个研究价值较大,自北向南按编号顺序分别为:

1)班公湖(Pangong Lake)又名班公错,或称错木昂拉红波,位于研究区北部,为NW向延展的构造断陷湖。东西长约140 km,南北平均宽约4 km,湖泊向西延伸至克什米尔境内,湖水面积为604 km²,其中在我国境内为413 km²,湖面海拔为4 245 m。

2)斯潘古尔湖(Spanggur Lake),也称为曼冬错,位于班公山西南断陷盆地内,也属典型构造断陷湖。斯潘古尔湖主要靠东南部入湖的唐热曲补给,湖总体呈长条形,长约20 km, 宽约3 km,湖水面积为58 km²,湖面海拔为4 296 m。

3)莫里里湖(Moriri Lake),位于拉达克地区,湖面形状近似于平形四边形,长约24 km,宽约6 km,湖水面积为144 km²,湖面海拔为4 527 m。

当前传感器技术条件下,可用于湖冰监测的遥感数据源可谓琳琅满目。按照传感器的波谱划分,总体可分为可见光、红外和微波3种类型。红外遥感的大气影响较为复杂,且空间分辨率偏低。主动微波数据能穿透云层,昼夜成像,不受天气干扰,但时间周期长; 被动微波数据时间序列长,时间分辨率高,不受天气影响,但空间分辨率较低,存在较多混合像元。本研究区内除了班公湖比较大外,大部分湖泊均为中小型湖泊,即使是班公湖本身也是狭长型的湖泊,对于红外和微波遥感数据多个部位的水面宽度甚至没有达到一个像元大小。而可见光—近红外数据,尤其是Landsat8 OLI数据,相对较高的空间分辨非常适合监测中小型湖泊,且其时间分辨率为10~20 d,对于监测本研究区的湖冰变化是一个相对较好的选择。因此本研究基于Landsat8 卫星OLI传感器获得的遥感数据序列,开展班公湖地区冷季的湖泊冰情变化监测分析。将影像总体期次划分为13个时间序列,具体划分方案如表1所示,其中“1105”表示时间为11月5日。

为了提高研究精度,对于湖冰监测对象进行了若干约束,湖泊必须是常年比较稳定的湖泊,不但湖泊丰水期和枯水期的水面面积大小基本恒定,并且年际变化也相对较小。按此要求对研究区中的3个湖泊开展研究,其中班公湖由于面积较大,选择了湖内2个代表性区域(班公湖东西部最窄区域各1处)进行监测,西部最窄区域命名为Zone1区,东部最窄区域命名为Zone2区,有关4个湖泊(区域)的经纬度坐标、面积和高程等相关信息如表2所示。

采用2013年4月1日—2018年1月19日5 a间的遥感影像数据,首先进行数据融合及影像增强处理,为了突出冰水颜色对比,根据单波段信息熵和最佳指数分析^[10]结果采用了B7(R),B5(G),B4(B)假彩色组合方式,将多光谱数据和全色波段数据进行了波谱融合; 然后利用空间分辨率较高的地形数据,通过几何精纠正,完成不同期次影像地物间精确匹配。

利用湖冰和湖水在OLI遥感影像上的光谱特征差异,按照湖冰亮度等级,分别开展影像监督分类,采用最大似然法,逐像元对所属类型进行判别^[11],最终完成班公湖地区的各个湖泊(地区)的水面和冰面范围解译,然后对各个时相的湖冰所占面积比重进行统计,分析各湖的物候属性,主要包括冻结开始时间、完全冻结(封冻)时间、解冻开始时间和完全解冻时间,总结研究各个湖泊(区域)的冰情变化规律。其中冻结开始时间定义为湖面出现有2处或者2处以上结冰区域的时间; 解冻开始时间定义为不仅是湖冰开始融化,而且可以明显看到湖冰融化后出露有小块水面的时间。

下面仅以班公湖Zone1区为例对冷季湖冰监测结果进行详细说明,冷季湖冰年际动态变化如表3所示。表中“20131105”表示时间为2013年11月5日; 字母C代表影像云盖度过大,字母T代表由前后2个时相推测出的中间的可能时间; 斜体表示湖面冻结开始时间,粗体表示湖面封冻开始时间,斜体加下划线表示湖面解冻开始时间,粗体加下划线表示湖面完全解冻开始时间。

2013年11月5日班公湖Zone1区北岸沿岸线出现了宽窄不一的薄冰层条带(如图2(a)),影像色调表现为蓝灰色和灰白色。2013年11月21日影像出现2个主要变化,一是沿北岸线的薄冰层条带明显变宽,甚至在一些小的湖湾区域出现了整体冻结; 二是在南岸区域的部分湖湾内出现了蓝灰色薄冰。到2013年12月7日,影像显示北岸的条带状薄冰进一步变宽,南岸的湖冰也逐渐向北面伸展,在中部区域南北两岸湖冰连成一体。2013年12月23日连片的湖冰进一步冻结延展,同时湖冰颜色也从原来的蓝灰色向白色过渡,说明冰体在不断增厚。2014年1月24日影像显示Zone1区基本完全冻结(如图2(b))。总体而言,湖冰的冻结过程是从岸边溪流开始,再到湖岸边缘,最后到湖中心区域; 影像色调表现为以白色为主的浅色调区域渐次增多; 湖冰形状变化过程是从线形、条带状,逐渐向块状、片状过渡,最终湖区完全冻结。

2014年2月25日影像显示湖冰颜色变深,表明冰层变薄; 少量区域冰体发生融化,表明湖面开始解冻(如图2(c))。3月13日影像与2月25日对比变化甚微,表明湖冰解冻进展缓慢; 至3月29日,影像显示湖岸边多个区域露出深色水面,表明此段时间湖冰解冻速度加快; 4月14日湖面上冰水面积对比发生明显变化,湖冰解冻面积达到40%; 5月16日班公湖Zone1区完全解冻(如图2(d))。总体而言,解冻过程分为3个阶段: ①从湖岸边缘以及浅滩开始,湖岸边渐次出现冰雪融水形成的溪流,浅滩处灰白色为主的浅色调冻结区域减少; ②湖岸边水深较大的区域灰白色冰体也开始融化,并且融化逐渐加速,湖冰也逐渐变薄; ③受气温升高影响,融化速度进一步加快,湖中央的纯白色冰体也开始融化,湖冰解冻面积达到近一半,最后直至全湖完全解冻。3.3 2014—2017年冻结—解冻过程2014—2015年间,2014年11月8日影像无法直接观察湖冰冻结情况(云盖度达到79.56%),参考其他年份同期冰情,可以推断2014年11月8日湖冰已经冻结; 2015年1月11日湖面基本封冻; 2015年4月1日湖冰开始解冻; 2015年5月19日湖冰完全解冻。2015—2016年间,2015年11月11日开始冻结; 2015年12月29日影像显示东半区已经完全冻结,西半区只有少部分区域未冻结; 半个月后的2016年1月14日,尽管云量很大,可以推测湖面完全冻结。2016年3月2日湖冰开始解冻,2016年5月5日完全解冻。2016—2017年间,2016年11月13日开始冻结; 2016年12月31日东半区基本完全冻结,而西半区由于云覆盖无法判断,2016年1月份影像云盖度均比较高,2017年2月1日影像显示已经全湖冻结,故推测全湖冻结时间为2017年1月15日; 2017年2月17日湖冰开始解冻; 2017年5月8日完全解冻。

根据前文的监测结果,班公湖地区湖泊(区域)的冷季湖冰变化基本参数如表4所示。从表4中可以看出班公湖(包括Zone1和Zone2区域)、斯潘古尔湖的冰冻期大约长6个月; 而莫里里湖的冰冻期大约长7个月。

4.1.1 班公湖Zone1区湖冰变化规律

从4个周期的监测结果来看,班公湖Zone1区湖冰冰期内的冻结过程最长(从冻结开始最早时间到完全冻结最晚时间计算)为81 d; 最短(从冻结开始最晚时间到完全冻结最早时间计算)为60 d。解冻过程最长(从解冻开始最早时间到完全解冻最晚时间)为92 d; 最短(从解冻开始最晚时间到完全解冻最早时间)为35 d。一个周期内,冻结开始最晚时间到封冻开始最早时间间隔58 d; 封冻开始最晚时间到解冻开始最早时间间隔23 d,即从影像来看完全封冻时间只有20多d。解冻开始最晚时间与完全解冻开始最早时间间隔近1个月。

4.1.2 班公湖Zone2区湖冰变化规律

对比班公湖Zone2区与Zone1区的冰情变化过程,冻结开始时间、封冻时间、解冻开始时间和完全解冻开始时间基本一致,仅在2014—2015年间,2014年12月26日可能由于气温骤降造成局地突然降雪,引起湖面提前封冻,另外2015—2016年间Zone1区于2016年3月2日开始解冻,而Zone2区是2016年2月15日开始解冻。

尽管Zone2和Zone1的冻结开始时间基本一致,可是2个区的同期冻结百分比却存在差异,Zone2区小于Zone1区,说明Zone2应比Zone1晚冻结。从2个区域湖水盐度差异分析,Zone1区盐度更大,理论上湖冰冻结应较晚,可事实相反。通过影像特征比对分析,Zone1区大部分水体颜色浅于Zone2区,最可能的原因是二者水深存在比较大的差异,Zone1区水深较小,而Zone2区水深极大,因此才造成西部Zone1区域尽管盐度较大,但由于湖水较浅才较早冻结。总之,班公湖东西2处作为同一个湖泊,总体特征和主要指标趋同,但是在若干年份湖区不同部位的具体冻结解冻过程却存在差异。

4.1.3 班公湖湖面封冻过程与气温变化对比分析

利用距班公湖湖区最近的狮泉河气象数据,通过统计2013—2017年各年度11月—次年3月的逐月气温平均值,发现每年1月份的气温,无论是最高气温还是最低气温,都是全年的最低值。每年1月的气温资料极低值表现与同期的全湖封冻时间具有良好的对应关系。

另外,还利用气象资料分析了封冻前一个月内的气温变化。以2015—2016年为例,湖冰完全封冻时期为2016年1月14日。通过比对封冻前一个月内的气温变化,可以看出封冻过程的32 d中,后16 d平均最高气温比前16 d下降了1.06 ℃; 而平均最低气温更是降低了2.69 ℃。以上数据表明,湖面封冻前无论是最高气温还是最低气温均会有一个明显的降低过程; 而封冻期结束后1个月内气温一般就会有所回升。

2013—2016年间4个周期的湖冰监测结果表明,斯潘古尔湖的冻结开始时间与班公湖基本一致,而影像显示斯潘古尔湖同期的冻结百分比均大于班公湖,说明斯潘古尔湖要稍早冻结。2个湖的全湖封冻时间基本一致,仅在2015—2016年间,可能由于局地降温导致2015年12月29日斯潘古尔湖全湖提前封冻。对于解冻开始时间,斯潘古尔湖均比班公湖要晚0.5~1个月; 而2个湖的湖冰完全解冻时间基本一致。

莫里里湖的冻结开始时间与班公湖基本一致,而同期冻结百分比与班公湖Zone2区相似,比Zone1区略小,说明莫里里湖与Zone2区的冻结进程一致,比Zone1区稍晚。莫里里湖的全湖封冻时间与班公湖基本相同,仅2017年的全湖封冻时间晚了近半个月,可能是局地小气候作用所致。莫里里湖的冻结前半程非常缓慢,从开始冻结到冻结过半用时近2个月; 而后半程冻结速度加快,仅用时2周。因此Landsat8 OLI传感器很少有机会能够捕捉到湖区大半冻结的状态。可能受海拔高度影响(高于班公湖近300 m),莫里里湖的解冻开始时间非常晚,比班公湖解冻开始时间大约要晚2~3个月,一般是在每年4—5月间,前后间隔约1个月的时长。4个周期的湖冰监测数据显示,莫里里湖的完全解冻时间均在6月中上旬,比其他湖区完全解冻时间大约要晚1个月。

1)班公湖Zone1和Zone2作为同一个湖泊,冻结和解冻过程的总体特征和主要参数都具有同一性,说明二者的冻结过程和解冻过程基本同步。具体而言,每年11月份开始冻结,到次年1月中下旬开始封冻。解冻开始时间跨度较长,前后约44 d,而完全解冻开始时间集中在5月中上旬。2个区域冻结过程比较而言,西部Zone1区域的冻结过程稍早。东西部遥感影像特征分析表明,可能是2个区域水深存在较大差异,西部区域水深较小而东部较大,造成虽然西部Zone1区域湖水盐度较大但湖区仍较早冻结。

2)尽管斯潘古尔湖和莫里里湖的湖面海拔比班公湖都要高,但是三者的冻结过程,无论是冻结开始时间还是封冻开始时间,三者都基本相同,仅莫里里湖的封冻开始时间在某些年份略晚。斯潘古尔湖和莫里里湖的解冻开始时间都比班公湖要晚。其中,斯潘古尔湖解冻时间比班公湖要晚0.5~1个月; 而最终的完全解冻开始时间基本一致。而莫里里湖的解冻开始时间非常晚,比班公湖大约要晚2~3个月。完全解冻时间在6月中上旬,比其他湖区约晚1个月。

作为自然资源国情调查的重要组成部分,班公湖地区冷季湖泊冰情变化调查分析不仅填补了青藏高原西部艰险地区湖冰逐年持续遥感监测的空白,而且对于边境地区的国防建设和当地经济社会发展以及人民生产生活(比如冰面沉排建筑工程)都具有深远影响。有关本项研究的直接应用: 班公湖地区湖冰开始冻结到完全封冻时长一般为2个月,此时利用湖冰通行具有一定危险性。完全封冻到开始解冻,一般会有2个月时间,可以利用湖冰进行有效通行。湖面开始解冻到完全解冻一般为1~2个月,分为2个阶段,第一阶段湖冰解冻速度缓慢,根据湖面解冻情况尚可谨慎通行; 第二阶段冰融速度加快,需要密切关注湖冰融化进展情况。湖面完全解冻后,如果湖区再次出现结冰现象,此时的冰体属于零时性的薄片状湖冰,应严禁在湖面通行。