近40年西藏那曲南部湖泊变化及其成因探讨
黄卫东1,2, 廖静娟1, 沈国状1
1.中国科学院对地观测与数字地球科学中心,北京 100094
2.中国科学院研究生院,北京 100049

第一作者简介: 黄卫东(1984- ),男,硕士研究生,主要从事西藏湖泊变化研究。E-mail: robinhwd@163.com

摘要

以遥感图像、SRTM的DEM数据为数据源,通过人工目视解译的方法提取并计算了1970—2010年那曲南部地区12个湖泊面积,并结合DEM数据计算其中9个湖泊1990—2010年间水位变化情况; 然后分析该地区降水量、气温、最大潜在蒸发量、冻土、冰川雪线的变化规律; 计算湖泊变化与气候变化之间的相关性,并以简单的水文模型分析了湖泊变化的原因。结果显示: 12个湖泊中除了格仁错面积减少以外,其他湖泊面积在40 a间都处在增长状态,其中湖泊面积增长主要发生在2000—2010年,这期间12个湖泊增长总面积达743.88 km2,占40 a总增长面积的63.95%; 9个湖泊的水位也呈上升趋势。造成这些湖泊面积增长的主要原因是近45 a气温上升造成的冰雪、冻土融化,降水量增加,而且该地区蒸发量呈减少趋势。

关键词: 湖泊变化; 气候变化; 冻土冰川雪线变化; 西藏那曲; 遥感
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2012)03-0122-07 doi: 10.6046/gtzyyg.2012.03.22
Lake Change in Past 40 Years in the Southern Nagqu District of Tibet and Analysis of Its Driving Forces
HUANG Wei-dong1,2, LIAO Jing-juan1, SHEN Guo-zhuang1
1.Center for Earth Observation and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract

This study was based on remote sensing images and DEM of SRTM. Areas of twelve lakes in southern Nagqu district in the period of 1970-2010 were derived by visual interpretation, and levels of nine lakes in the period of 1990-2010 were calculated using lake area data and DEM. Then the change regulations of precipitation, temperature, evaporation, frozen ground, glacier and snow line in this region were analyzed. Correlation analysis between the lake area and the climate change was performed, and the causes of lake change were studied on the basis of a simple hydrological model. According to the results, all lake areas increased during the last 40 years except for Gyaring Co, and the lake area expansion notably happened during 2000-2010, with the total increased area of all 12 lakes in this decade being 743.88 km2, which accounted for about 63.95% of all the increased area in the past 40 years; in addition, the levels of the nine lakes tended to rise too. The main reasons for lake change are attributed to the melting of snow cover, glaciers and frozen grounds and the increasing of precipitation caused by climate warming in the past 45 years. Besides, the decreasing evaporation is also a reason for lake expansion.

Keyword: lake change; climate change; change of frozen ground; glacier and snow line; Nagqu district; Tibet; remote sensing
0 引言

全球变化具有区域差异, 因此区域的响应研究是研究全球变化的基础, 也是全球变化研究第二阶段所强调的重点之一[1]。在地球表层和气候环境系统中, 湖泊与冰川是气候变化敏感的指示器。青藏高原拥有世界上海拔最高、面积最广的湖泊群, 是气候变化的典型区域。

前人对青藏高原湖泊所作的大量研究证明, 由于气候变暖以及高原隆升等原因, 青藏高原的湖泊处于较快的变化阶段[2, 3], 1970— 2000年间青藏高原湖泊总面积增加了3 316.52 km2 [2]。羌塘高原东南部的湖泊在1975— 2005年期间呈增长趋势, 特别是2000年以后湖泊增长速度明显加快[4, 5]。其他研究者对那曲地区单个湖泊的研究也得到了类似结论[6, 7, 8, 9]。但是前人对该地区湖泊变化的研究分析多采用定性分析, 而很少采用相关性或者模型等方式来探讨湖泊变化的原因, 并且缺乏对湖泊水位变化的研究。本文选取了西藏那曲地区南部湖泊群作为研究区域, 利用遥感图像提取了有代表性的12个湖泊的面积, 并结合DEM演算了部分湖泊水位变化情况; 然后计算并分析了该区域内4个气象站点的部分气象数据, 得到各站年降水量、年均气温以及年最大潜在蒸发量的变化。对湖泊和气候变化做了定量的相关性分析, 并以简单的水文模型和近30 a冰川冻土变化数据来分析了湖泊变化的原因。

1 研究区概况与数据源
1.1 研究区概况

研究区位于西藏那曲地区南部, 冈底斯山以北, 念青唐古拉山以东, 唐古拉山以南的青藏高原腹地, 地理坐标范围为E86° 15'~91° 42', N30° 24'~33° 36', 包含尼玛、申扎、当雄、班戈、安多和那曲等6个县, 平均海拔4 500 m以上, 气候严寒干燥[4]

相对小湖泊而言, 面积较大的湖泊比较稳定, 所以本文在该研究区中选择了当惹雍错、色林错、纳木错、巴木错及兹格塘错等12个单湖面积大于100 km2的湖泊作为研究对象(图1)。这些湖泊均属于内陆湖, 主要依靠地表径流和降水补给, 多为地质构造发育形成[5]

图1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of study area

1.2 数据源

本文所用的数据资料主要有覆盖研究区域的遥感数据、基于SRTM的DEM数据和气象数据。其中遥感图像包括1970年获取的MSS数据, 1990年获取的TM数据以及2000年和2010年获取的Landsat TM/ETM数据等。由于冬季湖泊面积相对比较稳定, 受降水影响较少, 故选取每年9月到次年2月之间的遥感图像数据进行湖面面积提取。DEM数据是由中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站提供的基于SRTM的DEM数据(90m分辨率)。位于研究区内4个站点(班戈、安多、那曲和申扎)的1966— 2010年气象数据是由中国气象科学数据共享服务网提供。

2 研究方法

首先进行数据预处理。对遥感图像及DEM数据进行投影转换, 统一为以WGS_1984为基准面的亚尔勃斯等积圆锥投影。缺测的气象数据所占比例较小, 所以本文用缺测年份邻近的2个数据通过等权平均之后的值作为替换值, 然后对气象数据的单位进行统一以便于计算。

其次通过人工目视解译方法, 利用遥感图像提取不同年份的湖泊面积。

再次利用DEM数据, 在ArcGIS软件中提取各湖泊在不同高程(间隔1 m)下的面积, 对每个湖泊建立一条湖泊面积与高程之间的拟合关系曲线, 并得到相应的多项式方程

f(x)=ax+b, (1)

式中: f(x)为湖泊高程; x为湖泊面积; ab为系数。将通过目视解译得到的湖泊面积代入方程式, 分别计算湖泊在相应面积时的水位高程。

然后分析研究区的年均气温和年降水量数据, 并利用Penman-Monteith模型[10]计算该区年最大潜在蒸发量。参考前人研究成果对冻土变化、冰川雪线变化规律进行分析。

最后分析湖泊变化与气温、降水量和最大潜在蒸发量之间的相关性, 以及冻土、冰川等环境要素对湖泊面积的影响, 借助已有的水文模型分析湖泊面积的变化规律。

总体研究思路如图2所示。

图2 湖泊变化及原因分析思路Fig.2 Analysis process of lake variation and causes

3 湖泊变化分析
3.1 面积变化分析

利用1970年、1990年、2000年以及2010年获取的遥感图像分别提取多期湖泊面积, 然后选取其中的4期(表1), 并计算1970— 1990年、1990— 2000年和2000— 2010年各阶段的湖泊面积变化(表2)。

表1 利用遥感图像提取的湖泊面积 Tab.1 Lake area derived from satellite images (km2)
表2 1970— 2010年各湖泊面积变化情况 Tab.2 Lake area change from 1970 to 2010

表2可看出, 1970— 1990年间除了当惹雍错、达则错以及昂孜错以外, 其他9个湖泊都有增长趋势; 1990— 2000年间, 当惹雍错、多尔索洞错、达则错、格仁错以及错那等5个湖泊面积减少, 其他湖泊面积增长, 特别是色林错, 增加面积达168.25 km2; 整体而言, 在1970— 1990年和1990— 2000年间, 12个湖泊总体增加面积分别是227.2km2和190.5km2, 增长率较小; 但是2000年以后, 湖泊面积增长非常明显, 除了格仁错以外, 其他湖泊面积都处于增长状态, 10 a内共增加了743.88 km2; 1970— 2010年的40 a间, 12个湖泊中面积增长最多的是色林错, 共增加了669 km2, 还有4个湖泊增加的面积超过了50 km2, 分别是巴木错、班戈错、多尔索洞错和纳木错。以1970年的湖泊面积为参考, 面积增长比例最大的是班戈错, 达到了177.3%, 还有4个湖泊的增长面积超过了25%, 分别是巴木错、多尔索洞错、蓬错和色林错。由于色林错和南部的雅根错在后期合并, 本文将雅根错并入色林错一起研究, 所得结果与边多等[7]的研究结果基本一致。

3.2 高程(水位)变化分析

3.2.1 SRTM精度分析

根据NASA官方报告[11], 在相对垂直高度情况下, SRTM的C波段和X波段的精度分别为6 m和10 m。文本将拟合计算而得的2011年纳木错和色林错海拔(纳木错4 727.3 m, 色林错4 548.4 m)与2011年7月初对纳木错和色林错实地考察获取的湖面高程数据(纳木错4 730 m, 色林错4 550 m)进行对比, 其误差分别是2.7 m和1.6 m。

3.2.2 湖面高程提取

以色林错为例, 首先利用2000年DEM数据, 借助ArcGIS, 提取在不同高程(4 539~4 550 m)情况下的湖泊面积(图3)。

图3 高程分别为4 539 m和4 550 m时的色林错湖泊面积Fig.3 Lake area of Sê rling Co at different elevation (4 539 m and 4 550 m)

然后, 通过12个拟合点(高程间隔为1 m), 得到色林错湖泊面积与湖面高程之间的拟合关系曲线(图4)。

图4 利用DEM提取的色林错湖泊面积及其水位之间的拟合关系曲线Fig.4 Relationship curve between lake area and level derived from DEM of Selin Co

最后, 通过拟合关系曲线得到相应的多项式拟合方程, 即

f(x)=0.024 34x4+0.204 2x3+0.005 219x2+3.575x+4 545, (2)

式中: f(x)为湖泊高程; x为湖泊面积的归一化值, x=(A-Amean)/Astd; A为利用遥感图像提取的湖泊面积; Amean为利用DEM提取色林错所有面积的均值; Astd为标准值。

以此方法对各湖泊建立各自的湖泊面积与高程之间的拟合关系曲线, 并得到相应的多项式方程(表3)。由于拟合曲线只适用于面积增大较明显的湖泊, 所以本文无法对格仁错和错那进行高程演算, 达则错也由于数据缺失没有进行分析。

表3 湖泊面积及其水位之间的拟合曲线方程 Tab.3 Curve equation of relationship between lake area and level

将利用遥感图像提取的湖泊面积(表1)代入方程(表3), 计算出每年相应的湖面高程(表4)。

表4 不同时期各湖泊的水位 Tab.4 Level of each lake in different stages (m)

表3还可看出, 在12个湖泊中挑选的这9个湖泊的水位都呈增长趋势, 其中蓬错和色林错水位增长超过12 m, 巴木错和多尔索洞错水位也增长了8 m。根据湖泊面积和水位变化数据, 可看出湖泊面积变化和水位变化并不一致, 其主要原因是湖泊水位变化除了受湖泊水量变化以外, 还受湖岸地形影响。在水量变化相等的情况下, 湖岸越平缓, 水位增加越小, 面积增加越多; 湖岸越陡, 则水位增加较大, 面积增加越少。其次, DEM数据的误差也是原因之一。

4 湖泊环境要素变化分析
4.1 气候变化分析

本文气象数据来自研究区内4个气象站点(班戈、安多、那曲和申扎), 时间跨度1966— 2010年, 其主要分布在研究区的东、中部地区, 由于该研究区域地貌特征相对一致, 所以这4个气象站点的数据能反映整个区域的气候变化特征。

研究区气温在45 a间呈上升趋势(图5), 并存在明显的区域性差异。研究区东部安多和那曲地区的气温比中部地区班戈的低, 而位于研究区西部申扎的气温最高, 呈现自东向西逐渐升温的变化趋势。

图5 1966— 2010年各气象站点平均气温变化Fig.5 Variation of temperature from 1966 to 2010

该地区年降水量在45 a里也呈上升趋势(图6), 并且也存在明显的区域性差异, 东部地区的安多和那曲的降水量总体大于中部地区班戈以及西部地区申扎。降水量呈现自东向西逐渐减少的变化趋势。

图6 1966— 2010年各气象站点降水量变化Fig.6 Variation of precipitation from 1966 to 2010

对于最大潜在蒸发量, 本文使用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith模型来计算。结果显示, 1970— 2009年间该研究区内的4个气象站点的年最大潜在蒸发量呈现下降趋势(图7), 且同样存在明显的区域性差异, 该地区最大潜在蒸发量自东向西逐渐增加。

图7 各气象站点1970— 2010年蒸发量变化情况Fig.7 Variation of evaporation from 1970 to 2009

为了定量分析该区气候总体变化情况, 本文将4个气象站点的数据以10 a为跨度进行等权平均, 其结果(表5)显示, 最近10 a的年均气温比70年代上升了1.21℃, 年降水量增加了82.57 mm, 而年最大潜在蒸发量减少了59.90 mm。

表5 不同年代的气候要素变化 Tab.5 Variation of climate factors in different decades
4.2 冰川雪线变化分析

张瑞江等研究显示, 从1970— 2000年间, 青藏高原山脊雪线以上升为主, 且经过对冰川演变的研究, 发现雪线变化规律和冰川变化有很好的一致性[12]; 于2010年利用地形图、MSS以及ETM等数据, 对青藏高原12座山系的现代冰川面积进行了调查, 这12座山系中有4座山系位于本文研究区内, 分别是冈底斯山、念青唐古拉山、唐古拉山和羌唐高原[13]。从60年代到2000年, 这4个区域内冰川的总退缩量分别为299.14 km2, 519.07 km2, 96.82 km2和108.04 km2, 处于严重退缩状态。研究表明, 在2000年之后, 由于气温持续上升, 该区域的冰川仍然处于消融状态, 例如纳木错流域的扎当冰川和拉弄冰川[8]在1970— 2008年间分别退缩了381.8 m和489.5 m。

4.3 冻土变化分析

金会军等对青藏公路沿线的冻土进行实地考察发现[14, 15], 自1975年以来, 无论是岛状多年冻土还是连续多年冻土, 其土壤温度上升0.1~0.5 ℃, 青藏高原多处冻土开始消融, 初步估计高原冻土面积减少10万km2。根据程志刚等利用年均温法和高程模型法对青藏高原冻土分布与变化的模拟结果来看[16], 随着气候持续变暖, 青藏高原的冻土面积将从目前估算的129.12万 km2减少到2030年或2049年的89.26万km2

5 湖泊面积增长原因分析
5.1 气候要素与湖泊面积增长的相关性

本文将提取的1970— 2010年间的湖泊变化面积数据与气象要素进行了相关性分析(表6), 结果显示湖泊面积变化与气温变化相关性比较明显, 除了格仁错和错那以外, 其余湖泊面积变化与气温的相关性都在正相关0.7以上。

表6 湖泊面积变化与气候变化之间的相关系数 Tab.6 Correlation coefficient between lake area variation and climate change

降水对湖泊面积的影响存在差异: 首先面积较大的湖泊(当惹雍错、多尔索洞错、色林错、纳木错以及昂孜错)受降水变化的影响较小, 相关性都低于0.3, 而面积较小的湖泊(巴木错、蓬错、错那、兹格塘错和班戈错)和降水量的相关性都高于0.3; 其次是地区性差异, 位于研究区东部的湖泊受降水影响较大, 相关性都高于0.2, 而对于中部和西部湖泊(班戈错除外), 降水量对其影响相对较小, 相关性都低于0.1, 位于北部的多尔索洞错和降水的相关系数为0.14。从大尺度流域范围而言, 这与研究区东部地区降水量大于西部地区有一定关系。

最大潜在蒸发量和湖泊面积的相关性也存在地域性差异: 位于研究区东部的湖泊(纳木错除外), 其湖泊面积变化与最大潜在蒸发量变化呈负相关; 其余湖泊与其呈正相关。

5.2 水文模型综合分析

研究区内的湖泊多为内陆湖, 其补给主要依靠降水、冰川和冻土融水; 而湖水消耗主要源于湖面蒸发。前人针对上述水文特征设计了水文模型[17]

Δ W=P+RS+RG-E, (3)

式中: Δ W是湖泊水量变化; P是湖面的降水量; RS是地表水入湖泊的补给量; RG是地下水入湖泊的补给量; E是湖面蒸发量。

由于气候变暖, 青藏高原的降水和积雪将有所增加[18, 19], 但由于气温上升, 冰雪消融速度加快。这与研究区上述冰川变化情况相符。姚檀栋等研究可知, 气温上升导致冰雪融化, 短期将增加河流水量(RSRG)[20]; 再加上降水量(P)增加、蒸发量(E)减少, 由式(3)可知研究区湖泊水量会有较显著的增长趋势。

最典型的是色林错, 该湖泊在近40 a间面积增长了669.5 km2。根据边多等[7]的研究, 由于色林错位于其范围宽广的流域低洼处, 而流域内河流湖泊较多, 自然成了整个流域地表径流和地下水的汇集区。那曲南部地区的湖泊群面积增长情况与上述模型的初步分析结果相吻合, 证明了近40 a来, 湖泊变化和气候变化有很大关系。

6 结论

1)在1970— 2010年间, 研究区内较大的12个湖泊中有11个面积呈增长趋势。其中近10 a的面积增长尤为明显。1970— 1990年、1990— 2000年、2000— 2010年这3个时间段中, 12个湖泊增长的总面积分别是227.15km2, 190.47 km2和743.88 km2

2)12个湖泊中有10个水位有上升趋势。由于湖泊水位不仅和湖泊面积变化有关, 还和湖泊湖岸地形陡缓有关, 所以湖泊面积变化和水位变化并不完全一致。

3)DEM相对高程误差造成湖泊水位提取的数据存在一定误差, 但从变化趋势而言, 利用该方式计算湖泊水位变化也具有一定的合理性和可行性。

4)对安多、那曲、申扎、班戈4个气象站点的数据分析显示, 从1966— 2010年该区的平均气温、降水量有上升趋势, 而最大潜在蒸发量逐渐减少。除此之外, 在前人的基础上, 本文还对气候变化做了区域差异研究, 结果发现研究区自东向西气温逐渐增高, 降水量逐渐减少, 最大潜在蒸发量逐渐增加。

5)在前人定性描述的基础上, 本文对湖泊面积和气象要素做了相关性分析。结果显示: 湖泊面积变化受气温变化影响较大, 呈正相关; 降水量的变化对小湖泊面积变化影响比较明显, 而且研究区东部地区的湖泊和降水的相关性较大; 蒸发量对湖泊面积变化相关性也存在地域差异, 研究区内东部地区的湖泊与蒸发量呈负相关, 中西部湖泊呈正相关。

6)结合内陆湖水文模型以及气候变化数据进行分析, 证明了气候变化对湖泊变化有深远影响。但本文还缺乏更为详细的冰川、积雪和冻土变化数据, 所以目前无法准确估算湖泊面积或水量的变化。

志谢: 感谢中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站、中国气象科学数据共享服务网以及美国地质勘探局官网分别提供的基于SRTM的DEM数据、遥感图像和气象数据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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