1970到2011年可可西里地区湖泊时空变化特征外文翻译资料

1970到2011年可可西里地区湖泊时空变化特征

姚晓军^1，2，刘时银²,李龙¹,孙美平¹，罗晶¹,冯娅娅¹

1. 西北师范大学地理与环境科学学院,兰州730070;
2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室,兰州730000

摘要：以可可西里地区1970s地形图和1990s、2000-2011年Landsat TM/ETM 遥感影像为基 础，通过数字化和影像解译获取研究区83个面积大于10 km²湖泊变化数据，并对湖泊变化成 因进行了分析。研究结果表明：1) 1970s初期至2011年，可可西里地区湖泊经历了“先萎缩后 扩张”的变化过程，其中1970s-1990s期间湖泊面积普遍减小，1990s-2000年湖泊出现扩张， 并在2000年恢复到1970s湖泊规模，2000年之后湖泊面积急剧增大。2) 2000-2011年间，可可西里地区不同规模等级湖泊整体呈扩张趋势，但表现出一定的区域差异性。面积呈增加趋势 的湖泊数量最多，亦分布最广，一些湖泊由于扩张迅速出现湖泊合并或湖水外泄情况；面积呈减少趋势或波动起伏的湖泊数量较少，零散分布在研究区中部和南部，湖泊动态变化与其自身补给条件或与下游湖泊(河道)存在水力联系有关。3) 在研究时段内，降水增多、蒸发减少是可可西里地区湖泊扩大的主要原因，而气候变暖引起的冰川融水增加、冻土水分释放是次要原因。

关键词：湖泊变化；时空特征；可可西里；青藏高原

1 引言

湖泊作为陆地水圈的重要组成部分，其水域变化是其所在流域水量平衡的综合结果， 能忠实记录湖区不同时间尺度气候变化和人类活动信息，是揭示全球气候变化与区域响应 的重要信息载体^[1]。青藏高原湖区是地球上海拔最高、数量最多、面积最大的高原湖群 区，共有面积大于1.0 km²湖泊1055个，面积41831.7 km²，分别占我国湖泊总数量和总面 积的39.2%和51.4%^[2]。受自然条件恶劣、地域偏远、交通不便等因素影响，青藏高原大多 数湖泊受人类活动干扰程度低，其变化主要反映的是自然环境因素的作用。

近50年来青藏高原气候和环境发生显著变化，具体表现为气温呈上升趋势，且研究 时段距今越近，增暖趋势愈加明显^[3]；降水变化在空间上存在一定差异性，但多数地区呈 增湿趋势^[4]；冰川普遍呈减薄退缩状态，冰川融水增加^[5]。受上述及其它要素影响，青藏 高原湖泊亦发生了显著变化^[6]。借助遥感 (RS) 和地理信息系统 (GIS) 技术，一些学者对青 藏高原内陆地区湖泊变化研究发现，青藏高原湖泊总体上呈扩张趋势，1970s至2009年湖 泊总面积增长27.3%，且湖泊变化具有明显的区域分布特征，其中藏北羌塘高原区湖泊出 现先萎缩后扩张的变化，色林错及周边区域湖泊处于持续扩张的状态，而冈底斯山北麓的 高山深谷湖则在近30年保持相对稳定的状态^[7-8]。此外，一些学者对青藏高原部分区域湖 泊和典型湖泊变化亦开展了研究，如青藏高原中部地区^[9]、那曲地区^[10]、羌塘地区^[11]、班戈错^[12]、纳木错^[13]、色林错^[14]、羊卓雍错^[15]、玛旁雍错^[16]等。近年来，一些学者还开展了 冰川湖泊编目和变化研究，如喜马拉雅山地区^[17]、伯舒拉岭地区^[18]、洛扎地区^[19]、然乌湖 流域^[20]。这些研究成果一方面使人们对青藏高原湖泊变化有了更深认识，另一方面亦对青 藏高原湖泊水资源利用及灾害防治提供了有益借鉴。

可可西里地区是青藏高原湖泊集中分布区之一，湖泊不仅是该区大气降水、冰雪融水 以及泉水的归宿地，同时也是风化易溶物质和盐类矿物的聚集地，而且还是区内野生生物 较稳固的水分涵养地和无机盐营养元素的汲取地，湖泊的这种功效在青藏高原腹地对于保 持脆弱的高原生态环境结构有着重要的作用^[21]。2011年9月，可可西里自然保护区腹地的 卓乃湖湖水大量外溢，继而导致其下游库赛湖、海丁诺尔及盐湖发生湖水外溢事件^[22]，并 由此引发库赛河将成为长江北源的争议以及河道加宽对藏羚羊迁徙影响的讨论。本文通过 对可可西里地区地形图和遥感影像的整理，结合遥感和地理信息系统技术获取该地区近 40年主要湖泊变化数据，系统阐述湖泊变化特征。

2 研究区概况

可可西里地区位于青藏高原腹地，介于33°30′~36°29′N，81°56′~94°06′E之间，面积 约23.5times;104 km² (图1)。在行政区划上，可可西里地区横跨青海省和西藏自治区，包括格 尔木、治多、班戈、尼玛和改则等市 (县) 部分区域。地理上的可可西里是以可可西里山 为主体的邻近山原湖盆地区，南北边缘为乌兰乌拉山和昆仑山脉的一部分，在海拔5500~ 6000 m以上的山地，发育有现代冰川^[23]，区内中部较低缓，具有西部高而东部低的地势特 点，平均海拔在4600 m以上。本区气候特点是气温低、降水少，且由东南向西北逐渐降 低 (减少)，自然景观呈现高寒草甸—高寒草原—高寒荒漠更替^[24]。区内生物区系种类少， 但青藏高原特有种比例大，且种群数量多^[25]。

可可西里地区处于羌塘高原内流湖区和长江北源水系交汇地带，区内湖泊众多，且多 为咸水湖—半咸水湖，淡水湖和盐湖分布较少^[24,26]。据统计，在可可西里地区，位于青海 省境内面积大于1.0 km²湖泊有107个，湖泊季节变化较大，通常5-9月为丰水期，10-4月 为枯水期。本区域面积最大的湖泊为乌兰乌拉湖，面积约为544.5 km^2[24]。

图1 可可西里地区位置

3 数据与方法

3.1 数据源

为获取可可西里地区湖泊近40年变化情况，共搜集和整理由中国人民解放军总参谋 部测绘局编制的167幅1:10万地形图、USGS/NASA (http://earthexplorer.usgs.gov) 提供的 224景空间分辨率为30 m的Landsat TM/ETM 遥感影像。鉴于研究区湖泊数量众多，本研 究仅考虑面积大于10 km²的湖泊，据统计，可可西里地区面积大于10 km²的湖泊占总湖泊 面积的93.87%，基本反映了该地区湖泊状况。经挑选，在本区域面积大于10 km²的湖泊 共83个 (表1)，分布在59幅1:10万地形图上。这些地形图航摄时间主要集中在1970年和 1971年，分别为19幅和22幅，其次是1960年 (9幅)、1974年 (5幅)和1973年 (4幅)，因此，地形图反映了可可西里地区湖泊在1970s初期状况。

Landsat TM/ETM 遥感影像包括1990s初期 (1989-1991年)、2000-2011年逐年可获取 的数据 (表2)。采用Landsat TM/ETM 遥感影像作为湖泊数据的基本数据源有诸多优点， 比如影像都经过正射校正处理，避免了数据预处理过程；影像数据可免费下载，这为湖泊 参数获取提供了大量“备用”数据，一方面可有效避免Landsat ETM 遥感影像由于扫描 行校正器故障 (SLC-off) 造成的坏带影响，另一方面可通过交叉验证方法提高湖泊识别的

表1 可可西里地区主要湖泊（面积gt;10km²）

注：*表示该湖泊暂无命名，用其质心经纬度表示；①与多格错仁合并；②与葫芦池合并；③与错尼合并；④与若拉错合并；⑤与多格错仁合并；⑥与海丁诺尔合并。

质量。由于内陆湖季节性变化大^{[7, 24]}，且多在9-11月期间湖泊水位达到最大值^[9]，因此尽量 选择这一时段的遥感影像。受云(雪) 覆盖、数据缺乏或数据质量差等因素影响，部分湖泊被遮挡或难以提取，因此一些遥感影像获取月份存在差异。经统计，224景Landsat TM/ ETM 遥感影像获取时间集中在10-12月，其中11月影像数量最多，共81景，其次是10月(68景)、12月(63景)、1月(6景)、9月(4景)、8月(1景)和3月(1景)。

此外，选用伍道梁、改则和狮泉河3个气象台站资料作为研究区湖泊变化气候背景参考，数据由中国气象科学数据共享服务网 (http://cdc.cma.gov.cn) 提供。可可西里地区两次冰川编目数据由科技部科技基础性工作专项“中国冰川资源及其变化调查”项目组提供。

表2 本研究所选用的Landsat TM/ETM 遥感影像

注：*表示遥感影像传感器类型为Landsat TM，未标注表示遥感影像传感器类型为Landsat ETM

3.2 研究方法

首先利用宽幅扫描仪对167幅地形图进行扫描生成栅格图像 (分辨率为300dpi)，然后在ArcGIS 9.3软件环境下完成地形图配准、判读和数字化等过程。在地形图配准时，采用公里网作为控制网，投影统一采用高斯—克吕格投影，数字化精度控制在一个像元之内，生成后的矢量数据最终投影转换为Albers正轴等积双标准纬线割圆锥投影。

在ENVI 4.7软件环境下以地形图为基准对Landsat TM/ETM 遥感影像进行几何校 正，影像校正结果精度平均误差控制在半个像元以内，最大误差控制在一个像元以内。尽管目前国内外已有不少利用遥感技术提取湖泊范围的自动化方法，如水体指数法、波段比值法、“全局—局部”分步迭代水体信息提取方法^[27-28]等，但这些方法通常对遥感影像质量 要求较高。由于本研究对遥感影像的获取时间有一定要求，且2003年之后的Landsat ETM 遥感影像存在坏带，需要其它Landsat TM/ETM 遥感影像作为补充，因此采用人工目视解译方法。在ArcGIS 9.3软件下对遥感影像进行假彩色组合，湖泊边界解译参考科技部科技基础性工作专项“中国湖泊水质、水量与生物资源调查”制定的原则^[2]，采用屏幕数字化方式获取湖泊边界矢量数据，精度控制在一个像元之内。

鉴于目前尚无法获取研究区降水与湖面蒸发实测资料，本文利用伍道梁、改则和狮泉河3个气象台站观测资料计算潜在蒸散发，以此作为表征研究区湖泊水面蒸发变化趋势参考^[29]。潜在蒸散发是指在供水充分情况下的区域蒸散发能力，本文采用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式计算潜在蒸散发量，具体公式见参考文献[30]。

4 结果与讨论

4.1 可可西里地区湖泊变化总趋势

经地形图数字化和遥感影像解译，可可西里地区83个湖泊1970s初期总面积为 5873.91 km²，1990s初期为5263.71 km²，2000年为5952.38 km²，2011年为7446.94 km²。 结合图2可知，可可西里地区湖泊面积经历了“先降后升”过程，这与李均力等研究结果基本一致^[7]。具体而言，1970s初期至1990s初期，湖泊总面积大幅下降，共减少610.20 km² (10.39%)；1990s初期至2000年，湖泊面积有所增加，并略超过1970s初期湖泊面积；2000年之后，湖泊面积呈快速上升趋势，面积较前一阶段猛增1494.56 km² (25.11%)，尤其是2001-2002年、2009-2011年期间增率明显超过其它阶段。

在可可西里地区面积大于10 km²的湖泊中，1970s初期面积超过500 km²的湖泊只有1 个，即乌兰乌拉湖 (552.30 km²)；面积介于250~500 km²的湖泊共5个，分别是多格错仁 (369.38 km²)、西金乌兰湖 (351.83 km²)、可可西里湖 (305.81 km²)、库赛湖 (265.03 km²) 和卓乃湖 (260.00 km²)，这6个湖泊占该地区湖泊总面积的比重超过1/3。面积介于100~ 250 km²的湖泊共8个，介于50~100 km²的湖泊共20个；面积介于10~50 km²的数量最多，共49个，但其面积仅占可可西里地区湖泊总面积的19.60%。1970s初期至2011年，可可 西里地区面积增加最多的湖泊是多格错仁强错、多格错仁和若拉错，增幅分别达到 146.63 km²、106.62 km²、106.29 km²；面积减少最多的湖泊是卓乃湖和亚克错，分别减少 89.57 km²和14.42 km² 。

图2 1970-2011可可西里地区湖泊面积变化<!--

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