呼倫湖水面動態變化遙感監測及氣候因素驅動分析

萬華偉,康　峻,高　帥,申文明*(.環境保護部衛星環境應用中心,北京 0009；.中國科學院遙感與數字地球研究所,北京 000；3.中國科學院大學資源與環境學院,北京 00049)

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呼倫湖水面動態變化遙感監測及氣候因素驅動分析

萬華偉1,康峻2,3,高帥2,申文明1*(1.環境保護部衛星環境應用中心,北京 100029；2.中國科學院遙感與數字地球研究所,北京 100101；3.中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049)

摘要：利用長時間序列的MODIS數據,采用水體指數動態分析的方法,對2000～2013年呼倫湖的水體面積進行了動態變化分析,并結合區域氣候數據進行了驅動力分析.結果表明:2000～2012年期間,呼倫湖流域水體面積從2286k m2減少至1773km2,減少22.4%,主要減少部分分布在湖體東北部和南部;2013年水體面積尤其是南部水域水體面積略有所恢復.呼倫湖主體湖區面積的變化與年均溫呈現不顯著的負相關關系.

關鍵詞：呼倫湖；水體面積；時間序列；氣候因素

* 責任作者, 正高級工程師, shenwenm@sepa.gov.cn

呼倫湖是我國東北部以保護草原生態、濕地系統和珍稀瀕危鳥類為主的最大的綜合性自然保護區,在呼倫貝爾草原的生態保護和經濟發展中發揮著不可替代的重要作用[1-2].受全球變化和人類活動的共同影響,呼倫湖出現水量減少、面積萎縮、水位下降等問題,備受關注[3-6],因此,開展呼倫湖流域及湖區水體面積的動態監測并分析其影響因素具有重要意義.

遙感技術以及數據處理能力的迅速發展,使得大尺度全球地表水體面積變化過程的定量、動態觀測成為可能,通過遙感手段來獲取水體面積及其動態變化的遙感過程模型構建亦取得了較大的進步[7].為摸清呼倫湖近年來的水體面積變化狀況,本研究通過搜集呼倫湖流域中國境內部分(包括新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗、滿洲里市)2000～2013年的MODIS數據、氣候數據和其他輔助數據,對呼倫湖豐水期水體面積進行動態監測,并對其驅動力進行了初步分析.

1　數據與方法

1.1MODIS數據和氣候數據搜集

研究選取的數據為MODIS 500m分辨率反射率8天合成產品(MOD09A1),在可見光和近紅外區域有7個波段,該產品采用了最大值合成法,選擇8日內具有反射率最大值的像元,用以保證最佳的數據質量[8].

如圖1所示,呼倫湖主要水體的范圍為117°00′10″～117°41′40″E, 48°30′40″～49°20′40″N,流域范圍為115°31′51″～120°41′43″E, 47°17′28″～50°43′42″N.研究選取數據的條帶號為H25V04,時間范圍為2000～2013年,為消除因湖面結冰反射率發生變化,每年選取第89～273d各24景影像,其時間范圍處于4月初和9月底,地面平均氣溫高于零度(圖2).對于MODIS數據,首先使用ENVI插件MCTK(MODIS conversion toolkit)工具提取第4波段(綠波段)與第6波段(中紅外波段)反射率數據,采用Delaunay三角網最鄰近采樣法將Sinusoidal投影轉換為地理坐標投影,再將整個影像經投影變換由地理坐標轉換為UTM投影(分度帶為51N),最后根據經緯度范圍,裁剪得到呼倫湖流域與呼倫湖主體湖區的綠波段、中紅外波段反射率影像.

圖1　呼倫湖地理位置示意Fig.1　Location of study area

氣候變化和人類活動是區域生態環境變化的主要驅動力[9-10],本研究中使用的氣象數據來自于中國氣象科學數據共享網(http://cdc. cma.gov.cn/)發布的中國地面氣候資料月值數據集及中國高分辨率地面氣象要素驅動數據集[11-12].研究選取月平均氣溫與降水量兩個參數,累加得到平均氣溫與降水量的逐年數據,并通過MicroMet模型[13]進行站點數據插值得到分辨率為1km×1km的空間柵格數據,裁剪研究區域得到呼倫湖流域范圍的2000～2013年氣溫和降水量資料.模型首先采用距離加權插值方法將源數據插值到網格,并且將輸入的源數據的高程信息也按距離加權插值出一個虛擬的高程水準面,再對參考網格與虛擬的高程水準面的高程差進行調整得到插值結果.氣溫的插值結果是用高程差與氣溫直減率來計算;降水量的插值則釆用了非線性的降雨—高程方程[14].

圖2　2000～2013年呼倫湖流域地表溫度逐月變化Fig.2　Monthly variation of temperature in the Hulun Lake watershed from the year 2000 to 2013

1.2水體面積提取方法

為克服利用分類后提取水體面積的方法和利用構建水體特征指數的方法的不足,本研究采用水體指數動態分析的方法通過將時間連續的水體指數計算結果進行累計,對累計水面觀測達到一定閾值后才認為是有效豐水期水體面積,減小了因偶然波動帶來的誤差[15].

呼倫湖位于中高緯度地區,在冬季時易受積雪的影響,湖體難以與周圍地面明顯區分,且冬季一般為該流域的枯水期,故豐水期水體面積方法計算采用一年內非結冰期的遙感影像進行如下的動態分析方法:在裁剪過后的呼倫湖主體湖區和流域的遙感影像范圍內,對每一景圖像利用第4波段(綠波段)和第6波段(中紅外波段)計算NDWI.公式如下:

取NDWI＞0的點即視為該點在該時間被淹沒一次,將24景圖像被淹沒的次數進行累加,即取得每個像元在一年豐水期當中被水覆蓋的次數,淹沒次數≥10次的區域,視為當年呼倫湖的豐水期水體范圍,根據得到的淹沒像元數目和像元大小計算水體面積.最后得到呼倫湖流域和呼倫湖主體湖區豐水期水體面積圖(圖3)和呼倫湖流域豐水期水體面積提取結果時序圖(圖4).

1.3水體面積與氣候要素相關性分析方法

呼倫湖流域豐水期水體面積與氣候要素相關分析采用偏相關分析的方法,通過去除另外的隨機變量的影響,來度量兩組隨機變量之間的關聯程度的方法.若隨機變量只有3組,則去除第3組變量的影響,來考慮1、2組變量之間的偏相關關系r12,3,可由公式(2)表示:

式中:r12表示變量1與變量2的相關性,如公式(3)所示,并以此類推.

式中:xi與yi分別表示變量1與變量2的個體.研究假設年均溫、年總降水量對豐水期水體面積變化均產生一定的作用,在分別研究年均溫、年總降水量這兩個變量與水體面積變化的驅動力影響關系時,偏相關分析可以只分析一個變量與水體面積變化之間的相關程度,而將另一個變量的影響剔除.

2　結果與分析

2.1呼倫湖水體面積變化分析

從圖3、圖4可以看出,2000～2012年期間,呼倫湖流域豐水期水體面積呈現出加速減小的趨勢.2012年呼倫湖流域豐水期水體面積比2000年減少了539km2.其中呼倫湖東北部和南部水域減少非常顯著,至2005年呼倫湖東北部水域已經完全消失.2006年以后呼倫湖南部開始逐步縮小, 至2012年南部突出水域也趨于消失.相關研究綜合各種資料得到的水體面積結果也表明,呼倫湖的水體面積21世紀初(2000～2006年)由于干旱的影響,出現了快速的萎縮[5].同時,本研究遙感監測結果表明在呼倫湖周邊地區,出現了一批面積較小的新增水域,主要集中在新巴爾虎左旗中南部地區.呼倫湖主體湖區豐水期面積也呈現加速減小的趨勢,與流域豐水期水體面積減小相趨勢一致,主要體現在呼倫湖南部突出水域.2008年起,呼倫湖南部突出水域與主體湖區分離,形成南北兩小片獨立水域,并繼續縮小.2010年南部獨立水域的北片水域完全消失.

圖3　2000～2013年呼倫湖流域和湖區水體面積逐年變化Fig.3　Yearly variation of water area in the Hulun Lake watershed from the year 2000 to 2013

圖4　2000～2013年呼倫湖流域水體面積變化影像Fig.4　The images of water area variation in the Hulun Lake watershed from 2000 to 2013

2013年由于呼倫貝爾地區百年一遇的暴雨,呼倫湖流域水體和主體湖區豐水期面積均有所增長,體現在呼倫湖南部突出水域的面積部分恢復,以及主體湖區周圍地區新巴爾虎左旗中部和新巴爾虎右旗中西部地區水體面積的恢復.流域和主體湖區豐水期面積均恢復到2008年左右的水平.

2.2呼倫湖流域氣候要素變化分析

從圖5可以看出,2000～2013年期間,呼倫湖流域年均溫平均為2.1℃,呈現波動中降低的趨勢,年均溫約以3年為一個波動周期;2003、2006、2009、2012和2013年年均溫低于平均水平,分別為1.8、1.9、1.6、1.3和0.9℃;2007年年均溫達到14年來最高值(3.2℃),2013年年均溫達到14年來最低值(0.9℃);自2010～2013年,年均溫連續降低,降溫幅度平均為0.63℃/a.

2000～2013年期間,呼倫湖流域中國境內部分年總降水量平均為321.4mm,呈現波動中增加的趨勢,2001年總降水量達到14年來最低值(205.3mm),2013年總降水量達到14年來最高值(581.7mm);自2010～2013年,年總降水量連續增加,增加幅度平均為93.7mm/a,與相關研究得到的結論相一致[6].

圖5　2000～2013年呼倫湖流域年均氣溫、總降水量逐年變化Fig.5　Yearly variation of average annual temperature and precipitation in the Hulun Lake watershed from the year 2000 to 2013

2.3呼倫湖流域水體面積與氣候要素相關分析

從圖5可以看出,年均溫和年總降水量呈現較為明顯的負相關關系,在2013年年均溫達到14年來最低值的同時,年總降水量達到14年來的最高值.

圖6　2000～2013年呼倫湖流域水體面積變化與年總降水量相關性分析Fig.6　Relationship between water area change and annual precipitation in the Hulun Lake watershed from 2000 to 2013

圖7　2000～2013年呼倫湖流域水體面積變化與溫度相關性分析Fig.7　Relationship between water area change and average annual temperature in the Hulun Lake watershed from 2000 to 2013

對年均溫(變量1)、年總降水量(變量2)和呼倫湖流域豐水期水體面積變化量(變量3)進行回歸分析(圖6～),r2分別是:=0.51,=0.08,= 0.34.對年均溫(變量1)、年總降水量(變量2)和呼倫湖流域豐水期水體面積變化量(變量3)進行偏相關分析,偏相關系數r分別如下:r12,3= -0.69, r13,2=-0.22,r23,1=0.56;由此可知:年均溫與年總降水量有明顯的負相關關系(r12,3=-0.69),年均溫較低的年份年總降水量往往較高,反之亦然;年均溫與呼倫湖流域豐水期水體面積變化有一定負相關關系,年均溫越高的年份呼倫湖流域豐水期水體面積減少越明顯,但關系并不顯著(r13,2=-0.22);年總降水量與呼倫湖豐水期流域水體面積變化有明顯的正相關關系,年總降水量越多的年份呼倫湖豐水期水體面積減少越不明顯,甚至有所增大;年總降水量是決定呼倫湖豐水期水體面積變化的主要影響因素(r23,1=0.56),其他研究綜合近50年氣候數據分析也表明,降水、溫度等氣象因子對流域豐水期水面積會產生影響,分析表明降水減少、溫度增加等氣候變化會造成相對蒸散提高,從而帶來流域水體減少.

圖8　2000～2013年呼倫湖流域年總降水量與年均氣溫相關性分析Fig.8　Relationship between annual precipitation and average annual temperature in the Hulun Lake watershed from 2000 to 2013

3　結論

監測表明,2000～2012年期間,呼倫湖流域水體面積呈現出加速減小的趨勢,其中,2000～2012年期間呼倫湖主體湖區面積從2286km2減少至1773km2,減幅22.4%,2013年面積回升至1883km2,約為2008年左右的水平.呼倫湖主體湖區水體面積減少部分主要分布在湖體東北部和南部水域,2005年呼倫湖東北部水域已經完全消失,2008年起,呼倫湖南部突出水域與主體湖區分離,形成南北兩小片獨立水域,并繼續縮小,至2012年趨于消失.2013年,主要恢復區域為呼倫湖南部水域.分析呼倫湖主體湖區面積的變化與流域內氣溫和降水的關系,年均溫與呼倫湖流域水體面積變化有一定負相關關系,但并不顯著;年總降水量與呼倫湖流域水體面積變化有明顯的正相關關系.因此,年總降水量是決定呼倫湖水體面積變化的主要影響因素,尤其是2013年的湖體面積增加主要原因為降水因素.

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Study on dynamic change of hulun lake water area and climate driving force analysis.

WAN Hua-wei1, KANG Jun2,3, GAO Shuai2, SHEN Wen-ming1(1.Satellite Environmental Application Center, Ministry of Environmental Protection, Bejing 100029, China；2.Institute of Remote sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；3.College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：894～898

Abstract：Water area dynamic change of the Hulun lake was analyzed from 2000 to 2013 using long time-series MODIS data and water index dynamic analysis method. The driving force of the change was also analyzed by combining meteorological data. The preliminary results showed that the water area of the lake decreased from 2286km2in 2000 to 1773km2in 2012 and the decreasing rate was 22.4%. The drastic changes mostly happened in the northeast and south of the lake. Due to the great increase of precipitation in 2013, the water area restored to 1883km2and the main growth happened in the south of the lake. The driving force analysis showed the variation of water area correlated negatively with an average annual temperature and positively with the annual total precipitation. However, the level of significance was for the precipitation higher than temperature.

Key words：Hulun Lake；water area；time series；climate

作者簡介：萬華偉(1981-),女,山東東阿人,正高級工程師,博士,主要從事定量遙感應用、生態系統與生物多樣性遙感監測與評價相關研究.發表論文20余篇.

基金項目：國家“863”項目(2012AA12A310);國家高分重大科技專項(05-Y30B02-9001-13/15-9)

收稿日期：2015-06-23

中圖分類號：X524,TP751

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)03-0894-05