近十年可可西里鹽湖水量變化及其影響因素分析

袁康 譚德寶 趙靜 文雄飛

摘要：由于全球氣候變暖的影響，青藏高原湖泊開始逐步擴張，對自然環境和野外基礎設施產生了威脅。為研究氣候變化對湖泊水量的影響，利用2010～2018年青?？煽晌骼锔沟佧}湖（又名68道班鹽湖）的CryoSat-2衛星測高數據和Landsat遙感影像數據，分別提取了鹽湖的水位及面積，結合實測獲取的鹽湖水下地形數據，計算并構建庫容關系曲線，并結合氣候變化特征進行了驅動力分析。結果表明：① 2010～2011年，湖泊水量增加了0.2億m3，這一階段鹽湖還是獨立湖泊;之后上游卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖3個湖泊的湖水開始注入鹽湖，鹽湖成為流域水量“接收者”，水量開始快速增加，僅1 a就暴漲近12億m3（該階段主要為上游3個湖泊溢出水量）;2016年開始以平均每年約5.5億m3的速度上漲;9 a間，鹽湖的水量增加近33億m3，并且作為流域水量的“接收者”，鹽湖還在持續擴張。② 降水量增加是鹽湖擴張的主要因素，溫度上升引起的冰川融化和凍土融水是湖泊變化的另一氣候因素，但可能不是決定性因素。

關 鍵 詞：高原湖泊; 水量變化; 水位變化; 氣候變化; 遙感數據; 68道班鹽湖

中圖法分類號： TP79;P467

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.018

0 引 言

湖泊是氣候變化敏感的指示器，湖泊的演變是所在流域水量平衡的結果[1]。青藏高原作為“地球的第三極”，擁有海拔最高、面積最大、數量最多的高原湖泊群。近些年來，氣候變暖引起的多年凍土退化和冰川退縮已經得到了許多研究者的證實，這些因素在湖泊發育中起著越來越重要的作用。由于全球氣候變暖所帶來的影響，自20世紀80年代以來，青藏高原湖泊數量開始逐步增加，面積逐漸增大。區域湖泊的擴張開始對自然環境和野外基礎設施產生威脅，因此高原地區的湖泊變化引起了廣泛關注。

在早期的湖泊觀測中，主要以傳統的地面觀測方法為主，傳統的觀測方法雖然可以獲得較為準確的地面觀測數據，但是由于費時費力，并且對于人跡罕至的高原地區來說，無法獲得長期穩定的湖泊觀測數據。隨著遙感技術的發展，遙感數據逐漸成為環境監測和資源調查等方面可靠的數據源，國內外許多學者開始利用遙感數據開展青藏高原湖泊變化的研究。李建成等[2]使用Envisat-1測高衛星提取了長江中下游幾個主要湖泊的水位，證明了測高衛星在內陸湖泊水位提取方面的可行性。Zhang等[3]對青藏高原ICESat衛星過境的所有湖泊進行了水位提取，為高原湖泊提供了較為精確的水位數據。宋春橋等[4]利用 CryoSat-2 測高衛星提取了納木錯2003～2013年的水位，并通過與實測數據對比，進一步分析了湖泊近10 a的水位變化規律。Zhu等[5]利用Landsat 遙感影像提取了納木錯的湖泊面積，結合湖泊的水下地形數據，對不同時期湖泊面積與庫容的對應關系進行分析，基于此計算納木錯多年的水量變化。

可可西里地區地處青藏高原腹地，由于地理位置的獨特性以及惡劣的自然條件，區域受人類活動干預影響較小，多重因素的加持使得可可西里地區湖泊群在研究高原湖泊自然條件下的演化方面具有得天獨厚的優勢。2011年9月，卓乃湖受持續的強降雨影響，湖泊水位上漲，于湖泊東南側地勢低洼處發生外溢，湖水大量流入下游庫賽湖，短時間內的大量來水使得庫賽湖蓄滿溢出，湖水流入海丁諾爾湖，由于海丁諾爾湖無法承載上游來水，進而也發生外溢，流入下游68道班鹽湖[6]。卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖和鹽湖之間因卓乃湖潰決自上而下建立了水力聯系，位于最下游的鹽湖目前成為了流域地表徑流的最終“接收者”。由于鹽湖的持續擴張以及潛在的溢流威脅，目前尚不清楚上游湖泊溢流對于鹽湖產生的影響，并且由于缺乏長期監測數據，無法研究鹽湖水量的變化規律和對于區域氣候變化的響應。因此，本文針對卓乃湖溢流后鹽湖變化的現狀，基于高原河湖立體監測系統[7]，以CryoSat-2測高數據和Landsat遙感影像數據以及多波束水下地形數據作為數據源，對湖泊的水位及面積進行了提取，并與庫容數據相結合構建了鹽湖的水位-面積-庫容關系曲線，分析了2010～2018年鹽湖水量變化趨勢，并對鹽湖變化的影響因素進行了探討。

1 研究區域概況

卓乃湖-鹽湖流域位于青海省西南部玉樹藏族自治州境內，該區域位于唐古拉山、昆侖山之間，屬于可可西里地區的核心區域，絕大多數地區沒有受到現代人類活動干預，平均海拔高度在4 400 m以上，氣候干旱寒冷，植被類型較為簡單，流域內湖泊分布自上而下分別為卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖和鹽湖（見圖1）。2011年卓乃湖溢流以前，卓乃湖-鹽湖流域內的湖泊為各自獨立的湖泊;溢流發生以后，原本各自獨立的湖泊水系相互貫通，水量平衡被打破，由于鹽湖在流域內海拔最低，因此整個流域的水量開始在鹽湖匯集，鹽湖開始逐年擴張，并對下游基礎設施安全構成威脅[8]。

2 數據源和研究方法

2.1 數據源

遙感數據主要為Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI衛星數據，數據來源于美國地質勘探局USGS（https：∥earthexplorer.usgs.gov）。在本次研究中，選用的是2010～2018年的鹽湖影像數據，該流域降水主要集中在6～9月，而12月初至次年5月初為流域內主要湖泊的封凍期，己有研究結果表明：在自然條件下，高原湖泊面積受各種因素影響年內變化較大，但一般在9～12月份變化不大，湖泊最大面積變化率不會超過2%[9]。因此，本文在遙感影像選擇上，盡量選用9～12月的無云日影像數據，且以汛期結束后10～11月數據為最佳。另外，使用云層覆蓋率較小或者云層對于研究區域無影響的數據。如果當月數據受到云層影響，則結合相鄰月份的數據對水體邊界進行解譯。

衛星測高數據為CryoSat-2/SIRAL數據，數據來源于歐洲航天局CryoSat-2科學服務器（https：∥science-pds.cryosat.esa.int/），衛星軌道高度為717 km，傾角92°，衛星運行周期為369 d并伴隨著30 d的子循環（369 d的周期由連續變化的30 d重復模式組成）[10]。本文使用的為Level-2級數據，該數據級別是經過波形重跟蹤后的沿軌表面高程數據，時間跨度為2010～2018年，可以滿足大多數的科學研究應用。

多波束水下地形數據來源于長江科學院2018年鹽湖流域科學考察，使用的儀器為Teleyne Reson公司的SeaBat T50-R。

氣象數據來自青海省五道梁氣象站，由中國氣象局國家氣象信息中心（NMIC）提供，是目前唯一能代表鹽湖流域的氣象站。

2.2 湖泊面積提取方法

可見光波段和近紅外波段的運算可以增強遙感影像中的水體信息，因此本文使用歸一化差異水體指數（NDWI）[11]進行研究區域內水體提取，計算公式為

NDWI=ρGreen-ρNIRρGreen+ρNIR（1）

式中：ρGreen為綠光波段，在Landsat 5 中為第2波段，在Landsat 8中為第3波段;ρNIR為近紅外波段，在Landsat 5和Landsat 8中，對應為第4波段和第5波段?；诿總€湖泊的原始圖像，對湖泊邊界進行視覺檢查和人工編輯，所有的地圖和圖像數據投影到UTM坐標系。

2.3 衛星測高數據處理方法

星載雷達測高儀垂直向下發射高頻脈沖信號，經過地表反射回到天線，通過脈沖由反射到接收的時間差（Δt），計算衛星到地球表面的距離（HRange），結合衛星的軌道高度（HAltitude），衛星測高的湖泊水位計算公式為[12]

HRange=cΔt2（2）

H=HAltitude-HRange-σCorrect（3）

式中：H為湖泊水位;HAltitude為測高儀的橢球高度;HRange為測高儀的觀測距離;σCorrect為各項誤差改正;c為光速，計算時取3×108 m/s。

由于內陸湖泊環境因素并不像海洋環境那么復雜，在對海洋水體計算時所使用的海潮、逆氣壓等校正因素對于內陸水體來說影響相對較小，因此對于內陸湖泊不能完全應用海洋水體的改正方式。對于內陸水體誤差改正主要為

σCorrect=Cdry+Cwet+Clono+CSet+CPol（4）

式中：Cdry為干對流層改正;Cwet為濕對流層改正;Clono為電離層改正;CSet為固體潮改正;CPol為極潮改正。

在本文中，采用的數據編輯準則為：① 根據Landsat影像提取到的湖泊水體邊界，篩選湖面水體范圍以內的點（借助surf_type_flags等參數進行控制）;② 根據各改正項有效范圍，對數據質量進行控制;③ 根據周期內各水位高程點的高程值與高程均值確定中誤差，對各水位點高程差值大于3倍中誤差的異常點進行剔除[13]。

3 結果和討論

3.1 湖泊面積和水位變化

2010～2018年鹽湖水體面積分布如圖2所示，通過解譯的水體邊界，可清楚地看到鹽湖水體歷年邊界的變化情況?？梢园l現：鹽湖面積在2011～2012年才開始猛增，由于水體面積很小，開始時主要向四周擴張;2012～2015年鹽湖進入緩慢擴張期，面積變化不顯著;在2016年以后擴張加速，水陸交界地帶變化明顯，湖泊擴張方向主要為東南向。

圖3顯示了2010～2018年鹽湖面積與水位隨時間的變化，可以看出：9 a間鹽湖水位上漲了23.3 m，湖泊面積擴張了146.6 km2，面積變化率為303%。在2011年卓乃湖發生溢流以前，鹽湖面積和水位無明顯變化，面積和水位年平均值分別為45.5 km2和4 441.0 m;2011年卓乃湖發生溢出后，由于上游的卓乃湖、庫賽湖和海丁諾爾湖來水，鹽湖變為流域徑流“接收者”，水位和面積開始快速增加，僅2011～2012年，湖泊面積就擴張了62.5 km2，年均水位上漲了近10.0 m。2012～2016年，鹽湖開始進入穩定上升期，面積年平均值為146.9 km2，水位年平均值為4 456.4 m;2016～2018年，擴張開始加速，面積和水位分別開始以平均12.6 km2/a和1.9 m/a的速率上升。

3.2 湖泊水量變化

基于獲得的鹽湖水下地形數據，計算鹽湖容積，并結合提取的不同時期湖泊水位和面積數據，構建了湖泊的水位-面積-庫容關系曲線，分析不同時期湖泊的水量變化。

通過構建的鹽湖庫容關系曲線，計算2010～2018年鹽湖的水量變化過程。2010～2018 年間，水位上漲了23.3 m，水量增加了約 33.0億m3。2010～2011年，湖泊水量增加了0.2億m3，這一階段鹽湖還是獨立湖泊，主要是受流域降水及冰川融水影響;之后在卓乃湖溢流影響下，卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖3個湖泊的湖水開始注入鹽湖，鹽湖水量開始快速增加，僅1 a就暴漲近12.0億m3（該階段主要為上游3個湖泊溢出水量），并且之后5 a（2012～2016年）以平均每年1.5億m3的速度上漲;2016年水量上漲速度加快，可能是受到降水量增加以及氣溫升高使冰川融化補給湖泊等氣候因素影響，平均每年上漲約5.5億m3。

3.3 影響因素

氣象因子的累積距平可以很好地反映氣象因子相對于均值的累加量，因此使用氣象因子的累積距平進行相關性分析能更好地反映氣象因子對湖泊的影響[14]。利用CryoSat-2提取的鹽湖水位高程數據，結合五道梁站的氣象數據，對影響湖泊變化的各氣象要素進行了量化分析。相關性分析結果表明：湖泊的水位變化與年降水量距平呈顯著正相關（0.90），與年平均溫度距平呈顯著正相關（0.88）（p<0.01），與湖泊年蒸發量呈負相關。相關性分析表明降雨量、溫度、蒸發量變化對湖泊水位變化產生了重要影響。

3.3.1 降 水

對可可西里地區內五道梁氣象站的多年降水數據進行統計分析，鹽湖流域的降水月份主要為5～9月，每年的6～9月為流域內汛期，結合多年降水量分析，年均降水量為328.4 mm，汛期平均降水量為全年降水量的83.4%，汛期結束后的降雨為全年降雨量的3.4%。從年平均降水量變化趨勢來看，近30 a降雨量逐年上升（見圖4），特別是進入2000年，降水量明顯上升，平均每10 a增長35.6 mm。2003年以來年平均降水量為352.4 mm，較之前偏多21.4%，2007年以來降水量急劇上升，鹽湖水位和面積與年降水量的上升區域具有較好的一致性，這可能是流域內湖泊擴張的主要原因。2010年以后，降水量連續出現高值，并且由于上游持續的來水，湖泊開始平穩上升;2016～2018年，降水量出現歷史時期最高值，同時湖泊擴張速率較之前也上漲近一倍。因此，降水量增多可能是引起鹽湖擴張的主要原因[15]。

3.3.2 氣 溫

從1990～2018年可可西里地區年平均氣溫變化圖來看（見圖5），多年平均氣溫呈上升趨勢，從變化的時間節點來看，區域湖泊變化與年平均氣溫的變化具有較好的一致性。2009年開始，年平均氣溫遠遠高于多年氣溫平均值，區域湖泊由此也開始進入快速擴張期。氣溫的上升帶來的直接后果就是流域內的冰川、永久積雪融化，凍土層的深度變淺，凍結時間縮短[16]，冰川和凍土融水直接補給流域內湖泊。結合全國第二次冰川編目[17]分析來看，進入21世紀，在全球氣候變暖的大背景下，整個可可西里地區冰川成萎縮狀態。本文統計了1990～2018年流域內冰川面積的整體變化情況（見圖6），流域內湖泊擴張時期，冰川與常年積雪面積呈萎縮態勢，但是由于流域內湖泊均與冰川和常年積雪距離較遠，因此可能冰雪融水難以對流域內湖泊形成直接有效的補給。另外，根據該區域內五道梁站的多年凍土變化監測數據顯示：自20世紀80年代開始，流域內凍土厚度開始逐年變薄，凍土凍結時間變短，但研究認為只有很少的一部分凍土融水能轉化為流動地下水[18]。綜合分析認為：雖然溫度的上升導致了區域的冰川和凍土融化，但是真正對于流域內湖泊的補給可能有限，因此鹽湖的擴張可能受溫度上升帶來的影響，但不是鹽湖擴張的決定性因素。

3.3.3 蒸 發

1990～2018年的鹽湖蒸發量變化如圖7所示，鹽湖多年平均蒸發量為771.3 mm，在估算的29 a中，湖泊多年蒸發量在615.4～921.7 mm之間，總體呈下降趨勢，但下降趨勢并不明顯。通常認為，溫度的上升會導致湖泊蒸發能力的增強，而研究區域內湖泊的蒸發量呈下降趨勢。Guo等[19]的研究發現日照時數和風速的變化是導致湖泊蒸發能力變化的重要因素。因此，對研究區域的日照時數和風速數據進行分析，發現研究時段內年日照時數和風速（見圖8）都呈下降趨勢，這可能是導致流域內湖泊蒸發能力下降的主要因素。進一步分析發現：自2010年以來，多年湖泊蒸發量均值低于研究時段多年平均值，由于鹽湖是內流湖，而湖泊蒸發是湖泊水量的唯一輸出，因此蒸發量的減少可能是由湖泊水面蒸發能力的下降所導致。

3.4 討 論

本文以鹽湖作為研究區，利用衛星測高數據及遙感影像數據提取了鹽湖的水位和面積，并結合水下地形數據構建了鹽湖的庫容曲線，詳細地說明了鹽湖在卓乃湖溢流前后的水位、面積及水量變化。卓乃湖在2011年9月發生溢流，而鹽湖在2011年沒有明顯變化，說明庫賽湖和海丁諾爾湖在一定程度上緩沖了上游卓乃湖來水量，之后相繼外溢，導致鹽湖在2011～2012年開始快速擴張。在2013年以后，鹽湖增長相對緩慢，這表示鹽湖結束了依靠上游卓乃湖、庫賽湖和海丁諾爾湖外溢湖水的擴張時期[8]，這一階段鹽湖擴張的主要原因是其作為流域水量的最終“接收者”，4個流域增加的水量均在此匯集。

從影響湖泊變化的氣候要素來看，對五道梁站的氣象數據進行分析，降雨量的逐年增加和氣候變暖導致的冰雪融化及凍土融水是區域湖泊擴張的主要因素[20]，但由于卓乃湖-鹽湖流域距離冰川較遠，并且受蒸發和下滲的影響，冰川融水可能難以直接有效地補給湖泊[21]。蒸發量的下降雖然減少了湖泊面積擴張的速度，但并不是面積增大的原因。由于數據資料的限制，本文只使用遙感影像數據和水下地形數據對于鹽湖2010～2018年的變化進行了初步分析。另外，在分析湖泊變化的驅動要素時，由于其余氣象站距離研究區域太遠，只采用了五道梁氣象站的數據及部分實測數據進行分析，因此可能與區域實際情況存在一定的誤差。在后續的研究中應考慮利用實測數據對遙感數據進行驗證，并結合GPCP等氣象衛星觀測數據對于研究區域氣象數據進行補充。

4 結 論

本文利用2010～2018年鹽湖的CryoSat-2測高數據和Landsat遙感影像數據，結合實地勘測獲取的湖泊水下地形數據，分別提取了不同時期的水位和面積，并基于此構建了鹽湖的庫容關系曲線，結合氣候變化特征進行了驅動力分析，得到如下結論。

（1） 利用CryoSat-2衛星測高數據和Landsat影像數據提取2010～2018年鹽湖水位和面積發現，9 a間水位上漲了23.3 m，湖泊面積擴張了146.6 km2，面積擴張了近3倍。2011年以前，鹽湖面積和水位無明顯變化;2011年卓乃湖發生溢出后，由于上游的卓乃湖、庫賽湖和海丁諾爾來水，鹽湖變為流域徑流“接收者”，水位和面積開始快速增加，僅2011～2012年間，湖泊面積就擴張了62.5 km2，年均水位上漲了近10 m;2012～2016年，鹽湖開始進入穩定上升期，面積年平均值為146.9 km2，水位年平均值為4 456.4 m;2016～2018年，擴張開始加速，面積和水位分別開始以12.6 km2/a、1.9 m/a的速率上升。

（2） 利用實際勘測獲取的湖泊數據結合提取的不同時期對應的水位和面積，構建鹽湖的水位-面積-庫容關系曲線。2010～2011年，湖泊水量增加了0.2億m3，這一階段鹽湖還是獨立湖泊，主要是受流域降水及冰川融水影響;之后在卓乃湖溢流影響下，僅1 a就暴漲近12億m3（該階段主要為上游3個湖泊溢出水量），并且之后5 a（2012～2016年）以平均每年1.5億m3的速度在上漲;2016年以后平均每年上漲約5.5億m3。9 a間，鹽湖的水量增加近33億m3，并且作為流域水量的“接收者”，鹽湖還在持續擴張，應當引起持續關注。

（3） 以降水量、溫度、蒸發為主要因素，對鹽湖水位進行相關性分析發現，降水量的增加是湖泊擴張的主要原因，溫度上升引起的冰川和常年積雪融化以及凍土融化也是引起鹽湖擴張的氣候要素之一。

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（編輯：謝玲嫻）

Analysis on water volume changes and influencing factors of 68 Daoban Salt Lake in Hoh Xil in recent ten years

YUAN Kang，TAN Debao，ZHAO Jing，WEN Xiongfei

（Spatial Information Technology Application Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Due to the impact of global warming，lakes on the Qinghai-Tibet Plateau have begun to gradually expand，posing a threat to the natural environment and field infrastructure.In order to study the impact of climate change on lake water volume，based on CryoSat-2 satellite altimetry data and Landsat remote sensing image data of the 68 Daoban Salt Lake （Salt Lake） in the hinterland of Hoh Xil，Qinghai Province from 2010 to 2018，we extracted the water level and area of the Salt Lake respectively，and combined with the measured underwater topographic data to construct a water level-area-volume relationship curve.Based on the characteristics of climate change，we analyze the driving force of Salt Lake variation.The results showed that：① from 2010 to 2011，the water volume of the lake increased by 20 million cubic meters，and the Salt Lake was still an independent lake at this stage.After that，the water from the three upstream lakes，Zhuonai Lake，Kusai Lake and Haidingnuoer Lake began to inject into the Salt Lake，then the Salt Lake became the "receiver" of water in the basin，and the water volume began to increase rapidly，rising by nearly 1.2 billion cubic meters in just one year.In 2016，the water volume started to rise at an average rate of about 550 million cubic meters per year.In the past 9 years，the water volume of Salt Lake increased by nearly 3.3 billion cubic meters，and as the "receiver" of water in the basin，Salt Lake continued to expand.② Increasing rainfall is the main factors for the expansion of the Salt Lake.Melting glaciers and permafrost meltwater caused by increasing temperature may be another climatic factor for lake changes，but not the decisive one.

Key words：

plateau lake;water volume change;water level change;climate change;remote sensing data;68 Daoban Salt Lake