2016, Vol. 28 
(2: 西藏高原大气环境科学研究所, 拉萨 850001)
(3: 西藏自治区气候中心, 拉萨 850001)
(2: Tibet Institute of Plateau Atmospheric and Environmental Science Research, Lhasa 850001, P. R. China)
(3: Tibet Climate Center, Lhasa 850001, P. R. China)
湖泊作为一个区域水体的总汇，与大气、生物、土壤等多种要素密切相关.在全球气候变暖的大背景下，由于高原生态环境脆弱，高原冰川积雪、湖泊水位、结冰周期等都有明显的变化[1].
西藏是我国湖泊最多的地区，大小湖泊1500多个.湖泊总面积为24183 km2，约占全国湖泊总面积的1/3.其中纳木错、色林错、扎日南木错面积均在1000 km2以上[2].按照面积统计，西藏湖泊中有97.9%属内陆湖，可见湖泊在西藏内流水系中占有重要的地位[3].
青藏高原湖泊受人类活动直接影响较小，大多数湖泊水量变化主要受自然气候因素的控制，湖面变化趋势和过程能够很好地反映气候变化历史，其面积和容积变化是流域内气候变化最为敏感的标志之一[4].因此，分析和研究湖面变化趋势与气候因子关系，将有利于认识生态环境现状，为合理利用水资源和开发盐湖资源，以及研究青藏高原的湖泊演化和气候、环境变迁都具有重要意义.由于青藏高原大部分气候干燥，地理位置特殊，地形地貌复杂，因此湖泊变化也多种多样.
闫立娟等[5]将青藏高原湖泊分为3个动态变化区:西藏西南部为稳定萎缩区、青海北部为萎缩区以及西藏东北部大部分地区和青海南部为稳定扩张区.认为其变化主要受气候因素的影响.李均力等[6-7]结果表明，三十多年来青藏高原湖泊总面积增长27.3%，并且呈加速扩张趋势，认为近40年青藏高原气候暖湿化程度明显，气候变化对湖泊面积变化影响显著.同样有研究表明西藏南部主要湖泊羊卓雍错近年来面积减少、水位下降[8-10]. 1974-2003年西藏西南部玛旁雍错流域冰川总面积减少了7.27 km2, 平均退缩速率0.24 km2/a，湖泊总面积减少37.58 km2, 平均退缩速率1.25 km2/a[11].认为气温上升和降水量减少是玛旁雍错流域内冰川消融与退缩的主要原因.目前西藏北部典型湖泊如纳木错、色林错研究比较多，陈锋等[12-13]研究表明，自1970年以来，由于气温上升趋势明显，纳木错流域冰川整体呈退缩趋势.边多等[14]研究认为，藏北色林错2008年的湖面面积比1975年增长了574.46 km2，增长速度为35.4%，气温升高、冰雪融水量增加是根本原因.孟恺等[15]也认为气温升高所致上游冰川的加速消融是色林错近10年湖面快速变化的主要因素，冰川融水直接导致色林错湖面上涨约8 m, 降水量的增加是影响湖面变化的次要因素.袁云等[16-17]研究表明，青海湖水位的变化总可分为2部分：一是趋势项，几乎为线性单调下降，为非气候因素；二是波动项，为气候因素，认为气候的干旱化趋势是42 a来青海湖水位持续下降的主要原因.刘瑞霞等指出，湖泊在没有冰川等水源补给的情况下、降水减少、气温升高、蒸发量增大是导致青海湖湖面面积减小和水位下降的主要原因[18].
综上所述，青藏高原湖泊既有萎缩趋势、又有扩张趋势，上述研究大多集中在西藏西北部典型湖泊以及西藏一些湖泊面积较大区域，而对西藏南部和相对较小的湖泊研究涉及很少，同时这些研究仅仅在湖泊面积变化上进行研究，对湖泊高程变化研究甚少.因此，本研究以佩枯错为例，利用1975-2013年Landsat(MSS、TM、ETM+)数据获取佩枯错湖泊面积变化，结合2003-2009年ICESat(Ice, cloud, and land elevation satellite)高程数据对其水量变化进行估算，结合1971-2013年气象数据(降水和温度)分析佩枯错流域气候变化，对近40 a来湖泊面积变化的整体特征有一个相对全面的了解以及找出湖泊面积变化的气候驱动因子.
佩枯错是西藏南部典型的湖泊，也是日喀则最大的湖泊，介于喜马拉雅山与其北面的冈底斯山之间.珠峰自然保护区是国家级自然保护区，保护区的湖泊以佩枯错为首，因此，对该流域气候变化及湖泊水面面积变化分析研究，有助于了解西藏南部区域生态环境状况变化，对自然保护区保护及可持续开发利用有重要的意义.
1 研究区概况佩枯错(28°50′N，85°35′E)位于西藏日喀则地区的吉隆县和聂拉木县的交界处(图 1)，是日喀则地区最大的湖泊，属于西藏南部主要内陆湖泊，湖泊流域面积2820 km2, 湖泊总面积300 km2，湖泊补给系数9.4，湖面海拔4594 m，为咸水湖[4]，湖泊受降水量和流域内冰川融水补给[19].研究区域属高原温带季风半干旱气候，日照较充足，干湿季分明，夏季降水集中，气温年较差较大.年日照时数2723.5 h，年平均气温3.8℃, 年降水量380.6 mm[20].佩枯错流域选用聂拉木县和定日县气象站资料，聂拉木县和定日县位于西藏日喀则地区南部、聂拉木县在喜玛拉雅山脉与拉轨岗日山脉之间，东邻定日县，西和西北靠吉隆县.聂拉木气象站海拔3810 m.地形地貌由南至北可划分为5个类型：喜玛拉雅山南麓高山峡谷区、喜玛拉雅山高山区、佩枯错高原湖盆区、琐作断陷谷区和拉轨岗日高山区, 南北高差悬殊，气候差异大.定日县在喜玛拉雅山脉中段北麓, 西靠聂拉木县.定日县气象站海拔4300 m.地处雅鲁藏布江河谷地带，地势西南高、东北低，相对高差明显.
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图 1 佩枯错流域和研究区域气象站点分布 Fig.1 Location of Peiku Tso Basin and meteorological stations |
由于佩枯错周围没有气象站，本研究选用与其较为邻近的聂拉木县和定日县气象站资料，分析佩枯错流域气候变化趋势. 1971-2013年的气象资料由西藏自治区气象局信息网络中心提供，气象参数为气温和降水量.通过研究这些参数来确定佩枯错湖面面积变化的主要气候因子.
研究区域底图采用1975年出版的1 :100000的电子版地形图.为了反映不同时期湖的分布和状态，选择陆地资源卫星Landsat(MSS、TM、ETM+)数据提取湖泊信息和ICESat卫星数据测算湖面高度.本文所用的两种卫星数据主要包括:1976-2013年间的陆地资源卫星资料和2003-2009年ICESat卫星资料.其中有2期为Landsat-MSS影像数据，时间为1976、1977年；2期为Landsat4-5TM影像数据，为1988、1991年；15期为Landsat 7 ETM+遥感影像数据，时间为1999-2013年，共计19期陆地资源数据，此外7年ICESat数据.
由于内陆湖泊在一年之内的变化很大，一般情况下9-12月却能保持面积的相对稳定, 并且湖泊最大面积变化率不超过2%[6].因此，本文中的所有卫星影像数据均为晴空资料，分析时段为每年10-12月水位相对稳定的季节.
本研究中的Landsat(MSS、TM、ETM+)图像作为主要信息源，其获取时间、数据类型、行列号、分辨率等基本信息见表 1.各期的数据分别从不同网站免费下载. ICESat数据由美国国家冰雪数据中心(NSIDC)提供.陆地资源卫星遥感数据的分辨率从28.5~57.0 m不等，其中Landsat-TM/ETM+数据的分辨率为28.5~30.0 m, Landsat-MSS的分辨率为57.0 m. ICESat/GLAS(地学激光测高系统)可测定分辨率为100 m的陆地高程，精度约10 m.
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表 1 研究区遥感数据源 Tab.1 Remote sensing data sources of the study area |
由于Landsat-7 ETM+机载扫描行校正器(SLC)出现故障导致2003年5月之后获取的图像出现了数据条带丢失，严重影响了Landsat-7 ETM+遥感影像的使用.因此，本文2003年以后的Landsat-7 SLC-off卫星遥感影像数据进行了条带修复.它是根据遥感影像处理教程，首先，下载ENVI数据修补补丁，将tm_destripe.sav复制到ENVI安装目录的Save_add下；打开ENVI4.5, 在主菜单BASIC TOOL里选preprocessing—General Purpose Utilities—TM去条带(改进)；添加需要补缺的图层；添加掩膜数据层，在Mask Definition界面的Options下选择"Select Areas ‘Off’"；添加数据范围：这里全填写0，点击OK！这里可以选择file存好路径点击OK；组合图像，形成完整的一幅影像.
2.2 研究方法首先在ENVI遥感图像处理软件下，对所有影像进行彩色合成, 导出带有地理信息的Geotif文件.通过假彩色合成, 水体在合成后的影像中均表现为蓝黑色.其次，对所有卫星影像数据进行几何校正，利用1977、1988和2000年的马里兰大资料作为基准图进行校正，1976年资料用1977年基准图进行校正，1991年资料用1988年基准图进行校正，1999-2013年资料用2000年基准图进行校正.所有图像误差控制在一个像元之内，且选择通道组合突出湖泊水体的遥感信息.最后，利用ARCVIEW GIS 3.3和ARCMAP软件对1976-2013年的湖泊数据进行数字化、编译、提取边界和计算湖泊水体面积，将不同年份的(选取变化比较大的年份)湖泊面积叠加、制图.由于2003年以后ETM卫星数据有条带，因此2003-2013年的资料经过修复条带以后进行湖泊面积数字化.
气象要素趋势变化率采用下式进行估计：Y=a0+a1·t，式中：Y为气象要素，t为时间，a0为常数项，a1为线性趋势项，把a1×10表示为气象要素每10年的气候倾向率(变化趋势)，常年平均值采用1981-2010年30 a平均值.
3 湖泊变化特征分析 3.1 湖泊水体面积变化从1970s末至2013年遥感影像中提取出湖泊信息, 通过分析可以看出，1975-2013年佩枯错湖面面积变化总体呈减少趋势(图 2)，近40 a间湖泊面积减少10.68 km2，减幅为3.79%.具体表现为：1975-1988、1975-1999和1991-1999年湖泊面积都在减少，分别减少2.19、6.53和0.83 km2. 2000年以后湖泊面积有增有减，2000-2013年湖泊面积减少了5.21 km2，特别是2009年，达到最低值(267.76 km2).与1975年相比，2000和2011年分别减少了5.47和13.47 km2，减幅分别为1.94%和4.78%. 1975-2013年间有些年份有所扩张，但由于萎缩程度大于扩张程度，因此总体上1975-2013年间湖泊面积呈萎缩趋势.
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图 2 1975-2013年佩枯错湖泊面积变化 Fig.2 Annual change of lake area from 1975 to 2013 in Peiku Tso |
除利用Landsat遥感数据进行佩枯错湖泊面积统计分析外, 还选择具有代表性的年份对其空间动态变化进行分析.对比1976、1999和2012年的卫星影像图，结果表明，1976-2012年间变化较明显的区域位于佩枯错的南岸和东北岸(图 3)，南岸、东北岸湖岸线分别向北、向西南萎缩. 1976年与1999年对比，其面积从280.21 km2减少到275.25 km2，减少了4.96 km2，减幅为1.77%. 1999年与2012年对比，其面积从275.2 km2减少到270.32 km2，减少了4.93 km2，减幅为1.79%.
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图 3 1976、1999和2012年佩枯错空间动态变化 Fig.3 Spatial dynamic variations of Peiku Tso in 1976, 1999 and 2012 |
为了更清楚地了解佩枯错在时间和空间上的变化特点, 除了利用LandSat遥感数据进行湖泊面积统计分析外, 还利用ICESat 2003-2009卫星数据对湖泊高度变化进行研究，同时结合对应时段的湖泊面积变化进行分析，可以明显看出，2003-2009年佩枯错湖面高度、湖泊面积均呈现明显下降趋势，分别下降了0.17 m、4.4 km2.湖面高度变化与湖泊面积变化曲线基本一致, 2004年湖面高度最高，同时湖泊面积也最大；2009年湖面高度最低，同时湖泊面积也最低(图 4). 2004-2009年间湖面高度下降了2.2 m，湖泊面积下降了6.5 km2，这6年间湖面高度与湖泊面积之间的相关系数达到0.689，通过了0.05的信度检验.
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图 4 2003-2009年佩枯错湖面高度与湖泊面积变化 Fig.4 Lake elevation and lake area changes of Peiku Tso from 2003 to 2009 |
佩枯错属于降水和冰雪融化补给湖泊，气温和降水对湖泊面积变化有重要影响.因此本节将对该区域的气温、降水数据进行分析讨论.
4.1 年平均气温对佩枯错流域2个气象站年平均气温进行算数平均后的变化趋势分析来看：1971-2013年年平均气温呈显著上升趋势，平均每10年升高0.3℃(图 5a). 1970s 1990s以气温偏低为主，进入21世纪后，气温快速升高. 2000-2013年平均气温为4.0℃，较常年平均值(1981-2010年)偏高0.5℃；2006年气温最高值为4.6℃，较常年平均值偏高1.1℃；1997年平均气温为2.5℃，为43 a的最低值，较常年平均值偏低1.0℃.
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图 5 1971-2013年佩枯错流域年平均气温(a)和年平均降水量(b)变化 Fig.5 Changes of annual mean temperature(a) and annual mean precipitation(b) in the Peiku Tso Basin from 1971 to 2013 |
1961-2013年西藏地表年平均气温也呈显著上升趋势，平均每10年升高0.31℃. 2013年西藏地表平均气温为4.3℃，比常年平均值偏高0.6℃，同样佩枯错流域气象站地表平均气温为3.8℃，比常年平均值偏高0.3℃[20].
4.2 年平均降水量从佩枯错流域2个气象站点1971-2013年年降水量进行算数平均后的变化趋势分析来看(图 5b)，近40 a来年际变化波动较大，年平均降水量呈减少趋势，平均每10 a减少6.99 mm.其中1988年平均降水量最高，为539.8 mm, 较常年(1981-2010年)平均值高146.8 mm；1974年平均降水量最低，为273.8 mm，较常年平均值低119.2 mm. 1970s 1990s以降水量偏高为主，进入21世纪后，降水量以偏低为主.
总之，佩枯错流域近40 a来气温升高、降水量减少.气温的升高使得冰川融化，冰川融水注入湖泊；同时，降水量的减少导致补给湖泊水量变小，这2个要素的变化对湖泊面积缩小、湖泊高度下降具有较大贡献.
4.3 冰川变化对湖面变化的影响随着全球气候的波动变暖，特别是自1990s以来，青藏高原冰川基本上转入全面退缩状态，强于20世纪任何一个时期，特别是喜马拉雅山冰川、藏东南山地和横断山区冰川以及昆仑山与喀喇昆仑山冰川普遍处于消融退缩状态[21].佩枯错受降水量和流域内冰川融水补给，需进一步对该流域的冰川进行分析，探究到底是什么因素导致佩枯错面积减少.
冰川变化是气候变化的反映.在气象要素中，气温和降水与冰川进退变化的关系最为密切，其支配冰川进退变化的气象要素关键是温度[22].姚檀栋等[23]认为喜马拉雅山脉西段的纳木那尼冰川正在强烈萎缩.
佩枯错流域周围冰川分布较广，冰川规模也较大，主要有康波钦峰和希夏邦马峰.根据《简明中国冰川目录》，佩枯错流域属于恒河水系，恒河水系发育有冰川2192条，冰川面积3609.28 km2，冰储量329.76 km2，这一带冰川平均面积达1.65 km2[24].
本文选取1999-2013年期间Landsat TM/ETM+数据，参照中国科学院寒区与旱区环境与工程研究所1980s冰川矢量编目数据，提取佩枯错流域冰川(图 6).冰川判识方法主要选择半自动判识法，即利用ARCGIS软件，首先通过波段比值法(b3/b5)来自动判识冰川区域, 之后与原始影像对比，除去不是冰川的值，最后得到冰川区域面积.
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图 6 佩枯错流域周围冰川变化示意图 Fig.6 The variation of glaciers around Peiku Tso Basin |
由于研究区所处冰川海拔较高，地理位置偏远，交通不便，通过野外观测数据对冰川进行精度验证较困难，因此以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所1980s冰川矢量编目数据作为参考，对1999年和2013年提取的冰川面积进行精度验证，每个点的精度都在80%以上.
根据1999年冰川数据，将影响佩枯错流域的冰川分成8个部分，见图 6中的编号1~8，对1999-2013年冰川面积进行动态变化分析，结果显示，该流域1999年冰川面积为216.97 km2，到2013年减少为199.8 km2，冰川呈现出退缩、减少状态(表 2)，1999-2013年间，佩枯错流域冰川面积总共减少了17.17 km2，减少率为7.91%.数据显示，8个区域冰川面积都在减小，1号冰川面积最小，减小率为2.91%，3、7号冰川面积较大，它们的减小率较大，分别达到了9.59%、10.97%.
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表 2 佩枯错流域冰川面积变化 Tab.2 The variation of glacier area in Peiku Tso Basin |
气候变化直接或间接影响着湖泊水量的收入和支出，是湖泊变迁的主要驱动因素.
由上述气象因子分析得出，1971-2013年研究区域年平均气温显著增加，年平均降水量呈减少趋势.很多专家已经研究表明青藏高原内陆湖泊增大或减少与气温、降水和蒸发有关[4, 8-10, 14, 25-28].
因2000年以前的卫星遥感资料较少且年份不连续，对2000年之后的区域降水和气温与佩枯错面积变化情况进行差值对比分析，可以看出，2000-2013年研究区域平均年降水量和佩枯错湖泊面积变化均呈下降趋势(图 7a), 而年平均气温呈上升趋势(图 7b).对应的气象资料与湖泊面积进行相关分析发现，湖泊面积与气温没有明显的线性关系，它们之间呈比较弱的负相关关系；与降水量也没有明显的线性关系，它们之间呈比较弱的正相关关系，都没有通过信度检验.这个结果可能跟卫星遥感数据和气象资料年限短有关.但这说明，佩枯错湖面增减与降水量变化有直接关系，与气温变化影响较少，况且佩枯错属于降水量和冰雪融化补给湖泊.这与以冰川融水补给为特征的纳木错、色林错、班公错3个湖泊的面积都有不同程度的增加[25-27]结论有所不同.对于西藏日喀则地区东南部多庆错、嘎拉错湖泊面积变化情况来看，近34a来虽然该流域冰川处于消退状态，但其融水量对湖泊补给作用不明显.并且该流域气候变化趋势为温度升高、蒸发量减少，降水量呈波动变化，湖泊面积的涨缩与降水量呈正相关，与温度变化呈负相关，认为降水是湖面变化的主要原因[28].同样，戴玉凤等[29]研究表明，2003-2011年佩枯错湖泊呈退缩趋势，湖泊水位下降了1.17 m，认为冬季和春季则主要是因为冬半年降水量的减少, 以上研究结果与本文的结论相一致.因此，对于西藏南部封闭的内陆湖泊来说，降水量增减是湖泊面积变化的主要原因.
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图 7 2000-2013年年平均降水量(a)和年平均气温(b)与湖泊面积差值变化趋势 Fig.7 The difference between the mean annual precipitation(a) and annual mean temperature(b) with annual lake area trend in the study area from 2000 to 2013 |
根据1975年地形图、1976-2013年Landsat(MSS、TM、ETM+)卫星遥感资料和2003-2009年ICESat /GLAS数据分析佩枯错面积、湖泊高程变化和流域周围的冰川变化，同时，通过流域周围的气象资料分析了该流域近40 a来气候变化特征，综合研究流域对气候变化的响应的情况.
从遥感资料分析得知，湖泊面积、湖泊高度均呈波动变化状态，都呈减少和退缩趋势. 2003-2009年湖面高度和湖泊面积均呈下降趋势.从空间动态分布来看，佩枯错萎缩较明显的区域位于该湖的南岸和东北岸，分别向北、向西南萎缩. 1991-2013年之间冰川呈现出退缩、面积减少状态.自1970年以来，流域气温总体呈上升趋势，2000年以后升温显著.该流域43 a来降水量年际变化波动较大，年平均降水量呈减少趋势.虽然佩枯错属于降水和冰雪融水补给湖泊，但该流域湖面增减与周围冰川变化的关系并不明显，而且与温度变化呈负相关关系，与流域内降水量正相关关系.这可以说明，佩枯错流域的湖水变化主要受降水影响，相对周围冰雪融化补给影响较少.因此，对于西藏南部内陆湖来说，降水量增减成为湖泊面积变化的主要原因，其次与温度升高也有一定关系.
湖面变化原因不外乎人类活动与自然变化两个方面的因素.在研究区域内以及湖周边人烟较少，人类活动对生态环境和湖泊水域影响不大，因此，佩枯错流域人类活动影响属次要因素，而自然变化因素(气候)属主要原因.本文对湖泊的研究工作仅限于湖面面积、湖面高度、冰川变化以及气象因子，尚未对该流域径流变化、冻土融水、生态环境变化影响等方面进行研究，有待于今后进一步深入研究，以便全面认识西藏南部内陆湖泊变化原因.
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