2017, Vol. 29 
(2: 西藏高原大气环境科学研究所, 拉萨 850001)
(3: 拉萨市气象局, 拉萨 850001)
(4: 中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室, 北京 100094)
(2: Tibet Institute of Plateau Atmospheric and Environmental Science Research, Lahasa 850001, P. R. China)
(3: Tibet Lhasa Meteorological Bureau, Lhasa 850001, P. R. China)
(4: Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, P. R. China)
陆表水域是全球水循环主要组成部分，是地表生态系统最重要的参量之一，其波动或变化体现着气候变化、地表过程及人类活动对水循环、物质迁移和生态系统变化的影响.陆表水域包括河流、湖泊、水库等[1]，IPCC第五次评估报告[2]指出湖泊作为陆表水的一种，其在气候系统中的水循环对生活在陆地上的生命来说是必不可少的.青藏高原分布着世界上海拔最高、数量最多、总面积最大的湖泊群.湖泊水资源总储量约6080×108 m3, 占中国湖水储量的70%以上.由于青藏高原高山谷地的存在，使得湖泊之间存在巨大落差，从而能够带来巨大的水能资源.东亚、东南亚和南亚的几条主要大河均发源于青藏高原[1].西藏作为青藏高原的主体，湖泊数量占多数，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地位[3].不仅如此，西藏高原内陆湖泊是气候变化的敏感指示器，监测分析高原湖泊将会帮助我们了解区域气候和环境的变化，1970s中国科学院青藏高原综合科学考察队对西藏高原的主要湖泊进行考察，并于1984年出版了《西藏河流与湖泊》，该书目前仍是西藏大部分湖泊的重要参考资料.卫星遥感在时间分辨率上的优势及其在湖泊监测中的应用，弥补了野外实地考察难、资料连续性差等缺点，可以更全面地研究湖泊的空间变化特征，尤其是高分辨率陆地资源卫星Landsat/MSS、TM、ETM+以及最新的环境减灾星HJ1A-CCD数据的免费共享对解译湖泊提供了很好的数据源.研究发现[4-6]，高原北部那曲地区和可可西里地区的湖泊总体呈扩大趋势，如色林错、纳木错和赤布张错湖泊面积近几年都趋于增加.段水强等[7]利用1976-2010年的遥感影像解译了青海羌塘盆地面积大于1 km2以上的67个湖泊面积得出, 1976-1994年研究区大部分湖泊呈萎缩状态，1994-2001年间湖泊面积趋于增加，至2007年和2010年湖泊持续扩张；在2005年1月底那曲西部湖泊调查报告中指出，当地牧民反映2002年开始湖泊水位明显上涨，这也与卫星遥感提取该区湖泊面积得出的结论一致[8-9], 如那曲西部的乃日平措、蓬错和东措等.黄卫东等[6]利用1970-2010年的Landsat TM/ETM数据对那曲南部12个湖泊进行面积提取和计算，其中11个湖泊在近40 a都处于增长状态；王丽红等[10]利用1970-2000年的地形图、航空相片和多时相TM资料针对西藏S301公路沿线的湖泊进行遥感综合分析，表明西藏S301公路沿线的湖泊以扩张为主，部分湖泊的水位上涨对公路已造成较大影响.董斯扬等[11]同样利用Landsat/MSS、TM、ETM数据提取了近40 a青藏高原湖泊面积，表明青藏高原的湖泊总体上呈加速扩张趋势，2000s-2010s时段是湖泊扩张最显著的时期，同时指出在变化差异上，北部地区及面积小于100 km2的小型湖泊的湖泊扩张程度最剧烈；张鑫等[12]分析了1972-2012年青藏高原中南部内陆湖泊水位变化特征，结果表明位于青藏高原中部地带的塔若错和扎日南木错水位呈上升趋势；车向红等[13]提取和合成了2000-2013年青藏高原逐年和逐月的湖泊范围, 结果表明2000-2013年青藏高原地区湖泊范围整体上呈较显著的扩张趋势, 湖泊总面积增加速率约为490.98 km2/a.拉巴等[14]利用1999-2009年的TM数据分析了当惹雍错湖泊面积，表明湖面面积在近11 a内呈较显著的扩大趋势，湖泊面积增长了15.04 km2, 增长率为1.8%.张月[15]分析1990-2010年近20 a当惹雍错湖面面积变化表明，该时段湖泊面积呈增长状态，但幅度很小，而2000-2010年当惹雍错湖泊面积增长幅度大于1990-2000年.
综上所述，以往虽然对高原湖泊开展过大量研究，但对当惹雍错的研究大部分以湖泊区域地质构造、湖泊沉积物、湖泊深度、湖泊同位素等研究偏多[16-21]，其面积变化研究相对较少，特别是长时间序列的研究更是甚少，本文选取的当惹雍错属藏北南部内陆湖区，咸水湖，面积位居西藏第四大湖，1976年青藏高原综合科学考察队对湖北岸表层采样时表明, 该湖pH值为9.5，矿化度为18.49 g/L，2009年9月的实地考查资料显示, 当惹雍错北部湖区是整个湖泊的深水部分，四周湖岸坡度较大，中央湖区水深超过200 m, 实测最大水深为214.48 m, 中间最窄湖区水深也超过100 m, 南部湖区实测最大水深为110 m, 当惹雍错水深仅次于长白山天池，长白山天池为中朝两国界湖，因此当惹雍错不仅是青藏高原的第一大深水湖，也可以称为面积全部位于我国境内的目前已知的第一深水湖泊[16].本文通过陆地资源卫星解译了1977-2014年近40 a当惹雍错湖面面积，并结合冰川、气温、降水和蒸发量等资料综合分析湖泊环境要素来阐述湖泊面积变化的主要原因, 可以更好地反映当惹雍错空间变化特征以及西藏高原北部干旱季风气候区内陆水域对气候变化的响应, 为今后以及全球变化的区域响应研究提供了更丰富的数据源.
1 研究区概况当惹雍错(30°45′~31°22′N，86°22′~86°49′E)位于西藏那曲地区尼玛县达尔果雪山北面, 玉彭寺西南, 当热穹宗东南边的文部南村，湖面面积约835.3 km2, 补给系数9.8，当惹雍错长70 km，宽20 km，形似一只大鹏鸟，上圆中细下部长.湖面海拔4535 m，是藏北高原腹地内陆封闭大湖.在历史时期，当惹雍错曾北与当琼错，南与许如错相连，可长达190余km，后因气候变化，湖水退缩，当惹雍错、当琼错、许如错分离.当惹雍错水源主要靠雪山融水、地表径流、地下水和大气降水补给.较大的入湖河流有达果藏布、卜寨藏布、麦弄曲.其中达果藏布发源于冈底斯山，长210.0 km, 流域面积5898.0 km2, 从南岸流入当惹雍错(图 1中汇湖处1).湖泊周围还有众多汇集雪山融水顺沟而下形成的溪流[22].
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图 1 当惹雍错流域位置示意 Fig.1 The location of Tangra Yutso Basin |
本文以Landsat TM/ETM+作为湖泊面积提取的主要数据源(表 1)，1970s、1980s和1990s遥感图像十分有限，1970s选取了1977年1月7日Landsat/MSS影像，1980s和1990s分别选取了1989年1月24日和1990年1月1日、1999年11月20日Landsat/TM影像，2000s后遥感影像相对丰富，每年都有数据，都为Landsat/ETM影像, 由于夏季西藏高原以多云天气为主，所得的遥感数据影响湖泊面积的解译，因此本文选取的数据偏重于秋、冬季的晴空数据，1977年和1989年影像数据从美国USGS网站(http://earthexplorer.usgs.gov，http://glovis.usgs.gov/)下载获得，2001年数据从马里兰大学网站(http://glcf.umiacs.umd.edu)下载获得，其他数据均从地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn)所得. Landsat TM和ETM数据的分辨率为28.5~30.0 m，Landsat MSS的分辨率为57.0~60.0 m.所有数据投影为UTM, WGS84坐标系.
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表 1 研究区遥感数据源及卫星传感器特性 Tab.1 Remote sensing data sources and senser features |
气象数据包括湖泊最近那曲地区申扎气象站(30°34′12″N, 88°22′48″E)和阿里地区改则气象站(32°18′0″N, 84°04′12″E)1973年以来的气温、降水量以及蒸发量数据.
冰川数据包括2000-2014年冰川区域Landsat/ETM影像以及中国科学院寒区与旱区工程研究所提供的1980s冰川失量编目数据，来源于国家自然科学基金委员会"中国西部环境与生态科学数据中心"(http://westdc.westgis.ac.cn)下载获得，该数据是以典型冰川地形图等图纸数据为数据源，通过ArcView软件人工数字化完成的SHP格式冰川矢量数据.利用该编目数据作为参考，提取了2000-2014年流域冰川数据.
3 研究方法由于两景影像才能覆盖研究区域，借助ENVI软件对Landsat数据进行拼接，去条带，几何校正等数据前期准备工作，去条带利用ENVI 5.1软件，为了确保影像去条带之后的精度，选取了与Landsat影像2013年11月26日同期的环境减灾星CCD1数据，以CCD1数据作为真值，对去条带之后的Landsat影像进行精度验证，结果表明两者相对误差为1.07%，说明去条带之后的Landsat影像精度较好，可以作为提取湖泊面积的数据；几何校正过程中以马里兰大经过正射校正的Landsat ETM图像作为参考，对所有数据进行控制点矫正，误差控制在一个像元以内.之后利用ArcView 3.3软件对所选湖泊进行人机交互屏幕数字化来提取湖泊信息，采用变化率和年平均变化速率作为湖泊面积变化评价指标；对气候要素进行距平和标准差以及气候倾向率计算.
冰川数据通过中国科学院寒区与旱区工程研究所提供的1980s冰川矢量编目数据作为参考，提取了湖泊南北冰川分布，有研究指出[23]在利用波段比值法提取冰川信息是目前最有效的方法之一，而在阴影区采用波段3比波段5，非阴影区采用波段4比波段5有较理想的效果，考虑到研究区域冰川分布范围山峦众多，采用B3/B5进行计算.
4 湖泊变化分析 4.1 当惹雍错湖泊面积变化特征分析通过1977-2014年Landsat/TM和ETM+数据显示，当惹雍错湖泊面积整体呈上升趋势(图 2).具体为：当惹雍错1977-2014年最大湖面面积为856.01 km2, 出现在2014年，最小湖面面积为822.91 km2，出现在1990年，平均湖面面积为835.75 km2, 1977年湖面面积为829.15 km2, 湖面在1980s和1990s出现了一次萎缩状态，到1999年湖面面积恢复到829.92 km2, 与1977年湖面面积基本相同. 2000-2009年湖泊面积变化不大，在826.07~836.92 km2之间；2010和2013年湖泊面积分别为841.54和840.93 km2，到2014年湖泊面积扩大到856.01 km2.为了统计面积变化情况，分别选取1977-1989、1990-1999和2000-2014年3个时间段, 得出1977-1989年湖泊面积变化率为0.19%，年平均变化速率为0.02%；1990-1999年湖泊面积变化率为0.85%，年平均变化速率为0.09%；2000-2014年湖泊面积变化率为2.91%，年平均变化速率为0.2%；可见当惹雍错在进入2000年之后面积变化率明显增加.
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图 2 1977-2014年当惹雍错面积变化趋势 Fig.2 The area change trend of Tangra Yutso during 1977-2014 |
1977-2014年当惹雍错湖面空间动态变化特征可见(图 3)，近40 a湖泊A、B、C区部位水域变化最明显，其中A区部位从2001年开始向西扩展，该区也是当惹雍错河流汇湖处之一；B区小湖在2014年明显扩大，与整体湖泊基本相连. C区部位为达尔果藏布入湖处，是当惹雍错最大河流入口处，该区从1990年开始就有扩大趋势，2000年之后扩大更明显，逐渐向东扩展.这与拉巴等[14]分析的当惹雍错1999-2009年空间变化特点结论一致.结合遥感影像(图 4)可见，A、B、C三区分别为影像的黄圈、红圈和篮圈位置.整体上看，当惹雍错下半部湖面扩大范围较明显于上半部.
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图 3 1977-2014年当惹雍错湖面空间变化 Fig.3 Spatial changes of Tangra Yutso during 1977-2014 |
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图 4 1977-2014年当惹雍错水域空间变化影像 Fig.4 Spatial changes of Tangra Yutso images during 1977-2014 |
与全球地表平均温度升高趋势一致，近50 a(1961-2010年)西藏平均气温明显升高，增温速率为0.33/10 a, 特别是冬季增温最为显著；年降水量表现为增加趋势，平均每10 a增加8.0 mm; 日照时数、蒸发皿蒸发量和平均风速也都呈现出显著的减少趋势[24].黄卫东等[6]对藏北那曲、安多、班戈和申扎气象站1966-2010年的气温、降水和蒸发量进行分析，得出气温在近45 a呈上升趋势，西部申扎的气温最高；年降水量在近45 a同样呈上升的变化趋势; 1970—2009年间4个气象站点的蒸发量呈下降趋势.拉巴等[14]通过1999-2009年改则气象站和申扎气象站的平均气温和降水量进行分析得出, 1999-2009年平均气温为0.85℃，在2000年达到最低值，2009年达到最高值；1999-2009年改则、申扎县平均年降水量总体无显著增长趋势.
湖泊是长期气候变化的产物，当惹雍错湖泊面积变化反映了西藏高原北部干旱季风气候区[25]内陆水域对气候变化的响应，由于当惹雍错周围一直没有气象观测站，因此选取离其最近且气候区划、海拔高度以及地貌特征等相接近的那曲地区申扎县和阿里地区改则县气象观测站(以下简称临近气象站)1973年以来的平均气温、降水、蒸发量以及2000年后湖泊流域冰川等资料来综合分析环境要素.
5.1.1 气温变化特征通过1973-2014年临近气象站气温资料显示(图 5a)，近40 a来年平均气温为0.33℃，总体呈上升趋势，上升速度为0.42℃/10 a(通过P=0.001的显著性检验)，同时年季之间的波动较大，标准偏差达0.71，具体为1973-1979年和1980s年平均气温都在0℃以下，分别为-0.21和-0.17℃，与1973-2000年的平均气温相比分别低0.19和0.16℃，1990s较1980s和1970s, 气温略有上升，年平均气温为0.27℃，2000s之后气温增加明显，2000-2014年年平均气温为0.95℃，2000-2009年年平均气温为0.84℃，与1990s和1980s相比分别增加了0.57和0.68℃.
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图 5 1973-2014年当惹雍错流域临近气象站年平均气温(a)和蒸发量(b)变化趋势 Fig.5 Annual average temperature(a) and evaporation(b) variation trend at meteorological station in Tangra Yutso Basin from 1973 to 2014 |
1973-2012年临近气象站年平均蒸发量为1788.35 mm，从线性趋势来看(图 5b)，减幅率达50.99 mm/10 a, 具体为1973-1979年年平均蒸发量为1908.49 mm，1980s和1990s年平均蒸发量相差不大，分别为1808.16和1787.31 mm，2000年之后蒸发量明显减少，2000-2012年年平均蒸发量为1709.22 mm，2000-2009年年平均蒸发量为1708.53 mm，与1990s和1980s相比，分别减少了78.78和99.63 mm.
5.1.3 降水量变化特征1973-2014年临近气象站年平均降水量为212.69 mm，标准差为44.54 mm(图 6)，年平均降水量总体呈增加态势，增幅达17.5 mm/10 a, 具体表现为1973-1979年和1980s年平均降水量分别为196.85和190.17 mm，到1990s年年平均降水量为193.01 mm，2000-2009年年平均降水量为245.96 mm，较1990s和1980s相比分别增加了52.95和55.79 mm，其中2008年降水量为319.47 mm，达到历史最高值，2000年之后降水量均大于多年平均值(212.69 mm).年降水量距平变化特征表现为：1973-1999年降水量以负距平居多，具体为1970s和1980s除1973、1977和1980年之外都为负距平，其中1987年出现了-77.28 mm历史最大负距平；1990s除1990、1996、1997和1999年之外都为负距平，2000年之后，年降水量都为正距平，2008年更是出现了106.77 mm最大正距平.可见临近气象站自1973年以来降水量增加趋势比较明显，而2000年之后这一趋势更为显著.
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图 6 1973-2014年当惹雍错流域临近气象站年降水量距平变化 Fig.6 Precipitation anomaly at meteorological station in Tangra Yutso Basin from 1973 to 2014 |
西藏冰川主要分布在念青唐古拉山、喜马拉雅山、唐古拉山、羌塘高原、横断山和冈底斯山.其中羌塘高原冰川条数958条，冰川面积1802.12 km2, 冰川储量162.164 km3, 冰川融水径流量9.29×108 m3, 随着全球气温的波动变暖，特别是自1990s以来，青藏高原冰川基本上转入全面退缩状态.冰川末端退缩、物质平衡变化和面积变化的幅度在青藏高原边缘和周边地区、高原东部要大于高原中北部山区和内陆羌塘地区[24].王利平等[26]分析羌塘高原1970-2000年的冰川变化，结果表明，羌塘高原冰川整体呈萎缩趋势，整体变化趋势由北向南逐渐增大；余风[27]在羌塘高原冰川考察中指出，号称“地球第三级”的普若岗日冰川正在加速融化.
本研究区当惹雍错南、北部都有冰川，南部为波波嘎乌峰(达尔果雪山)冰川，北部为青扒贡垄山冰川(图 7)，有文献记载波波嘎乌峰的冰川融水流入北部的当惹雍错[16].王利平等[26]通过图谱分析方法提取了1970-2000年该区波波嘎乌峰冰川面积，同时指出图谱方法和冰川编目资料的冰川面积相差不大，本文以冰川编目资料为参考数据，提取当惹雍错南、北部冰川，然后利用波段运算法提取了流域内2000-2014年冰川面积(图 8)，得出北部青扒贡垄山冰川平均面积为19.19 km2，近14年总体呈稳定下降趋势，冰川面积从2000年的21.39 km2减少到2014年的11.79 km2; 波波嘎乌峰冰川平均面积为74.43 km2，总体同样呈减少趋势(图 8)，减幅率为6.81 km2/5 a, 冰川从2000年的76.797 km2减少到2014年的65.303 km2，可见与藏北其他冰川趋势一致, 当惹雍错南、北部冰川同样处于退缩状态.
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图 7 当惹雍错流域冰川分布 Fig.7 Glacier location in Tangra Yutso Basin |
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图 8 当惹雍错湖泊面积与气温、降水量、蒸发量和冰川面积变化趋势 Fig.8 Lake area change trend with temperature, precipitation, evaporation and glacier area of Tangra Yutso |
湖泊面积变化受气温、降水、蒸发、冰川融水、冻土及河流径流等变化的共同作用，其中湖面降水和入湖径流是湖泊水量最主要的补给来源，降水和径流的变化将直接影响湖泊面积变化.冰川融水补给也是湖泊水量补给的来源之一，而气温对湖泊面积的影响是间接的，在降水不变的情况下，气温升高导致陆地蒸散发增加、入湖径流补给减少、湖面蒸发消耗增加和湖泊面积减少.气温升高使冰川退缩、冻土解冻水增加和湖泊面积增大.对西藏高原北部(羌塘高原)封闭的内陆湖泊来说主要补给来源有降水补给和冰雪融水补给，湖水的损失主要是湖泊表面的蒸发.
由于研究区湖泊周边及所在县一直没有气象观测站，因此选取了上述指出的临近气象站气候变化数据，通过结合气象要素和环境要素与湖泊面积之间的趋势分析来阐述湖面面积变化的原因.这对进一步了解当惹雍错湖泊面积变化原因及湖泊周围环境要素有一定的参考作用.
研究区近40 a降水量的增加，尤其是2000年后降水量的增加，与2000年后湖泊面积增大趋势基本一致(图 8)，两者呈正相关，具体表现为1970s-1990s湖泊面积减少，2000s之后湖泊面积逐渐增加，同样流域降水量从1970s-1980s呈减少趋势，2000s之后降水量明显增加，降水量都表现为正距平；而降水量在1987年出现了-77.28 mm的历史最大负距平，与湖泊面积在1980s和1990s出现的萎缩状态有很好的一致性，对以降水量为补给来源之一的当惹雍错来说，降水量在湖泊面积变化方面起到一定的作用.
研究区近40 a蒸发量总体呈减少趋势，但是波动比较大，具体为1973-1984年蒸发量呈增加趋势，1984-1992年蒸发量呈减少趋势，1992-1998年蒸发量又呈增加趋势，1998-2004年再一次呈减少趋势，2005-2009年开始增加，2010年之后又减少；与湖泊面积呈反相关关系(图 8)，表明蒸发量减少，湖泊面积增大，近40 a蒸发量的减少，使当惹雍错湖水损失较小，可见，流域蒸发量的增减是湖泊面积变化的原因之一.
研究区从有湖泊资料的冰川变化趋势上看，研究区近40 a气温的升高，一定程度上加速了冰川的融化，因此该区域的冰川应该处于退缩状态，这与卫星遥感资料ETM数据所得冰川面积变化趋势一致，冰川融化将会使冰川补给的河流径流增加，导致下游湖泊面积增大，研究区南、北部冰川融水是当惹雍错补给来源之一，冰川面积的减少，使流入当惹雍错的河流补给增大，这与湖泊东南部达尔果藏布汇流处的湖泊面积增大表现一致，由于2000年之前所获的卫星遥感资料有限，因此有连续数据的2000年之后湖泊面积与冰川面积变化趋势看出，冰川面积与湖泊面积呈负相关(图 8)，说明冰川面积减少，湖泊面积增大，因此冰川融水补给是平衡当惹雍错水量不可缺少的补给源.
从以上要素分析来看，在气温升高的背景下，降水量增加、蒸发量减少以及冰川退缩等共同作用导致湖泊面积的增加.
7 结论通过对当惹雍错及其流域部分湖泊1977-2014年湖面面积变化以及结合冰川和气候要素的综合分析，得出以下结论：
1) 与青藏高原其他内陆湖泊一样，当惹雍错面积也一直在变化之中，1977-2014年当惹雍错湖泊平均面积为835.75 km2，1977-2014年当惹雍错湖泊面积呈增大趋势，其中1970s、1980s、1990s和2000s湖泊平均面积分别为829.15、827.50、826.42和837.19 km2; 1990年湖面面积最小，为822.92 km2, 1990年之后湖面面积呈缓慢增加趋势，到2014年湖面面积为856.01 km2，与1977年相比湖面面积增加33.09 km2, 增幅率为4.02%.
2) 湖面空间变化特点是位于东部达尔果藏布河流入湖处、西南部小湖1以及西部汇湖处2区位的湖面扩大最明显，当惹雍错西南部小湖1于2014年9月水域范围明显扩大，与当惹雍错有相连趋势，研究发现[5]，新生湖泊按照成因可以归纳为6种类型，即河道扩展、沼泽转化、沙地或盐碱地转化、戈壁转化、冰川融水汇流和季节性湖泊.新生湖泊一般较小, 面积最大的不超过40 km2.可见小湖1可能是沼泽转化和冰川融水等共同作用的新生湖泊，有待于进一步实地调查研究确认.
3) 由于当惹雍错周边一直没有气象观测站，所以只能选取气候特征、海拔高度、地貌特征等相接近，离湖泊最近的阿里地区改则县和那曲地区申扎县气象站气象资料，通过与湖泊面积的趋势分析来阐述湖面变化的原因，虽然两站气象资料不能准确代表湖泊区域气候要素的变化，但是从总体趋势来看，可以对湖泊面积变化原因作出定性的解释，对以后的相关研究工作提供对比参考.
4) 当惹雍错湖泊面积与气温和降水量均呈正相关关系，与蒸发量和冰川变化均呈负相关，由于近年来气温升高推动冰川退缩，使入湖河流径流增大，加之降水量的增加进一步补充湖泊水量，蒸发量的减少降低湖面损失.这些因素的结合使当惹雍错湖泊面积逐渐扩大.当惹雍错面积变化基本反映了西藏高原北部干旱季风气候区内陆水域对气候变化的响应.
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