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珠穆朗玛峰自然保护区湖泊动态及对区域气候变化的响应

更新时间:2016-07-05

0 引言

湖泊,作为陆地水圈的组成部分,参与自然界的水循环,对气候波动极为敏感,是揭示全球气候变化与区域响应的重要信息载体,也是气候环境的记录器[1],湖泊的消涨与气候变化关系的分析是理解陆地水文过程对未来气候变化响应的关键之一[2]。在我国的青藏高原,其湖泊面积约占全国湖泊总面积的50%[3-4]。随着全球气候的变化,对气候敏感的青藏高原冰川普遍存在退缩现象,同时大量冰川湖不断形成,高原内陆湖泊呈现不同程度的增加或萎缩[5-6]

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珠峰自然保护区位于青藏高原南部,气候变化显著,主要表现在气温变暖早于我国其他区域,是我国同期升温最显著的区域[7-8]。20世纪70年代以来,区内的内陆湖泊呈缓慢退缩趋势[9-12],冰川湖扩张迅速[13-14]。目前,有关保护区内湖泊变化对气候响应状况的系统研究尚未见报道。鉴于此,本文利用1975-2015年Landsat影像提取保护区湖泊信息,系统地分析近40年来保护区湖泊变化与区域气候的耦合关系,对研究区域气候的转型和湖泊预警具有重要意义。

1 研究区概况

图1 珠穆朗玛峰自然保护区位置 Fig.1 Map showing the Mount Qomolangma Nature Reserve

珠峰自然保护区(图1)位于喜马拉雅山脉中部,地理位置介于27°48′~29°19′ N、 84°27′~88° E,总面积约为3.3×104 km2,海拔分布在1 448~8 844 m,是我国海拔最高的自然保护区,区内有世界最高峰珠穆朗玛峰。大气环流和喜马拉雅山脉的屏障作用,使喜马拉雅山脉的南、 北两翼产生明显的区域分异。根据珠峰自然区划图[15],将保护区划分为南坡、 北坡。南坡以湿润、 半湿润气候为主,北坡则多属半干旱气候,南坡面积约为6.1×103 km2,北坡约为2.7×104 km2

根据湖泊成因,保护区内湖泊主要分为由构造断裂形成的构造湖(如佩枯错、 错母折林、 浪强错等),因河流泛滥、 淤积、 改道等残留下的河成湖,和由冰川挖蚀形成的冰川湖三类[16-17]。构造湖、 河成湖分布于保护区北坡,属于内陆湖泊,冰川湖在保护区北坡和南坡皆有分布。

2 数据与方法

2.1 数据来源

由趋势分析可知,北坡年平均气温变化速率为0.352 ℃·(10a)-1,南坡变化速率为0.285 ℃·(10a)-1。雨季中,北坡年平均气温变化速率为0.345 ℃·(10a)-1,南坡变化速率为0.194 ℃·(10a)-1(图3)。珠峰区域南坡年蒸发量、 相对湿度在2000年前后呈先增长后降低的趋势,变化速率分别为55.24 mm·(10a)-1、 -91.31 mm·(10a)-1,1.8%·(10a)-1、 -7.7%·(10a)-1。南坡降水量在2000年前后表现为先减少后增加的趋势,变化速率分别为-58.36 mm·(10a)-1、 55.76 mm·(10a)-1。同时,南、 北坡降水量与冰川湖面积均呈负相关,且冰芯累积量反映的喜马拉雅山中部高山冰雪区季风降水将持续减少[13]

气象数据采用1975-2015年聂拉木、 定日、 江孜气象站及1978-2015年拉孜气象站的日平均气温、 极端低温、 极端高温、 降水量、 蒸发量、 相对湿度资料。蒸发量数据个别月份缺失,通过插值获取。数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/site/index.html)中国地面气候资料。鉴于拉孜站气候变化与江孜站相关性较高(气温相关系数为0.995、 降水相关系数为0.907、 蒸发量相关系数为0.934、 湿度相关系数为0.953、 极端低温相关系数为0.982、 极端高温相关系数为0.976,均通过99.9%的置信度检验),故采用最小二乘法[7]将拉孜站与江孜站气候数据进行线性回归,使拉孜站气象数据延伸到1975年。由于北坡各站气候因子间变化差异不大,趋势一致,本文利用定日、 拉孜、 江孜站各气候因子的算术平均值代表珠峰地区北坡气候; 聂拉木站数据代表珠峰地区南坡气候。

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2.2 研究方法

2.2.1 面向对象分类

由表可知,在康、乾二帝南巡的江南九府中,除了松江府,其他各府均有景观在皇家园林中得到写仿。由于各府的景观数量与品质有所不同,加上康、乾二帝的主观审美选择,各府被写仿的景观也存在着量的差异。

本研究在ENVI 5.1软件平台中利用正射校正后的影像获取NDWI(归一化水体指数)数据,经过影像分割、 合并、 制定规则得到湖泊原始数据[20-21]。其中,规则的建立基于野外调查资料和专家经验,以光谱、 纹理、 相邻地物的属性为关键依据提取湖泊信息[22-23]。结果输出后,利用ArcGIS 10.2软件和参考野外调查资料、 Google卫星高分辨率影像对个别错误进行人工修正,并对相邻属性相同地物进行融合处理,最终解译出珠峰保护区面积大于0.01 km2的湖泊。面向对象分类方法有效地抑制了传统分类方法的“椒盐效应”,提高了分类精度[24-25]。通过对野外120个调查区域样点随机抽样验证,湖泊精度在96%以上,结果可信度较高。

2.2.2 气候因子趋势

采用SPSS 15.0软件对数据进行分析处理,计量资料以(均数±标准差)表示,采用t检验;计数资料以(n,%)表示,采用χ2检验,以P<0.05表示差异具有统计学意义。

本文以时间为自变量,各气候因子为因变量进行线性(或N阶曲线)拟合,建立线性(曲线)回归方程,确定回归系数,从而确定各气候因子年代际变化趋势的倾向率,用于分析气候要素年际变化规律和解释湖泊面积变化与区域气候的耦合。

2.2.3 灰色关联度

气候变化对产生影响的综合因素具有广泛的灰色性,使描述影响消长的气候因素的各个指标存在着不准确性[26-28]。因此,本文利用灰色系统理论来综合分析气候变化的影响。灰色关联度公式为

(1)

其中,

测验河段基本顺直,河床为砂砾石组成,右岸为较大砂砾石陡岸,左岸为沙砾石梯地,基本断面河床块石较多,间有粗砂。断面为单式窄深河床,一般洪水冲淤变化不大,高水时涨冲落淤,冲淤变化一般在0.5m左右。

r(x0(k),xi(k))=

(2)

早期康复护理较常规康复护理而言,更早的对患者患肢进行刺激,增加神经敏感型;早期被动运动避免了因偏瘫引起的费用综合征及深静脉血栓形成;避免了患者自行进行康复造成的损害;加快了患者康复进程,有利于患者心理状态的恢复;在院内进行早期康复护理,缩短了患者出院后在家康复时间,更有利于医护人员对患者的康复观察,及时纠正患者的不正确康复行为,在一定程度上避免了不良事件的发生[5]。

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3 结果与分析

3.1 湖泊动态变化

正如心理学中的罗森塔尔效应所体现的那样,教师的信任、赏识和期待,对于学生来说就是一种无形的鼓励、积极的暗示,这会增强学生的自我效能感,从而对学生产生积极的影响。相反,消极的暗示则会影响学生的自尊和自信,让本该昂扬向上的他们,内心多了一丝阴霾和顾虑。

1975-1990年,湖泊中构造湖面积减少了 6.10 km2,河成湖增加了1.51 km2,冰川湖增加了16.79 km2。1990-2000年,构造湖面积增加了26.99 km2,河成湖面积增加了0.39 km2,分别达到434.05 km2、 13.83 km2,冰川湖面积增加了13.45 km2。2000-2005年,构造湖、 河成湖、 冰川湖面积均出现减少,分别减少了35.86 km2、 2.65 km2、 8.31 km2。2005年之后,构造湖面积继续减少了19.92 km2,河成湖、 冰川湖面积分别增加了1.27 km2、 21.13 km2(表3)。

利用Landsat卫星遥感数据,通过分类提取获得1975-2015年湖泊动态信息(表1、 表2)。保护区构造湖面积均小于300 km2,大于10 km2的湖泊占总面积的91%~94%; 河成湖面积均小于 3 km2,面积大于0.1 km2的河成湖占62%~74%; 冰川湖面积均小于6 km2,大于0.1 km2的冰川湖占79%~91%。

本设计采用器件SHT11作为温湿度传感器,以AT89C52单片机作为下位机采集温湿度值,通过RS487串口将数据传输到上位机进行显示,完成粮仓温湿度的检测。

表1 1975-2015年珠穆朗玛峰自然保护区湖泊面积 Table 1 The lake areas in the Mount Qomolangma Nature Reserve from 1975 to 2015

类型区位湖泊面积/km21975年1990年 2000年2005年2015年构造湖北坡413.15 407.05434.05398.18 378.27河成湖北坡11.93 13.44 13.83 11.18 12.46冰川湖北坡39.92 51.00 55.31 54.93 61.21南坡15.36 21.08 30.23 22.29 37.14湖泊(总)480.37 492.58 533.41486.58 489.07

表2 珠穆朗玛峰自然保护区主要湖泊面积及其主要补给源 Table 2 Variation of the main lake areas and the main supply sources in the Mount Qomolangma Nature Reserve

湖泊名称湖泊面积/km21975年1990年 2000年2005年2015年主要补给源佩枯错280.34278.22276.14274.09271.08降水、 径流、 冰川和冻土融水错母折林 57.88 48.27 58.08 54.78 36.52降水、 径流浪强错 22.73 25.82 26.37 21.88 25.04降水定结错6.61 12.97 19.546.113.48降水、 径流

表3 1975-2015年珠穆朗玛峰自然保护区湖泊面积变化 Table 3 Variation of lake areas in the Mount Qomolangma Nature Reserve from 1975 to 2015

项目年份构造湖河成湖冰川湖北坡南坡面积变化/km21975-1990-6.101.5111.075.721990-200026.990.394.319.142000-2005-35.86-2.65-0.38 -7.932005-2015-19.921.276.28 14.851975-2015-34.880.5221.28 21.78面积变化速率/(km2·a-1)1975-1990-0.410.100.740.381990-20002.450.040.430.832000-2005-7.17-0.53-0.08 -1.592005-2015-1.810.120.631.351975-2015-0.850.010.520.53

总体上,构造湖、 河成湖消长趋势分为两个阶段: 1975-2000年,两类湖泊面积总体上呈增长趋势; 2000年以后,构造湖、 河成湖面积呈减少趋势。 而南、 北坡冰川湖面积近40年来均呈不断增加的趋势,南坡增加速率略大于北坡。

1975-2015年,湖泊总面积增加到489.07 km2,年均增加0.21 km2。近40年来,构造湖减少了34.88 km2,年均减少0.85 km2,2015年面积为378.27 km2; 冰川湖总面积增加了43.06 km2,增加速率为1.05 km2·a-1,至2015年达到98.35 km2,其中南坡冰川湖面积占37.8%,北坡占62.2%,南、 北坡冰川湖面积增加速率分别为0.53 km2·a-1、 0.52 km2·a-1; 河成湖面积总计增加了0.52 km2, 增加速率为0.013 km2·a-1, 面积为12.46 km2,比构造湖、 冰川湖稳定性更高。

其他数据包括中国第二次冰川编目数据和GDEMV2 30 m分辨率数字高程数据,前者来源于寒区旱区科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn/),后者来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)。

表4 珠穆朗玛峰自然保护区湖泊面积与气候因子的相关系数及灰色关联度 Table 4 The relation coefficients and grey relations between lake area and meteorological factors in Mount Qomolangma Nature Reserve

气候因子时段构造湖相关系数关联度河成湖相关系数关联度冰川湖相关系数关联度降水量北坡生长季 0.956∗0.5430.7230.587-0.2500.519北坡全年 0.949∗0.5640.7530.595-0.2240.526南坡生长季-0.7740.562南坡全年-0.3630.626蒸发量北坡生长季-0.4760.729-0.922∗0.682-0.4410.706北坡全年-0.1490.783-0.7350.719-0.5730.752南坡生长季-0.5540.686南坡全年-0.4840.690相对湿度北坡生长季 0.892∗0.7750.7560.817-0.2600.693北坡全年0.7390.7530.5630.7810.0500.717南坡生长季-0.4720.759南坡全年0.0130.759平均气温北坡生长季-0.887∗0.769-0.5170.7300.6470.765北坡全年-0.7200.716-0.4780.7130.7280.783南坡生长季0.6340.769南坡全年0.5990.782极端高温北坡全年-0.958∗0.826-0.6070.7710.2680.741南坡全年0.0150.686极端低温北坡全年-0.1770.8310.3910.7310.7550.736南坡全年0.7710.714

注: *表示通过0.05水平的显著性检验。

3.2 湖泊对区域气候变化的响应

3.2.1 构造湖

构造湖与各气候因子的关联度分析(表4)发现,构造湖面积变化受年极端低温、 极端高温、 蒸发量影响相对较大,关联度分别为0.831、 0.826、 0.783,均呈负相关关系; 其次为相对湿度和平均气温,关联度分别为0.753、 0.716。构造湖面积与年降水量呈正相关,关联度为0.564,作用相对最小。可见年极端气温、 年蒸发量对北坡构造湖面积变化作用更加显著; 雨季中,北坡构造湖与相对湿度关联度最大,为0.775,并呈正相关,其次为平均气温、 蒸发量、 降水量。雨季中平均相对湿度的变化速率为-1.032%·(10a)-1,说明北坡干燥气候对构造湖水分存储有削弱作用。

通过趋势分析(图2、 图3)发现,北坡年极端低温以0.944 ℃·(10a)-1速率迅速上升,增温速率大于北坡年平均气温[0.352 ℃·(10a)-1]、 年极端高温[0.262 ℃·(10a)-1]及雨季气温升温速率[0.345 ℃·(10a)-1],对珠峰地区升温反应最为敏感,也间接反映了区域年气温升高对构造湖面积增长具有最显著的抑制作用。

图2 珠穆朗玛峰地区全年极端气温 Fig.2 Annual extreme air temperatures on the north and south slopes in Mount Qomolangma region

根据6阶多项式阶段性拟合来看,在2000年之前北坡蒸发量呈微弱降低趋势,随后迅速上升(图4),构造湖面积变化总体表现为先增加后减少的趋势。

式中: X0={x0(1),x0(2),…,x0(N)},为参考序列(面积); Xi={xi(1),xi(2),…,xi(N)},为比较序列(气候因子); ρ为灰色分辨率系数,取ρ=0.5。

3.2.2 河成湖

图3 珠穆朗玛峰地区全年、 雨季气温 Fig.3 Annual and rainy season mean air temperatures on the north and south slopes in Mount Qomolangma region

图4 珠穆朗玛峰地区全年、 雨季蒸发量 Fig.4 Annual and rainy season evaporations on the north and south slopes in Mount Qomolangma region

3.2.3 冰川湖

根据相对湿度趋势分析,北坡年均相对湿度变化速率为-0.151%·(10a)-1,雨季相对湿度变化速率为-1.032%·(10a)-1。由6阶多项式拟合结果发现,北坡年和雨季相对湿度在2000年之前呈增加趋势,随后相对湿度快速减小(图5),河成湖面积也相应表现为先增加后减少的过程。

图5 珠穆朗玛峰地区全年、 雨季湿度 Fig.5 Annual and rainy season humidity on the north and south slopes in Mount Qomolangma region

由表4可知,北坡相对湿度、 降水量与河成湖面积呈正相关,关联度分别为0.781、 0.595; 河成湖面积与极端高温、 极端低温、 蒸发量、 平均气温呈负相关,关联度分别为0.771、 0.731、 0.719、 0.713。雨季中,河成湖面积与相对湿度关联度最大,为0.817; 其次为平均气温、 蒸发量、 降水量,关联度分别为 0.730、 0.719、 0.587。由此可见,北坡相对湿度对河成湖面积的消长作用最显著。

通过关联度分析(表4)发现,北坡各气候因子中年均气温对冰川湖面积变化作用最显著,关联度为0.783,并呈正相关; 其次为蒸发量、 极端高温、 极端低温、 相对湿度、 降水量。在南坡,年均气温与冰川湖面积关联度最大,表现为正相关,关联度为0.782; 其次为相对湿度、 极端低温、 极端高温、 蒸发量、 降水量。雨季中,南、 北坡各气候因子对冰川湖面积变化的影响程度与全年一致。

本文采用美国地质勘探局数据共享平台(http://glovis.usgs.gov/)陆地卫星Landsat MSS、 TM、 ETM、 OLI影像数据提取湖泊信息。考虑到数据的易获取性、 清晰度及高原气候季节变化特点[18-19],本文主要选择1975、 1990、 2000、 2005、 2015年9-10月云量低于10%的清晰影像数据。没有云量低于10%的数据时,就改用相邻月份的影像数据。

总体上,在珠峰区域气候由暖湿转向暖干过程中,蒸发量、 降水量呈不断减少状态(图4、 图6),不利于冰川湖面积增长。随着气温的持续变暖,珠峰地区冰川不断退缩,冰川融水成为冰川湖的主要补给水源,使珠峰自然保护区冰川湖面积持续增加(图7)。综上所述,持续增高的气温是主导冰川湖面积不断增加的主要气候因子。

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图6 珠穆朗玛峰地区全年、 雨季降水量 Fig.6 Annual and rainy season precipitations on the north and south slopes in Mount Qomolangma region

图7 珠穆朗玛峰自然保护区冰川面积与冰川湖面积的关系 Fig.7 Relationship between glacierized area and area of glacial lakes in Mount Qomolangma Nature Reserve

4 讨论

闫立娟等[1]对藏南地区面积大于10 km2的内陆湖泊进行了研究,发现该区呈退化趋势。赵瑞等[11]对佩枯错流域1991-2014年冰川-湖泊面积变化进行了分析,指出保护区最大湖泊呈退缩状态,且速率加快。Nie等[9]对1970-2009年保护区佩枯错区域、 错母折林湖泊群研究发现,两区域湖泊均呈萎缩趋势。这些对构造湖的研究均与本文研究结果一致。同时,赵瑞等[11]对佩枯错流域冰川、 湖泊与气候响应研究结果表明,流域内湖泊水量平衡呈现负平衡,强烈的蒸发可能是其主要原因。Yang等[29]对青藏高原水循环对气候变化的响应研究发现,青藏高原边缘地带在温室效应下降水减少,潜在蒸发量增加。戴玉凤等[30]对佩枯错湖泊退缩的研究发现,其冰雪融水补给主要在春季较为明显,湖泊秋季退缩主要是受夏季气温升高、 蒸发量增大的影响。以上研究均说明保护区构造湖退缩主要受气温和蒸发量影响,本文通过关联分析发现,气温以及蒸发量波动对构造湖影响较大,构造湖研究结果与其相符。

目前,针对高寒河成湖的研究相对较少,本研究河成湖的面积变化与姜琦刚等[17]对喜马拉雅山区域面积为0.1~10 km2的湖泊研究结果一致。根据对保护区的地质构造分析、 遥感解译及调查发现,保护区多属于半干旱气候,河成湖主要受河流和降水补给。通过关联分析可知,全年和生长季中相对湿度与河成湖面积变化相关性最显著,而半干旱区内影响相对湿度变化的主要影响因子为气温和降水[31]。近60年来保护区雨季降水整体减少[32-33],气温持续上升,通过遥感提取的河成湖区域河流面积以0.31 km2·(10a)-1的速率增加,说明保护区气温升高促进了冰川融水对河流的补给,河流补给是河成湖面积增加的主要因素。

保护区位于喜马拉雅山脉中段,冰川、 冰川湖较为集中,本研究冰川湖面积增加趋势略高于聂勇等[13]对珠峰自然保护区1976-2006年冰川湖扩张速率的研究结果,而远高于整个喜马拉雅山区域1990-2015年的冰川湖增长速率、 扩张速率,与1990-2015年喜马拉雅山脉中段冰川湖增长速率研究一致[34]。同时,由于南坡海洋型冰川比亚大陆型冰川对气候更敏感,气温略微升高就造成冰川退缩[35-39],研究区南坡冰川退缩率高于北坡[13],使冰川湖面积分布较少的南坡冰川湖面积增加速率高于北坡。

构造湖、 河成湖处于半干旱气候条件下,属内陆湖泊,湖泊补给主要取决于降水、 径流,湖泊出水量主要受蒸发影响[10]。1975-2000年,珠峰北坡区域气温以0.26 ℃·(10a)-1速率快速上升,湿度以2.6%·(10a)-1的速率上升,降水以23.22 mm·(10a)-1的速度增加、 蒸发量以8.7 mm·(10a)-1的速率下降。保护区湖泊水量为正平衡,构造湖和河成湖的面积增加。徐宗学等[40]对西藏地区1960-2001年气温、 降水、 相对湿度的趋势分析发现,该时段西藏气候呈现暖湿型的发展趋势,本文对1975-2000年保护区的气候变化趋势研究结果与其相符。2000-2015年,保护区气温以 0.19 ℃·(10a)-1的速率持续上升,湿度以8.9%·(10a)-1的速率下降,降水减少速率为 59.6 mm·(10a)-1,蒸发量增加速率为89.22 mm·(10a)-1,该时段暖干化趋势明显,使构造湖、 河成湖水量呈负平衡状态,两类湖泊面积减小,这与保护区五站1998-2009年气候平均值变化趋势相同[41],该时段研究结果与闫立娟等[1]对青藏高原2000-2010年藏南湖泊对气候变化响应研究一致。

5 结论

(1) 1975-2015年,珠峰自然保护区构造湖面积年均减少了0.85 km2,2015年面积为378.27 km2。北坡和南坡的冰川湖面积增加速率分别为0.52 km2·a-1、 0.53 km2·a-1,2015年面积分别为61.21 km2、 37.14 km2,近40年来南北坡冰川湖面积总计增加了43.06 km2。同时段河成湖面积增加了0.52 km2,面积增加速率为0.013 km2·a-1,2015年面积为12.46 km2,相对构造湖、 冰川湖更加稳定。近40年来,由于冰川湖、 河成湖面积增加量大于构造湖面积减少量,使珠穆朗玛峰自然保护区湖泊总面积增加了8.70 km2,2015年面积为489.07 km2

(2) 构造湖面积变化受北坡年极端低温作用最明显,其次为极端高温、 蒸发量。河成湖受年相对湿度影响最大,其次为年极端低温。年平均气温对冰川湖面积变化起主导作用,其次为蒸发量。雨季中,相对湿度与构造湖、 河成湖面积变化相关性最显著。平均气温与冰川湖面积变化相关性最显著。较其他气候因子而言,降水量对各类湖泊面积变化的影响均最小。

(3) 珠峰自然保护区北坡构造湖、 河成湖对区域气候响应表现为先增加后减少。1975-2000年,珠峰地区气候暖湿化趋势明显,至2000年北坡构造湖和河成湖面积分别达到各自峰值,两类湖泊面积共增加22.8 km2。2000年后,区域气候发生转变,珠峰自然保护区气候呈现明显暖干化状态,构造湖、 河成湖面积均出现不同程度的减少,共减少57.16 km2。气温持续升高促进了珠峰区域冰川融化,使保护区内冰川湖面积在上述两阶段内均持续增加,40年间冰川湖面积增加了43.06 km2

随着冰川的不断融化,冰川湖存在发生溃决洪水的可能性。因此,需进一步加强保护区湖泊的监测,便于管理者针对退化生态环境的保护和治理,以及对冰湖溃决洪水的提前预警。由于研究区域季节特点以及云量要求,个别影像不在同一季相,获取的湖泊变化信息可能存在一定的误差。同时,因水文监测资料、 地下水及冻土融化数据的缺乏,其对保护区各类湖泊变化的影响尚待深入研究。

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王毅,李景吉,韩子钧,彭培好
《冰川冻土》 2018年第2期
《冰川冻土》2018年第2期文献

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