燕云鵬， 徐輝， 劉剛， 劉建宇

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京 100029)

0 引言

研究高寒高海拔地區(qū)湖泊冰情變化規(guī)律，不僅有利于當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展和人民生產(chǎn)生活，對自然資源的規(guī)劃開發(fā)和管理利用也具有較大影響，尤其是對冰凍期野外通行能力建設(包括邊境地區(qū)的國防巡檢巡查和當?shù)孛癖姷挠行П嫱ㄐ?及解凍期的洪水災害預測預報等具有重大意義[1-2]。

作為冰凍圈研究的重要組成部分，湖泊冰情變化監(jiān)測具有重大的科學研究價值和生產(chǎn)應用借鑒意義。作為氣候變化的敏感指示劑，湖冰變化不但能夠反映局地氣象條件、水文環(huán)境以及地理地質(zhì)條件等小尺度的變化，同時也能夠反映全球變暖等大尺度的氣候變化[3]。近幾十a(chǎn)的研究表明，全球大部分的湖泊冰凍期都在縮短，結冰時間逐漸后延而解凍時間不斷提前，引發(fā)了跨學科、跨領域的一系列次生問題，包括生態(tài)環(huán)境變化、氣候氣象條件變化以及地質(zhì)災害等[4-5]。早在1995年，陳賢章等[6]就利用NOAA的AVHRR資料，通過1993—1994年度的湖冰監(jiān)測，研究了年內(nèi)及年際湖冰變化的氣候響應。雖然該研究監(jiān)測周期比較短，且受當時影像空間分辨率限制，但是對本領域類似科研工作的開展卻起到了先導作用。作為全球變化監(jiān)測的熱點領域，西北高寒高海拔地區(qū)的湖泊冰情變化監(jiān)測也開展了多項研究。王智穎等[7]利用MODIS數(shù)據(jù)，采用閾值法提取湖冰物候，分析了2000—2015年間青藏高原湖冰物候的時空變化規(guī)律及其影響因素； 姚曉軍等[8]利用MODIS等遙感影像數(shù)據(jù)和氣象資料，綜合分析了2000—2010年間可可西里地區(qū)主要湖泊的冰情變化特征及其影響因素； 趙水霞等[9]利用野外冰情觀測及水文氣象資料，結合遙感影像，開展了黃河什四份子彎道河冰生消及冰塞過程分析。但是這些監(jiān)測地區(qū)一般都選擇在交通相對便利、條件相對較好的青藏高原中東部以及周邊地區(qū)，而對于青藏高原腹地，如阿里地區(qū)的調(diào)查卻相對較少。本研究區(qū)正處在此地理條件艱險、野外工作不易開展的地區(qū)，充分發(fā)揮遙感的“千里眼”功效，利用多期遙感影像開展了班公湖地區(qū)冷季湖冰監(jiān)測，以服務于邊境地區(qū)冷季的國防巡檢巡查和當?shù)鼐用竦暮嫱ㄐ小?/p>

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

班公湖地區(qū)位于阿里高原西北部，北部為東喀喇昆侖山(也稱阿里喀喇昆侖山)，南部為岡底斯山西段，由于高海拔的地理條件，區(qū)內(nèi)高山林立，冰川相對發(fā)育。該地區(qū)屬于高寒氣候區(qū)，極端低溫可達-33.9 ℃，區(qū)內(nèi)以大風天氣最為顯著，11月—次年5月為主要的風季，其中3—5月多大風(經(jīng)常超過10級)，7—8月為雨季，冬春季節(jié)降雪相對較少。受班公—東巧—怒江大斷裂控制，本區(qū)湖泊較多，且大多為構造斷陷湖，因此大多湖泊呈長條狀，不少湖泊是國界或者區(qū)域分界線，位置險要； 另外，在高原地區(qū)的漫長冷季中結冰后的湖面經(jīng)常作為重要的通行道路。研究區(qū)湖泊分布如圖1所示，圖中影像采用Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，獲取時間為2013年11月21日，經(jīng)過波段假彩色合成及增強處理。

圖1 研究區(qū)湖泊分布(Landsat8 OLI B7(R)，B5(G)，B4(B)假彩色合成)Fig.1 Lake distribution in the research area

圖1中面積大于1.0 km2的湖泊共13個，其中有3個研究價值較大，自北向南按編號順序分別為：

1)班公湖(Pangong Lake)又名班公錯，或稱錯木昂拉紅波，位于研究區(qū)北部，為NW向延展的構造斷陷湖。東西長約140 km，南北平均寬約4 km，湖泊向西延伸至克什米爾境內(nèi)，湖水面積為604 km2，其中在我國境內(nèi)為413 km2，湖面海拔為4 245 m。

2)斯潘古爾湖(Spanggur Lake)，也稱為曼冬錯，位于班公山西南斷陷盆地內(nèi)，也屬典型構造斷陷湖。斯潘古爾湖主要靠東南部入湖的唐熱曲補給，湖總體呈長條形，長約20 km, 寬約3 km，湖水面積為58 km2，湖面海拔為4 296 m。

3)莫里里湖(Moriri Lake)，位于拉達克地區(qū)，湖面形狀近似于平形四邊形，長約24 km，寬約6 km，湖水面積為144 km2，湖面海拔為4 527 m。

1.2 數(shù)據(jù)源概況

當前傳感器技術條件下，可用于湖冰監(jiān)測的遙感數(shù)據(jù)源可謂琳瑯滿目。按照傳感器的波譜劃分，總體可分為可見光、紅外和微波3種類型。紅外遙感的大氣影響較為復雜，且空間分辨率偏低。主動微波數(shù)據(jù)能穿透云層，晝夜成像，不受天氣干擾，但時間周期長； 被動微波數(shù)據(jù)時間序列長，時間分辨率高，不受天氣影響，但空間分辨率較低，存在較多混合像元。本研究區(qū)內(nèi)除了班公湖比較大外，大部分湖泊均為中小型湖泊，即使是班公湖本身也是狹長型的湖泊，對于紅外和微波遙感數(shù)據(jù)多個部位的水面寬度甚至沒有達到一個像元大小。而可見光—近紅外數(shù)據(jù)，尤其是Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，相對較高的空間分辨非常適合監(jiān)測中小型湖泊，且其時間分辨率為10～20 d，對于監(jiān)測本研究區(qū)的湖冰變化是一個相對較好的選擇。因此本研究基于Landsat8 衛(wèi)星OLI傳感器獲得的遙感數(shù)據(jù)序列，開展班公湖地區(qū)冷季的湖泊冰情變化監(jiān)測分析。將影像總體期次劃分為13個時間序列，具體劃分方案如表1所示，其中“1105”表示時間為11月5日。

表1 Landsat8遙感影像期次分布Tab.1 Landsat8 remote sensing image periods (d)

2 湖冰遙感監(jiān)測技術

2.1 監(jiān)測對象選擇

為了提高研究精度，對于湖冰監(jiān)測對象進行了若干約束，湖泊必須是常年比較穩(wěn)定的湖泊，不但湖泊豐水期和枯水期的水面面積大小基本恒定，并且年際變化也相對較小。按此要求對研究區(qū)中的3個湖泊開展研究，其中班公湖由于面積較大，選擇了湖內(nèi)2個代表性區(qū)域(班公湖東西部最窄區(qū)域各1處)進行監(jiān)測，西部最窄區(qū)域命名為Zone1區(qū)，東部最窄區(qū)域命名為Zone2區(qū)，有關4個湖泊(區(qū)域)的經(jīng)緯度坐標、面積和高程等相關信息如表2所示。

表2 監(jiān)測對象的主要屬性Tab.2 Main properties of monitoring objects

2.2 遙感影像處理及信息提取

采用2013年4月1日—2018年1月19日5 a間的遙感影像數(shù)據(jù)，首先進行數(shù)據(jù)融合及影像增強處理，為了突出冰水顏色對比，根據(jù)單波段信息熵和最佳指數(shù)分析[10]結果采用了B7(R)，B5(G)，B4(B)假彩色組合方式，將多光譜數(shù)據(jù)和全色波段數(shù)據(jù)進行了波譜融合； 然后利用空間分辨率較高的地形數(shù)據(jù)，通過幾何精糾正，完成不同期次影像地物間精確匹配。

利用湖冰和湖水在OLI遙感影像上的光譜特征差異，按照湖冰亮度等級，分別開展影像監(jiān)督分類，采用最大似然法，逐像元對所屬類型進行判別[11]，最終完成班公湖地區(qū)的各個湖泊(地區(qū))的水面和冰面范圍解譯，然后對各個時相的湖冰所占面積比重進行統(tǒng)計，分析各湖的物候?qū)傩?，主要包括凍結開始時間、完全凍結(封凍)時間、解凍開始時間和完全解凍時間，總結研究各個湖泊(區(qū)域)的冰情變化規(guī)律。其中凍結開始時間定義為湖面出現(xiàn)有2處或者2處以上結冰區(qū)域的時間； 解凍開始時間定義為不僅是湖冰開始融化，而且可以明顯看到湖冰融化后出露有小塊水面的時間。

3 湖冰遙感監(jiān)測結果

下面僅以班公湖Zone1區(qū)為例對冷季湖冰監(jiān)測結果進行詳細說明，冷季湖冰年際動態(tài)變化如表3所示。表中“20131105”表示時間為2013年11月5日； 字母C代表影像云蓋度過大，字母T代表由前后2個時相推測出的中間的可能時間； 斜體表示湖面凍結開始時間，粗體表示湖面封凍開始時間，斜體加下劃線表示湖面解凍開始時間，粗體加下劃線表示湖面完全解凍開始時間。

表3 班公湖Zone1區(qū)冷季湖冰年際動態(tài)變化Tab.3 Interannual dynamic changes of lake ice in cold season for Bangong Lake Zone1 Area

3.1 2013—2014年凍結過程

2013年11月5日班公湖Zone1區(qū)北岸沿岸線出現(xiàn)了寬窄不一的薄冰層條帶(如圖2(a))，影像色調(diào)表現(xiàn)為藍灰色和灰白色。2013年11月21日影像出現(xiàn)2個主要變化，一是沿北岸線的薄冰層條帶明顯變寬，甚至在一些小的湖灣區(qū)域出現(xiàn)了整體凍結； 二是在南岸區(qū)域的部分湖灣內(nèi)出現(xiàn)了藍灰色薄冰。到2013年12月7日，影像顯示北岸的條帶狀薄冰進一步變寬，南岸的湖冰也逐漸向北面伸展，在中部區(qū)域南北兩岸湖冰連成一體。2013年12月23日連片的湖冰進一步凍結延展，同時湖冰顏色也從原來的藍灰色向白色過渡，說明冰體在不斷增厚。2014年1月24日影像顯示Zone1區(qū)基本完全凍結(如圖2(b))?？傮w而言，湖冰的凍結過程是從岸邊溪流開始，再到湖岸邊緣，最后到湖中心區(qū)域； 影像色調(diào)表現(xiàn)為以白色為主的淺色調(diào)區(qū)域漸次增多； 湖冰形狀變化過程是從線形、條帶狀，逐漸向塊狀、片狀過渡，最終湖區(qū)完全凍結。

(a) 2013年11月5日湖面開始凍結 (b) 2014年1月24日全湖封凍

(c) 2014年2月25日湖面開始解凍 (d) 2014年5月16日湖面完全解凍

圖2 2013—2014年班公湖Zone1部分區(qū)域冷季湖泊冰情變化遙感影像特征

Fig.2RemotesensingimagecharacteristicsoflakeicedynamicchangesinpartialareasofPangongLakeZone1incoldseason2013—2014

3.2 2013—2014年解凍過程

2014年2月25日影像顯示湖冰顏色變深，表明冰層變??； 少量區(qū)域冰體發(fā)生融化，表明湖面開始解凍(如圖2(c))。3月13日影像與2月25日對比變化甚微，表明湖冰解凍進展緩慢； 至3月29日，影像顯示湖岸邊多個區(qū)域露出深色水面，表明此段時間湖冰解凍速度加快； 4月14日湖面上冰水面積對比發(fā)生明顯變化，湖冰解凍面積達到40%； 5月16日班公湖Zone1區(qū)完全解凍(如圖2(d))?？傮w而言，解凍過程分為3個階段： ①從湖岸邊緣以及淺灘開始，湖岸邊漸次出現(xiàn)冰雪融水形成的溪流，淺灘處灰白色為主的淺色調(diào)凍結區(qū)域減少； ②湖岸邊水深較大的區(qū)域灰白色冰體也開始融化，并且融化逐漸加速，湖冰也逐漸變?。?③受氣溫升高影響，融化速度進一步加快，湖中央的純白色冰體也開始融化，湖冰解凍面積達到近一半，最后直至全湖完全解凍。

3.3 2014—2017年凍結—解凍過程

2014—2015年間，2014年11月8日影像無法直接觀察湖冰凍結情況(云蓋度達到79.56%)，參考其他年份同期冰情，可以推斷2014年11月8日湖冰已經(jīng)凍結； 2015年1月11日湖面基本封凍； 2015年4月1日湖冰開始解凍； 2015年5月19日湖冰完全解凍。

2015—2016年間，2015年11月11日開始凍結； 2015年12月29日影像顯示東半?yún)^(qū)已經(jīng)完全凍結，西半?yún)^(qū)只有少部分區(qū)域未凍結； 半個月后的2016年1月14日，盡管云量很大，可以推測湖面完全凍結。2016年3月2日湖冰開始解凍，2016年5月5日完全解凍。

2016—2017年間，2016年11月13日開始凍結； 2016年12月31日東半?yún)^(qū)基本完全凍結，而西半?yún)^(qū)由于云覆蓋無法判斷，2016年1月份影像云蓋度均比較高，2017年2月1日影像顯示已經(jīng)全湖凍結，故推測全湖凍結時間為2017年1月15日； 2017年2月17日湖冰開始解凍； 2017年5月8日完全解凍。

4 冰情變化分析

根據(jù)前文的監(jiān)測結果，班公湖地區(qū)湖泊(區(qū)域)的冷季湖冰變化基本參數(shù)如表4所示。從表4中可以看出班公湖(包括Zone1和Zone2區(qū)域)、斯潘古爾湖的冰凍期大約長6個月； 而莫里里湖的冰凍期大約長7個月。

表4 班公湖地區(qū)湖泊(區(qū)域)冷季湖冰變化基本參數(shù)Tab.4 Interannual dynamic changes of lake icein cold season for Pangong Lake area

(續(xù)表)

4.1 班公湖湖區(qū)冰情變化分析

4.1.1 班公湖Zone1區(qū)湖冰變化規(guī)律

從4個周期的監(jiān)測結果來看，班公湖Zone1區(qū)湖冰冰期內(nèi)的凍結過程最長(從凍結開始最早時間到完全凍結最晚時間計算)為81 d； 最短(從凍結開始最晚時間到完全凍結最早時間計算)為60 d。解凍過程最長(從解凍開始最早時間到完全解凍最晚時間)為92 d； 最短(從解凍開始最晚時間到完全解凍最早時間)為35 d。一個周期內(nèi)，凍結開始最晚時間到封凍開始最早時間間隔58 d； 封凍開始最晚時間到解凍開始最早時間間隔23 d，即從影像來看完全封凍時間只有20多d。解凍開始最晚時間與完全解凍開始最早時間間隔近1個月。

4.1.2 班公湖Zone2區(qū)湖冰變化規(guī)律

對比班公湖Zone2區(qū)與Zone1區(qū)的冰情變化過程，凍結開始時間、封凍時間、解凍開始時間和完全解凍開始時間基本一致，僅在2014—2015年間，2014年12月26日可能由于氣溫驟降造成局地突然降雪，引起湖面提前封凍，另外2015—2016年間Zone1區(qū)于2016年3月2日開始解凍，而Zone2區(qū)是2016年2月15日開始解凍。

盡管Zone2和Zone1的凍結開始時間基本一致，可是2個區(qū)的同期凍結百分比卻存在差異，Zone2區(qū)小于Zone1區(qū)，說明Zone2應比Zone1晚凍結。從2個區(qū)域湖水鹽度差異分析，Zone1區(qū)鹽度更大，理論上湖冰凍結應較晚，可事實相反。通過影像特征比對分析，Zone1區(qū)大部分水體顏色淺于Zone2區(qū)，最可能的原因是二者水深存在比較大的差異，Zone1區(qū)水深較小，而Zone2區(qū)水深極大，因此才造成西部Zone1區(qū)域盡管鹽度較大，但由于湖水較淺才較早凍結?？傊喙|西2處作為同一個湖泊，總體特征和主要指標趨同，但是在若干年份湖區(qū)不同部位的具體凍結解凍過程卻存在差異。

4.1.3 班公湖湖面封凍過程與氣溫變化對比分析

利用距班公湖湖區(qū)最近的獅泉河氣象數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計2013—2017年各年度11月—次年3月的逐月氣溫平均值，發(fā)現(xiàn)每年1月份的氣溫，無論是最高氣溫還是最低氣溫，都是全年的最低值。每年1月的氣溫資料極低值表現(xiàn)與同期的全湖封凍時間具有良好的對應關系。

另外，還利用氣象資料分析了封凍前一個月內(nèi)的氣溫變化。以2015—2016年為例，湖冰完全封凍時期為2016年1月14日。通過比對封凍前一個月內(nèi)的氣溫變化，可以看出封凍過程的32 d中，后16 d平均最高氣溫比前16 d下降了1.06 ℃； 而平均最低氣溫更是降低了2.69 ℃。以上數(shù)據(jù)表明，湖面封凍前無論是最高氣溫還是最低氣溫均會有一個明顯的降低過程； 而封凍期結束后1個月內(nèi)氣溫一般就會有所回升。

4.2 斯潘古爾湖冰情變化分析

2013—2016年間4個周期的湖冰監(jiān)測結果表明，斯潘古爾湖的凍結開始時間與班公湖基本一致，而影像顯示斯潘古爾湖同期的凍結百分比均大于班公湖，說明斯潘古爾湖要稍早凍結。2個湖的全湖封凍時間基本一致，僅在2015—2016年間，可能由于局地降溫導致2015年12月29日斯潘古爾湖全湖提前封凍。對于解凍開始時間，斯潘古爾湖均比班公湖要晚0.5～1個月； 而2個湖的湖冰完全解凍時間基本一致。

4.3 莫里里湖冰情變化分析

莫里里湖的凍結開始時間與班公湖基本一致，而同期凍結百分比與班公湖Zone2區(qū)相似，比Zone1區(qū)略小，說明莫里里湖與Zone2區(qū)的凍結進程一致，比Zone1區(qū)稍晚。莫里里湖的全湖封凍時間與班公湖基本相同，僅2017年的全湖封凍時間晚了近半個月，可能是局地小氣候作用所致。莫里里湖的凍結前半程非常緩慢，從開始凍結到凍結過半用時近2個月； 而后半程凍結速度加快，僅用時2周。因此Landsat8 OLI傳感器很少有機會能夠捕捉到湖區(qū)大半凍結的狀態(tài)。可能受海拔高度影響(高于班公湖近300 m)，莫里里湖的解凍開始時間非常晚，比班公湖解凍開始時間大約要晚2～3個月，一般是在每年4—5月間，前后間隔約1個月的時長。4個周期的湖冰監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，莫里里湖的完全解凍時間均在6月中上旬，比其他湖區(qū)完全解凍時間大約要晚1個月。

5 結論與討論

5.1 結論

1)班公湖Zone1和Zone2作為同一個湖泊，凍結和解凍過程的總體特征和主要參數(shù)都具有同一性，說明二者的凍結過程和解凍過程基本同步。具體而言，每年11月份開始凍結，到次年1月中下旬開始封凍。解凍開始時間跨度較長，前后約44 d，而完全解凍開始時間集中在5月中上旬。2個區(qū)域凍結過程比較而言，西部Zone1區(qū)域的凍結過程稍早。東西部遙感影像特征分析表明，可能是2個區(qū)域水深存在較大差異，西部區(qū)域水深較小而東部較大，造成雖然西部Zone1區(qū)域湖水鹽度較大但湖區(qū)仍較早凍結。

2)盡管斯潘古爾湖和莫里里湖的湖面海拔比班公湖都要高，但是三者的凍結過程，無論是凍結開始時間還是封凍開始時間，三者都基本相同，僅莫里里湖的封凍開始時間在某些年份略晚。斯潘古爾湖和莫里里湖的解凍開始時間都比班公湖要晚。其中，斯潘古爾湖解凍時間比班公湖要晚0.5～1個月； 而最終的完全解凍開始時間基本一致。而莫里里湖的解凍開始時間非常晚，比班公湖大約要晚2～3個月。完全解凍時間在6月中上旬，比其他湖區(qū)約晚1個月。

5.2 應用討論

作為自然資源國情調(diào)查的重要組成部分，班公湖地區(qū)冷季湖泊冰情變化調(diào)查分析不僅填補了青藏高原西部艱險地區(qū)湖冰逐年持續(xù)遙感監(jiān)測的空白，而且對于邊境地區(qū)的國防建設和當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展以及人民生產(chǎn)生活(比如冰面沉排建筑工程)都具有深遠影響。有關本項研究的直接應用： 班公湖地區(qū)湖冰開始凍結到完全封凍時長一般為2個月，此時利用湖冰通行具有一定危險性。完全封凍到開始解凍，一般會有2個月時間，可以利用湖冰進行有效通行。湖面開始解凍到完全解凍一般為1～2個月，分為2個階段，第一階段湖冰解凍速度緩慢，根據(jù)湖面解凍情況尚可謹慎通行； 第二階段冰融速度加快，需要密切關注湖冰融化進展情況。湖面完全解凍后，如果湖區(qū)再次出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，此時的冰體屬于零時性的薄片狀湖冰，應嚴禁在湖面通行。