郭豐杰， 李婷， 季民

(山東科技大學(xué)測繪與空間信息學(xué)院， 青島 266590)

青藏高原是全球氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)[1]，近年來青藏高原氣候不斷呈現(xiàn)暖濕趨勢[2]。氣候變暖導(dǎo)致的后果是冰川、凍土退化[3]，高山積雪融化[4]，原生態(tài)系統(tǒng)的平衡被打破，造成特殊生境中植物種質(zhì)資源的減少和滅絕。位于青藏高原東北部的青海湖是我國最大的內(nèi)陸咸水湖。在保護(hù)生物多樣性和珍稀物種資源，調(diào)節(jié)周邊區(qū)域氣候的方面有極為重要的作用，是研究青藏高原生態(tài)環(huán)境變化的代表性區(qū)域之一[5]。

目前，對于青海湖面積變化與氣候響應(yīng)的研究主要包括青海湖面積的時(shí)空變化、驅(qū)動(dòng)力因素分析和利用遙感對水體提取方法的研究等。劉英等[6]使用LEGOS HYDROWEB方法對青藏高原湖泊群水位和面積動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，對湖泊面積動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行區(qū)分。李林等[7]通過研究1961—2002年青海湖水位變化及其影響因子，得出青海湖未來十年水位變化整體呈下降趨勢；駱成鳳等[8]利用青海湖遙感數(shù)據(jù)，對青海湖1974—2016年的面積變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)總體呈先下降后上升的趨勢，2004年青海湖面積達(dá)最小；王天慈等[9]利用土地轉(zhuǎn)移矩陣對青海湖湖濱濕地變化進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)2016年青海湖湖濱區(qū)地下水位升高；祁苗苗等[10]利用遙感(remote sensing，RS)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)技術(shù)，對1973—2018年青海湖岸線進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)1973—2004年間青海湖水位下降和土地沙漠化是造成湖岸變化的直接成因；杜嘉妮等[11]通過建立水量平衡方程，發(fā)現(xiàn)水量變化仍處于負(fù)平衡，年均虧損量1.5×108m3。在對青海湖面積預(yù)測研究方面選擇了時(shí)間序列理論，該理論不僅在自然地理方面應(yīng)用較多，同時(shí)在災(zāi)害防治[12-13]、鐵路[14]、航空[15]等領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。

綜上所述，以往研究多集中在青海湖面積變化與氣候因子變化分析中，對青海湖面積變化的發(fā)展趨勢缺少研究。因此，現(xiàn)基于Landsat影像對青海湖2000—2019年的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究青海湖面積與影響因素間的響應(yīng)關(guān)系，基于20年間的青海湖面積數(shù)據(jù)和時(shí)間序列理論建立預(yù)測模型，以期預(yù)測未來3年青海湖的面積。

1 研究區(qū)概況

青海湖位于青海省東北部，高山環(huán)抱，海拔約為3 200 m。青海湖周長約360 km，是中國最大的咸水湖。湖區(qū)有大小河流很多，豐富的補(bǔ)給來源。多年平均降水量354.5 mm，年內(nèi)分配很不均衡，最大4個(gè)月降水量主要集中在6—9月，占全年降水量的78%。湖東岸有三個(gè)子湖，分別為沙島湖、尕海湖和海晏灣，其中沙島湖僅為十幾平方千米。青海湖流域的河網(wǎng)以流域的西北部更為發(fā)達(dá)，有哈爾蓋河、泉吉河、沙柳河及布哈河等主要的河流，這幾條河流流入湖中的水量占總水量的80%左右[16]。青海湖流域河流水系如圖1所示。

圖1 青海湖流域河流水系圖[11]Fig.1 River System in Qinghai Lake Basin[11]

2 數(shù)據(jù)獲取與圖像處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)

獲取和研究的數(shù)據(jù)主要為遙感數(shù)據(jù)和非遙感數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)主要是來自Landsat系列衛(wèi)星。

通過地理空間數(shù)據(jù)(http:// www. gs cloud. cn/)獲取Landsat影像(表1)，所有影像要求云量和積雪厚度不得大于30%，青海湖上空云量和積雪厚度低于10%，選取圖像質(zhì)量好且盡量控制到9—11月份(9—11月份青海湖上方云量普遍較少，且為青海湖的枯水期，控制到一個(gè)時(shí)期能夠較好地說明青海湖面積的變化)。

表1 遙感影像列表Table 1 List of remote sensing images

2.1.2 非遙感數(shù)據(jù)

選用圖2中的青海湖附近的剛察、海晏、共和3個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)(中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng) http: //data. cma. cn/)，由于這3個(gè)氣象站點(diǎn)靠近青海湖，具有明顯代表性(青海湖151站點(diǎn)則是2015年投入使用，不能提供本次研究的數(shù)據(jù)，茶卡站則在1997年之后數(shù)據(jù)暫無法獲取)。對3個(gè)氣象站點(diǎn)的9—11月平均溫度、年降水量、年蒸發(fā)量進(jìn)行均值處理，作為青海湖湖面平均溫度、降水量和蒸發(fā)量。

青海湖入湖河流只有布哈河和沙柳河有長系列徑流資料，且沙柳河僅占布哈河年徑流量的30%，入湖水量的變化主要受布哈河徑流量的影響，所以徑流量補(bǔ)給數(shù)據(jù)采用布哈河口站數(shù)據(jù)[11]。

圖2 青海湖氣象站點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of meteorological stations in Qinghai Lake

2.2 圖像處理

首先對原始影像進(jìn)行大氣定標(biāo)、輻射校正等預(yù)處理，然后利用歸一化水指數(shù)(normalized difference water index,NDWI)對水體進(jìn)行提取，NDWI適用于區(qū)分植被和水體的空曠地區(qū)[17]。在這近20年的水體提取中，發(fā)現(xiàn)所有的閾值都固定在-1～1，0值是水體與非水體的分割線，將水體信息與非水體信息以0值為分割線對3個(gè)湖泊分別進(jìn)行閾值提取，發(fā)現(xiàn)區(qū)分程度明顯，水體提取效果良好；同時(shí)在非水體區(qū)域處顯示出較高的噪聲值，與大于0值的水體信息值形成強(qiáng)烈的反差，對比度比較明顯[18]。

最后運(yùn)用決策樹分類，對圖像進(jìn)行了二值化分類，使圖像變?yōu)榱朔呛诩窗?，便于用ArcGIS根據(jù)圖像像素提取水體面積。處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 處理前后對比圖Fig.3 Comparison before and after processing

3 青海湖面積變化與氣候因素的響應(yīng)關(guān)系

3.1 青海湖面積時(shí)序特征

如圖4所示，2000—2019年青海湖面積總體上呈上升趨勢，從2000年4 297.22 km2上升到2019年4 597.35 km2，20年期間共增加了300.13 km2，增長率為6.9%。與前人研究結(jié)果[19-22]相比，得到的整體趨勢是相同的。

圖4 青海湖面積變化折線圖Fig.4 Breaklines of Qinghai Lake area

從圖5中明顯發(fā)現(xiàn)，2000—2004年青海湖面積明顯呈萎縮趨勢，2004—2019年青海湖面積明顯呈回升趨勢，且回升面積大于萎縮面積，即2000—2019年青海湖面積在整體呈現(xiàn)增大趨勢。其主要變化是在青海湖西岸和青海湖東岸沙島湖及海晏灣部分。

3.1.1 2000—2004年青海湖面積變化

從原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2000—2004年，面積一共減少115.23 km2，截止到2004年，青海湖面積同比下降2.6%。變化趨勢如圖6所示。

通過對2000—2004年青海湖湖水邊緣的分析，結(jié)果表明，5年來青海湖水體面積總體變化趨勢為沿陸地向湖面進(jìn)行推進(jìn)，湖水面積減小，變化較大的是青海湖西部沿岸地區(qū)和東岸的沙島湖及海晏灣部分。因此，選取青海湖西部沿岸地區(qū)和東岸的沙島湖、尕海湖和海晏灣部分的對比圖進(jìn)行研究。青海湖2000—2004年沿岸地區(qū)面積變化如圖7所示。

由圖7可知，在2000—2004年期間，青海湖邊緣由內(nèi)陸向湖中遷移，3個(gè)子湖也受到不同程度的影響，其中面積縮小最大的為新分離出的沙島湖，2004年更是驟減為13 km2，而尕海湖和海晏灣面積也呈現(xiàn)減小趨勢，尕海湖受到的影響較小。相比于東岸地區(qū)，西岸地區(qū)的變化趨勢小于東岸地區(qū)。

圖5 青海湖邊緣對比圖Fig.5 Comparison of Qinghai Lake edge

圖6 2000—2004年青海湖面積變化折線圖Fig.6 Qinghai Lake area change broken line diagram in 2000—2004

白色為湖水面積萎縮部分圖7 2000—2004年沿岸地區(qū)面積變化圖Fig.7 Coastal area change map in 2000—2004

3.1.2 2004—2019年青海湖面積變化

2004—2019年，青海湖面積總體呈上升趨勢，從2004年4 181.99 km2到2019年4 597.35 km2，面積共計(jì)增長415.36 km2，同比增長9.9%。平均每年增加25.96 km2，相當(dāng)于2019年時(shí)期的一個(gè)沙島湖。

從圖8中可知，2004—2019年青海湖面積整體呈上升趨勢，其中2004—2007年、2011—2013年、2016—2019年期間上升趨勢較為明顯，2014—2015年漲幅最大，2014年面積為4 404.02 km2,2015年面積為4 526.56 km2，一年內(nèi)面積增加122.54 km2，相當(dāng)于兩個(gè)海晏灣的面積。在青海湖西岸沿岸地區(qū)和東岸沙島湖、尕海湖和海晏灣地區(qū)變化最大，選取下面兩幅圖像來進(jìn)行比較分析(白色部分為2004—2019年青海湖面積增加部分)。

由圖9可知，青海湖面積明顯呈上升趨勢，青海湖湖岸線呈現(xiàn)沿湖內(nèi)部向陸地遷移趨勢，在青海湖西岸布哈河及周邊地區(qū)變化趨勢明顯大于2000—2004年變化趨勢，即在青海湖西岸布哈河及周邊地區(qū)青海湖14年的擴(kuò)張趨勢明顯大于2000—2004年5年的變化趨勢。而在青海湖東岸的沙島湖、尕海湖和海晏灣擴(kuò)張趨勢也非常明顯，尤其是沙島湖和海晏灣，有向青海湖合并的趨勢。

圖8 2004—2019年青海湖面積變化折線圖Fig.8 Qinghai Lake area change broken line diagram in 2004—2019

圖9 2004—2019年沿岸地區(qū)面積變化圖Fig.9 Coastal area change map in 2004—2019

3.2 青海湖面積變化與氣候因素的響應(yīng)關(guān)系

3.2.1 青海湖面積變化與布哈河口徑流量的響應(yīng)關(guān)系

由2000—2019年青海湖面積與布哈河徑流量變化圖(圖10)可知，青海湖面積與徑流量之間存在相關(guān)性。在整體上，面積與徑流量均呈增大趨勢。對青海湖面積與徑流量進(jìn)行相關(guān)性分析可知，其相關(guān)系數(shù)為0.664，通過P=0.001顯著水平檢驗(yàn)(表2)。

布哈河口徑流量在2012年發(fā)生突變，而青海湖面積在2013年才減小，對布哈河徑流量和次年青海湖面積做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，青海湖次年面積與布哈河口徑流量相關(guān)性更高，其相關(guān)系數(shù)為0.710，通過P=0.001顯著水平檢驗(yàn)(表3)。此外，根據(jù)徐曉梅等[23]的研究，1979—2002年青海湖入湖水量呈枯水期，2003年以后入湖水量連續(xù)增加。說明青海湖面積對布哈河徑流量存在滯后性，表現(xiàn)出滯后性的原因可能包括回水效應(yīng)、河流流量的不穩(wěn)定性、可變河道蓄水量和植被等[24]。

圖10 青海湖面積與布哈河口徑流量變化圖Fig.10 Variation of Qinghai Lake area and Blah River caliber flow

表2 青海湖面積與布哈河口徑流量相關(guān)性Table 2 Correlation between Qinghai Lake area and Buha River caliber flow

表3 青海湖次年面積與布哈河口徑流量相關(guān)性Table 3 Correlation between the area of Qinghai Lake river and the discharge of Buha River in the next year

3.2.2 青海湖面積變化與降水量的響應(yīng)關(guān)系

由2000—2019年青海湖面積與降水量變化圖(圖11)可知，青海湖面積與降水量之間存在相關(guān)性。整體上呈逐步增大，2003—2004年降水量突然增大也導(dǎo)致湖體面積增大。對青海湖面積與降水量進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)可知，其相關(guān)系數(shù)0.58，通過P=0.01顯著水平檢驗(yàn)。

通過圖11發(fā)現(xiàn)，青海湖降水在2013年發(fā)生突變，而面積則在2014年后才開始增加，對青海湖降水量與次年面積進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)青海湖次年面積與降水量之間的相關(guān)性更高，相關(guān)系數(shù)為0.734，通過P=0.01顯著水平檢驗(yàn)(表5)。說明青海湖面積對降水存在滯后性，這可能與面積對徑流量的滯后性有關(guān)。

圖11 2000—2019年青海湖面積與降水量變化圖Fig.11 Qinghai Lake area and precipitation change chart in 2000—2019

表4 青海湖面積與降水量相關(guān)性Table 4 Correlation between Qinghai Lake area and precipitation

表5 青海湖次年面積與降水量相關(guān)性Table 5 Correlation of annual area and precipitation of Qinghai Lake

3.2.3 青海湖面積變化與蒸發(fā)量的響應(yīng)關(guān)系

由2000—2019年青海湖面積與降水量變化圖(圖12)可知，青海湖面積與蒸發(fā)量之間存在相關(guān)性。面積與蒸發(fā)量整體上呈逐步增大趨勢。對青海湖面積與蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)性分析(表6)可知，其相關(guān)系數(shù)0.609，通過P=0.01顯著水平檢驗(yàn)。

圖12 2000—2019年青海湖面積與蒸發(fā)量變化圖Fig.12 Qinghai Lake area and evaporation in 2000—2019

表6 青海湖次年面積與蒸發(fā)量相關(guān)性Table 6 Correlation of area and evaporation volume of Qinghai Lake

青海湖水量平衡方程[11]為

E=P+Rs+Rg±ΔW

(1)

式(1)中：E為湖面蒸發(fā)量；P為湖面降水量；Rs為地表水入湖補(bǔ)給量；Rg為地下水入湖補(bǔ)給量；ΔW為湖水儲(chǔ)量變量。

由式(1)可知，青海湖水量主要損失是蒸發(fā)，而本次研究中面積與蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)大于0，說明蒸發(fā)量與面積呈正相關(guān)，這與水量平衡方程不符。其原因應(yīng)考慮青海湖面積的增大在于湖水補(bǔ)給量大于消減量，即蒸發(fā)量對水量的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于補(bǔ)給量。

3.2.4 青海湖面積變化與氣溫的響應(yīng)關(guān)系

由2000—2019年青海湖面積與氣溫變化圖(圖13)可知，青海湖面積與氣溫具有一定的相關(guān)性。蒸發(fā)量隨著氣溫升高而增加，湖體面積減小，呈負(fù)相關(guān)性。但是在2000—2003年(A區(qū)域)，氣溫與面積呈負(fù)相關(guān)；2004—2010年(B區(qū)域)，氣溫與面積呈正相關(guān)；2011—2019年(C區(qū)域)，氣溫與面積呈負(fù)相關(guān)。

圖13 2000—2019年青海湖面積與9—11月 平均氣溫變化圖Fig.13 Qinghai Lake area and mean temperature change from September to November in 2000—2019

整體上，2000—2019年青海湖面積與氣溫沒有通過一致相關(guān)性檢驗(yàn)。2004—2010年(B區(qū)域)出現(xiàn)正相關(guān)的原因可能是溫度的升高不但引發(fā)了蒸發(fā)量的升高，還加劇了積雪融化，導(dǎo)致入湖徑流量增加，徑流量增加對青海湖面積的影響遠(yuǎn)大于蒸發(fā)量，所以在2004—2010年(B區(qū)域)溫度與面積呈現(xiàn)正相關(guān)。

4 青海湖面積預(yù)測

4.1 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析

利用SPSS軟件建立時(shí)間序列模型擬合數(shù)據(jù)，由圖4可以看出，本時(shí)間序列存在顯著的上升趨勢，所以要將原始數(shù)列一階差分消除其趨勢性，由圖14可以看出處理之后的序列，無長期趨勢，無明顯規(guī)律，可認(rèn)為是一個(gè)比較平穩(wěn)的序列。隨后還需要對序列圖的初步觀察結(jié)果作進(jìn)一步確認(rèn)(檢驗(yàn)其是不是白噪聲序列)，然后再對模型進(jìn)一步修正，所以應(yīng)對預(yù)處理(一階差分)后的序列分析自相關(guān)性和偏自相關(guān)性分析，結(jié)果如圖15所示。

圖14 2000—2019年青海湖面積變化一階差分后的圖像Fig.14 image after first-order difference of Qinghai Lake area change in 2000—2009

圖15 面積變化序列分析自相關(guān)性和偏自相關(guān)性Fig.15 Analysis of autocorrelation and partial autocorrelation by area change sequence

4.2 時(shí)間序列模型(ARIMA)建立

由圖15可以看出自相關(guān)系數(shù)(autocorrelation coefficient，ACF)和偏自相關(guān)系數(shù)(partial autocorrelation coefficient，PACF)圖像都為拖尾，其中自回歸階數(shù)(p)、差分次數(shù)(d)、移動(dòng)平均過程階數(shù)(q)分別為0、1、0，結(jié)合表7最終確定模型為ARIMA。以2000—2019年實(shí)測青海湖面積為因變量；2000—2022年時(shí)間軸為自變量變量，預(yù)測2020—2022年的面積。

表7 模型參數(shù)Table 7 Model parameters

表8 模型擬合情況Table 8 Model fit

4.3 結(jié)果分析

表8為模型的輸出報(bào)告，模型的決定系數(shù)：平穩(wěn)R2為0.84，現(xiàn)有模型所能夠解釋的原變量的多少變異(較客觀)，該值越高(最大值為1.0)，則模型擬合會(huì)越好。平均絕對百分比誤差(MAPE)為0.85，最大絕對百分比誤差(MaxAPE)為2.41，從圖16中也可看出模型擬合效果較好。

在SPSS預(yù)測模型中通過20年的數(shù)據(jù)擬合，得到2020—2022年的青海湖面積預(yù)測，分別是4 641.34 km2、4 688.11 km2、4 728.32 km2青海湖面積持續(xù)在增長，模型得到2022年面積達(dá)到4 728.32 km2。

圖16 時(shí)間序列模型擬合效果圖Fig.16 Model fit effect diagram

5 結(jié)論

(1)選取Landsat數(shù)據(jù)利用歸一化水指數(shù)提取青海湖面積，發(fā)現(xiàn)20年間面積變化趨勢為先下降后上升，以2004年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2000—2004年為下降趨勢，2004—2019年為上升趨勢，青海湖面積上升了300.13 km2，增長率為6.9%。

(2)空間上通過對青海湖水體邊緣的矢量化提取，發(fā)現(xiàn)湖岸線變化在東西方向上較南北方向明顯。

(3)通過對2000—2019年青海湖氣候、水文因素分析(降水量、氣溫、蒸發(fā)量、布哈河徑流量)，發(fā)現(xiàn)青海湖面積變化與入湖徑流量和降水量變化關(guān)系密切，且面積與入湖徑流量和降水量均具有滯后性；與溫度和蒸發(fā)量相關(guān)性不大。氣候、水文因素對青海湖面積變化的貢獻(xiàn)量為入湖徑流量>降水量>蒸發(fā)量>溫度。

(4)基于時(shí)間序列，通過SPSS對青海湖20年的面積變化趨勢進(jìn)行擬合，得到青海湖面積的預(yù)測模型，且擬合平穩(wěn)R2為0.84，相對誤差(MAPE)為0.85，擬合情況較好。預(yù)測出未來2020—2022年的面積分別為4 641.34、4 688.11、4 728.32 km2。從預(yù)測結(jié)果來看青湖泊面積在逐年增大，表明青海湖流域生態(tài)環(huán)境得到了充分的改善。