艾尔肯·图尔荪， 玉素甫江·如素力,2， 崔一爽， 喀迪阿依·阿力木，米日阿依·买土地

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院/流域信息集成与生态安全实验室，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆师范大学新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054）

湖泊作为水圈，陆地水循环和全球水平衡的重要组成部分，在全球气候、生态环境变化过程中起着重要作用［1-3］。湖泊的水循环过程不仅对当地的气候变化起着重要作用，而且与人类活动也有紧密地关系，尤其是在干旱区域水循环和人类活动中作用更加明显。新疆大部分湖泊均匀分布在高山与绿洲区域，这些湖泊为人类生产活动与生态环境平衡提供重要的水资源［4-8］。湖冰是记录湖泊环境变化过程的重要指示因子，湖冰物候、厚度和形状跟气候变化过程密切相关，湖冰的生消和持续时间直接受到气候变化的影响，所以在一些情况下湖冰物候比气温可以更精准地记录当地区域气候的变化过程［9-11］。湖冰能够为人类生活提供娱乐活动场所，在博斯腾湖举办的冰雪节每年可以接待几万名国内外旅客，并且每年有几千名旅客沿着博斯腾湖参加马拉松比赛，能够推动当地经济发展。此外，湖冰对野生动物的栖息空间也起着重要作用，博斯腾湖是中国西北干旱区域的野生鸟类栖息地之一，在冬天随着气温下降，博斯腾湖会迎来数万只水鸟栖息越冬［12-15］。因此，湖泊结冰和消融时间的精确提取对人类活动和野生动物的栖息空间起着重要作用［16-18］。

在记录湖冰物候的研究过程中主要研究方法是通过光谱遥感和微波遥感数据，根据湖冰和湖水的反射率特征提取湖冰。在目前国内外研究中自动提取的湖冰物候研究方法较少，如Cai 等利用MODIS 产品为数据来源通过多种遥感算法监测湖冰物候［11］；此外，波段阈值法也广泛应用于湖冰研究当中［19-20］，如Latifovic 等［5］利用AVHRR（Advanced very high resolution radiometer）数据应用波段阈值法提取了1985—2004年加拿大北部湖泊的湖冰物候，研究结果指出利用AVHRR数据提取的湖冰物候跟实测数据有较强的相关性。巩志［21］利用MODIS 数据（MYD10A2）分析了2001—2010年青藏高原共59个湖泊的湖冰物候特征。MODIS和AVHRR等光谱遥感数据有多光谱和高时空分辨率优势，由于在冬天受到云、雪等因素的干扰，光谱遥感数据的湖冰提取精度受到一些影响，因此有些学者通过微波遥感来提取湖冰物候［22-23］。Dibike 等［16］通过RADAR⁃SAT-2数据提取了加拿大北部湖冰物候特征。诸多研究结果可以看出，虽然通过微波遥感提取湖冰时可以减少雪、云等因素的干扰，但由于微波遥感的时间分辨率和空间分辨率较低，所以对新疆一些湖泊数量稀少且面积较小的区域提取湖冰物候的结果可能不佳［24-26］。Magnuson等［1］研究结果指出，1846—1995 年之间北半球诸多湖泊和河流的开始结冰日出现明显地推迟，变化趋势为5.80 d·(100a)-1，湖冰的开始融化日也显著提前，变化趋势为6.50 d·(100a)-1，总体上北半球湖冰覆盖期明显地缩短。Du 等［9］通过微波遥感数据分析结果指出，在2002—2015年北半球71 个湖泊中共43 个湖泊（约60.6%）的湖冰覆盖期有明显地缩短。Latifovic 等［5］分析了从1950—2004年加拿大湖冰物候状况，研究结果指出湖冰的开始结冰日呈现提前趋势，为0.12 d·a-1；湖冰的开始融化日呈现提前趋势，为0.18 d·a-1。王智颖等［26］用MODIS 数据对2000—2015 年青藏高原上面积大于100 km2的湖泊湖冰物候进行了分析，研究结果指出青藏高原北部湖区开始冻结期较早，而完全融化期较晚，湖冰完全封冻期较长；青藏高原南部湖区开始冻结时间较晚，完全消融时间早，湖冰持续时间较短，且冰情变化趋势主要受温度、风速等自然要素的影响。

本文以新疆10个大型湖泊为例（萨利吉勒干南库勒湖面积小于100 km2），通过250 m 空间分辨率的MODIS 数据研究了新疆大型湖泊长时间序列湖冰物候及其变化模式，同时分析了湖泊发育过程和湖泊要素变化。本文利用光学影像、遥感反演、算法模型、统计分析等方法阐明了新疆大型湖泊湖冰物候变化特征，揭示了气候变化背景下的湖冰物候变化模式，为干旱区域水循环与气候变化奠定了理论和研究技术基础，同时也为新疆大型湖泊治理、湖泊生态环境保护提供了方法指导。

1 研究区概况

新疆地处中国西北干旱区，属温带大陆性气候，具有独特的山地-绿洲-荒漠生态系统，面积约占全国陆地总面积的1/6，是“一带一路”经济带的核心区。新疆位于中国北部的阿尔泰山和南部的昆仑山之间，天山横穿该地区，此外，塔里木盆地和准噶尔盆地位于3 座山脉之间，形成了“三山夹两盆”的独特地形（图1）。新疆边缘由积雪覆盖的山脉围绕着盆地，在盆地内广泛分布沙漠和绿洲，这种奇特地貌类型使新疆形成大量高山冰川围绕沙漠的独特景观。由于新疆气候较干燥、降水量稀少、蒸散发高于降水量，新疆大部分区域植被覆盖率较低，生态系统较薄弱，是气候变化与人类活动较为敏感的区域。天山是塔里木河的发源地同时也是塔里木盆地的主要水资源的源地，对绿洲的生态环境和人们生产活动有非常重要的作用［11］。

图1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文利用MOD09GQ（Terra）和MYD9GQ（Aqua）空间分辨率为250 m 的2 种MODIS 数据集。MOD09GQ 数据共有2 个地表反射率波段，覆盖0.620～0.876 μm的光谱范围，MOD09GQ的可用时间范围是2000 年8 月1 日至今一直持续观测地球，MYD9GQ的可用时间范围为2002年8月1日至今。

Landsat 卫星是USGS 和NASA 的一项联合探索计划，从1972 年至今一直持续观测地球，共有近50 a的遥感监测记录。Landsat卫星大约每2周以30 m的分辨率对整个地球表面成像多光谱数据。本文选择1978—2020 年云覆盖率小于10%的Landsat 影像，获取新疆大型湖泊的湖泊面积数据，并且提取了湖泊矢量数据（表1）。

表1 新疆主要湖泊的面积、海拔高度和矿化度Tab.1 Area,elevation and salinity of large lakes in Xinjiang

数字高程模型（DEM）是通过一定的地形海拔数据，能够实现对全球表面地形的信息化模拟。本文所选择的DEM 数据来自中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），该数据集为基于最新的SRTM V4.1 数据经整理拼接生成的90 m 的分省数据，数据采用WGS84椭球投影。

2.2 研究方法

2.2.1 水体提取改进的归一化水体指数（mND⁃WI）、归一化的水体指数（NDWI）和强化植被指数（EVI）等指数结合提取了地表水并且有效地排除了植被等干扰因素。水体的分类标准是：如果同时满足mNDWI＞NDVI、EVI＜0.1 和mNDWI＞EVI 并 且EVI＜0.1 这2 种条件的时候就把地表要素分类为水体，如果无法满足这些条件时分为非水体［26-27］。各指数计算公式如下：

式中：Red、Green、Blue、Nir 和Swir 分别为Landsat 数据的红色波段（630～630 nm）、绿色波段（525～600 nm）、蓝色波段（450～515 nm）、近红外波段（845～885 nm）和短波红外波段（1560～1660 nm）。

2.2.2 湖冰物候提取基于冰和水在多光谱遥感的分类特征发现一般情况下水和冰在近红外波段的反射率均小于冰和水在红外的反射率，而植被、土壤等其他地表物在红外波段的反射率均低于其在近红外波段的反射率，因此根据近红外和红外2 个波段的反射率差值可以精确的提取湖冰，并能够有效地消除部分大气影响和系统误差。在进行波段相减后的影像，湖冰在近红外的反射率较大，而湖水的反射率较小，因此波段差值结合阈值法可以很好地对湖冰进行监测，计算公式如下［28］：

式 中：Band1、Band2 分 别 为MODIS 近 红 外 波 段（620～670 nm）与红外波段（841～876 nm）的反射率；a、b为根据目视解译或者直方图方法获得的湖冰监测的阈值，即2波段反射率差值大于a且Band2反射率大于b时，该像元定义为湖冰。

为便于自动提取湖冰不同状态的时间节点信息，本文将湖泊开始冻结日期定义为下半年湖冰比例（即湖冰面积与湖泊面积的比值）为10%的日期；湖泊完全冻结日期定义为下半年湖冰比例为90%的日期；湖泊开始消融和完全消融日期则分别定义为上半年湖冰比例为90%、10%的日期，湖冰完全覆盖期是记录湖冰变化过程的物候要素，湖冰覆盖期的变化能够直接表示区域气候变化特征，尤其对于新疆这样的典型干旱区域来说，湖冰覆盖期的变化趋势能精确地反映气候变化特征，计算方法如下［29］：

式中：FUS、FUE、BUS 和BUE 分别为湖泊开始冻结日、完全冻结日、开始消融日和完全消融日；LA 和IA分别为湖泊面积和湖冰面积。

3 结果与分析

3.1 新疆大型湖泊面积时空变化

新疆10 个湖泊在1970s 初期的总面积为5873.91 km2，到1990s初期为5263.71 km2，2000年为5952.38 km2，2011年为7446.94 km2。结合图2可知，湖泊面积经历了“先大幅下降后快速上升”的过程。

图2 1987—2020年新疆大型湖泊面积变化Fig.2 Area variation of large lakes in Xinjiang during 1987—2020

1987—2020 年分布在不同地理位置的10 个大型湖泊面积呈现显著地空间差异特征。其中，艾比湖的面积虽有增加趋势，但变化趋势不一致，1990—2004年湖泊面积呈现波动性增加趋势，2005年开始湖泊面积呈现减少趋势，且2015年的湖泊面积最小，为1034.58 km2（图3a）。博斯腾湖面积的变化趋势较为复杂，1987—2000年湖泊面积呈显著增加趋势，由1987 年的947.48 km2扩张为2000 年的1125.34 km2，但2000 年开始湖泊面积开始退缩，至2013 年湖泊面积为925.27 km2，相比2000 年湖泊面积总共减少了200.03 km2（-17.80%）；2014湖泊面积开始增加，至2020 年达到1069.24 km2；虽然1994、2009年和2013年湖泊面积呈现减少趋势，但总体上湖泊面积呈增加趋势（图3b）。分布在新疆北部的赛里木湖、乌伦古湖和吉力湖的面积总体上无显著变化，赛里木湖的面积由1989 年的455.89 km2增加到2020 年的461.01 km2，1989—2020 年出现5.12 km2的面积波动；1992—2020 年乌伦古湖的面积增加了13.25 km2，从空间变化趋势可以看出湖泊东南湖岸呈减少趋势；吉力湖的面积1992—2020年没有发生显著变化，总体上保持稳定趋势（图3c）。阿其克库勒湖的面积呈波动性增加趋势（图3d），湖泊面积由1992 年的381.53 km2增加到2020 年的569.07 km2，其中2007—2014 年的面积增速最大，总体上1992—2020 年湖泊面积一共增加了187.54 km2（49.15%）。阿牙克库木湖的面积总体上保持增加趋势（图3e），由1992年的600.04 km2扩张到2020年的1137.76 km2；1987—2020年阿牙克库木湖面积一共增加了537.72 km2，其中2001—2004 年之间阿牙克库木湖的面积增加更为突出，湖泊面积一共增加了228.77 km2。

图3 1987—2020年新疆大型湖泊面积空间变化Fig.3 Area spatial variation of large lakes in Xinjiang during 1987—2020

3.2 湖冰物候时空变化

图4 为2000—2019 年新疆大型湖泊湖冰物候模式的空间分布。将新疆大型湖泊的开始冻结日、湖冰完全覆盖期、湖冰开始消融日和湖冰完全消融日的变化趋势组合成一个完整的柱状图来表达，在整个柱状图中每个柱子的朝向表示湖冰物候变化的提前和推迟，朝上时为推迟的趋势，朝下时为提前的趋势。新疆大型湖泊的开始冻结日呈现提前和推迟的2 种变化趋势，在研究期间开始冻结日呈现推迟趋势的湖泊分别为博斯腾湖、赛里木湖、艾比湖、吉力湖、乌伦古湖、萨利吉勒干南库勒湖和鲸鱼湖，且大部分湖泊的开始冻结日推迟趋势在0.51～1.53 d·a-1之间；开始冻结日呈现提前趋势的湖泊有3个，分别为阿牙克库木湖（变化趋势为-1.04 d·a-1）、阿克赛钦湖（-0.41 d·a-1）、阿其克库勒湖（-0.31 d·a-1），主要位于新疆西南部地区，占总湖泊总数的30%。近20 a新疆共有6个湖泊完全消融日呈现提前趋势，主要为分布于新疆中北部的博斯腾湖、艾比湖、赛里木湖、吉力湖、萨利吉勒干南库勒湖和乌伦古湖，其变化趋势分别为-0.57 d·a-1、-0.61 d·a-1、-0.52 d·a-1、-0.78 d·a-1、-0.28 d·a-1和-0.36 d·a-1；完全消融日呈现推迟趋势的湖泊主要分布于昆仑山高原区域，其中阿牙克库木湖、鲸鱼湖的湖冰完全消融日的推迟趋势较显著。湖冰完全覆盖期是记录湖冰变化过程的物候要素，湖冰覆盖期的变化能够直接表示区域气候变化特征，尤其对于新疆这样的典型干旱区域来说，湖冰完全覆盖期的变化趋势能精确地反映气候变化特征。新疆大部分湖泊的湖冰完全覆盖期呈现明显的缩短，其中艾比湖、吉力湖、博斯腾湖等湖泊的湖冰完全覆盖期缩短较为显著，变化趋势分别为-1.76 d·a-1，-2.13 d·a-1、-0.81 d·a-1，这些湖泊主要分布在新疆中北部；湖冰完全覆盖期延长的湖泊有3个，分别为阿牙克库木湖、阿其克库勒湖和鲸鱼湖，变化趋势分别为3.51 d·a-1、1.54 d·a-1、1.37 d·a-1，这些湖泊均匀分布在昆仑山高原北翼。

图4 2000—2019年新疆湖冰物候变化模式的空间分布Fig.4 Spatial distribution of lake ice phenology pattern in Xinjiang during 2000—2019

3.3 湖冰完全覆盖时期年际变化

湖冰完全覆盖时期是湖冰物候的重要参数，能够直接表示湖冰物候的变化过程。图5 为2000—2019 年新疆大型湖泊湖冰完全覆盖期的年际变化。从图中可知，近20 a 虽然一部分湖泊的湖冰完全覆盖期呈现延长趋势，但大部分湖泊的湖冰完全覆盖期呈缩短趋势，其中阿牙克库木湖在2001、2002、2004年和2005年没有完全的结冰。湖冰完全覆盖期延长的湖泊主要有阿牙克库木湖、阿其克库勒湖和鲸鱼湖，变化趋势分别为3.51 d·a-1、1.54 d·a-1和1.37 d·a-1；除此之外，湖冰完全覆盖期缩短的湖泊分别为博斯腾湖、艾比湖、乌伦古湖、吉力湖、赛里木湖、阿克赛钦湖和萨利吉勒干南库勒湖，完全覆盖期变化趋势分别为-0.81 d·a-1、-1.76 d·a-1、-0.61 d·a-1、-2.31 d·a-1、-1.84 d·a-1、-0.17 d·a-1和-0.11 d·a-1。根据分析结果可知，地理位置分布在昆仑山高原的湖泊湖冰完全覆盖期总体上呈增加趋势，其中增加幅度最大的是阿牙克库木湖；分布在平原区域的湖泊湖冰完全覆盖期总体上呈减少趋势，其中减少幅度最明显的是吉力湖。

图5 2000—2019年新疆大型湖泊湖冰完全覆盖期年际变化Fig.5 Interannual variation of lake ice complete coverage of large lakes in Xinjiang during 2000—2019

4 讨论

本文分析了2000—2019 年新疆大型湖泊的湖冰物候特征，湖冰物候特征是区域气候变化灵敏指示器，张音等［30］研究指出近60 a新疆年均气温、年均降水量总体上均呈上升趋势，但区域空间变化规律不明显，因此本文对区域气候变化研究具有重要的参考意义。在全球气候变化背景下，很多研究结果得出在北半球大部分湖泊出现开始冻结日推迟和开始消融日提前的趋势。Dibike 等［16］研究结果指出在1855—2004 年分布在北半球湖泊的完全冻结日和完全消融日变化趋势分别为0.03～0.16 d·a-1、-0.05～0.19 d·a-1，湖冰完全覆盖期变化趋势为-0.07～-0.43 d·a-1。

图6 为4 个新疆大型湖泊湖冰冻融的变化趋势。由图6a～c 所示，在2001 年12 月16 日阿牙克库木湖湖面没有出现冰盖，但2010 年12 月16 日湖泊出现完全结冰，2020年12月2日湖泊大部分区域已出现冰层，从湖泊结冰情况可以看出，近20 a阿牙克库木湖的开始冻结日表现为明显的提前趋势，这种变化趋势引起了湖冰完全覆盖期的延长。Cai 等［11］对新疆湖冰物候变化研究发现，新疆大部分湖泊湖冰覆盖期出现显著的缩短趋势，但阿牙克库木湖等有些湖泊的湖冰完全覆盖期出现延长趋势，这种趋势与本文研究结果一致。从图6d～f中可知，2000年6月10日鲸鱼湖的湖冰完全消融，2012年6月15日鲸鱼湖的湖面有湖冰覆盖，2020年6月25日鲸鱼湖大部分区域仍出现湖冰，从这种变化趋势可以看出，近20 a 鲸鱼湖的湖冰完全覆盖期呈延长趋势。图6g～i为赛里木湖的开始冻结日变化特征，2001年1月2日赛里木湖开始出现湖冰，而2009年1月9日湖面开始冻结，但2020年1月13日赛里木湖才出现冰层，从这种变化趋势可以看出，在研究期间赛里木湖的开始结冰日表现为推迟趋势，因此这种变化趋势缩短了赛里木湖的湖冰完全覆盖期。图6j～l显示了吉力湖的湖冰冻融过程，2001 年6 月3 日吉力湖的湖冰完全消融，而2010年5月26日和2020年5月7 日湖冰消融日呈提前趋势，通过3 期的湖冰消融日可以得知，近20 a吉力湖的湖冰完全消融日表现为提前趋势，而这种变化趋势引起了吉力湖的湖冰覆盖期缩短。很多研究结果指出，湖泊的冻融情况主要受到湖泊自身特征变化的影响［26,28］，例如，2000—2019 年阿牙克库木湖的开始冻结日呈显著提前趋势，主要原因与湖泊面积显著扩张有关，而湖泊面积的扩张导致了湖泊矿化度下降，因此这种响应关系引起了开始冻结日提前和湖冰覆盖期的延长。秦启勇等［31］研究结果指出，2000—2019年赛里木湖的湖冰开始冻结日呈提前趋势，与本文的研究结果存在差异；而Cai 等［11］研究发现赛里木湖的冻结日呈推迟趋势，湖冰完全覆盖期呈缩短趋势，与本文研究结果一致。

图6 新疆湖冰物候变化模式Fig.6 Lake ice phenology pattern in Xinjiang

5 结论

本文基于MOD09GQ、MYD09GQ 等光学遥感数据，通过多波段阈值法提取了湖冰物候，在本研究提取的湖冰物候结果通过Sentinel-2数据进行了精度验证，此外还总结了气候变化背景下新疆湖泊湖冰冻融过程并分析了湖冰物候变化模式。主要结论如下：

（1）通 过250 m 空 间 分 辨 率MOD09GQ、MYD09GQ数据集对新疆大型湖泊进行了湖冰物候提取，过去研究通过8 d合成500 m分辨率的MODIS冰雪数据集对新疆湖冰物候进行研究，而本研究基于更高时空分辨率的MODIS 数据集应用波段阈值法精准地提取了多种湖冰物候参数。

（2）湖冰完全覆盖期是重要的湖冰参数，湖冰覆盖期的延长或者缩短能够直接表示区域气候变化过程，新疆大部分湖泊湖冰完全覆盖期表现为缩短趋势，其中分布在新疆中北部的艾比湖、吉力湖和博斯腾湖等湖泊的湖冰完全覆盖期缩短较为明显，变化趋势分别为-1.76 d·a-1，-2.13 d·a-1和-0.81 d·a-1。

（3）湖泊面积、湖泊矿化度等湖泊自身要素能够直接影响湖泊冻融过程。因此在研究期间阿牙克库木湖、鲸鱼湖等咸水湖的湖泊面积表现为明显扩张趋势，而这种变化引起了这些湖泊矿化度的下降，因此阿牙克库木湖、鲸鱼湖等湖泊的开始冻结日表现为提前，而湖冰完全覆盖期呈延长趋势。

由于本研究缺乏实测湖冰物候数据，因此在研究过程中无法对遥感监测的湖冰物候进行精度评价，除此之外，为了近一步系统地探讨湖冰物候的驱动因子机制，未来可以考虑冻土变化趋势和湖泊所在区域的冰川面积等因素。