中亚水储量变化与绿洲演变的响应关系研究

摘要

绿洲是干旱区人口和财富的聚集地，干旱环境中人类主要依靠绿洲的发展而生存。随着气候变化和人类活动的加剧，绿洲的数量和空间分布不断改变，水资源时空格局也发生了重要变化。中亚作为干旱半干旱区，它的区域经济发展和生态环境对水储量变化高度敏感。作为全球水循环中一个重要的组成部分，水储量的数量和分布直接影响着景观荒漠化和绿洲化的进程。反之，绿洲演变也使生产需水、生活需水和生态环境需水等不断发生变化，进而影响水储量的数量和空间分布。
　　为探究中亚水储量变化与绿洲演变的响应关系，本文利用2003-2013年 GRACE重力卫星Level-2 RL05数据反演了中亚水储量并分析其时空分布特征，然后采用简单斜率分析法得出中亚水储量的时空变化情况。首先，利用CRU降水数据和MOD11B3地表温度数据，讨论了气候变化对中亚水储量变化的影响。通过解译 MOD09A1地表反射率数据得到中亚绿洲时空变化特征，并结合MOD13A3植被指数数据，采用Pearson相关分析法研究了中亚水储量变化与绿洲演变的响应规律。本研究得出以下几点主要结论：
　　（1）2003-2013年中亚水储量减少总量约为3101.2×108 m3，水储量年际变化呈“M”型，在2005和2010年水储量出现极大值，在2008年出现极小值。春季水储量处于高峰，秋季水储量处于低谷。在季和月尺度上，水储量年际变化均表现为减少，其中冬季变化速率最大为-6.56 mm/a、春季最小为-3.14 mm/a；11月份的水储量减少最快，平均每年减少约6.73 mm，3月份的减少最慢，每年仅减少约2.11 mm。
　　（2）中亚水储量大体呈西多东少、南多北少的分布特点，春季和夏季水储量分布与之相同，秋季和冬季则与之相反，同时各个月份的水储量分布也存在明显差异。中亚水储量减少趋势自西向东逐渐减弱，并最终由减少变成增多。里海水储量变化最为剧烈，减少速率超过-20 mm/a。各个季节水储量变化的空间特征差异不大，除2、3、5和11月份，其它月份的水储量变化均出现不同程度的条带状特征。
　　（3）中亚的年降水空间分布特点为中部多、东西部少，降水的年际变化以减少为主，其中在塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦降水明显减少，在哈萨克斯坦东北部和北疆降水增多。中亚水储量在5月份达到最大值，其中新疆夏季的水储量最多，中亚五国则是春季水储量最多。中亚在5月份降水最多，哈萨克斯坦和新疆降水集中在夏季，其余国家则集中在春季和冬季。新疆冬季降水最少，中亚五国最小降水量则基本出现在9月份。中亚水储量与降水的相关系数为0.44，但是哈萨克斯坦水储量与降水的相关性不大，其余国家和地区均为中度正相关。新疆水储量相比降水不存在滞后现象，其它国家均有1~3个月的滞后期。
　　（4）中亚地表温度随纬度的升高而降低，且在11年间以升高为主，其中图尔盖高原升温明显，平均每年升高幅度大于0.2℃，哈萨克斯坦东北部地表温度降低最明显，在0.2℃/a以上。中亚地表温度7月最高，1月最低，各个国家和地区的地表温度年内变化趋势相似，出现最值的时间差异很小。中亚水储量和地表温度为中度相关（r=0.76），而且地表温度存在3~4个月的滞后期。
　　（5）中亚绿洲面积在2005、2010和2013年分别为38.51×104 km2、40.72×104 km2和48.79×104 km2，其中哈萨克斯坦绿洲面积最大，塔吉克斯坦最小。2005-2013年中亚绿洲面积增大10.28×104 km2，在2010年以后，绿洲扩张加快且明显。2005-2013年哈萨克斯坦和新疆绿洲增大面积分别为7.64×104 km2、1.82×104 km2，其它国家变化不大。在2010年之前，新疆绿洲扩张最为剧烈；在2010年之后，哈萨克斯坦绿洲扩张速度明显加快，成为中亚绿洲变化最为剧烈的地区。
　　（6）在空间上，中亚水储量体积与绿洲面积在2005年呈极显著正相关，即绿洲面积越大的国家或地区，水储量越多；在2010年，水储量体积和绿洲面积相关性较差；2013年中亚水储量体积随绿洲面积变化呈现出与2005年相反趋势，即两者呈极显著负相关。从时间变化上来看，中亚水储量随着绿洲面积的增大而减少，而且水储量变化量和绿洲面积变化量呈显著负相关，即绿洲面积扩张越大，水储量减少越多。
　　（7）中亚NDVI值随纬度升高而减小，总体呈西部减小、东部增大的趋势，其中耕地的NDVI明显变大，在新疆最为突出。中亚NDVI在6月最大，在1月最小，土库曼斯坦和乌兹别克斯坦则在4月份达到最大值。中亚NDVI与水储量为中度相关，但是NDVI对水储量的响应有2~3个月的滞后，水储量受NDVI影响的滞后期则为3~4个月。
　　本文研究结果对理解中亚干旱区水储量变化、合理开发利用水资源、保护生态环境等具有重要的意义。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 水储量变化的国内外研究进展

1.3 绿洲演变的研究现状分析

1.4 绿洲演变与水资源的关系研究

1.5 研究目标与内容

1.6 技术路线和论文结构

第二章 研究区概况

2.1 地理位置

2.2 地形地貌

2.3 气候特征

2.4 水文特征

2.5 土地利用情况

第三章 数据处理与研究方法

3.1 数据介绍

3.2 数据处理

3.3 GRACE反演水储量变化原理

3.4 研究方法

第四章 中亚水储量时空变化特征分析

4.1 中亚水储量反演结果验证

4.2 中亚水储量时间变化特征

4.3 中亚水储量空间变化特征

第五章 中亚水储量变化与气候变化的关系

5.1 中亚水储量变化与降水的响应规律

5.2 中亚水储量变化与地表温度的响应规律

第六章 中亚绿洲时空变化特征分析

6.1 中亚绿洲面积变化及其变化幅度

6.2 中亚绿洲区域变化差异

6.3 中亚绿洲变化分析

第七章 中亚水储量变化与绿洲演变的响应

7.1 中亚水储量与绿洲空间变化的响应关系

7.2 中亚水储量变化与绿洲演变的时间响应关系

7.3 中亚水储量变化与植被覆盖的响应规律

第八章 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 研究展望

参考文献

致谢

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