洞庭湖2021–2024 年水体年际变化特征

洞庭湖是中国第二大淡水湖，在调蓄洪水、维系区域生态平衡方面具有重要作用。然而近年来受全球气候变暖及人类活动影响，湖泊水文情势发生明显变化，大多数湖泊出现不同程度的扩张或萎缩。因此，洞庭湖水体面积的时空变化既是区域水文气候变动的指示器，也反映人类调控作用的影响。

开展湖泊水域动态监测对水资源管理和生态保护具有重要意义。传统地面监测受制于站点局限，而遥感技术可以提供大范围、连续的水体信息，已成为监测湖泊水情变化的关键手段[1]。光学遥感影像常用于水体提取，但易受云雨天气影响。相比之下，合成孔径雷达（SAR）遥感可穿透云层，提供全天候监测能力，在洪水和干旱等极端条件下优势明显[2]。近年来，Sentinel-1 等卫星的 C 波段双极化 SAR 数据在水体识别中得到广泛应用，相关研究提出了基于 VV 和 VH 极化信息的水体指数等方法，可提高水体与非水体的区分精度[2]。利用多时序遥感数据反演洞庭湖水域变化也取得进展，例如有学者联合雷达和光学影像重建了高时空分辨率的洞庭湖水域面积时间序列，为及时监测湖泊动态提供了技术支撑。

1. 数据与方法

1.1 遥感数据及预处理： 本研究采用欧洲航天局 Sentinel-1 卫星提供的 C 波段雷达影像（IW 模式，双极化 ΔVV+VH ，分辨率 ），覆盖洞庭湖及周边地区，时间范围为 2021 年1 月到2024 年12 月。雷达数据经过辐射校正和几何校正，以确保不同景影像间的可比性。由于SAR 影像不受云雨影响，可保证在汛期等多雨季节仍有足够数据获取每月湖区水体信息。为方便批量处理，利用 Google Earth Engine 等平台对时间序列影像进行管理和预处理，包括去除影像中的极强散射点和噪声。

1.2 水体提取方法： 水体判识采用哨兵-1 双极化水体指数（Sentinel-1Dual-Polarized Water Index， SDWI）进行初步筛选[2]。SDWI 利用 VV 和 VH 极化后向散射的相关性构建，定义为 VV 与 VH 像元值乘积的对数变换（例如 SDWI Σ=Σ ＼log₁₀（VV×VH）-C，其中＼C为常数项，用于调整指数的数值范围）。水体由于对雷达波的镜面反射作用，通常在 VV 和 VH 通道均表现为低后向散射值，从而SDWI 在水体位置取得较低的指数值 cnjournals.com。本研究参考已有文献经验设定SDWI 阈值为 0，将 SDWI<0 的区域判别为疑似水体[2]。在获得初步水体掩膜后，进一步结合双极化散射特征进行筛选：一方面利用 VV 极化通道的低值特征（如 VV 后向散射系数 <-17dB ），另一方面利用 VV/VH 比值的高值特征来剔除非水体杂波。通过将上述条件叠加到疑似水体掩膜上，可有效去除植被、建筑等与水体 SDWI 信号相近的地物。最后，应用连通域分析删除面积过小的零散斑点，以消除孤立噪声对水体面积统计的干扰。

2. 洞庭湖年际水体变化分析

根据 2021–2024 年洞庭湖及东、南、西三大片区的年平均水域面积统计（如图 1所示），可以看出近四年全湖水面面积呈现出先减少后回升的波动趋势。2021 年全湖年平均水域面积最大，达到约 1200km² ，各子湖区（东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖）的年均面积也均为四年中的最高值。此后面积逐年下降：2022 年全湖年均水面面积较2021 年明显缩减，各湖区面积均比前一年有所减少，表明当年湖区水体显著萎缩。2023年湖区水域面积降至最低点，全湖年均面积相较2021 年减少近一半，东、南、西洞庭湖的年均面积也均降至四年最低水平，凸显出异常干旱条件下湖泊水体的大幅退缩。到了2024 年，湖区面积出现一定恢复，全湖及各分区年均面积均较前一年明显增大，已接近甚至部分超过 2022 年的水平，但尚未完全回升到 2021 年的高值。总体来看，洞庭湖水面面积在2021 年至2023 年经历连续两年的显著下降后于2024 年反弹，体现出明显的年际波动特征。

造成上述年际变化的主要原因是近年极端气候事件的影响。其中，2022–2023 年持续异常干旱使湖区水体面积大幅缩减：据统计，2023 年主汛期洞庭湖水面一度仅有600 多平方公里，不及往年同期的四分之一，超过四分之三的湖底裸露为滩地。而 2024年随着区域降水恢复正常，湖泊水位和水域范围开始反弹，年均面积较前一年明显增大，显示出一定的恢复趋势。年际水面面积的剧烈变化提醒我们需密切关注气候异常对湖泊水文的冲击，并通过灵活的水资源管理在不同年份间进行调节，以应对可能出现的持续干旱或洪涝风险

图1 2021–2024 年洞庭湖及东、南、西洞庭湖年平均水域面积变化

图1 2021–2024 年洞庭湖全年最大水体分布范围

图1 为各年度洞庭湖的最大水体空间分布图。图1 进一步表明，2023 年洞庭湖水体分布范围显著缩小，大部分湖盆干涸裸露，而2024 年的最大水面范围较前一年明显扩大，尤其是在东洞庭湖和南洞庭湖区域恢复较为明显。这些年际对比清晰地反映出极端干旱对湖泊水面的强烈影响以及气候转湿后湖泊的部分复原。

结论

本文基于哨兵-1 雷达遥感影像，对洞庭湖 2021–2024 年水体面积的时空变化特征及其对极端干旱的响应进行了系统分析。主要结论如下：近四年洞庭湖水域面积呈现先下降后回升的趋势。2021 年湖区年均水面面积最大；2022–2023 年受持续干旱影响连续下降，2023 年降至历史低位；2024 年随着降水恢复，年均面积有所反弹但仍低于2021 年水平。这表明极端气候事件是近期湖泊年际水文变动的关键驱动因素。