貢嘎山近40年冰川對氣候變化的響應(yīng)

李 霞，楊太保，田洪陣，冀 琴

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 冰川與生態(tài)地理研究所，蘭州730000）

冰川是冰凍圈的重要組成部分之一，是水循環(huán)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是氣候變化的放大器和指示器。近年來隨著全球氣候變暖，大多數(shù)山地冰川處于退縮狀態(tài)。季風(fēng)海洋性冰川由于其積累量大、消融量大、冰溫高、底部滑動明顯、運(yùn)動較快等特點(diǎn)，對氣候變化反應(yīng)敏感，退縮更為劇烈，已有研究推測中國季風(fēng)海洋性冰川面積到2100年將減少75%［1－3］。冰川的退縮對徑流過程、水資源利用、生態(tài)環(huán)境演化、海平面上升等產(chǎn)生了顯著影響［4－5］。研究海洋性冰川變化與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，可為我國海洋型冰川區(qū)水資源管理、山區(qū)災(zāi)害防治、資源開發(fā)等提供參考［6－8］。

中國的季風(fēng)海洋性冰川主要分布在青藏高原東南部。橫斷山脈是僅次于西藏東南部的我國第二大季風(fēng)海洋性冰川分布地區(qū)，是我國現(xiàn)代冰川分布的最南和最東部［1］。貢嘎山是橫斷山區(qū)地勢最高、冰川面積最大的地區(qū)。文獻(xiàn)調(diào)研顯示，對貢嘎山地區(qū)現(xiàn)代冰川的研究，主要是通過實(shí)地考察、研究海螺溝等規(guī)模較大的冰川變化情況［9－11］，基于遙感影像建立長時(shí)間序列冰川面積的研究很少?，F(xiàn)今隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，陸地衛(wèi)星遙感影像和數(shù)字高程模型已被證實(shí)可以有效地提取冰川范圍并監(jiān)測冰川面積變化和高程變化［12］。本文利用Landsat影像與30m分辨率的ASTER GDEM，參考冰川編目，分析1974—2010年間該區(qū)冰川變化的趨勢與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。

1 研究數(shù)據(jù)與處理

1．1 研究區(qū)概況

貢嘎山（29°20′—30°20′N，101°30′—102°15′E）位于大雪山的中南段（圖1），主峰海拔7 514m，是青藏高原東部最高大的山體，山勢陡峭，谷底幽深，有利于冰雪存儲，是橫斷山現(xiàn)代冰川發(fā)育最好的地區(qū)。南、北坡分別有田灣河和折多河、東坡為磨西河，其中田灣河與磨西河均流入大渡河。2010年環(huán)繞主峰發(fā)育有現(xiàn)代冰川76條，冰川面積224．45km2，平均海拔高度為5 309m，80%的冰川分布在海拔4 621～5 985m之間的區(qū)域。單條最大冰川海螺溝冰川的面積為24．82km2，冰舌伸至海拔2 969m 的林帶內(nèi)。

圖1 研究區(qū)地理位置及2010年冰川分布

1．2 研究數(shù)據(jù)

（1）1966年中國冰川編目數(shù)據(jù)。

（2）盡量選取云覆蓋量少、暖季的Landsat MSS／TM／ETM＋影像，來自美國地質(zhì)調(diào)查局影像數(shù)據(jù)庫中心（http：／／glovis．usgs．gov）、國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（http：／／datamirror．csdb．cn）（表1）。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列表

（3）30m分辨率的數(shù)字高程模型 ASTER GDEM，來自國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（http：∥datamirror．csdb．cn）。

（4）研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供（http：∥cdc．cma．gov．cn）。氣象臺站的選擇是以貢嘎山邊界向外150km緩沖區(qū)內(nèi)的8個(gè)氣象臺站。除去年代序列較短和海拔不足2 000m的臺站后，保留未搬遷過的4個(gè)基本站：道孚（30°59′N，101°07′E，海拔2 957．2m）、康定（30°03′N，101°58′E，海拔2 615．7m）、峨眉山（29°31′N，103°20′E，海拔3 047．4m）、九龍（29°00′N，101°30′E，海拔2 987．3m）。4個(gè)氣象臺站散布在貢嘎山四周，可以較全面地反映貢嘎山氣象狀況。

1．3 冰川提取

研究區(qū)氣候和地形復(fù)雜，難以獲取質(zhì)量較好的遙感影像。冰川區(qū)上部的云、雪、陰影、冰磧物等是影響人工解譯精度的重要因素。為了提高解譯精度，進(jìn)行以下處理：

（1）對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正，并選取多幅質(zhì)量較好的，不同時(shí)相的影像對比提取冰川邊界。

（2）比值閾值法提取冰川邊界。采用紅色波段與中紅外波段的比值分類（TM3／TM5），以避免陰影區(qū)產(chǎn)生的誤差。

（3）參考Google地圖的高分辨率影像，在比值分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合光譜特征與冰面形態(tài)目視解譯修正冰川邊界。

所選影像中，2002年的影像數(shù)據(jù)與張國梁等的研究［13］一致，張國梁等經(jīng)過野外實(shí)地考察與GPS實(shí)地測量驗(yàn)證了冰川邊界的精確性。本文基于同一幅影像的提取精度與張國梁等的誤差在1%以內(nèi)，說明本文提取的冰川邊界精度較高。

2 結(jié)果與分析

2．1 冰川變化

2．1．1 冰川面積變化情況 對1974—2010年研究區(qū)冰川面積進(jìn)行分析（表2），可以看出，貢嘎山地區(qū)冰川總面積在不斷減小，近40a共減小了30．20 km2，占1974年冰川面積的11．86%，但研究區(qū)3個(gè)時(shí)段退縮速率有所不同，2000—2010年退縮幅度最大，1989—2001年退縮幅度最小。

表2 1974－2010年貢嘎山區(qū)冰川面積變化

2．1．2 不同坡向的冰川變化 貢嘎山區(qū)冰川主要分布在東、西坡，且東、西坡冰川在條數(shù)、規(guī)模和退縮速率上均有明顯差異（圖2）：冰川條數(shù)分別為25條和40條；冰川的平均面積分別為4．04km2和2．45 km2；1974—2010年退縮面積分別為11．36km2和14．79km2；退縮速率分別為11．2%和15．1%。東、西坡冰川退縮速率不同，除了冰川自身規(guī)模差異外，主要是受降水量的影響：東坡處于東南季風(fēng)的迎風(fēng)坡，潮濕多雨；西坡主要受西南季風(fēng)和高空西風(fēng)的影響，攜帶水汽較少［14］。

2．1．3 冰川的高程變化 利用30m分辨率的AS－TER GDEM 數(shù)據(jù)，基于 ArcGIS 9．3空間分析，生成貢嘎山區(qū)冰川高程與坡度數(shù)據(jù)?；贏rcGIS統(tǒng)計(jì)工具得到：貢嘎山區(qū)的冰川分布海拔為2 969～7 148 m。1974—2010年冰川區(qū)平均海拔高度由5 265m變?yōu)? 309m，40a升高了44m；80%的冰川消融發(fā)生在海拔5 410m以下的區(qū)域。貢嘎山區(qū)的冰川分布在坡度0°～60°之間，其中80%的冰川分布在坡度14．9°～40．7°的范圍內(nèi)。

圖2 1974－2010年貢嘎山區(qū)不同坡向冰川面積變化情況

2．1．4 不同規(guī)模的冰川面積變化 對冰川規(guī)模進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到：貢嘎山區(qū)2010年冰川面積小于1 km2的冰川數(shù)量為總數(shù)的51．3%，但面積僅占冰川總面積的7．5%；大于10km2的冰川所占面積最大，占冰川總面積的46．8%。

1974—2010年貢嘎山冰川條數(shù)由74條變?yōu)?6條。在這期間冰川條數(shù)變化較大的有：小于0．5km2的冰川條數(shù)由12條增加為24條；0．5km2～1km2的冰川條數(shù)由21條減小為15條，但這兩個(gè)規(guī)模的冰川平均面積都沒有發(fā)生變化。冰川面積變化較大的有：大于10km2的冰川條數(shù)由6條變?yōu)?條，冰川面積由132km2減少到105km2；但冰川平均面積由18．85km2變?yōu)?1．02km2（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)冰川條數(shù)增多與冰川平均面積增大均由于冰川的退縮，大規(guī)模的冰川解體形成多條小規(guī)模冰川導(dǎo)致的。

圖3 1974－2010年貢嘎山區(qū)不同規(guī)模等級的冰川面積變化與條數(shù)變化

由于冰川的正反饋?zhàn)饔门c冰川間的正反饋?zhàn)饔茫ㄟ_(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間隨冰川規(guī)模的增大而變長［15］。因此，研究區(qū)內(nèi)大量的小冰川使得該冰川對氣候變化的響應(yīng)敏感。

2．2 貢嘎山氣候變化分析

冰川變化對氣候變化的響應(yīng)具有滯后性。本區(qū)冰川緯度較低、面積較小，屬于季風(fēng)海洋性冰川，滯后時(shí)間一般不超過10a［10］。選取道孚、康定、峨眉山、九龍4個(gè)氣象臺站1958—2009年的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，以提取冰川的影像年份為界劃分4個(gè)氣象數(shù)據(jù)區(qū)間（1958—1973年、1973—1989年、1989—2000年、2000—2009年），分別分析各區(qū)間溫度與降水的變化（圖4）。

（1）溫度的年際變化。近50a，研究區(qū)溫度呈增加趨勢。道孚、康定、峨眉、九龍4個(gè)臺站氣溫升高速率分別為0．127℃／10a，0．118℃／10a，0．175℃／10a和0．164℃／10a。分階段來看：1958—1973年屬于緩慢升溫期；1973—1989年升溫趨勢不明顯，部分臺站出現(xiàn)50a來氣溫的最低值；1989—2000年與2000—2009年有較快的升溫趨勢。

（2）降水量的年際變化。近50a，研究區(qū)降水量整體上有緩慢增加趨勢。道孚、康定、峨眉、九龍4個(gè)臺站降水量的變化速率分別為6．478mm／10a，17．285mm／10a，－100．768mm／10a和12．157 mm／10a。分階段來看：1958—1973年屬于緩慢減少期；1973—1989年處于緩慢增加期；1989—2000年康定站有緩慢增加的趨勢，峨眉山站有減少趨勢，其余站點(diǎn)變化趨勢不明顯；2000—2009年也有較快的減少趨勢。

3 冰川變化的原因分析

影響冰川變化的主要因素有太陽輻射、地形、氣溫、降水、冰川規(guī)模、云量、風(fēng)、冰磧物等。氣候因素對冰川的退縮起最主要的作用。其中，氣溫和降水是冰川發(fā)育的兩個(gè)重要控制性因素：溫度決定消融，降水決定積累［16］。

研究發(fā)現(xiàn)冰川面積變化與前一階段的氣溫和降水組合有很好的響應(yīng)關(guān)系：1958—1973年緩慢升溫與降水量減少，對應(yīng)于1973—1989年冰川退縮率為1．08km2／a，是3個(gè)階段中退縮較快的；1973—1989年升溫趨勢不明顯（出現(xiàn)溫度較低值）與降水量增加，對應(yīng)于1989—2000年冰川退縮速率為0．34km2／a，是3個(gè)階段中退縮最慢的；1989—2000年較快升溫趨勢與降水量變化趨勢不明顯，對應(yīng)于2000—2010年冰川退縮速率為1．11km2／a，是3個(gè)階段中退縮最快的。

圖4 貢嘎山區(qū)1958－2009年氣溫與降水年際變化

氣候因素影響冰川退縮的分析表明：不同類型冰川對氣候變化敏感性差異很大。對于本地區(qū)的海洋性冰川而言，降水相對豐富，冰川對氣溫變化反應(yīng)更敏感［17］；其次，貢嘎山地區(qū)冰川屬于夏季補(bǔ)給類型冰川，降水主要集中在暖季，5—10月的降水占全年降水的75%～90%，是冰川的主要積累期也是主要消融期［14］，而升溫意味著消融增加、降水中的雨／雪比例增大，冰川處于負(fù)物質(zhì)平衡狀態(tài)的可能性也會增大；最后，從上述氣溫和降水與冰川變化的組合上可以看出，升溫一直是影響研究區(qū)冰川退縮加劇的根本原因，短時(shí)段內(nèi)（1973—1989年）降水量的增加不足以抵消溫度升高帶來的影響。

冰川在持續(xù)高溫情景下對氣候的響應(yīng)比低溫情景更敏感。持續(xù)高溫有利于冰川熱量積聚及冰溫縱向遞變，進(jìn)而影響冰川運(yùn)動及消融。反之，低溫情景下，冰—?dú)鉄崃拷粨Q緩慢，積聚引起冰川變化所需熱量的過程時(shí)間延長，冰川形態(tài)特征對于氣候變化的響應(yīng)時(shí)間隨之增長［18］。這也是橫斷山地區(qū)冰川在中國已有冰川面積監(jiān)測中，退縮速率快的原因［19］。研究區(qū)規(guī)模大的冰川退縮率較小，可能是由于本區(qū)大規(guī)模冰川處于退縮初期，表面消融較大、厚度減薄，而面積變化不大而導(dǎo)致的。隨著冰川自適應(yīng)機(jī)制反饋力不足以消減外界變化導(dǎo)致的退縮，這些表面形態(tài)變化就進(jìn)一步摧毀冰川的整體性，加大外力影響的強(qiáng)度和深度，最終會加速冰川退縮［20］。并且，本區(qū)冰川末端多有冰磧物覆蓋，已有手段監(jiān)測不出來冰川前端的那些已經(jīng)沒有冰川補(bǔ)給的覆蓋有冰磧物的死冰，因而在氣候條件保持穩(wěn)定的情況下冰川面積很可能發(fā)生加速退縮。加之2000—2009年的較快升溫速率和降水量的較快減少速率，可以推測冰川消融速率會進(jìn)一步加快，且超過以往任何時(shí)期。

4 結(jié) 論

參考冰川編目數(shù)據(jù)、DEM、Google地圖，基于多期遙感數(shù)據(jù)和氣象資料，利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對貢嘎山區(qū)冰川變化進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

貢嘎山區(qū)冰川面積在不斷減小，總體面積減小了30．96km2。3個(gè)研究時(shí)段退縮速率有所不同，1989—2001年左右退縮速率最慢，2000—2010年退縮速率最快，自2000年以來進(jìn)入加速退縮期。

冰川主要分布在東、西坡。東坡冰川規(guī)模較西坡有優(yōu)勢，而西坡冰川數(shù)量較東坡有優(yōu)勢，主要由于降雨量的影響導(dǎo)致東坡退縮速率慢于西坡。

冰川區(qū)平均海拔高度在1974—2010年升高了44 m，80%的冰川消融發(fā)生在海拔5 410m以下的區(qū)域。

面積小于1km2的冰川數(shù)量最多，占總條數(shù)的51．3%，規(guī)模大于10km2的冰川所占面積最大，為總面積的46．8%。小規(guī)模冰川變化速率快。

升溫是影響研究區(qū)冰川退縮加劇的根本原因，推測下一階段冰川的消融速率會快于以往任何時(shí)期。

5 存在的主要問題及展望

遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)在冰川變化研究中發(fā)揮了很大的優(yōu)勢，但也存在一定的局限性。由于研究區(qū)氣候和地形復(fù)雜，難以獲取到質(zhì)量較好的遙感影像。影像分辨率也會使較小冰川的進(jìn)退狀態(tài)難以確定；其次，解譯者的經(jīng)驗(yàn)也會影像提取精度。但隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，其他代用資料會更多地應(yīng)用于冰川變化研究之中［21］。

冰川的退縮與前進(jìn)是氣候變化的強(qiáng)力佐證。鑒于季風(fēng)海洋性冰川對全球氣候的影響及其對氣候變化的敏感性，研究冰川變化與氣候變化之間的關(guān)系，可以對冰川的可能變化做出預(yù)測。地面長期觀測和遙感持續(xù)監(jiān)測冰川變化研究意義重大，但研究區(qū)氣候數(shù)據(jù)缺乏，如果可以更精確地比較分析各坡向氣候變化，將有助于更全面地把握研究區(qū)氣候變化的趨勢與特征。

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