念青唐古拉山東段八蓋鄉(xiāng)地區(qū)近40年冰川與氣候變化研究

冀 琴，楊太保，李 霞

（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）

冰川作為西北干旱、半干旱地區(qū)重要的淡水資源，素有“高山固體水庫“之稱［1］，其進(jìn)退是人類面臨的主要環(huán)境問題之一［2－4］，冰川在不同時空尺度上的變化勢必導(dǎo)致以冰川融水補(bǔ)給為主的河流量的豐枯變化，從而對流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生重要影響［5］。在全球變暖背景下，全球冰川普遍后退［6］，冰川的變化情況及其對河流補(bǔ)給作用的影響，已成為一個重大問題［7－10］，青藏高原冰川面積占中國冰川總面積的80%以上［10］。念青唐古拉山又是青藏高原主要山脈之一，為青藏高原東南部最大的冰川區(qū)，通過對念青唐古拉山冰川變化分析不僅可以較好地反映青藏高原地區(qū)冰川的變化情況，同時也可為冰川區(qū)水資源管理、山區(qū)災(zāi)害防治、資源開發(fā)等提供參考［11－12］。對念青唐古拉山脈研究，目前多集中于西段地區(qū)［13－17］，研究的時間序列也較長，對東段部分研究較少，本文選取東段八蓋鄉(xiāng)地區(qū)冰川規(guī)模較大的關(guān)星冰川、麻果龍冰川、若果冰川、江普冰川和那龍冰川，利用1970年冰川編目數(shù)據(jù)和1999年、2011年遙感數(shù)據(jù)，在GIS技術(shù)支持下，采用決策樹分類和目視解譯方法提取近40a冰川的變化情況，結(jié)合丁青氣象站氣象資料分析該區(qū)冰川對氣候變化的響應(yīng)，并對該區(qū)未來十幾年內(nèi)冰川變化趨勢作初步預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

念青唐古拉山東段位于青藏高原東南部，是雅魯藏布江與怒江的分水嶺，地處雅魯藏布江“大拐灣”西南季風(fēng)暖濕氣流北上進(jìn)入高原的要道上，地形的強(qiáng)迫抬升，使這里成為青藏高原降水最多和最濕潤的地區(qū)［18］，冰川區(qū)年降水達(dá)1 000～3 000mm，平衡線較低，夏季溫度為1～5℃，整層冰溫高于－1℃［19］，海洋性冰川特別發(fā)育，占念青唐古拉山冰川總面積的5／6。關(guān)星冰川、麻果龍冰川、若果冰川、江普冰川和那龍冰川位于東段八蓋鄉(xiāng)東北部，冰川規(guī)模較大，長度均超過10km。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感影像和DEM數(shù)據(jù)分別來自美國地質(zhì)調(diào)查局（http：∥glovis.usgs.gov／）和中國科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（http：∥datamirror.csdb.cn／index.jsp），其中遙感影像采用的是Level 1T級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品經(jīng)過系統(tǒng)輻射校正和地面控制點幾何校正，并利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了地形校正。研究區(qū)主要發(fā)育海洋型冰川，為了剔除云和季節(jié)性積雪的影響，選取夏季時段消融期末影像（表1），對有云影響區(qū)域選多景數(shù)據(jù)對比分析，編目采用中國冰川目錄Ⅺ—恒河水系［20］，其分布圖來自1970年航空像片，反映了研究區(qū)1970年冰川分布情況。氣象資料源于丁青站，研究區(qū)周圍氣象站較少，只分布有洛隆站和丁青站，洛隆站距研究區(qū)較近，但該站氣象觀測資料時間序列較短（1992年開始），最終選用丁青站數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 冰川邊界提取 冰川邊界提取的方法包括監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類和比值閾值法［21－23］，本文選取簡單有效的比值閾值法提取冰川邊界，即采用Band3／Band5，選定閾值為2.5（多次試驗），將影像分為冰川與非冰川兩類，對影像進(jìn)行二值化處理（大于閾值的設(shè)為1，其余為0），最后將其轉(zhuǎn)為.shp格式，得到冰川初步提取結(jié)果，由于研究區(qū)主要分布海洋型冰川，冰川末端有冰磧物存在，需進(jìn)一步借助Google Earth進(jìn)行目視解譯，得到最終冰川邊界。

表1 遙感資料列表

2.2.2 冰川末端變化和海拔高度提取 冰川末端變化通常用平行于冰川主流線方向的冰川末端前進(jìn)（或退縮）長度來表示，主要的計算方法有主流線法、中心線法、周長法和特征點法［24－26］，特征點法利用移動擬合法尋找最短距離，計算結(jié)果相對豐富，包括冰川末端變化長度最大值、最小值和平均值，能更真實地反映冰川末端的變化［27］，我們選擇該方法研究冰川末端變化，在1970年冰川末端上選取60個等間距的特征點，分別求解每一個特征點到1999年和2011年冰川末端邊界的最小距離，對求解的距離計算平均值，得到冰川末端變化值。

以研究區(qū)DEM和各條冰川1970年、1999年和2011年矢量邊界數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS空間分析技術(shù)支持下，分別提取5條冰川各時段末冰川末端海拔高度，由于研究過程中只采用一套DEM數(shù)據(jù)，因此得到各時段末的海拔高度是一個相對值。

3 結(jié)果與分析

3.1 冰川面積變化

對研究區(qū)冰川面積解譯的結(jié)果如表2所示，研究區(qū)冰川面積在1970—2011年共減少了216.52km2，5條冰川在1970—1999年和1999—2011年前后兩個時段均表現(xiàn)為減小的態(tài)勢，且前一個時段面積減小的速率均大于后一個時段，冰川退縮具有減緩的趨勢。

分析研究區(qū)近40a各冰川面積退縮速率和冰川末端海拔關(guān)系可知，二者呈反相關(guān)關(guān)系，即冰川面積退縮速率隨冰川末端海拔升高而降低，江普冰川的海拔最低，其退縮速率最大，為1.75km2／a，關(guān)星冰川則相反，為0.38km2／a?？梢姡芯繀^(qū)冰川面積退縮速率與冰川末端海拔高度具有很好的耦合性。

表2 1970－2011年各條冰川面積變化

3.2 冰川長度變化

利用特征點法分別對研究區(qū)5條冰川末端長度進(jìn)行統(tǒng)計（表3），從時間變化來看，5條冰川在1970—2011年均表現(xiàn)出末端后退的現(xiàn)象（圖1），前一時段（1970—1999年）冰川末端后退的速率均大于后一時段（1999—2011年），這與相同時段內(nèi)冰川面積變化的規(guī)律相一致，說明冰川面積變化主要表現(xiàn)為冰川末端的退縮。5條冰川中，江普冰川末端退縮速率最大，為38.16m／a，關(guān)星冰川末端退縮速率最小，為9.48m／a。

表3 1970－2011年各條冰川末端長度變化

圖1 研究區(qū)5條冰川末端變化

3.3 冰川與氣候變化關(guān)系

氣象要素中，氣溫和降水與冰川進(jìn)退變化的關(guān)系最為密切，決定冰川積累的主要因素是冰川區(qū)的降水量，影響冰川消融的主要因素是冰川區(qū)的溫度［28］，冰川變化滯后于氣候變化［29］，根據(jù)丁永建［30］的觀點，≤5km的冰川對氣候變化的反應(yīng)時間約為2a左右，＞5km的冰川對氣候變化的反應(yīng)時間大約為8～9a，研究區(qū)5條冰川的規(guī)模均較大，長度大于10km，分析過程中以10a的滯后期研究冰川對氣候的響應(yīng)。

依據(jù)冰川研究時段，以10a滯后期為標(biāo)準(zhǔn)，對丁青站1960—2009年的年均溫和年降水量進(jìn)行統(tǒng)計（圖2）。1960—2009年丁青站氣溫在波動中上升，升溫幅度呈先慢后快的趨勢，1990—2001年和2002—2009年年均溫較1960—1989年分別升高了0.33℃和0.94℃，近十年研究區(qū)升溫顯著。降水量則呈先增加后減少的趨勢，1990—2001年年降水量比1960—1989年增加27.75mm，2002—2009年年降水量較1990—2001年減少38.73mm。

圖2 丁青站1960－2009年溫度、降水變化注：A，B，C分別代表1960—1989年，1990—2001年，2002—2009年溫度和降水均值。

研究區(qū)前一時段（1970—1999年）冰川退縮速率（面積和末端）大于后一時段（1999—2011年），分析研究區(qū)1960—1989年和1990—2001年兩個時期溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)可知，后一時期年均溫和降水量均大于前一時期，可見降水的增加抵消了溫度升高引起的冰川消融，說明研究區(qū)后一時段降水變化對冰川變化起主導(dǎo)作用。近十年來（2002—2009年），研究區(qū)溫度顯著升高，降水則略微下降，可見未來十幾年中研究區(qū)冰川將呈加速退縮狀態(tài)。

根據(jù)高曉清等［31］的觀點，在溫度變化ΔT≤0.5℃的情況下，降水變化對冰川變化可以起較大的作用，當(dāng)ΔT＞0.5℃后，冰川變化主要決定于溫度，降水不起主要作用。研究區(qū)1990—2001年年均溫較1960—1989年升高了0.33℃，研究發(fā)現(xiàn)，1999—2011年降水變化是研究區(qū)冰川變化的主導(dǎo)因素，這與前人的結(jié)論相一致。而2002—2009年年均溫比1990—2001年升高了0.61℃，按高曉清等的觀點預(yù)測，研究區(qū)未來十幾年溫度變化是冰川變化的主導(dǎo)因子，也同樣說明了未來十幾年研究區(qū)冰川將呈加速退縮狀態(tài)。

（2）1970—2011年冰川面積退縮速率和冰川末端海拔呈反相關(guān)關(guān)系，二者具有很好的耦合性。

（3）依據(jù)丁青站近十年溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)推測，未來十幾年研究區(qū)冰川將呈加速退縮狀態(tài)。

致謝：遙感影像和DEM數(shù)據(jù)由美國地質(zhì)調(diào)查局和中國科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供，感謝審稿專家對文章提出建設(shè)性的修改意見和建議。

4 結(jié)論

（1）1970—2011年研究區(qū)5條冰川整體呈退縮狀態(tài)。1970—1999年冰川退縮速率（面積和末端）大于1999—2011年，冰川退縮具有減緩的態(tài)勢，分析氣象資料可知，降水量增加是后一時段冰川退縮速率較小的原因，即該時段降水變化對冰川變化起主導(dǎo)作用。

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