1977－2013年瑪河流域山區(qū)冰雪覆被消融態(tài)勢分析

王雅君，徐麗萍，郭 鵬，李慧婷

（石河子大學(xué) 理學(xué)院，新疆 石河子832003）

冰川和積雪是冰凍圈的重要組成部分，在全球或區(qū)域氣候系統(tǒng)中起著指示器的作用［1］。政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）第四次評(píng)估報(bào)告指出［2］，過去100年（1906—2005年）全球地表平均氣溫上升了0.74℃，而最近50a的升溫速率幾乎是接近過去100年升溫速率的兩倍。升溫速率的加快加劇了冰雪消融的速率，影響了冰雪覆被變化，尤其是山地冰川在近30多年來呈加速消融趨勢［3－4］。近年來國內(nèi)關(guān)于山區(qū)冰川變化的研究區(qū)域上關(guān)注天山［5］、祁連山［6］、念青唐古拉山［7］、昆侖山［8］、珠穆朗瑪峰［9］、阿爾泰山［10］等，研究方法上多采用遙感影像［11－13］提取冰雪信息而未進(jìn)行消融態(tài)勢的分析。而對(duì)于瑪河流域山區(qū)冰雪覆被消融的報(bào)導(dǎo)較少［14］，基于此，本論文選擇瑪河流域山區(qū)，以1977年，1990年，2000年，2013年四個(gè)時(shí)段的遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用最大似然法并輔以Goole earth目視解譯進(jìn)行冰雪信息提取，對(duì)覆被特征加以分析，了解該區(qū)域的冰雪動(dòng)態(tài)變化對(duì)全球變化的響應(yīng)，初步分析該區(qū)冰雪消融的態(tài)勢，以期為該地區(qū)采取應(yīng)對(duì)冰雪覆被變化對(duì)生產(chǎn)生活產(chǎn)生的影響提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河（以下簡稱瑪河）是準(zhǔn)噶爾盆地最長的內(nèi)陸河，發(fā)源于依連哈比爾尕山烏代肯尼河的43號(hào)冰川［15］?，敽恿饔虻靥巵啔W腹地，新疆天山北麓、準(zhǔn)噶爾 盆 地 南 沿，位 于 43°20′—45°55′N，85°01′—86°42′E，自東向西有塔西河、瑪納斯河、清水河、金溝河及巴音溝河5條大的河流［16］。該流域地形呈南高北低走勢，源頭海拔5 000～5 500m［17］，屬典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候，又有垂直氣候特征，屬于典型的大陸性氣候［18］。據(jù)蘭州冰川研究所1986年版《中國冰川目錄》統(tǒng)計(jì)，瑪河流域共有冰川1 379條，冰川總面積1 035.68km2［19］，總儲(chǔ)量73.021km3。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究遙感影像數(shù)據(jù)由美國地質(zhì)勘察局（USGS）官方網(wǎng)站（http：∥www.usgs.gov）下載，包括1977年Landsat MSS影像數(shù)據(jù)（分辨率為60m），1990年、2000年、2010年和2013年瑪河流域相同時(shí)相Landsat TM 影像數(shù)據(jù)［19］，為了減少或消除云對(duì)冰雪提取的影響，本研究選取8月無云或少云的影像；瑪河流域分辨率為90m的SRTM DEM數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云下載（http：∥www.gscloud.cn/）。

由于1977年遙感影像分辨率較低，對(duì)遙感影像進(jìn)行降噪處理，除去周期性噪聲、尖銳性噪聲、壞線以及條帶等噪聲，提高影響質(zhì)量。然后對(duì)四期影像分別進(jìn)行遙感影像的大氣校正，為了減輕大氣和云對(duì)遙感影像分類精度的影響，利用ENVI 5.1的FLAASH模塊進(jìn)行大氣輻射校正［13］。為了減小幾何形變對(duì)影像處理造成的誤差，對(duì)影像進(jìn)行幾何校正，并以WGS－84為大地參考橢球坐標(biāo)系，此外，將遙感影像數(shù)據(jù)和非遙感影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、投影方式和研究區(qū)域等使之可以相互匹配，便于運(yùn)算，對(duì)于有雪斑干擾的影像，進(jìn)行銳化增強(qiáng)處理，這樣可以更有效地區(qū)分雪斑和有冰雪覆蓋的冰川。

2.2 冰川信息的提取與精度評(píng)估

相對(duì)于其他地物，冰雪在可見光區(qū)反射能力很強(qiáng)，在遙感影像上與其他地物通常呈明顯反差。故常用目視解譯法、亮度閾值法、歸一化積雪指數(shù)（Normalized difference snow index，NDSI）法、監(jiān)督分類法等［20］，提取冰雪信息。對(duì)于1977年的MSS采取6，5，4波段假彩色合成，2000年、2010年和2013年使用5，4，3波段分別代表R，G，B進(jìn)行假彩色合成，采用監(jiān)督分類根據(jù)地物的光譜差異來進(jìn)行分類。建立感興趣區(qū)選取不少于20個(gè)訓(xùn)練樣本，區(qū)域選擇完成后使用工具計(jì)算ROI分離度，樣本分離度達(dá)到1.8～2.0，為合適的樣本。本研究先采用最大似然分類器獲得積雪分類結(jié)果，為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，又輔以目視解譯對(duì)其進(jìn)行修正，提高其精度。分類后產(chǎn)生很多細(xì)小破碎的斑塊，采用Majority/Minority分析方法，以3×3窗口進(jìn)行小斑合并或重分類。對(duì)分類后影像精度驗(yàn)證，精度達(dá)到93.2%，kappa系數(shù)為0.92，符合分類標(biāo)準(zhǔn)。將處理后的柵格圖像轉(zhuǎn)換為矢量文件，加載到ArcGIS中進(jìn)行進(jìn)一步的圖像處理。經(jīng)過對(duì)分類精度進(jìn)行驗(yàn)證之后，對(duì)于分類結(jié)果中誤分和錯(cuò)分的部分，結(jié)合影像在ArcGIS中進(jìn)行手動(dòng)修改，并將數(shù)據(jù)輸出部分細(xì)小的斑塊進(jìn)行合并和處理。利用瑪納斯河流域山區(qū)矢量邊界對(duì)提取雪蓋裁剪，得到各年研究區(qū)冰雪覆被的信息（圖1）。

2.3 冰雪面積年均變化率

由于ENVI的局限性，運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)影像提取存在不確定性，但仍可以作為評(píng)估大時(shí)空尺度的冰川變化的重要依據(jù)。運(yùn)用評(píng)價(jià)冰雪面積變化程度的指標(biāo)冰川面積年均變化率（annual percentages of area changes，APAC）可以更準(zhǔn)確地反映不同時(shí)空尺度的冰雪變化。其表達(dá)式為：

式中：ΔS——冰川變化面積（km2）；So——初始狀態(tài)下冰雪面積（km2）；Δt——研究時(shí)段的年限（a）。

2.4 冰雪儲(chǔ)量估算

在無法獲取冰雪厚度的情況下，人們通常根據(jù)冰雪儲(chǔ)量和冰雪面積之間的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行冰儲(chǔ)量的估算。本文所采用的是適用于天山山系的冰儲(chǔ)量計(jì)算公式［23］：

式中：V——冰雪體積即冰雪儲(chǔ)量（km3）；S——冰雪面積（km2）。

圖1 瑪納斯河流域冰雪分布

3 結(jié)果與分析

3.1 冰雪覆被分布的面積變化

瑪河流域冰雪在1977—2013年面積逐漸減少，且退縮程度嚴(yán)重。研究區(qū)1977年冰雪面積為3 125.63km2減少到2013年的745.81km2，減少了2 379.81km2，占1977年的76.14%，基于公式（1）年變化率（APAC）為2.11%。其中1977—1990年，冰雪面積減少量很大，達(dá)到653.74km2，減少率為1.61%；1990—2000年冰雪面積變化量最大，達(dá)到917.90 km2，APAC為2.94%；2000—2013年，冰雪退縮趨勢加劇，減少面積為808.17km2，APAC減少為1.99%，縮減面積超過2000年總面積一半?？偠灾?，隨著全球氣溫的普遍升高，該區(qū)域的冰雪面積呈現(xiàn)減少的趨勢，近36a三個(gè)時(shí)間段瑪河流域山區(qū)冰雪面積總體上呈“小—大—小”趨勢退縮（圖2—3）。

圖2 1977－2013年冰雪面積變化

3.2 冰雪儲(chǔ)量變化特征

基于公式（2）計(jì)算研究區(qū)1977年，1990年，2000年，2013年四個(gè)時(shí)期的冰川儲(chǔ)量，1977—2013年瑪河流域冰雪儲(chǔ)量由2 090.38km3銳減到302.07km3，冰雪儲(chǔ)量減少比例達(dá)62.88%，退縮速率為49.68km3/a。1977—1990年冰雪儲(chǔ)量變化為567.56km3，在1990—2000年變化量達(dá)到最大值，為709.03km3，變化速率為70.90 km3/a。從2000—2013年期間，變化量減少，僅為511.72 km3。通過對(duì)影像解譯分析，其中1977年＜0.1km2冰川條數(shù)為13.41%，面積占0.95%，0.1～1km2的冰川條數(shù)為56.85%，面積為2.36%，＞1km2條數(shù)，面積分別為29.74%，97.55%。而2013年＜0.1km2冰川條數(shù)為6.2%，面積則為0.88%；0.1～1km2的冰川條數(shù)為91.53%，面積為13.74%，＞1km2冰川條數(shù)，面積則分別為2.26%，85.38%。從變化趨勢上看，該流域近36a冰雪儲(chǔ)量退縮幅度較大，但近年來退縮速率減少，36a以來冰川條數(shù)同面積變化主要分布在0.1～1km2，大多數(shù)為小冰川，對(duì)氣候變化異常敏感（見圖4）。

圖3 不同梯度雪蓋分布

圖4 冰雪儲(chǔ)量變化

3.3 冰雪覆被隨海拔高度的梯度變化

本研究選取瑪河流域分辨率為90m的SRTM DEM數(shù)據(jù)，以100m為間距，通過DEM高程數(shù)據(jù)和冰川分類信息進(jìn)行疊加，參考王娟等［21］高寒山區(qū)氣溫垂直分布的估測方法，同時(shí)考慮3 600m為雪線等因素，將瑪納斯河流域冰雪分布分為3個(gè)高程帶，分別是不穩(wěn)定積雪、穩(wěn)定積雪和永久積雪。不穩(wěn)定積雪是隨著季節(jié)的變化而增加或減少，夏季消融速率增加，因此隨著海拔的降低消融速率逐漸增加（見表1）。

表1 冰雪梯度分布

受自然因素的影響，海拔位于3 600～5 242m分布有冰川和永久積雪，該地帶冰雪消融速率最低，僅為25.55km2/a。隨著海拔的降低，消融速率逐漸增大。在低于2 700m的山區(qū)，隨季節(jié)變化的不穩(wěn)定積雪消融速率達(dá)到17.11km2/a，消融速率達(dá)到最大值，尤其在2013年，低海拔冰雪幾乎完全消失（見圖3）。

3.4 冰雪覆被在不同坡度的空間分布特征

地表面任一點(diǎn)的坡度指通過該點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角。坡度表示了地表面在該點(diǎn)的傾斜程度?，敽恿饔蚝０胃叨确秶?77～5 242m，冰雪面積約占流域面積的26%。冰雪分布隨著坡度的不同而具有很大差異。在36a間低坡度0°～20°冰雪面積所占百分比逐漸增加，坡度≥50°區(qū)域冰雪面積所占百分比不斷減小。1977年、1990年、2000年和2013年冰雪主要分布在坡度為0°～50°山體之間，坡度≥50°的山體上冰雪分布僅占2%～3%。1977年雪蓋分布在相對(duì)陡峭的坡面上，而1990年、2000年和2013年雪蓋分布在相對(duì)平緩的坡面上。1977年、1990年和2000年相比，坡度為0°～20°的冰雪面積所占百分比增加。而≥20°山體的冰雪面積所占百分比逐漸減少，70°～80°之間只有在1977—1990年有少量冰雪。2000年和2013年相比，0°～20°的冰雪面積所占百分比減少，20°～40°的冰雪面積所占百分比增加（見圖5）。

圖5 不同坡度的雪蓋分布

3.5 冰雪覆被不同坡向的分布特征

冰川坡向?yàn)楸ㄋ谏狡旅鎸?duì)的方向，冰川朝向則為冰川面對(duì)的方向，在大部分情況下，冰川坡向和朝向是一致的。近36a瑪河流域山區(qū)的冰雪分布呈陰坡（北、東、東北和西北）大于陽坡（南、東南和西南），尤其2000年和2010年更為顯著。36a間陰坡冰雪所占百分比均超過13%，而陽坡基本都在13%以下，其中2000年北坡為17.61%，2013年東北坡達(dá)到18.33%。其成因是由于陽坡太陽輻射時(shí)長、強(qiáng)度大于陰坡，促使冰雪消融加快。雖然只有正東、西南和正西方向雪蓋覆蓋面積逐年遞減，但是由于太陽輻射方向呈季節(jié)性變化，且年季差距小，因此在近36a年各坡向冰雪分布比例并沒有明顯變化（見圖6）。

圖6 不同朝向冰雪面積統(tǒng)計(jì)

3.6 原因分析及消融趨勢預(yù)測

在全球變暖的大背景下，對(duì)新疆天山北麓的氣候特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變［22］。近30a來瑪納斯河流域的年降水量和年均溫均在波動(dòng)中上升，說明瑪河流域氣候呈暖濕化趨勢。前人在探討冰雪變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制中發(fā)現(xiàn)，控制冰雪變化的主要兩個(gè)因素是夏季均溫和年降水量，其中夏季氣溫對(duì)冰川的消融量起決定作用，年降水則影響冰川的積累量［23－26］繼而影響到面積。隨著瑪河流域氣候暖濕化，降水集中在5—8月，期間蒸發(fā)劇烈，山區(qū)冰雪儲(chǔ)量積累少，對(duì)氣溫的升高尤為敏感，冰雪消融量增加，尤其是小型冰川數(shù)量趨于增長，而小規(guī)模的冰川對(duì)氣候的變化更加敏感［27］?，敽恿饔蛏絽^(qū)小規(guī)模冰雪縮減程度加劇，是近年來山區(qū)冰雪消融加劇的主要因素之一（見圖7）。

圖7 近36a瑪納斯河流域年平均氣溫、平均降水量變化

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

通過對(duì)瑪河流域近36a四期遙感影像的解譯分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）近36a瑪河流域山區(qū)冰雪面積總體上呈“小—大—小”趨勢退縮，總體退縮面積為1 258.18 km2，尤其是在1990—2000年間退縮趨勢明顯，減少率為37.1%，之后有所退縮速率有所降低，且在低海拔不穩(wěn)定積雪地區(qū)消融現(xiàn)象明顯。

（2）近36a間瑪河流域山區(qū)冰雪儲(chǔ)量減少明顯，儲(chǔ)量減少62.88%，同樣呈現(xiàn)“慢—快—慢”的消減趨勢，冰川主要分布在0.1～1km2。

（3）近36a間瑪河流域冰雪減少趨勢明顯，從坡度分析，冰雪主要分布在坡度0°～50°，≥50°雪蓋分布較少。從時(shí)間尺度上看，冰雪分布趨于低坡度，2000年至今坡度＞80°的冰雪消失。

（4）從坡向上看，冰雪分布陰坡大于陽坡，這是由于陰坡受太陽光照時(shí)間短且強(qiáng)度弱，不利于冰雪消融，反之則陽坡有利于冰雪消融。在時(shí)間尺度上，由于坡向，太陽輻射等變化差異小，因此不同坡向分布的冰雪百分比沒有明顯變化。

4.2 討 論

本文研究結(jié)果同我國西部天山區(qū)冰雪消融變化趨勢基本相吻合，與劉海隆等［28］的研究結(jié)果相比，總體的趨勢是一樣的。由于選取的遙感數(shù)據(jù)不同，研宄的年限以及對(duì)影像冰川辨認(rèn)的差別，不同作者對(duì)相同的冰雪變化的研究結(jié)果并不完全一致。雖然氣候變化對(duì)冰雪的影響有一定的滯后性，但滯后期是短暫的，并不影響氣候與冰雪變化之間關(guān)系研究的準(zhǔn)確性。隨著全球氣溫升高，冰雪消融態(tài)勢會(huì)更突顯，各國應(yīng)采取各種措施應(yīng)對(duì)這一變化?；趯?duì)該區(qū)域冰雪變化的分析以及其他區(qū)域的研究可以看出，瑪河流域山區(qū)冰雪仍出現(xiàn)消融態(tài)勢加劇趨勢。另外，本文未從物質(zhì)平衡角度以及冰雪消融的生態(tài)效應(yīng)方面去考慮消融態(tài)勢，也未對(duì)消融程度等級(jí)進(jìn)行劃分，這是未來進(jìn)行針對(duì)性進(jìn)一步深入研究的方面。

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