1987—2015年祁連山冰川退縮及未來變化趨勢研究

李虹蓉　楊太?！√锖殛?/p>

摘要利用1987和2015年Landsat遙感影像解譯分析祁連山地區(qū)冰川變化，研究冰川變化的影響因素。結(jié)果表明，祁連山冰川退縮較為嚴(yán)重，面積從1987年的2 072.7 km2減少到2015年的1 506.3 km2，28年來總退縮率為27.3%，年均退縮率為0.98%；冰川存在一定的地形/溫度分布差異，海拔在4 900～5 100 m，坡度為10°～20°，坡向以北和東北方向為主，夏季氣溫為3～5 ℃時，是冰川發(fā)育的聚集區(qū)；冰川退縮也存在一定的地形/溫度分布差異，海拔4 200～4 300 m，坡度10°～20°，坡向南和東南方向，夏季氣溫小于2 ℃，是冰川退縮最快的區(qū)間。以溫度為主導(dǎo)的模擬研究表明，研究區(qū)冰川未來15和30年退縮嚴(yán)重，退縮率分別達到10.9%和33.5%。

關(guān)鍵詞祁連山；冰川；遙感；地理加權(quán)回歸

中圖分類號P343.6文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）30-0059-05

AbstractGlacier in the Qilian Mountains during the past 28 years were interpreted based on Landsat TM（1987） and OLI（2015） data. The coupling relationship between glacier retreat and influence factors were discussed. The results showed that the glaciers decreased in this area by 27.3% between 1987（2 072.7 km2） and 2015（1 506.3 km2）， and the annual percentage of area changes for the glacier was 0.98%. The best condition of altitude for glacier ranged from 4 900 to 5 100 m， slope being 10°-20°， north and northeast slope and summer temperature 3-5 ℃. The glacier retreat occured mainly at altitude ranged from 4 200 to 4 300 m， slope being 10°-20°， south and southeast slope and summer temperature less than 2 ℃. The results of the simulation study showed that the glaciers decreased in this area next 15 or 30 years was up to 10.9% and 33.5% respectively.

Key wordsQilian Mountains；Glacier；Remote sensing；Geographical weighted regression

冰川是氣候系統(tǒng)的產(chǎn)物，在諸多環(huán)境系統(tǒng)中，受氣候變化影響最直接，對全球變暖指示性最敏感，被認(rèn)為是氣候系統(tǒng)多圈層相互作用的關(guān)鍵紐帶[1]。冰川變化可以通過野外站點觀測，由于中低緯度冰川都在高海拔、復(fù)雜地形區(qū)域，惡劣環(huán)境制約著實地觀測，長期定點觀測的冰川并不多。受制于較少的實地觀測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)不足以反映整個區(qū)域尺度變化，以點代面的研究忽視了各種變量空間異質(zhì)性。以遙感和地理信息系統(tǒng)為手段的研究能夠滿足山地冰川變化監(jiān)測要求。

隨全球變暖，冰川普遍出現(xiàn)退縮，表現(xiàn)為末端后退、平衡線升高、面積變小，這在全球或較大尺度上得以廣泛認(rèn)同[2-3]，但受區(qū)域地形和氣候的影響，不同地區(qū)的冰川變化有較大差異。冰川變化受氣候系統(tǒng)內(nèi)部及其他系統(tǒng)相互影響、相互反饋，通過冰川時空分布與地形、氣候因子的數(shù)值模擬研究，可以掌握冰川變化特征及規(guī)律，為應(yīng)對環(huán)境變化提供依據(jù)[4]。祁連山周邊綠洲有規(guī)模人類居住，在全球變暖背景下，冰川退縮影響著中下游綠洲盆地的水資源，對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。筆者以祁連山冰川為探討對象，使用1987和2015年兩期遙感影像，研究冰川面積的變化，初步分析冰川變化與地形、氣溫的關(guān)系，以氣溫變化為切入點對未來冰川變化趨勢做出直觀預(yù)測。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況

祁連山是位于青藏高原東北邊緣的高大山系（圖1），地理坐標(biāo)為95°8′～102°24′ E、37°1′～39°59′ N，東西橫跨642 km，南北縱貫294 km。山系由西北—東南走向的平行褶皺山脈組成，海拔多在3 000 m以上，地勢由東北向西南升高。西段主要受西風(fēng)環(huán)流影響，降水稀少；東段處于東亞季風(fēng)作用區(qū)[5-6]，降水相對豐富。祁連山山體高大，水熱條件具有明顯垂直地帶性?？傮w而言，山前低山屬荒漠氣候，中山下部屬半干旱草原氣候，中山上部為半濕潤森林草原氣候，亞高山和高山屬寒冷濕潤氣候[7]，山頂現(xiàn)代冰川較為集中發(fā)育。區(qū)域年均降水量普遍在500 mm以下，屬資源性缺水地區(qū)，冰川融水是當(dāng)?shù)厮Y源的重要補給。北坡冰川融水匯入玉門、酒泉、張掖、民樂、金昌、武威、民勤等綠洲，南坡匯入柴達木盆地、哈拉湖、青海湖、黃河水系等。北大河、黑河、大通河、布哈河等發(fā)源于此處涵養(yǎng)林，維系著下游綠洲的生存和發(fā)展。

1.2數(shù)據(jù)與方法

Landsat衛(wèi)星系列自1972年以來就有持續(xù)觀測數(shù)據(jù)，1984年發(fā)射的Landsat5及后續(xù)衛(wèi)星搭載的傳感器多光譜波段空間分辨率均為30 m，大部分光譜波段重合，可確保區(qū)域尺度冰川提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一致性。結(jié)合研究目的和數(shù)據(jù)可獲取性，考慮云量覆蓋、影像質(zhì)量等因素，在中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.gscloud.cn）選取以1987和2015為基準(zhǔn)年，時間跨度為28年左右的兩期影像數(shù)據(jù)。盡量選擇基準(zhǔn)年影像，在云量、質(zhì)量難以滿足要求的情況下選擇就近年數(shù)據(jù)，具體影像見表1。數(shù)據(jù)為Level1T級產(chǎn)品，經(jīng)過了系統(tǒng)輻射矯正和幾何糾正，成像時間大多為夏季，可盡量減少季節(jié)性積雪造成的分類誤差。在ENVI環(huán)境中對每景影像進行FLAASH大氣糾正，根據(jù)冰川可見光波段強反射和短波紅外波段強吸收特性，利用反射率比值閾值法確定冰川區(qū)域。Landsat5系列使用波段4/波段5，Landsat8系列使用波段5/波段6，經(jīng)分類后處理、鑲嵌，形成研究區(qū)兩期的冰川面積和分布數(shù)據(jù)。

地形數(shù)據(jù)使用ASTER GDEM，空間分辨率30 m，高程精度20 m，數(shù)據(jù)同樣來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺。在ArcGIS環(huán)境中進行坡度分析和坡向分析，派生出坡度數(shù)據(jù)和坡向數(shù)據(jù)。

溫度數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn），利用祁連山及周邊地區(qū)27個氣象站（分別為敦煌、安西、玉門鎮(zhèn)、鼎新、金塔、酒泉、高臺、阿拉善右旗、冷湖、托勒、野牛溝、張掖、祁連、山丹、永昌、武威、民勤、小灶火、德令哈、剛察、門源、烏鞘嶺、格爾木、諾木洪、烏蘭、茶卡、西寧）1987—2015年溫度日值序列，求出夏季（6—8月）均溫和年均溫后，以溫度為因變量，海拔為自變量，建立地理加權(quán)回歸，模型如下：

T=β0+β1×DEM+ε

式中，T為溫度；DEM為海拔；β為回歸參數(shù)；ε為隨機誤差。

計算得到該區(qū)域研究時間段夏季均溫和年均溫分布，以此反映祁連山地區(qū)28年來氣溫分布及變化。相比較全局模型，地理加權(quán)回歸會體現(xiàn)變量關(guān)系之間的空間非平穩(wěn)性，變量之間局部特性得以體現(xiàn)。

上述數(shù)據(jù)來源多樣，格式和投影各不相同，為后續(xù)研究的展開，處理后的柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存為Image格式，空間分辨率為30 m，投影為Albers。

2結(jié)果與分析

2.1地形因素對冰川變化的影響

2.1.1海拔對冰川變化的影響。

通過遙感解譯得到1987年冰川面積2 072.7 km2，2015年冰川面積1 506.3 km2，28年總退縮率為27.3%，年均退縮率為0.98%，變化率遠大于青藏高原其他地區(qū)冰川，表明祁連山冰川退縮更為嚴(yán)重。

結(jié)合DEM數(shù)據(jù)和遙感提取的冰川信息得到不同時期冰川海拔分布情況（圖2）。從圖2可見，祁連山冰川分布在海拔4 200～5 600 m，總體上，冰川面積隨海拔的升高先增大后減小，1987年這一期冰川面積在海拔4 900～5 000 m處達到峰值，2015年峰值則在海拔5 000～5 100 m處，在此高度以上冰川面積隨著海拔的增加而減少。冰川的這種分布隨著海拔的升高，可供冰川發(fā)育的空間面積逐漸減少。

冰川退縮主要發(fā)生在海拔4 200～5 300 m（圖3），4 200～4 300 m處冰川退縮最為嚴(yán)重，退縮率最高達78.7%；隨著海拔的升高，冰川退縮率以4 700～4 800 m處為谷底，4 900～5 000 m為峰值，呈先減小后增大再減小的波動變化；大于5 300 m海拔冰川面積變化與低海拔趨勢相反，冰川面積反而有所增加。

2.1.2坡度對冰川變化的影響。

冰川主要分布在坡度0°～45°，不同時期冰川坡度分布具有較好一致性：隨坡度增加，

2.1.3坡向與冰川變化。

祁連山冰川面積以北和東北方向分布為主（圖6），1987和2015年北坡向冰川面積分別占24.4%、24.5%，東北坡向分別為22.9%、21.7%；南和西南方向分布最少，南坡向分別為5.7%、5.1%，西南坡向分別為5.6%、5.2%?？梢?，北和東北方向是祁連山冰川發(fā)育最有利的朝向，這是地形、溫度與水汽等條件共同作用的結(jié)果。祁連山脈以西北—東南走向為主，北和東北方向坡面寬廣，為冰川發(fā)育提供了有利空間，東南和西北方向坡面狹窄，限制了冰川的積累。研究區(qū)東部海拔較低，不容易達到冰川發(fā)育的溫度條件，東南方向暖濕氣流經(jīng)河谷向西北方向深入，在西部形成向上的水汽，冰川在西部、西北部的分布優(yōu)勢與此有關(guān)（圖1）。同時，北朝向坡面受太陽輻射較弱，溫度相對較低，有利于冰川積累發(fā)育。南朝向坡面受較多太陽輻射，溫度較高，青藏高原內(nèi)部高大山脈阻擋了東南方向祁連山南坡的水汽輸送，因此南和西南坡向冰川分布極少。從圖7可見，各坡向冰川都在退縮，南和東南方向退縮最快，退縮率分別為35.8%和35.3%，西北方向退縮最慢，為6.9%。

2.2氣溫因素對冰川變化的影響

2.2.1夏季溫度對冰川變化的影響。

結(jié)合地理加權(quán)回歸得到的夏季溫度數(shù)據(jù)與遙感解譯得到的冰川分布數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果見圖8。從圖8可見，1987年冰川分布與氣溫分布關(guān)系看，夏季平均氣溫-2～6 ℃的區(qū)域均有冰川分布，夏季均溫4～5 ℃的區(qū)域冰川分布面積最多。2015年冰川分布面積最多的區(qū)域與夏季均溫3～4 ℃的分布區(qū)域重合。以3～5 ℃為中心，溫度增加或減少時，冰川面積都是減少的。從冰川退縮率與夏季氣溫空間分布來看（圖9），在夏季平均溫度的地區(qū)6 ℃以下，冰川都是退縮的，且小于2 ℃的區(qū)域冰川退縮率較高。

2.2.2冰川邊界氣溫。

冰川時空演變過程，對研究區(qū)幾個冰川較集中的區(qū)域進行重點研究。分別是：①大雪山，該區(qū)域是一個完整山地，孕育有大量山谷冰川，代表是老虎溝冰川；②素珠鏈峰，祁連山主峰在該區(qū)域，發(fā)育有較大面積的冰帽型冰川、山岳冰川，包括有八一冰川、素珠鏈冰川、北佘年冰川、石羊河5號冰川等；③土爾根達坂山，是祁連山系冰川面積分布較大的山脈，敦德冰帽是祁連山最大的平頂型冰川；④疏勒山，是祁連山最高大的山地，高大山體和較多降水孕育了大量的山岳冰川和山谷冰川，代表是崗納樓冰川。

利用冰川分布數(shù)據(jù)和夏季氣溫空間分布數(shù)據(jù)，可以獲取2015年冰川邊界氣溫。對4個研究區(qū)冰川邊界氣溫進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2，均值可視為對應(yīng)研究區(qū)冰川區(qū)域氣溫最高值。由表2可知，各地區(qū)冰川邊界氣溫最高值各不相同，差異較大。

2.2.3未來冰川變化預(yù)估。

為模擬未來15年和未來30年各區(qū)域冰川變化，以2015年冰川夏季氣溫分布為基準(zhǔn)，利用站點溫度數(shù)據(jù)經(jīng)插值和統(tǒng)計分析得到的變化趨勢模擬得到15年后和30年后的氣溫分布，分別以表2冰川邊界均值為氣溫上限，可以得到各區(qū)域冰川變化模擬。圖10為研究區(qū)冰川

區(qū)域夏季均溫和年均溫變化，可以看出，夏季均溫每隔10年溫度升高0.527 ℃，年均溫上升速度更快，每隔10年溫度升高0.532 ℃。圖11為4個重點區(qū)域冰川在未來的變化情況。

3結(jié)論

該研究利用1987年和2015年的祁連山冰川遙感解譯資料，結(jié)合數(shù)字高程模型、氣象數(shù)據(jù)，建立了冰川分布與海拔、坡度、坡向、溫度之間的統(tǒng)計關(guān)系，結(jié)果表明：2015年比1987年冰川面積減少566.4 km2，退縮率為27.30%，平均年均退縮率為0.98%。冰川退縮與地形、海拔、坡向、坡度、氣候條件都具有密切相關(guān)。以現(xiàn)有的氣候變化趨勢和典型冰川變化，簡單預(yù)估了研究區(qū)未來冰川的退縮率，分別為10.90%（2015—2030年）和33.5%（2015—2045年），后一時間段的統(tǒng)計與1987—2015年相比加快較多。

參考文獻

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