2010—2020年祁連山東段冷龍嶺寧纏河1號(hào)冰川變化綜合觀測(cè)研究

潘保田， 曹 泊， 管偉瑾

（1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省石羊河流域野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅蘭州 730000）

0 引言

冰川不僅是重要的淡水資源［1-2］，還是氣候變化的敏感指示器［3-5］。祁連山位于青藏高原東北緣，地處我國(guó)西北干旱半干旱區(qū)，共發(fā)育有現(xiàn)代冰川2 821條，總面積為1 986.94 km2［6］。發(fā)源于祁連山的冰川融水徑流是河西走廊和柴達(dá)木盆地重要的淡水來(lái)源。近年來(lái)，在氣候變暖的大背景下，青藏高原大部分地區(qū)的冰川消融強(qiáng)烈［7-9］。祁連山地區(qū)的冰川也經(jīng)歷了不同程度的退縮［10-18］，嚴(yán)重威脅流域內(nèi)的生產(chǎn)和生活用水安全［15，19］。因此，祁連山地區(qū)冰川物質(zhì)平衡的研究對(duì)流域內(nèi)水資源的分配和利用具有重要的指導(dǎo)意義。此外，祁連山還是我國(guó)現(xiàn)代冰川研究的起源之地。1958年施雅風(fēng)先生領(lǐng)導(dǎo)組織高山冰雪利用研究隊(duì)在祁連山開(kāi)展大規(guī)?？疾?，出版了《祁連山現(xiàn)代冰川考察報(bào)告》［20］，開(kāi)啟了我國(guó)現(xiàn)代冰川研究的先河。李吉均先生作為主要成員參加了祁連山現(xiàn)代冰川考察工作，自此也開(kāi)啟了他本人的現(xiàn)代冰川研究生涯，之后在青藏高原各地進(jìn)行冰川研究工作，出版了《西藏冰川》［21］等著作，為推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代冰川研究作出了杰出貢獻(xiàn)。2020年7月21日先生不幸仙逝，謹(jǐn)以此文致以緬懷。

在目前研究中，“冰川學(xué)方法”和“大地測(cè)量法”是最常用的兩種獲得冰川物質(zhì)平衡的方法［22-23］?！氨▽W(xué)方法”指通過(guò)在冰面布設(shè)花桿，觀測(cè)花桿處的積累和消融，進(jìn)而獲得整個(gè)冰川物質(zhì)平衡的方法［24-25］。“大地測(cè)量法”指通過(guò)代表不同時(shí)期冰面高程的數(shù)字高程模型（DEM）之間的高程差獲得冰川物質(zhì)平衡的方法［26］。相較于“大地測(cè)量法”，“冰川學(xué)方法”能夠最直接獲得精度較高的測(cè)量數(shù)據(jù)［22，25，27］，適合用于冰川物質(zhì)平衡的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。然而，受高海拔地區(qū)極端氣候以及地形等條件的限制，有物質(zhì)平衡直接觀測(cè)的冰川較少，有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)物質(zhì)平衡觀測(cè)的冰川更為匱乏［8，28］。

鑒于祁連山冰川及其融水的重要性，學(xué)者們已在祁連山中段的七一冰川［29-30］、十一冰川［31］，以及西段的透明夢(mèng)珂冰川（老虎溝12號(hào)冰川）［32］進(jìn)行了物質(zhì)平衡觀測(cè)，而在祁連山東段仍缺少連續(xù)的冰川物質(zhì)平衡觀測(cè)數(shù)據(jù)。據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)在祁連山東段，冰川退縮尤為劇烈，退縮速率要高于西段和中段［33-35］。因此，自2010年始，我們對(duì)祁連山東段冷龍嶺地區(qū)的寧纏河1號(hào)（NC01）冰川開(kāi)展了連續(xù)的物質(zhì)平衡觀測(cè)。本文的研究目標(biāo)為：結(jié)合覆蓋NC01冰川的Google Earth高分辨率影像，以及資源3號(hào)（ZY-3）和哨兵2號(hào)（Sentinel-2）衛(wèi)星影像，獲得NC01冰川2008—2020年的面積和物質(zhì)平衡變化信息；結(jié)合1972年地形圖數(shù)字化得到的冰面高程和2014年獲得的冰川厚度數(shù)據(jù)，討論NC01冰川1972年以來(lái)的厚度和冰量變化；最后結(jié)合氣象資料，探討冰川變化與氣候之間的聯(lián)系。

1 研究區(qū)概況

冷龍嶺位于祁連山東段，第一次冰川編目（CGI1）數(shù)據(jù)顯示，此處發(fā)育現(xiàn)代冰川244條，其中南坡103條，冰川融水流入大通河，最后注入黃河，屬于黃河流域；北坡141條，屬內(nèi)陸水系，注入石羊河［6］。NC01冰川位于冷龍嶺北坡［圖1（a）］，屬于亞大陸型山地冰川，冰川面積為0.77 km2［6］，海拔范圍為4 260～4 640 m，冰面表磧覆蓋較少。Cao等［36］在2014年8月對(duì)NC01冰川的厚度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)NC01冰川平均冰厚約24 m，最大厚度為65 m，總冰量約9.36×106m3。NC01冰川受東亞季風(fēng)和西風(fēng)帶的共同控制［37］。2010年建立在NC01冰川側(cè)磧壟上（4 450 m）的自動(dòng)氣象站［圖1（c）］顯示，NC01冰川附近的年平均氣溫約為-6.0℃，年平均降水量＞800 mm，降水主要集中在6—8月的夏季［36］。近年來(lái)的研究顯示，在過(guò)去的幾十年，NC01冰川快速退縮，且退縮速率呈加速趨勢(shì)［14，16］。2010—2015年，NC01冰川物質(zhì)平衡線平均高度約為4 680 m，已超過(guò)了冰川的最高海拔［36］。NC01冰川融水經(jīng)寧纏河最終匯入甘肅三大內(nèi)陸河之一的石羊河。

圖1 寧纏河1號(hào)（NC01）冰川在青藏高原與祁連山的位置（a）及花桿分布（b）Fig.1 Location of Ningchan No.1（NC01）Glacier on map of Qilian Mountains（a），and an overview of stakeson NC01 Glacier（b）［The scene of meteorological station（c），stakes layout（d）and mass balance measurement（e）are also showed］

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

準(zhǔn)確的冰川邊界是計(jì)算冰川物質(zhì)平衡和冰量變化的前提。本研究采用ZY-3、Sentinel-2以及Google Earth來(lái)獲取不同時(shí)期的NC01冰川邊界。ZY-3立體測(cè)繪衛(wèi)星于2012年1月9日發(fā)射，搭載有四臺(tái)光學(xué)相機(jī)，其中，可用于立體測(cè)圖的正視相機(jī)分辨率為2.1 m，前視和后視相機(jī)分辨率均為3.6 m，多光譜相機(jī)分辨率為5.8 m。Sentinel-2高分辨率多光譜成像衛(wèi)星分為2A和2B兩顆衛(wèi)星，分別于2015年6月23日和2017年3月7日發(fā)射，其在可見(jiàn)光波段的分辨率為10 m。因此，本文用到的遙感影像有：2008年8月3日的Google Earth高分辨率歷史影像，2014年8月9日Z(yǔ)Y-3衛(wèi)星影像，以及2016年8月16日、2018年7月12日和2020年7月26日的Sentinel-2衛(wèi)星影像。

為了獲得NC01冰川處的氣溫和降水特征，分別于2010年10月和2017年8月，在NC01冰川側(cè)磧壟（37°30′48″N、101°50′02″E，海拔4 450 m）與距離冰川末端約5 km處（37°33′38″N、101°51′15″E，海拔3 620 m）架設(shè)了兩個(gè)自動(dòng)氣象站。此外，還依據(jù)位于鄰近高海拔區(qū)域的門(mén)源氣象站（海拔2 924 m）記錄的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，討論了NC01冰川20世紀(jì)50年代以來(lái)的氣溫、降水變化趨勢(shì)及其與冰川變化之間的關(guān)系。

2.2 研究方法

雖然有一些自動(dòng)的方法可以提取冰川邊界，但是對(duì)于高分辨率遙感影像來(lái)說(shuō)，手工數(shù)字化仍然是目前最為精確的方法。本研究基于糾正后的多期遙感影像，通過(guò)手工數(shù)字化的方式，提取了NC01冰川的邊界。

基于傳統(tǒng)的冰川學(xué)觀測(cè)方法，即通過(guò)觀測(cè)單點(diǎn)位置處冰川的積累和消融［23-24］，對(duì)NC01冰川進(jìn)行逐年的物質(zhì)平衡觀測(cè)。2010年消融季末，首次在NC01冰川上布設(shè)了22根花桿（A系列，見(jiàn)表1）開(kāi)始物質(zhì)平衡觀測(cè)。隨著冰川的不斷消融，持續(xù)觀測(cè)4～6年后，花桿會(huì)發(fā)生傾倒。為了保證觀測(cè)的連續(xù)性，分別于2016年和2020年在原花桿附近重新布設(shè)了新的花桿（B系列和C系列，見(jiàn)表1）。NC01冰川冰面平坦，表磧覆蓋較少，花桿可以均勻地分布在整個(gè)冰川［圖1（b）］。為了準(zhǔn)確反映冰川的物質(zhì)平衡，花桿布設(shè)時(shí)盡可能地分布在不同的海拔高度。本研究假設(shè)冰密度為（850±60）kg·m-3，積雪密度為（390±40）kg·m-3［36］。

表1 NC01冰川花桿布設(shè)情況Table 1 Stakes on NC01 Glacier in different years

將花桿獲得的冰川單點(diǎn)物質(zhì)平衡外推到整個(gè)冰川區(qū)，傳統(tǒng)的計(jì)算方法主要有等值線法和等高線法兩種方法［38］。等值線法指以觀測(cè)獲得的單點(diǎn)物質(zhì)平衡為基礎(chǔ)繪制出物質(zhì)平衡等值線圖，利用面積加權(quán)法計(jì)算出物質(zhì)平衡；等高線法指提取出冰川的等高線，將相鄰等高線之間的物質(zhì)平衡視為固定值，通過(guò)不同高程帶面積加權(quán)來(lái)計(jì)算整個(gè)冰川物質(zhì)平衡的方法［23］。蒲健辰等［29，39］、劉潮海等［40］分別在唐古拉山小冬克瑪?shù)妆?、祁連山七一冰川和天山烏魯木齊河源1號(hào)冰川對(duì)兩種冰川物質(zhì)平衡的計(jì)算方法進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果基本一致。在先前的研究中發(fā)現(xiàn)，NC01冰川表面物質(zhì)平衡和冰面高程存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系［36］?？紤]到布設(shè)在NC01冰川上的花桿在空間上密度較大，分布較為均勻且基本覆蓋了整個(gè)冰川，此研究中通過(guò)擬合獲得花桿觀測(cè)物質(zhì)平衡和冰面高程之間的關(guān)系，并將這一關(guān)系應(yīng)用到整個(gè)冰川區(qū)來(lái)獲得整個(gè)冰川的物質(zhì)平衡。

2.3 誤差分析

花桿觀測(cè)推算冰川物質(zhì)平衡的誤差主要來(lái)源于花桿分布、花桿讀數(shù)、冰川密度的準(zhǔn)確性以及將花桿觀測(cè)結(jié)果外推到整個(gè)冰川區(qū)的方法［23，25，41-44］。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，其不確定性在0.1～0.6 m w.e.［23，41，45］。在此次研究中，參照Thibert等［46］提出的方法，獲得整個(gè)冰川年物質(zhì)平衡不確定性約為0.5 m w.e.。

手工數(shù)字化提取冰川邊界的誤差主要來(lái)自于影像自身的定位精度以及難以區(qū)分的混合像元。在此處，利用和Minora等［47］相似的方法估算了基于Google Earth高分辨率歷史影像、ZY-3和Sentinel-2衛(wèi)星影像提取冰川面積的不確定性（EA）。其估算公式為

式中：l為冰川邊界長(zhǎng)度；LREyr為影像分辨誤差，以半像素誤差來(lái)衡量；Eco為影像配準(zhǔn)誤差，等于影像的像素大小。經(jīng)計(jì)算，NC01冰川面積提取的不確定性小于0.05 km2。

依據(jù)誤差傳播規(guī)律，冰川面積變化誤差EC為

式中：EA1和EA2分別為時(shí)間1和時(shí)間2的冰川面積不確定性。經(jīng)計(jì)算，NC01冰川面積變化的不確定性小于0.071 km2。

3 結(jié)果與分析

3.1 冰川末端位置與面積變化

在此次研究中，依據(jù)Google Earth高分辨率歷史影像、ZY-3和Sentinel-2衛(wèi)星影像提取的冰川邊界，獲得了NC01冰川的末端位置和面積變化（圖2）。結(jié)果顯示：2008—2020年，NC01冰川末端位置持續(xù)后退，速率為7.54 m·a-1。其中，2008—2014年退縮速率較大，為9.77 m·a-1，2016—2018年退縮速率較小，為4.70 m·a-1。2008年NC01冰川面積為4.22×105m2，2020年冰川面積減少至3.32×105m2，退縮速率為0.075×105m2·a-1。

圖2 不同年份NC01冰川分布（a）及末端（b）和面積（c）變化Fig.2 Outlines of NC01 Glacier in different years（a），and terminus（b）and area（c）changes

3.2 冰川物質(zhì)平衡變化

花桿觀測(cè)結(jié)果顯示：物質(zhì)虧損隨海拔的降低而加劇，靠近冰川末端的低海拔區(qū)域物質(zhì)虧損最為明顯，即冰川表面物質(zhì)平衡和冰面高程之間有較好的線性關(guān)系（圖3）。將以上花桿觀測(cè)物質(zhì)平衡和冰面高程之間的線性關(guān)系應(yīng)用到整個(gè)冰川區(qū)，即可獲得2010—2020年NC01冰川逐年的物質(zhì)平衡信息（圖3～4）。結(jié)果顯示：近10年來(lái)，NC01冰川年物質(zhì)平衡持續(xù)為負(fù)，累積物質(zhì)平衡為-9.83 m w.e.，年均物質(zhì)平衡為-0.98 m w.e.。在不同年份NC01冰川物質(zhì)平衡差異較大。2014—2015年和2016—2017年，物質(zhì)虧損較少，且在高海拔地區(qū)有物質(zhì)積累，年物質(zhì)平衡分別為-0.15 m w.e.和-0.25 m w.e.。在其余時(shí)間段內(nèi)，整個(gè)冰川物質(zhì)平衡均為負(fù)值。其中，2015—2016年和2017—2018年物質(zhì)虧損較為明顯，物質(zhì)平衡約為-1.5 m w.e.（圖4）。

圖3 基于花桿觀測(cè)的2010—2020年NC01冰川物質(zhì)平衡與冰面高程的關(guān)系Fig.3 Relationship between NC01 Glacier mass balance and altitude from 2010 to 2020 based on stakes

4 討論

4.1 冰川厚度和冰量變化

Cao等［36］依據(jù)1972年1∶5萬(wàn)地形圖數(shù)字化得到的冰面高程，以及2010年和2015年差分GPS測(cè)得的冰面高程，基于大地測(cè)量法間接地估算了NC01冰川的物質(zhì)平衡。結(jié)果顯示：1972—2010年，NC01冰川平均減薄28.8 m，平均減薄速率為0.76 m·a-1，年物質(zhì)平衡為-0.65 m w.e.。2010—2015年，花桿觀測(cè)和通過(guò)差分GPS高程差間接獲得的物質(zhì)平衡分別為-4.8 m w.e.和-4.3 m w.e.，二者的差異約為10%。

在此次研究中，依據(jù)Cao等［36］2014年實(shí)測(cè)的冰川厚度、1972—2010年的物質(zhì)平衡以及本研究得到的2010—2020年逐年觀測(cè)物質(zhì)平衡，推算出了1972年以及2010—2020年逐年的冰川厚度及其冰量［圖5（a）］。在1972—2020年整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，NC01冰川平均厚度減薄40.37 m，冰量減少17.49×106m3，平均減薄速率為0.84 m·a-1，平均冰量變化速率為-0.36×106m3·a-1。其中，1972—2010年，NC01冰川平均厚度從57.89 m減薄至29.09 m，冰量從24.32×106m3減少至11.35×106m3，平均減薄速率為0.76 m·a-1，平均冰量變化速率為-0.34×106m3·a-1。2010—2020年，冰川退縮加速。2020年冰川平均厚度減薄至17.52 m，冰量減少至6.83×106m3，平均減薄速率為1.16 m·a-1，平均冰量變化速率為-0.45×106m3·a-1。

圖5 1972—2020年NC01冰川厚度和冰量變化（a）與門(mén)源氣象站年降水量和夏季（6—8月）平均氣溫（b）變化Fig.5 Changes in NC01 Glacier thickness and ice volume from 1972 to 2020（a）and annual precipitation and averaged summer（June to August）air temperature at Menyuan Meteorological Station（b）

4.2 冰川物質(zhì)平衡對(duì)氣候變化的響應(yīng)

氣候變化是全球冰川變化的主要原因［48］。先前的研究表明，NC01冰川的退縮也可歸因于氣候變化［15-16，36］。冰川側(cè)磧壟上自動(dòng)氣象站獲得的資料顯示：2010—2020年，NC01冰川夏季（6—8月）氣溫均值在2.3～4.7℃之間，年降水量為780～970 mm（圖4）。對(duì)比2010—2020年NC01冰川物質(zhì)平衡變化發(fā)現(xiàn)，夏季氣溫越高，冰川物質(zhì)虧損越明顯（圖4），二者呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，比如2014—2015年較低的夏季氣溫和2015—2016年較高的夏季氣溫分別對(duì)應(yīng)了最小和最大的物質(zhì)虧損（圖4）。2010—2020年，雖然降水有增多趨勢(shì)，但冰川仍處于較為強(qiáng)烈的負(fù)平衡。

圖4 2010—2020年NC01冰川物質(zhì)平衡與氣候變化Fig.4 NC01 Glacier mass balance with climate change from 2010 to 2020

1972年以來(lái)，祁連山東段氣溫和降水均有不同程度的升高和增加［圖5（b）］，依據(jù)其變化趨勢(shì)，可分為1972—1990年和1990—2020年兩個(gè)階段。1972—1990年，降水和氣溫基本保持不變；1990—2020年，降水略有增加，氣溫明顯升高。

先前的研究表明，每上升1℃需要增加25%的降水才能彌補(bǔ)氣溫升高造成的冰川消融［49］。此外，氣溫升高會(huì)導(dǎo)致降水中液態(tài)降水的比例增加，使得冰面反照率減小進(jìn)而加速冰川表面消融［50］。1972年以來(lái)NC01冰川整體呈退縮趨勢(shì)，且2008—2020年冰川退縮速率（7.54 m·a-1）明顯高于1970—2010年（4.50 m·a-1）［14］。這可能與近年來(lái)氣溫的明顯升高有關(guān)，氣溫升高帶來(lái)的消融量遠(yuǎn)大于降水增加帶來(lái)的積累量。

此外，通過(guò)對(duì)比祁連山的水管河4號(hào)冰川、七一冰川、十一冰川、透明夢(mèng)珂冰川，以及天山的烏魯木齊河源1號(hào)冰川和青冰灘72號(hào)冰川近年來(lái)的物質(zhì)平衡結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在相近時(shí)間段，NC01冰川物質(zhì)虧損更為強(qiáng)烈（表2）。可能原因是NC01冰川規(guī)模較小，對(duì)氣候變化的響應(yīng)更加敏感。在當(dāng)前的氣候狀態(tài)下，有不少冰川物質(zhì)平衡線高度都超過(guò)了冰川的最高海拔，使得整個(gè)冰川都處于消融狀態(tài)［51］。根據(jù)Cao等［36］和本文的研究，NC01冰川物質(zhì)平衡線近10年的平均高度約為4 680 m，已超過(guò)了冰川的最高海拔，這也加快了冰川負(fù)物質(zhì)平衡。因此，可以推測(cè)，在當(dāng)前的氣候背景下，NC01冰川將在不久后完全消失。Cao等［52］根據(jù)冰川ELA高度也認(rèn)為，目前冷龍嶺地區(qū)的冰川還需要繼續(xù)退縮才能與氣候達(dá)到平衡，伴隨著大部分冰川的消失。

表2 中國(guó)不同冰川的物質(zhì)平衡Table 2 Mass balance of different glaciers in China

5 結(jié)論

2010—2020年，對(duì)祁連山東段冷龍嶺地區(qū)的NC01冰川開(kāi)展了連續(xù)10年的冰川物質(zhì)平衡觀測(cè)，結(jié)合Google Earth高分辨率歷史影像、ZY-3和Sentinel-2衛(wèi)星影像，以及2014年獲得的冰川厚度數(shù)據(jù)，獲得以下結(jié)論：

（1）2008—2020年，NC01冰川末端位置持續(xù)后退，平均速率為7.54 m·a-1。2008年NC01冰川面積為4.22×105m2，2020年冰川面積減少至3.32×105m2，平均退縮速率為0.075×105m2·a-1，冰川總面積減少了21.3%。

（2）2010—2020年，NC01冰川物質(zhì)平衡持續(xù)為負(fù)，年均物質(zhì)平衡為-0.98 m w.e.。物質(zhì)虧損在不同年份差異較大。2015—2016年以及2017—2018年物質(zhì)虧損最明顯，約為-1.5 m w.e.，2014—2015年物質(zhì)虧損最少，為-0.15 m w.e.。物質(zhì)平衡與夏季氣溫呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（3）2010—2020年，NC01冰川平均厚度從29.09 m減薄至17.52 m，平均減薄速率為1.16 m·a-1；冰量從11.35×106m3減少至6.83×106m3，平均變化速率為-0.45×106m3·a-1。

（4）1972年以來(lái)，NC01冰川持續(xù)減薄，冰量持續(xù)減少。2010—2020年冰川減薄速率和物質(zhì)虧損速率要高于1972—2010年。這可能與近年來(lái)氣溫的明顯升高有關(guān)。在空間上，NC01冰川物質(zhì)虧損大于周邊區(qū)域同類(lèi)型的小冰川，這可能是由近年來(lái)NC01冰川均處于物質(zhì)平衡線以下所致。

謹(jǐn)以此文，紀(jì)念李吉均先生！