1990－2011年南天山地區(qū)冰川面積變化對(duì)氣候的響應(yīng)

趙 剛，楊太保，田洪陣

（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）

冰川變化是氣候變化的敏感指示器，其對(duì)氣候變化具有重要的反饋?zhàn)饔茫?－3］。小冰期以來(lái)，全球波動(dòng)性變暖，最近40a尤為劇烈。IPCC第四次報(bào)告表明，近100a全球地表溫度上升了0.74℃，20世紀(jì)70—90年代急劇升溫0.5℃［4］。在全球變暖的背景下，全球范圍內(nèi)的冰川整體上處于退縮狀態(tài)，其退縮速率不盡相同［5］。天山山脈呈近東西方向延展于亞洲大陸的中部，規(guī)模巨大，山勢(shì)巍峨。天山共計(jì)有冰川15953 條，面積15416 km2，是世界上山岳冰川分布最多的山系之一［6］。天山冰川一直以來(lái)都受全球變化研究的重視，在全球變暖的背景下天山冰川普遍呈現(xiàn)加速退縮趨勢(shì)［7－16］。對(duì)天山冰川的研究有助于探究冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，并對(duì)了解區(qū)域的冰川與河流水量的豐枯變化提供依據(jù)［13－14］，及其對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生的影響［16］。南天山處于整個(gè)天山山系中部，西起克孜勒蘇河源，東至博斯騰湖。汗騰格里山結(jié)為南天山的最高山區(qū)，一般海拔在5000 m以上，主峰托木爾峰7435 .3m，是全天山的最高峰。天山山區(qū)的大氣環(huán)流主要以西風(fēng)環(huán)流為主。選取南天山地區(qū)的5個(gè)氣象站點(diǎn)，巴音布魯克、庫(kù)車(chē)、庫(kù)爾勒、昭蘇以及阿克蘇，這5個(gè)站點(diǎn)的海拔高度分別為2458 ，1082 ，932，1851 ，1104 m，1960—2010年月平均降水量見(jiàn)圖1，反映出南天山地區(qū)降水的時(shí)空分布特征。南天山的降水主要集中在夏季，冰川類(lèi)型為夏季補(bǔ)給型冰川。由于受西風(fēng)環(huán)流和從準(zhǔn)格爾缺口所進(jìn)來(lái)的北冰洋氣流的影響，南天山降水呈現(xiàn)出由西向東，由北向南減少的空間分布趨勢(shì)。

圖1 五站點(diǎn)1960－2010年月平均降水量

近年來(lái)，隨著RS與GIS技術(shù)的發(fā)展，遙感影像在冰川監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了巨大的作用。尤其在大區(qū)域長(zhǎng)周期的冰川變化研究中，分辨率較高時(shí)間序列較長(zhǎng)的Landsat影像功不可沒(méi)［5，17］。當(dāng)前，對(duì)南天山地區(qū)冰川的研究?jī)H限于流域范圍［5］或小區(qū)域［9］的面積變化。本文以南天山為研究區(qū)，獲取1990年、2000年、2011年三期LandsatTM／ETM＋影像數(shù)據(jù)，通過(guò)RS和GIS技術(shù)手段，系統(tǒng)研究南天山地區(qū)冰川面積變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

本研究所運(yùn)用的年均降水量數(shù)據(jù)和夏季平均氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http:∥cdc.cma.gov.cn／）的中國(guó)地面氣候資料年值數(shù)據(jù)集和月值數(shù)據(jù)集，年限取1960—2010年。選取南天山周?chē)?個(gè)氣象站點(diǎn)（分別為阿合奇、阿克蘇、巴侖臺(tái)、巴音布魯克、拜城、庫(kù)車(chē)、庫(kù)爾勒、輪臺(tái)、昭蘇，其中阿克蘇站1991年改為基準(zhǔn)站，其余站點(diǎn)為國(guó)家基本氣象站）。采用一元回歸方法分析各個(gè)站點(diǎn)的年均降水量和夏季氣溫變化趨勢(shì)，并采用非參數(shù)Mann－Kendall方法對(duì)年均降水量和夏季氣溫進(jìn)行檢驗(yàn)［18－19］（統(tǒng)計(jì)量大于0表示降水和溫度的增加趨勢(shì)，大于置信水平95%表示增加趨勢(shì)顯著），據(jù)此反映南天山地區(qū)近51a氣溫和降水的變化特征。

1.2 影像數(shù)據(jù)

本文所使用的遙感數(shù)據(jù)為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS（http:∥glovis.usgs.gov）的陸地衛(wèi)星 TM／ETM＋影像。由美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA發(fā)射的Landsat陸地衛(wèi)星獲取，下載數(shù)據(jù)為NASA和USGS發(fā)布的Level 1T級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品經(jīng)過(guò)系統(tǒng)輻射校正和地面控制點(diǎn)幾何校正，并且利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正，其大地測(cè)量校正依賴(lài)于精確的地面控制點(diǎn)和高精度的DEM數(shù)據(jù)。影像選取的時(shí)間間隔為10a左右，為了減少不同時(shí)期冰川變化所造成的誤差，同期的遙感資料盡量選用相近時(shí)段的數(shù)據(jù)。由于天山山區(qū)夏季雪線海拔4000 m以上，冬季雪線海拔1500 m［20］。所以為了減少積雪對(duì)提取冰川邊界的影響，選取夏季獲取的少云或者無(wú)云的影像。

所用到的遙感影像雖然有的云量較大，但冰川區(qū)基本無(wú)云或有云量較少。對(duì)獲取的日期為2011年8月3日，行列號(hào)為147／30和147／31的TM影像，還下載了日期為2011年9月12日，行列號(hào)為147／30和147／31的兩幅ETM＋影像，采用多影像局部自適應(yīng)回歸分析模型進(jìn)行條帶修復(fù)后作為補(bǔ)充。其余影像的云量對(duì)冰川解譯的影響不大。

本文所利用的DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)（http:∥datamirror.csdb.cn／），為30m 分辨率的GDEM數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1。

表1 影像數(shù)據(jù)信息

1.3 冰川提取方法

目前，遙感影像的冰川邊界提取方法有比值閾值法、非監(jiān)督分類(lèi)法、監(jiān)督分類(lèi)法、主成分分析法、雪蓋指數(shù)法等。前人研究表明，在眾多的冰川邊界提取方法中，比值閾值法精度較高［21－22］。

比值閾值法能分辨出陰影下的雪和冰，TM3／TM5（紅色波段比中紅外波段）在有陰影和有冰磧物覆蓋的地區(qū)要優(yōu)于TM4／TM5（近紅外波段比中紅外波段）［17］。本文選用TM3／TM5波段比法，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后閾值取2.1，提取南天山地區(qū)三期的冰川邊界，并通過(guò)目視解譯修正冰川邊界［23－24］。在目視解譯的過(guò)程中，刪除面積小于10000 m2的多邊形，這些小面積的解譯結(jié)果多為雪所致。在多邊形內(nèi)部刪除面積小于8100 m2（3×3像元）的多邊形，這種情況主要是冰川上面的冰磧物所致。由于南天山地區(qū)海拔5000 m以上常年有積雪覆蓋［20］，所以對(duì)于海拔5000 m以上面積較小其邊界難以確定的冰川，在目視修正的過(guò)程中參考不同時(shí)期的影像和冰川編目數(shù)據(jù)將三期的邊界畫(huà)為一樣。最后將三期冰川邊界數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.shp格式，并賦予Albers等面積投影，利用ArcGIS 10.0中進(jìn)行面積變化分析，詳見(jiàn)圖2。

圖2 不同時(shí)期典型冰川示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化特征

近年來(lái)，新疆氣候出現(xiàn)了暖濕化趨勢(shì)。近50a來(lái)降水量平均增幅為0.67mm／a，氣溫平均增長(zhǎng)率為0.27℃／10a［25］。

本文選取的9個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2010年的年均降水距平和夏季氣溫如圖3所示，9個(gè)站點(diǎn)中，只有庫(kù)車(chē)站（海拔1081 .9m，經(jīng)度82°58′，緯度41°43′）夏季氣溫呈下降趨勢(shì)，而其它站點(diǎn)的年均降水和夏季氣溫均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。這與近年來(lái)新疆的增溫事實(shí)相符合。海拔最高的巴音布魯克站（經(jīng)度84°9′，緯度43°2′）線性升溫率為0.25℃／10a，降水增幅1.2mm／a。

從Mann－kendall檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，各站點(diǎn)的年均降水量和夏季氣溫變化不一致。圖4顯示從2000年之后，各個(gè)站點(diǎn)的年均降水和夏季氣溫均出現(xiàn)增加趨勢(shì)，降水增加顯著的站點(diǎn)（阿合奇、庫(kù)車(chē)、巴侖臺(tái)、輪臺(tái)、拜城）均在南天山南部，而氣溫增加顯著的站點(diǎn)（阿克蘇、輪臺(tái)、巴音布魯克、昭蘇、庫(kù)爾勒）在南北均有分布。阿克蘇站在1994年之后年均降水和夏季氣溫均出現(xiàn)了增加趨勢(shì)，2000年之后夏季氣溫增加顯著，而年均降水增加不顯著。巴音布魯克站夏季氣溫在1983年之后出現(xiàn)了顯著增加趨勢(shì)，而降水在2000年之后才出現(xiàn)了增加趨勢(shì)。這表明，近50a來(lái)，南天山地區(qū)夏季平均氣溫存在明顯的升高趨勢(shì)，而年降水量的增加不顯著。這與袁晴雪等［26］的研究20世紀(jì)90年代是天山地區(qū)近42a來(lái)氣溫最高、降水最多的年代基本吻合。

2.2 冰川面積變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)

2.2.1 不同時(shí)期冰川面積變化 由圖5a可以看出，南天山地區(qū)1990年冰川面積為4017 .47km2，條數(shù)為3239 條，2011年面積減少為3409 .88km2，條數(shù)增加到3304 條，冰川條數(shù)的增加主要是由于面積較大的冰川在退縮的過(guò)程中分解而致。

圖3 1960－2010年各站點(diǎn)年均降水距平和夏季（6－8月）氣溫

圖5b反映出1990—2000年、2000—2011年、1990—2011年不同時(shí)間段冰川的變化快慢。2000—2011年的年均退縮速率較1990—2000年的年均退縮速率高，且高于1990—2011年間冰川的年均退縮速率，表明近10a南天山地區(qū)的冰川退縮有加速趨勢(shì)。由于天山地區(qū)冰川滯后于氣候變化12～13a［27］，所以2000—2011年的快速退縮可能與天山地區(qū)20世紀(jì)90年代的升溫有關(guān)。這一結(jié)果與天山地區(qū)的現(xiàn)有研究相吻合［5，9，11］。

2.2.2 不同規(guī)模冰川面積變化 本研究將提取的三個(gè)時(shí)段的冰川根據(jù)其面積規(guī)模分為6個(gè)等級(jí):0.01～0.1km2，0.1～0.5km2，0.5～1km2，1～5km2，5～20km2，＞20km2。分別計(jì)算各個(gè)規(guī)模1990—2000年和2000—2011時(shí)段的年均變化率（圖6）。

從圖6a中可以看出，0.1～0.5km2規(guī)模的冰川條數(shù)最多，占1990年總條數(shù)的45.6%，而1～5km2規(guī)模的冰川（主要為冰斗冰川和冰斗—山谷冰川），其面積在所有分級(jí)中最大，占38.2%，其條數(shù)為767條，占總條數(shù)的23.7%。面積小于1km2的冰川（主要為懸冰川和冰斗—懸冰川）總條數(shù)為2359 條，占總條數(shù)的72.8%，總面積為934.9km2，占總面積的23.3%。隨著冰川面積等級(jí)增大，冰川條數(shù)減少。這與天山地區(qū)冰川形態(tài)以懸冰川和冰斗—懸冰川數(shù)量居多的特點(diǎn)相吻合［6］。

0.01 ～0.1km2規(guī)模的冰川總面積在1990—2000年增加了1.78km2，年變化率為1.5%，在2000—2011年間增加了11.37km2，年變化率為7.5%。而0.1～0.5km2規(guī)模的冰川面積在1990—2000年增加了17.51km2，年變化率為0.4%，2000—2011年減少 了 23.12km2，年 變化率 為－0.5%。0.5～1km2，1～5km2，5～20km2，＞20 km2這4個(gè)規(guī)模的冰川面積在1990—2000年、2000—2011年期間均處于減少狀態(tài)，在1990—2011年間其面積分別減少了 51.33，198.32，125.92，168.56km2，年變化率分別為－0.47%，－0.58%，－0.72%，－1.14%。

從圖6b中可以看出，只有0.01～0.1km2規(guī)模的冰川面積在1990—2011年處于持續(xù)增加狀態(tài)，0.1～0.5km2規(guī)模的冰川面積在1990—2000年增加，2000—2011年減少，而其余規(guī)模的冰川面積在1990—2011年均處于減少狀態(tài)。這一結(jié)果其實(shí)與葉柏生等［28］認(rèn)為小冰川對(duì)氣候變化更敏感的研究是一致的，本文在統(tǒng)計(jì)方法上將三個(gè)時(shí)段中各規(guī)模的冰川提取出來(lái)進(jìn)行對(duì)比，與文獻(xiàn)中對(duì)特定冰川不斷變化的研究方法不同，結(jié)果主要說(shuō)明冰川規(guī)模的變化趨勢(shì)，即大規(guī)模的冰川在不斷分解為小規(guī)模的冰川，致使小規(guī)模的冰川其總面積和條數(shù)增加。這一變化特征使得南天山地區(qū)規(guī)模較大的冰川面積減少，數(shù)量減少，而小規(guī)模冰川，尤其是面積小于0.1km2的冰川，其面積和數(shù)量均不斷增加。

圖4 各站點(diǎn)年均降水量和夏季氣溫Mann－Kendall檢驗(yàn)

圖5 1990－2011年總面積和條數(shù)變化

2.2.3 不同朝向冰川面積變化 本文統(tǒng)計(jì)了1990年冰川總面積在各個(gè)朝向的分布及0.1～0.5km2規(guī)模，1～5km2規(guī)模，5～20km2規(guī)模冰川在各個(gè)朝向的分布（如圖7所示）。偏北向（北、東北、西北）冰川總面積為1874 .4km2，偏南向（南、東南、西南）為1234 .2km2，兩者之比為1.5∶1.0。而0.1～0.5 km2規(guī)模冰川偏北向面積為211.5km2，偏南向面積為108.6km2，1～5km2規(guī)模冰川偏北向?yàn)?69.9 km2，偏南向?yàn)?26.1km2，這兩種規(guī)模冰川偏北向與偏南向面積之比均分別為1.9∶1.0／1.8∶1.0。5～20km2規(guī)模的冰川偏北向與偏南向面積之比為1.3∶1.0。這種分布趨勢(shì)表明，偏北向冰川的個(gè)體規(guī)模小，懸冰川和冰斗冰川所占的比例較大，而偏南向則是山谷冰川較多。偏西向（西、西北、西南向）和偏東向（東、東北、東南向）冰川面積基本相等，出現(xiàn)較對(duì)稱(chēng)性分布。

圖6 不同規(guī)模冰川面積變化

圖7 1990年各朝向冰川面積

1990—2011年期間8個(gè)朝向的冰川均處于退縮狀態(tài)，退縮速率不盡相同（圖8）。1～5km2規(guī)模最大退縮出現(xiàn)在偏西向（西12.7%，西南13.3%，西北14.0%），而南向退縮速率最小，為9.9%。5～20 km2規(guī)模北向退縮速率最大，為24%，南向退縮速率最小，為4.2%，大于20km2規(guī)模冰川在東、南、東南方向均出現(xiàn)較大幅度退縮?？傮w來(lái)看，1990—2011年期間各朝向冰川退縮速率最大出現(xiàn)在西向，為15.9%，最小出現(xiàn)在東南向，為 10.7%，南向?yàn)?0.8%。出現(xiàn)這種差異的原因可能與西風(fēng)環(huán)流所帶來(lái)的降水影響有關(guān)，具體原因有待進(jìn)一步討論。

2.2.4 不同高程冰川面積變化 本文將DEM數(shù)據(jù)按照100m間隔進(jìn)行了重分類(lèi)之后，運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)各高程的冰川分布和變化進(jìn)行研究。天山冰川主要分布在海拔2520 ～7435 m的范圍內(nèi)，冰川主要集中分布在海拔3700 ～4400 m的高度區(qū)間內(nèi)，其面積占天山山區(qū)冰川總面積的61%［6］。研究表明:南天山冰川最大面積分布的海拔為4000 m（圖9），與天山山區(qū)的平均雪線高度相一致，然后向上或向下，冰川面積逐漸減小。從不同面積等級(jí)各高程的分布來(lái)看，各個(gè)規(guī)模的冰川也呈現(xiàn)出上述的分布規(guī)律。

在統(tǒng)計(jì)各高程冰川的變化速率時(shí)，為了減少較小面積造成的噪聲，只選取3000 ～6000 m范圍內(nèi)的冰川。從1990—2000年和2000—2011年兩期數(shù)據(jù)來(lái)看（圖10），在3800 m處兩個(gè)時(shí)段的退縮速率一致，3000 ～3800 m范圍，1990—2000年時(shí)段內(nèi)退縮較快，而在3800 ～6000 m范圍內(nèi)，2000—2011時(shí)段退縮較快。表明近10a高海拔冰川退縮加快，這可能與高層大氣升溫有關(guān)。

圖10 各高程冰川變化速率

2.2.5 西風(fēng)區(qū)冰川變化的對(duì)比 西風(fēng)環(huán)流的加強(qiáng)［29］導(dǎo)致東帕米爾高原［30］和天山地區(qū)近年來(lái)降水均有所增加，同樣處于西風(fēng)環(huán)流的控制之下，東帕米爾高原和喀喇昆侖山［31］冰川出現(xiàn)物質(zhì)正平衡，面積微弱退縮，甚至出現(xiàn)了前進(jìn)冰川，而天山冰川卻持續(xù)強(qiáng)烈退縮［11－12］。冰川變化受冰川類(lèi)型、規(guī)模等多種因素的影響，但氣溫和降水是冰川變化的關(guān)鍵因素。據(jù)高曉清等［32］的研究，對(duì)短周期的冰川波動(dòng)，其大范圍的總體特征基本上決定于溫度變化。Liu等［33］研究表明，20世紀(jì)90年代之后氣溫迅速上升，降水量的影響已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能比擬氣溫升高帶來(lái)的影響，冰川退縮幅度大，且呈現(xiàn)加速消融的態(tài)勢(shì)。南天山與西風(fēng)區(qū)的東帕米爾高原和喀喇昆侖山相比，雖然降水都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但是氣溫變化可能是南天山冰川退縮的主導(dǎo)因素，而降水的影響次之。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用RS與GIS技術(shù)系統(tǒng)研究了南天山地區(qū)3000 余條冰川的面積變化，結(jié)果表明，1990—2011年期間冰川面積變化了－13.2%。大規(guī)模冰川分解使得小規(guī)模冰川的總面積和條數(shù)增加。從朝向來(lái)看，朝西向的冰川面積退縮最快。與1990—2000年時(shí)段對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最近10a以來(lái)，海拔低于3800 m的冰川退縮速度減慢，而3800 m以上的冰川退縮速率加快。近50a來(lái)，南天山地區(qū)降水和氣溫均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但南天山地區(qū)冰川的進(jìn)退主要受氣溫變化的控制，降水對(duì)其影響不大。

冰川作為氣候變化的重要指示器，研究冰川的變化對(duì)了解氣候變化具有重要的指導(dǎo)作用。在全球變暖的大背景下，由于局地氣候的差異性，冰川的進(jìn)退變化表現(xiàn)不一致。就西風(fēng)區(qū)的冰川來(lái)看，由于冰川規(guī)模、形態(tài)的差異，其進(jìn)退變化也不一樣。而地面氣象資料的分析對(duì)冰川區(qū)的氣候變化說(shuō)明還不夠充分。所以運(yùn)用豐富的地面氣象資料和高空氣象資料對(duì)西風(fēng)區(qū)冰川的系統(tǒng)研究，將有助于進(jìn)一步揭示冰川變化與氣候變化之間的復(fù)雜關(guān)系。

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