1990－2011年天山東部冰川退縮對氣候的響應

李 佳，楊太保，何 毅，田洪陣

（蘭州大學 資源環(huán)境學院，冰川與生態(tài)地理研究所，蘭州730000）

有“固體水庫”之美譽的冰川提供了全球75%的淡水資源［1］，而近年來，全球氣候變暖，大部分地區(qū)冰川呈現(xiàn)退縮趨勢，對山地和山麓平原的水文、地貌、植被、土壤以及綠洲的生成和人類活動有著重要影響。20世紀50年代以來，我國西部大部分地區(qū)冰川退縮，如天山［2］、祁連山［3］、昆侖山區(qū)［4］等都出現(xiàn)不同程度的冰川退縮現(xiàn)象，由于區(qū)域性氣候差異影響，冰川退縮差異明顯，對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的影響也不盡相同，因此，研究冰川面積變化及差異性具有重要的現(xiàn)實意義。天山是亞洲最大山系之一，位于準葛爾盆地和塔里木盆地之間，西起烏茲別克斯坦的烏加穆斯山，東至我國新疆哈爾里克山，全長2 450km，寬100～400km［5］，對新疆當?shù)啬酥寥珖牡Y源及經(jīng)濟發(fā)展具有重要影響。天山東部地區(qū)處于天山山脈東段最敏感地區(qū)，對進一步研究天山冰川乃至我國西部地區(qū)冰川退縮及氣候變化具有重要作用。

1 試驗材料與方法

天山東部山系狹隘，是天山北弧的東延部分，西起烏魯木齊，東止伊吾附近。全長大致為670km，而寬度只有70～80km［6］。全區(qū)包括博格達、巴里坤、哈爾里克等山脈和一些山間盆地，且都是近乎東西走向的活動帶，氣候也較天山其他地區(qū)干燥。博格達山脈是天山的重要組成部分之一，位于北緯43°10′—44°5′，東經(jīng)87°40′—91°35′，地處吐魯番盆地和準噶爾盆地之間，東西兩端分別以一個狹長低陷帶與巴里坤山和天格爾山交界［2］。一般山脊在4 300m左右，東西走向，西部以博格達峰為頂點，可達5 445m，分水脊偏在北部，有積雪冰川分布，多短小河流［6］。巴里坤山脈平均高度為3 300m，西側(cè)矗立著4 308m的馬里坤主峰，山脈斷續(xù)分布，山體狹窄，腹部受荒漠氣候影響，干旱侵蝕作用較強［6］。哈爾里克山脈位于天山山脈最東端，山脈作北北西—南南東走向，海拔在4 000m以上，最高峰托木爾堤峰，海拔4 886 m［3］，山頂較平坦，常年有積雪分布，有若干小型冰川，表面很少冰磧［6］。

1.1 影像數(shù)據(jù)

采用美國地質(zhì)調(diào)查局 USGS（http：∥glovis.usgs.gov）的陸地衛(wèi)星TM／ETM＋遙感數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)已經(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)進行了地形校正。由于天山地區(qū)積雪分布年內(nèi)變化呈現(xiàn)出1月中旬至8月上旬為積雪衰減期；8月中旬至次年1月上旬為積雪增長期的特征［4，7－8］，特選取 1990年、2001 年、2011年夏季、少云或無云的四景影像，選取5，4，3波段，分辨率為30 m，具體信息見表1。

表1 影像數(shù)據(jù)信息

1.2 氣象數(shù)據(jù)

選擇天山東部蔡家湖、烏魯木齊、達坂城、奇臺、巴里坤、哈密和伊吾7個氣象站點的1990—2011年的年均溫和年均降水量數(shù)據(jù)進行研究區(qū)域氣候變化分析。

1.3 冰川提取方法

采用比值閾值法提取冰川邊界，在ENVI軟件中把同一景影像不同波段的數(shù)據(jù)合成一個文件，計算TM3／TM5［9－10］，得到比值影像后利用決策樹進行分類，經(jīng)過多次試驗，閾值設定為1.8，得到初步結(jié)果并轉(zhuǎn)化為shp格式，最后在ArcGIS中轉(zhuǎn)換為Albers等積投影，并進行目視解譯，為提高冰川面積精確度，用同期多幅影像對比解譯。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時期冰川面積變化

在ArcGIS中計算天山東部冰川面積變化，并分別計算博格達山、巴里坤山和哈爾里克山三期冰川面積，結(jié)果見表2。

表2 1990－2011期間冰川變化

由表2可以看出近21a來研究區(qū)冰川總面積減少98.63km2，整體呈退縮趨勢，共退縮了26.80%，其中博格達、巴里坤、哈爾里克山脈冰川平均每年分別減少3.45km2，0.21km2，1.03km2，退縮率分別為33.58%，25.67%，16.08%，自西向東退縮速率逐漸減慢。

2.2 不同高程冰川面積變化

將研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)以100m為分類間隔進行分級，對天山東部地區(qū)三期冰川數(shù)據(jù)在不同高程上進行面積統(tǒng)計（圖1），結(jié)果表明：該地區(qū)冰川主要分布在3 600～4 600m處，這與該地區(qū)平均粒雪線高度為3 916m［5］相一致。從變化率得知，3 300～3 400m處的冰川退縮最快，而在3 500～3 600m較3 400～3 500m處快，總體上隨著海拔的升高，退縮速率變慢。由于該地區(qū)山勢陡峭，溝槽密布，以懸冰川為主，其次為冰斗冰川、冰斗—懸冰、冰斗—山谷、山谷冰川［11］，低海拔處多為小型平頂冰川，并且分布較為分散，冰體較薄，小冰川較多造成的，同時該地區(qū)除降水補給外，吹雪、雪崩和冰崩也是冰川主要補給來源［12］。

圖1 1990－2011年期間不同高程冰川分布

2.3 不同坡向冰川面積分析

對研究區(qū)1990年、2001年、2011年三期數(shù)據(jù)各坡向面積進行統(tǒng)計，并做各坡向冰川面積變化率分析（圖2），結(jié)果表明：該地區(qū)冰川主要分布在西北、北、東北三個坡向，南坡分布較少，這是由于南坡屬于陽坡，日照時間長，北坡太陽輻射較弱，多受降水影響，又因為博格達山脈東西走向，山勢復雜，極為陡峭［13］，而巴里坤山脈屬于隆起較緩的斷塊臺原山地，山頂較緩坦［6］，哈爾里克山脈山頂極為平坦，北西走向，山脊線偏北，山勢呈不對稱山嶺，北坡山幅窄小，而南坡山寬溝深，冰積地形較為多見［12］，并且該區(qū)域兩側(cè)盆地（準葛爾盆地、吐魯番盆地）構(gòu)造運動的差異及山麓高度的不同，明顯地影響著該區(qū)域南北兩坡的氣候差異［14－15］，山脈的屏障作用使西北和偏西氣流把主要水分降落在北坡，造成天山東部北坡相對于南坡氣溫低，降水大［2］，太陽輻射強，冰川作用強度大的現(xiàn)象，加之在西風環(huán)流的綜合作用下，更有利于冰川積累和發(fā)育［12］，因此表現(xiàn)為北坡冰川分布多于南坡［16－17］；從各坡向冰川退縮率來看，各坡向冰川退縮幅度相似。

圖2 1990－2011年期間各坡向冰川面積及退縮速率

2.4 討 論

天山山區(qū)大氣降水是新疆河川徑流的最終來源，對新疆地區(qū)生態(tài)環(huán)境維持、發(fā)展以及冰川發(fā)育具有重要意義［18］。降水、溫度及其二者組合是影響冰川發(fā)育和演化的重要氣候因子［19］，溫度升高造成冰川消融，降水增加有利于冰川積累［20］。利用蔡家湖、烏魯木齊、達坂城、奇臺、哈密、巴里坤、伊吾7個氣象站點數(shù)據(jù)做一元回歸分析，求取降水及溫度序列的線性趨勢，1990—2011年期間溫度呈上升趨勢，而降水為小幅度上升或下降趨勢（圖3）。天山東部地區(qū)大致為東西走向，全年受極地大陸氣團影響，冬夏兩季被北冰洋氣團和西風環(huán)流影響，且水汽的合成輸送方向為西北或偏西方向，常常不具備水氣上升、凝結(jié)和以雨雪形式降落的條件［21］，且研究表明每升高1°需要增加25%［22］或者35%［23］降水才能彌補升溫所引起的冰川消融。此區(qū)域緩慢上升甚至下降的年降水量無法補給溫度上升造成的冰雪消融，因此，溫度升高、降水小幅度上升是研究區(qū)冰川退縮的主要原因。

對比近年來西部地區(qū)冰川變化（表3），天山東部地區(qū)冰川變化趨勢與其他地區(qū)冰川變化相吻合，冰川面積減小，但是天山東部冰川退縮較西部其他地區(qū)快，可能是由于冰川面積規(guī)模較小、海拔較低，對氣候響應更為敏感的原因造成。

3 結(jié)論

綜合利用RS和GIS手段以及氣象資料對天山東部1990—2011年三期冰川面積變化進行研究。結(jié)果顯示冰儲量共減少6.01km3，冰川總面積退縮了26.80%，其中博格達山脈、巴里坤山脈、哈爾里克山脈分別退縮33.58%，25.67%，16.08%。對研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)進行分析，可知溫度上升、降水不足是引起冰川退縮的主要原因。另一方面，研究區(qū)域冰川所在山脈地形地貌各不相同，不同海拔高度分布不同、不同坡向敏感程度不同，也是造成冰川退縮的重要因素。

圖3 1990－2011年期間年均降水和年均溫變化

表3 近年來中國西部冰川變化比較

溫度上升、降水不足是目前我國西北地區(qū)氣候變化的基本趨勢，也是引起我國冰川退縮的主要原因，而冰川變化也對檢測我國氣候變化具有重要指示作用。因此，加強氣候變化與冰川變化的研究，進一步探索通過遙感技術(shù)對冰川厚度的研究，并建立合理的模型評估，預測冰川未來的變化趨勢，仍是冰川變化研究者長期追求的目標。

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