崗日嘎布地區(qū)冰川變化特征研究

李 霞, 楊太保, 冀 琴

(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)

崗日嘎布地區(qū)冰川變化特征研究

李 霞, 楊太保, 冀 琴

(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)

以Landsat影像為數(shù)據(jù)源，通過遙感圖像計算機(jī)輔助分類和目視解譯方法，提取中國西部對氣候變化最為敏感的西藏東南部海洋型冰川區(qū)(崗日嘎布地區(qū))2005年，2013年冰川邊界,分析了冰川變化特征及冰川變化與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：2005—2013年冰川面積減少72.28 km2，占2005年冰川面積的15.75%；冰川分布的下限海拔高度升高61 m。結(jié)合氣象資料分析認(rèn)為，降水量是冰川發(fā)育規(guī)模的主要影響因素，而溫度是冰川發(fā)育數(shù)量的主要影響因素，升溫是研究區(qū)近年來冰川加速退縮的主要原因。由此預(yù)測未來冰川消融速率會進(jìn)一步加快。

冰川變化; 氣候響應(yīng); 遙感; 崗日嘎布山脈

青藏高原東南部屬于印度洋季風(fēng)亞熱帶山地氣候，是我國海洋性冰川最重要和最集中的發(fā)育區(qū)[1]。海洋性冰川由于其積累量大、消融量大、冰溫高、運(yùn)動較快等特點，對氣候變化反映更敏感[2]。崗日嘎布地區(qū)是青藏高原南部邊緣受季風(fēng)影響最強(qiáng)的地區(qū)[3]，也是冰川退縮幅度最大的地區(qū)之一[4]。區(qū)內(nèi)80%冰川都為面積小于1 km2的小規(guī)模冰川，數(shù)量眾多小冰川“消失”將會對本區(qū)產(chǎn)生很大影響[5]。但文獻(xiàn)調(diào)研顯示對崗日嘎布地區(qū)冰川研究較少，只有小冰期結(jié)束至1980年對該區(qū)88條冰川面積和儲量的研究[6]，以及該區(qū)北坡2006—2007年間4條冰川物質(zhì)平衡及冰川末端變化的觀測研究[5]，缺乏近年來多時段的冰川空間變化信息。并且研究區(qū)冰川編目使用的基本資料是1971年、1976年、1983年1∶10萬航攝測量地形圖及1∶6萬航空像片，冰川編目中存在部分漏編、錯編現(xiàn)象。因此本文研究對氣候變化反映最快，最為脆弱的海洋型小規(guī)模冰川分布與變化情況，可以對我國第二次冰川編目、海洋型冰川區(qū)徑流過程、水資源管理、山區(qū)災(zāi)害防治、生態(tài)環(huán)境演化等提供參考[7-9]。

1 研究區(qū)數(shù)據(jù)與處理

1.1 研究區(qū)概況

崗日嘎布山脈全長280 km，北西—南東走向，西側(cè)有雅魯藏布江河谷，南部丹龍曲和察隅曲朝南開口的谷地地勢低矮，成為印度洋季風(fēng)向青藏高原輸送水汽的重要通道，是青藏高原最濕潤的地區(qū)之一[3]。本文選取崗日嘎布地區(qū)29°10′—30°0′N，96°40′—97°27′E的冰川為研究對象，海拔2 776～5 868 m，冰川分布在海拔4 331～5 863 m。由于山地強(qiáng)烈切割以及較低的山體海拔，不利于冰川在水平與垂直方向上發(fā)育，單個冰川面積較小，有些地方常發(fā)現(xiàn)雪線以上還有大面積無冰雪覆蓋的山地[10]。2013年分布有冰川717條，面積386.71 km2，平均面積0.54 km2，其中薩爾溫江流域冰川占冰川總面積的38.75%，恒河流域占61.25%。

1.2 數(shù) 據(jù)

(1) Landsat數(shù)據(jù)。本文選用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/)Landsat Level 1T數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括三種傳感器：TM、ETM+和OLI，其中Landsat 8 OLI在空間分辨率和光譜特性等方面與Landsat 1—7保持基本一致。由于研究區(qū)氣候條件復(fù)雜，很難獲取滿足冰川解譯要求的影像，作者篩選了所有可下載數(shù)據(jù)，只有2005年9月8日Landsat TM 5與2013年8月13日Landsat 8 OLI的兩幅影像滿足消融期結(jié)束、無積雪和研究區(qū)無云的冰川解譯要求。

(2) ASTER GDEM數(shù)據(jù)。30 m分辨率的數(shù)字高程模型ASTER GDEM，來自國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http:∥datamirror.csdb.cn)。

(3) 氣象數(shù)據(jù)。研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供(http:∥cdc.cma.gov.cn)。氣象臺站的選擇是以研究區(qū)邊界向外做130 km緩沖區(qū)，落在緩沖區(qū)共4個氣象臺站：左貢(29°40′N，97°50′E，海拔3 780 m)、察隅(28°39′N，97°28′E，海拔2 327.6 m)、波密(29°52′N，95°46′E，海拔2 736 m)、德欽(28°27′N，98°53′E，海拔3 485 m)。

1.3 冰川提取

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理。對條帶缺失的ETM+影像進(jìn)行條帶修復(fù)，并將所有影像數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為Albers圓錐等面積投影和WGS84橢球體坐標(biāo)系統(tǒng)。

(2) 比值閾值法提取冰川邊界。利用冰川在可見光波段強(qiáng)反射和中紅外波段強(qiáng)吸收的特性來提取冰川。使用ENVI 4.5軟件計算紅色波段與中紅外波段比值，得到比值影像后利用決策樹進(jìn)行比值分類，可以避免陰影區(qū)產(chǎn)生誤差[11]。

(3) 目視解譯修正冰川邊界。研究區(qū)氣候和地形復(fù)雜，且冰川區(qū)上部的云、季節(jié)性積雪、陰影、冰磧物、冰川前緣的湖泊等是影響人工解譯精度的重要因素。因此盡可能選取較好的相近時段影像(表1)，并參考Google地圖的高分辨率影像，結(jié)合光譜特征與冰面形態(tài)目視解譯修正冰川邊界。

冰川邊界提取精度主要受傳感器和圖像配準(zhǔn)誤差影響[12-13]。本文采用Hall等[13]提出的不確定性公式來計算冰川面積誤差：

式中：a——面積誤差；λ——影像分辨率(LandsatTM影像空間分辨率為30m)；ε——配準(zhǔn)誤差(配準(zhǔn)誤差控制在0.5個像元內(nèi)，以15m計算)。

因此，單條冰川面積誤差為±0.002km2，冰川面積總誤差為±1.434km2，占冰川總面積0.37%。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列

2 結(jié)果與分析

研究區(qū)2005年、2013年分別有冰川691，717條，面積458.99，386.71 km2，平均面積分別為0.66，0.54 km2。2005—2013年研究區(qū)冰川總面積減小72.28 km2，占2005年冰川面積的15.75%，年變化率-1.13 km2/a。

2.1 冰川分布的海拔梯度特征

將DEM數(shù)據(jù)按照100 m間隔進(jìn)行重分類，計算各高程內(nèi)冰川分布和變化情況。由于構(gòu)造及侵蝕、剝蝕等，區(qū)內(nèi)地形較破碎，冰川作用的有效地勢較小，79%的冰川分布在高程5 200～5 600 m，其最大值出現(xiàn)在海拔5 500 m左右，海拔5 300 m左右的冰川退縮量占總退縮量的40%左右，退縮最劇烈。

冰川上限分布在5 037～5 863 m，平均海拔5 571 m(圖1)。冰川最大面積與最大條數(shù)均分布在冰川上限海拔5 500～5 600 m的高度區(qū)間內(nèi)。且冰川發(fā)育規(guī)模明顯與上限海拔高度呈負(fù)相關(guān)，即冰川上限海拔越高，冰川平均面積越小。上限海拔高度小于5 600 m的冰川平均面積均高于研究區(qū)平均水平。冰川下限分布在4 331～5 611 m，平均海拔5 247 m。2005—2013年冰川下限由4 331 m升為4 392 m，升高61 m。冰川最大面積與最大條數(shù)分布在冰川下限海拔5 200～5 300 m與5 300～5 400 m高度區(qū)間內(nèi)。冰川發(fā)育規(guī)模明顯與下限海拔高度呈負(fù)相關(guān)，即冰川下限海拔越低，冰川平均面積越大。下限海拔高度小于4 700 m的冰川平均面積均高于研究區(qū)平均水平。

圖1 2005年上、下限海拔與冰川數(shù)量分布

2.2不同朝向、不同規(guī)模的冰川變化特征

本文統(tǒng)計了2005年、2013年不同朝向冰川總面積、平均面積及<0.5 km2，0.5～1 km2，1～5 km2，5～10 km2冰川在各個朝向的分布與變化情況。研究區(qū)朝北坡向(北、東北、西北)冰川大多分布在研究區(qū)北部，而朝南坡向(南、東南、西南)冰川大多分布在研究區(qū)南部。朝北坡向冰川占冰川總面積66.84%，其中正北坡向分布的冰川面積最大(圖2)，而朝南坡向冰川占冰川總面積的20.84%。朝北坡冰川面積是朝南坡向的3.2倍，退縮面積是朝南坡向的3.8倍。但冰川平均面積朝南坡向(0.71 km2)大于朝北坡向(0.51 km2)，其中朝向東南的冰川平均面積最大。

圖2 不同朝向冰川面積變化

研究區(qū)冰川規(guī)模較小，大于5 km2冰川只有四條。1～5 km2冰川所占面積最大，占總面積的50.4%，冰川條數(shù)占總冰川條數(shù)的15.3%；<0.5 km2冰川條數(shù)最多，占總冰川條數(shù)的69.9%，占總面積的23.5%。2005到2013年1～5 km2冰川退縮面積最大，占總退縮面積的73.3%，而<0.5 km2冰川，退縮面積占總退縮面積的3.7%。

2.3 研究區(qū)氣候變化分析

選取左貢、察隅、波密、德欽4個氣象臺站1970—2009年的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)并進(jìn)行距平處理(圖3)。

2.3.1 溫度的年際變化 4個氣象臺站的溫度變化有較為一致的波動特征。1990年以前，氣溫以負(fù)距平為主，1990年后氣溫以正距平為主，2000年后升溫趨勢明顯加快。察隅、波密、左貢、德欽4個臺站的升溫速率分別為0.22℃/10 a(南部)，0.30℃/10 a(南部)，0.36℃/10 a(北部)，0.55℃/10 a(北部)，北部升溫幅度大于南部，但南部均溫10.43℃，高于北部均溫5.13℃。

圖3 研究區(qū)1970-2009年4個氣象臺站氣溫與降水量距平

2.3.2 降水量的年際變化 4個氣象臺站的降水量均出現(xiàn)較大的年際波動，但波動特征較為一致。1985—2000年降水量有緩慢上升趨勢，而2000年以后，降水量以負(fù)距平為主，有加速減少趨勢。察隅、波密、左貢、德欽4個臺站的降水量變化速率分別為-36.59 mm/10 a(南部)，-24.27 mm/10 a(南部)，34.77 mm/10 a(北部)，5.03 mm/10 a(北部)。北部降水量增加，而南部降水量減少。但南部降水量平均值838.69 mm，高于北部降水量平均值544.34 mm。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

(1) 不同高程冰川變化分析。一般來說，冰川上限海拔越高，冰川積累區(qū)越大、凈積累量越多，規(guī)模越大。而本區(qū)冰川上限海拔越高，冰川平均面積越?。槐ㄏ孪藓０卧降?，冰川平均面積越大。這是由于研究區(qū)氣候條件復(fù)雜，南坡降水豐沛，在地勢較低地區(qū)發(fā)育規(guī)模較大的冰川；并由于雪崩等在有利的地形和坡向上集中了超過自然降水的積雪[10]，將海拔較高的物質(zhì)積累搬運(yùn)到較低地區(qū)，對海拔較低地區(qū)有利。因此本區(qū)冰川上限海拔不是左右冰川整體發(fā)育規(guī)模大小的主要因素。

(2) 不同朝向、不同規(guī)模冰川變化分析。本區(qū)朝北坡冰川面積明顯大于朝南坡，而冰川平均面積朝南坡向大于朝北坡。這是由于朝北坡冰川接收到的太陽輻射量小，有利于冰雪積累和成冰過程，這也是本區(qū)許多小冰川僅在一定朝向的特殊谷地中存在，而其高度相近的毗鄰地區(qū)沒有冰川發(fā)育的主要原因。南坡由于位于印度洋西南季風(fēng)降水的有利坡向，地形抬升形成大量降水[14]，南部平均降水量高于北部將近300 mm，較為豐富的物質(zhì)補(bǔ)給在一定程度上彌補(bǔ)了朝南坡向?qū)Ρòl(fā)育造成的不利影響，也是南坡冰川發(fā)育規(guī)模較北坡大，冰川作用高程范圍整體大于北坡(其中最大坡向依次為：SE、S、SW)的主要原因。

研究區(qū)<0.5 km2冰川的條數(shù)最多，2005—2013年冰川條數(shù)增加72條，退縮面積占總退縮面積的3.7%；而1～5 km2冰川所占面積最大，占總面積的50.4%，退縮面積也最大，占總退縮面積的73.3%。由于規(guī)模較大的冰川消融裂解為較小冰川(東北、東、北、東南坡向分別有14，8，6，5條冰川裂解為多條小規(guī)模冰川)，同時小規(guī)模冰川中相對較小的冰川由于所處海拔較低，消融強(qiáng)烈、積累區(qū)較小，物質(zhì)積累少而消失[15](北、東北、西北、南坡向分別有7，3，3，1條)，因此本區(qū)冰川退縮幅度較大[6]。

(3) 冰川變化與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。不同類型冰川對氣候變化的敏感性差異很大。對于本地區(qū)緯度較低、規(guī)模較小的季風(fēng)海洋性冰川而言，南部由于降水量基數(shù)大，發(fā)育了較北部規(guī)模大的冰川，而北部由于較低的均溫，發(fā)育數(shù)量較多的冰川。南部升溫速率較北部慢，但南部降水量減少而北部降水量增多，南部冰川退縮速率小于北部，這說明北部由于較快的升溫速率，消融增加、降水中雨/雪的比例增大，冰川處于負(fù)物質(zhì)平衡狀態(tài)的可能性增大，使得北部降水量的增加，并沒有抵消溫度升高帶來的冰川消融，冰川對氣溫變化反映更敏感[16]，升溫一直是影響研究區(qū)冰川退縮加劇的根本原因。從2000年以來變暖變干趨勢進(jìn)一步加強(qiáng)，可以預(yù)測冰川退縮將加劇[6]。

3.2 結(jié) 論

(1) 2005—2013年冰川處于持續(xù)退縮狀態(tài)，冰川面積減少72.28 km2，平均面積減少0.12 km2，冰川條數(shù)增加26條，下限海拔高度升高61 m。

(2) 對本區(qū)冰川來說，上限海拔不是左右冰川整體發(fā)育規(guī)模大小的主要因素；降水量是冰川發(fā)育規(guī)模的主要影響因素；溫度和北坡有利的坡向輻射對冰川發(fā)育數(shù)量具有很重要影響。

(3) 升溫是研究區(qū)冰川退縮的根本原因，降水量的增加不足以抵消溫度升高帶來的影響。數(shù)量眾多的小冰川消亡、大冰川裂解是本區(qū)冰川退縮幅度大的主要原因。推測未來冰川消融速率會進(jìn)一步加快。

[1] Shi Y, Liu S. Estimation on the response of glaciers in China to the global warming in the 21st century[J].Chinese Science Bulletin,2000,45(7):668-672.

[2] Ersi K, Liu C, Xie Z, et al. Assessment of glacier water resources based on the Glacier Inventory of China[J].Annals of Glaciology,2010,50(53):104-110.

[3] 李吉均,鄭本興,楊錫金,等.西藏冰川[M].北京:科學(xué)出版社,1986.

[4] 姚檀棟,劉時銀,蒲健辰,等.高亞洲冰川的近期退縮及其對西北水資源的影響[J].地球科學(xué),2004,34(6):535-543.

[5] 楊威,姚檀棟,徐柏青,等.青藏高原東南部崗日嘎布地區(qū)冰川嚴(yán)重?fù)p耗與退縮[J].科學(xué)通報,2008,53(17):2091-2095.

[6] 劉時銀,上官冬輝,丁永建,等.20世紀(jì)初以來青藏高原東南部崗日嘎布山的冰川變化[J].冰川凍土,2005,27(1):55-63.

[7] 郭國和,程尊蘭,吳國雄,等.川藏公路南線典型冰湖及其潰決危險性評價[J].水土保持研究,2009,16(2):50-55.

[8] 佘濤,謝洪,王士革,等.貢嘎山東坡灣東河泥石流的特征及危險度評價[J].水土保持研究,2008,15(3):242-245．

[9] 胡桂勝,陳寧生,鄧虎.基于GIS的西藏林芝地區(qū)泥石流易發(fā)與危險區(qū)分析[J].水土保持研究,2012,19(3):195-199.

[10] 彭補(bǔ)拙,楊逸疇.南迦巴瓦峰地區(qū)自然地理與自然資源[M].北京:科學(xué)出版社,1996.

[11] Bolch T, Menounos B, Wheate R.Landsat-based inventory of glaciers in western Canada,1985—2005[J]. Remote Sensing of Environment,2010,114(1):127-137.

[12] Williams R S, Hall D K, Sigurosson O, et al. Comparison of satellite-derived with ground-based measurements of the fluctuations of the margins of Vatnaj?kull, Iceland, 1973—1992[J]. Annals of Glaciology,1997,24:72-80.

[13] Hall D K, Bayr K J, Schnǒer W, et al. Consideration of the errors inherent in mapping historical glacier positions in Austria from ground and space(1893—2001)[J]. Remote Sensing of Environment,2003,86(4):566-577．

[14] 鄧育武,謝子楚,李玲玲.基于GIS的西藏南部雪線場的建立及其空間分布特征[J].云南地理環(huán)境研究,2006,18(3):10-14.

[15] 謝自楚,馮清華,王欣,等.中國冰川系統(tǒng)變化趨勢預(yù)測研究[J].水土保持研究,2005,12(5):77-82.

[16] Zhang Y, Fujita K, Ageta Y, et al. The response of glacier ELA to climate fluctuations on High-Asia[J]. Bulletin of Glacier Research,1998,16(1):1-11.

StudyonGlacierVariationsintheGangrigabuRange

LI Xia, YANG Tai-bao, JI Qin

(InstitutionofGlaciololgyandEcogeogaraphy,CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

The maritime glaciers in the Gangrigabu Range are the most sensitive to climate change in China. Landsat data were processed by using a method of band ratio to extract the glacier boundaries in 2005 and 2013. The lower limit altitude of glaciers distribution increased 61 meters. And it was concluded that the area of the glaciers in the Gangrigabu Range decreased by 72.28 km2(15.75%) from 2005 to 2013. Precipitation was the main factor influencing glacier scale and temperature was the main factor influencing glacier number. The most important reason for glacial retreat was rising temperature. It is estimated that the glacier retreat rate will accelerate.

glacier change; climate response; remote sensing; Gangrigabu

2013-11-13

：2013-12-02

國家自然科學(xué)基金項目(41271024,40871057)

李霞(1990—),女,甘肅天水人,碩士,研究方向:GIS應(yīng)用與氣候變化。E-mail:xiazhidazhelixia@163.com

楊太保(1962—),男,山西運(yùn)城人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:綜合自然地理學(xué)、冰凍圈地理學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)。E-mail:yangtb@lzu.edu.cn

P343.6

：A

：1005-3409(2014)04-0233-05