近40年喬戈里峰北坡冰川與氣候變化關系研究

許艾文, 楊太保, 何 毅, 冀 琴

(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)

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近40年喬戈里峰北坡冰川與氣候變化關系研究

許艾文, 楊太保, 何 毅, 冀 琴

(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)

以喬戈里峰北坡冰川為研究對象，選取1978年、1991年、2001年、2014年4個時期的Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像，通過遙感圖像計算機輔助分類和目視解譯等方法提取了不同時期喬戈里峰北坡的冰川邊界，并分析了喬戈里峰北坡冰川1978—2014年的進退變化。結果表明：1978—2014年喬戈里峰北坡冰川面積減小了53.37 km2，占1978年冰川總面積的6.81%，冰川近40 a在氣候變暖的背景下反而呈現(xiàn)退縮速率由快變慢的趨勢，且近10 a冰川退縮尤為緩慢，年均退縮率僅為0.12%。研究區(qū)東向冰川退縮率明顯高于西向冰川，冰川退縮率隨冰川規(guī)模的增大而減小，同時也隨海拔高度的上升而減小。冰川變化的原因分析顯示：氣溫升高導致研究區(qū)冰川退縮，而降水量的持續(xù)增加在一定程度上抑制了冰川的退縮；研究區(qū)內12條典型前進冰川對冰川積累區(qū)面積貢獻較大，使得研究區(qū)整體冰川退縮率由快變慢的趨勢更為顯著。

冰川變化; 遙感; 氣候變化; 喬戈里峰北坡

冰川是寒冷地區(qū)多年降雪積聚、經過變質作用形成的冰體，在重力作用下有一定的運動[1]。世界范圍的冰川與冰蓋分布面積達14.51×106km2，占全球陸地面積的10%，儲存了全球淡水資源的75%[2]。冰川是中國極其重要的固體水資源，具有調節(jié)多年徑流的作用，是西北干旱區(qū)生產生活用水的重要來源，對中國西部自然生態(tài)環(huán)境演變、農業(yè)生產和社會經濟可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用[3-4]。

在全球變暖的大背景下，全球冰川總體上在波動中呈現(xiàn)不同程度的持續(xù)退縮[5]。尤其是20世紀90年代后，冰川退縮進一步加快[6]，許多小冰川已經或面臨消失[7]。然而，冰川變化對氣候變化的響應具有差異性，盡管全球冰川正持續(xù)退縮甚至消失，但20世紀90年代以來喀喇昆侖山脈冰川面積卻不斷增加[8-9]。Gardelle等[10]利用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)計算出喀喇昆侖山在2000—2008年的冰川物質平衡變化量為正，為(0.05±0.16)～(0.11±0.22)m/a，對海平面上升貢獻為-0.01 mm/a。

喬戈里峰作為喀喇昆侖山中巴邊界上的世界第二高峰，其周邊區(qū)域的冰川研究資料甚少，缺乏長序列的觀測資料，僅有的資料是秦大河等[11]在1987年對喬戈里峰北坡現(xiàn)代冰川進行科學考察，了解其基本性質與特征?；诖耍疚倪x擇喬戈里峰的北坡作為研究區(qū)域，以4期Landsat遙感影像、冰川編目數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，分析1978—2014年喬戈里峰北坡冰川進退變化，結合氣象資料初步研究了該區(qū)域冰川對氣候變化的響應。

1　研究區(qū)概況

喬戈里峰(35°52′55″N，70°30′51″E)又稱K2，作為海拔8 611 m的世界第二高峰，坐落于中國新疆維吾爾自治區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣與巴基斯坦Gilgit-Baltisan地區(qū)之間。這里是世界中緯山岳冰川最發(fā)育的地區(qū)[12]，其北側發(fā)育著我國最長的冰川——音蘇蓋提冰川(長度為41.5 km)。喬戈里峰北坡的現(xiàn)代冰川由于發(fā)育在海拔極高的歐亞內陸腹地，有獨特的基本性質和特征[10]。研究區(qū)位于喬戈里峰北坡，東起斯坎楊冰川東側分水嶺，西到音蘇蓋提冰川西側分水嶺，北止于上述兩分水嶺與克勒青河谷地交匯處，總面積達1 348.65 km2.有現(xiàn)代冰川89條，冰川總面積795.4 km2。受西南季風影響，積累區(qū)物質來源豐富，消融區(qū)冰面地形復雜，差別消融強烈。冰川運動速度較高，冰川溫度上段較低，下段較高，冰川類型為暖季補給為主的亞大陸性冰川[11]。

2　研究數(shù)據(jù)與方法

2.1研究數(shù)據(jù)

(1) 1966年的第一次冰川編目數(shù)據(jù)與2014年的第二次冰川編目數(shù)據(jù)，均來自寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)。(2) Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像，來源于美國地質調查局影像數(shù)據(jù)庫中心(http:∥glovis.usgs.gov)。本文選取了云量少、暖季的Landsat影像，并下載了相鄰年份的影像，以便補充解譯(表1)。

表1　遙感影像數(shù)據(jù)列表

(3) 研究區(qū)數(shù)字高程模型為ASTER GDEM數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)，空間分辨率為30×30 m。(4) 研究區(qū)氣象資料由中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)提供，選用了研究區(qū)周圍的塔什庫爾干(37°47′N，75°14′E，海拔3 090.9 m)、吐爾尕特(40°18′N，75°08′E，3 504.4 m)、烏恰(39°26′N，75°09′E，2 175.7 m)3個氣象站點近50 a的年平均氣溫與年降水量數(shù)據(jù)。

2.2研究方法

利用遙感影像提取冰川邊界的方法主要有監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、雪蓋指數(shù)和比值閾值法等[13-14]。本文選擇采用穩(wěn)定便捷的比值閾值法，對于個別有云雪覆蓋的區(qū)域，參考Google Earth的高分辨率影像、兩次冰川編目數(shù)據(jù)以及相鄰年份的影像，對邊界進行目視解譯修正。具體流程：

(1) 決策樹分類。使用ENVI軟件將Landsat各波段影像進行合成，計算紅色波段和近紅外波段的比值(TM，ETM+為band3/band5，OLI為band4/band6)。得到比值影像后，進行決策樹分類，將閾值設置為1.9(多次試驗得出)，得到初步提取結果。

(2) 將決策樹分類結果轉為shape格式，并將投影方式轉換為Albers等積投影。

(3) 結合Google Earth高分辨率影像及兩次冰川編目數(shù)據(jù)，繪出喬戈里峰北坡的山脊線。利用山脊線對冰川多邊形進行裁切，得到最終冰川提取結果。

3　結果與分析

3.1冰川面積變化

3.1.1冰川總體面積變化對1978—2014年喬戈里峰北坡冰川面積變化進行分析(表2)，可以看出，近40 a研究區(qū)冰川總面積退縮了53.37 km2，占1978年冰川總面積的6.81%。三個時段退縮速率有所不同，1978—1991年、1991—2001年和2001—2014年年平均變化率分別為-0.25%，-0.18%和-0.12%。由此可見，喬戈里峰北坡冰川近40 a退縮速率呈現(xiàn)由快變慢的趨勢。

表2　喬戈里峰北坡1978-2014年冰川面積變化

注:表中變化率與絕對變化是上一個時段冰川面積與當前時段冰川面積之差，故1978年無變化率與絕對變化。

3.1.2不同規(guī)模的冰川變化將喬戈里峰北坡的冰川按冰川面積分為6個規(guī)模等級，統(tǒng)計各等級的冰川1978—2014年的面積退縮情況(圖1)。結果表明：冰川規(guī)模與冰川面積變化百分比呈反相關關系，面積小于5 km2的冰川退縮較為嚴重，其中面積小于1 km2的冰川退縮率達到19.14%，面積介于1～2 km2和2～5 km2的冰川分別退縮了15.83%和15.11%，而面積大于100 km2的冰川僅退縮了4.12%。說明冰川規(guī)模越小，退縮幅度越大，對氣候變化更為敏感。晉銳等[15-16]在研究其他地區(qū)冰川變化時也發(fā)現(xiàn)存在同樣的規(guī)律。

圖1冰川面積變化與規(guī)模等級的關系

3.1.3不同坡向的冰川變化利用DEM數(shù)據(jù)及冰川編目數(shù)據(jù)，按照不同坡向分析研究區(qū)1978—2014年冰川面積變化(圖2)，結果表明：1978年東北坡冰川面積最大為137.88 km2，西南坡冰川面積最小為65.13 km2，各坡向面積分布并不均勻。1978—2014年研究區(qū)各坡向的冰川都在退縮，但退縮程度有所不同。南坡的冰川退縮最為嚴重，退縮率高達11.62%；其次為東南坡的冰川，退縮率為11.53%；西北坡的冰川退縮率最小，為1.61%，其他坡向的冰川退縮率介于南坡與西北坡之間。東向冰川退縮率明顯高于西向冰川，除了冰川自身規(guī)模差異以外，主要受降水量的影響：研究區(qū)受到西風環(huán)流的影響，西風環(huán)流攜帶著豐沛的大西洋水汽[17]，降水由西向東遞減，因此西向冰川相比于東向冰川降水更為豐富，退縮速率更為緩慢。

圖21978與2014年不同坡向冰川面積分布

3.1.4不同海拔的冰川變化喬戈里峰北坡冰川分布的海拔范圍為4 097～8 611 m，本文將冰川海拔以400 m為間隔分為12個高度帶，統(tǒng)計喬戈里峰北坡冰川在每個高度帶的面積變化情況(圖3)。1978—2014年12個高度帶的冰川面積均呈減少趨勢。其中4 000～4 400 m冰川退縮最為嚴重，面積退縮率達88.27%；8 400～8 800 m冰川面積穩(wěn)定，退縮率為0?？梢妴谈昀锓灞逼碌谋ㄍ丝s主要發(fā)生在4 800 m以下，且冰川面積退縮率隨海拔的升高而降低。

圖3不同海拔冰川面積退縮率對比

3.2氣候變化特征

在氣象要素中，氣溫和降水與其關系最為緊密[18-19]。為了研究氣溫和降水量對冰川變化的影響，本研究選取研究區(qū)周邊的氣象站點包括塔什庫爾干、吐爾尕特、烏恰，分析了1960—2013年各站點年均溫與年降水量的變化特征(圖4)。

(1) 氣溫的年際變化。從1960—2013年氣溫線性趨勢線可以看出，研究區(qū)氣溫呈上升趨勢，塔什庫爾干、吐爾尕特、烏恰3個站點氣溫升高速率分別為0.255，0.263，0.310℃/10 a。其中塔什庫爾干的氣溫波動幅度最大，而烏恰的升溫速率最大。

圖41960-2013年各站年均溫與年降水量變化

(2) 降水量的年際變化。從1960—2013年降水量線性趨勢線可以看出，研究區(qū)年降水量呈增加趨勢，塔什庫爾干、吐爾尕特、烏恰3個站點降水量升高速率分別為6.316，11.709，14.519 mm/10 a。由于三個站點的降水量波動幅度較大，擬合系數(shù)較低，烏恰的降水量升高速率最大。

4　冰川變化的原因分析

4.1氣候變化對冰川變化的影響

影響冰川變化的主要因素有太陽輻射、地形、氣溫、降水、冰川規(guī)模、云量、風、冰磧物等[20-21]。氣候因素對冰川的退縮起非常重要的作用。其中，氣溫和降水是冰川發(fā)育的兩個重要控制性因素：決定冰川積累的主要因素是冰川區(qū)的降水量，影響冰川消融的主要因素是冰川區(qū)的溫度[22-23]。

通過對研究區(qū)周邊的3個氣象站1960—2013年氣溫和降水數(shù)據(jù)求平均值后的年均溫度和年降水量進行統(tǒng)計，以提取冰川的影像年份為界線劃分出4個氣象數(shù)據(jù)區(qū)間(1960—1978年、1978—1991年、1991—2001年、2001—2013年)，分別分析各區(qū)間溫度與降水的變化(圖5)。

研究發(fā)現(xiàn)冰川面積變化與前一階段的氣溫和降水變化有響應關系：1978—1991年較1960—1978年氣溫上升0.49℃，降水量減少13.2 mm，氣溫顯著上升而降水量略有減少，對應于1978—1991年年平均退縮率為0.25%/a，是三個階段中退縮率最大的；1991—2001年較1978—1991年氣溫上升0.36℃，降水量增加39.2 mm，氣溫與降水量均大幅度升高，對應于1991—2001年年均退縮率為0.18%/a，與第一階段相比有所減?。?001—2014年較1991—2001年氣溫上升0.24℃，降水量增加16.0 mm，氣溫與降水量均持續(xù)升高，對應于2001—2014年年均退縮率為0.12%/a，是三個階段中最小的。

由氣象數(shù)據(jù)分析結果可知：1960—2013年研究區(qū)氣溫持續(xù)升高且幅度明顯，導致冰川的消融。而降水量則在波動中增加，第一階段降水量略有減少，第二階段顯著增加，第三階段亦有所增加?？梢?，第一階段氣溫的顯著上升與降水量的小幅度減少，導致冰川的加速消融，因此第一階段冰川退縮率最大；第二階段氣溫的持續(xù)顯著上升導致冰川進一步消融，而降水量的顯著增加有利于冰川的累積，因此第二階段冰川退縮率有所減?。坏谌A段氣溫仍持續(xù)升高，降水量亦有所增加，而研究區(qū)冰川退縮率卻進一步減小，說明第三階段氣溫的顯著升高并未引起研究區(qū)冰川的加速消融。

此外，本文在對喬戈里峰北坡冰川變化影響因素的研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的氣象數(shù)據(jù)和模型低估了研究區(qū)的降水量。姚檀棟等[24]指出喀喇昆侖山北部和帕米爾東部地區(qū)直接降水觀測數(shù)據(jù)非常稀少切不準確，而全球降水氣候項目(Global Precipitation Climatology Project)通過衛(wèi)星重新觀測降水數(shù)據(jù)，顯示該地區(qū)降水量遠大于已有的觀測值。降水的增加不僅能夠增加冰川的累積量，還會通過減弱太陽輻射而抑制冰川的消融[17]。因此降水的增加在一定程度上抑制了研究區(qū)冰川的消融，導致喬戈里峰北坡冰川在氣候變暖背景下反而退縮緩慢甚至微弱增長。

圖51960-2013年研究區(qū)年均溫與年降水量變化

4.2典型前進冰川對整體冰川變化的影響

本研究在冰川提取過程中，對比分析了不同時段冰川末端的變化情況，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內有12條典型冰川在1978—2014年發(fā)生特殊的大幅度前進現(xiàn)象。分析各條冰川不同時段的面積變化(表3)可知：近40 a來12條冰川的面積均發(fā)生過大幅度增大，且大部分面積增大現(xiàn)象集中發(fā)生于2001—2014年。最顯著的面積增大發(fā)生于2001—2014年的5Y654D0016冰川，面積增量為3.81 km2?？傮w來看，1978—2014年12條冰川總面積增量為9.74 km2，相比于1978—2014年研究區(qū)整體冰川面積退縮量53.57 km2，這12條典型冰川的前進對冰川積累區(qū)面積貢獻較大。分3個時段來看，1978—1991年、1991—2001年、2001—2014年12條冰川總面積增量分別為0.18,3.47,6.25 km2，可以看出3個時段典型冰川面積增量持續(xù)增大，使得研究區(qū)整體冰川退縮減緩的趨勢更為顯著。2001—2014年典型冰川前進現(xiàn)象尤為明顯，也間接解釋了“第三階段氣溫的顯著升高并未引起冰川加速消融”這一現(xiàn)象。

表3　典型冰川面積變化

5　結 論

(1) 喬戈里峰北坡冰川總面積在1978—2014年減少了53.37 km2，退縮率為6.81%。1978—1991年、1991—2001年和2001—2014年三個時段年平均年變化率分別為-0.25%，-0.18%和-0.12%，由此可見，研究區(qū)冰川近40 a在氣候變暖的背景下反而呈現(xiàn)退縮速率由快變慢的趨勢。

(2) 冰川規(guī)模與冰川面積退縮率呈反相關關系。面積小于1 km2的冰川面積退縮率達到19.14%，面積大于5 km2的冰川面積退縮率僅為4.12%。說明冰川規(guī)模越小，退縮幅度越大，對氣候變化更為敏感。

(3) 研究區(qū)冰川在各坡向分布并不均勻，東北坡面積最大而西南坡面積最小。其中東向冰川退縮率明顯高于西向冰川，主要由西向冰川降水量充沛所致。

(4) 研究區(qū)冰川分布的海拔范圍為4 097～8 458 m，其中4 000～4 400 m冰川退縮最為嚴重，面積退縮率達88.27%，8 400～8 800 m冰川最為穩(wěn)定，面積退縮率為0。研究區(qū)冰川面積退縮率隨海拔的升高而降低。

(5) 研究區(qū)近40 a氣溫變化呈上升趨勢，降水量在波動中持續(xù)增加。近20 a研究區(qū)氣溫顯著升高，然而氣溫的顯著升高并未引起研究區(qū)冰川的加速消融，降水量的增加在一定程度上抑制了研究區(qū)冰川的消融。

(6) 本文發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內有12條典型冰川在1978—2014年發(fā)生特殊前進現(xiàn)象，1978—2014年典型冰川總面積增量為9.74 km2，對冰川積累區(qū)面積貢獻較大。3個時段典型冰川總面積增量持續(xù)增大，使得研究區(qū)整體冰川退縮率由快變慢的趨勢更為顯著。

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Research for Glaciers and Climate Change of K2 on the Northern Slope in the Past 40 Years

XU Aiwen, YANG Taibao, HE Yi, JI Qin

(InstituteofGlaciologyandEcogeography,CollegeofEarthandEnvironmentalScience,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Based on four periods of Landsat MSS/TM/ETM+/OLI images of 1978, 1991, 2001, 2014, we selected K2 glaciers on the northern slope as the research sample, glacier boundaries from different periods of K2 on the northern slope were extracted by the computer aided classification and visual interpretation methods using remote sensing images, and we analyzed K2 glaciers on the northern slope changes in the period from 1978 to 2014. The results show that the K2 glaciers on the northern slope areas decreased the 53.37 km2during the period from 1978 to 2014, accounting for 6.81% of the total glacier areas. Under the background of climate warming, glaciers retreat rate showed the trend from fast to slow in the past 40 years, glacier retreat was very slow in the past 10 years, and the annual retreat rate was only 0.12%. In the study area, the glacier retreat rate on the eastern aspect was much higher than the ones on the western aspect. The glacier retreat rate decreased with the increase of the glacier scale, but decreased with the increase of the altitude. Glacier area change analysis showed that higher temperatures led to the glaciers retreat of the study area, to a certain extent, increasing rainfall inhibited the glaciers retreat; the advance of the 12 typical glaciers in the study area had a greater contribution to glacier areas in accumulation area, making the trend shifting fast shrinkage of the whole glacier to the slow more significant in the study area.

glacier change; remote sensing; climate change; the northern slope of K2

2015-07-01

2015-07-18

國家自然科學基金項目“黃河上游晚更新世河流階地和冰川演化對千年尺度氣候變化的響應”(41271024)；蘭州大學地理學基地科研訓練及科研能力提高項目(J1210065)

許艾文(1992—),女,湖北十堰人,碩士研究生,研究方向為冰川變化與氣候響應。E-mail:xuaw92@163.com

楊太保(1962—),男,山西運城人,教授,博士生導師,主要從事自然地理環(huán)境變化研究。E-mail:yangtb@lzu.edu.cn

P467；P343.6

A

1005-3409(2016)04-0077-06