高亞洲冰川區(qū)度日因子空間分布數(shù)據(jù)集

張勇，劉時銀，王欣

1. 湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院，湖南湘潭 411201

2. 云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院，昆明 650500

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

引 言

高亞洲泛指包括青藏高原、帕米爾高原、天山和阿爾泰山等構(gòu)成的海拔超過2000 m的地區(qū)，是除極地之外最大的冰川發(fā)育區(qū)，冰川總面積約占全球冰川總面積的13.6%[1-2]。冰川是高亞洲地區(qū)極其重要的固體水資源，其融水是周邊地區(qū)數(shù)條大江大河重要的補給來源[3-5]，尤其是我國西北干旱區(qū)的水資源在很大程度上依賴于冰川融水[6-8]。在全球變暖背景下，高亞洲地區(qū)冰川呈現(xiàn)不同程度的退縮與強烈的物質(zhì)虧損[2,5,9-10]，其融水在不同時空尺度上的變化對區(qū)域水資源形成與變化、冰湖潰決洪水、冰川洪水及其誘發(fā)泥石流等災害的影響十分顯著[6-7,11-14]，尤其影響下游地區(qū)數(shù)億人口的水供給和食品安全[3]。因此，冰川融水模擬是評估高亞洲地區(qū)水資源變化及影響的重要組成部分之一，其研究已成為社會各界關(guān)注的熱點問題[7,15]。

在冰川融水計算方法中，度日模型是最為簡單、應用最為廣泛的方法。該方法是基于冰川消融與氣溫之間的線性關(guān)系建立的，能夠給出類似能量平衡模型的輸出結(jié)果[16-18]。在度日模型中，度日因子是其重要的參數(shù)，是冰雪表面能量傳遞與轉(zhuǎn)化過程的簡化描述[17-19]，其空間變化特征對于冰川消融模擬的精度有較大影響[16-18]。在冰川尺度上，度日因子可通過冰川區(qū)消融與氣溫觀測計算獲取；在區(qū)域/全球尺度上，度日因子具有較大的時空變異性[17-18]。在眾多應用度日模型進行區(qū)域/全球冰川模擬的研究中，基于典型冰川物質(zhì)平衡觀測數(shù)據(jù)[20]對冰川冰和雪的度日因子進行率定，進而推廣應用于每條冰川[21-26]。目前，全球開展長期物質(zhì)平衡觀測的冰川數(shù)量有限，而高亞洲地區(qū)具有長期物質(zhì)平衡觀測的冰川數(shù)量更少[20]?；诟邅喼蕃F(xiàn)有冰川觀測數(shù)據(jù)率定度日因子，進而開展整個區(qū)域冰川融水及其影響的評估，可能會引起一定的誤差。為此，本文收集了過去幾十年來高亞洲地區(qū)不同地區(qū)40余條冰川的短期考察和觀測數(shù)據(jù)（圖1），獲取了每條觀測冰川的度日因子值，包括冰川冰與雪的度日因子。以此數(shù)據(jù)為基礎，構(gòu)建了冰川冰與雪度日因子的轉(zhuǎn)換公式，獲取了整個高亞洲冰川區(qū)度日因子的空間分布格網(wǎng)數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)精度已在典型區(qū)域的冰川物質(zhì)平衡模擬應用中得到了驗證[27-28]，獲取數(shù)據(jù)可靠，可為進一步研究高亞洲區(qū)域冰川融水及其水資源效應和災害效應提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 高亞洲地區(qū)觀測冰川分布圖

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本文采用的數(shù)據(jù)包括冰川區(qū)消融和氣溫觀測數(shù)據(jù)、0.5°格網(wǎng)氣溫和降水數(shù)據(jù)以及冰川編目數(shù)據(jù)。其中，冰川區(qū)消融和氣溫數(shù)據(jù)來源于過去幾十年來高亞洲不同地區(qū)40余條冰川不同時期的考察和觀測數(shù)據(jù)[17,20,29-31]（圖1和表1）。這些冰川的消融數(shù)據(jù)主要是通過花桿實測獲取的[17,20]，大部分冰川消融觀測時長超過1個月。1951-2011年期間的0.5°格網(wǎng)日氣溫和降水數(shù)據(jù)[32]是選取了距離冰川最近的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。高亞洲冰川信息來自于Randolph冰川編目[1]，主要包括冰川末端海拔高度和冰川經(jīng)緯度。

表1 高亞洲地區(qū)觀測冰川信息[17,20,29-31]

3 2 D u n a g i r i 3 0.5 5 7 9.9 0 1 9 8 6-1 9 9 0年3 3 S h a u n e G a r a n g 3 1.2 8 7 8.3 3 1 9 8 2-1 9 9 0年3 4 G o r G a r a n g 3 1.6 2 7 8.8 2 1 9 7 7-1 9 8 3年3 5 N e h N a r 3 4.2 7 7 5.8 7 1 9 8 0-1 9 8 4年3 6 L e v i y A k t r u 5 0.0 8 8 7.7 3 1 9 7 7-2 0 1 1年3 7 M a l i y A k t r u 5 0.0 8 8 7.7 5 1 9 6 2-2 0 1 1年3 8 P r a v i y A k t r u 5 0.0 8 8 7.7 3 1 9 8 0-1 9 9 0年3 9 V o d o p a d n i y 5 0.1 0 8 7.7 0 1 9 7 7-2 0 1 1年4 0 K o s m o d e m a y a 4 3.0 0 7 7.1 0 1 9 6 5-1 9 9 0年4 1 P a r t i z a n 4 3.0 0 7 7.1 0 1 9 6 5-1 9 9 0年4 2 V i s y a c h i e 1-2 4 3.0 0 7 7.1 0 1 9 6 5-1 9 9 0年4 3 O r d z h o n i k i d z e 4 3.0 0 7 7.1 0 1 9 6 5-1 9 9 0年

1.2 數(shù)據(jù)處理步驟

本文基于收集的冰川區(qū)消融和氣溫觀測數(shù)據(jù)，采用張勇等[16]方法計算了冰川冰與雪的度日因子值，其計算公式如下：

式中，DDF為冰川冰或雪的度日因子（mm d-1℃-1），M是某時段內(nèi)冰川冰或雪的消融水當量（mm w.e.），PDD是同一時段內(nèi)的正積溫（℃），一般由下式計算獲?。?/p>

式中，Tt為某天（t）的日平均氣溫，Ht為邏輯變量。當Tt≥0℃時，Ht= 1.0，當Tt＜0℃時，Ht= 0.0。大部分冰川存在同期觀測的氣溫數(shù)據(jù)，對于僅有消融資料而沒有氣溫資料的觀測冰川區(qū)，使用距離該冰川區(qū)最近的格網(wǎng)氣溫數(shù)據(jù)。

基于公式（1）和（2）獲取了高亞洲不同地區(qū)40條冰川的冰川冰與雪度日因子值。同時基于格網(wǎng)日氣溫和降水數(shù)據(jù)分別計算了 40條冰川區(qū)的年平均氣溫和年平均降水量?；谟嬎愕亩热找蜃又怠⒈ê０胃叨?、冰川經(jīng)緯度、冰川區(qū)年平均氣溫和降水數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸方法，建立了冰川冰與雪度日因子的轉(zhuǎn)換公式（表2），其相關(guān)系數(shù)（r）分別為0.62和0.92（顯著性水平p＜0.001）。進而基于冰川海拔高度、冰川經(jīng)緯度、冰川區(qū)年平均氣溫和降水數(shù)據(jù)，應用表1中的轉(zhuǎn)換公式獲取了高亞洲地區(qū)每一條冰川的度日因子值。

表2 冰川冰與雪的度日因子轉(zhuǎn)換公式

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)存儲格式為 GeoTIFF格式，數(shù)據(jù)類型為 32位浮點型，命名為Spatial_distribution_of_DDFice.tif和 Spatial_distribution_of_DDFsnow.tif，單位是 mm d-1℃-1。樣本展示如圖2和圖3。

圖2 高亞洲地區(qū)冰川冰度日因子空間分布圖

圖3 高亞洲冰川區(qū)雪度日因子空間分布圖

高亞洲冰川冰的度日因子值介于3.0-15.0 mm d-1℃-1之間，而雪的度日因子值與冰川冰相比較小，其介于1.5-10.0 mm d-1℃-1之間。青藏高原東南部和喜馬拉雅山東段地區(qū)冰川冰的度日因子值相對其他地區(qū)較大，而喀喇昆侖山、昆侖山、帕米爾等地區(qū)的度日因子值相對較?。▓D2）。對于雪的度日因子來說，青藏高原中部、喜馬拉雅山區(qū)相對較大，而天山東部和青藏高原東部地區(qū)相對較?。▓D3）。度日因子這一顯著的區(qū)域特征，可能與由青藏高原及其周邊地區(qū)獨特的氣候和熱量條件密切相關(guān)。對于青藏高原來說，冰川的氣候環(huán)境從西北向東南逐漸由干冷向溫濕轉(zhuǎn)變，同時，熱量平衡組成類型則由蒸發(fā)型向凝結(jié)-蒸發(fā)型轉(zhuǎn)變[33]。不同地區(qū)典型冰川的能量平衡研究亦證明了這一變化趨勢[34]。在干冷的氣候條件下，冰面蒸發(fā)（主要是升華作用）耗熱較大，抑制了冰川消融，度日因子較??；而在暖濕的氣候條件下，用于冰川消融的能量在熱量平衡中所占比例較大，促進了冰川消融，度日因子較大[16]。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

本文基于冰川編目數(shù)據(jù)和格網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)，應用度日因子轉(zhuǎn)換公式（表 2）獲取了高亞洲冰川區(qū)冰川冰和雪的度日因子值（圖2和圖3），其平均值分別為6.6±2.3和5.2±2.7 mm d-1℃-1（±表示置信水平95%的誤差區(qū)間）。同時，通過高亞洲北部阿爾泰山地區(qū)（圖1）不同典型冰川物質(zhì)平衡觀測數(shù)據(jù)對獲取的度日因子的精度進行了綜合評估[27-28]?；诙热找蜃愚D(zhuǎn)換公式，獲取了阿爾泰山冰川區(qū)的度日因子值。該地區(qū)冰川冰的度日因子介于6.0-11.0 mm d-1℃-1之間，平均值為8.6 mm d-1℃-1；雪的度日因子介于1.5-6.1 mm d-1℃-1之間，平均值為4.1 mm d-1℃-1。

圖4 高亞洲北部阿爾泰山不同冰川物質(zhì)變化觀測值與模擬值對比

從圖4a可以看出，基于上述度日因子值模擬的不同典型冰川物質(zhì)平衡值與觀測值較為接近。總體上，不同冰川物質(zhì)平衡觀測值與模擬值的相關(guān)系數(shù)和平均絕對誤差分別為 0.77（顯著性水平 p＜0.001）和0.21 mw.e.。從該地區(qū)典型冰川流域1977-2005年間物質(zhì)平衡變化序列來看（圖4b），流域物質(zhì)平衡模擬值變化趨勢與觀測值較為一致，其平均值分別為-0.16 mw.e.和-0.12 mw.e.。此外，基于遙感數(shù)據(jù)，應用大地測量法獲取了阿爾泰地區(qū)14條典型冰川1999-2005年的物質(zhì)變化速率[35]，同時應用上述方法獲取的度日因子值模擬了這14條冰川同一時段內(nèi)的物質(zhì)變化速率。比較發(fā)現(xiàn)（圖4c），這兩種不同方法獲取的結(jié)果較為一致?？傮w上，大地測量法獲取的結(jié)果與模型模擬值的相關(guān)系數(shù)和平均絕對誤差分別為0.83（顯著性水平p＜0.001）和0.14 mw.e.。由此可見，應用轉(zhuǎn)換公式獲取的度日因子能夠較理想地模擬出冰川消融和積累的變化過程。

4 數(shù)據(jù)價值

全球氣候變暖所導致的高亞洲地區(qū)冰川加速消融退縮，不僅引起了區(qū)域水資源變化[3,6,13-14]，同時引起了冰湖潰決洪水和冰川泥石流等災害發(fā)生頻率的加劇和影響程度加大[7,11-13]。開展高亞洲地區(qū)冰川消融過程及其對水資源與災害的影響系統(tǒng)評估，不僅對建立高亞洲區(qū)域氣候變化與冰川變化、水資源變化之間的關(guān)系研究具有重要科學意義，而且對我國推動的“一帶一路”計劃陸上絲綢之路關(guān)鍵區(qū)的經(jīng)濟建設與可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義[15,36]。本數(shù)據(jù)集是度日模型的重要參數(shù)，該模型在冰川物質(zhì)平衡研究中應用廣泛，且模擬冰川消融過程能夠給出類似能量平衡模型的輸出結(jié)果[16-18]。然而，對于高亞洲地區(qū)廣泛分布的冰川來說，有長期觀測的冰川數(shù)量相對較少，無法為度日模型開展區(qū)域冰川消融模擬提供必要的參數(shù)。本數(shù)據(jù)集是在不同地區(qū)冰川區(qū)觀測數(shù)據(jù)的基礎上獲取的，能夠反映出高亞洲冰川區(qū)度日因子的空間分布特征，且參數(shù)精度在典型區(qū)域進行了綜合評估。因此，本數(shù)據(jù)集可為高亞洲區(qū)域冰川消融模擬及其對區(qū)域水資源與相關(guān)冰川災害的研究奠定參數(shù)基礎。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

高亞洲冰川度日因子空間分布數(shù)據(jù)集所有數(shù)據(jù)存儲格式均為GeoTIFF格式。ArcGIS、SuperMap、ENVI、ERDAS等常用GIS與遙感軟件均可支持該數(shù)據(jù)的讀取和操作。度日因子值以像元值表示，單位是mm d-1℃-1，空間分辨率為0.5°。本數(shù)據(jù)集可靠性高，代表性強，可作為高亞洲區(qū)域冰川消融模擬的重要輸入數(shù)據(jù)，為進一步研究區(qū)域冰川變化對氣候的響應及其影響等研究奠定基礎。