冰川與氣候變化相關(guān)性分析

王佩佩 匡鴻海 李嘉譯

摘要 冰川是淡水資源的一種重要儲(chǔ)存形式，近年來(lái)冰川面積不斷減少，研究冰川面積變化對(duì)于干旱區(qū)生態(tài)保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展意義重大。基于Landsat TM、Landsat ETM與Landsat OLI遙感影像數(shù)據(jù)以及氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行遙感解譯與統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用決策樹自動(dòng)閾值分類方法，同時(shí)結(jié)合非監(jiān)督分類方法得到祁連山自然保護(hù)區(qū)1995—2015年冰川面積變化，參考第2次冰川編目數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并運(yùn)用相關(guān)分析法分析與氣候變化的相關(guān)性。結(jié)果表明：①1995—2015年祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)冰川面積變化有2個(gè)不同階段，1995—2005年緩慢增加，2005—2015年急劇下降，整體呈減少趨勢(shì)。面積最大時(shí)為2005年376.91 km2，到2015年減少為217.33 km2。②祁連山自然保護(hù)區(qū)年均降水量變化與冰川面積變化的相關(guān)性強(qiáng)于年均氣溫變化與冰川面積變化的相關(guān)性。降水量與冰川面積之間的相關(guān)系數(shù)為0.403，氣溫與冰川面積之間相關(guān)系數(shù)為-0.327。③祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)冰川面積變化是降水與氣溫共同作用的結(jié)果，在不同時(shí)期，氣溫與降水分別起主導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 冰川面積;氣溫;降水;相關(guān)關(guān)系;祁連山自然保護(hù)區(qū)

中圖分類號(hào) S759.9 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2020）05-0085-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.023

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract The glacier is an important storage form of freshwater resources. In recent years， the area of glaciers has been decreasing. Studying the change of glacial area is of great significance for the ecological protection and sustainable development of arid region. Based on Landsat TM， Landsat ETM and Landsat OLI remote sensing image data and meteorological observation data， remote sensing interpretation and statistical analysis are carried out. The decision tree automatic threshold classification method is used， and the unsupervised classification method is used to get the change of glacier area in Qilian Mountain Nature Reserve from 1995 to 2015. The results are verified by reference to the second glacial catalogue data， and analyzed by correlation aqnalysis method Relevance to climate change.The results showed that： ①there were two different stages of glacier area change in Qilian Mountain Nature Reserve from 1995 to 2015， which increased slowly from 1995 to 2005， and declined sharply from 2005 to 2015， showing a decreasing trend as a whole. The maximum area was 376.91 km2 in 2005 and decreased to 217.33 km2 by 2015.② The correlation between the annual average precipitation change and the change of glacier area in the Qilian Mountain Nature Reserve was stronger than the correlation between the annual average temperature change and the change of glacier area. The correlation coefficient between precipitation and glacier area was 0.403， and the correlation coefficient between temperature and glacier area was -0.327. ③The change of glacier area in Qilian Mountain Nature Reserve is the result of the combination of precipitation and temperature. In different periods， temperature and precipitation played a leading role respectively.

Key words Glacier area;Temperature;Precipitation;Correlation;Qilian Mountain Nature Reserve

山岳冰川作為冰凍圈的重要組成部分，不僅是陸地表面重要的淡水資源，也是諸多大江大河的源頭，被譽(yù)為 “固體水庫(kù)”[1]。對(duì)于生態(tài)脆弱的西北地區(qū)尤其是自然保護(hù)區(qū)而言，研究冰川與氣候變化的相關(guān)性意義重大。祁連山自然保護(hù)區(qū)生態(tài)脆弱，尤其對(duì)水資源敏感，冰川作為淡水資源的一種儲(chǔ)存形式，氣溫降水變化對(duì)其有重要影響，反過來(lái)，冰川消融與凝結(jié)也會(huì)調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)貧夂?，因此研究二者相關(guān)關(guān)系對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展十分必要。

冰川作為全球氣候變化的指示器[2-3]，可以最直接地反映氣候變化狀況。國(guó)外對(duì)冰川研究較早，冰川學(xué)發(fā)源于瑞士。自世界冰川監(jiān)測(cè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（Word Glacier Monitoring Service，簡(jiǎn)稱WGSM）提倡各國(guó)做冰川編目和調(diào)查以來(lái)，科研工作者開始對(duì)全球冰川進(jìn)行更深入的監(jiān)測(cè)[4]。經(jīng)過多年發(fā)展，我國(guó)對(duì)冰川物質(zhì)變化觀測(cè)已經(jīng)積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)和觀測(cè)成果[5]，目前研究主要集中在冰川識(shí)別與面積變化、冰川表面運(yùn)動(dòng)、冰川反照率3個(gè)方面。遙感技術(shù)在冰川識(shí)別的應(yīng)用中主要用于面積變化監(jiān)測(cè)，結(jié)合GIS方法對(duì)冰川屬性參數(shù)進(jìn)行提取[6]。已有研究表明，祁連山地區(qū)中部、東部冰川變化對(duì)氣溫的響應(yīng)程度分別為中度響應(yīng)、高度響應(yīng)，冰川變化對(duì)降水為負(fù)響應(yīng) [7]。在葉爾羌河流域降水、氣溫及其組合影響冰川發(fā)育，二者年際變化共同決定冰川的性質(zhì)、發(fā)育和演化[8]。另外也有學(xué)者對(duì)阿爾金山冰川變化的影響因素研究發(fā)現(xiàn)，冰川的性質(zhì)、發(fā)育和演化受氣候、地形、地理位置、冰川自身規(guī)模等諸多因素的影響，其中氣溫和降水及其組合的變化是最主要的影響因素[9]。上述研究針對(duì)不同地區(qū)分別探討了冰川與降水、氣溫的響應(yīng)程度，但在這些研究中，很少有針對(duì)祁連山自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行分析，并且很少有研究者從每年年際變化角度來(lái)分析二者關(guān)系。為此，筆者以祁連山自然保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，分析1995—2015年其冰川面積變化規(guī)律及冰川面積變化與氣溫、降水之間的相關(guān)性。

1 研究區(qū)概況

甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處青藏、蒙新、黃土三大高原交匯地帶的祁連山北麓，區(qū)域范圍為97°25′～103°46′E、36°43′～39°36′ N。其中，核心區(qū)面積為802 261.6 hm2。該保護(hù)區(qū)為森林生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護(hù)區(qū)，總面積265 3000 hm2，以青海云杉、祁連圓柏、蓑羽鶴等生物為保護(hù)對(duì)象。祁連山海拔4 500 m以上的高山區(qū)現(xiàn)代冰川發(fā)育，現(xiàn)代冰川和古冰川作用的地貌類型都較豐富。保護(hù)區(qū)內(nèi)的冰川1 219條，面積458.39 km2，冰儲(chǔ)量15.81 km3[10]。祁連山自然保護(hù)區(qū)為大陸性高寒半濕潤(rùn)山地氣候，降水量300～500 mm，集中在6～9月，年均溫-0.6 ℃～2.0 ℃。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

所用遙感影像數(shù)據(jù)為1995～2015年Landsat TM、Landsat ETM、 Landsat OLI共119幅影像，來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS（http：//www.glovis.usgs.gov/），DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn），第2次冰川編目數(shù)據(jù)來(lái)源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//westdc.westgis.ac.cn/data），氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，取祁連山自然保護(hù)區(qū)周圍4個(gè)氣象站點(diǎn)（永昌、武威、山丹、張掖）降水與氣溫年平均值。

3 研究方法

3.1 冰川面積提取方法

傳統(tǒng)的冰川面積獲取方法主要是基于野外考察的觀測(cè)與測(cè)量，而基于遙感監(jiān)測(cè)的冰川面積提取方法主要有比閾值法[11]、雪蓋指數(shù)法[12]、監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類法[13]、地圖信息圖譜方法[14]、多波段K-L變換方法[14]、熱紅外遙感方法[15]、決策樹自動(dòng)閾值分類方法[16-18]、面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》椒ǖ萚17]。其中，非監(jiān)督分類方法操作簡(jiǎn)單但是精度不高;決策樹研究是現(xiàn)階段的一種趨勢(shì)，但是決策樹分類過程中無(wú)法識(shí)別樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中的誤差，有明顯錯(cuò)分。為了消除這種誤差，筆者在提取過程中使用決策樹自動(dòng)閾值分類與非監(jiān)督分類相結(jié)合，對(duì)二者所分出的同一區(qū)域有不同的結(jié)果進(jìn)行目視解譯，最終確定提取區(qū)域的冰川面積。

3.2 面積提取方法步驟

首先，查閱相關(guān)資料確定祁連山自然保護(hù)區(qū)范圍，在USGS上下載研究區(qū)域內(nèi)1995—2015年遙感影像，以及獲取DEM數(shù)據(jù)?；?ENVI5.3對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，根據(jù)保護(hù)區(qū)范圍對(duì)影像進(jìn)行拼接裁剪等操作，計(jì)算NDSI和NDVI值，建立決策樹進(jìn)行自動(dòng)分類，運(yùn)用非監(jiān)督分類方法提取冰川信息，同時(shí)對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出坡度<24的區(qū)域，結(jié)合決策樹分類結(jié)果、非監(jiān)督分類結(jié)果以及坡度信息確定冰川、冰漬物覆蓋冰川，最后運(yùn)用ArcGis進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)（圖2）。

3.3 相關(guān)性分析方法

相關(guān)分析性分析主要是相關(guān)系數(shù)與顯著性檢驗(yàn)。通過分析冰川面積變化與氣候變化的相關(guān)性，能夠發(fā)現(xiàn)他們之間的密切程度及響應(yīng)。

4 結(jié)果與分析

4.1 冰川面積變化

通過決策樹自動(dòng)閾值分類與非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法提取出1995—2015年祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)冰川面積（圖3），結(jié)果表明，在祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)冰川面積分為2個(gè)階段：第一階段是1995—2005年，冰川面積緩慢增加，1995年區(qū)域內(nèi)冰川面積為276.59 km2，以平均每年16.7 km2速率增加;第二階段是2005年以后，冰川面積急劇下降，到2015年減少為217.33 km2。第2次我國(guó)冰川編目數(shù)據(jù)有較高的精度，可用來(lái)對(duì)比驗(yàn)證該文結(jié)果。在第2次我國(guó)冰川編目數(shù)據(jù)集中提取祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)矢量數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，祁連山自然保護(hù)區(qū)冰川面積為254 km2。

4.2 冰川面積變化與氣溫、降水相關(guān)性

由圖4可知，1995—2015年祁連山自然保護(hù)區(qū)年均降水量波動(dòng)下降，2003年出現(xiàn)最高值，1995—2000年降水量增加幅度大，2010—2015年降水量減少速度快。氣溫狀況是以平均每年0.6 ℃的速率上升，1995—2014年從6.61 ℃上升至8.84 ℃，從圖3～4來(lái)看，冰川面積變化與降水量變化的相關(guān)性更強(qiáng)，趨勢(shì)基本一致。以定量的方式探討保護(hù)區(qū)降水量、氣溫與冰川面積之間的相關(guān)性，以相關(guān)系數(shù)的形式表達(dá)，結(jié)果表明降水量與冰川面積之間的相關(guān)系數(shù)為0.403，顯著性為0.122。氣溫與冰川面積之間的相關(guān)系數(shù)為-0.327，顯著性為0.216，二者之間成負(fù)相關(guān)關(guān)系，冰川面積變化與降水量變化的相關(guān)性強(qiáng)于與氣溫變化的相關(guān)性。

5 結(jié)論與討論

（1）1995—2015年祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)冰川面積變化有2個(gè)不同階段：1995—2005年緩慢增加，2005—2015年急劇下降，整體呈減少趨勢(shì)。

（2）祁連山自然保護(hù)區(qū)年均降水量變化與冰川面積變化的相關(guān)性強(qiáng)于年均氣溫變化與冰川面積變化的相關(guān)性。冰川面積變化與降水之間的顯著性為0.122，與氣溫之間的顯著性為0.216。

（3）在不同時(shí)期降水量與溫度分別為冰川面積變化的主導(dǎo)因素。1995—2000年降水量急劇增加，溫度升高，降水量增加幅度大于溫度升高幅度，因此1995—2000年冰川面積緩慢增加，降水量是這一時(shí)期冰川面積變化的主導(dǎo)因素。2000—2005年降水量減少但氣溫較前一階段變化不大，因氣考慮到冰川凝結(jié)消融需要時(shí)間，有滯后性，其中能量變化是一個(gè)過程，該階段面積仍緩慢增加，但是速率小于1995—2000年。2005—2015年溫度持續(xù)升高，降水量同時(shí)波動(dòng)下降，祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)冰川面積由2010年的258.85 km2減少到217.33 km2，減少了41.52 km2。這一時(shí)期氣溫是冰川面積變化的主導(dǎo)因素。

（4）祁連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)冰川面積變化與氣溫降水關(guān)系密切，降水量大于由氣溫升高帶來(lái)的消融量時(shí)冰川面積增加，降水量不足以補(bǔ)充氣溫升高帶來(lái)的消融時(shí)冰川面積減少。已有研究表明，氣溫每升高1 ℃需要降水量增加25%或35%才能彌補(bǔ)由升溫引起的冰川消融[18-19]，因此祁連山自然保護(hù)區(qū)冰川面積變化受氣溫與降水變化不同幅度的影響。祁連山地區(qū)冰雪融水是區(qū)域內(nèi)水資源的重要來(lái)源，研究冰川面積變化與氣候相關(guān)關(guān)系能為保護(hù)區(qū)建設(shè)提供參考，保護(hù)生物多樣性。

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