1986—2015年長江源各拉丹冬地區(qū)冰川變化遙感監(jiān)測研究

李晨毓， 井哲帆， 何曉波，2

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

青藏高原及其周邊地區(qū)被稱作“亞洲水塔”，蘊(yùn)藏著除南、北極之外最大的冰儲量，是眾多亞洲主要河流的發(fā)源地，保證著下游地區(qū)的環(huán)境和人類用水需求［1-2］，其在全球環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)以及國家戰(zhàn)略的重要性也日益凸現(xiàn)［3-4］。作為這一區(qū)域的核心地帶，各拉丹冬地區(qū)豐富的冰凍圈資源作為區(qū)域水資源的重要組成部分，對氣候變化極為敏感；該地區(qū)現(xiàn)代冰川儲量占到長江流域總儲量一半以上［5］，且由于海拔較高、環(huán)境惡劣、通達(dá)性較差，受到人類活動的影響較小，是研究全球氣候變化的區(qū)域性響應(yīng)機(jī)制的理想場所。因此，各拉丹冬地區(qū)的冰川變化情況對于局地氣候趨勢的指示意義，以及對下游水資源量的重要影響，決定了對該地區(qū)冰川的監(jiān)測工作需要長期開展［6］，而這種長期性應(yīng)該同時由研究的時間序列長度以及監(jiān)測工作的不斷更新來體現(xiàn)。

由于各拉丹冬地區(qū)可達(dá)性極差，難以對該地區(qū)冰川進(jìn)行長期連續(xù)性實地觀測，許多冰川的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)仍較為缺乏?，F(xiàn)階段，多數(shù)研究依靠遙感與GIS 技術(shù)對長江源區(qū)冰川變化情況進(jìn)行監(jiān)測，涉及的參量包括冰川面積、儲量及融水量等，已形成了豐富的成果［7-9］。張立蕓等［10］使用重復(fù)航空攝影圖片與衛(wèi)星影像分析了1969—2012 年長江源區(qū)兩條典型冰川的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)坡度較大的冰川退縮速度較慢；金珊珊等［11］利用冰雪指數(shù)法（Normalized Difference Snow/Ice Index，NDSI）對該地區(qū)1973—2009 年整體冰川變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明氣溫普遍升高是導(dǎo)致各拉丹冬冰川總體面積持續(xù)退縮的關(guān)鍵因素；許君利等［12-13］利用Landsat、ASTER 與SPOT影像對該地區(qū)1973—2013 年冰川變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)2000 年以后該地區(qū)冰川消融速度加快。Liu等［8］的研究發(fā)現(xiàn)2000年以后地區(qū)內(nèi)冰川物質(zhì)損耗加速，且躍動冰川與非躍動冰川在物質(zhì)損失的時空格局上的差別較大；Zhang 等［14］在2000—2016 年的研究同樣發(fā)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)冰川物質(zhì)平衡的加速虧損。

基于前人的研究可以發(fā)現(xiàn)，作為長江的源頭，各拉丹冬地區(qū)冰川的整體變化趨勢監(jiān)測一直是研究的熱點方向，而地區(qū)內(nèi)部冰川變化的空間異質(zhì)性的探索仍有待加強(qiáng)，即地區(qū)內(nèi)部不同區(qū)域的冰川變化情況仍有待進(jìn)一步挖掘。因此，對該地區(qū)內(nèi)部冰川變化的細(xì)致了解，有助于理解不同狀態(tài)的冰川對于氣候變化的響應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而為決策者提供參考，為冰川變化預(yù)測工作打下基礎(chǔ)。

鑒于各拉丹冬地區(qū)冰川波動會對下游可用水資源量產(chǎn)生較大的影響，同時也指示著該地區(qū)的氣候變化情況［15］，本文利用Landsat影像構(gòu)成的長時間序列遙感數(shù)據(jù)，運用波段比值法、目視解譯法進(jìn)行冰川信息提取，結(jié)合冰川編目數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確獲取了各拉丹冬地區(qū)1986—2015 年的冰川空間分布和時空變化信息，同時以面積規(guī)模為分級標(biāo)準(zhǔn)，對研究區(qū)冰川變化進(jìn)行分類分析，并選取了典型冰川開展了分高程區(qū)域的變化分析。此外，結(jié)合同期氣溫、降水等氣象因子的時空變化特征進(jìn)行了進(jìn)一步分析。上述分析旨在揭示氣候變化背景下長江源區(qū)地區(qū)內(nèi)部冰川變化的時空異質(zhì)性，為冰川變化模擬研究提供基礎(chǔ)參考，為決策者提供了解該區(qū)域冰川變化的詳細(xì)信息。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

唐古拉山脈為青藏高原腹地近東西走向的山脈，平均海拔6 000 m 左右，是太平洋與印度洋流域重要的分水嶺，長江、瀾滄江、怒江等河流均由本地區(qū)發(fā)源［16］。本研究涉及的各拉丹冬地區(qū)的各拉丹冬峰海拔6 621 m，為唐古拉山脈最高峰。整個各拉丹冬地區(qū)南北約50 km，東西寬約30 km，具體范圍為90°30′～91°30′E，33°00′～33°40′N，為三江源國家級自然保護(hù)區(qū)的重要組成部分。行政區(qū)劃上位于青海省西南部與西藏自治區(qū)交界處，分屬于青海省格爾木市與西藏自治區(qū)安多、班戈兩縣，冰川分布沿唐古拉山脈南北側(cè)展開，大部分位于北坡。而本文研究區(qū)所處的唐古拉山西段冰川均屬于大陸型冰川，而自最小冰盛期至1969 年，區(qū)域內(nèi)冰川面積減小了5.6%，年均面積減少率為0.02%，并且近50 年區(qū)域內(nèi)冰川經(jīng)歷了較為嚴(yán)峻的氣候變化挑戰(zhàn)，冰川退縮必然更為劇烈［17］。

本地區(qū)氣候較利于冰川發(fā)育，每年6—9月間固體降水（雪、雹、霰）較為豐富，尤其海拔5 000 m 以上地區(qū)局部環(huán)流作用強(qiáng)烈，雖然年降水量常年維持在200～300 mm 左右，但冰川發(fā)育區(qū)降水量往往高出低海拔地區(qū)幾倍，冰川的補(bǔ)給充足；年平均氣溫在-5 ℃左右，冰川區(qū)溫度最低可達(dá)-30 ℃；年日照時數(shù)為2 600～3 100 h，峰值出現(xiàn)在5 月左右；全年各月蒸發(fā)量均大于降水量，年差值可達(dá)-1 336 mm，地區(qū)總體上表現(xiàn)出“冷-干”的氣候態(tài)勢［18-19］。

與傳統(tǒng)針對本地區(qū)的冰川研究不同，本研究將該地區(qū)主要冰川群與周邊零散分布的小冰川均納入研究范圍，以期得到該區(qū)域冰川變化趨勢全貌，進(jìn)而對不同時空狀態(tài)下、各組織規(guī)模下不同區(qū)域的冰川變化做出分析，對其變化的一致性、異質(zhì)性與階段性進(jìn)行分析。本研究將各拉丹冬地區(qū)面積較大的三個連續(xù)冰川分布區(qū)稱為主冰川，由西至東將此三者分別命名為西部、中部及東部冰川區(qū)（圖1），將主冰川周邊的10′距離之內(nèi)的零散冰川統(tǒng)稱為零散分布冰川進(jìn)行分組。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 General map of the research area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：1）GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)集（中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺，http：//www.gscloud.cn），該數(shù)據(jù)用于提取研究區(qū)海拔高程，確認(rèn)研究區(qū)位置及地形，并提取研究區(qū)各冰川相關(guān)地形屬性；2）沱沱河氣象站（33°28′N，91°08′E，國家基本氣象站和一類艱苦站，海拔4 547 m）、五道梁氣象站（35°13′N，93°05′E，國家基本氣象站和一類艱苦站，海拔4 612 m）月度氣象數(shù)據(jù)，用以獲取研究區(qū)氣候變化趨勢，與冰川變化情況疊合分析（青海省氣象局提供）；3）1986—2009 年Landsat TM 影像數(shù)據(jù)及2015年Landsat 8 OLI 影像數(shù)據(jù)（中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺，http：//www.gscloud.cn），用于研究區(qū)冰川邊界提取及面積變化計算；4）中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)集（V1.0）（中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，http：//westdc.westgis.ac.cn），該數(shù)據(jù)用以訂正分冰嶺及冰川邊界狀況。

根據(jù)影像質(zhì)量及數(shù)據(jù)可獲取性，結(jié)合地表季節(jié)性積雪狀況及研究時段間隔、分辨率可比性，本文主要采用冰川區(qū)無云、季節(jié)性積雪較少的Landsat TM 數(shù)據(jù)與Landsat OLI 數(shù)據(jù)。如表1 所示，共選取1986 年、1994 年、2001 年、2009 年、2015 年的五幅研究區(qū)影像，相關(guān)影像成像日期均處于冰川消融期，冰川表面積雪較少，冰川紋理清晰，有利于邊界提??；同時2001 年影像的平均云量雖達(dá)到18.80%，但經(jīng)過影像瀏覽，云層多處于非冰川區(qū)，對冰川邊界提取工作基本無影響。

表1 遙感數(shù)據(jù)概況Table 1 Survey of remote sensing data

1.3 方法

1.3.1 邊界提取

邊界提取是遙感冰川信息提取工作中的重點。在長期的研究工作中，專業(yè)人員已針對不同數(shù)據(jù)源發(fā)展出了多種多樣的提取方法，均取得了良好的效果，對Landsat 數(shù)據(jù)而言，較常用的方法有比值閾值法、歸一化差分積雪指數(shù)法、地學(xué)信息圖譜方法、多波段正交線性變換和目視解譯法等［20-27］。本研究中，根據(jù)研究區(qū)冰川特性與數(shù)據(jù)特性，以自動和人工相結(jié)合的手段，對冰川邊界進(jìn)行了提取。提取工作結(jié)束后，由于二次編目數(shù)據(jù)來源于2007 年的TM影像，故將2009年提取結(jié)果與第二次冰川編目數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，結(jié)果表明2009年的提取結(jié)果與二次編目數(shù)據(jù)在冰川分割、數(shù)量、面積上存在較高的連續(xù)性，合理反映了相應(yīng)時間段（2007—2009 年）研究區(qū)冰川變化情況。此外，與冰川編目數(shù)據(jù)間的這種一致性也進(jìn)一步驗證了本文冰川邊界提取、冰川分割等數(shù)據(jù)處理工作的有效性。

由于山地冰川所處環(huán)境較為復(fù)雜，受坡度、坡向、山體陰影等地形因子及周遭地物反射特征的影響較大，而波段比值法能有效避開這些影響因素，精準(zhǔn)地識別出冰川范圍。根據(jù)冰川的反射特性，一般采用TM3（Red）/TM5（SWIR）或TM4（NIR）/TM5（SWIR）的比值，結(jié)合具體影像情況人工干預(yù)（如圖2，在有云、影時調(diào)整閾值，若分離仍不理想，則在ArcGIS10.2 軟件中進(jìn)行目視解譯，對冰川邊界進(jìn)行手工調(diào)整），選取閾值進(jìn)行冰川邊界識別［28］。

圖2 云影狀態(tài)下波段比值法提取冰川邊界（TM3/TM5，閾值：1.8）Fig.2 Extraction of glacier boundary by band ratio method under cloud shadow（TM3/TM5，threshold：1.8）

在自動提取過程中，由于要根據(jù)影像實際情況進(jìn)行閾值選取，人工干預(yù)必不可少，操作人員需根據(jù)具體影像、具體區(qū)域?qū)﹂撝颠M(jìn)行確定。以本研究所采用的Landsat系列影像為例，比值運算基本使用TM3/TM5（OLI影像為紅波段/近紅外波段），本文采用的閾值基本維持在1.5～2.1之間，一般來說，積雪越多，閾值越大。

波段比值法提取出冰川邊界后，由于自然條件的復(fù)雜性，錯分、漏分情況偶爾存在，這時就需要對提取結(jié)果進(jìn)行訂正。訂正時以同時期影像作為參照，對湖泊等錯分為冰川的區(qū)域進(jìn)行刪除，對由于山體陰影等因素漏分的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)全，并對冰川末端的孤懸冰體部分也進(jìn)行了修正。訂正后使用卷積濾波器對提取結(jié)果進(jìn)行了平滑處理。上述這種冰川矢量邊界的提取方式一定程度上兼顧了人工判斷的準(zhǔn)確性與監(jiān)督分類的便捷性，且具備在其他區(qū)域冰川研究中的普遍適用性。

本文以國際通用的水文分析理念對山脊線進(jìn)行了提取。若以水文角度分析，山脊線即為只有流出、沒有流入、匯流積累量為0 且存在于正地形中的像元集合。借助ArcGIS 10.2 軟件中的水文分析工具對DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理，識別出匯流積累量為0 的像元，并提取出正負(fù)地形及流向，之后將位于負(fù)地形區(qū)域的0 值像元剔除，再將剩余0 值像元矢量化得到初步線狀山脊線矢量文件（圖3）。最后，再與冰川編目數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對錯分、漏分線段進(jìn)行修正，保證冰川劃分界線與冰川編目情況相匹配。山脊線（即分冰嶺）與歷年冰川邊界疊合后，即可得到分年度的、各條冰川的范圍，再將各年與各自范圍內(nèi)的、由DEM 生成的坡向、高程等數(shù)據(jù)疊加，進(jìn)而對每條冰川范圍內(nèi)各類數(shù)據(jù)像元值集合進(jìn)行統(tǒng)計分析，即可將相關(guān)地形數(shù)據(jù)賦予各條冰川。

圖3 山脊線提取流程Fig.3 The process of extracting ridge line

1.3.2 誤差分析

目視解譯是目前公認(rèn)的最準(zhǔn)確的冰川邊界提取方法［29］，故在誤差評估時本文隨機(jī)選取了3 塊樣區(qū)，使用完全目視解譯法進(jìn)行了邊界提取，以此對本文采用的自動和人工相結(jié)合的方法進(jìn)行誤差驗證：

式中：P為完全目視解譯法提取的冰川面積；Q為本文方法提取的冰川面積；φ為面積誤差。選取的三個樣區(qū)總面積為426.35 km2，目視解譯法得出的冰川面積為136.28 km2，本文方法得出的冰川面積為137.63 km2，誤差約為0.98%。

同時，我們對所選三個樣區(qū)中由影像分辨率所帶來誤差進(jìn)行了計算。計算公式如下［30］：

式中：ε為遙感影像空間分辨率所帶來的誤差；N為冰川輪廓所經(jīng)過的像元個數(shù)；A為單個像元的像元面積（本研究采用的Landsat系列數(shù)據(jù)單個像元面積約為900 m2）。經(jīng)過計算，樣區(qū)內(nèi)由影像分辨率所帶來的誤差約為0.062%。

2 結(jié)果與分析

2.1 整體變化

本研究將該地區(qū)主要冰川群與周邊零散分布的小冰川均納入研究范圍，以期得到該區(qū)域冰川變化趨勢全貌，對不同時空狀態(tài)下、各組織規(guī)模下不同區(qū)域的冰川變化做出分析，進(jìn)而對其變化的一致性、異質(zhì)性與階段性進(jìn)行分析。

各坡向變化如圖4 所示，在研究時段中，北、東北、東、東南向冰川消融明顯，以東南向最為突出；南、西南、西、西北向冰川面積卻不斷增加，以西向最為明顯，而通過與影像對比，這與極少數(shù)西向冰川（多為躍動冰川）的迅速前進(jìn)有關(guān)，西向多數(shù)冰川仍呈退縮趨勢?？傮w來說，1986—2015 年間，各拉丹冬地區(qū)冰川面積的坡向變化以東南向退縮最多，西向增加最多。西部冰川區(qū)西南側(cè)與東側(cè)、中部冰川區(qū)東側(cè)與南側(cè)、東部冰川區(qū)北側(cè)冰川退縮較為顯著，這可能與當(dāng)?shù)靥栞椛?、風(fēng)向等狀況有關(guān)。

圖4 1986—2015年間各坡向冰川變化（單位：km2）Fig.4 Glacial average changes in each slope during 1986—2015（unit：km2）

冰川數(shù)量及面積變化結(jié)果顯示（表2），1986 年各拉丹冬地區(qū)共有冰川267 條，面積達(dá)997.47 km2，屬于大面積連續(xù)冰川分布區(qū)。1986—2015 年，冰川面積共減少92.06 km2，總數(shù)量減少18 條；平均每年面積減少3.51 km2。

表2 1986—2015年各拉丹冬地區(qū)冰川數(shù)量及面積變化Table 2 The changes in the number and area of glaciers in Geladandong from 1986 to 2015

冰川變化分析在進(jìn)行規(guī)模分級時宜以數(shù)據(jù)中繼承的自然分組為標(biāo)準(zhǔn)，將相似值盡可能歸為同一等級以反映其在區(qū)域內(nèi)的相對水平，故利用自然間斷點分級法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分級，同時考慮到數(shù)據(jù)量及為便于后期分析，規(guī)模分級均為6級。

如圖5 所示，將各拉丹冬地區(qū)整體冰川以1.5、5、10、20、35 km2為節(jié)點分為6 類，在研究時段內(nèi)，可以看到退縮速率較快的類型是面積≤1.5 km2與≥35 km2的冰川，分別為-0.35 km2·a-1、-0.4 km2·a-1，其余4 類冰川退縮率類似，均維持在-0.28 km2·a-1左右。面積較小的冰川易受氣候影響，快速退縮這一特征在許多冰川區(qū)均有顯現(xiàn)［31］。此外，圖1 中已顯示了研究區(qū)內(nèi)部分大面積冰川退縮較多，在核算各類冰川數(shù)目變化情況后，發(fā)現(xiàn)本地區(qū)大冰川降級、分裂現(xiàn)象普遍，而這種變化趨勢在一定程度上緩沖了面積處于10～30 km2的冰川的退縮率。

圖5 各規(guī)模冰川退縮率Fig.5 The shrinking rate of glaciers on each scale

2.2 分區(qū)變化

按空間組織方式將研究區(qū)內(nèi)冰川劃分為西、中、東部冰川區(qū)與零散分布冰川，圖6、圖7 和圖8 分別給出了各分區(qū)的冰川退縮率、冰川面積變化情況以及冰川數(shù)量變化情況。各冰川區(qū)（西、中、東部）與零散分布冰川在初始時段（1986年）的總面積分別為195.56 km2、674.98 km2、86.63 km2與64.35 km2。退縮率的時間變化趨勢在各分區(qū)特征不同，其中西部冰川區(qū)與零散分布冰川區(qū)的趨勢類似，即以2001—2009 年為轉(zhuǎn)折區(qū)間先降后升，且具有相近的平均退縮率；中部冰川區(qū)的退縮率在四個時段內(nèi)圍繞-1.661 km2波動，且平均退縮率最高；東部冰川區(qū)有著類線性的發(fā)展趨勢，但平均退縮率相對較小。

圖6 各分區(qū)分時段冰川退縮率Fig.6 The retreat rate of glaciers in each area at each time interval

圖7 各分區(qū)冰川面積變化情況Fig.7 Variation of glacial area in each area

圖8 各分區(qū)冰川數(shù)量變化情況Fig.8 Changes in the number of glaciers in each region

將四個分區(qū)分別按照自然間斷點分級法進(jìn)行規(guī)模分割，得出了各區(qū)域各規(guī)模的冰川面積和數(shù)量變化情況（圖7和圖8）。其中，雖然各分區(qū)分級節(jié)點各異，但在自然間斷點分級法處理后仍然可以反映區(qū)域內(nèi)的相對規(guī)模水平。如圖7 所示，各分區(qū)各等級的冰川均呈現(xiàn)退縮趨勢，且絕對變化量最大值均出現(xiàn)在最大規(guī)模等級內(nèi)，該特征與圖6 中的變化率特征一致；總面積較大的西、中部冰川區(qū)在減少百分比上有著類似的規(guī)律，呈現(xiàn)出隨冰川規(guī)模的增加而上升的趨勢，但在第四等級出現(xiàn)回落，隨后又逐漸上升；總面積相近的東部與零散分布冰川區(qū)則呈現(xiàn)出最大規(guī)模分級的冰川的面積減少百分比最高的特征。

所有分區(qū)的小規(guī)模冰川數(shù)量均產(chǎn)生了較大的變化，西、中、東部冰川區(qū)冰川數(shù)量減少、而零散分布冰川區(qū)數(shù)量增多（圖8）。同時，各分區(qū)冰川數(shù)量變化的分析結(jié)果與對應(yīng)的面積變化規(guī)律相一致。其中，西、中部冰川區(qū)2015 年第四等級冰川數(shù)量均較1986 年多，而這無疑會降低其面積減少百分比，此外，零散分布冰川區(qū)的第三、第四、第五等級的冰川數(shù)量不同程度減少，而第一、第二等級數(shù)量增多，表明在該區(qū)內(nèi)冰川的降級、分裂現(xiàn)象較為明顯，從而影響到冰川面積規(guī)模及其面積減少百分比。

2.3 典型冰川變化

崗隴加瑪冰川位于中部冰川區(qū)東北角（圖1），在2016—2017 年間經(jīng)多次實地考察后發(fā)現(xiàn)該冰川末端冰塔林林立，流動方向大致為東向，平均坡向值為104.76°（東），海拔跨度為5 215～6 114 m。該冰川頂部積累區(qū)較為平坦，面積較大，且為多條冰川所共享；物理結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，冰裂隙少見；冰川表面潔凈，基本無冰磧物存在；夏季時局地氣候明顯，凌晨至正午無風(fēng)或微風(fēng)，日照充足，下午風(fēng)力常達(dá)5～6級或更高，加之河谷地形，氣團(tuán)相遇，常風(fēng)雪交加；下游為一狹長河谷，周邊人口大多從事放牧活動，河谷內(nèi)植被良好，是牧民重要的牧草來源；而冰川融水不僅是河谷植被維持良好狀態(tài)的重要保障，也是下游牧民重要的生活用水來源。因此，本文中選擇了崗隴加瑪冰川，對其變化進(jìn)行了深入分析。

由于在不同的海拔范圍內(nèi)，冰川變化會有不同的特征，基于崗隴加瑪冰川實際地形（圖9），本文以100 m為高程間隔對崗隴加瑪1986—2015年的冰川變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析，其中，由于海拔5 800 m以上為冰川積累區(qū)，山脊線固定不變，冰川面積基本無變化，故未納入統(tǒng)計。結(jié)果如表3所示，崗隴加瑪冰川5 300 m 海拔以下面積變化最為劇烈，共減少0.235 km2，且隨著海拔的增加，面積減少量減小。2001—2009 年為面積退縮最劇烈的時段，共減少0.543 km2，1994—2001 年海拔5 400 m 以下冰川面積呈退縮趨勢，而5 400m 以上面積均略增加，同時該時段整個冰川面積增加0.027 km2，為唯一呈增加狀態(tài)的時段?？傮w來看，1986—2015 年崗隴加瑪冰川呈退縮狀態(tài)，面積共減小0.752 km2，平均每年減少0.026 km2，冰川末端退縮明顯。

圖9 崗隴加瑪冰川高程狀況Fig.9 The contour map of Ganglongjiama glacier

2.4 冰川-氣候變化協(xié)同分析

此部分以6—8 月為夏季、12 月—次年2 月為冬季，對研究區(qū)臨近氣象站點氣象因子進(jìn)行了分析。研究時段內(nèi)，沱沱河站夏季平均氣溫升高0.2 ℃，增溫率為0.07 ℃·（10a）-1，而五道梁站夏季增溫更為明顯，平均氣溫升高0.5 ℃，增溫率為0.17 ℃·（10a）-1（圖10）。兩站1986—2015 年夏季平均氣溫相差2.03 ℃，五道梁站氣溫較低可能與其海拔較高有關(guān)。1986—2015 年沱沱河站夏季降水絕對量增加了22.70 mm，降水增長率為7.83 mm·（10a）-1，五道梁站夏季降水量絕對量增加了35.60 mm，降水增長率為12.28 mm·（10a）-1（圖10）。兩站夏季平均降水量相差9.32 mm，且呈現(xiàn)出相似的增加趨勢。

表3 崗隴加瑪冰川分海拔面積變化情況（單位：km2）Table 3 Changes in the area of Ganglongjiama glacier at various altitudes（unit：km2）

圖10 夏季氣象因子分析Fig.10 Analysis of meteorological factors in summer

研究時段內(nèi)，沱沱河站冬季平均氣溫升高0.85 ℃，增溫率為0.29 ℃·（10a）-1。五道梁站冬季氣溫升高趨勢明顯，但1986 年冬季平均氣溫較2015 年高0.18 ℃，其中，1996 年冬季平均氣溫最低，為-15.85 ℃，較整體平均氣溫低1.70 ℃，而2005 年冬季平均氣溫最高，為-11.90 ℃，較整體平均氣溫高2.12 ℃（圖11）。兩站1986—2015 年冬季平均氣溫相差0.45 ℃，均具有相近的增溫趨勢，但沱沱河站增溫幅度相對較小。沱沱河站1986—2015 年冬季降水量總體呈減少趨勢，絕對量減少了2.60 mm，降水增長率為-0.89 mm·（10a）-1。五道梁站冬季降水量總體呈減少趨勢，1986—2015 年絕對量減少了1.10 mm，降水增長率為-0.38 mm·（10a）-1（圖11）。兩站1986—2015 年冬季平均降水量相差0.05 mm，均呈現(xiàn)減少趨勢，且五道梁站的減少趨勢更為明顯。

圖11 冬季氣象因子分析Fig.11 Analysis of meteorological factors in winter

兩氣象站數(shù)據(jù)記錄均顯示了該地區(qū)年均氣溫、年均降水、夏季平均氣溫、夏季降水、冬季平均氣溫的增長趨勢及冬季降水的減少趨勢。其中氣溫升高會加速冰川消融，且由數(shù)據(jù)可知各冰川區(qū)在不同時段的消融量的變化趨勢與同時段冬季平均氣溫的變化趨勢相一致。值得注意的是冬季升溫會使冰川表面推遲降溫，進(jìn)而使冰川活動層作用時間變長，即冰川表面溫度會在更長的時段內(nèi)處于0 ℃狀態(tài)，從而引起冰川消融期延長，消融量增多，最終導(dǎo)致冰川面積加速減少［32］。1986—2015 年間，各拉丹冬地區(qū)冰川呈退縮趨勢，面積共減少92.06 km2。其中1986—1993 年、1994—2000年、2001—2008 年、2009—2015 年分別消融32.95、27.37、13.11、18.63 km2。

研究區(qū)冬季降水減少明顯，對冰川積累非常不利，而夏季降水呈增加趨勢，雖然可以一定程度上減緩冰川的消融趨勢，但由于年降水量很少達(dá)到保證冰川平衡線穩(wěn)定的閾值（260～340 mm）［33］，使得研究區(qū)冰川1986—2015 年總體呈現(xiàn)出明顯的面積減小特征。

表4 我國部分冰川遙感監(jiān)測結(jié)果Table 4 The results of remote sensing monitoring of glaciers in China

2.5 與其他區(qū)域冰川變化的比較

將本文研究結(jié)果與各拉丹冬地區(qū)其他冰川面積變化研究結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)本研究與前人研究可互相印證，即1970s—2010s 各拉丹冬地區(qū)冰川面積變化率約為-4.1%～-12%，變化速率約為-0.1%·a-1～-0.33%·a-1。長江源區(qū)包含了各拉丹冬地區(qū)，其冰川面積變化速率約為-0.16%·a-1～-0.43%·a-1。然而，各拉丹冬地區(qū)冰川面積變化率低于天山、祁連山與喜馬拉雅山地區(qū)。

3 結(jié)論

本文在相關(guān)數(shù)據(jù)與技術(shù)方法的支持下，對1986—2015 年各拉丹冬地區(qū)冰川變化進(jìn)行了監(jiān)測，以Landsat 影像為基礎(chǔ)，構(gòu)建了長時間序列的觀測數(shù)據(jù)；以面積、坡向、數(shù)量等因子對各拉丹冬地區(qū)冰川變化特征進(jìn)行了分時段的分析，并且以面積為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分區(qū)變化分析。在更新研究區(qū)內(nèi)冰川監(jiān)測時間序列的同時，對長江源區(qū)冰川的時空變化格局有了較為細(xì)致的介紹，有助于了解冰川變化的時空異質(zhì)性，也可以為冰川變化模擬研究提供基礎(chǔ)參考。通過本次監(jiān)測分析研究，得出主要結(jié)論如下：

（1）分區(qū)變化方面，西部冰川區(qū)規(guī)?！?.6 km2的冰川在數(shù)量上的變化最為明顯，而10～20 km2、20～30 km2規(guī)模的冰川分別是面積減少與增加幅度最大的冰川類型，變化量分別為8.123、-18.931 km2，1986—1994 年西部冰川面積變化幅度最大，8 年間減少了8.197 km2；中部冰川區(qū)規(guī)?！?.5 km2的冰川在數(shù)量變化上較為明顯，面積在33～55 km2范圍內(nèi)的冰川面積變化最為明顯，約為-27.191 km2，1994—2001年是冰川退縮最明顯的時段，共減少20.83 km2；東部冰川區(qū)4.5～10 km2規(guī)模的冰川數(shù)量減少3 條，為整個研究區(qū)最多。

（2）整體變化方面，30～55 km2規(guī)模的冰川變化最為明顯，共退縮10.218 km2，其中1986—1994 年為面積退縮最劇烈的時段，減小了5.240 km2；整體上退縮率最大的規(guī)模等級為≤1.5 km2及≥35 km2的冰川。此外，部分區(qū)域內(nèi)冰川的降級、分裂現(xiàn)象較為明顯，對不同等級規(guī)模的冰川變化趨勢有一定影響。同時，全區(qū)域冰川面積的坡向變化以東南向退縮最多，西向增加最多。

（3）典型冰川變化方面，崗隴加瑪冰川5 300 m海拔以下面積變化最為劇烈，共減少0.235 km2；1994—2001 年面積略有增加；2001—2009 年為面積退縮最為劇烈的時段，共減少0.543 km2。

（4）研究時段內(nèi)的氣溫上升與降水量減少共同導(dǎo)致了研究區(qū)冰川的持續(xù)退縮。

致謝：感謝冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室唐古拉冰凍圈與環(huán)境觀測研究站提供的技術(shù)支持。