近30年各拉丹東冰川變化及對徑流的影響

韓 帥，劉浩成，黃鑫華

(青海大學(xué)水利電力學(xué)院，青海 西寧 810016)

冰川是淡水的巨大天然固體蓄水池，是氣候變化的敏感指標(biāo)[1]。隨著全球變暖，近年來冰川的消退速度加快，冰川的面積、長度和雪線等對氣溫的變化有負(fù)反饋[2]。此外，冰川融水對徑流也有一定的影響,所以對冰川變化監(jiān)測和評價是非常重要的。各拉丹東冰川位于長江源區(qū)，該地區(qū)的冰川變化一直受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。魯安新等[3]對1969—2000年的冰川變化研究發(fā)現(xiàn)，2000年比1969年面積消退了1.7%,但近幾年在該區(qū)域的相關(guān)研究較少。各拉丹東冰川對附近河流徑流量的變化影響很大，何秋樂等[4]研究發(fā)現(xiàn),冰川附近河流徑流量增加有75%是由于氣溫升高導(dǎo)致冰川消融所致，也有研究人員對這種影響有不同的看法，他們認(rèn)為氣溫升高會增加水的消耗和蒸發(fā)，能減少河流徑流量[5]。因此，在各拉丹東區(qū)域冰川的變化對徑流影響的研究尚不清楚。

本文以長江源區(qū)各拉丹東冰川為研究對象，采用1989—2019年7個時期的7景30 m分辨率Landsat 數(shù)據(jù)、2016年的1景10 m分辨率Sentinel-2A衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，以及數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model，DEM)對冰川地貌進(jìn)行解譯，然后利用7景Landsat影像獲取1989—2019年冰川冰舌數(shù)量、面積和冰儲量變化并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)探討冰川變化的影響因素，最后，從水量平衡的角度分析冰川變化對徑流的影響。

1 研究區(qū)概況

各拉丹東冰川位于青藏高原中部(90°30′～91°30′E，33°00′～33°40′N)，由50多條長50 km、寬30 km、高6 621 m的冰川組成(數(shù)據(jù)引自中國冰川庫(CGI))。年平均溫度低于0 ℃且年平均降水量280～480 mm[6]，冰川融水流經(jīng)沱沱河、當(dāng)曲和楚瑪爾河，最終流入長江，沱沱河氣象水文站處于研究區(qū)附近(圖1)。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

2 實驗數(shù)據(jù)與方法

2.1實驗數(shù)據(jù)研究區(qū)天氣惡劣，地形條件復(fù)雜，遙感技術(shù)以其監(jiān)測范圍廣、全天候、獲取信息快的特點在冰川研究中有獨特的優(yōu)勢。考慮到影像覆蓋度、云量和研究區(qū)季節(jié)性積雪融化的影響，本研究選用7景Landsat影像和1景經(jīng)正射校正的Sentinel-2A影像對冰川進(jìn)行形態(tài)特征描述。為了更準(zhǔn)確地評估冰川變化，對影像進(jìn)行配準(zhǔn)、融合和正射校正處理,同時結(jié)合DEM數(shù)據(jù)解譯冰川地貌(分辨率30 m，WGS84投影)。降水、氣溫數(shù)據(jù)和年徑流量數(shù)據(jù)由中國氣象局和青海省水文水資源勘測局提供，所選數(shù)據(jù)分辨率和云覆蓋均滿足研究需求，利用這些數(shù)據(jù)來評估冰川對氣候變化的響應(yīng)及其對徑流的影響(表1)。

表1 研究區(qū)域的數(shù)據(jù)集Tab.1 Data of the study area

2.2實驗方法傳統(tǒng)的冰川變化是通過航空影像的目視解譯和實地調(diào)查得出的[7]，這種方法費時且存在主觀性。與目視解譯相比，自動分類方法效率更高、更省時。通過監(jiān)督和非監(jiān)督分類以及波段比值法劃定冰川邊界，但這類方法對冰川覆蓋小的地區(qū)有較好的識別效果。在很多情況下，冰川前緣的非冰川區(qū)域會出現(xiàn)與冰川表面相似的光譜特性，使得邊界難以劃定。面向?qū)ο蟮膱D像分析方法通過整合多源數(shù)據(jù)，結(jié)合空間、結(jié)構(gòu)和層次屬性，解決了復(fù)雜的自然地貌解譯過程。暴露在外面的冰川和積雪一般在可見光和近紅外波段的反射較高，在短波紅外波段的吸收較強(qiáng)[8]，因此采用歸一化雪蓋指數(shù)NDSI(Normalized Difference Snow Index，NDSI)來確定冰川邊界。為減少季節(jié)性積雪的影響,假設(shè)季節(jié)性積雪分布在緩坡上(<6°)，利用DEM進(jìn)行修正。雖然基于面向?qū)ο蟮姆诸惤Y(jié)果可靠，但也需要后期處理和人工修正。利用區(qū)域增長算法，可以去除部分斑塊，并對部分邊界進(jìn)行合并。以上操作基于eCognition軟件進(jìn)行，數(shù)據(jù)處理流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Flowchart of data processing

3 結(jié)果與分析

3.1冰川解譯冰川的侵蝕、運移和沉積改變了冰川的形態(tài)。冰川侵蝕取決于冰川底部的條件，包括冰川流速、壓力、熱條件、水量和下墊面特征。本文采用Sentinel-2A和DEM，結(jié)合野外制圖，對各拉丹東冰川形態(tài)特征分析發(fā)現(xiàn)，在各拉丹東冰川區(qū)保存有完整的冰斗、冰積物、冰舌、冰川、側(cè)磧、 樹枝狀冰川、終磧、懸冰川、羊背石和冰洞(圖3)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，冰斗通常會在冰川的平衡線附近發(fā)育(圖3b)，冰塔在冰舌末端形成(圖3e)。冰川的融化在山腳下易形成冰川湖(圖4)，另一個野外發(fā)現(xiàn)是在冰帽下有高度為2 m的巨大冰洞(圖3k)。

圖3 冰川地貌解譯Fig.3 Interpretation of glacial landforms

圖4 冰川湖現(xiàn)場調(diào)查Fig.4 Field investigation of glacier lake

3.2冰舌變化冰舌是直接反映冰川變化的典型標(biāo)志。溫度升高時，冰舌消融加速。根據(jù)遙感解譯，1989年共有69條冰舌。冰舌分布在海拔為5 277～5 603 m，平均海拔接近5 420 m(圖 5)。近一半的冰舌坡度較緩(<20°)(圖6),坡向主要是南、北和東朝向(圖7)。冰舌消退距離變化范圍為89～3 305 m，1989—2019年平均消退距離約236 m(圖8)。

圖5 冰舌數(shù)量與海拔的關(guān)系Fig.5Relationship between the number of glacier tongues and altitude圖6冰舌數(shù)量與坡度的關(guān)系Fig.6Relationship between the number of glacier tongues and slope

圖7 冰舌數(shù)量與坡向的關(guān)系Fig.7Relationship between the number of glacier tongues and slope aspect圖8冰舌數(shù)量與消退距離的關(guān)系Fig.8Relationship between the number of glacier tongues and receding distance

3.3冰川面積和冰儲量變化1989—2019年7個時期的冰川面積見表2，冰川面積的變化可以分為冰川后退和冰川前進(jìn)兩種類型。從1989—2019年，冰川面積共減少161.31 km2，其中1989—1994年減少最多，達(dá)到了93.93 km2。

表2 1989—2019年冰川變化參數(shù)Tab.2 Parameters of glacier variations from 1989 to 2019

圖9為1989—2019年各拉丹東冰川的形態(tài)變化。在過去的30年中，冰川形態(tài)在波動變化，但無明顯規(guī)律，形態(tài)變化的位置都是冰舌的前進(jìn)和后退，其中最大的消退區(qū)位于崗加曲巴冰川東部的A區(qū)(圖9f)，冰川以平均每年122 m的速率在后退。位于研究區(qū)西南方向的B區(qū)(圖9f)冰川冰舌在2011年后前進(jìn)，可能是由于該區(qū)域在特定的地形下太陽輻射少，加之積雪積累導(dǎo)致冰川形態(tài)變化。

圖9 1989—2019年各拉丹東冰川變化示意圖Fig.9 Schematic diagram of glacier variations in Geladandong from 1989 to 2019

各拉丹東冰川是長江源冰川的主體，氣候變化下冰儲量對整個長江源區(qū)水資源的評估具有重大意義。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，冰儲量與冰川面積關(guān)系見公式(1)：

Q=0.001 7F2+0.081 8F-0.032 3,R2=0.997 4

(1)

式中:Q為冰川儲量(km3)，F(xiàn)為冰川面積(km2)，R為相關(guān)系數(shù)。

通過分析可知，1989—2019年，冰儲量變化與面積變化一致，冰儲量從1 721.21 km3減少到1 213.43 km3，平均每年減少16.93 km3。冰川變化受氣候影響，主要表現(xiàn)在溫度和降水兩方面。1989—2019年平均氣溫從-4.2 ℃上升到-2.68 ℃(圖10a)，平均氣溫與冰儲量的Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.73。1989—2019年降水量總體上有波動，但無明顯變化規(guī)律(圖10b)，其與冰儲量的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.34。2004—2011年溫度升高，降水量在增加，冰儲量并未增加，但降水能在溫度降低的同時促進(jìn)積雪的積累，1994—1998年氣溫降低，降水增加，冰儲量也隨之增加，說明各拉丹東冰川變化的主要影響因素是溫度。

3.4冰川變化對徑流的影響長江源區(qū)徑流變化主要由降水、冰川融水和蒸發(fā)作用引起，冰川融水和降水經(jīng)過沱沱河、當(dāng)曲河和楚瑪爾河，最終注入長江。由于各拉丹東的平均氣溫低于0 ℃,凍土的保水能力較弱，可以不考慮土壤含水量對徑流的影響。沱沱河流域徑流、降水、冰川融水和蒸發(fā)之間關(guān)系如下：

R=Rp+Rg-Rξ

(2)

式中：R為總徑流,Rp、Rg、Rξ分別為降水、冰川融水量和蒸發(fā)量(數(shù)據(jù)由青海省水文水資源勘測局提供，并采用泰森多邊形法求均值,由此計算冰川融水量)。

由表3可知，1989—2019年年徑流量從7.12億m3增加到了19.74億m3，冰川融水從18.67億m3增加到了31.37億m3。沱沱河流域內(nèi)降水量少，且在長江源高海拔地區(qū)，降水主要是以固態(tài)降水形式為主，而蒸發(fā)量卻是降水量的5倍以上。因此，冰川融水是徑流增加的主要補(bǔ)給形式。

表3 冰川融水、降水和蒸發(fā)對徑流的貢獻(xiàn)Tab.3 Contribution of glacier melt water，precipitation and evaporation to the runoff

4 討論與結(jié)論

(1)隨著研究區(qū)氣候的持續(xù)變暖，各拉丹東冰川面積和冰儲量在逐年消退。本研究利用Landsat遙感數(shù)據(jù)和DEM對典型冰川地貌進(jìn)行解譯，在此基礎(chǔ)上獲取了1989—2019年的面積、冰儲量，冰川面積總體減少了161.31 km2，冰儲量減少了507.78 km3，冰舌處于退縮的狀態(tài)，這與周文明等[10]、張建國等[11]、金姍姍等[12]的研究成果較為一致。相比前人的研究，本文對冰川進(jìn)行的解譯工作更加有助于正確識別冰舌并統(tǒng)計冰舌參數(shù),可為該地區(qū)冰川變化研究提供參考。各拉丹東地區(qū)溫度在過去30年間提高了1.52 ℃，溫度升高引起的冰川消融遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量促進(jìn)的積雪積累[13]，這與高曉清等[14]得出的全球氣候變暖大背景下青藏高原氣溫的升高是各拉丹東冰川消融退縮的主要原因的結(jié)論吻合。

(2)從水量平衡的角度研究結(jié)果表明，多年來沱沱河流域徑流量增加。溫度的升高會使蒸發(fā)量增加，可促進(jìn)降雨量增加，同時蒸發(fā)引起的云量和大氣氣溶膠濃度的增加又會減少蒸發(fā)量[15]，在低海拔區(qū)水文循環(huán)中可能會使徑流量增加，但就高海拔的研究區(qū)而言，根據(jù)地面直接觀測結(jié)果來看，該地區(qū)降水量變化沒有顯著增加，蒸發(fā)量也基本維持在降水量的5倍以上，因此冰川融水是徑流增加的主要補(bǔ)給形式，這一研究結(jié)果明確了冰川變化對該流域徑流量的影響，與何秋樂等[4]，Wu等[16]研究結(jié)果一致。當(dāng)然，冰川變化還與地形有關(guān)，地形對冰川融化形成的地下水的影響還需要進(jìn)一步研究。