2008—2018年中國冰川變化分析

趙華秋，王 欣，，趙軒茹，郭萬欽，劉時銀，魏俊鋒，張 勇

（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.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；3.蘭州大學資源環(huán)境學院，甘肅蘭州730000；4.云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院，云南昆明650091）

0 引言

冰川作為冰凍圈重要組成因素之一，由于對氣候變化的強烈敏感性，其面積變化已經成為研究高海拔地區(qū)氣候變化的指示器［1］。全球氣溫的升高導致冰川融化加劇，從而使冰川厚度普遍減?。?-4］以及冰川面積普遍退縮［5-6］。由于氣候條件的快速變化，冰川物質平衡也隨之發(fā)生變化［7］。根據最新的全球表面溫度觀測數據集［8-9］估計，1900—2017年全球陸地平均表面溫度升高趨勢為（1.00±0.06）℃·（100a）-1［10］，2010—2019年高亞洲地區(qū)的冰川物質平衡平均損失達到（-27.9±2.4）Gt·a-1，對海平面上升的貢獻率達到（0.048±0.004）mm·a-1［7］。

冰川編目是了解冰川變化及對區(qū)域水資源和氣候變化的基礎工作［11-12］。全球范圍內最新的冰川編目數據，以Global Land Ice Measurements from Space initiative（GLIMS）項目的成果Randolph Glacier Inventory 6.0（簡稱RGI 6.0）數據集為主。對我國冰川變化的研究，多以冰川編目數據［12］為基礎，對冰川典型區(qū)（如祁連山［13-15］、岡底斯山［16］、阿爾泰山［17］、喀喇昆侖山［18-20］、唐古拉山［21］、天山［22］、昆侖山［23］、羌塘高原［24］、喜馬拉雅山［25-27］、東亞內流區(qū)［28］、黃河流域［29］、恒河流域［30］等）的冰川變化與物質平衡狀態(tài)進行遙感監(jiān)測與分析。西部地區(qū)冰川多處于退縮狀態(tài)［31-32］，而在昆侖山和喀喇昆侖山地區(qū)的部分冰川處于質量平衡為零或微弱正平衡狀態(tài)［33-34］，被稱為“喀喇昆侖異?！保?5-37］現(xiàn)象?？傊?，區(qū)域間的氣候背景、冰川特性、地形地貌以及冰川對氣候變化的響應差異很大，其冰川變化在空間上表現(xiàn)出了顯著的差異［4，38-39］。但當前對我國冰川變化的研究，大多針對典型區(qū)域進行，缺乏對我國全面系統(tǒng)的冰川調查，第二次冰川編目也未完成對藏東南地區(qū)冰川的調查與編目［12］。

中國西部由于地殼強烈隆升而形成諸多山地高原，其部分地區(qū)海拔高于雪線，從而發(fā)育出了眾多的冰川［40］。作為地形主體的青藏高原，平均海拔高于4 000 m，冬季干冷漫長夏季溫涼多雨的特殊氣候均為現(xiàn)代冰川的發(fā)育提供了優(yōu)質的自然條件，使得中國成為中低緯度山地冰川最廣布的國家［33，40-41］。根據RGI分區(qū)結合第二次冰川編目中的山脈屬性以及國際冰川流域編目規(guī)范［12］，中國西部冰川區(qū)可分為14個山系、10個一級流域（圖1、表1）。本文基于2018年前后的Landsat系列影像，完成對中國西部地區(qū)的冰川最新編目，分析2008—2018年中國冰川面積變化特征。

表1 2018年中國西部主要山脈、流域代碼及其冰川數量和面積Table 1 Mountains，watersheds and their glaciers（number and area）in western China in 2018

圖1 中國西部主要山脈、流域及2018年冰川分布Fig.1 Distribution of mountains，watersheds and the glaciers in western China in 2018

1 數據與方法

1.1 數據

本文所用的研究數據主要包括中國第二次冰川編目數據、Landsat影像數據、SRTM高程數據、HydroATLAS全球流域數據以及中國氣象數據等。中國第二次冰川編目數據（http：//westdc.westgis.ac.cn）由中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所2014年發(fā)布，是對中國冰川分布現(xiàn)狀的一次系統(tǒng)更新，該數據作為2018年冰川編目的基礎數據，用于輔助判別冰川邊界以及變化分析。藏東南地區(qū)由于受云量等影像質量問題影響，第二次編目未對該地區(qū)的冰川進行編目。本次編目結合最新的Landsat遙感影像，僅對藏東南地區(qū)的冰川分布現(xiàn)狀進行了調查統(tǒng)計，沒有將其用于冰川面積變化計算。據統(tǒng)計，藏東南地區(qū)（圖1），共有冰川13 066條，總面積（7 611.25±4.64）km2。

多時相的Landsat系列數據用于獲取冰川邊界，選用的原則包括：①影像的云量覆蓋應該小于10%；②影像的選取時間以2018年為主，由于某些地區(qū)的影像質量有問題或者影像缺失，可放寬時間選擇區(qū)間為2015—2019年；③為了減少積雪等因素對冰川邊界判讀的影響，遙感影像的季節(jié)選擇多為夏秋季（8—11月）?；谏鲜鲈瓌t，本文從美國地質調查局官方網站（https：//earthexplorer.usgs.gov/）下載了總計315景Landsat 8 OLI影像，其中，秋冬季的影像占總數的67%，夏季影像占總數的26%，獲取時間集中在2017—2018年的影像占77%（圖2）。

圖2 本次編目所用的Landsat影像Fig.2 Landsat images used in this Chinese glacier inventory

數字高程模型數據主要用來獲取冰川的海拔信息，本文所用的30 m空間分辨率（1″）的SRTM數據，來源于USGS網站（https：//earthexplorer.usgs.gov/）。近地面氣溫和地面降水率數據主要用于分析近年來氣候變化對冰川變化的影響，數據來源于國家青藏高原科學數據中心（http：//www.tpdc.ac.cn/zh-hans/data）下載的時間分辨率為3 h、水平空間分辨率0.1°的中國區(qū)域地面氣象要素數據集（China Meteorological Forcing Dataset，CMFD）。流域數據使用的是HydroSHEDS數據庫中的HydroATLAS V1.0數 據（https：//figshare.com/articles/HydroATLAS_version_1_0/），分為BasinATATLAS和RiverATLAS兩個數據集，分別代表了流域覆蓋范圍和河流網絡。本文以BasinATATLAS數據集為參考，對第二次冰川編目中部分流域屬性缺失的冰川進行屬性賦值。

1.2 方法

本文采用人工目視解譯方法對中國西部地區(qū)的冰川進行冰川邊界矢量化，編目過程主要包括冰川編目規(guī)范的制定、遙感影像數據預處理、冰川邊界目視解譯、冰川的屬性賦值和人工交叉檢查等，具體流程如圖3所示。目視解譯的主要規(guī)范包括：①目視解譯主要針對冰川消融區(qū)（冰川中值高度以下）部分進行，冰川積累區(qū)邊界認為不變；②冰川邊界解譯依據主要是假彩色合成影像中冰川的顏色、紋理等特征信息；③充分利用Google Earth三維地形等輔助信息判別冰川邊界；④矢量化時，冰川邊界線應穿過其相鄰混合像元的對角線；⑤非表磧覆蓋型冰川依據其在遙感影像中的顏色、紋理等特征進行修改；表磧覆蓋型冰川主要依據表磧的顏色、紋理等特征同時結合地形信息進行判別。

圖3 2018年中國冰川編目流程Fig.3 Flow chart of the Chinese glacier inventory in 2018

第二次冰川編目和本次編目的參考影像獲取時間存在差異，為方便比較不同區(qū)域內兩次編目的面積變化，本文采用冰川面積變化相對速率（變化率）來計算10年間冰川的面積變化［14］。方法為

式中：R1，2為冰川面積變化相對速率（%·a-1）；GA2和GA1分別為本次冰川編目和中國第二次冰川編目時的冰川面積（km2）；Y1，2為兩次冰川編目所用數據源的采集時間間隔（a），可由下式計算得到。

式中：Ai和Yi分別為本次冰川編目時某具體區(qū)域內第i條冰川的面積和數據源年份；Aj和Yj分別為中國第二次冰川編目時該區(qū)域內第j條冰川的面積和數據源年份；m和n分別為本次和中國第二次冰川編目時該區(qū)域內的冰川總數量［14］。

冰川編目的誤差主要受影像質量（例如時空分辨率、云量、山體陰影）、解譯者的經驗判斷以及操作主觀性等的綜合影響［42-44］。在影像質量的諸多影響因素中，空間分辨率最為主要。在冰川矢量化過程中，邊界通過混合像元的對角線，并假設矢量化時產生的誤差符合隨機誤差分布，由于空間分辨率影響造成的單條冰川誤差以及整個研究區(qū)域內的總誤差可以用下式表示［45-46］。

式中：μai為第i條冰川的面積誤差；P為冰川的周長（m）；λ為遙感影像的空間分辨率（30 m）；假設人工目視解譯導致的冰川識別面積誤差服從高斯分布，σ為高斯分布下的修正系數，σ≈0.6872；μT為整個研究區(qū)域或子區(qū)域的面積誤差。經計算，本次冰川編目的誤差為±19.93 km2，占冰川總面積的±0.043%。

2 結果與分析

2.1 冰川分布

2018年，中國現(xiàn)存冰川53 238條，總面積為（47 174.21±19.93）km2。將冰川面積按2的指數次方劃分等級并統(tǒng)計各等級內冰川的面積和數量分布［圖4（a）］，中國冰川區(qū)的冰川數量上以面積＜0.5 km2的冰川為主，占冰川總數量的72.47%；冰川面積規(guī)模總體以1～32 km2為主，占冰川總面積的59.96%；隨著冰川面積規(guī)模的增大，冰川數量和面積都呈現(xiàn)先增加后減少的分布規(guī)律。

中國西部冰川發(fā)育主要在海拔1 800～8 700 m之間，呈近似正態(tài)分布；低于3 000 m和高于7 200 m的冰川面積僅占總量的0.44%；在4 200～6 300 m分布的冰川面積占全國冰川總量的90.80%［圖4（b）］。87.32%的冰川面積分布在坡度8°～30°之間；在＜6°和＞40°的坡度帶內分布的冰川面積僅占全部冰川面積的1.06%。在坡向上，正東、東南和正南三個方向的冰川數量和面積分別占總量的45.71%與68.73%，正北方向的冰川數量和面積最少，數量和面積占比分別為3.64%和0.21%。

圖4 2018年中國冰川統(tǒng)計Fig.4 Statistics of glaciers in China in 2018：glaciers’number and area in different area scales（a），and glaciers’area at different altitudes（b）

從冰川的山系分布看，西部冰川區(qū)的冰川集中分布在喀喇昆侖山、喜馬拉雅山、念青唐古拉山、橫斷山、天山和昆侖山等6個地區(qū)，其中昆侖山地區(qū)的冰川數量和面積最多，分別占總量的17.57%和24.72%；占比最少的是阿爾泰山，面積和數量僅占總量的0.35%和0.50%（表1、圖5）。流域上，內流區(qū)的冰川數量和面積分別占冰川總量的53.67%和65.29%；其中，東亞內流區(qū)域（5Y）的冰川數量和面積最多，分別占整個內流區(qū)域總數量和面積的70.94%和72.13%。外流區(qū)中冰川數量和面積最多的流域是恒河流域（5O），占整個外流區(qū)域總數量和面積的68.15%和72.93%（表1、圖6）。

圖6 中國西部各流域冰川面積分布及變化Fig.6 Distribution and changes of glacier areas in different watersheds in western China

2.2 冰川變化

與第二次中國冰川編目數據相比，10年來中國西部冰川面積共減少了1 393.97 km2，占冰川總面積的3.74%，平均面積變化速率為-0.43%·a-1。其中，共有318條冰川消失，消失冰川的面積為18.98 km2，占冰川面積總量的0.05%；面積增加的冰川有372條，面積共增加48.72 km2，占冰川總面積的0.13%。不同面積等級的冰川其面積變化率差異顯著，面積＞32 km2的冰川面積變化率平均值為-0.3%；面積介于1 km2和32 km2之間冰川平均面積變化率為-7.7%；面積＜1 km2的冰川面積平均變化率為-11.2%。

從各山系的冰川面積變化速率來看，2008—2018年，岡底斯山地區(qū)的冰川面積以-1.07%·a-1的速度退縮，其次是喜馬拉雅山的面積變化退縮率為-0.79%·a-1；冰川面積退縮速度最慢的是羌塘高原，退縮率為-0.05%·a-1，其次為帕米爾高原，面積變化速率為-0.16%·a-1（圖5）。在流域尺度上，10年間面積變化速率最快的是湄公河（中國境內稱為瀾滄江）流域，達到-1.50%·a-1，面積變化率最慢是青藏高原內流區(qū)，平均為-0.30%·a-1（圖6）。

海拔上，中國西部冰川的面積變化隨海拔升高逐漸趨于穩(wěn)定，但是各區(qū)域內的變化差異顯著（圖7）。在各區(qū)域的低海拔區(qū)，除喀喇昆侖山海拔＜5 000 m面積變化率多數為正值外，其余各山脈冰川變化均表現(xiàn)為劇烈波動退縮；高海拔地區(qū)，所有山系的冰川面積變化率基本趨于平穩(wěn)，變化幅度在±2%之間。

圖7 不同山脈冰川面積及變化率隨海拔變化（阿爾金山并入祁連山、穆斯套嶺并入天山，圖8、圖9作同樣處理）Fig.7 The glacier area and area change rates with the altitude change in different mountains（Altun Mountains was merged into Qilian Mountains，and Mustau Ridge was merged into Tianshan Mountains，and same treatment is done in Fig.8 and Fig.9）

整個坡度帶內各山系之間的冰川面積變化率差異較為明顯?？錾?、昆侖山、羌塘高原與帕米爾4個地區(qū)的冰川面積退縮速率變化穩(wěn)定在±2%之間；天山、喜馬拉雅山與祁連山的冰川面積退縮率隨坡度增大而加快，變化范圍在-5.2%～-1.0%之間；唐古拉山、橫斷山和岡底斯山的冰川面積退縮率在坡度＜30°時呈增大趨勢，坡度＞40°呈減小趨勢；阿爾泰山的冰川面積變化率隨坡度增大而增大，而念青唐古拉山的冰川面積變化率隨坡度增加而減小（圖8）。

圖8 不同山脈冰川面積變化率隨坡度變化Fig.8 The glacier area change rates with the slope change in different mountains

基于坡向統(tǒng)計面積變化率結果（圖9）顯示，大部分山系在正東和東南方向冰川的面積退縮速度較快，正北和西北方向冰川退縮相對緩慢。具體來看，昆侖山與喀喇昆侖山在各坡向面積變化率差異較小，變化穩(wěn)定；祁連山與阿爾泰山地區(qū)冰川變化率在各坡向差異最為明顯，西南和正南方向的面積變化率最大（＞8%），是西北和正北方向變化率（＜4%）的2倍；羌塘高原則在西南方向上面積變化率最大（-1.5%）；岡底斯山地區(qū)在西北方向的面積變化率最大（-8.6%）。

圖9 不同山脈各坡向冰川面積變化率（面積變化率取絕對值）Fig.9 The glacier area change rates at different aspects in different mountains（The area change rate takes the absolute value）

3 討論

3.1 氣候與冰川變化

氣候變化對冰川變化的影響主要體現(xiàn)在氣溫和降水量兩個因素上，氣溫主要影響冰川消融，降水量則一定程度上決定冰川的補給量。對1979—2018年的CMFD數據的分析顯示，中國西部冰川區(qū)的氣溫和降水變化速率差異明顯（圖5～6）。中國西部氣溫總體呈升溫趨勢，平均升溫率為0.014℃·a-1，氣溫上升較快的區(qū)域集中在帕米爾高原、祁連山、岡底斯山和喜馬拉雅山西段等地區(qū)，氣溫下降的區(qū)域主要分布在喀喇昆侖山和昆侖山大部分地區(qū)、天山的西部地區(qū)等［47］。中國西部降水量變化則略微增加，平均為0.0005 mm·a-1，但降水量變化率在各個區(qū)域內也相差較大，其中減少較快區(qū)域是天山東部、祁連山以及唐古拉山北部，而西昆侖山、喀喇昆侖山和喜馬拉雅山西段與東段則降水增加相對較快［47］。10年間，昆侖山和喀喇昆侖山地區(qū)的氣溫持續(xù)降低而降水有所增加，冰川面積退縮速率較慢，分別為-0.28%·a-1、-0.38%·a-1；祁連山和喜馬拉雅山地區(qū)冰川面積變化速率相對較快（分別為-0.56%·a-1、-0.79%·a-1），與該區(qū)域降水量減少而且平均氣溫變化率升高有關。

我國西部的冰川變化差異與印度季風、西風環(huán)流以及青藏高原的垂直環(huán)流等密切相關［33］。近年來，西風環(huán)流的加強，使得喀喇昆侖山、昆侖山和帕米爾高原等區(qū)域冬季降水增多，氣溫降低或上升速度減緩，為區(qū)域內的冰川變化提供了補給［33，47］。結果表明，帕米爾（-0.16%·a-1）、喀喇昆侖山（-0.38%·a-1）和昆侖山（-0.28%·a-1）等區(qū)域的冰川面積退縮速度較之其他區(qū)域（如喜馬拉雅山-0.79%·a-1）相對較慢（圖5）。念青唐古拉山（-0.75%·a-1）和橫斷山（-0.62%·a-1）區(qū)域內的冰川面積退縮較快，與近年來印度季風的減弱、區(qū)域內的降水較少密切相關。青藏高原區(qū)域近年來的降水呈現(xiàn)出自邊緣山地向內陸山區(qū)遞減的規(guī)律，因此，印度季風的減弱對內部區(qū)域的影響更為顯著［40］。尤其在岡底斯山地區(qū)，降水補給增加減少的同時氣溫上升較快，其冰川面積退縮速度最快，約為整個中國冰川平均速度（-0.43%·a-1）的2.5倍［47］。

3.2 地形與冰川變化

地形對冰川的影響主要表現(xiàn)在不同海拔、坡度和坡向等對冰川分布與變化的影響。由于青藏高原區(qū)域氣候要素（如氣溫、降水）的垂直梯度差異較為明顯，加之各山系內冰川分布的海拔不同，使得區(qū)域的熱量和冰川補給量都存在一定差異，所以同一山系內不同海拔帶內的氣候變化對冰川變化的影響程度也不相同［40，47］。以不同海拔面積變化差異較大的念青唐古拉山和帕米爾為例（圖7），念青唐古拉山冰川分布的海拔范圍為3 650～7 150 m，海拔＜5 550 m時，平均面積退縮速率為-21.4%，＞6 200 m時，面積變化率穩(wěn)定在±2%；帕米爾高原冰川面積分布的海拔區(qū)間為2 850～7 600 m，海拔＜3 600 m時，面積變化速率的平均值為-12.0%，＞5 400 m時，平均面積變化速率僅為+0.02%。

坡度對冰川面積變化的影響與冰川的海拔以及自身屬性密切相關。在海拔較低的消融區(qū)，高亞洲冰川消融區(qū)表磧覆蓋的比例平均達30%，對冰川退縮起到了顯著的抑制作用［48］，這些末端被表磧覆蓋的冰川，一般地形平緩，冰川退縮程度很小甚至有所增加，如喀喇昆侖山冰川消融區(qū)表磧覆蓋率達40%［48］，在＜5 000 m時，2008—2018年的面積變化率平均值為+1.0%；隨著坡度增加（多伴隨著海拔升高），面積變化趨于穩(wěn)定或者略有增加。以大型冰川分布較多的喀喇昆侖山為例（圖8），由于冰川末端表磧發(fā)育，冰面相對平緩，在＜10°時，冰川面積變化率在-1.9%以內；在20°～50°坡度范圍面積退縮最快可能與相對表磧覆蓋率低有關；后隨海拔和坡度增大，多為冰川積累區(qū)的面積變化趨于穩(wěn)定。

冰川的朝向通過影響降水量和熱量來影響冰川的面積變化。冰川坡向一定程度上決定了冰川接收的太陽輻射量，當冰川接收到較多的太陽短波輻射時，冰川內部溫度上升較快，從而加速冰川退縮；反之，處于背陰坡或山體陰影區(qū)域內的冰川退縮速度緩慢［49］。中國西部各山脈內基于坡向統(tǒng)計冰川面積變化的結果顯示（圖9），位于正東、正南、西南和東南方向冰川的面積退縮速度較快，尤其在緯度位置較高的阿爾泰山，由于南向較北向接受較多的太陽輻射，其正南方向上面積退縮率最快為-10.9%，而正北方向冰川面積退縮率只有-4.4%。

4 結論

本文基于315景Landsat 8 OLI遙感影像，利用人工目視解譯等方法調查了中國西部冰川分布與變化特征。2018年，中國現(xiàn)存冰川53 238條，總面積為（47 174.21±19.93）km2；冰川在海拔上近似呈正態(tài)分布，占冰川面積總量的90.80%冰川分布在海拔4 200～6 300 m之間；占總面積87.32%的冰川分布在坡度8°～30°之間；在坡向上，正東、東南和正南三個方向的冰川數量和面積分別占總量的45.71%與68.73%；從冰川的山系分布來看，在喀喇昆侖山、喜馬拉雅山、念青唐古拉山、橫斷山、天山和昆侖山等6個地區(qū)，其冰川數量占總冰川數量的78.38%，面積占總冰川面積的81.09%。流域上，內流區(qū)的冰川數量和面積分別占冰川總量的53.37%和65.29%。

2008—2018年，中國冰川面積共減少了1 393.97 km2，平均面積變化速率為-0.43%·a-1。從海拔來看，在低海拔區(qū)，除喀喇昆侖山冰川面積變化率出現(xiàn)正值外，其他山脈冰川變化表現(xiàn)為劇烈波

動退縮；海拔高于6 000 m時，面積變化率基本穩(wěn)定在±2%之間。從各山系的冰川面積變化速率來看，處于青藏高原腹地的岡底斯山受印度季風減弱的影響，氣溫上升速率加快而降水量減少，冰川面積退縮速率平均達到-1.07%·a-1。從冰川的坡度變化看，＜40°時，各區(qū)域的冰川面積退縮率較快，平均值為-3.3%；坡度＞50°時，冰川的面積變化率穩(wěn)定在±1%之間。中國西部冰川區(qū)南向接收的太陽輻射多于北向，總體上位于正東和東南方向的冰川面積平均退縮率快，平均為-5.0%；正北方向的冰川退縮相對緩慢，平均為-3.8%。

致謝：郭小宇、賀廣麗、鄭亞杰、顧菊、冉偉杰、王嘉、張?zhí)氐仍诒恳暯庾g、修訂和檢查工作中付出了辛勤勞動，在此一并表示感謝！