1987至2021年天山博格達峰地區(qū)冰川面積變化特征

馮雪梅 武紅旗 胡貴鋒 范燕敏 谷海斌

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 新疆烏魯木齊 830052)

冰川在氣候系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是全球氣候變化最快速、最顯著的指標(biāo)和指示器，尤其是對于內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)而言，冰川消融補給是維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會發(fā)展的重要資源[1]。博格達峰作為東天山的第一高峰，是最早引起中外學(xué)者注意并進行考察的冰雪區(qū)之一。同時，其冰川融水是白羊河流域、吐魯番—哈密盆地和柴窩堡盆的重要補給水源。

在冰川變化的研究中，冰川面積是主要的表現(xiàn)因素，而面積變化是冰川變化最直接的反映，也是最容易觀測的參數(shù)之一。天山博格達峰冰川面積變化現(xiàn)有研究中，監(jiān)測時間序列不夠密集，在做長時序分析時所用數(shù)據(jù)僅為少量的幾期數(shù)據(jù)，冰川的長時序變化分析的精度和意義因此而受限。該文以東天山博格達峰地區(qū)為研究區(qū)，利用1987—2021年美國陸地衛(wèi)星（Landsat）系列數(shù)據(jù)，逐年提取夏季（7～9月）冰川面積，探討近35年博格達峰冰川面積時空變化特征，以期為該區(qū)域的水資源利用和自然災(zāi)害的預(yù)防提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

博格達峰（88°03'～88°30'E、43°40'～43°55'N）位于新疆維吾爾自治區(qū)阜康市境內(nèi)，是中國天山的第一高峰，海拔5 445 m，聳立于中國天山東段博格達山的西端[3]，如圖1所示。兩側(cè)盆地冬季受強大的內(nèi)蒙古冷高壓控制，寒冷而干燥，峰頂溫度常年處于冰點以下，屬于典型的中緯西風(fēng)帶大陸型氣候[2-3]。

圖1 博格達峰地區(qū)冰川地理分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

該文使用的Landsat系列數(shù)據(jù)包括Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI兩種數(shù)據(jù)，均來自PIE—Engine遙感云計算平臺。Landsat 5 TM 傳感器和Landsat 8 OLI 傳感器中的短波紅外SWIR波段和綠光GREEN波段的光譜特征適宜于冰川監(jiān)測。為消除季節(jié)性積雪覆蓋以及云的影響，該研究選取每年7～9 月的無云Landsat 影像進行冰川提取研究。

中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)集（V1.0）來源于國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心，基于第二次中國編目中所用方法獲取的冰川邊界能夠滿足各行各業(yè)對冰川編目數(shù)據(jù)的精度要求[4-5]。

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）來源于地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30 m。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）。

1.3 研究方法

1.3.1 歸一化雪蓋指數(shù)

冰川由于其表面光滑，在可見光波段反射能力極強，常形成圖像高亮區(qū)，并且在可見光波段，冰川的反照率也非常高。歸一化雪蓋指數(shù)（Normalized Difference Snow Index，NDSI）利用冰川在SWIR 波段有強烈的吸收特性，在可見光Green波段有強的反射特性，將遙感影像中的Green 波段和SWIR 波段的反射率進行歸一化處理，能很好地區(qū)分冰川與云及其他背景信息，被廣泛用于冰川提取研究[6-7]。其具體計算公式為

式（1）中，BGreen、BSWIR分別對應(yīng)Landsat-5和Landsat-7的第2波段和第5波段、Landsat-8第3波段和第6波段的反射率。

僅憑NDSI進行冰川判別，一些暗色目標(biāo)（如陰影、水體等）會被誤判為冰川，考慮水體在近紅外波段幾乎全吸收的特點，因此加入近紅外波段以消除水體等的影響。

1.3.2 冰川面積變化率

冰川面積變化速率（Percentages of Area Changes，PAC）表示一個時間段內(nèi)冰川面積變化量與初始年冰川面積的比值；冰川面積平均變化率（Annual Percentages of Area Changes，APAC）是一種評價冰川面積變化程度的常見指標(biāo)，可以較好地將不同時間尺度的冰川變化研究結(jié)果進行統(tǒng)一比較，公式如下[7-8]。

式（2）、式（3）中，ΔSn為冰川變化面積，單位：km2；S0為初始狀態(tài)下冰川面積，單位：km2；n為研究時段的年限，單位：a。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDSI閾值選取與精度驗證

基于NDSI進行冰川面積提取，提取閾值選取決定提取的最終精度。已有研究表明，不同地區(qū)提取冰川面積的NDSI 閾值不同[9-10]。該研究基于Landsat 數(shù)據(jù)構(gòu)建NDSI指數(shù)，以0.01為步長選取最佳閾值并進行驗證，最終選擇當(dāng)NDSI 閾值為0.38 時提取效果最好，精度最高，同時選擇近紅外波段閾值為0.15，以消除水體的影響。將所構(gòu)建提取方法得到的冰川提取結(jié)果和冰川圖數(shù)據(jù)進行分析驗證，提取結(jié)果r為0.99，RMSE為79.32 km2，表明提取結(jié)果和冰川圖結(jié)果較為吻合，提取精度較高，如圖2所示。

圖2 冰川面積提取數(shù)據(jù)和冰川編目數(shù)據(jù)精度驗證

2.2 博格達峰區(qū)域冰川面積時空變化分析

1987—2021 年博格達峰冰川年際面積整體呈現(xiàn)波動退縮趨勢，最大值為1989年281.71 km2，最小值為2020 年52.40 km2，退縮速度為2.76 km2/a，年均退縮率為1.26%，近35 年平均面積為134.45 km2。僅對比博格達峰2021 年與1987 年冰川面積，冰川面積減少95.21 km2，退縮44.02%。博格達峰冰川面積年際變化存在2001 年和2008 年兩個轉(zhuǎn)折年份，使得整體呈現(xiàn)“退縮—增長—退縮”特征，如圖3所示。

圖3 1987—2021年博格達峰冰川面積變化

以300 m為海拔梯度統(tǒng)計分析博格達峰冰川分布海拔特征發(fā)現(xiàn)，1987—2021 年博格達峰冰川主要分布于3 500 m 以上范圍，3 500 m 以下有少量冰川分布。博格達峰冰川退縮呈現(xiàn)海拔越低冰川退縮的幅度越大的特征，2021 年3 500 m 以下冰川面積相較于1987 年退縮了83.3%，表明低海拔區(qū)域冰川對氣候變化十分敏感，如表1所示。

表1 1987—2021年博格達峰地區(qū)冰川海拔變化

通過疊加不同時期博格達峰冰川空間分布圖發(fā)現(xiàn)，1987—2021年博格達峰冰川空間退縮顯著，退縮主要出現(xiàn)在北部和山谷北部區(qū)域。通過分析發(fā)現(xiàn)，北部相較于南部退縮幅度大的主要原因為，北部冰川最低海拔處于3 500～3 600 m，而南部冰川最低海拔大都高于4 100 m，結(jié)合前文研究結(jié)論，低海拔區(qū)域冰川更容易受到氣候變化的影響，因此北部冰川退縮幅度遠大于南部，具體如圖4所示。

圖4 1987—2021年博格達峰冰川面積空間變化

博格達峰冰川主要積累在北坡，多年平均占比為23.34%，其次為西北坡為16.10%，東坡面積占比最低為8.23%。從冰川坡向分布年際變化可得，博格達峰冰川面積在東南坡、東坡、南坡、西南坡和西坡都呈現(xiàn)不同程度的退縮，多年占比分別降低3.28%、2.00%、1.90%、0.41%、0.37%，其中東南坡向冰川退縮最為顯著，如圖5所示。博格達峰屬于天山山脈，北坡和西坡是迎風(fēng)坡，降水相對較多[2,11]，因此在整體氣溫升高的情況下，北坡和西坡有降雨帶來的冰川累積補充，而南坡和東坡為背風(fēng)坡，在降水較少和氣溫升高的雙重作用下，退縮幅度較大。

圖5 1987—2021年博格達峰不同坡向冰川面積

3 討論

眾多學(xué)者對遙感影像提取冰川面積方法做了大量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NDSI 需要設(shè)定合理的閾值，具有提取方便，獲取信息快速，精確度較高等優(yōu)點，但因為水體和冰川具有類似的光譜特征所以難以有效區(qū)分[12-13]。該文基于Landsat 數(shù)據(jù)構(gòu)建NDSI 指數(shù)，以0.01 為步長選取最佳閾值并進行驗證，最終選擇當(dāng)NDSI 閾值為0.38時提取效果最好，精度最高，同時選擇近紅外波段閾值為0.15，以消除水體的影響。經(jīng)驗證，該研究能準(zhǔn)確反映實際冰川情況，能較好地區(qū)分出水體和冰川。

結(jié)合前人已有研究，1972—1990 年博格達峰地區(qū)冰川面積年退縮率為0.44%、1991—2013 年退縮率為0.78%[14]，1990—2016 年冰川面積退縮20.07%[3]；該研究1987—2021 年博格達峰地區(qū)冰川面積年均退縮率為1.26%，退縮44.02%。LIU C 等人的研究表明，20 世紀(jì)90 年代之后氣溫迅速上升，冰川退縮幅度大，且呈現(xiàn)加速消融的態(tài)勢[15]，該研究數(shù)據(jù)至2021 年，因此該研究年均退縮率較高，符合前人研究規(guī)律。

相比前人研究，該研究對1987—2021年天山博格達峰地區(qū)冰川面積進行了逐年提取，一定程度上提升了天山博格達峰地區(qū)冰川監(jiān)測的現(xiàn)勢性和時空連續(xù)性，冰川的長時序變化分析的精度和意義得到提升。但該研究采用的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，在博格達峰區(qū)域時空連續(xù)性依然不足，存在個別年份數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，因此后續(xù)將從多源遙感數(shù)據(jù)的角度，進一步提升遙感監(jiān)測的時空連續(xù)性，并以更精確的結(jié)果嘗試探索冰川面積變化與氣候間的響應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié)論

該文基于1987—2021 年Landsat5 TM 和Landsat8 OLI遙感影像，通過NDSI方法，逐年提取了天山博格達峰區(qū)域長時間序列冰川面積數(shù)據(jù)，分析了其時空變化特征。得出以下結(jié)論。

（1）天山博格達峰區(qū)域冰川NDSI最優(yōu)提取閾值為0.38，近紅外波段閾值為0.15，提取結(jié)果相關(guān)系數(shù)達到0.99，提取方法可以較好地進行博格達峰區(qū)域冰川的提取研究。

（2）1987—2021 年天山博格達峰地區(qū)冰川面積整體呈退縮趨勢，由1987 年216.30 km2退縮至2021 年121.09 km2，年均退縮率為1.26%，冰川消融現(xiàn)狀不容樂觀。以2001年和2008年為折點，博格達峰地區(qū)冰川面積呈現(xiàn)“退縮—增長—退縮”特征，1987—2001 年、2008—2021年冰川退縮，年均退縮速率分別為4.25%、3.36%；2001—2008年冰川積累，年均增幅23.98%。

（3）1987—2021 年博格達峰冰川空間分布上退縮顯著，主要出現(xiàn)在北部區(qū)域。冰川主體分布于3 500 m以上范圍，3 500 m 以下的小規(guī)模冰川主要在北部，且近35 年退縮83.3%，表明低海拔區(qū)域冰川更容易受到氣候變化的影響。1987—2021年博格達峰冰川坡向上主要積累在北坡，多年平均占比為23.34%，主要在東南坡向退縮，主要原因為東南坡為背風(fēng)坡，在降水較少和氣溫升高的雙重作用下，退縮明顯。