1990–2018 年干城章嘉流域冰川物質(zhì)平衡序列模擬數(shù)據(jù)集

張法剛，魏俊鋒*，劉時(shí)銀，張勇，王欣,3，蔣宗立

1.湖南科技大學(xué)，地球科學(xué)與空間信息工程學(xué)院，湖南湘潭 411201

2.云南大學(xué)，國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院，昆明 650500

3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

引 言

山地冰川是亞洲高山地區(qū)主要河流和干旱區(qū)的重要補(bǔ)給源[1-2]，冰川物質(zhì)變化對(duì)當(dāng)?shù)丶皡^(qū)域水資源安全及生態(tài)環(huán)境具有重要影響[3-4]，冰川快速退縮和變化導(dǎo)致的冰崩、冰湖潰決及次生泥石流等災(zāi)害[5]，也進(jìn)一步危害到下游居民點(diǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施和生命財(cái)產(chǎn)安全[6-8]。而表磧覆蓋和冰湖接觸等不同屬性冰川的物質(zhì)平衡，對(duì)氣候變化也呈現(xiàn)出差異性響應(yīng)特征[9-15]。基于不同時(shí)期多源遙感數(shù)據(jù)的大地測(cè)量法在冰川物質(zhì)平衡研究中得到了廣泛應(yīng)用[16-18]，但數(shù)據(jù)源的時(shí)間尺度限制了日尺度冰川物質(zhì)平衡的獲取[13]。考慮表磧覆蓋的冰川表面能量平衡模型[19]，能反映出精細(xì)時(shí)間尺度下冰川物質(zhì)積累和消融分量，對(duì)高時(shí)空分辨率的冰川物質(zhì)平衡進(jìn)行刻畫，是重建長(zhǎng)時(shí)間序列冰川物質(zhì)平衡的常用方法[10,20-21]。

干城章嘉流域位于喜馬拉雅山中段，發(fā)育冰川種類豐富，2015 年流域內(nèi)共有108 條冰川，跨越5250–7450 m 高程范圍[22]，其中表磧覆蓋冰川5 條，入湖冰川10 條，大規(guī)模冰川（>5 km2）11 條，流域內(nèi)朝南和朝北的冰川分別占冰川總數(shù)的20%和61%（圖1）。最近40a 來流域內(nèi)冰川面積以-0.2%a-1的年平均變化速率減小，年冰川物質(zhì)平衡為-0.315 m w.e.a-1[22]。目前涉及該區(qū)域的冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)集主要反映大時(shí)空尺度的冰川變化特征，例如，Zhao 等[22]、King 等[16]和Brun 等[18]的研究成果均只給出年時(shí)間尺度的冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)，Gardelle 等[23]僅估算了研究流域所在的喜馬拉雅山脈地區(qū)2000–2010 年的冰川物質(zhì)變化特征。而精確的冰川歷史變化特征分析和未來狀態(tài)預(yù)測(cè)，以及冰川崩解和冰湖潰決等冰川災(zāi)害機(jī)理研究，需要更為精細(xì)化的單條冰川日尺度的物質(zhì)平衡序列作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)集采用冰川表面能量平衡模型，對(duì)干城章嘉流域1990–2018 年的冰川尺度日物質(zhì)平衡狀態(tài)進(jìn)行估算，并給出不同高程帶的冰川物質(zhì)積累和消融特征。本數(shù)據(jù)集將為喜馬拉雅山地區(qū)氣候變化影響下的冰川動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征研究、冰川災(zāi)害機(jī)理及預(yù)測(cè)研究，提供豐富和重要的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 研究區(qū)示意圖Figure 1 Schematic map of the study area

1 數(shù)據(jù)源與處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本數(shù)據(jù)集采用冰川表面能量平衡模型，對(duì)干城章嘉流域1990–2018 年的冰川物質(zhì)平衡序列進(jìn)行重建。其中，模型氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包括日均氣溫、日降水、日均相對(duì)濕度、日均風(fēng)速等參數(shù)。1990–2018年的日均氣溫和日降水獲取自中國(guó)氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集（China Meteorological Forcing Dataset, CMFD）[24]，日均相對(duì)濕度基于CMFD 數(shù)據(jù)的氣壓和比濕，采用Bolton[25]提出的方法計(jì)算。氣象校正參數(shù)包括龍巴薩巴氣象站（27°57′17″N, 88°04′55″E, 5500 m a.s.l.）獲取的日均氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速（2013–2018 年），以及中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）中定日國(guó)家氣象站（28°38′N, 87°05′E,4300 m a.s.l.）數(shù)據(jù)中的月降水量。冰川及表磧范圍基于1990–2018 年的Landsat TM/ETM+/OLI 影像提取，其中表磧厚度基于2002 年的ASTER （Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer）多光譜影像提取的熱阻系數(shù)予以表征[26]。流域冰川高程帶基于30 m 空間分辨率的SRTM DEM （Shuttle Radar Topography Mission Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，冰川物質(zhì)平衡模擬結(jié)果采用高山亞洲地區(qū)冰川厚度變化格網(wǎng)數(shù)據(jù)集（HMA_Glacier_dH）進(jìn)行檢校[10,27]。另外，反映冰川表面運(yùn)動(dòng)特征的年均流速提取自ITS_LIVE （Inter-mission time series of land ice velocity and elevation）數(shù)據(jù)集。本數(shù)據(jù)集獲取過程中所用到主要數(shù)據(jù)源的相關(guān)信息見表1。

1.2 氣象數(shù)據(jù)校正

基于2013–2018 年龍巴薩巴氣象站和CMFD 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)格網(wǎng)處的日均溫，建立線性擬合公式，進(jìn)而對(duì)1990–2018 年CMFD 數(shù)據(jù)的日均溫進(jìn)行校正。由于龍巴薩巴氣象站無日尺度降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此采用定日國(guó)家氣象站的降水觀測(cè)數(shù)據(jù)（1990–2018 年），基于月降水線性相關(guān)關(guān)系，對(duì)CMFD 數(shù)據(jù)的月降水進(jìn)行校正，并在保證校正后月降水量一定且日降水量不小于零的情況，將校正值依據(jù)日降水規(guī)模分配到日降水量中。通過對(duì)比分析2013–2018 年日均相對(duì)濕度計(jì)算值與龍巴薩巴自動(dòng)氣象站觀測(cè)值，建立線性擬合公式并對(duì)1990–2018 年的日均相對(duì)濕度計(jì)算值進(jìn)行校正。由于冰川表面風(fēng)速與物質(zhì)平衡相關(guān)性較弱[10]，因此本研究基于2013–2018 年龍巴薩巴氣象站數(shù)據(jù)中的日均風(fēng)速，計(jì)算日多年平均值，并作為1990–2018 年的模型日均風(fēng)速輸入?yún)?shù)。

1.3 冰川物質(zhì)平衡估算

定義前一年的10 月1 日至當(dāng)年的9 月30 日為一個(gè)物質(zhì)平衡年，在校正后的氣象要素驅(qū)動(dòng)下，采用冰川表面能量平衡模型[19]，計(jì)算單條冰川和整個(gè)流域的冰川物質(zhì)平衡量，并在CMFD 格網(wǎng)內(nèi)采用冰川表面高程變化率對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，最后計(jì)算所有冰川及整個(gè)流域的物質(zhì)平衡量（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Figure 2 Flow chart of data processing

根據(jù)SRTM DEM 數(shù)據(jù)將流域內(nèi)冰川分割為間隔100 m 的高程帶，分別計(jì)算不同高程帶內(nèi)裸冰區(qū)（公式1）和表磧覆蓋區(qū)（公式2 和公式3）的冰川表面物質(zhì)變化：

高程帶內(nèi)表面物質(zhì)平衡為物質(zhì)消融分量和積累分量的矢量和，所有高程帶的面積加權(quán)平均值即為冰川物質(zhì)平衡。CMFD 數(shù)據(jù)格網(wǎng)和整個(gè)流域的平均冰川物質(zhì)平衡，為對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)所有冰川表面物質(zhì)平衡的面積加權(quán)平均值。基于HMA_Glacier_dH 數(shù)據(jù)集[27]，計(jì)算流域內(nèi)21 條典型冰川1975–2000年和2000–2016 年的表面平均高程變化（圖1），并結(jié)合冰-水轉(zhuǎn)換參數(shù)（850±60 kg m-3）[28]，估算CMFD 格網(wǎng)內(nèi)冰川平均物質(zhì)平衡，通過其與對(duì)應(yīng)時(shí)段模型估算的平均冰川物質(zhì)平衡結(jié)果對(duì)比，率定適用于該CMFD 格網(wǎng)范圍的模型參數(shù)化方案，最后采用率定參數(shù)對(duì)日尺度的冰川物質(zhì)平衡結(jié)果進(jìn)行估算。干城章嘉流域內(nèi)有2 個(gè)CMFD 格網(wǎng)無HMA_Glacier_dH 數(shù)據(jù)分布，則估算模型采用鄰近CMFD格網(wǎng)的率定參數(shù)。

為了反映干城章嘉流域冰川物質(zhì)遷移與再分配特征，本研究基于ITS_LIVE 數(shù)據(jù)集和SRTM DEM 獲取的100 m 間隔高程帶，提取1989–2018 年冰川年均流速及其在不同海拔的分布特征。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)圖形樣本

干城章嘉流域1990–2018 年冰川平均物質(zhì)平衡為-0.37 m w.e.a-1，且呈加速消融的趨勢(shì)（圖3），其中2000 年之前和之后的冰川平均物質(zhì)平衡分別為-0.25 m w.e.a-1和-0.43 m w.e.a-1。研究表明，在夏季流域相同高程帶內(nèi)冰川表磧覆蓋區(qū)比裸冰區(qū)消融更強(qiáng)烈，且消融期普遍更早出現(xiàn)；然而該流域最大的表磧覆蓋型冰川——龍巴薩巴冰川（G088108E27905N）在高海拔地區(qū)是否存在表磧覆蓋對(duì)物質(zhì)消融速率的影響較小。

圖3 干城章嘉流域1990–2018 年冰川物質(zhì)平衡與表面流速Figure 3 Glacier mass balance and surface velocity in the Kanchenjunga Basin from 1990 to 2018

流域內(nèi)冰川的多年平均流速為2.88 m a-1，并呈現(xiàn)流動(dòng)減緩趨勢(shì)（圖3），且所有冰川在1996 年都出現(xiàn)較大的表面流速，且其中96%的冰川表面流速超過5 m a-1，導(dǎo)致1996 年流域冰川平均表面流速高達(dá)5.33 m a-1，較流域多年平均流速大85%。

2.2 物質(zhì)平衡序列數(shù)據(jù)

干城章嘉流域冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)集，包括1990–2018 年不同高程帶內(nèi)的冰川面積、表面物質(zhì)平衡、 物質(zhì)消融分量和物質(zhì)積累分量等信息。 數(shù)據(jù)以 txt 格式存儲(chǔ)、 命名為GXXXXXXEYYYYYN_HHHH_Debris 或 GXXXXXXEYYYYYN_HHHH_DebrisFree 。 其 中GXXXXXXEYYYYYN 為中國(guó)第二次冰川編目數(shù)據(jù)集（v1.0）﹝The second glacial catalogue data set of China (v1.0)﹞[29]的冰川編號(hào)（ID），HHHH 為基于SRTM DEM 劃分的高程帶，Debris/DebrisFree表示該高程帶內(nèi)表磧覆蓋區(qū)/裸冰區(qū)的冰川物質(zhì)平衡結(jié)果。例如G087887E27925N_5250_Debris.txt 代表G087887E27925N 冰川5250 米高程帶表磧覆蓋區(qū)的物質(zhì)平衡估算結(jié)果。文件中屬性及單位信息如表2 所示。

表2 干城章嘉流域冰川物質(zhì)變化序列屬性表Table 2 Attributes of glacier mass change sequences in the Kanchenjunga Basin

本數(shù)據(jù)集的冰川命名（ID）對(duì)應(yīng)于中國(guó)第二次冰川編目數(shù)據(jù)集[29]，該數(shù)據(jù)集影像主要拍攝于20 00–2005 年，其中有部分冰川是由本數(shù)據(jù)集早期單條冰川分裂而成。為了冰川名稱的統(tǒng)一，將一組分裂冰川中面積相對(duì)較大冰川的ID 作為分裂前本數(shù)據(jù)集的冰川名稱。數(shù)據(jù)集中涉及的分裂冰川包括6組共計(jì)12 條，分別為 “G088116E28009N/G088124E28015N”“G088132E27989N/G088146E27980 N”“G088047E27929N/G088043E27926N”“G088046E27918N/G088041E27923N”“G088077E279 23N/G088074E27926N”和“G088081E27914N/G088076E27918N”，其中“/”之前為分裂后面積較大的冰川。例如，1990 年冰川G088046E27918N，在2006 年分裂成G088046E27918N 和G088041E 27923N 兩條冰川，其中前者的面積（0.07 km2）大于后者（0.04 km2）。干城章嘉流域物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)展示如圖3。

2.3 冰川高程帶流速數(shù)據(jù)

干城章嘉流域冰川高程帶流速數(shù)據(jù)集，即1989–2018 年ITS_LIVE 冰川表面流速數(shù)據(jù)。流速數(shù)據(jù)中的冰川名稱與物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)集中的冰川 ID 一致，數(shù)據(jù)文件以.csv 格式存儲(chǔ)，命名為GXXXXXXEYYYYYN.csv。其中GXXXXXXEYYYYYN 為冰川ID。文件屬性表中Elev 為冰川高程帶信息（單位：m），其后數(shù)值為對(duì)應(yīng)高程帶的冰川年均表面流速（單位：m a-1），Average 后為整條冰川的年平均表面流速（單位：m a-1）。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

本研究利用龍巴薩巴氣象站獲取的氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)以及定日氣象站獲取的降水?dāng)?shù)據(jù)，分別對(duì)CMFD 氣象要素及其相對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)之間進(jìn)行線性回歸校正（表3）。其中CMFD 氣溫與實(shí)測(cè)氣溫的擬合性非常好，相關(guān)系數(shù)r=0.93，校正后RMSE 為2.13 ℃。龍巴薩巴氣象站實(shí)測(cè)的相對(duì)濕度與利用CMFD 計(jì)算的相對(duì)濕度也表現(xiàn)出了較好的一致性，相關(guān)系數(shù)r=0.83，校正后RMSE為12.28%。定日氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)在月尺度上對(duì)CMFD 降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸校正，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98，校正后RMSE 為10.20 mm。經(jīng)過上述分析，本研究CMFD 數(shù)據(jù)經(jīng)校正后，可作為冰川表面能量平衡模型的氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。

表3 觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)與CMFD 數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性和線性回歸方程Table 3 Correlation and linear regression equations between in-situ and CMFD data

本研究的冰川物質(zhì)平衡估算結(jié)果，與其他學(xué)者的研究成果進(jìn)行對(duì)比了驗(yàn)證（圖4）。2000 年之前本研究估算的冰川平均物質(zhì)平衡為-0.25 m w.e.a-1（1990–2000），與King 等[16]和Zhou 等[30]的研究結(jié)果相當(dāng)（分別為-0.29 m w.e.a-1和-0.30 m w.e.a-1，1974/1975–2000），但較Zhao 等[22]的研究成果（-0.38 m w.e.a-1，1975–2000）存在超過50%的差異。2000 年之后該流域不同研究估算的冰川物質(zhì)平衡差異較大，其中2000–2015/2016 年本研究獲得了最為快速的冰川物質(zhì)損失速率結(jié)果（-0.46 m w.e.a-1），而Zhao 等[22]認(rèn)為該流域的冰川處于輕微負(fù)物質(zhì)平衡狀態(tài)（-0.13 m w.e.a-1），物質(zhì)損失速率僅為King 等[16]（-0.37 m w.e.a-1）估算結(jié)果的～1/3。Gardelle 等[23]和Brun 等[18]獲取的冰川物質(zhì)平衡結(jié)果較為一致，其中前者為-0.26 m w.e.a-1（1999–2011），后者年代加權(quán)平均后為-0.27 m w.e.a-1（2000–2016）。Lamsal 等[31]基于流域部分冰川的研究結(jié)果認(rèn)為，研究區(qū)內(nèi)冰川以較小速率進(jìn)行物質(zhì)損失（-0.18 m w.e.a-1，1975–2010），該結(jié)果僅為本研究相應(yīng)時(shí)期（1990–2010）物質(zhì)平衡估算值的40%。

圖4 干城章嘉流域冰川物質(zhì)平衡不同研究結(jié)果對(duì)比Figure 4 Comparison of different research results of glacier mass balance in the Kanchenjunga Basin

基于短時(shí)間內(nèi)非冰川區(qū)地形保持穩(wěn)定的假設(shè)，可利用非冰川區(qū)的表面流動(dòng)特征評(píng)估冰川表面流速估算結(jié)果的精度[32-33]。在干城章嘉流域北部非冰川區(qū)選定一定范圍的相對(duì)平坦區(qū)域以排除特征追蹤算法中噪聲的影響，通過計(jì)算相對(duì)位移量，得到ITS_LIVE 數(shù)據(jù)估算冰川表面流速的誤差為1.34 m a-1。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

冰川/氣候關(guān)系的物理基礎(chǔ)可以通過研究冰川物質(zhì)平衡來理解。在青藏高原地區(qū)，只有少數(shù)日尺度冰川表面物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)可用，干城章嘉流域冰川動(dòng)力學(xué)的探索也較少。本冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)集反映了流域內(nèi)高程、表磧覆蓋等因素對(duì)冰川日尺度物質(zhì)積累與消融分量的影響，揭示了喜馬拉雅山中部地區(qū)不同類型冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征；冰川表面流速數(shù)據(jù)及其在高程帶上的分布特征，反映了冰川運(yùn)動(dòng)過程及變化，通過結(jié)合氣候和水文等信息，可進(jìn)一步揭示區(qū)域氣候變化對(duì)冰川動(dòng)力學(xué)的影響以及冰川物質(zhì)遷移與再分配和物質(zhì)損失之間的關(guān)系，為評(píng)估青藏高原地區(qū)冰川變化的水資源效應(yīng)和氣候效應(yīng)等研究奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

1990–2018 年干城章嘉流域冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)集存儲(chǔ)格式為txt，冰川表面流速數(shù)據(jù)集存儲(chǔ)格式為csv，均可在常用的辦公軟件（MS Office 和WPS 等）中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、編輯、查看、統(tǒng)計(jì)等操作。本數(shù)據(jù)集反映了干城章嘉流域冰川在氣候變化背景下的變化特征，可為獨(dú)特的冰川物質(zhì)變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)等研究，提供參考數(shù)據(jù)以及模擬結(jié)果驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

張法剛（1997—），男，山東省青島市人，碩士研究生，研究方向?yàn)楸ㄎ镔|(zhì)平衡。主要承擔(dān)工作：流域物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)處理與冰川表面流速數(shù)據(jù)整理，文章撰寫。

魏俊鋒（1985—），男，湖北省天門市人，博士，講師，研究方向?yàn)楸鶅鋈b感和冰川災(zāi)害。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理流程的設(shè)計(jì)，流域物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)獲取與整理，以及文章撰寫。

劉時(shí)銀（1963—），男，河南省信陽市人，博士，研究員，研究方向?yàn)楸ㄗ兓?。主要承?dān)工作：處理流程的設(shè)計(jì)。

張勇（1979—），男，山東省滕州市人，博士，教授，研究方向?yàn)槿蜃兓c地理環(huán)境遙感。主要承擔(dān)工作：冰川物質(zhì)平衡模型設(shè)計(jì)與指導(dǎo)。

王欣（1973—），男，湖南省耒陽市人，博士，教授，研究方向?yàn)楸鶅鋈b感、寒區(qū)水文與災(zāi)害。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)。

蔣宗立（1975—），男，湖南省瀘溪縣人，博士,教授，研究方向?yàn)楸ㄟb感。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。