基于GIS和RS的中亞阿拉套山脈近22年來冰川變化

何 毅，楊太保，杜 鵑，田洪陣

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 冰川與生態(tài)地理研究所，蘭州730000）

由于冰川波動對氣候變化的反應(yīng)敏感［1］，冰川監(jiān)測已經(jīng)成為全球氣候檢測系統(tǒng)的一個重要組成部分［2］。近幾十年來在氣候變暖的影響下，冰川處于持續(xù)的負(fù)物質(zhì)平衡而不斷退縮［3－4］。氣候情景預(yù)測表明，未來氣候變暖將進(jìn)一步導(dǎo)致冰川消退［5－7］，從而引起冰湖潰決［8］。因此研究冰川變化的狀態(tài)對相關(guān)地區(qū)的長期規(guī)劃、資源管理與災(zāi)害預(yù)防具有重要的意義。

20世紀(jì)70年代以來，遙感開始作為一種重要的手段來研究冰川的性質(zhì)和特征、監(jiān)測冰川的動態(tài)變化等［9－11］。冰川學(xué)家對西部大部分地區(qū)的冰川進(jìn)行了研究，如冷龍嶺［12］、西藏林芝［13］等地區(qū)，這些研究表明，冰川基本上都處于不斷退縮中，但是對于阿拉套山地區(qū)的研究卻比較少。本文以阿拉套山地區(qū)現(xiàn)代冰川為研究對象，利用Landsat TM／ETM＋影像并結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，對該地區(qū)冰川變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合所觀測數(shù)據(jù)探討該區(qū)冰川的變化情況。

1 實驗材料與方法

阿拉套山屬于天山山系，位于新疆博爾塔拉蒙古自治州的北部（東經(jīng)79°30′—81°45′，北緯44°40′—45°20′）。山脈近東西走向，其北坡為哈薩克斯坦共和國。研究區(qū)位于鞏乃斯板塊的東北邊緣，鞏乃斯板塊與其東北的準(zhǔn)噶爾板塊在本區(qū)以艾比湖斷裂為界，板塊邊界在艾比湖附近呈北西—南東走向，在艾比湖以北的哈薩克斯坦共和國境內(nèi)（圖1）。

圖1 研究區(qū)地理位置及冰川分布

1．1 氣象數(shù)據(jù)

本研究采用的年均降水量數(shù)據(jù)和年均氣溫數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：∥cdc．cma．gov．cn／）的中國地面氣候資料年值數(shù)據(jù)集。由于阿拉套山地區(qū)沒有氣象站點，本文采用阿拉套山附近溫泉和阿拉山氣象站點1980—2010年的氣象觀測資料用于分析。

1．2 影像數(shù)據(jù)

本文所使用的TM／ETM＋遙感影像數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局 USGS（glovis．usgs．gov）的陸地衛(wèi)星。下載數(shù)據(jù)為NASA和USGS發(fā)布的Level 1T級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品經(jīng)過了系統(tǒng)輻射校正和地面控制點幾何校正，并且利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了地形校正。影像選取的時間間隔為10a左右，以減少不同時期冰川變化所造成的誤差。同期的遙感資料盡量選用相近時段的數(shù)據(jù)。為了減少積雪對冰川邊界提取的影響，選取夏季獲取的少云或者無云的影像（表1）。

表1 影像數(shù)據(jù)信息

1．3 冰川提取方法

本文采用比值閾值法（b3／b5）提取冰川邊界。比值閾值法相對于人工解譯，是一種穩(wěn)定和省時的方法，能夠區(qū)分積雪和陰影中的冰。TM3／TM5［14－15］在處理陰影和陰影處的殘骸覆蓋物時比TM4／TM5優(yōu)越。具體做法是先使用ENVI軟件把同一景數(shù)據(jù)不同波段的數(shù)據(jù)合成一個文件，然后用合成的影像計算TM3／TM5，得出比值影像后，再利用決策樹進(jìn)行分類。通過多次試驗，將閾值設(shè)為2．3時提取的冰川邊界最好。得到初步結(jié)果后，轉(zhuǎn)換成shape格式。再在ArcGIS中將其轉(zhuǎn)換成Albers投影，最后對3期冰川進(jìn)行目視解譯，利用ArcGIS進(jìn)行面積變化分析。幾條典型冰川變化如圖2所示。

圖2 不同時期典型冰川示意圖

2 結(jié)果與分析

2．1 不同時期冰川面積變化

阿拉套山地區(qū)1990年冰川總面積為680．73 km2，到2011年減少為542．96km2。一部分冰川在退縮的過程中分解成小冰川。

圖3a反映出1999—2011年研究區(qū)冰川的年均退縮率明顯高于1990—1999年，也高于1990—2011年的年均退縮率，表明近10a阿拉套山地區(qū)冰川退縮有加快趨勢。圖3b顯示出1990—2011年冰川總面積減少了137．77km2，面積變化率為－20．24%。

2．2 不同朝向冰川面積變化

統(tǒng)計了1990年、1999年和2011年冰川總面積在各個朝向的分布，從朝向分布玫瑰圖（圖4）可見，朝向偏N的冰川在面積上占有明顯優(yōu)勢，朝向偏S的冰川只占朝向偏北的1／6。這是由于山脈北坡受太陽輻射較弱，更利于冰川積累、發(fā)育。從東坡和西坡來看，朝向偏E的冰川多于朝向偏W的冰川，這可能是因為受偏東氣流影響較大。綜合多個因素來看，在各個朝向中，朝向為N的冰川最多，規(guī)模也偏大。

圖3 1990－2011年冰川總面積分布及變化

從冰川面積變化率來看（1990—2011年），阿拉套山現(xiàn)代冰川各坡向冰川面積都在減少。但減少的程度并不相同，如圖5所示，偏西（W、SW、NW）冰川面積退縮較快，其中正 W冰川面積退縮最大，達(dá)到

圖4 1990年、1999年和2011年各朝向冰川面積（km2）

2．3 不同高程冰川面積變化

根據(jù)研究區(qū)1∶5萬DEM，以200m為分類間距將該地區(qū)冰川分布的范圍按高程分為8個梯度，并對這些梯度上的面積進(jìn)行了統(tǒng)計（圖6）。結(jié)果表明，冰川面積分布隨海拔的升高先呈增加趨勢，至3 600～3 800m達(dá)到最大后又呈減少趨勢。分布在3 200～4 200m這5個梯度的冰川面積為663．7km2，占總面積的97．5%；而分布在3 200m 以下和4 200m 以上的冰川僅占總面積的2．5%。冰川的這種分布反映了降水和地勢對冰川發(fā)育的綜合作用，即隨著地勢30．96%，SE次之，為27．85%。正N冰川分布最多，但是冰川面積退縮率最小，為15．3%。這可能是由偏北坡受到太陽輻射較弱，受氣流影響較大，而偏西坡受到太陽輻射較強(qiáng)，并且冰川規(guī)模較小造成的。的升高，液態(tài)降水逐步轉(zhuǎn)化為固態(tài)降水，積累變大，物質(zhì)平衡變大，因此在山腰至山脊處發(fā)育冰川［16］。

圖5 各朝向冰川面積退縮速率

統(tǒng)計1990—2011年前述8個海拔梯度上的冰川面積變化率（圖6）可知，冰川面積退縮率隨著海拔的升高而減小。主要的冰川消融發(fā)生在海拔4 000m以下的5個梯度，面積減少共計136．74km2，占冰川面積減少總量的99．35%；而海拔4 000m以上的3個梯度面積僅減少0．89km2，占冰川面積減少總量的0．65%。這與納木那尼［14］等地高海拔出現(xiàn)冰川消融的結(jié)果相一致，表明升溫迫使冰川消融面積增大和雪線升高。

圖6 1990年、1999年和2011年各高程梯度的冰川面積及面積變化率

3 討 論

由于研究區(qū)內(nèi)沒有氣象站點，本文采用阿拉套山地區(qū)附近的溫泉和阿拉山氣象站1980—2011年氣象觀測資料進(jìn)行了分析（圖7）。兩站1980—2010年溫度持續(xù)升高，溫泉站增溫率為0．5℃／10a，阿拉山站增溫率為0．35℃／10a。同時，這一期間兩站的降水量略增，溫泉站增長率為22．1mm／10a，阿拉山站增長率為8．9mm／10a。

冰川變化對溫度和降水最為敏感［17］。通常情況下，溫度在氣候變化過程中對冰川物質(zhì)平衡起主導(dǎo)作用，一方面表現(xiàn)在溫度每升高1℃需要降水增加25%［18］或者35%［19］才能彌補(bǔ)由于升溫所引起的冰川消融；另一方面溫度升高還可以使降水中的雨雪比例變化及冰川表面融雪過程增強(qiáng)［20］，從而降低反照率并暴露更多的冰而促進(jìn)消融。據(jù)研究［21－22］，20世紀(jì)70—80年代為冰川穩(wěn)定或者出現(xiàn)小的前進(jìn)時期，80年代末至90年代以來冰川出現(xiàn)普遍的強(qiáng)烈退縮現(xiàn)象，近年退縮幅度呈逐漸加劇的趨勢。氣溫和降水與冰川變化關(guān)系最為密切。冰川變化雖然滯后于溫度變化，但他們之間存在很好的對應(yīng)關(guān)系［23］。20世紀(jì)70年代被認(rèn)為是冰川變化的一個轉(zhuǎn)換時期，之后的30a冰川消融速度加快，尤其近10a來隨著溫度的顯著升高，冰川消融速度超過以往任何時段［24］。近22a來阿拉山地區(qū)冰川的面積明顯退縮，同期的氣溫明顯上升而降水在波動中小幅上升。從冰川變化結(jié)果可以推斷，氣溫的上升對冰川的退縮起了更主要的作用。因此，在阿拉套山地區(qū)，近期的冰川退縮是由于當(dāng)?shù)貧夂蜃兣鸬摹?/p>

圖7 1980－2010年各站點年均降水量和年均氣溫

4 結(jié) 論

根據(jù)多期遙感資料和氣象資料，利用遙感和GIS技術(shù)對阿拉套山地區(qū)的冰川變化進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）1990—2011年，阿拉套地區(qū)冰川面積從680．73km2減少至542．96km2。共退縮了137．77 km2，占1990年總面積的20．24%。多期影像對比顯示，1990—1999年和1999—2011年冰川退縮平均速率分別為0．76%和1．04%。表明冰川退縮在近10a加快。

（2）坡向是影響冰川變化的一個重要因子。從1990年冰川分布來看，研究區(qū)冰川主要分布在N坡、NW坡和NE坡。但冰川面積退縮率較大的坡向為W 坡、SE坡和SW 坡，分別達(dá)到30．96%，27．85%和25．23%。

（3）1990—2011年，主要的冰川消融發(fā)生在海拔4 000m以下的區(qū)域，面積共計減少了136．74km2，占冰川面積減少總量的99．35%；而海拔4 000m以上的區(qū)域面積僅減少0．89km2，占冰川面積減少總量的0．65%。

（4）1980年以來，氣溫升高和降水量變化不大是研究區(qū)冰川退縮的主要原因。

在進(jìn)行研究中，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）由于受遙感影像質(zhì)量的限制，不能夠在長時間序列上研究阿拉套山脈冰川與氣候變化的關(guān)系，無法深入研究整體變化趨勢。

（2）在研究冰川波動對氣候變化的響應(yīng)時，只能定性分析兩者之間的相互關(guān)系，無法定量表現(xiàn)降水量和溫度對其的影響程度。

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