基于GIS和RS的中亚阿拉套山脉近22年来冰川变化

何 毅，杨太保，杜 鹃，田洪阵

（兰州大学 资源环境学院 冰川与生态地理研究所，兰州730000）

由于冰川波动对气候变化的反应敏感［1］，冰川监测已经成为全球气候检测系统的一个重要组成部分［2］。近几十年来在气候变暖的影响下，冰川处于持续的负物质平衡而不断退缩［3－4］。气候情景预测表明，未来气候变暖将进一步导致冰川消退［5－7］，从而引起冰湖溃决［8］。因此研究冰川变化的状态对相关地区的长期规划、资源管理与灾害预防具有重要的意义。

20世纪70年代以来，遥感开始作为一种重要的手段来研究冰川的性质和特征、监测冰川的动态变化等［9－11］。冰川学家对西部大部分地区的冰川进行了研究，如冷龙岭［12］、西藏林芝［13］等地区，这些研究表明，冰川基本上都处于不断退缩中，但是对于阿拉套山地区的研究却比较少。本文以阿拉套山地区现代冰川为研究对象，利用Landsat TM／ETM＋影像并结合现有文献资料，对该地区冰川变化数据进行分析，结合所观测数据探讨该区冰川的变化情况。

1 实验材料与方法

阿拉套山属于天山山系，位于新疆博尔塔拉蒙古自治州的北部（东经79°30′—81°45′，北纬44°40′—45°20′）。山脉近东西走向，其北坡为哈萨克斯坦共和国。研究区位于巩乃斯板块的东北边缘，巩乃斯板块与其东北的准噶尔板块在本区以艾比湖断裂为界，板块边界在艾比湖附近呈北西—南东走向，在艾比湖以北的哈萨克斯坦共和国境内（图1）。

图1 研究区地理位置及冰川分布

1．1 气象数据

本研究采用的年均降水量数据和年均气温数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http：∥cdc．cma．gov．cn／）的中国地面气候资料年值数据集。由于阿拉套山地区没有气象站点，本文采用阿拉套山附近温泉和阿拉山气象站点1980—2010年的气象观测资料用于分析。

1．2 影像数据

本文所使用的TM／ETM＋遥感影像数据来自美国地质调查局 USGS（glovis．usgs．gov）的陆地卫星。下载数据为NASA和USGS发布的Level 1T级数据产品，该产品经过了系统辐射校正和地面控制点几何校正，并且利用DEM数据进行了地形校正。影像选取的时间间隔为10a左右，以减少不同时期冰川变化所造成的误差。同期的遥感资料尽量选用相近时段的数据。为了减少积雪对冰川边界提取的影响，选取夏季获取的少云或者无云的影像（表1）。

表1 影像数据信息

1．3 冰川提取方法

本文采用比值阈值法（b3／b5）提取冰川边界。比值阈值法相对于人工解译，是一种稳定和省时的方法，能够区分积雪和阴影中的冰。TM3／TM5［14－15］在处理阴影和阴影处的残骸覆盖物时比TM4／TM5优越。具体做法是先使用ENVI软件把同一景数据不同波段的数据合成一个文件，然后用合成的影像计算TM3／TM5，得出比值影像后，再利用决策树进行分类。通过多次试验，将阈值设为2．3时提取的冰川边界最好。得到初步结果后，转换成shape格式。再在ArcGIS中将其转换成Albers投影，最后对3期冰川进行目视解译，利用ArcGIS进行面积变化分析。几条典型冰川变化如图2所示。

图2 不同时期典型冰川示意图

2 结果与分析

2．1 不同时期冰川面积变化

阿拉套山地区1990年冰川总面积为680．73 km2，到2011年减少为542．96km2。一部分冰川在退缩的过程中分解成小冰川。

图3a反映出1999—2011年研究区冰川的年均退缩率明显高于1990—1999年，也高于1990—2011年的年均退缩率，表明近10a阿拉套山地区冰川退缩有加快趋势。图3b显示出1990—2011年冰川总面积减少了137．77km2，面积变化率为－20．24%。

2．2 不同朝向冰川面积变化

统计了1990年、1999年和2011年冰川总面积在各个朝向的分布，从朝向分布玫瑰图（图4）可见，朝向偏N的冰川在面积上占有明显优势，朝向偏S的冰川只占朝向偏北的1／6。这是由于山脉北坡受太阳辐射较弱，更利于冰川积累、发育。从东坡和西坡来看，朝向偏E的冰川多于朝向偏W的冰川，这可能是因为受偏东气流影响较大。综合多个因素来看，在各个朝向中，朝向为N的冰川最多，规模也偏大。

图3 1990－2011年冰川总面积分布及变化

从冰川面积变化率来看（1990—2011年），阿拉套山现代冰川各坡向冰川面积都在减少。但减少的程度并不相同，如图5所示，偏西（W、SW、NW）冰川面积退缩较快，其中正 W冰川面积退缩最大，达到

图4 1990年、1999年和2011年各朝向冰川面积（km2）

2．3 不同高程冰川面积变化

根据研究区1∶5万DEM，以200m为分类间距将该地区冰川分布的范围按高程分为8个梯度，并对这些梯度上的面积进行了统计（图6）。结果表明，冰川面积分布随海拔的升高先呈增加趋势，至3 600～3 800m达到最大后又呈减少趋势。分布在3 200～4 200m这5个梯度的冰川面积为663．7km2，占总面积的97．5%；而分布在3 200m 以下和4 200m 以上的冰川仅占总面积的2．5%。冰川的这种分布反映了降水和地势对冰川发育的综合作用，即随着地势30．96%，SE次之，为27．85%。正N冰川分布最多，但是冰川面积退缩率最小，为15．3%。这可能是由偏北坡受到太阳辐射较弱，受气流影响较大，而偏西坡受到太阳辐射较强，并且冰川规模较小造成的。的升高，液态降水逐步转化为固态降水，积累变大，物质平衡变大，因此在山腰至山脊处发育冰川［16］。

图5 各朝向冰川面积退缩速率

统计1990—2011年前述8个海拔梯度上的冰川面积变化率（图6）可知，冰川面积退缩率随着海拔的升高而减小。主要的冰川消融发生在海拔4 000m以下的5个梯度，面积减少共计136．74km2，占冰川面积减少总量的99．35%；而海拔4 000m以上的3个梯度面积仅减少0．89km2，占冰川面积减少总量的0．65%。这与纳木那尼［14］等地高海拔出现冰川消融的结果相一致，表明升温迫使冰川消融面积增大和雪线升高。

图6 1990年、1999年和2011年各高程梯度的冰川面积及面积变化率

3 讨 论

由于研究区内没有气象站点，本文采用阿拉套山地区附近的温泉和阿拉山气象站1980—2011年气象观测资料进行了分析（图7）。两站1980—2010年温度持续升高，温泉站增温率为0．5℃／10a，阿拉山站增温率为0．35℃／10a。同时，这一期间两站的降水量略增，温泉站增长率为22．1mm／10a，阿拉山站增长率为8．9mm／10a。

冰川变化对温度和降水最为敏感［17］。通常情况下，温度在气候变化过程中对冰川物质平衡起主导作用，一方面表现在温度每升高1℃需要降水增加25%［18］或者35%［19］才能弥补由于升温所引起的冰川消融；另一方面温度升高还可以使降水中的雨雪比例变化及冰川表面融雪过程增强［20］，从而降低反照率并暴露更多的冰而促进消融。据研究［21－22］，20世纪70—80年代为冰川稳定或者出现小的前进时期，80年代末至90年代以来冰川出现普遍的强烈退缩现象，近年退缩幅度呈逐渐加剧的趋势。气温和降水与冰川变化关系最为密切。冰川变化虽然滞后于温度变化，但他们之间存在很好的对应关系［23］。20世纪70年代被认为是冰川变化的一个转换时期，之后的30a冰川消融速度加快，尤其近10a来随着温度的显著升高，冰川消融速度超过以往任何时段［24］。近22a来阿拉山地区冰川的面积明显退缩，同期的气温明显上升而降水在波动中小幅上升。从冰川变化结果可以推断，气温的上升对冰川的退缩起了更主要的作用。因此，在阿拉套山地区，近期的冰川退缩是由于当地气候变暖引起的。

图7 1980－2010年各站点年均降水量和年均气温

4 结 论

根据多期遥感资料和气象资料，利用遥感和GIS技术对阿拉套山地区的冰川变化进行了研究，得出以下结论：

（1）1990—2011年，阿拉套地区冰川面积从680．73km2减少至542．96km2。共退缩了137．77 km2，占1990年总面积的20．24%。多期影像对比显示，1990—1999年和1999—2011年冰川退缩平均速率分别为0．76%和1．04%。表明冰川退缩在近10a加快。

（2）坡向是影响冰川变化的一个重要因子。从1990年冰川分布来看，研究区冰川主要分布在N坡、NW坡和NE坡。但冰川面积退缩率较大的坡向为W 坡、SE坡和SW 坡，分别达到30．96%，27．85%和25．23%。

（3）1990—2011年，主要的冰川消融发生在海拔4 000m以下的区域，面积共计减少了136．74km2，占冰川面积减少总量的99．35%；而海拔4 000m以上的区域面积仅减少0．89km2，占冰川面积减少总量的0．65%。

（4）1980年以来，气温升高和降水量变化不大是研究区冰川退缩的主要原因。

在进行研究中，发现存在以下问题：

（1）由于受遥感影像质量的限制，不能够在长时间序列上研究阿拉套山脉冰川与气候变化的关系，无法深入研究整体变化趋势。

（2）在研究冰川波动对气候变化的响应时，只能定性分析两者之间的相互关系，无法定量表现降水量和温度对其的影响程度。

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