1990－2011年南天山地区冰川面积变化对气候的响应

赵 刚，杨太保，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）

冰川变化是气候变化的敏感指示器，其对气候变化具有重要的反馈作用［1－3］。小冰期以来，全球波动性变暖，最近40a尤为剧烈。IPCC第四次报告表明，近100a全球地表温度上升了0.74℃，20世纪70—90年代急剧升温0.5℃［4］。在全球变暖的背景下，全球范围内的冰川整体上处于退缩状态，其退缩速率不尽相同［5］。天山山脉呈近东西方向延展于亚洲大陆的中部，规模巨大，山势巍峨。天山共计有冰川15953 条，面积15416 km2，是世界上山岳冰川分布最多的山系之一［6］。天山冰川一直以来都受全球变化研究的重视，在全球变暖的背景下天山冰川普遍呈现加速退缩趋势［7－16］。对天山冰川的研究有助于探究冰川对气候变化的响应关系，并对了解区域的冰川与河流水量的丰枯变化提供依据［13－14］，及其对区域社会经济发展、生态与环境产生的影响［16］。南天山处于整个天山山系中部，西起克孜勒苏河源，东至博斯腾湖。汗腾格里山结为南天山的最高山区，一般海拔在5000 m以上，主峰托木尔峰7435 .3m，是全天山的最高峰。天山山区的大气环流主要以西风环流为主。选取南天山地区的5个气象站点，巴音布鲁克、库车、库尔勒、昭苏以及阿克苏，这5个站点的海拔高度分别为2458 ，1082 ，932，1851 ，1104 m，1960—2010年月平均降水量见图1，反映出南天山地区降水的时空分布特征。南天山的降水主要集中在夏季，冰川类型为夏季补给型冰川。由于受西风环流和从准格尔缺口所进来的北冰洋气流的影响，南天山降水呈现出由西向东，由北向南减少的空间分布趋势。

图1 五站点1960－2010年月平均降水量

近年来，随着RS与GIS技术的发展，遥感影像在冰川监测中发挥了巨大的作用。尤其在大区域长周期的冰川变化研究中，分辨率较高时间序列较长的Landsat影像功不可没［5，17］。当前，对南天山地区冰川的研究仅限于流域范围［5］或小区域［9］的面积变化。本文以南天山为研究区，获取1990年、2000年、2011年三期LandsatTM／ETM＋影像数据，通过RS和GIS技术手段，系统研究南天山地区冰川面积变化对气候变化的响应关系。

1 数据和方法

1.1 气象数据

本研究所运用的年均降水量数据和夏季平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和月值数据集，年限取1960—2010年。选取南天山周围9个气象站点（分别为阿合奇、阿克苏、巴仑台、巴音布鲁克、拜城、库车、库尔勒、轮台、昭苏，其中阿克苏站1991年改为基准站，其余站点为国家基本气象站）。采用一元回归方法分析各个站点的年均降水量和夏季气温变化趋势，并采用非参数Mann－Kendall方法对年均降水量和夏季气温进行检验［18－19］（统计量大于0表示降水和温度的增加趋势，大于置信水平95%表示增加趋势显著），据此反映南天山地区近51a气温和降水的变化特征。

1.2 影像数据

本文所使用的遥感数据为美国地质调查局USGS（http:∥glovis.usgs.gov）的陆地卫星 TM／ETM＋影像。由美国国家航空航天局NASA发射的Landsat陆地卫星获取，下载数据为NASA和USGS发布的Level 1T级数据产品，该产品经过系统辐射校正和地面控制点几何校正，并且利用DEM数据进行地形校正，其大地测量校正依赖于精确的地面控制点和高精度的DEM数据。影像选取的时间间隔为10a左右，为了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。由于天山山区夏季雪线海拔4000 m以上，冬季雪线海拔1500 m［20］。所以为了减少积雪对提取冰川边界的影响，选取夏季获取的少云或者无云的影像。

所用到的遥感影像虽然有的云量较大，但冰川区基本无云或有云量较少。对获取的日期为2011年8月3日，行列号为147／30和147／31的TM影像，还下载了日期为2011年9月12日，行列号为147／30和147／31的两幅ETM＋影像，采用多影像局部自适应回归分析模型进行条带修复后作为补充。其余影像的云量对冰川解译的影响不大。

本文所利用的DEM数据来源于国际科学数据服务平台（http:∥datamirror.csdb.cn／），为30m 分辨率的GDEM数据，影像数据信息见表1。

表1 影像数据信息

1.3 冰川提取方法

目前，遥感影像的冰川边界提取方法有比值阈值法、非监督分类法、监督分类法、主成分分析法、雪盖指数法等。前人研究表明，在众多的冰川边界提取方法中，比值阈值法精度较高［21－22］。

比值阈值法能分辨出阴影下的雪和冰，TM3／TM5（红色波段比中红外波段）在有阴影和有冰碛物覆盖的地区要优于TM4／TM5（近红外波段比中红外波段）［17］。本文选用TM3／TM5波段比法，经过多次试验后阈值取2.1，提取南天山地区三期的冰川边界，并通过目视解译修正冰川边界［23－24］。在目视解译的过程中，删除面积小于10000 m2的多边形，这些小面积的解译结果多为雪所致。在多边形内部删除面积小于8100 m2（3×3像元）的多边形，这种情况主要是冰川上面的冰碛物所致。由于南天山地区海拔5000 m以上常年有积雪覆盖［20］，所以对于海拔5000 m以上面积较小其边界难以确定的冰川，在目视修正的过程中参考不同时期的影像和冰川编目数据将三期的边界画为一样。最后将三期冰川边界数据转换成.shp格式，并赋予Albers等面积投影，利用ArcGIS 10.0中进行面积变化分析，详见图2。

图2 不同时期典型冰川示意图

2 结果与分析

2.1 气候变化特征

近年来，新疆气候出现了暖湿化趋势。近50a来降水量平均增幅为0.67mm／a，气温平均增长率为0.27℃／10a［25］。

本文选取的9个气象站点1960—2010年的年均降水距平和夏季气温如图3所示，9个站点中，只有库车站（海拔1081 .9m，经度82°58′，纬度41°43′）夏季气温呈下降趋势，而其它站点的年均降水和夏季气温均呈现出上升趋势。这与近年来新疆的增温事实相符合。海拔最高的巴音布鲁克站（经度84°9′，纬度43°2′）线性升温率为0.25℃／10a，降水增幅1.2mm／a。

从Mann－kendall检验结果来看，各站点的年均降水量和夏季气温变化不一致。图4显示从2000年之后，各个站点的年均降水和夏季气温均出现增加趋势，降水增加显著的站点（阿合奇、库车、巴仑台、轮台、拜城）均在南天山南部，而气温增加显著的站点（阿克苏、轮台、巴音布鲁克、昭苏、库尔勒）在南北均有分布。阿克苏站在1994年之后年均降水和夏季气温均出现了增加趋势，2000年之后夏季气温增加显著，而年均降水增加不显著。巴音布鲁克站夏季气温在1983年之后出现了显著增加趋势，而降水在2000年之后才出现了增加趋势。这表明，近50a来，南天山地区夏季平均气温存在明显的升高趋势，而年降水量的增加不显著。这与袁晴雪等［26］的研究20世纪90年代是天山地区近42a来气温最高、降水最多的年代基本吻合。

2.2 冰川面积变化对气候变化的响应

2.2.1 不同时期冰川面积变化 由图5a可以看出，南天山地区1990年冰川面积为4017 .47km2，条数为3239 条，2011年面积减少为3409 .88km2，条数增加到3304 条，冰川条数的增加主要是由于面积较大的冰川在退缩的过程中分解而致。

图3 1960－2010年各站点年均降水距平和夏季（6－8月）气温

图5b反映出1990—2000年、2000—2011年、1990—2011年不同时间段冰川的变化快慢。2000—2011年的年均退缩速率较1990—2000年的年均退缩速率高，且高于1990—2011年间冰川的年均退缩速率，表明近10a南天山地区的冰川退缩有加速趋势。由于天山地区冰川滞后于气候变化12～13a［27］，所以2000—2011年的快速退缩可能与天山地区20世纪90年代的升温有关。这一结果与天山地区的现有研究相吻合［5，9，11］。

2.2.2 不同规模冰川面积变化 本研究将提取的三个时段的冰川根据其面积规模分为6个等级:0.01～0.1km2，0.1～0.5km2，0.5～1km2，1～5km2，5～20km2，＞20km2。分别计算各个规模1990—2000年和2000—2011时段的年均变化率（图6）。

从图6a中可以看出，0.1～0.5km2规模的冰川条数最多，占1990年总条数的45.6%，而1～5km2规模的冰川（主要为冰斗冰川和冰斗—山谷冰川），其面积在所有分级中最大，占38.2%，其条数为767条，占总条数的23.7%。面积小于1km2的冰川（主要为悬冰川和冰斗—悬冰川）总条数为2359 条，占总条数的72.8%，总面积为934.9km2，占总面积的23.3%。随着冰川面积等级增大，冰川条数减少。这与天山地区冰川形态以悬冰川和冰斗—悬冰川数量居多的特点相吻合［6］。

0.01 ～0.1km2规模的冰川总面积在1990—2000年增加了1.78km2，年变化率为1.5%，在2000—2011年间增加了11.37km2，年变化率为7.5%。而0.1～0.5km2规模的冰川面积在1990—2000年增加了17.51km2，年变化率为0.4%，2000—2011年减少 了 23.12km2，年 变化率 为－0.5%。0.5～1km2，1～5km2，5～20km2，＞20 km2这4个规模的冰川面积在1990—2000年、2000—2011年期间均处于减少状态，在1990—2011年间其面积分别减少了 51.33，198.32，125.92，168.56km2，年变化率分别为－0.47%，－0.58%，－0.72%，－1.14%。

从图6b中可以看出，只有0.01～0.1km2规模的冰川面积在1990—2011年处于持续增加状态，0.1～0.5km2规模的冰川面积在1990—2000年增加，2000—2011年减少，而其余规模的冰川面积在1990—2011年均处于减少状态。这一结果其实与叶柏生等［28］认为小冰川对气候变化更敏感的研究是一致的，本文在统计方法上将三个时段中各规模的冰川提取出来进行对比，与文献中对特定冰川不断变化的研究方法不同，结果主要说明冰川规模的变化趋势，即大规模的冰川在不断分解为小规模的冰川，致使小规模的冰川其总面积和条数增加。这一变化特征使得南天山地区规模较大的冰川面积减少，数量减少，而小规模冰川，尤其是面积小于0.1km2的冰川，其面积和数量均不断增加。

图4 各站点年均降水量和夏季气温Mann－Kendall检验

图5 1990－2011年总面积和条数变化

2.2.3 不同朝向冰川面积变化 本文统计了1990年冰川总面积在各个朝向的分布及0.1～0.5km2规模，1～5km2规模，5～20km2规模冰川在各个朝向的分布（如图7所示）。偏北向（北、东北、西北）冰川总面积为1874 .4km2，偏南向（南、东南、西南）为1234 .2km2，两者之比为1.5∶1.0。而0.1～0.5 km2规模冰川偏北向面积为211.5km2，偏南向面积为108.6km2，1～5km2规模冰川偏北向为769.9 km2，偏南向为426.1km2，这两种规模冰川偏北向与偏南向面积之比均分别为1.9∶1.0／1.8∶1.0。5～20km2规模的冰川偏北向与偏南向面积之比为1.3∶1.0。这种分布趋势表明，偏北向冰川的个体规模小，悬冰川和冰斗冰川所占的比例较大，而偏南向则是山谷冰川较多。偏西向（西、西北、西南向）和偏东向（东、东北、东南向）冰川面积基本相等，出现较对称性分布。

图6 不同规模冰川面积变化

图7 1990年各朝向冰川面积

1990—2011年期间8个朝向的冰川均处于退缩状态，退缩速率不尽相同（图8）。1～5km2规模最大退缩出现在偏西向（西12.7%，西南13.3%，西北14.0%），而南向退缩速率最小，为9.9%。5～20 km2规模北向退缩速率最大，为24%，南向退缩速率最小，为4.2%，大于20km2规模冰川在东、南、东南方向均出现较大幅度退缩。总体来看，1990—2011年期间各朝向冰川退缩速率最大出现在西向，为15.9%，最小出现在东南向，为 10.7%，南向为10.8%。出现这种差异的原因可能与西风环流所带来的降水影响有关，具体原因有待进一步讨论。

2.2.4 不同高程冰川面积变化 本文将DEM数据按照100m间隔进行了重分类之后，运用GIS技术对各高程的冰川分布和变化进行研究。天山冰川主要分布在海拔2520 ～7435 m的范围内，冰川主要集中分布在海拔3700 ～4400 m的高度区间内，其面积占天山山区冰川总面积的61%［6］。研究表明:南天山冰川最大面积分布的海拔为4000 m（图9），与天山山区的平均雪线高度相一致，然后向上或向下，冰川面积逐渐减小。从不同面积等级各高程的分布来看，各个规模的冰川也呈现出上述的分布规律。

在统计各高程冰川的变化速率时，为了减少较小面积造成的噪声，只选取3000 ～6000 m范围内的冰川。从1990—2000年和2000—2011年两期数据来看（图10），在3800 m处两个时段的退缩速率一致，3000 ～3800 m范围，1990—2000年时段内退缩较快，而在3800 ～6000 m范围内，2000—2011时段退缩较快。表明近10a高海拔冰川退缩加快，这可能与高层大气升温有关。

图10 各高程冰川变化速率

2.2.5 西风区冰川变化的对比 西风环流的加强［29］导致东帕米尔高原［30］和天山地区近年来降水均有所增加，同样处于西风环流的控制之下，东帕米尔高原和喀喇昆仑山［31］冰川出现物质正平衡，面积微弱退缩，甚至出现了前进冰川，而天山冰川却持续强烈退缩［11－12］。冰川变化受冰川类型、规模等多种因素的影响，但气温和降水是冰川变化的关键因素。据高晓清等［32］的研究，对短周期的冰川波动，其大范围的总体特征基本上决定于温度变化。Liu等［33］研究表明，20世纪90年代之后气温迅速上升，降水量的影响已经远远不能比拟气温升高带来的影响，冰川退缩幅度大，且呈现加速消融的态势。南天山与西风区的东帕米尔高原和喀喇昆仑山相比，虽然降水都呈现增加趋势，但是气温变化可能是南天山冰川退缩的主导因素，而降水的影响次之。

3 结论

本文运用RS与GIS技术系统研究了南天山地区3000 余条冰川的面积变化，结果表明，1990—2011年期间冰川面积变化了－13.2%。大规模冰川分解使得小规模冰川的总面积和条数增加。从朝向来看，朝西向的冰川面积退缩最快。与1990—2000年时段对比发现，最近10a以来，海拔低于3800 m的冰川退缩速度减慢，而3800 m以上的冰川退缩速率加快。近50a来，南天山地区降水和气温均呈现增加趋势，但南天山地区冰川的进退主要受气温变化的控制，降水对其影响不大。

冰川作为气候变化的重要指示器，研究冰川的变化对了解气候变化具有重要的指导作用。在全球变暖的大背景下，由于局地气候的差异性，冰川的进退变化表现不一致。就西风区的冰川来看，由于冰川规模、形态的差异，其进退变化也不一样。而地面气象资料的分析对冰川区的气候变化说明还不够充分。所以运用丰富的地面气象资料和高空气象资料对西风区冰川的系统研究，将有助于进一步揭示冰川变化与气候变化之间的复杂关系。

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