1990－2011年天山东部冰川退缩对气候的响应

李 佳，杨太保，何 毅，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）

有“固体水库”之美誉的冰川提供了全球75%的淡水资源［1］，而近年来，全球气候变暖，大部分地区冰川呈现退缩趋势，对山地和山麓平原的水文、地貌、植被、土壤以及绿洲的生成和人类活动有着重要影响。20世纪50年代以来，我国西部大部分地区冰川退缩，如天山［2］、祁连山［3］、昆仑山区［4］等都出现不同程度的冰川退缩现象，由于区域性气候差异影响，冰川退缩差异明显，对区域可持续发展的影响也不尽相同，因此，研究冰川面积变化及差异性具有重要的现实意义。天山是亚洲最大山系之一，位于准葛尔盆地和塔里木盆地之间，西起乌兹别克斯坦的乌加穆斯山，东至我国新疆哈尔里克山，全长2 450km，宽100～400km［5］，对新疆当地乃至全国的淡水资源及经济发展具有重要影响。天山东部地区处于天山山脉东段最敏感地区，对进一步研究天山冰川乃至我国西部地区冰川退缩及气候变化具有重要作用。

1 试验材料与方法

天山东部山系狭隘，是天山北弧的东延部分，西起乌鲁木齐，东止伊吾附近。全长大致为670km，而宽度只有70～80km［6］。全区包括博格达、巴里坤、哈尔里克等山脉和一些山间盆地，且都是近乎东西走向的活动带，气候也较天山其他地区干燥。博格达山脉是天山的重要组成部分之一，位于北纬43°10′—44°5′，东经87°40′—91°35′，地处吐鲁番盆地和准噶尔盆地之间，东西两端分别以一个狭长低陷带与巴里坤山和天格尔山交界［2］。一般山脊在4 300m左右，东西走向，西部以博格达峰为顶点，可达5 445m，分水脊偏在北部，有积雪冰川分布，多短小河流［6］。巴里坤山脉平均高度为3 300m，西侧矗立着4 308m的马里坤主峰，山脉断续分布，山体狭窄，腹部受荒漠气候影响，干旱侵蚀作用较强［6］。哈尔里克山脉位于天山山脉最东端，山脉作北北西—南南东走向，海拔在4 000m以上，最高峰托木尔堤峰，海拔4 886 m［3］，山顶较平坦，常年有积雪分布，有若干小型冰川，表面很少冰碛［6］。

1.1 影像数据

采用美国地质调查局 USGS（http：∥glovis.usgs.gov）的陆地卫星TM／ETM＋遥感数据。该数据已经过系统辐射校正和地面控制点几何校正，并利用DEM数据进行了地形校正。由于天山地区积雪分布年内变化呈现出1月中旬至8月上旬为积雪衰减期；8月中旬至次年1月上旬为积雪增长期的特征［4，7－8］，特选取 1990年、2001 年、2011年夏季、少云或无云的四景影像，选取5，4，3波段，分辨率为30 m，具体信息见表1。

表1 影像数据信息

1.2 气象数据

选择天山东部蔡家湖、乌鲁木齐、达坂城、奇台、巴里坤、哈密和伊吾7个气象站点的1990—2011年的年均温和年均降水量数据进行研究区域气候变化分析。

1.3 冰川提取方法

采用比值阈值法提取冰川边界，在ENVI软件中把同一景影像不同波段的数据合成一个文件，计算TM3／TM5［9－10］，得到比值影像后利用决策树进行分类，经过多次试验，阈值设定为1.8，得到初步结果并转化为shp格式，最后在ArcGIS中转换为Albers等积投影，并进行目视解译，为提高冰川面积精确度，用同期多幅影像对比解译。

2 结果与分析

2.1 不同时期冰川面积变化

在ArcGIS中计算天山东部冰川面积变化，并分别计算博格达山、巴里坤山和哈尔里克山三期冰川面积，结果见表2。

表2 1990－2011期间冰川变化

由表2可以看出近21a来研究区冰川总面积减少98.63km2，整体呈退缩趋势，共退缩了26.80%，其中博格达、巴里坤、哈尔里克山脉冰川平均每年分别减少3.45km2，0.21km2，1.03km2，退缩率分别为33.58%，25.67%，16.08%，自西向东退缩速率逐渐减慢。

2.2 不同高程冰川面积变化

将研究区DEM数据以100m为分类间隔进行分级，对天山东部地区三期冰川数据在不同高程上进行面积统计（图1），结果表明：该地区冰川主要分布在3 600～4 600m处，这与该地区平均粒雪线高度为3 916m［5］相一致。从变化率得知，3 300～3 400m处的冰川退缩最快，而在3 500～3 600m较3 400～3 500m处快，总体上随着海拔的升高，退缩速率变慢。由于该地区山势陡峭，沟槽密布，以悬冰川为主，其次为冰斗冰川、冰斗—悬冰、冰斗—山谷、山谷冰川［11］，低海拔处多为小型平顶冰川，并且分布较为分散，冰体较薄，小冰川较多造成的，同时该地区除降水补给外，吹雪、雪崩和冰崩也是冰川主要补给来源［12］。

图1 1990－2011年期间不同高程冰川分布

2.3 不同坡向冰川面积分析

对研究区1990年、2001年、2011年三期数据各坡向面积进行统计，并做各坡向冰川面积变化率分析（图2），结果表明：该地区冰川主要分布在西北、北、东北三个坡向，南坡分布较少，这是由于南坡属于阳坡，日照时间长，北坡太阳辐射较弱，多受降水影响，又因为博格达山脉东西走向，山势复杂，极为陡峭［13］，而巴里坤山脉属于隆起较缓的断块台原山地，山顶较缓坦［6］，哈尔里克山脉山顶极为平坦，北西走向，山脊线偏北，山势呈不对称山岭，北坡山幅窄小，而南坡山宽沟深，冰积地形较为多见［12］，并且该区域两侧盆地（准葛尔盆地、吐鲁番盆地）构造运动的差异及山麓高度的不同，明显地影响着该区域南北两坡的气候差异［14－15］，山脉的屏障作用使西北和偏西气流把主要水分降落在北坡，造成天山东部北坡相对于南坡气温低，降水大［2］，太阳辐射强，冰川作用强度大的现象，加之在西风环流的综合作用下，更有利于冰川积累和发育［12］，因此表现为北坡冰川分布多于南坡［16－17］；从各坡向冰川退缩率来看，各坡向冰川退缩幅度相似。

图2 1990－2011年期间各坡向冰川面积及退缩速率

2.4 讨 论

天山山区大气降水是新疆河川径流的最终来源，对新疆地区生态环境维持、发展以及冰川发育具有重要意义［18］。降水、温度及其二者组合是影响冰川发育和演化的重要气候因子［19］，温度升高造成冰川消融，降水增加有利于冰川积累［20］。利用蔡家湖、乌鲁木齐、达坂城、奇台、哈密、巴里坤、伊吾7个气象站点数据做一元回归分析，求取降水及温度序列的线性趋势，1990—2011年期间温度呈上升趋势，而降水为小幅度上升或下降趋势（图3）。天山东部地区大致为东西走向，全年受极地大陆气团影响，冬夏两季被北冰洋气团和西风环流影响，且水汽的合成输送方向为西北或偏西方向，常常不具备水气上升、凝结和以雨雪形式降落的条件［21］，且研究表明每升高1°需要增加25%［22］或者35%［23］降水才能弥补升温所引起的冰川消融。此区域缓慢上升甚至下降的年降水量无法补给温度上升造成的冰雪消融，因此，温度升高、降水小幅度上升是研究区冰川退缩的主要原因。

对比近年来西部地区冰川变化（表3），天山东部地区冰川变化趋势与其他地区冰川变化相吻合，冰川面积减小，但是天山东部冰川退缩较西部其他地区快，可能是由于冰川面积规模较小、海拔较低，对气候响应更为敏感的原因造成。

3 结论

综合利用RS和GIS手段以及气象资料对天山东部1990—2011年三期冰川面积变化进行研究。结果显示冰储量共减少6.01km3，冰川总面积退缩了26.80%，其中博格达山脉、巴里坤山脉、哈尔里克山脉分别退缩33.58%，25.67%，16.08%。对研究区气象数据进行分析，可知温度上升、降水不足是引起冰川退缩的主要原因。另一方面，研究区域冰川所在山脉地形地貌各不相同，不同海拔高度分布不同、不同坡向敏感程度不同，也是造成冰川退缩的重要因素。

图3 1990－2011年期间年均降水和年均温变化

表3 近年来中国西部冰川变化比较

温度上升、降水不足是目前我国西北地区气候变化的基本趋势，也是引起我国冰川退缩的主要原因，而冰川变化也对检测我国气候变化具有重要指示作用。因此，加强气候变化与冰川变化的研究，进一步探索通过遥感技术对冰川厚度的研究，并建立合理的模型评估，预测冰川未来的变化趋势，仍是冰川变化研究者长期追求的目标。

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