岗日嘎布地区冰川变化特征研究

李 霞, 杨太保, 冀 琴

(兰州大学 资源环境学院 冰川与生态地理研究所, 兰州 730000)

岗日嘎布地区冰川变化特征研究

李 霞, 杨太保, 冀 琴

(兰州大学 资源环境学院 冰川与生态地理研究所, 兰州 730000)

以Landsat影像为数据源，通过遥感图像计算机辅助分类和目视解译方法，提取中国西部对气候变化最为敏感的西藏东南部海洋型冰川区(岗日嘎布地区)2005年，2013年冰川边界,分析了冰川变化特征及冰川变化与气候变化的响应关系。结果表明：2005—2013年冰川面积减少72.28 km2，占2005年冰川面积的15.75%；冰川分布的下限海拔高度升高61 m。结合气象资料分析认为，降水量是冰川发育规模的主要影响因素，而温度是冰川发育数量的主要影响因素，升温是研究区近年来冰川加速退缩的主要原因。由此预测未来冰川消融速率会进一步加快。

冰川变化; 气候响应; 遥感; 岗日嘎布山脉

青藏高原东南部属于印度洋季风亚热带山地气候，是我国海洋性冰川最重要和最集中的发育区[1]。海洋性冰川由于其积累量大、消融量大、冰温高、运动较快等特点，对气候变化反映更敏感[2]。岗日嘎布地区是青藏高原南部边缘受季风影响最强的地区[3]，也是冰川退缩幅度最大的地区之一[4]。区内80%冰川都为面积小于1 km2的小规模冰川，数量众多小冰川“消失”将会对本区产生很大影响[5]。但文献调研显示对岗日嘎布地区冰川研究较少，只有小冰期结束至1980年对该区88条冰川面积和储量的研究[6]，以及该区北坡2006—2007年间4条冰川物质平衡及冰川末端变化的观测研究[5]，缺乏近年来多时段的冰川空间变化信息。并且研究区冰川编目使用的基本资料是1971年、1976年、1983年1∶10万航摄测量地形图及1∶6万航空像片，冰川编目中存在部分漏编、错编现象。因此本文研究对气候变化反映最快，最为脆弱的海洋型小规模冰川分布与变化情况，可以对我国第二次冰川编目、海洋型冰川区径流过程、水资源管理、山区灾害防治、生态环境演化等提供参考[7-9]。

1 研究区数据与处理

1.1 研究区概况

岗日嘎布山脉全长280 km，北西—南东走向，西侧有雅鲁藏布江河谷，南部丹龙曲和察隅曲朝南开口的谷地地势低矮，成为印度洋季风向青藏高原输送水汽的重要通道，是青藏高原最湿润的地区之一[3]。本文选取岗日嘎布地区29°10′—30°0′N，96°40′—97°27′E的冰川为研究对象，海拔2 776～5 868 m，冰川分布在海拔4 331～5 863 m。由于山地强烈切割以及较低的山体海拔，不利于冰川在水平与垂直方向上发育，单个冰川面积较小，有些地方常发现雪线以上还有大面积无冰雪覆盖的山地[10]。2013年分布有冰川717条，面积386.71 km2，平均面积0.54 km2，其中萨尔温江流域冰川占冰川总面积的38.75%，恒河流域占61.25%。

1.2 数 据

(1) Landsat数据。本文选用美国地质调查局(USGS)网站(http:∥glovis.usgs.gov/)Landsat Level 1T数据产品，包括三种传感器：TM、ETM+和OLI，其中Landsat 8 OLI在空间分辨率和光谱特性等方面与Landsat 1—7保持基本一致。由于研究区气候条件复杂，很难获取满足冰川解译要求的影像，作者筛选了所有可下载数据，只有2005年9月8日Landsat TM 5与2013年8月13日Landsat 8 OLI的两幅影像满足消融期结束、无积雪和研究区无云的冰川解译要求。

(2) ASTER GDEM数据。30 m分辨率的数字高程模型ASTER GDEM，来自国际科学数据服务平台(http:∥datamirror.csdb.cn)。

(3) 气象数据。研究区气象数据由中国气象科学数据共享服务网提供(http:∥cdc.cma.gov.cn)。气象台站的选择是以研究区边界向外做130 km缓冲区，落在缓冲区共4个气象台站：左贡(29°40′N，97°50′E，海拔3 780 m)、察隅(28°39′N，97°28′E，海拔2 327.6 m)、波密(29°52′N，95°46′E，海拔2 736 m)、德钦(28°27′N，98°53′E，海拔3 485 m)。

1.3 冰川提取

(1) 数据预处理。对条带缺失的ETM+影像进行条带修复，并将所有影像数据坐标系统转化为Albers圆锥等面积投影和WGS84椭球体坐标系统。

(2) 比值阈值法提取冰川边界。利用冰川在可见光波段强反射和中红外波段强吸收的特性来提取冰川。使用ENVI 4.5软件计算红色波段与中红外波段比值，得到比值影像后利用决策树进行比值分类，可以避免阴影区产生误差[11]。

(3) 目视解译修正冰川边界。研究区气候和地形复杂，且冰川区上部的云、季节性积雪、阴影、冰碛物、冰川前缘的湖泊等是影响人工解译精度的重要因素。因此尽可能选取较好的相近时段影像(表1)，并参考Google地图的高分辨率影像，结合光谱特征与冰面形态目视解译修正冰川边界。

冰川边界提取精度主要受传感器和图像配准误差影响[12-13]。本文采用Hall等[13]提出的不确定性公式来计算冰川面积误差：

式中：a——面积误差；λ——影像分辨率(LandsatTM影像空间分辨率为30m)；ε——配准误差(配准误差控制在0.5个像元内，以15m计算)。

因此，单条冰川面积误差为±0.002km2，冰川面积总误差为±1.434km2，占冰川总面积0.37%。

表1 遥感影像数据列

2 结果与分析

研究区2005年、2013年分别有冰川691，717条，面积458.99，386.71 km2，平均面积分别为0.66，0.54 km2。2005—2013年研究区冰川总面积减小72.28 km2，占2005年冰川面积的15.75%，年变化率-1.13 km2/a。

2.1 冰川分布的海拔梯度特征

将DEM数据按照100 m间隔进行重分类，计算各高程内冰川分布和变化情况。由于构造及侵蚀、剥蚀等，区内地形较破碎，冰川作用的有效地势较小，79%的冰川分布在高程5 200～5 600 m，其最大值出现在海拔5 500 m左右，海拔5 300 m左右的冰川退缩量占总退缩量的40%左右，退缩最剧烈。

冰川上限分布在5 037～5 863 m，平均海拔5 571 m(图1)。冰川最大面积与最大条数均分布在冰川上限海拔5 500～5 600 m的高度区间内。且冰川发育规模明显与上限海拔高度呈负相关，即冰川上限海拔越高，冰川平均面积越小。上限海拔高度小于5 600 m的冰川平均面积均高于研究区平均水平。冰川下限分布在4 331～5 611 m，平均海拔5 247 m。2005—2013年冰川下限由4 331 m升为4 392 m，升高61 m。冰川最大面积与最大条数分布在冰川下限海拔5 200～5 300 m与5 300～5 400 m高度区间内。冰川发育规模明显与下限海拔高度呈负相关，即冰川下限海拔越低，冰川平均面积越大。下限海拔高度小于4 700 m的冰川平均面积均高于研究区平均水平。

图1 2005年上、下限海拔与冰川数量分布

2.2不同朝向、不同规模的冰川变化特征

本文统计了2005年、2013年不同朝向冰川总面积、平均面积及<0.5 km2，0.5～1 km2，1～5 km2，5～10 km2冰川在各个朝向的分布与变化情况。研究区朝北坡向(北、东北、西北)冰川大多分布在研究区北部，而朝南坡向(南、东南、西南)冰川大多分布在研究区南部。朝北坡向冰川占冰川总面积66.84%，其中正北坡向分布的冰川面积最大(图2)，而朝南坡向冰川占冰川总面积的20.84%。朝北坡冰川面积是朝南坡向的3.2倍，退缩面积是朝南坡向的3.8倍。但冰川平均面积朝南坡向(0.71 km2)大于朝北坡向(0.51 km2)，其中朝向东南的冰川平均面积最大。

图2 不同朝向冰川面积变化

研究区冰川规模较小，大于5 km2冰川只有四条。1～5 km2冰川所占面积最大，占总面积的50.4%，冰川条数占总冰川条数的15.3%；<0.5 km2冰川条数最多，占总冰川条数的69.9%，占总面积的23.5%。2005到2013年1～5 km2冰川退缩面积最大，占总退缩面积的73.3%，而<0.5 km2冰川，退缩面积占总退缩面积的3.7%。

2.3 研究区气候变化分析

选取左贡、察隅、波密、德钦4个气象台站1970—2009年的气温和降水数据并进行距平处理(图3)。

2.3.1 温度的年际变化 4个气象台站的温度变化有较为一致的波动特征。1990年以前，气温以负距平为主，1990年后气温以正距平为主，2000年后升温趋势明显加快。察隅、波密、左贡、德钦4个台站的升温速率分别为0.22℃/10 a(南部)，0.30℃/10 a(南部)，0.36℃/10 a(北部)，0.55℃/10 a(北部)，北部升温幅度大于南部，但南部均温10.43℃，高于北部均温5.13℃。

图3 研究区1970-2009年4个气象台站气温与降水量距平

2.3.2 降水量的年际变化 4个气象台站的降水量均出现较大的年际波动，但波动特征较为一致。1985—2000年降水量有缓慢上升趋势，而2000年以后，降水量以负距平为主，有加速减少趋势。察隅、波密、左贡、德钦4个台站的降水量变化速率分别为-36.59 mm/10 a(南部)，-24.27 mm/10 a(南部)，34.77 mm/10 a(北部)，5.03 mm/10 a(北部)。北部降水量增加，而南部降水量减少。但南部降水量平均值838.69 mm，高于北部降水量平均值544.34 mm。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

(1) 不同高程冰川变化分析。一般来说，冰川上限海拔越高，冰川积累区越大、净积累量越多，规模越大。而本区冰川上限海拔越高，冰川平均面积越小；冰川下限海拔越低，冰川平均面积越大。这是由于研究区气候条件复杂，南坡降水丰沛，在地势较低地区发育规模较大的冰川；并由于雪崩等在有利的地形和坡向上集中了超过自然降水的积雪[10]，将海拔较高的物质积累搬运到较低地区，对海拔较低地区有利。因此本区冰川上限海拔不是左右冰川整体发育规模大小的主要因素。

(2) 不同朝向、不同规模冰川变化分析。本区朝北坡冰川面积明显大于朝南坡，而冰川平均面积朝南坡向大于朝北坡。这是由于朝北坡冰川接收到的太阳辐射量小，有利于冰雪积累和成冰过程，这也是本区许多小冰川仅在一定朝向的特殊谷地中存在，而其高度相近的毗邻地区没有冰川发育的主要原因。南坡由于位于印度洋西南季风降水的有利坡向，地形抬升形成大量降水[14]，南部平均降水量高于北部将近300 mm，较为丰富的物质补给在一定程度上弥补了朝南坡向对冰川发育造成的不利影响，也是南坡冰川发育规模较北坡大，冰川作用高程范围整体大于北坡(其中最大坡向依次为：SE、S、SW)的主要原因。

研究区<0.5 km2冰川的条数最多，2005—2013年冰川条数增加72条，退缩面积占总退缩面积的3.7%；而1～5 km2冰川所占面积最大，占总面积的50.4%，退缩面积也最大，占总退缩面积的73.3%。由于规模较大的冰川消融裂解为较小冰川(东北、东、北、东南坡向分别有14，8，6，5条冰川裂解为多条小规模冰川)，同时小规模冰川中相对较小的冰川由于所处海拔较低，消融强烈、积累区较小，物质积累少而消失[15](北、东北、西北、南坡向分别有7，3，3，1条)，因此本区冰川退缩幅度较大[6]。

(3) 冰川变化与气候变化的响应关系。不同类型冰川对气候变化的敏感性差异很大。对于本地区纬度较低、规模较小的季风海洋性冰川而言，南部由于降水量基数大，发育了较北部规模大的冰川，而北部由于较低的均温，发育数量较多的冰川。南部升温速率较北部慢，但南部降水量减少而北部降水量增多，南部冰川退缩速率小于北部，这说明北部由于较快的升温速率，消融增加、降水中雨/雪的比例增大，冰川处于负物质平衡状态的可能性增大，使得北部降水量的增加，并没有抵消温度升高带来的冰川消融，冰川对气温变化反映更敏感[16]，升温一直是影响研究区冰川退缩加剧的根本原因。从2000年以来变暖变干趋势进一步加强，可以预测冰川退缩将加剧[6]。

3.2 结 论

(1) 2005—2013年冰川处于持续退缩状态，冰川面积减少72.28 km2，平均面积减少0.12 km2，冰川条数增加26条，下限海拔高度升高61 m。

(2) 对本区冰川来说，上限海拔不是左右冰川整体发育规模大小的主要因素；降水量是冰川发育规模的主要影响因素；温度和北坡有利的坡向辐射对冰川发育数量具有很重要影响。

(3) 升温是研究区冰川退缩的根本原因，降水量的增加不足以抵消温度升高带来的影响。数量众多的小冰川消亡、大冰川裂解是本区冰川退缩幅度大的主要原因。推测未来冰川消融速率会进一步加快。

[1] Shi Y, Liu S. Estimation on the response of glaciers in China to the global warming in the 21st century[J].Chinese Science Bulletin,2000,45(7):668-672.

[2] Ersi K, Liu C, Xie Z, et al. Assessment of glacier water resources based on the Glacier Inventory of China[J].Annals of Glaciology,2010,50(53):104-110.

[3] 李吉均,郑本兴,杨锡金,等.西藏冰川[M].北京:科学出版社,1986.

[4] 姚檀栋,刘时银,蒲健辰,等.高亚洲冰川的近期退缩及其对西北水资源的影响[J].地球科学,2004,34(6):535-543.

[5] 杨威,姚檀栋,徐柏青,等.青藏高原东南部岗日嘎布地区冰川严重损耗与退缩[J].科学通报,2008,53(17):2091-2095.

[6] 刘时银,上官冬辉,丁永建,等.20世纪初以来青藏高原东南部岗日嘎布山的冰川变化[J].冰川冻土,2005,27(1):55-63.

[7] 郭国和,程尊兰,吴国雄,等.川藏公路南线典型冰湖及其溃决危险性评价[J].水土保持研究,2009,16(2):50-55.

[8] 佘涛,谢洪,王士革,等.贡嘎山东坡湾东河泥石流的特征及危险度评价[J].水土保持研究,2008,15(3):242-245．

[9] 胡桂胜,陈宁生,邓虎.基于GIS的西藏林芝地区泥石流易发与危险区分析[J].水土保持研究,2012,19(3):195-199.

[10] 彭补拙,杨逸畴.南迦巴瓦峰地区自然地理与自然资源[M].北京:科学出版社,1996.

[11] Bolch T, Menounos B, Wheate R.Landsat-based inventory of glaciers in western Canada,1985—2005[J]. Remote Sensing of Environment,2010,114(1):127-137.

[12] Williams R S, Hall D K, Sigurosson O, et al. Comparison of satellite-derived with ground-based measurements of the fluctuations of the margins of Vatnajökull, Iceland, 1973—1992[J]. Annals of Glaciology,1997,24:72-80.

[13] Hall D K, Bayr K J, Schnǒer W, et al. Consideration of the errors inherent in mapping historical glacier positions in Austria from ground and space(1893—2001)[J]. Remote Sensing of Environment,2003,86(4):566-577．

[14] 邓育武,谢子楚,李玲玲.基于GIS的西藏南部雪线场的建立及其空间分布特征[J].云南地理环境研究,2006,18(3):10-14.

[15] 谢自楚,冯清华,王欣,等.中国冰川系统变化趋势预测研究[J].水土保持研究,2005,12(5):77-82.

[16] Zhang Y, Fujita K, Ageta Y, et al. The response of glacier ELA to climate fluctuations on High-Asia[J]. Bulletin of Glacier Research,1998,16(1):1-11.

StudyonGlacierVariationsintheGangrigabuRange

LI Xia, YANG Tai-bao, JI Qin

(InstitutionofGlaciololgyandEcogeogaraphy,CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

The maritime glaciers in the Gangrigabu Range are the most sensitive to climate change in China. Landsat data were processed by using a method of band ratio to extract the glacier boundaries in 2005 and 2013. The lower limit altitude of glaciers distribution increased 61 meters. And it was concluded that the area of the glaciers in the Gangrigabu Range decreased by 72.28 km2(15.75%) from 2005 to 2013. Precipitation was the main factor influencing glacier scale and temperature was the main factor influencing glacier number. The most important reason for glacial retreat was rising temperature. It is estimated that the glacier retreat rate will accelerate.

glacier change; climate response; remote sensing; Gangrigabu

2013-11-13

：2013-12-02

国家自然科学基金项目(41271024,40871057)

李霞(1990—),女,甘肃天水人,硕士,研究方向:GIS应用与气候变化。E-mail:xiazhidazhelixia@163.com

杨太保(1962—),男,山西运城人,教授,博士生导师,研究方向:综合自然地理学、冰冻圈地理学、第四纪地质学。E-mail:yangtb@lzu.edu.cn

P343.6

：A

：1005-3409(2014)04-0233-05