王佩佩 匡鴻海 李嘉譯

摘要 冰川是淡水資源的一種重要儲存形式，近年來冰川面積不斷減少，研究冰川面積變化對于干旱區(qū)生態(tài)保護及可持續(xù)發(fā)展意義重大。基于Landsat TM、Landsat ETM與Landsat OLI遙感影像數(shù)據(jù)以及氣象觀測數(shù)據(jù)，進行遙感解譯與統(tǒng)計分析，運用決策樹自動閾值分類方法，同時結合非監(jiān)督分類方法得到祁連山自然保護區(qū)1995—2015年冰川面積變化，參考第2次冰川編目數(shù)據(jù)對結果進行驗證，并運用相關分析法分析與氣候變化的相關性。結果表明：①1995—2015年祁連山自然保護區(qū)內冰川面積變化有2個不同階段，1995—2005年緩慢增加，2005—2015年急劇下降，整體呈減少趨勢。面積最大時為2005年376.91 km2，到2015年減少為217.33 km2。②祁連山自然保護區(qū)年均降水量變化與冰川面積變化的相關性強于年均氣溫變化與冰川面積變化的相關性。降水量與冰川面積之間的相關系數(shù)為0.403，氣溫與冰川面積之間相關系數(shù)為-0.327。③祁連山自然保護區(qū)內冰川面積變化是降水與氣溫共同作用的結果，在不同時期，氣溫與降水分別起主導作用。

關鍵詞 冰川面積;氣溫;降水;相關關系;祁連山自然保護區(qū)

中圖分類號 S759.9 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）05-0085-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.05.023

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract The glacier is an important storage form of freshwater resources. In recent years， the area of glaciers has been decreasing. Studying the change of glacial area is of great significance for the ecological protection and sustainable development of arid region. Based on Landsat TM， Landsat ETM and Landsat OLI remote sensing image data and meteorological observation data， remote sensing interpretation and statistical analysis are carried out. The decision tree automatic threshold classification method is used， and the unsupervised classification method is used to get the change of glacier area in Qilian Mountain Nature Reserve from 1995 to 2015. The results are verified by reference to the second glacial catalogue data， and analyzed by correlation aqnalysis method Relevance to climate change.The results showed that： ①there were two different stages of glacier area change in Qilian Mountain Nature Reserve from 1995 to 2015， which increased slowly from 1995 to 2005， and declined sharply from 2005 to 2015， showing a decreasing trend as a whole. The maximum area was 376.91 km2 in 2005 and decreased to 217.33 km2 by 2015.② The correlation between the annual average precipitation change and the change of glacier area in the Qilian Mountain Nature Reserve was stronger than the correlation between the annual average temperature change and the change of glacier area. The correlation coefficient between precipitation and glacier area was 0.403， and the correlation coefficient between temperature and glacier area was -0.327. ③The change of glacier area in Qilian Mountain Nature Reserve is the result of the combination of precipitation and temperature. In different periods， temperature and precipitation played a leading role respectively.

Key words Glacier area;Temperature;Precipitation;Correlation;Qilian Mountain Nature Reserve

山岳冰川作為冰凍圈的重要組成部分，不僅是陸地表面重要的淡水資源，也是諸多大江大河的源頭，被譽為 “固體水庫”[1]。對于生態(tài)脆弱的西北地區(qū)尤其是自然保護區(qū)而言，研究冰川與氣候變化的相關性意義重大。祁連山自然保護區(qū)生態(tài)脆弱，尤其對水資源敏感，冰川作為淡水資源的一種儲存形式，氣溫降水變化對其有重要影響，反過來，冰川消融與凝結也會調節(jié)當?shù)貧夂?，因此研究二者相關關系對社會經濟可持續(xù)發(fā)展十分必要。

冰川作為全球氣候變化的指示器[2-3]，可以最直接地反映氣候變化狀況。國外對冰川研究較早，冰川學發(fā)源于瑞士。自世界冰川監(jiān)測服務網絡（Word Glacier Monitoring Service，簡稱WGSM）提倡各國做冰川編目和調查以來，科研工作者開始對全球冰川進行更深入的監(jiān)測[4]。經過多年發(fā)展，我國對冰川物質變化觀測已經積累了豐富的研究經驗和觀測成果[5]，目前研究主要集中在冰川識別與面積變化、冰川表面運動、冰川反照率3個方面。遙感技術在冰川識別的應用中主要用于面積變化監(jiān)測，結合GIS方法對冰川屬性參數(shù)進行提取[6]。已有研究表明，祁連山地區(qū)中部、東部冰川變化對氣溫的響應程度分別為中度響應、高度響應，冰川變化對降水為負響應 [7]。在葉爾羌河流域降水、氣溫及其組合影響冰川發(fā)育，二者年際變化共同決定冰川的性質、發(fā)育和演化[8]。另外也有學者對阿爾金山冰川變化的影響因素研究發(fā)現(xiàn)，冰川的性質、發(fā)育和演化受氣候、地形、地理位置、冰川自身規(guī)模等諸多因素的影響，其中氣溫和降水及其組合的變化是最主要的影響因素[9]。上述研究針對不同地區(qū)分別探討了冰川與降水、氣溫的響應程度，但在這些研究中，很少有針對祁連山自然保護區(qū)進行分析，并且很少有研究者從每年年際變化角度來分析二者關系。為此，筆者以祁連山自然保護區(qū)為研究對象，分析1995—2015年其冰川面積變化規(guī)律及冰川面積變化與氣溫、降水之間的相關性。

1 研究區(qū)概況

甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)地處青藏、蒙新、黃土三大高原交匯地帶的祁連山北麓，區(qū)域范圍為97°25′～103°46′E、36°43′～39°36′ N。其中，核心區(qū)面積為802 261.6 hm2。該保護區(qū)為森林生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護區(qū)，總面積265 3000 hm2，以青海云杉、祁連圓柏、蓑羽鶴等生物為保護對象。祁連山海拔4 500 m以上的高山區(qū)現(xiàn)代冰川發(fā)育，現(xiàn)代冰川和古冰川作用的地貌類型都較豐富。保護區(qū)內的冰川1 219條，面積458.39 km2，冰儲量15.81 km3[10]。祁連山自然保護區(qū)為大陸性高寒半濕潤山地氣候，降水量300～500 mm，集中在6～9月，年均溫-0.6 ℃～2.0 ℃。

2 數(shù)據(jù)來源

所用遙感影像數(shù)據(jù)為1995～2015年Landsat TM、Landsat ETM、 Landsat OLI共119幅影像，來源于美國地質調查局USGS（http：//www.glovis.usgs.gov/），DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn），第2次冰川編目數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心（http：//westdc.westgis.ac.cn/data），氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，取祁連山自然保護區(qū)周圍4個氣象站點（永昌、武威、山丹、張掖）降水與氣溫年平均值。

3 研究方法

3.1 冰川面積提取方法

傳統(tǒng)的冰川面積獲取方法主要是基于野外考察的觀測與測量，而基于遙感監(jiān)測的冰川面積提取方法主要有比閾值法[11]、雪蓋指數(shù)法[12]、監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類法[13]、地圖信息圖譜方法[14]、多波段K-L變換方法[14]、熱紅外遙感方法[15]、決策樹自動閾值分類方法[16-18]、面向對象的信息提取方法等[17]。其中，非監(jiān)督分類方法操作簡單但是精度不高;決策樹研究是現(xiàn)階段的一種趨勢，但是決策樹分類過程中無法識別樣點數(shù)據(jù)中的誤差，有明顯錯分。為了消除這種誤差，筆者在提取過程中使用決策樹自動閾值分類與非監(jiān)督分類相結合，對二者所分出的同一區(qū)域有不同的結果進行目視解譯，最終確定提取區(qū)域的冰川面積。

3.2 面積提取方法步驟

首先，查閱相關資料確定祁連山自然保護區(qū)范圍，在USGS上下載研究區(qū)域內1995—2015年遙感影像，以及獲取DEM數(shù)據(jù)?；?ENVI5.3對遙感影像進行輻射定標和大氣校正，根據(jù)保護區(qū)范圍對影像進行拼接裁剪等操作，計算NDSI和NDVI值，建立決策樹進行自動分類，運用非監(jiān)督分類方法提取冰川信息，同時對DEM數(shù)據(jù)進行處理，提取出坡度<24的區(qū)域，結合決策樹分類結果、非監(jiān)督分類結果以及坡度信息確定冰川、冰漬物覆蓋冰川，最后運用ArcGis進行面積統(tǒng)計（圖2）。

3.3 相關性分析方法

相關分析性分析主要是相關系數(shù)與顯著性檢驗。通過分析冰川面積變化與氣候變化的相關性，能夠發(fā)現(xiàn)他們之間的密切程度及響應。

4 結果與分析

4.1 冰川面積變化

通過決策樹自動閾值分類與非監(jiān)督分類相結合的方法提取出1995—2015年祁連山自然保護區(qū)內冰川面積（圖3），結果表明，在祁連山自然保護區(qū)內冰川面積分為2個階段：第一階段是1995—2005年，冰川面積緩慢增加，1995年區(qū)域內冰川面積為276.59 km2，以平均每年16.7 km2速率增加;第二階段是2005年以后，冰川面積急劇下降，到2015年減少為217.33 km2。第2次我國冰川編目數(shù)據(jù)有較高的精度，可用來對比驗證該文結果。在第2次我國冰川編目數(shù)據(jù)集中提取祁連山自然保護區(qū)內矢量數(shù)據(jù)，經統(tǒng)計，祁連山自然保護區(qū)冰川面積為254 km2。

4.2 冰川面積變化與氣溫、降水相關性

由圖4可知，1995—2015年祁連山自然保護區(qū)年均降水量波動下降，2003年出現(xiàn)最高值，1995—2000年降水量增加幅度大，2010—2015年降水量減少速度快。氣溫狀況是以平均每年0.6 ℃的速率上升，1995—2014年從6.61 ℃上升至8.84 ℃，從圖3～4來看，冰川面積變化與降水量變化的相關性更強，趨勢基本一致。以定量的方式探討保護區(qū)降水量、氣溫與冰川面積之間的相關性，以相關系數(shù)的形式表達，結果表明降水量與冰川面積之間的相關系數(shù)為0.403，顯著性為0.122。氣溫與冰川面積之間的相關系數(shù)為-0.327，顯著性為0.216，二者之間成負相關關系，冰川面積變化與降水量變化的相關性強于與氣溫變化的相關性。

5 結論與討論

（1）1995—2015年祁連山自然保護區(qū)內冰川面積變化有2個不同階段：1995—2005年緩慢增加，2005—2015年急劇下降，整體呈減少趨勢。

（2）祁連山自然保護區(qū)年均降水量變化與冰川面積變化的相關性強于年均氣溫變化與冰川面積變化的相關性。冰川面積變化與降水之間的顯著性為0.122，與氣溫之間的顯著性為0.216。

（3）在不同時期降水量與溫度分別為冰川面積變化的主導因素。1995—2000年降水量急劇增加，溫度升高，降水量增加幅度大于溫度升高幅度，因此1995—2000年冰川面積緩慢增加，降水量是這一時期冰川面積變化的主導因素。2000—2005年降水量減少但氣溫較前一階段變化不大，因氣考慮到冰川凝結消融需要時間，有滯后性，其中能量變化是一個過程，該階段面積仍緩慢增加，但是速率小于1995—2000年。2005—2015年溫度持續(xù)升高，降水量同時波動下降，祁連山自然保護區(qū)內冰川面積由2010年的258.85 km2減少到217.33 km2，減少了41.52 km2。這一時期氣溫是冰川面積變化的主導因素。

（4）祁連山自然保護區(qū)內冰川面積變化與氣溫降水關系密切，降水量大于由氣溫升高帶來的消融量時冰川面積增加，降水量不足以補充氣溫升高帶來的消融時冰川面積減少。已有研究表明，氣溫每升高1 ℃需要降水量增加25%或35%才能彌補由升溫引起的冰川消融[18-19]，因此祁連山自然保護區(qū)冰川面積變化受氣溫與降水變化不同幅度的影響。祁連山地區(qū)冰雪融水是區(qū)域內水資源的重要來源，研究冰川面積變化與氣候相關關系能為保護區(qū)建設提供參考，保護生物多樣性。

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