劉吉平,金 晶,李晟銘,2,宋開山

(1.吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院,吉林四平 136000；2.閩西地質(zhì)大隊閩礦測繪院,福建廈門 361000；3.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林長春 130102)

湖泊是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有調(diào)節(jié)河川徑流、發(fā)展灌溉、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境與調(diào)節(jié)氣候的功能,是氣候變化的靈敏指標[1],其水源補給多種多樣,主要來源于集中降水和河川徑流兩種[2]。冰川補給型湖泊是由冰雪融水補給為主的湖泊,通常在氣溫上升時以冰雪融水的形式通過地表徑流對湖泊進行季節(jié)性補給[3],也有學(xué)者將其稱為冰湖(冰湖是由冰川作用形成的湖泊或以冰川融水為主要補給源的湖泊,在冰川作用區(qū)廣泛分布)[4]、冰川湖泊(是指以現(xiàn)代冰川融水為主要補給源或在冰磧壟洼地內(nèi)積水形成的天然水體)[5]。冰川補給型湖泊受人類活動影響較小,能真實反映全球的氣候狀態(tài),可用于研究氣候和環(huán)境的自然變化過程[6]。近些年來,隨著全球氣溫升高,不同地區(qū)冰川均呈不斷消融的變化趨勢[7],冰川融化問題逐漸受到學(xué)者重視[8]。冰川的融化不僅影響區(qū)域氣候的分布特征,還對生態(tài)系統(tǒng)造成一定的影響[9]。冰川退縮對附近河流流域水資源變化產(chǎn)生了明顯的影響[10],探討冰川補給型湖泊變化特征及影響,對于研究全球氣候變化與冰川響應(yīng)的關(guān)系、了解冰凍圈水資源及其災(zāi)害具有重要意義[11]。

受氣候變化和人類活動的共同影響,進入21世紀以來,湖泊在面積乃至空間格局上出現(xiàn)了很大變化[12]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者利用多源資料對湖泊面積動態(tài)變化進行了分析,尤其是冰川融水補給的湖泊面積擴張引起學(xué)者廣泛關(guān)注[13-16];基于遙感影像分析部分典型區(qū)域冰川補給型湖泊的變化,如近30年來,天山地區(qū)[4]、喜馬拉雅山[14]、青藏高原[15]、阿爾泰山區(qū)[16]冰川補給型湖泊面積均呈擴張趨勢。此外,研究者對冰川補給型湖泊研究側(cè)重點各不相同,主要包括冰川補給型湖泊潰決風(fēng)險評估[17],冰川補給型湖泊潰決災(zāi)害事件的調(diào)查分析[18-19],典型區(qū)域冰川補給型湖泊演化特征[20],湖泊水位波動的時空特征[21]等。以往成果多數(shù)集中在區(qū)域尺度上研究,對整個全球冰川補給型湖泊的面積、數(shù)量、分布及變化特征等缺乏全面認識,冰川補給型湖泊—氣候帶變化關(guān)系并不清楚；不同氣候帶之間氣候差異性較大,對冰川補給型湖泊動態(tài)變化產(chǎn)生影響較為明顯。在全球區(qū)域尺度上,不同氣候帶冰川補給型湖泊的變化與氣候變化之間的關(guān)系目前已成為學(xué)者研究的熱點問題,研究二者之間的關(guān)系對全球冰川補給型湖泊的生態(tài)環(huán)境保護和湖泊變化持續(xù)監(jiān)測具有重要意義。

本文基于Landsat TM/ETM+/OLI衛(wèi)星1995年、2005年、2015年3個時期的遙感影像數(shù)據(jù),應(yīng)用水體指數(shù)法并結(jié)合DEM數(shù)據(jù)分析1995—2015年全球冰川補給型湖泊整體變化趨勢及其不同氣候帶湖泊動態(tài)變化差異,探討其變化特征及其氣候變化對冰川補給型湖泊變化的影響,有利于認識冰川補給型湖泊—氣候帶兩者的變化關(guān)系,對于冰川消融的變化以及揭示全球氣候變化規(guī)律具有參考價值,同時為預(yù)測冰川補給型湖泊的未來發(fā)展趨勢提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)《World Glacier Inventory》[22]和《簡明中國冰川目錄》[23]的統(tǒng)計,全球冰川分布極其不均衡。通過美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)發(fā)布的2012年全球冰川分布數(shù)據(jù)(http:∥nsidc.org/glims)和全球湖泊與濕地數(shù)據(jù)集(GLWD,http:∥www.dataang.com)等信息,選取冰川較為集中、湖泊數(shù)量多的地區(qū)作為研究區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1Location of study area

本文數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局USGS(http:∥glovis.usgs.gov/)發(fā)布的Landsat衛(wèi)星系列的TM/ETM+/OLI遙感影像,分別為1995年、2005年、2015年3期遙感影像數(shù)據(jù),共180幅影像,空間分辨率為30 m×30 m,拍攝時段以降水補給減弱、積雪影響較少的北半球9—11月(南半球相反)為主；全球冰川分布數(shù)據(jù)來源于美國冰雪數(shù)據(jù)中心(http:∥nsidc.org/glims)發(fā)布的2012年冰川數(shù)據(jù),利用該編目數(shù)據(jù)作為參考,提取1995—2015年全球冰川補給型湖泊數(shù)據(jù)；全球水體邊界數(shù)據(jù)來自全球湖泊與濕地數(shù)據(jù)集(http:∥www.dataang.com)；DEM數(shù)據(jù)來自ENVI軟件中的數(shù)據(jù)庫(GMTED2010)和地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。

1.2 研究方法

采用Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和全球冰川分布數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ),結(jié)合RS和GIS技術(shù)、NDWI水體指數(shù)法,應(yīng)用EVNI5.3軟件、ArcGIS10.2軟件、IDL8.5軟件對全球冰川補給型湖泊進行提取。氣候?qū)W家對氣候帶的劃分進行了大量研究工作[24],由于斯查勒氣候分類法將冰川補給型湖泊的分布區(qū)域大部分界定為高地氣候類型,為反映全球不同氣候帶典型冰川補給型湖泊動態(tài)變化,本文參照柯本氣候分類法[25],結(jié)合氣候帶的命名習(xí)慣,把全球分為5個氣候帶,即熱帶、亞熱帶、溫帶、亞寒帶和寒帶。

1.2.1 Landsat影像處理

為了減少積雪與云量對提取冰川補給型湖泊的影響,選取1995年、2005年、2015年9—11月3期云量小于10%的Landsat TM/ETM+/OLI影像。對下載的原始數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、圖像拼接與裁剪等預(yù)處理工作,通過目視解譯提取全球1995年、2005年、2015年按照不同氣候帶劃分的冰川補給型湖泊數(shù)據(jù),進行對比分析。

1.2.2 冰川補給型湖泊提取方法

本文研究的湖泊為冰川補給型湖泊,因其特殊性,導(dǎo)致冰川光譜與水體光譜幾乎一致,人工很難進行提取,因此采用水體指數(shù)法來提取,其能有效抑制其他地物背景,增強水體信息,有效地將冰川與湖泊進行區(qū)分,閾值設(shè)置為0～0.8[26]。

(1)

式中:ρNDWI為水體指數(shù)；ρGREEN和ρNIR分別代表綠波段和近紅外波段的大氣頂層反射率數(shù)據(jù),在Landsat TM/ETM+系列影像中對應(yīng)為2、4波段,在Landsat OLI系列影像中對應(yīng)為3、5波段。

冰川大都分布在陡峭山脈中,水體與陰影光譜類似,容易夸大實際湖泊面積,導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度存在問題。據(jù)此結(jié)合冰川DEM數(shù)據(jù),根據(jù)一般99.2%水體分布于坡度小于8°理論[3],確定水體范圍。由于Landsat系列影像分辨率問題,參照Google Earth與GLWD數(shù)據(jù)對照,通過人工目視解譯對湖泊信息進行修改,刪除河流、人工水體和濕地以及面積<0.003 6 km2水體得到最終結(jié)果[3]。

1.2.3 精度評估

因研究地貌特殊,野外實地驗證困難,本文對提取冰川補給型湖泊的驗證進行隨機采樣,選取均勻分布于數(shù)據(jù)中的驗證點,運用混淆矩陣法來計算分類精度。隨機分別選取全球冰川補給型湖泊中600個采樣點作為本次驗證,以Google Earth歷史影像作為參考數(shù)據(jù),結(jié)果顯示,Google Earth與驗證點交集數(shù)量為576個,驗證精度高達96%。同時,將選取的600個驗證點與GLWD數(shù)據(jù)對比,考慮到GLWD數(shù)據(jù)最小面積>0.1 km2,本文提取冰川補給型湖泊面積>0.003 6 km2,因此選用驗證點中>0.1 km2的水體共295個驗證點與GLWD數(shù)據(jù)進行對比分析,發(fā)現(xiàn)有233個結(jié)果對應(yīng),提取精度為78%。綜合考慮Google Earth與GLWD精度驗正結(jié)果,另與全球30 m分辨率陸表水數(shù)據(jù)集(Global Land Surface Water Dataset)、高亞洲湖泊數(shù)據(jù)集進行對比,精度相對較高,可滿足本文研究需要。

2 結(jié)果分析

2.1 全球不同氣候帶典型冰川補給型湖泊變化特征

2015年,全球典型地區(qū)共有冰川補給型湖泊122 160個,總面積45 669.2 km2(表1)。在空間分布上,全球典型地區(qū)冰川補給型湖泊以溫帶和亞寒帶最多(圖1、表1),面積分別占全球冰川補給型湖泊總面積的41.16%和41.52%,熱帶地區(qū)最少,占總面積的0.27%。

表1 1995年、2005年和2015年全球不同氣候帶典型冰川補給型湖泊面積與數(shù)量

1995—2015年,全球典型冰川補給型湖泊面積和數(shù)量處于不斷變化之中。全球冰川補給型湖泊整體呈現(xiàn)持續(xù)擴張狀態(tài),冰川補給型湖泊面積增加了1 038 km2,數(shù)量減少了2 836個,20年間冰川補給型湖泊的面積增加了2.32%,數(shù)量減少了2.26%。對比各氣候帶冰川補給型湖泊面積在1995—2005年和2005—2015年的年平均變化率,發(fā)現(xiàn)熱帶、溫帶冰川補給型湖泊面積擴張速率在減緩,1995—2005年平均擴張速率為15.12%～16.08%,2005—2015年降為0.04%～4.78%;亞熱帶冰川補給型湖泊面積1995—2005年增加5.63%,2005—2015年減少2.95%；亞寒帶冰川補給型湖泊面積表現(xiàn)為“快速萎縮—緩慢擴張”的變化趨勢,1995—2005年減少6.21%,2005—2015年增加1.53%；寒帶冰川補給型湖泊面積1995—2005年減少13.97%,2005—2015年增加3.08%。由此可見,1995—2015年全球冰川補給型湖泊面積總體上呈擴張趨勢,但是五大氣候帶中又存在顯著差異,其中熱帶、亞熱帶、溫帶冰川補給型湖泊呈現(xiàn)擴張趨勢,亞寒帶、寒帶冰川補給型湖泊呈現(xiàn)萎縮趨勢。

2.2 全球不同規(guī)模典型冰川補給型湖泊變化特征

不同規(guī)模的冰川補給型湖泊也表現(xiàn)出不同的變化趨勢(表2)。根據(jù)湖泊面積大小,將湖泊分為3類:<1 km2的小型湖泊,1～50 km2的中型湖泊和>50 km2的大型湖泊。對小型湖泊、中型湖泊與大型湖泊的統(tǒng)計結(jié)果表明,在全球冰川補給型湖泊中,小型湖泊面積占15.48%,中型湖泊面積占24.30%,大型湖泊面積占60.53%。

表2 1995—2015年不同規(guī)模典型冰川補給型湖泊面積和數(shù)量

從1995—2015年全球典型冰川補給型湖泊面積變化來看(表2),小型湖泊和大型湖泊的冰川補給型湖泊面積變化差異大,中型湖泊面積相對變化較小。在不同規(guī)模等級上,小型湖泊面積減少了7.24%,中型湖泊面積減少了2.19%,而大型湖泊面積增加了6.96%。從各氣候帶來看,熱帶地區(qū)與溫帶地區(qū)小型湖泊、中型湖泊與大型湖泊面積均呈擴張趨勢;亞熱帶地區(qū)不同規(guī)模的冰川補給型湖泊呈不同變化趨勢,其中小型湖泊面積增加了1.46%,中型湖泊面積減少了2.46%,大型湖泊面積增加了3.91%;亞寒帶與寒帶冰川補給型湖泊面積均減小,其中以小型湖泊與中型湖泊變化最為劇烈,亞寒帶小型湖泊面積減少了6.97%,中型湖泊面積減少了9.13%,寒帶小型湖泊面積減少了23.35%,中型湖泊面積減少了17.98%。

3 討 論

3.1 氣候?qū)Ρㄑa給型湖泊的影響

現(xiàn)代全球氣候變化呈現(xiàn)升溫趨勢已經(jīng)成為學(xué)者們的一致看法[27]。已有研究表明冰川變化與全球變暖有著密切聯(lián)系,在氣候變暖的背景下,全球高寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)正經(jīng)歷著以升溫和降水增加為主要特征的暖濕化氣候變化趨勢[28]。高山冰川等高海拔地區(qū)是高寒生態(tài)系統(tǒng)中對氣候變化最敏感的區(qū)域,因冰川大多位于高寒地區(qū),人類活動強度相對較弱,氣候因素的變化直接影響著冰川補給型湖泊的變化趨勢[29]。鑒于部分研究區(qū)尚無詳實的冰川和凍土定位觀測資料,南北半球氣候差異較大,目前無法定量分析冰川補給型湖泊擴張原因,但全球近幾十年總的氣候背景有利于冰川補給型湖泊面積增加。就冰川補給型湖泊面積變化而言,通常氣溫升高、降水的增多以及蒸發(fā)的減少,都有利于冰川補給型湖泊面積的擴大[15]。根據(jù)譚超[30]的研究結(jié)果,全球氣溫變化率主要呈上升趨勢,2001—2016年間全球大部分區(qū)域降水變化率分布在-10～10 mm/a,說明其大部分區(qū)域的降水變化幅度較小,且該時段內(nèi)全球蒸散發(fā)表現(xiàn)為增加趨勢。總體上,全球1995—2015年呈現(xiàn)暖濕變化趨勢。該時段內(nèi)冰川補給型湖泊面積增加了1 038 km2,數(shù)量減少了2 386個。從全球尺度看,氣溫升高不僅導(dǎo)致陸地蒸騰量上升,增加流域內(nèi)湖泊水量的蒸發(fā),也使得部分冰川消失[31],補給來源減少,小型湖泊消失,導(dǎo)致數(shù)量有所減少。同時氣溫上升也使冰川退縮、凍土解凍水增加引起湖泊面積增大,抵消了蒸騰量上升帶來的影響,全球冰川補給型湖泊面積仍呈現(xiàn)擴張狀態(tài),其面積變化與區(qū)域尺度上天山地區(qū)[4]、青藏高原[15]、喜馬拉雅山[32]、阿爾泰山區(qū)[33]、安第斯山脈[34]等冰川補給型湖泊變化趨勢相一致。

不同氣候帶氣候變化差異較大,導(dǎo)致冰川補給型湖泊表現(xiàn)出不同的變化趨勢[35]。譚超[30]研究發(fā)現(xiàn):2001—2016年間全球中低緯地區(qū)增溫明顯,溫度增加的區(qū)域主要集中在高山、高原等高海拔地區(qū),而中高緯地區(qū)降溫突出,主要分布在平原等低海拔區(qū)域,且氣溫降低并不明顯；全球降水變化和蒸散發(fā)變化幅度較小。熱帶地區(qū)平均氣溫呈增暖趨勢,其上升率為0.165～0.334 ℃(10 a),降水變化總體趨勢減少,向干熱型轉(zhuǎn)變,但是變化幅度極小,尤其是降水量幾乎保持不變[36]。氣溫小幅度增長導(dǎo)致高山冰川融化,其面積與數(shù)量均呈擴張狀態(tài),但也由于氣溫變化幅度較小,間接導(dǎo)致了熱帶冰川補給型湖泊變化幅度也較小。亞熱帶以喜馬拉雅山為例[15],對該區(qū)10個氣象站近40 a的資料統(tǒng)計分析表明,升溫率為0.15～0.59 ℃/(10 a),增溫主要位于高海拔地區(qū),且蒸發(fā)量呈減少趨勢[37]。1951—2007年溫帶總體氣溫呈增加趨勢,并顯著提高[38],導(dǎo)致亞熱帶與溫帶冰川補給型湖泊呈擴張趨勢,并且增長幅度遠大于熱帶地區(qū),冰川補給型湖泊變化趨勢與王欣等[4]、Qiao和Zhu[39]的研究變化趨勢相一致,都呈現(xiàn)面積擴張趨勢。1998—2015年,歐亞大陸臨近北冰洋地區(qū),以及加拿大東北部和格林蘭島是全球陸地增溫趨勢最大的區(qū)域,增溫速率高達0.6 ℃/(10 a)以上,是全球變暖顯著區(qū)域,其氣溫上升幅度遠高于全球平均水平[40]。亞寒帶與寒帶小于1 km2的小型湖泊數(shù)量大幅度減少,1995—2015年面積變化率分別為-4.77%、-11.3%,近20年來氣溫大幅度升高,蒸騰量上升[40],部分冰川消失[31],導(dǎo)致小型湖泊面積大量減少,甚至已經(jīng)消亡?？梢?雖然不能定量說明氣溫、降水和蒸發(fā)三者對冰川補給型湖泊面積擴張的貢獻率有多大,但上述分析表明,近幾十年來全球氣溫升高(即冰川融水增加)是冰川補給型湖泊面積擴張的主要原因,而全球降水增加和蒸發(fā)的減少對冰川補給型湖泊面積擴張的作用不容忽視,下一步需深入探討。

值得注意的是,冰川補給型湖泊的變化并非受單一因素影響,除去氣候因素的影響,同時也受湖盆結(jié)構(gòu)、堤壩物理形態(tài)和山地坡度等因素制約[17],是湖水量收支平衡的結(jié)果。如亞寒帶與寒帶地區(qū),盡管全球大幅度變暖導(dǎo)致冰川融水直接注入,但在該地區(qū)共有6 371個小型湖泊(<1 km2),面積退縮了699.24 km2,說明冰川融水的注入不足以彌補冰川補給型湖泊水量的損失,不同地區(qū)冰川補給型湖泊受各種因素的影響程度不同,間接地反映出冰川補給型湖泊面積變化原因的多樣性與復(fù)雜性[15]。

3.2 與典型區(qū)域冰川補給型湖泊變化對比

在全球氣候變暖的背景下,大多數(shù)冰川都呈現(xiàn)退縮趨勢,冰川融水導(dǎo)致冰川補給型湖泊面積增加。為進一步研究全球冰川補給型湖泊變化特征,選取其他典型冰川補給型湖泊變化情況與本文做對比。已有研究發(fā)現(xiàn),除去格陵蘭和南極洲地區(qū),自1990年以來,全球冰川補給型湖泊的面積呈擴張趨勢。而地處高緯度地區(qū)的格陵蘭變化情況更為復(fù)雜,隨著冰蓋邊緣的后退,許多湖泊呈不斷萎縮趨勢,且包括格陵蘭湖在內(nèi),全球冰川補給型湖泊面積呈擴張趨勢[41],與本文全球不同氣候帶的典型冰川補給型湖泊變化趨勢相一致。另結(jié)合已經(jīng)發(fā)表的成果,對不同研究時段的天山、阿爾泰地區(qū)、喜馬拉雅山、西藏年楚河流域的冰川補給型湖泊變化特征進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)全球典型冰川補給型湖泊與其他地區(qū)變化趨勢相一致,面積均呈現(xiàn)擴張趨勢。本文研究得出1995—2015年亞熱帶典型冰川補給型湖泊面積擴張率為0.13%/a,溫帶典型冰川補給型湖泊面積擴張率為0.81%/a,相對處于相同環(huán)境的天山0.83%/a[4]、喜馬拉雅山0.97%/a[14]、阿爾泰山區(qū)0.58%/a[16]、西藏年楚河流域0.41%/a[42]等變化趨勢相一致。通過與其他區(qū)域冰川補給型湖泊變化趨勢進行對比,考慮到時間與空間尺度上的差異,其變化速率大小相似,總體變化趨勢相一致,間接性反映出本文冰川補給型湖泊的界定和解譯是相對準確和科學(xué)的,其精度可滿足本研究需求。

4 結(jié) 論

(1) 不同氣候帶冰川補給型湖泊呈現(xiàn)不同變化趨勢。1995—2015年熱帶典型區(qū)冰川補給型湖泊經(jīng)歷了一個快速擴張而后逐漸緩慢擴張狀態(tài);亞熱帶冰川補給型湖泊不同規(guī)模的湖泊數(shù)量和面積變化情況均經(jīng)歷了小幅度增加趨勢;溫帶地區(qū)冰川補給型湖泊面積僅次于亞寒帶湖泊面積,占全球冰川補給型湖泊面積的39.64%,1995—2015年內(nèi)呈波動式增加;亞寒帶與寒帶冰川補給型湖泊面積與數(shù)量均呈消減趨勢,亞寒帶湖泊數(shù)量退縮率大于寒帶。

(2) 不同規(guī)模的冰川補給型湖泊表現(xiàn)出不同的變化趨勢。熱帶地區(qū)小型湖泊、中型湖泊與大型湖泊面積均呈上升趨勢;亞熱帶小型湖泊面積增加了1.46%,中型湖泊面積減少了2.46%,大型湖泊面積增加了3.91%;溫帶不同規(guī)模冰川補給型湖泊面積均呈擴張趨勢,總體增長了16.12%;亞寒帶與寒帶以小型湖泊與中型湖泊變化最為劇烈,其中亞寒帶小型湖泊面積減少了6.97%,中型湖泊面積減少了9.13%;寒帶小型湖泊面積減少了23.35%,中型湖泊面積減少了17.98%。

本文只選取全球典型冰川補給湖泊作為研究區(qū),缺少對全球所有冰川補給型湖泊的研究,需要在今后的工作中進一步研究。另外冰川補給型湖泊大多位于高海拔地區(qū),難以獲得實測的水文數(shù)據(jù),國外氣象數(shù)據(jù)較難獲得,不能定量分析氣候變化與冰川補給型湖泊之間的關(guān)系,今后需對氣候-水文-冰川補給型湖泊之間的關(guān)系進一步研究。