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        1993—2016年喀喇昆侖山中部Shigar流域冰川物質(zhì)平衡變化空間特征研究

        2021-04-07 16:15:44王璐王寧練李志杰陳安安夏瑋靜
        冰川凍土 2021年1期

        王璐,王寧練,3,李志杰,陳安安,夏瑋靜

        (1.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710127;2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地表系統(tǒng)與災(zāi)害研究院,陜西西安710127;3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心,北京100101)

        0 引言

        山地冰川是冰凍圈的重要組成部分[1],是氣候變化的靈敏指示器之一[2-3],同時(shí)也是重要的淡水資源,被稱為“高山固體水庫”[4]。最新研究結(jié)果表明高亞洲大部分流域冰川融水對(duì)河流補(bǔ)給量將在本世紀(jì)中葉達(dá)到峰值,到本世紀(jì)末,冰川融水對(duì)河流徑流的補(bǔ)給率將有明顯的下降趨勢(shì)[5-8]。因此,冰川變化的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和研究在水資源保護(hù)和利用、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、災(zāi)害預(yù)警等方面具有重大意義。

        受氣候變暖的影響,全球大多數(shù)山地冰川在過去100年間處于退縮狀態(tài),在近幾十年內(nèi)呈加速退縮趨勢(shì)[9-11]。高亞洲地區(qū)冰川亦普遍萎縮,并呈現(xiàn)出自東南向西北萎縮速率逐漸變小的空間格局[12]。Hewitt[13]發(fā)現(xiàn)從20世紀(jì)90年代后期開始喀喇昆侖山中部冰川出現(xiàn)了停滯和前進(jìn)現(xiàn)象,提出了“喀喇昆侖異?!?,引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注和討論[12-17]。Farinotti等[18]指出喀喇昆侖的兩個(gè)顯著異常特征是微弱的正物質(zhì)平衡和大量的躍動(dòng)冰川存在。Gardelled等[19]基于SRTM DEM和SOPT5立體像對(duì)利用大地測(cè)量學(xué)方法估算得出在喀喇昆侖山中部1999—2011年間冰川呈正物質(zhì)平衡,為(+0.10±0.16)m w.e.·a-1;Ka¨a¨b等[20]基于SRTM DEM和ICESat數(shù)據(jù)估算得出喀喇昆侖山2003—2008年冰川高程變化:冬季為(+0.41±0.04)m·a-1,秋季為(-0.07±0.04)m·a-1。有研究[21-22]指出近二十年來喀喇昆侖山冰川末端前進(jìn)、退縮和穩(wěn)定等現(xiàn)象同時(shí)存在,大量冰川正在發(fā)生躍動(dòng)或曾出現(xiàn)過躍動(dòng)。因此,喀喇昆侖山冰川變化存在明顯的空間差異性,其冰川變化的異?,F(xiàn)象主要表現(xiàn)為冰川的前進(jìn)和躍動(dòng)。但目前來說,對(duì)喀喇昆侖山不同類型冰川的研究,尤其是對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)冰川的表面高程變化和物質(zhì)平衡的研究較少,這種異常現(xiàn)象值得進(jìn)一步關(guān)注。

        冰川變化是由氣候、地形、冰川自身規(guī)模等多種因素共同作用導(dǎo)致的。一般情況下,在空間區(qū)域較小的范圍內(nèi),氣候變化的特征通常趨向于一致化[23]。因此對(duì)于空間范圍較小的區(qū)域而言,氣候變化是導(dǎo)致冰川變化總體特征的主要因素[24],而地形特征和冰川自身的規(guī)模特征等則是導(dǎo)致冰川變化差異性的主要因素。本研究選取喀喇昆侖山中部冰川變化差異較大的Shigar流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,以探究同一區(qū)域內(nèi)同時(shí)存在的不同類型冰川的面積變化、表面高程變化、物質(zhì)平衡變化及其可能的原因。

        1 研究區(qū)概況

        Shigar流域位于印度河上游,喀喇昆侖山中部,介于74°53′~76°45′E和35°19′~36°07′N之間,流域面積約6.92×103km2。流域內(nèi)地形高聳,海拔分布在2 150~8 611 m之間,45%左右的地區(qū)海拔高于5 000 m[25]。Shigar流域受高聳地形的影響,氣溫低且溫差大[26],流域降水主要受西風(fēng)氣流的影響,陡峭的地形導(dǎo)致氣流的頻繁擾動(dòng),使得山地降水相對(duì)豐富。流域內(nèi)山地冰川廣泛發(fā)育而且規(guī)模較大,其中巴爾托洛冰川和Biafo冰川的面積分別高達(dá)809.11 km2和559.81 km2。

        2 數(shù)據(jù)與方法

        2.1 數(shù)據(jù)來源

        本研究采用的遙感影像數(shù)據(jù)(表1)來源于的Landsat系列衛(wèi)星搭載的TM/ETM+/OLI傳感器,影像均下載于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(USGS,http://www.usgs.gov)。本文盡可能選擇消融季末期、云雪覆蓋較少的影像,最終選擇了1990—2016年的影像,其中以1993年、2000年、2016年3個(gè)時(shí)期的影像共計(jì)12景提取冰川邊界,選擇共計(jì)14景影像判定躍動(dòng)冰川的運(yùn)動(dòng)特征。所有影像都由USGS進(jìn)行了輻射校正和地面控制點(diǎn)校正以及地形校正。TM影像數(shù)據(jù)分辨率為30 m,ETM+/OLI影像數(shù)據(jù)采用Gram-Schmidt光譜銳化方法[27-28]進(jìn)行多光譜與全色波段融合后分辨率為15 m。

        圖1 Shigar流域地理位置及冰川分布Fig.1 Map showing the geographic location of Shigar basin and distribution of glaciers

        本研究中的DEM數(shù)據(jù)采用了SRTM 3 DEM(http://eros.usgs.gov)和TanDEM-X DEM(https://download.geoservice.dlr.de/TDM90/),兩者的空間分辨率都為90 m。由于SRTM DEM是基于EGM96大地水準(zhǔn)高的正常高,而TanDEM-X DEM是基于WGS84橢球體的大地高,因此需要通過hwgs84=HEGM96+NEGM96geoid將TanDEM-X DEM從WGS84橢球高轉(zhuǎn)換為EGM96大地水準(zhǔn)高。此外,在目視解譯冰川邊界過程中,還參考了Randolph Glacier Inventory 6.0編 目 數(shù) 據(jù)(http://www.glims.org)和Google Earth高分辨率影像。

        2.2 冰川邊界提取

        2.2.1 冰川邊界提取方法

        基于遙感影像提取冰川邊界的方法主要有人工目視解譯方法和監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、比值閾值法、積雪指數(shù)閾值法等自動(dòng)分類方法[29]。Shigar流域所在的喀喇昆侖山中部地區(qū)冰川末端有大量表磧覆蓋,而當(dāng)前尚無普遍適用的表磧型冰川邊界自動(dòng)化提取方法[30],并且計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯的結(jié)果通常需要進(jìn)行大量的人工修正。因此,本文采用目前精度較高的目視解譯方法提取冰川邊界。

        為了減小冰川邊界提取中的誤差,首先利用ENVI軟件對(duì)ETM+/OLI影像數(shù)據(jù)進(jìn)行多光譜與全色波段融合,然后利用ArcGIS 10.4軟件對(duì)影像進(jìn)行假彩色合成,對(duì)于裸冰區(qū)而言,直接根據(jù)冰川區(qū)與非冰川區(qū)顯著的色彩差異進(jìn)行冰川邊界的數(shù)字化,精度可以達(dá)到像元級(jí)。對(duì)于表磧覆蓋區(qū)的識(shí)別主要是參考冰川編目數(shù)據(jù)[31],依據(jù)冰川末端的水文特征和兩側(cè)地形條件:一方面是由于冰川的長(zhǎng)期融水及融水的沖刷,使得冰川末端形成較明顯的水系出露,這是識(shí)別有表磧覆蓋的冰川末端的標(biāo)志之一;另一方面是冰舌部位表磧覆蓋區(qū)與冰川兩側(cè)地形相比有較大的高程差,可利用DEM數(shù)據(jù)來獲取等高線用于判斷冰川末端表磧覆蓋。相鄰冰川以山脊線為界劃分。在解譯完成后,將目視解譯的冰川邊界與RGI 6.0冰川邊界對(duì)比,可看出目視解譯的冰川邊界準(zhǔn)確度較高,可有效避免將積雪誤判為冰川[圖2(a)]。同時(shí),利用Google Earth影像對(duì)冰川邊界進(jìn)行檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)目視解譯的冰川邊界能將冰川末端的表磧覆蓋區(qū)準(zhǔn)確的包括在內(nèi)[圖2(b)]??紤]到遙感影像的分辨率狀況,本文只統(tǒng)計(jì)面積大于0.01 km2的冰川[32]。

        表1 遙感影像數(shù)據(jù)Table 1 Remote sensing images

        利用Landsat衛(wèi)星遙感影像(表1)來確定1993年和2016年的冰川末端位置變化情況,用于判斷1993—2016年間冰川是否發(fā)生了前進(jìn)或退縮,還是保持穩(wěn)定。參考Rankl等[16]提出的定義:當(dāng)冰川末端至少變化60 m時(shí),該冰川才能被判斷為前進(jìn)或者退縮。本研究根據(jù)該定義來進(jìn)行冰川分類:當(dāng)冰川末端前進(jìn)超過60 m時(shí)為前進(jìn)冰川;冰川末端退縮超過60 m時(shí)為退縮冰川;否則為穩(wěn)定冰川。冰川末端變化利用冰川主流線長(zhǎng)度變化來確定,冰川主流線通過自動(dòng)識(shí)別方法和結(jié)合后期人工修正來提取。自動(dòng)提取方法原理如下:首先利用DEM數(shù)據(jù)識(shí)別冰川最低點(diǎn)和局部最高點(diǎn),然后通過冰川邊界點(diǎn)構(gòu)建泰森多邊形,基于泰森多邊形頂點(diǎn)特性選擇和優(yōu)化路徑,得出冰川主流線,最后選取冰川主流線中最長(zhǎng)路徑即為冰川長(zhǎng)度。躍動(dòng)冰川是指周期性發(fā)生快速運(yùn)動(dòng)的冰川,當(dāng)冰川躍動(dòng)時(shí),冰川會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)快速前進(jìn),其速度往往是平時(shí)的數(shù)倍至上百倍,冰川躍動(dòng)后,可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)年冰川補(bǔ)償性后退[33]。本研究基于前人的研究成果[21,34-38]來確定躍動(dòng)冰川,同時(shí)結(jié)合冰川末端運(yùn)動(dòng)速度、冰川表面高程變化來判斷冰川是否在研究時(shí)段內(nèi)發(fā)生過躍動(dòng)。

        圖2 目視解譯冰川邊界Fig.2 Glacier boundary based on manual visual interpretation:comparison with Randolph 6.0 Glacier inventory(a);the high-resolution Google Earth imagery was used to verify glacier boundary(b)

        2.2.2 冰川邊界精度評(píng)價(jià)

        冰川邊界人工提取的精度主要受人為判讀誤差、遙感影像質(zhì)量和空間分辨率等因素的影響[39]。在目視解譯工作開始前,工作人員均通過專家培訓(xùn)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了冰川學(xué)的相關(guān)知識(shí),盡可能減少人為誤判帶來的誤差。有研究對(duì)USGS所提供的正射矯正后的Landsat遙感影像進(jìn)行正射精度檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其檢驗(yàn)的大部分影像矯正精度在1/2個(gè)像元左右,因此USGS提供的Landsat遙感影像具有相當(dāng)高的校正精度[40],因此本文未對(duì)影像進(jìn)行進(jìn)一步矯正,僅考慮遙感影像空間分辨率造成的誤差,采用下式計(jì)算[41]:

        式中:β為單條冰川面積的不確定性;N為冰川邊界所經(jīng)過的像元數(shù)量;λ為空間分辨率。計(jì)算得到1993年、2000年、2016年冰川面積提取的誤差值分別為±160.73 km2、±80.87 km2、±80.69 km2。

        計(jì)算冰川面積變化的不確定時(shí),考慮到山地冰川面積變化主要發(fā)生在冰川中下部[42],因此計(jì)算誤差時(shí)僅涉及冰川末端發(fā)生變化的部分,采用下式計(jì)算[43]:

        式中:βAB為兩期冰川面積變化誤差,βA和βB分別為單期冰川面積提取誤差。

        2.3 冰川物質(zhì)平衡計(jì)算方法

        2.3.1 DEM配準(zhǔn)及校正

        (1)空 間 配 準(zhǔn):SRTM DEM和TanDEM-X DEM的獲取時(shí)間分別為2000年和2013年,在這13年內(nèi),非冰川區(qū)的地形是基本保持穩(wěn)定的。因此基于非冰川區(qū)DEM的高程差進(jìn)行多源DEM間的空間配準(zhǔn)。不同DEM之間空間匹配誤差導(dǎo)致的高程差dh與坡度α、坡向φ之間存在明顯的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,因此可以利用該關(guān)系對(duì)偏差進(jìn)行校正[44]:

        (2)高程殘差校正:多源DEM在經(jīng)過空間匹配后仍會(huì)存在一定的高程殘差,高程殘差的存在主要與DEM的空間分辨率有關(guān)。多源DEM之間的高程殘差和地表最大曲率之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系,這種關(guān)系在冰川區(qū)和非冰川區(qū)表現(xiàn)出良好的一致性[45],因此可利用非冰川區(qū)高程殘差和地表最大曲率之間的關(guān)系對(duì)冰川區(qū)的高程殘差進(jìn)行校正[46]。

        (3)SRTM DEM透射深度校正:由于SRTM C波段數(shù)據(jù)對(duì)冰雪有一定的穿透能力,而X波段數(shù)據(jù)對(duì)冰雪的穿透可忽略不計(jì)。因此本研究利用SRTM X波段數(shù)據(jù)對(duì)C波段數(shù)據(jù)的冰雪透射深度進(jìn)行估算和校 正[22,45,47]。校 正后 的 結(jié) 果 顯示 在Shigar流 域SRTM C波段對(duì)雪冰的平均透射深度約為0.85 m。

        (4)剔除異常值:為更真實(shí)的反映冰川表面高程變化,根據(jù)冰川表面高程變化圖以及高程變化的柵格值和柵格數(shù)量直方圖得出有95%以上的柵格集中±150 m范圍內(nèi)。因此本文設(shè)定±150 m為閾值范圍來剔除不同DEM間高程差的異常值[19]。

        2.3.2 冰川物質(zhì)平衡估算采用以下公式計(jì)算[48]:

        式中:B表示物質(zhì)平衡,ρ為冰川體積向物質(zhì)平衡轉(zhuǎn)換的密度,本文采用Huss推薦的平均密度850 kg·m-3作為轉(zhuǎn)換密度[49]。Sg表示冰川面積,n為冰川區(qū)的像元總數(shù),Δhi表示研究時(shí)段內(nèi)像元點(diǎn)的高程差異,Sp表示單個(gè)像元的面積。

        2.3.3 誤差評(píng)估

        利用平均標(biāo)準(zhǔn)誤差來評(píng)估冰川表明高程變化的不確定性[50]:

        式中:σ為不同DEM數(shù)據(jù)間高程變化的相對(duì)誤差;SE表示平均標(biāo)準(zhǔn)誤差;N為空間去相關(guān)處理后的像元個(gè)數(shù),空間去相關(guān)距離為600 m[51];STDVnoglacier表示非冰川區(qū)高程差的標(biāo)準(zhǔn)差;MED表示非冰川區(qū)的平均高程差。

        研究時(shí)段的物質(zhì)平衡不確定性UM用下列公式計(jì)算:

        式中:t表示研究時(shí)段長(zhǎng)度(2000—2013年);Δh代表冰川區(qū)的平均高程差;Δρ為冰密度的不確定性(60 kg·m-3);ρW和ρI分別表示水密度(1 000 kg·m-3)和轉(zhuǎn)換密度(850 kg·m-3)。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 冰川面積變化

        2016年Shigar流域內(nèi)分布有冰川516條,總面積為(2 895.30±80.69)km2,約占流域面積的42%。1993—2016年間Shigar流域冰川面積由(2 897.97±160.73)km2減少到(2 895.30±80.69)km2,年均萎縮率為(-0.00±0.02)%·a-1(表2)。1993—2000年和2000—2016年兩個(gè)研究時(shí)段冰川面積變化率分別為(+0.01±0.02)%·a-1和(-0.01±0.02)%·a-1,表明近20年來Shigar流域冰川面積變化微弱。同時(shí),由于冰川末端前進(jìn)導(dǎo)致冰川匯合,研究區(qū)內(nèi)冰川數(shù)量由1993年的519條減少為516條??傮w看來,1993—2016年間Shigar流域冰川基本處于穩(wěn)定狀態(tài),面積變化非常微弱;部分冰川還存在擴(kuò)張現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為冰川末端的前進(jìn)和躍動(dòng)。

        表2 1993—2016年Shigar流域冰川面積變化Table 2 Changes in glacier area of the Shigar basin during 1993—2016

        基于1993—2016年流域內(nèi)冰川末端變化和冰川表面高程變化情況,本研究將冰川分為躍動(dòng)冰川、前進(jìn)冰川、穩(wěn)定冰川和退縮冰川進(jìn)行討論。1993—2016年間,有25條冰川發(fā)生躍動(dòng)[21,34-38],68條冰川末端發(fā)生前進(jìn),50條冰川末端發(fā)生退縮,376條冰川末端保持穩(wěn)定。其中,在68條前進(jìn)冰川中,有41條在1993—2000年發(fā)生過前進(jìn),23條在2000—2016年間發(fā)生過前進(jìn),4條冰川在1993—2016年間持續(xù)前進(jìn)。在此期間,冰川躍動(dòng)導(dǎo)致流域冰川面積增加1.30 km2,冰川末端前進(jìn)導(dǎo)致流域冰川面積增加0.86 km2,冰川末端退縮導(dǎo)致流域冰川面積減少3.48 km2,穩(wěn)定冰川面積減少了1.34 km2。

        3.1.1 冰川規(guī)模特征

        躍動(dòng)冰川中冰川長(zhǎng)度最大值為12.58 km(平均值為6.30 km),前進(jìn)冰川中冰川長(zhǎng)度最大值為12.30 km(平均值為3.34 km),退縮冰川中冰川長(zhǎng)度最大值為16.80 km(平均值為3.08 km),穩(wěn)定冰川中冰川長(zhǎng)度最大值為62.97 km(平均值為1.87 km)。從不同長(zhǎng)度區(qū)間內(nèi)各類型冰川數(shù)量占該類冰川總數(shù)量的百分比[圖3(a)]可看出,躍動(dòng)冰川的冰川長(zhǎng)度相比其他3類冰川要集中在較長(zhǎng)范圍,60%的躍動(dòng)冰川長(zhǎng)度>5 km;前進(jìn)冰川比退縮冰川的冰川長(zhǎng)度要略長(zhǎng),但這兩類冰川均有超過70%的冰川長(zhǎng)度在1~5 km內(nèi);穩(wěn)定冰川長(zhǎng)度多集中在<1 km的范圍內(nèi),但流域內(nèi)長(zhǎng)度>40 km的冰川共有4條,其中3條為穩(wěn)定冰川。

        圖3 Shigar流域內(nèi)躍動(dòng)冰川、前進(jìn)冰川、退縮冰川和穩(wěn)定冰川在不同長(zhǎng)度規(guī)模(a)和面積規(guī)模(b)等級(jí)內(nèi)的數(shù)量占比Fig.3 Quantity percentage of surge-type,advancing,retreating,and stable glaciers in different glacier length(a)and area(b)in the Shigar basin

        從不同規(guī)模內(nèi)各類型冰川數(shù)量占該類冰川總數(shù)量的百分比[圖3(b)]可看出,躍動(dòng)冰川多為較大規(guī)模,60%的躍動(dòng)冰川面積>5 km2,這與冰川長(zhǎng)度分布規(guī)律一致;74%的前進(jìn)冰川分布在規(guī)模0.5~5 km2范圍內(nèi);有50%的退縮冰川面積<1 km2,退縮冰川多為小規(guī)模;穩(wěn)定冰川規(guī)模差異較大,流域內(nèi)規(guī)模>50 km2的6條大冰川中有5條均為穩(wěn)定冰川,此外,穩(wěn)定冰川中有75%的冰川規(guī)模<1 km2。結(jié)合不同規(guī)模中各類冰川數(shù)量占比可看出,在流域內(nèi)氣候條件變化一致的情況下,大規(guī)模冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)較小規(guī)模冰川要滯后,更容易保持穩(wěn)定狀態(tài)。

        3.1.2 冰川地形特征

        根據(jù)流域內(nèi)的山谷位置將流域分為四部分,分別是Chogo Lungma區(qū)域(Ch)、Biafo區(qū)域(Bi)、Panmah區(qū)域(Pa)和巴爾托洛區(qū)域(Ba)。從不同類型冰川的空間分布(圖4)可看出,躍動(dòng)冰川主要分布在Pa區(qū)域和Ba區(qū)域南部山坡的北朝向地區(qū),躍動(dòng)冰川與前進(jìn)冰川分布地區(qū)具有一致性;此外,前進(jìn)冰川還分布在Ch地區(qū);退縮冰川主要分布在Ch區(qū)域和Shigar河干流東部山坡的東朝向地區(qū)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)的4條特大規(guī)模冰川(巴爾托洛冰川面積為809.11 km2、Biafo冰川面積為559.81 km2、Panmah冰川面積為305.94 km2、Chogo Lungma冰川面積為287.61 km2)在研究時(shí)段內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài),且冰川末端都有大面積表磧覆蓋。

        圖4 Shigar流域內(nèi)躍動(dòng)冰川、前進(jìn)冰川、退縮冰川和穩(wěn)定冰川的空間分布Fig.4 Spatial distribution of surge-type,advancing,retreating,and stable glaciers in the Shigar basin

        通過對(duì)不同類型冰川的最低海拔統(tǒng)計(jì)得出躍動(dòng)冰川的最低海拔普遍高于其他類型冰川,前進(jìn)冰川的最低海拔普遍高于退縮冰川,這可能是由于隨著海拔的增高氣溫降水條件改變,使得冰川積累量增加,進(jìn)而對(duì)冰川運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。同時(shí),從不同海拔帶內(nèi)各類冰川面積變化率[圖5(a)]可看出,躍動(dòng)冰川在海拔<5 000 m的范圍內(nèi)冰川面積增加,在海拔>5 000 m的范圍內(nèi)冰川面積變化微弱,面積變化率幾乎接近于0;前進(jìn)冰川面積增加率隨著海拔升高不斷減少;退縮冰川在各海拔帶內(nèi)的面積均呈減少狀態(tài),并隨著海拔的升高退縮冰川面積減少率逐漸減??;各海拔帶內(nèi)的穩(wěn)定冰川面積變化微弱。同時(shí)冰川面積變化主要發(fā)生在低海拔地區(qū)。以上分析說明冰川的躍動(dòng)和前進(jìn)在很大程度上彌補(bǔ)了冰川退縮所造成的流域內(nèi)冰川面積減少。將冰川覆蓋范圍內(nèi)的地形平均坡度視為冰川坡度,對(duì)冰川坡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)冰川主要分布在坡度20°~30°的范圍內(nèi),但通過統(tǒng)計(jì)各坡度范圍內(nèi)各類冰川的數(shù)量占比[圖5(b)]發(fā)現(xiàn)冰川末端變化與冰川坡度并無顯著相關(guān)關(guān)系。

        圖5 躍動(dòng)冰川、前進(jìn)冰川、退縮冰川和穩(wěn)定冰川在不同海拔帶內(nèi)冰川面積變化率(a)和不同坡度等級(jí)內(nèi)冰川數(shù)量占比(b)Fig.5 Area change rates in different altitudes(a)and quantity percentage in different slopes(b)of surge-type,advancing,retreating,and stable glaciers in the Shigar basin

        3.2 冰川物質(zhì)平衡

        有研究[34]指出TanDEM-X DEM更適用于冰川表面高程變化研究,本文基于SRTM DEM和Tan-DEM-X DEM采用大地學(xué)測(cè)量方法對(duì)Shigar流域的冰川物質(zhì)平衡進(jìn)行了估算。結(jié)果表明(圖6),在2000—2013年間,Shigar流域內(nèi)冰川表面高程變化速率為(-0.00±0.04)m·a-1,冰川物質(zhì)平衡估算結(jié)果為(-0.00±0.03)m w.e.·a-1,表明2000年以來Shigar流域冰川基本保持穩(wěn)定。其中,2000—2013年躍動(dòng)冰川物質(zhì)平衡為(+0.17±0.03)m w.e.·a-1,前進(jìn)冰川物質(zhì)平衡為(-0.01±0.03)m w.e.·a-1,退縮冰川物質(zhì)平衡為(-0.22±0.03)m w.e.·a-1,穩(wěn)定冰川物質(zhì)平衡為(-0.01±0.03)m w.e.·a-1,表明流域內(nèi)冰川物質(zhì)平衡保持穩(wěn)定主要是受躍動(dòng)冰川物質(zhì)增加影響。

        圖6 2000—2013年Shigar流域冰川高程變化Fig.6 Glacier elevation change in the Shigar basin during 2000—2013

        流域內(nèi)不同海拔帶內(nèi)的冰川表面高程變化(圖7)表明,在海拔4 400~5 600 m的中高海拔地區(qū)冰川表面高程主要呈升高狀態(tài),在海拔<4 400 m的地區(qū)冰川表面高程降低,原因可能是隨著海拔增高氣溫逐漸降低,降水量增加,冰川積累量逐漸增加;而在海拔>5 600 m的高海拔地區(qū)冰川表面高程降低,原因可能有以下兩方面:一方面是在海拔>5 600 m的地區(qū)地形平均坡度>35°,在這樣的陡峭地區(qū)降水不易被保存,同時(shí)容易發(fā)生冰崩、雪崩等現(xiàn)象,從而使得冰川物質(zhì)減少,另一方面是在高海拔陡峭地區(qū)不同DEM數(shù)據(jù)之間的配準(zhǔn)誤差較大。

        圖7 2000—2013年不同海拔帶內(nèi)冰川面積和表面高程變化Fig.7 The glacier area and elevation change in different altitudes during 2000—2013

        表3 中對(duì)不同學(xué)者的研究成果進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在不同的研究中喀喇昆侖山中部地區(qū)冰川均呈微弱正平衡或接近零平衡的狀態(tài)。不同研究結(jié)果的差異可能是研究區(qū)、研究時(shí)段、研究方法、轉(zhuǎn)換密度和SRTM C波段透射深度等的選擇不同造成的。但總體來說,研究區(qū)內(nèi)冬季降水量增加和夏季氣溫下降使得冰川積累量增多、消融量減少[17,22],冰川基本保持穩(wěn)定,進(jìn)一步印證了“喀喇昆侖異?!薄?/p>

        表3 喀喇昆侖地區(qū)冰川物質(zhì)平衡的不同研究結(jié)果Table 3 Different results of glacier mass balance of the Karakoram

        3.2.1 冰川高程變化特征分析

        對(duì)不同類型冰川的表面高程變化隨冰川長(zhǎng)度的變化進(jìn)行歸一化處理(圖中0代表冰川末端,1代表冰川頂部,冰川長(zhǎng)度為冰川主流線)后發(fā)現(xiàn)(圖8),四類冰川表現(xiàn)出不同的表面高程變化模式:躍動(dòng)冰川末端及消融區(qū)冰川表面顯著升高,冰川中上部呈微弱降低,而冰川上部微弱升高;前進(jìn)冰川末端表面高程升高,但升高程度小于躍動(dòng)冰川,且前進(jìn)冰川中部微弱降低,中上部微弱升高,上部呈降低狀態(tài);退縮冰川末端表面高程降低,中部略有升高,上部則降低;穩(wěn)定冰川除上部表面高程降低較明顯外,其他部分冰川表面高程變化十分微弱。

        統(tǒng)計(jì)四類冰川在不同海拔帶內(nèi)和不同坡度區(qū)間的表面高程變化(圖9)可看出:躍動(dòng)冰川在海拔3 600~4 600 m的地區(qū)表面高程明顯升高,在海拔5 000~5 800 m且坡度<45°的地區(qū)表面高程微弱升高,而在海拔>5 800 m的地區(qū)以及海拔4 600~5 800 m且坡度>50°的地區(qū)躍動(dòng)冰川表面高程降低明顯;前進(jìn)冰川表面高程升高主要發(fā)生在海拔<3 600 m的冰川末端和海拔4 400~5 600 m的地區(qū),表面高程降低主要發(fā)生在海拔5 600~5 800 m且坡度>45°的冰川上部地區(qū)和海拔3 600~4 200 m的地區(qū);退縮冰川表面高程升高主要發(fā)生在海拔4 600~5 400 m且坡度<40°的地區(qū),表面高程降低主要發(fā)生在海拔<4 400 m的冰川末端和冰川消融區(qū);穩(wěn)定冰川表面高程升高主要發(fā)生在海拔4 400~5 800 m且坡度<40°的地區(qū),表面高程降低主要發(fā)生在海拔<4 400 m且坡度<35°的地區(qū)和海拔>4 600 m且坡度>45°的地區(qū)。同時(shí)結(jié)合研究時(shí)段內(nèi)冰川表面高程變化隨冰川長(zhǎng)度的變化可得出:在相同區(qū)域氣候條件下,躍動(dòng)冰川物質(zhì)積累量大從而使得冰川表面高程升高明顯,同時(shí)推動(dòng)躍動(dòng)冰川末端向前運(yùn)動(dòng);前進(jìn)冰川上部物質(zhì)積累并且積累的物質(zhì)向下運(yùn)動(dòng)從而推動(dòng)冰川末端不斷緩慢前進(jìn);退縮冰川物質(zhì)積累量少、冰川末端及消融區(qū)物質(zhì)虧損量大從而影響冰川末端逐漸退縮;穩(wěn)定冰川總體高程變化微弱,但也主要表現(xiàn)在冰川中上部呈物質(zhì)積累,冰川下部呈物質(zhì)虧損。

        圖8 躍動(dòng)冰川(a)、前進(jìn)冰川(b)、退縮冰川(c)和穩(wěn)定冰川(d)表面高程變化隨歸一化冰川長(zhǎng)度的變化Fig.8 The normalized glaciers,length distribution of elevation changes of surge-type(a),advancing(b),retreating(c),and stable(d)glaciers

        4 結(jié)論

        本研究基于Landsat系列遙感影像、SRTM DEM、和TanDEM-X DEM等資料分析了喀喇昆侖山中部Shigar流域不同類型冰川的面積變化和物質(zhì)平衡,結(jié)果表明:

        (1)1993—2016年間Shigar流域冰川面積減少了(2.67±14.79)km2。其中,躍動(dòng)冰川面積增加了1.30 km2;前進(jìn)冰川面積增加了0.86 km2;退縮冰川面積減少了3.48 km2,穩(wěn)定冰川面積減少了1.34 km2。冰川前進(jìn)和躍動(dòng)在一定程度上抵消了冰川退縮所造成的冰川面積減少。

        (2)2000—2013年間Shigar流域冰川物質(zhì)平衡估算結(jié)果為(-0.00±0.03)m w.e.·a-1。躍動(dòng)冰川物質(zhì)平衡為(+0.17±0.03)m w.e.·a-1,前進(jìn)冰川物質(zhì)平衡為(-0.01±0.03)m w.e.·a-1,退縮冰川物質(zhì)平衡為(-0.22±0.03)m w.e.·a-1,穩(wěn)定冰川物質(zhì)平衡為(-0.01±0.03)m w.e.·a-1。流域內(nèi)冰川保持穩(wěn)定主要是受躍動(dòng)冰川物質(zhì)增加影響。在同一流域內(nèi),冰川受相同區(qū)域氣候條件的影響,躍動(dòng)冰川物質(zhì)積累量大、冰川表面高程升高明顯,推動(dòng)部分躍動(dòng)冰川末端向前運(yùn)動(dòng);前進(jìn)冰川主要表現(xiàn)為上部物質(zhì)積累并向下運(yùn)動(dòng),推動(dòng)冰川末端緩慢向前運(yùn)動(dòng);退縮冰川末端及消融區(qū)物質(zhì)虧損量大,冰川末端逐漸退縮;穩(wěn)定冰川總體保持穩(wěn)定。

        (3)多數(shù)躍動(dòng)冰川的冰川長(zhǎng)度和冰川規(guī)模都集中在較高范圍內(nèi)。超過70%的前進(jìn)冰川和退縮冰川的冰川長(zhǎng)度在1~5 km的范圍內(nèi),73.53%的前進(jìn)冰川分布在規(guī)模0.5~5 km2范圍內(nèi),50%的退縮冰川面積<1 km2,退縮冰川多為小規(guī)模。流域內(nèi)的4條特大規(guī)模冰川(巴爾托洛冰川、Biafo冰川、Panmah冰川、Chogo Lungma冰川)均為穩(wěn)定冰川,大規(guī)模冰川易保持穩(wěn)定,小規(guī)模冰川易發(fā)生改變。不同類型冰川的空間分布差異較大,但躍動(dòng)冰川和前進(jìn)冰川的空間分布具有一致性。海拔高度通過影響氣溫降水條件從而影響冰川運(yùn)動(dòng)狀態(tài),冰川面積變化主要發(fā)生在低海拔地區(qū)。流域內(nèi)冰川主要分布在坡度20°~30°的范圍內(nèi),但地形坡度對(duì)冰川運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差異性的影響不顯著。

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