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。