張 聰，姚曉軍，劉時銀，張大弘，許君利

（1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000；3.云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院，云南昆明650091；4.鹽城師范學(xué)院城市與規(guī)劃學(xué)院，江蘇鹽城224002）

0 引言

冰凍圈是指地球表面具有一定厚度且連續(xù)分布的負(fù)溫圈層，包括冰川（含冰蓋）、凍土（包含多年凍土和季節(jié)凍土）、積雪、海冰、河冰、湖冰、冰架等［1］。冰川是冰凍圈的重要組成部分［2］，對全球氣候變化具有強(qiáng)烈指示作用［3］。山地冰川不僅被視作氣候和環(huán)境變化的敏感指示器，還是區(qū)域水循環(huán)的重要構(gòu)成部分［4］。中國是世界上中低緯度山地冰川最為發(fā)育的國家，21世紀(jì)初共有冰川48 571條，總面積約5.18×104km2，占世界冰川（除南極和格陵蘭冰蓋外）面積的7.1%［1］。冰川及其融水作為河川徑流補(bǔ)給和人們生產(chǎn)生活用水的重要來源，是干旱、半干旱地區(qū)重要的水資源，對中國西部地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境演變和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［5-8］。

隨著中國第一次和第二次冰川編目工作的完成，中國西部地區(qū)冰川面積、冰儲量及物質(zhì)平衡變化的研究成果不斷涌現(xiàn)［9-14］。但是，僅從面積和冰儲量變化來評價冰川空間變化規(guī)律還是不夠的［15-16］，這與冰川遙感解譯采用的標(biāo)準(zhǔn)和不同的冰川冰儲量計算經(jīng)驗(yàn)公式密切相關(guān)。相比較而言，冰川長度變化能更準(zhǔn)確、更真實(shí)地反映冰川的進(jìn)退狀態(tài)［17］。冰川長度是指冰川軸線的最大距離，即冰川主流線的最大長度［18］，提取方法主要包括冰川主流線提取法［19-22］和冰川中流線提取法［23-24］。其中，冰川主流線是利用水文分析模型得到冰川匯水線以實(shí)現(xiàn)冰川長度信息提取，冰川中流線法則是通過計算冰川最高點(diǎn)到冰川末端的中心線來提取冰川長度［17］。近年來，一些學(xué)者在冰川長度的計算方法［18，25-26］、精度評估［17］、數(shù)據(jù)集制作［27］及冰川長度對氣候變化的響應(yīng)［28-29］等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，如Machguth等［18］基于冰面坡度和冰川寬度提取了東格陵蘭地區(qū)的冰川長度；Le Bris等［23］基于冰川軸線實(shí)現(xiàn)了冰川最高點(diǎn)到末端的中流線自動提取，但其不能保證所得到的結(jié)果是最大值；Kienholz等［24］基于成本距離思想提出了提取冰川中流線的新方法，但算法較復(fù)雜且需要人為干預(yù)；Oerlemans［25］基于提取的冰川長度數(shù)據(jù)創(chuàng)建了線性模型；姚曉軍等［26］基于冰川矢量數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，從冰川形態(tài)角度提出冰川中流線自動提取方案；Leclercq等［27］基于實(shí)測數(shù)據(jù)和重構(gòu)模型得到全球471條冰川長度數(shù)據(jù)集。上述方法為自動或半自動提取冰川長度信息和分析冰川長度變化特征提供了有力的技術(shù)支撐。

阿爾金山作為亞洲中部最干旱的山地［30］，其冰雪融水是區(qū)域內(nèi)河川徑流的主要補(bǔ)給源，目前對阿爾金山冰川的研究主要集中在冰川面積變化及其對氣候變化的響應(yīng)等方面［31-33］，冰川末端變化的研究仍處于空白。通常，冰川直觀變化在很大程度上表現(xiàn)為冰川末端的退縮或前進(jìn)，冰川長度作為冰川軸線的最大距離，冰川末端的退縮或前進(jìn)直接體現(xiàn)在其長度的減小或增加，因此認(rèn)清阿爾金山冰川長度變化對反映該地區(qū)冰川末端變化具有重要的指示意義。本文基于阿爾金山第一次和第二次冰川編目數(shù)據(jù)、Landsat OLI遙感影像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，利用冰川中流線方法分別提取阿爾金山1970年、2010年和2016年3個時期的冰川長度信息，探討阿爾金山冰川長度變化特征及其與氣候變化之間的關(guān)系，以期為認(rèn)識全球氣候變暖背景下阿爾金山冰川的響應(yīng)規(guī)律及水資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿爾金山（37°30′～39°36′N、85°52′～94°21′E）位于青藏高原北緣，在行政區(qū)劃上隸屬于新疆、青海和甘肅三省區(qū)，山體呈西南―東北走向，東西分別以當(dāng)金山口和車爾臣河上游河谷為界，也是塔里木盆地和柴達(dá)木盆地的界山（圖1）。阿爾金山總面積約6.19×104km2，平均海拔在4 000 m以上，長約750 km，最寬處約130 km［31］。地勢東西兩端較高，中部較低，東段最高峰亦稱作阿爾金山，海拔5 798 m［34］。由于深居內(nèi)陸，加之受山地和高原地形阻隔，西風(fēng)環(huán)流、東南季風(fēng)和西南季風(fēng)在此均已成弱勢，多年平均降水量為50～100 mm，降水稀少，是亞洲中部最干旱的山地［30］，其主要河流（米蘭河、若羌河和哈迪勒克河等）的徑流多受冰川融水補(bǔ)給。阿爾金山冰川屬亞大陸型冰川和極大陸型冰川，受地形影響，圍繞阿爾金山（5 798 m）、玉蘇普阿勒克峰（6 062 m）和蘇拉木塔格峰（6 295 m）形成東、中、西三個冰川作用區(qū)，并主要分布在海拔4 600 m以上的高山區(qū)。中國第二次冰川編目［9］結(jié)果顯示，阿爾金山共發(fā)育冰川467條，面積295.11 km2，占中國冰川總面積的0.57%；冰川規(guī)模普遍較小，平均面積為0.63 km2，其中面積大于10 km2的冰川僅1條，即GLIMS編碼為G087419E37923N的冰川，其面積為13.86 km2。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究所采用的數(shù)據(jù)主要包括阿爾金山第一次和第二次冰川編目數(shù)據(jù)、2016年Landsat OLI影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)。其中，阿爾金山第一次冰川編目所用數(shù)據(jù)源主要為基于航空攝影測量技術(shù)制作的大比例尺地形圖，這些地形圖的航測時間比較集中，大致為1966年和1970—1972年，其中1970年的冰川面積約占第一次冰川編目總面積的40%，為便于描述，本文以1970年來表示第一次冰川編目的時間。第二次冰川編目所用數(shù)據(jù)源為5景2007—2010年質(zhì)量較好的Landsat TM遙感影像，軌道號分別為138/33、140/33、140/34和142/34，其中2010年的冰川面積約占第二次冰川編目總面積的55%，本文以2010年作為第二次冰川編目的時間。從美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）網(wǎng)站（http：//glovis.usgs.gov）獲取的2016年5景Landsat OLI遙感影像（表1）用于提取該年阿爾金山冰川邊界。DEM數(shù)據(jù)為SRTM DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，由美國國家航空航天局（NASA）、美國國家測繪局（NIMA）以及德國與意大利航天機(jī)構(gòu)共同合作聯(lián)合測量，于2000年2月11—22日由“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)上搭載的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）系統(tǒng)完成，該數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，在90%的置信區(qū)間內(nèi)，SRTM的垂直精度優(yōu)于16 m，在平坦區(qū)域高程精度可達(dá)10 m［35-36］。此外，本文選用阿爾金山國家基準(zhǔn)氣象站——且末和冷湖的氣溫和降水年值數(shù)據(jù)集作為阿爾金山氣候背景參考，由國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺（http：//data.cma.cn）提供。

2.2 方法

2.2.1 冰川長度信息提取及精度評估方法

在中國第一次冰川編目中，冰川長度包括冰川平均長度和最大長度，其中最大長度是指冰川軸線的最大距離，平均長度是指各條支冰川或各粒雪盆至冰川末端最大長度的平均值［37］。本文基于姚曉軍等［26］提出的冰川中流線自動提取方法提取冰川長度信息，以平均長度作為統(tǒng)計口徑。在實(shí)際提取時，首先根據(jù)冰川積累區(qū)和消融區(qū)末端的形態(tài)，將冰川劃分為單一盆地、單一出口冰川，復(fù)式盆地、單一出口冰川和冰帽類冰川三種類型?；驹硎腔贒EM數(shù)據(jù)獲取冰川輪廓上的海拔最高點(diǎn)和最低點(diǎn)并對冰川輪廓線進(jìn)行分割，結(jié)合分割后的冰川輪廓線采用歐式距離方法將冰川劃分為兩個區(qū)域，即每個區(qū)域?yàn)榫喔鞅ㄝ喞€距離最短的點(diǎn)集，區(qū)域的公共邊界為中軸線，即冰川中流線［23］。對于單一盆地、單一出口冰川，冰川中流線長度即為該冰川的平均長度。復(fù)式盆地、單一出口冰川通常由多條支冰川組成，且各支冰川均存在獨(dú)立的海拔最高點(diǎn)，通常參考冰川中值面積高程和等高線形態(tài)保留子流域部分公共邊界線來提取冰川中流線，各支冰川中流線長度的平均值為該冰川的平均長度。冰帽類冰川多發(fā)育于山頂面，因受力不均導(dǎo)致冰川從中心向四周呈放射狀漫流［38］，冰帽的最高點(diǎn)通常出現(xiàn)在冰川輪廓內(nèi)部，且冰川末端為裙?fàn)?，本文采用郭萬欽等［39］提出山脊線自動提取方法獲得冰帽表面山脊線，然后用山脊線將冰帽分割為多條彼此相鄰的獨(dú)立冰川再提取冰川中流線，各獨(dú)立冰川中流線長度的平均值為冰帽類冰川的平均長度。

冰川長度提取精度主要受冰川形態(tài)類型、輪廓準(zhǔn)確性和DEM空間分辨率的影響。對于單一盆地、單一出口型冰川而言，冰川最高點(diǎn)和最低點(diǎn)通常只有一個，可實(shí)現(xiàn)自動提取，人工干預(yù)少且效果較好；復(fù)式盆地類型冰川通常由多條支冰川組成，自動提取的中流線需要參考冰川中值面積高程和等高線形態(tài)保留子流域部分公共邊界線進(jìn)行修正；冰帽類冰川由于其最高點(diǎn)通常出現(xiàn)在冰川內(nèi)部且末端多為裙?fàn)?，需要借助山脊線重構(gòu)冰川形狀。在保證冰川形態(tài)類型劃分正確前提下，冰川長度信息的精度取決于冰川輪廓的準(zhǔn)確性和DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量，而后者對冰川長度信息的影響可以忽略［26］，因此單條冰川長度信息的精度取決于所用遙感影像空間分辨率對冰川海拔最高點(diǎn)和最低點(diǎn)提取造成的誤差，可由下式計算得到。

λ=(n+1)×A（1）

式中：λ為影像空間分辨率造成的冰川長度誤差；n為冰川中流線的條數(shù)；A為半個像元的邊長。

結(jié)果表明，1970年由地形圖分辨率造成的冰川平均長度誤差為±64.62 m，占冰川平均長度的±5.02%；2010年由Landsat TM遙感影像空間分辨率造成的冰川平均長度誤差為±33.12 m，占冰川平均長度的±2.88%；2016年由Landsat OLI遙感影像空間分辨率造成的冰川平均長度誤差為±33.49 m，占冰川平均長度的±3.32%。

2.2.2 冰川長度變化

冰川長度變化即為不同時期冰川長度的差值。阿爾金山1970年和2010年冰川矢量邊界數(shù)據(jù)按山系名稱屬性從中國第一次和第二次冰川編目數(shù)據(jù)集中直接截取，為提高數(shù)據(jù)精度和保證提取方法的一致性，2016年阿爾金山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)獲取采用中國第二次冰川編目方法，具體方法參見文獻(xiàn)［40］，在此不再贅述。對冰川長度變化的計算，采用冰川長度變化速率和冰川長度變化相對速率兩種方式。計算方法為

式中：VGLC為冰川長度變化速率（km·a-1）；PVGLC為冰川長度變化相對速率（%·a-1）；GLi和GLj分別為i和j時期對應(yīng)的冰川長度（km）；Yj-i為j至i期所用數(shù)據(jù)源的采集時間間隔（a）。

3 結(jié)果與分析

3.1 阿爾金山冰川長度現(xiàn)狀

3.1.1 阿爾金山冰川長度規(guī)模特征

圖2 2016年阿爾金山不同長度等級的冰川數(shù)量與面積Fig.2 The number and area of glaciers of various length grades in the Altun Mountains in 2016

2016年阿爾金山共有冰川507條，面積272.95 km2，平均長度1.02 km。將冰川按照平均長度大小分為7個等級，統(tǒng)計各等級的冰川長度與數(shù)量（圖2），結(jié)果表明阿爾金山冰川的顯著特點(diǎn)是數(shù)量以長度為0.2～1 km的冰川為主，面積以長度2～5 km的冰川為主。其中，長度＜2 km的冰川共444條，占阿爾金山冰川總數(shù)的87.57%。隨著冰川長度等級的上升，冰川數(shù)量迅速減少，長度＞8 km的冰川僅有1條（GLIMS編 碼為G087419E37923N）。長 度 為2～5 km的冰川面積最大（132.17 km2），其次是長度為1～2 km的冰川（58.91 km2），長度為0.5～1 km與長度＞5 km的冰川面積分別為25.86 km2和48.59 km2，四者共占阿爾金山冰川總面積的97.29%。長度為0.2～0.5 km的冰川數(shù)量盡管較多（150條），但面積僅6.91 km2，占阿爾金山冰川總面積的2.53%?？傮w而言，阿爾金山各冰川長度等級的冰川數(shù)量、面積均表現(xiàn)為明顯的偏態(tài)分布，其峰度系數(shù)和偏度系數(shù)分別為0.37和-1.66、1.48和2.22。

從空間分布來看，阿爾金山冰川主要分布在中段區(qū)域，冰川數(shù)量和面積分別為301條和140.90 km2，占整個區(qū)域的59.37%和51.62%，但其冰川平均面積和平均長度最小，分別為0.47 km2和0.93 km。東段的冰川數(shù)量和面積雖然最小，分別為46條和38.90 km2，僅占整個區(qū)域的9.07%和14.25%，但其冰川平均面積和平均長度最大，分別為0.84 km2和1.46 km。西段的冰川數(shù)量和面積分別為160條和93.15 km2，其平均面積和平均長度略高于中段區(qū)域，分別為0.58 km2和1.05 km。

3.1.2 阿爾金山冰川長度-海拔特征

山脈或山峰的絕對海拔高度及冰川平衡線以上的相對高差是影響山地冰川數(shù)量多少及其規(guī)模大小的主要地形因素［41］。由圖3可知，阿爾金山冰川長度與其高程差之間呈明顯的相關(guān)關(guān)系（R2=0.796），即冰川高程差越大，冰川長度越長，這表明冰川長度在一定程度上取決于冰川的相對高差。據(jù)統(tǒng)計，阿爾金山高程差＜500 m的冰川有356條，其中334條冰川（93.82%）的長度小于1 km；高程差＜1 000 m的483條冰川中有478條冰川（98.96%）的長度小于4 km。冰川高程差＞1 000 m的冰川（24條）長度均大于1 km，冰川最大高程差（1 595 m）與最大冰川長度（8.30 km）均為同一條冰川（GLIMS編碼為G087419E37923N），也是該山系面積最大（13.86 km2）的冰川。

3.2 阿爾金山冰川長度變化

3.2.1 阿爾金山冰川長度和其他要素變化

圖3 2016年阿爾金山冰川的高程差與長度的相關(guān)性Fig.3 The relation between length and altitude difference of glaciers in the Altun Mountains in 2016

對阿爾金山第一次和第二次冰川編目數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉檢查時，發(fā)現(xiàn)第一次冰川編目漏畫了119條冰川，面積為14.28 km2（4.56%）。經(jīng)修訂后，1970年阿爾金山共發(fā)育冰川429條，面積為326.02 km2，平均長度為1.28 km。1970—2016年期間阿爾金山冰川數(shù)量共增加78條（18.18%），但面積減少了53.07 km2（-16.28%），平均長 度 減少0.26 km（-20.31%）。從三期冰川編目數(shù)據(jù)來看（表2），1970—2010年阿爾金山共有15條冰川消失，面積1.14 km2；22條冰川分裂為45條，面積由12.95 km2減少為11.23 km2；冰川總面積減少32.84 km2（-10.07%），面積變化相對速率為-0.25%·a-1，冰川平均長度減少0.13 km（-10.16%），長度變化相對速率為-0.25%·a-1。2010—2016年，阿爾金山共10條冰川分裂為23條，面積由2.64 km2減少為2.24 km2；冰川面積減少20.23 km2（-6.90%），面積變化相對速率為-1.15%·a-1，冰川平均長度減少0.13 km（-11.30%），長度變化相對速率為-1.88%·a-1。顯然，1970—2010年和2010—2016年阿爾金山冰川數(shù)量雖因冰川分裂而呈增加趨勢，但冰川面積及長度均呈減少趨勢，即冰川整體呈退縮狀態(tài)，且2010—2016年的冰川面積和冰川長度退縮速率較1970—2010年呈加快趨勢，表明阿爾金山冰川近期處于加速退縮趨勢，這與祁連山［42］、天山［43］等地區(qū)的研究結(jié)果一致。

表2 1970—2016年部分年份阿爾金山冰川數(shù)量、平均長度和面積Table 2 The glacier number，average length and area in the Altun Mountains in 1970，2010 and 2016

3.2.2 阿爾金山冰川長度變化特征

將冰川按照面積大小分為8個等級，統(tǒng)計1970—2016年阿爾金山各面積等級的冰川數(shù)量與長度變化（圖4）發(fā)現(xiàn)，除面積＜0.1 km2、0.1～0.2 km2和1～2 km2的冰川數(shù)量在1970—2016年間略有增加外，其余各面積規(guī)模的冰川數(shù)量均呈遞減趨勢；除面 積為1～2 km2和2～5 km2的 冰川 長 度在1970—2016年間有所增加外，其余各面積規(guī)模的冰川長度均呈遞減趨勢。其中，面積＜0.1 km2的冰川數(shù)量增加最多（40條），但其冰川長度減少0.03 km；面積為0.2～0.5 km2的冰川數(shù)量減少最多（24條），其冰川長度減少0.02 km；面積為1～2 km2的冰川數(shù)量增加1條，其冰川長度增加最多（0.21 km）；面積為5～10 km2的冰川長度變化速率最大（-0.0090 km·a-1）。從面積規(guī)模的冰川長度變化相對速率來看，1970—2016年面積＜0.1 km2的冰川長度退縮最快（-0.16%·a-1），面積為1～2 km2的冰川長度增加最快（0.23%·a-1）。除面積為0.2～0.5 km2、0.5～1 km2和5～10 km2的 冰 川 長度 在1970—2010年和2010—2016年均呈遞減趨勢外，其他面積規(guī)模的冰川長度在1970—2010年和2010—2016年呈現(xiàn)不同的趨勢。其中，面積＜0.1 km2、0.1～0.2 km2和1～2 km2的冰川長度在1970—2010年呈現(xiàn)遞增趨勢，在2010—2016年呈現(xiàn)遞減趨勢。1970—2010年面積為2～5 km2的冰川長度變化相對速率最大（0.31%·a-1），2010—2016年面積＜0.1 km2的冰川長度變化相對速率最大（-1.41%·a-1）。以圖5中的3條冰川為例，圖5（a）的冰川（GLIMS編碼為G088745E38241N）面積從1970年的0.031 km2減小到2016年的0.026 km2，長度從1970年的0.043 km減小到2016年的0.027 km，相對變化速率分別為-0.37%·a-1和-0.79%·a-1；圖5（b）的冰川（GLIMS編碼為G087360E37909N）面積從1970年的2.54 km2減小到2016年的1.60 km2，長度從1970年的4.41 km減小到2016年的3.71 km，相對變化速率分別為-0.81%·a-1和-0.35%·a-1；圖5（c）的冰川（GLIMS編碼為G087364E17964N）面積從1970年的6.33 km2減小到2016年的4.10 km2，長度從1970年的4.41 km減小到2016年的3.79 km，相對變化速率分別為-0.77%·a-1和-0.31%·a-1。

圖4 1970—2016年部分年份阿爾金山不同面積等級的冰川數(shù)量與長度Fig.4 The number and length of glaciers of various area grades in the Altun Mountains in 1970，2010 and 2016

1970—2016年阿爾金山不同區(qū)域冰川在不同時段均處于退縮狀態(tài)（表3），且冰川退縮的速率不同。1970—2010年，冰川總面積減少了32.84 km2，其中西段、中段和東段冰川面積分別減少了17.34 km2（-0.35%·a-1）、11.36 km2（-0.18%·a-1）和4.14 km2（-0.24%·a-1），冰川平均長度減少了0.08 km，西段、中段和東段冰川平均長度分別減少了0.11 km（-0.20%·a-1）、0.06 km（-0.12%·a-1）和0.11 km（-0.17%·a-1）。2010—2016年，冰川總面積減少了20.23 km2，其中西段、中段和東段冰川面積分別減少了11.08 km2（-1.77%·a-1）、8.53 km2（-0.95%·a-1）和0.61 km2（-0.26%·a-1），冰川平均長度減少了0.08 km，西段、中段和東段冰川平均長度分別減少了0.10 km（-1.31%·a-1）、0.07 km（-0.98%·a-1）和0.02 km（-0.21%·a-1）。從冰川長度變化相對速率來看，1970—2010年阿爾金山不同區(qū)域冰川末端退縮速率雖有所差異，但基本處于同一數(shù)量等級；2010—2016年阿爾金山冰川末端退縮速率差異顯著增大，并呈現(xiàn)自東向西加快退縮態(tài)勢。

圖5 1970—2016年阿爾金山冰川面積與長度變化示例Fig.5 Examples of glacier changes in area and length in the Altun Mountains in 1970，2010 and 2016

表3 1970—2016年阿爾金山不同區(qū)域冰川面積和平均長度變化Table 3 The glacier area and average length in west，middle and east segments of the Altun Mountains in 1970，2010 and 2016，and their changing ratios

1970—2016年阿爾金山不同長度規(guī)模的冰川呈現(xiàn)出不同程度的退縮趨勢。從單條冰川長度與其相對變化速率［圖6（a）］來看，盡管二者之間并非簡單的線性關(guān)系，但總體特征依然表現(xiàn)為冰川長度越小，冰川長度變化速率越大，冰川退縮越快，對氣候變化的敏感性越強(qiáng)。其中，G087383E37892N冰川（GLIMS編碼）的冰川面積從1970年的8.42 km2減小到2016年的7.32 km2，冰川長度相應(yīng)地由7.00 km減小到6.38 km，為冰川長度減小的最大值。李治國等［44］、Kulkarni等［45］、晉銳等［46］對喜馬拉雅山地區(qū)冰川面積等級和冰川退縮的分析結(jié)果也得到類似結(jié)論。從冰川長度規(guī)模等級與其相對變化速率［圖6（b）］來看，二者總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。長度小于2 km的冰川相對變化速率均小于-0.20%·a-1，其中長度為0.25～0.5 km的冰川長度變化最快（-0.53%·a-1），冰川長度為0.5～1 km和1～2 km的冰川分別為-0.44%·a-1和-0.25%·a-1，冰川長度大于5 km的冰川長度變化最慢（-0.13%·a-1），這表明阿爾金山小規(guī)模冰川退縮更快，而規(guī)模較大冰川因其巨大的冷儲作用致使其退縮速率較慢，其中長度小于0.25 km的冰川因大多位于海拔較高地區(qū)（平均海拔5 498 m）導(dǎo)致其相對穩(wěn)定。就不同冰川長度規(guī)模等級的變化方差而言，長度規(guī)模越大，其變化值的方差越大，長度規(guī)模等級＜0.25 km和0.25～0.5 km的冰川長度變化值方差小于0.001，長度規(guī)模等級為0.5～1 km和1～2 km的冰川長度變化值方差接近于0.001，長度規(guī)模等級＞5 km的冰川長度變化值方差最大，為0.079。

圖6 冰川長度、長度規(guī)模等級與冰川相對變化速率的關(guān)系Fig.6 The relative rate of variation in glacier length changing with glacier length（a）and with length grades（b）

對面積減少冰川的長度進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)［圖7（a）］，阿爾金山冰川的退縮面積與冰川長度減少值之間存在較明顯的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.31），基本呈現(xiàn)冰川面積退縮越大，冰川長度減少越大的規(guī)律。冰川末端的退縮體現(xiàn)在冰川末端面積和冰川長度的減少，直接導(dǎo)致冰川末端海拔的升高。阿爾金山冰川末端最低值從1970年的4 400 m上升到2016年的4 481 m，末端最高值從1970年的5 714 m上升到2016年的5 741 m，冰川末端的海拔分布范圍有所減小。由圖7（b）亦可知，阿爾金山冰川末端海拔上升越大，冰川末端長度相應(yīng)地減少越多。

圖7 冰川退縮面積、末端海拔上升值與冰川長度減少值的關(guān)系Fig.7 The relations between decrease of glacier length and shrink area（a）and between decrease of glacier terminus length and terminus elevation rise（b）

4 討論

4.1 氣候變化對冰川長度的影響

冰川對氣候變化十分敏感，冰川變化在一定程度上反映了氣候變化，而冰川變化則直接體現(xiàn)在冰川長度、面積、周長和輪廓的改變。氣溫和降水是影響冰川發(fā)育的主要?dú)夂蛞蜃?，降水決定冰川的積累，氣溫決定冰川的消融，它們的組合共同決定著冰川的性質(zhì)、發(fā)育和演化［41］。為探討氣候變化對冰川長度變化的影響，選用距研究區(qū)最近的冷湖（93.20°E、38.45°N，海拔2 770 m）和且末（85.33°E、38.09°N，海拔1 247 m）2個氣象站的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)做參考。一般而言，冰川對氣候變化的響應(yīng)具有滯后效應(yīng)，同期的氣候資料并不能完全反映冰川變化和氣候之間的響應(yīng)關(guān)系［47］。由于缺乏長期的野外觀測數(shù)據(jù)，無法確定具體滯后時間，因此本文未考慮冰川對氣候變化響應(yīng)的滯后效應(yīng)。

由圖8可知，1970—2016年阿爾金山周邊區(qū)域氣溫呈較明顯的波動上升態(tài)勢，冷湖和且末氣象站的 升 溫 率 分 別 為0.31℃·（10a）-1和0.39℃·（10a）-1，明顯高于全國升溫速率［48］。2016年氣溫達(dá)到近50年來的極高值，年平均氣溫維持在8.45℃左右，較近50年年均溫平均值高1.5℃；與氣溫明顯上升不同的是，研究區(qū)周邊降水波動劇烈，冷湖和且末氣象站的降水變化率分別為-0.29 mm·（10a）-1和0.21 mm·（10a）-1，多年平均降水量維持在20.2 mm。相關(guān)研究表明［28，49］，在氣溫每升高1℃的情況下，需要降水增加25%才能彌補(bǔ)由升溫造成的冰川物質(zhì)虧損，以保證冰川平衡線穩(wěn)定。此外，根據(jù)蘇宏超等［50］對新疆近50年的氣溫變化研究，發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域的海拔越高，升溫趨勢越明顯，冰川覆蓋區(qū)域的升溫幅度可能更大，因此阿爾金山冰川長度減少主要是由氣溫上升所導(dǎo)致。

圖8 1970—2016年阿爾金山地區(qū)氣溫與降水變化Fig.8 Annual variations of air temperature（a，c）and precipitation（b，d）in Lenghu（a，b）and Qiemo（c，d）in the Altun Mountains from 1970 to 2016

4.2 冰川長度與面積、周長的關(guān)系

當(dāng)氣候條件發(fā)生變化時，冰川的空間結(jié)構(gòu)將直接影響冰川消融的強(qiáng)弱程度，也將間接影響冰川長度、面積和周長的變化。分形理論是建立在物體的周長-面積基礎(chǔ)上關(guān)于地物空間結(jié)構(gòu)的理論［51］，可用于定量表征冰川的幾何特征（長度、面積和周長）間的相關(guān)關(guān)系。以阿爾金山1970年、2010年和2016年的冰川數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定量分析冰川的長度（L）-面積（S）［圖9（a）］和長度（L）-周長（C）［圖9（b）］的關(guān)系。得到關(guān)系式為

式（4）～（5）的確定系數(shù)R2均大于0.90，且二者所依據(jù)的冰川數(shù)量為1 403條，從統(tǒng)計學(xué)的角度來看樣本量是足夠的，即上述冰川長度-面積和長度-周長關(guān)系式在一定程度上具有代表性。從二者的擬合關(guān)系來看，面積小于2 km2的冰川長度大小與其面積關(guān)系更為緊密，從抽象角度來看小冰川形態(tài)近似為倒三角形；而規(guī)模較大的冰川長度大小則與其周長密切相關(guān)，這可能與此類型多為復(fù)式山谷冰川，形態(tài)更為復(fù)雜有關(guān)?？傮w而言，冰川長度受地形影響具有高度復(fù)雜性，雖然上述關(guān)系式難以得到準(zhǔn)確的冰川長度數(shù)值，但仍不失為一種快速評估冰川長度信息的手段。

圖9 冰川長度與冰川面積和冰川周長的關(guān)系Fig.9 The relations between glacier length and glacierized area（a）and between glacier length and glacier circumference（b）

4.3 冰川分裂對冰川長度的影響

冰川分裂是冰川運(yùn)動的一種形式，反映了冰川在氣溫和降水變化作用下由一條變成多條的過程。祝合勇［31］的研究表明，冰川面積越小，其空間形態(tài)越復(fù)雜，空間結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生消融。根據(jù)阿爾金山3期冰川矢量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)共有22條冰川發(fā)生分裂（其中1970—2010年15條，2010—2016年7條），大部分冰川（21條）面積小于1 km2。20條冰川在發(fā)生分裂后面積較分裂前要小，其中GLIMS編碼為G088841E38198N和G088909E38172N的冰川在發(fā)生分裂后其較大分支的末端處于前進(jìn)狀態(tài)，面積較分裂前大。冰川分裂對冰川長度的影響較對冰川面積的影響較為復(fù)雜。根據(jù)冰川分裂前后的冰川長度，可分為以下2種情況：

5 結(jié)論

本文基于阿爾金山1970—2016年三期冰川矢量數(shù)據(jù)和SRTM DEM數(shù)據(jù)，通過提取不同時期各條冰川長度信息，分析近50年來阿爾金山冰川長度的變化狀況，并結(jié)合周邊氣象臺站資料對其變化原因進(jìn)行探討，得出以下結(jié)論：

（1）1970年阿爾金山共有冰川429條，面積326.02 km2；2010年阿爾金山共有冰川467條，面積293.18 km2；2016年阿爾金山共有冰川507條，面積272.95 km2，冰川數(shù)量以＜0.1 km2的冰川為主，面積以2～5 km2的冰川為主。1970—2016年阿爾金山冰川數(shù)量增加78條，但冰川面積減少53.07 km2（-1.15 km2·a-1），即該山系冰川整體呈現(xiàn)面積減少趨勢。

（2）2016年阿爾金山冰川平均長度為1.02 km，與1970年相比冰川呈退縮趨勢，平均減少0.26 km（-20.31%）。2010—2016年的冰川面積和冰川長度退縮速率較1970—2010年呈加快趨勢。阿爾金山冰川退縮程度在不同時段呈現(xiàn)一定的空間差異性，其中1970—2010年西段冰川退縮最快，東段最慢；2010—2016年中段冰川退縮最快，東段最慢。

（3）受影像空間分辨率的影響，1970年冰川平均長度誤差為±64.62 m，占冰川平均長度的±5.02%；2010年冰川平均長度誤差為±33.12 m，占冰川平均長度的±2.88%；2016年冰川平均長度誤差為±33.49 m，占冰川平均長度的±3.32%?；谶b感影像空間分辨率的提高，其對冰川平均長度誤差的影響越來越小。

（4）阿爾金山冰川長度變化與冰川自身規(guī)模及其變化存在密切關(guān)系，表現(xiàn)為冰川面積減少越多，冰川長度減少越大，且冰川長度越小，冰川末端退縮速率越大。同時，冰川長度與冰川面積、周長具有較強(qiáng)的相關(guān)性，冰川形態(tài)和冰川末端的海拔高程值對冰川長度均有一定影響。

致謝：感謝美國地質(zhì)調(diào)查局及地理數(shù)據(jù)空間云平臺提供的Landsat遙感影像和DEM數(shù)據(jù)。