丁悅凱， 劉 睿， 張翠蘭， 童麗媛， 董 軍

（GIS應用研究重慶市高校重點實驗室/重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 401331）

冰川被稱作氣候系統(tǒng)中的指示器，在全球氣候變化等方面具有重要意義［1］。近年來全球氣溫普遍呈升高趨勢，據統(tǒng)計，2001—2020 年全球平均溫度升高了1.09 ℃［2］。受氣候變化影響，冰川呈持續(xù)退縮狀態(tài)，前人研究表明青藏高原及周邊區(qū)域冰川冰儲量在21 世紀末減少為當前水平的64%［3］。氣溫普遍升高，導致冰川加速消融。冰川融水作為干旱區(qū)重要淡水來源，對當地生態(tài)環(huán)境及經濟發(fā)展等方面有著重要意義［4-7］，盡管冰川融水在短時間內可以緩解水資源短缺帶來的影響，但也存在潛在危害，部分冰川貯存了歷史時期的污染物，冰川消融使得污染物進入水環(huán)境，從而影響人類健康［8-9］。而冰湖作為重要的補給源，在調節(jié)河川徑流、保護生態(tài)多樣性、旅游觀賞等方面也具有重要作用［10］。因此，通過研究冰川和冰湖的時空變化與分布特征，對掌握區(qū)域水資源與生態(tài)狀況，分析冰川和冰湖在氣候變化下的響應特征，對區(qū)域生態(tài)治理、水資源管理與災害防治等方面具有重要的科學與現(xiàn)實意義［11-13］。

喜馬拉雅地區(qū)冰川分布面積較大［14-15］，同時也是冰湖潰決的重災區(qū)，據統(tǒng)計，該地區(qū)發(fā)生過多起冰湖潰決事件，對人民的安全與財產造成了巨大威脅［16-18］，然而喜馬拉雅地區(qū)海拔高、地勢陡峭，極大地限制了開展冰川和冰湖的實地考察［19-21］。遙感技術因其具有大范圍同步觀測和時效性的優(yōu)勢，成為了冰川及冰湖監(jiān)測的主要手段，例如冀琴［22］利用Landsat 衛(wèi)星數據對整個喜馬拉雅山冰川進行了長時序的監(jiān)測研究，結果表明1990—2015年喜馬拉雅山地區(qū)冰川退縮迅速，冰川面積共減少2553.10 km2；宮鵬等［10］對科西河流域的冰湖監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)1960—2010年該流域冰湖數量增加50個，面積擴張29.34 km2。葉如藏布流域地處喜馬拉雅山中段北坡，是朋曲（境外稱孫科西河）的最大支流，流域內的冰湖是該流域諸多河流的源頭。安麗娜［23］曾對該流域的夏季地表水化學與氫氧同位素特征進行研究調查。現(xiàn)階段對該流域冰川和冰湖的研究較少，基于此，本研究以葉如藏布流域的冰川和冰湖為研究對象，結合Landsat系列衛(wèi)星數據，分析近30 a來葉如藏布流域冰川和冰湖的變化，同時結合氣象數據，探究冰川與冰湖變化的影響因素。

1 研究區(qū)概況

葉如藏布流域（27°50′～28°10′N，87°50′～88°09′E）地處喜馬拉雅山中段北坡［23］，流域面積1627 km2（圖1）。研究區(qū)由北向南地勢緩慢抬升，海拔位于4122～7440 m之間。2017年，流域年均氣溫1.38 ℃，降水量為1788.45 mm，研究區(qū)地勢高、氣溫低，受高原山地氣候影響，降水多發(fā)生在夏季。根據中國第二次冰川編目［24］，2006年葉如藏布流域冰川數目達132 條，面積為139.39 km2，且多分布于流域南部和西部。

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

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究采用Landsat系列影像，于美國地質勘探局（https://earthexplorer.usgs.gov/）及地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）下載，為了準確提取冰川和冰湖的邊界，在一定程度上消除積雪、云層等因素對研究結果精度的影響，最終選用16景云量較少的影像數據（表1）。同時采用了ASTER GDEM作為數字高程模型（Digital elevation model，DEM），該數據下載于地理空間數據云。

表1 葉如藏布流域冰川和冰湖解譯影像Tab.1 Interpretation images of glaciers and glacial lakes in Yairu Zangbo Basin

研究區(qū)冰川和冰湖多分布在高海拔地區(qū)，氣象站點少，綜合各類氣象數據來源，最終選擇美國特拉華大學（http://climate.geog.udel.edu/～climate/）提供的1990—2017 年喜馬拉雅山地區(qū)平均氣溫和降水量數據，該數據空間分辨率為0.5°，被廣泛用于喜馬拉雅地區(qū)的冰川研究［25-26］。

2.2 研究方法

前人使用比值閾值法、雪蓋指數法或卷積神經網絡等方法對冰川邊界進行識別［27］，以上方法在冰川邊界提取中發(fā)揮了重要作用，但相比而言，目視解譯法的精度最高。因此，本研究采用目視解譯法提取冰川和冰湖的邊界信息。此外，利用DEM判斷是否存在陰影，同時結合冰湖、溪流的位置，識別冰川邊界，并將多期歷史遙感影像進行對比，排除冰雪對冰川邊界提取的影響，最后利用Google Earth進行輔助判斷［25］。

為驗證研究結果的精確性，本研究采用緩沖區(qū)法計算冰川和冰湖面積的提取精度［16,26］。結果表明，誤差結果可以滿足研究要求（表2）。

表2 葉如藏布流域冰川和冰湖邊界緩沖區(qū)面積及誤差率Tab.2 Area and error rate of glacier and glacial lake boundary buffer zone in Yairu Zangbo Basin

3 結果與分析

3.1 冰川面積分布及變化

3.1.1 冰川面積變化由表3可知，近30 a葉如藏布流域冰川退縮趨勢明顯，4 個時期冰川的分布面積分別為167.80 km2、153.89 km2、145.66 km2和128.92 km2，不同時段冰川退縮速率有所差別。1990—2000 年面積共減少13.91 km2，年均退縮率為0.83%·a-1；2000—2010 年年均退縮率為0.54%·a-1，小于前1 個時段；在2010—2020 年期間，冰川面積退縮明顯，年均退縮率（1.15%·a-1）遠高于前2 個時段。綜上所述，近30 a葉如藏布流域冰川退縮速率呈現(xiàn)先降低后升高趨勢，而在近10 a來，加速退縮趨勢最為顯著（圖2）。

圖2 30 a葉如藏布流域冰川面積變化Fig.2 Glacier area changes in Yairu Zangbo Basin of 30 years

表3 1990—2020年葉如藏布流域冰川面積分布及變化Tab.3 Glacial area distribution and changes in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

3.1.2 不同海拔冰川面積分布及變化結合DEM數據，以200 m 為間隔，分析不同時段、不同海拔冰川分布特征（圖3a）。已有研究表明，冰川面積變化與高程呈現(xiàn)正態(tài)分布關系［28］，研究區(qū)冰川分布特征與上述規(guī)律類似，以2020 年冰川為例，海拔5800～6400 m內冰川面積較大，約占總面積的63%。

由圖3b 可得，隨著海拔升高，冰川退縮量逐漸增大，在海拔5800～6000 m 處，退縮量最大，為8.85 km2，之后隨著海拔升高冰川退縮量逐漸減少，而在6800 m 以上，冰川退縮不明顯；盡管研究區(qū)冰川退縮量在海拔5800～6000 m 處達到最大，但退縮率在5000～5200 m 處最高，為64.25%，隨著海拔增高，冰川退縮率逐漸下降。

圖3 1990—2020年葉如藏布流域不同海拔冰川面積分布及變化Fig.3 Distribution and changes of glacier area at different altitudes in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

3.1.3 不同坡度冰川面積分布及變化基于DEM數據，通過提取葉如藏布流域內冰川的坡度信息對其分布特征進行分析。以5°為間隔，分析坡度對冰川分布的影響。由圖4 可知，1990 年冰川面積主要分布在5°～20°坡度范圍內，約占1990年冰川總面積的46.02%，其中，冰川面積主要分布于10°～15°坡度間，共26.18 km2，占總面積的15.60%。隨著坡度增加，冰川分布面積逐漸減少，退縮率逐漸增大，在55°～60°間，冰川分布面積最少，僅為1.55 km2，退縮率在55°～60°最大，為32.77%，在0～5°間，退縮率最小，僅為14.05%。

圖4 1990—2020年葉如藏布流域不同坡度冰川面積分布及變化Fig.4 Distribution and changes of glacier area at different slopes in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

3.1.4 表磧覆蓋型與非表磧覆蓋型冰川面積分布及變化表磧是指冰川表面的冰磧物，其厚度與冰川消融速率有著直接關系［29］，為了更全面了解研究區(qū)冰川分布與變化特征，本研究將葉如藏布流域的冰川分為表磧覆蓋型和非表磧覆蓋型冰川，并統(tǒng)計1990—2020年不同類型的冰川面積、數目以及平均規(guī)模等特點。

由表4 可知，表磧覆蓋型冰川面積退縮4.89 km2，退縮率為10.82%，非表磧覆蓋型冰川面積退縮了33.99 km2，退縮率為27.72%。由上述分析可得，表磧覆蓋型冰川數目較少，但平均規(guī)模較大，退縮速率較慢；非磧覆蓋型冰川數目較多，平均規(guī)模較小，退縮速率較快。

表4 1990—2020年葉如藏布流域表磧覆蓋型與非表磧覆蓋型冰川面積變化Tab.4 Area changes of the debris-free and debriscovered glaciers in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

3.1.5 不同規(guī)模冰川面積及數目為統(tǒng)計不同規(guī)模冰川面積分布和變化特征，將葉如藏布流域的冰川面積按大小分為8個等級，探究其分布與變化特征，以期進行更為全面的研究。

由表5 可以看出，研究時段冰川數目整體呈上升趨勢，共增加20 條，其中冰川規(guī)模≤0.2 km2的冰川數目增加最多，共計增加39 條；規(guī)模為0.2～0.5 km2的冰川數目減少最多，共計減少8 條；規(guī)模為10～20 km2和20～50 km2的冰川數目未發(fā)生改變。

表5 1990—2020年葉如藏布流域不同規(guī)模冰川面積及數目統(tǒng)計Tab.5 Area and number of glaciers at different sizes in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

從面積分布情況看，規(guī)模5～10 km2的冰川面積分 布 最 大，1990 年 和2020 年 分 別 為51.17 km2和33.78 km2，占總面積的30.49%和26.20%；其次是規(guī)模10～20 km2的冰川面積分別為23.32 km2和21.78 km2，占比13.90%和16.89%；面積占比最小的是規(guī)模0.5～1 km2，冰川面積分別為8.67 km2和4.61 km2。

由式(2)可知，球面F-P腔的干涉光強與腔長L有關，因此可以通過檢測干涉光強的變化來確定腔長的變化，即強度解調法.

近30 a 來，規(guī)?！?.2 km2的冰川面積呈增加趨勢，其余各級的冰川面積均表現(xiàn)為減少狀態(tài)，其中規(guī)模0.5～1 km2的冰川面積退縮最為顯著，規(guī)模20～50 km2的冰川面積退縮最少?？梢姡ㄒ?guī)模越小，數目越多，波動越大；冰川規(guī)模越大，數目越少，波動越小。

3.2 冰湖面積分布及變化

3.2.1 冰湖面積變化研究時段葉如藏布流域冰湖整體呈擴張趨勢（表6）。1990 年冰湖面積最小，僅為5.72 km2；2000 年冰湖面積為6.68 km2，共增長0.96 km2，年均面積變化率為1.68%·a-1；2000—2010年冰湖面積減小0.63 km2，年均面積變化率為0.94%·a-1；2010—2020 年冰湖面積出現(xiàn)上漲趨勢，增加2.76 km2，年均面積變化率為4.56%·a-1，該時期冰湖年均面積變化率最快，2020年冰湖面積達到最大，為8.81 km2?？梢姡芯繀^(qū)冰湖面積呈現(xiàn)先增大，后減小，再增大趨勢。

表6 1990—2020年葉如藏布流域冰湖面積分布及變化Tab.6 Glacial lake area distribution and changes in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

3.2.2 不同海拔冰湖面積分布及變化葉如藏布流域冰湖主要分布在海拔4800～6600 m 之間（圖5）。冰湖面積與海拔的關系與冰川類似，總體呈正態(tài)分布。1990年冰湖面積在5000～5600 m區(qū)間內分布最大，為4.51 km2，占總面積的78.84%；其中5400～5600 m冰湖面積達1.72 km2，占總面積的30.10%；近30 a 內研究區(qū)冰湖面積擴張趨勢受到海拔影響（表7），通過統(tǒng)計研究區(qū)冰湖的年均面積變化率可以發(fā)現(xiàn)，隨著海拔升高，冰湖面積快速增加，其中6000～6200 m范圍內，增加最快，年均變化率可達21.15%，且對應區(qū)間的冰川面積分布最大。

圖5 1990—2020年葉如藏布流域不同海拔冰湖面積分布Fig.5 Distribution of glacial lakes area at different altitudes in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

表7 1990—2020年葉如藏布流域不同海拔冰湖面積變化率Tab.7 Changes rate of glacial lakes area at different altitudes in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

3.2.3 不同坡度冰湖面積分布及變化冰湖面積分布受海拔影響較大，多分布在凹槽或低洼處［30］。如圖6 所示，本研究對葉如藏布流域不同坡度冰湖面積分布情況進行分析研究，冰湖面積主要分布在0～10°之間，1990年0～10°坡度內冰湖面積為3.29 km2，占總面積的57.50%，隨著坡度升高，地勢變陡，不利于冰湖發(fā)育，冰湖面積迅速下降，＞60°坡度的冰湖面積僅占0.023 km2。

圖6 1990—2020年葉如藏布流域不同坡度冰湖面積分布Fig.6 Distribution of glacial lakes area at different slopes in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

3.2.4 不同類型的冰湖面積分布及變化表磧對冰川的消融產生抑制作用，導致其消融速率變慢，間接影響了表磧覆蓋型冰川周圍的冰湖擴張，通過對葉如藏布流域冰湖與冰川的距離進行統(tǒng)計，將冰湖分為受表磧覆蓋型冰川影響的冰湖和受非表磧覆蓋型冰川影響的冰湖，并計算它們的面積、數目以及平均規(guī)模。

由表8可知，1990—2020年受表磧覆蓋型冰川影響的冰湖面積增加1.03 km2，增長率為34.80%，冰湖數目不變，平均規(guī)模增加0.20 km2，增長率為33.90%；而受非表磧覆蓋型冰川影響的冰湖面積增加2.06 km2，增長率為74.64%，冰湖數目增加16個，增長率為88.89%，平均規(guī)模減小0.01 km2，減小率為6.67%。由此可知，受表磧覆蓋型冰川影響的冰湖面積變化慢，數目較少，平均規(guī)模較大；受非表磧覆蓋型冰川影響的冰湖面積變化快，數目較多，平均規(guī)模較小。

表8 1990—2020年葉如藏布流域不同類型的冰湖面積分布及變化Tab.8 Distribution and changes of glacial lakes area in different morphological patterms of Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2020

4 討論

4.1 冰川和冰湖對氣候變化的響應

冰川變化受地形、降水、氣溫、朝向等影響，但主要影響因子是氣溫和降水，氣溫影響冰川的消融，降水影響冰川的積累［31］。為研究葉如藏布流域冰川變化和氣候的關系，本文分析1990—2017年的氣溫和降水量變化。可以發(fā)現(xiàn)：研究時段內葉如藏布流域的氣溫整體呈現(xiàn)波動上升（圖7a），近30 a上升了1.49 ℃，增溫率為0.06 ℃·a-1，平均氣溫變化幅度為2.45 ℃。自1990年氣溫呈現(xiàn)下降趨勢，1991年后開始逐步回升，1993 年氣溫上漲到0.81 ℃，隨后又開始波動下降，1997 年到達最低值，僅為-0.24 ℃，之后氣溫又大幅上漲，一年內的漲幅為1.51 ℃。1999年到達1990年以來的最大值，氣溫為1.28 ℃。隨后開始回落，2000年后氣溫呈現(xiàn)波動上升趨勢，2010 年氣溫達最大值，為1.62 ℃。2010—2011年氣溫下降0.87 ℃，2011—2017年氣溫整體呈現(xiàn)波動上升趨勢，其中2016年達到研究時段內的最大值，為2.18 ℃。以10 a為一個時間段分析，1990—2000 年氣溫波動變化較大，總體呈現(xiàn)上升趨勢，變化率為-0.01 ℃·a-1；2000—2010 年氣溫呈現(xiàn)波動上升，變化率為0.05 ℃·a-1；2010—2017年氣溫依舊呈上升趨勢，增長幅度大于2000—2010 年，變化率為0.08 ℃·a-1。結合1990—2017年的氣溫平均變化趨勢發(fā)現(xiàn)，葉如藏布流域的氣溫整體呈上升趨勢。

圖7 1990—2017年葉如藏布流域氣溫和降水量變化Fig.7 Changes of temperature and precipitation in Yairu Zangbo Basin from 1990 to 2017

結合上述氣溫和降水量數據發(fā)現(xiàn)：1990—2000年冰川面積退縮13.91 km2，年均面積變化為0.83%·a-1，該時段氣溫和降水量平均值為0.5 ℃和1816.77 mm；2000—2010 年冰川面積退縮了8.24 km2，年均變化率為0.54%·a-1。與第一時段相比，氣溫和降水量均表現(xiàn)上升趨勢，氣溫的升高和降水量的增加分別對冰川消融和積累產生正向作用，使得冰川面積退縮率較前一時段有所減緩，可見降水是該時段冰川變化的主要影響因素；2010—2020年冰川面積退縮了16.74 km2，年均變化率為1.14%·a-1，相比前10 a大幅增加。在此期間氣溫大幅上升而降水量波動下降，降水量下降導致積累量減少，但降水量下降幅度較小，可見氣溫與降水的共同作用導致了冰川面積加速退縮，且氣溫影響強度大于降水。

對于冰湖而言，結合氣溫和降水量數據進行分析：1990—2000 年冰湖面積出現(xiàn)擴張趨勢，共增加0.96 km2，年均變化率為1.68%·a-1；2000—2010年冰湖面積減小0.63 km2，年均變化率為0.94%·a-1。與前一時段相比，該時段流域氣溫和降水量均呈上升趨勢，對應時段冰川退縮速率有所減緩，冰川融水對湖泊的補給量減少，可見氣溫和冰川融水變化是該時段冰湖變化的重要影響因素。2010—2020 年研究區(qū)內氣溫上升而降水量下降，該時段冰川加速消融，氣溫升高導致冰湖的蒸發(fā)量增加，降水減少使得冰湖補給減弱，但冰川消融量增加，使得冰湖面積出現(xiàn)增加趨勢，可見冰川加速消融是該時段冰湖擴張的主要影響因素。

綜上所述，1990—2000年氣溫的上升與降水量的增加導致冰川面積退縮，冰湖面積擴張；2000—2010年降水是該時段冰川變化的主要影響因素，氣溫和冰川融水變化是該時段冰湖變化的重要影響因素；2010—2020年氣溫對冰川的影響作用強于降水對冰川的影響作用，冰川加速消融是該時段冰湖擴張的主要影響因素。

4.2 冰川與冰湖的協(xié)同演變特征

從空間位置分布分析，絕大多數冰湖與冰川末端直接相連，其中冰川主要分布于5800～6400 m 海拔，約占研究區(qū)冰川總面積的63%，冰湖主要分布于5000～5600 m海拔，面積為4.51 km2。從空間格局上，冰川大面積消融，冰川末端的冰湖受直接影響。

從兩者的面積變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，冰川面積逐年減少的同時，冰湖面積不斷增加。2000—2010年該地區(qū)氣溫和降水量均呈上升趨勢，使得冰川面積在減少的同時，冰湖面積由2000年6.68 km2到2010年6.05 km2，縮減了0.63 km2，年均面積變化率-0.94%·a-1；2010 年后，氣溫上升而降水量出現(xiàn)下降，由于冰川消融，冰湖面積呈上升趨勢，可見冰川消融是導致冰湖面積增加的主要因素。

同時，表磧對葉如藏布流域的冰湖也產生了重要影響，與表磧覆蓋型冰川相連接的冰湖變化程度較小，變化速率較低，其原因為表磧層抑制了冰川消融，使得以冰川消融為主導因素的冰湖擴張受到了影響，從而降低了冰湖變化的大小與速率。

5 結論

（1）1990—2020年葉如藏布流域冰川面積呈現(xiàn)退縮趨勢，30 a間面積退縮38.88 km2，近10 a來加速退縮，面積減少16.74 km2。冰川面積主要分布在5800～6400 m海拔之間，5°～20°坡度分布居多，表磧的覆蓋與冰川面積大小均對冰川的數目與面積分布產生影響。

（2）1990—2020年葉如藏布流域冰湖面積整體呈現(xiàn)擴展趨勢，30 a 間面積增加3.09 km2,面積變化率54.02%，近10 a 來面積變化顯著，冰湖面積擴張2.76 km2。冰湖分布在5000～5600 m海拔之間居多，0～10°坡度分布居多。表磧覆蓋型冰川與非表磧覆蓋型冰川對冰湖有著不同程度的影響。

（3）1990—2017年葉如藏布流域氣溫與降水量波動較大，氣溫整體上升1.49 ℃，降水量整體下降188.53 mm，促使了葉如藏布流域的冰川消融，冰湖擴張。