【类型】期刊

【作者】陈虹举，杨建平，谭春萍（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院大学）

【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院大学

【刊名】冰川冻土

【关键词】 冰川变化；气候变化；响应程度；中国

【资助项】重大科学研究计划项目(2013cba01808)；国家自然科学基金项目(41271088)资助

【ISSN号】1000-0240

【页码】P16-23

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】理清冰川变化对气候变化的响应程度、揭示响应度的空间变化规律,是开展冰川变化预估及其对社会经济影响程度量化研究的基础。使用1958-2010年西部地区150个气象站点的夏季平均气温和年降水量资料、中国第一、二次冰川编目数据,通过夏季平均气温和年降水量变化趋势值定量反映气候变化,以冰川面积变化率表征冰川变化,借助GIS技术平台,采用参照对比方法,从宏观层面研究了中国西部冰川变化对气候变化的响应程度。依据等分分类法(Equal Interval),将响应程度分为极低度响应、低度响应、中度响应、高度响应、极高度响应5级。结果表明:中国冰川变化对气候变化的响应方式与程度不同,对夏季平均气温变化表现为正响应,而对年降水量变化主要表现为负响应,冰川分布区年降水量增加带来的冰川积累量增多不足以抵消因温度升高而增加的消融量,升温是中国西部冰川快速退缩的主导性因素。就整体而言,冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度相对较低,但局部地区冰川变化对温度变化高度敏感,响应程度高与极高。不同类型冰川的变化对夏季平均气温变化的响应程度亦不同,海洋型冰川的变化以中高度响应为主,极大陆型冰川的变化主要呈现极低、低响应程度,而大陆型冰川变化的响应程度呈两级化。

【全文】 文献传递

中国冰川变化对气候变化的响应程度研究

陈虹举1,2， 杨建平1， 谭春萍1,2

(1.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冰冻圈科学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000； 2.中国科学院大学，北京 100049)

摘 要：理清冰川变化对气候变化的响应程度、 揭示响应度的空间变化规律，是开展冰川变化预估及其对社会经济影响程度量化研究的基础。使用1958-2010年西部地区150个气象站点的夏季平均气温和年降水量资料、 中国第一、 二次冰川编目数据，通过夏季平均气温和年降水量变化趋势值定量反映气候变化，以冰川面积变化率表征冰川变化，借助GIS技术平台，采用参照对比方法，从宏观层面研究了中国西部冰川变化对气候变化的响应程度。依据等分分类法(Equal Interval)，将响应程度分为极低度响应、 低度响应、 中度响应、 高度响应、 极高度响应5级。结果表明：中国冰川变化对气候变化的响应方式与程度不同，对夏季平均气温变化表现为正响应，而对年降水量变化主要表现为负响应，冰川分布区年降水量增加带来的冰川积累量增多不足以抵消因温度升高而增加的消融量，升温是中国西部冰川快速退缩的主导性因素。就整体而言，冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度相对较低，但局部地区冰川变化对温度变化高度敏感，响应程度高与极高。不同类型冰川的变化对夏季平均气温变化的响应程度亦不同，海洋型冰川的变化以中高度响应为主，极大陆型冰川的变化主要呈现极低、 低响应程度，而大陆型冰川变化的响应程度呈两级化。

关键词：冰川变化； 气候变化； 响应程度； 中国

0 引言

冰川是气候的产物，因而其对当前快速变暖的全球气候尤其敏感。伴随着全球变暖，20世纪90年代以来，全球冰川普遍呈加速退缩趋势[1-7]。过去几十年，在气候变暖背景下，中国82.2%的冰川处于退缩状态。进入21世纪以来，冰川退缩进一步加快[2-3,6-11]。短期内，冰川快速消融会使河流流量增加，有助于缓解干旱半干旱区农业灌溉用水压力。但随着冰川资源逐渐耗尽，河川径流量将减少，该地区供水将趋于紧张[12-14]。“一带一路”发展战略是21世纪我国全方位发展的重大战略部署，在这一战略体系下的陆上丝绸之路经济带恰好位于我国西部冰川分布与影响区。因此，未来冰川变化及其带来的水资源变化将对这一发展战略的成功实施具有举足轻重的作用。基于对陆上丝绸之路经济带建设的科技支撑，冰川变化预估及其对社会经济影响程度的量化研究是当前冰川变化研究领域的重点与热点，而解析这些问题的前提是需理清气候变化对冰川变化究竟有多大的影响，影响的程度与空间差异如何，亦即冰川变化对气候变化的响应程度与空间差异问题。过去几十年，由于资料、 认知与研究手段的局限，科学家主要针对冰川研究全球、 区域、 局地尺度上的变化特征开展了一系列研究，并探寻其变化的气候归因[15-20]。而本文将基于中国两次冰川编目数据与气象数据，以冰川面积变化率表征冰川变化速率，以夏季平均气温与年降水量变化趋势表征气候变化程度，将冰川变化速率与气候变化程度结合，运用参照比较的方法，探讨中国冰川变化对气候变化的响应程度与空间变化。

1 数据与方法

1.1 数据来源

文中使用了冰川编目数据和气象数据，具体信息如下：

冰川编目数据我国第一次冰川编目始于1978年，历时24 a完成。该编目数据反映的主要是1960s-1970s的冰川资源状况。第二次冰川编目始于2006年末，2012年完成。该编目数据反映的是2005-2006年的冰川状况。文中所用的冰川面积变化率数据是由这两次编目数据计算而得。

气象数据来源于中国气象局国家气象信息中心。鉴于西部部分地区建站较晚，数据序列起始年份不一，存在缺失现象，气象站点整体分布相对东部地区比较稀疏，选取其中了西部150个站点的夏季平均气温数据和年降水量数据，序列长度均为1958-2012年。选取的气象站点分布见图1。

2.2 数据处理方法

2.2.1 冰川数据处理方法

统一坐标系统。中国两次冰川编目数据的时间间隔近40 a，编目所用技术手段差异较大，并且由于冰川移动[21]，个别地区两次冰川编目数据吻合性比较差。因此，为了准确统计冰川面积变化率，文中将两次冰川编目矢量数据的坐标系统统一成兰勃特等面积投影(Asia North Albers Equal Area Conic)。

计算冰川面积变化率。中国冰川数量众多，有46 377条[22]，且空间分布不均匀。而冰川面积变化率可以将不同空间尺度的冰川面积变化统一形式以进行研究和比较[23-25]。因此，文中用其表征冰川变化，具体计算方法见式(1)。

(1)

式中：p为每10 a冰川面积变化率； ΔS表示每10 a冰川面积变化量；S为中国第一次冰川编目时的冰川面积； ΔT表示研究时段。

2.2.2 气象数据处理方法

本文以夏季平均气温和年降水量的变化作为气候变化指标，以二者的时间序列变化趋势值识别冰川分布区的气候变化。

考虑到小的周期性振动对原始序列的干扰，首先利用各个站点的夏季平均气温、 年降水量原始序列求得滑动平均序列，并使用滑动平均序列进行变化趋势值的计算。对55 a(1958-2012年)的原始序列，取滑动长度为5 a。对于样本量为n的序列Xi(i=1,2,3,…,n-k+1)，其每k年滑动平均序列Xj表示为式(2)。

(2)

变化趋势值的计算方法见式(3)。对于样本量为n的滑动平均序列Xj，tj用表示所对应的时刻，建立Xj与tj之间的一元线性回归方程：

(3)

式中：a为常数；b为回归系数。利用最小二乘法可求出a和b。回归系数b的符号表示变量的线性趋势。如果b>0，表明随着时间推移气温呈升高或者降水量呈增加趋势，b<0表示随时间增加气温呈降低或者降水量程减少趋势。b的大小反映升高或者下降的倾向程度。文中将回归系数b称为变量的变化趋势值。

2.3 置信度检验

在对变量的时间序列进行线性回归的同时，由显著性水平计算得到置信度。在给定的置信度下如果不能够通过检验，则表明在该置信度水平下变量的变化趋势不明显。检验结果表明，夏季气温变化趋势在95%～100%置信度下，气象站点的通过检验率达到95%； 降水量变化趋势的通过检验率低于夏季平均气温变化趋势，但仍有72%的站点通过检验。

通过以上方法，计算出1958-2012年冰川分布区气象站点的夏季平均气温和年降水量变化趋势值，运用克里格(Kriging)方法对其进行空间插值，再用冰川分布区边界去切，得到中国冰川分布区夏季气温变化趋势值和年降水量变化趋势值的空间插值数据(图2与图3)。

2.4 评价方法

冰川是气候、 地理位置、 地形等要素综合作用的产物，在一定的时间尺度内，地理位置与地形条件可认为是不变的。因此，冰川的进退变化主要由气候状况——温度与降水量的组合决定。降水量决定冰川区的积累量，温度，尤其是夏季温度决定其消融量。故文中以夏季平均气温与年降水量变化趋势值表征气候变化，以冰川面积变化率为冰川变化指标。为深入剖析冰川变化对气候变化的响应程度，将其进一步分为：

冰川变化对夏季平均气温变化的响应，具体方法为在夏季平均气温升高最大的区域中，选取最大的冰川面积变化率为标准/参照，其他区域的冰川面积变化率与之对比，从而分析冰川面积变化对夏季平均气温变化的响应程度。见式(4)。

(4)

式中：Tmax为冰川分布区夏季平均气温升高最大区域的夏季平均气温变化趋势值；pmax为冰川分布区夏季平均气温升高最大区域中最快冰川面积变化率；Ti整个冰川分布区夏季平均气温变化趋势值；为以选取区域为参照标准求取得的冰川面积变化率。

(5)

式中：pi为实际冰川面积变化率；ρT为冰川面积变化率对夏季平均气温变化趋势值的响应值。

冰川变化对年降水量变化的响应。具体方法为在年降水量增加最多区域中，选取最小的冰川面积变化率作为标准/参照，其他区域冰川面积变化率与之比较，研究整个冰川分布区冰川面积变化率对年降水量变化的响应程度。见式(6).

(6)

式中：Rmax为冰川分布区年降水量增加最多区域的年降水量变化趋势值；pmin为冰川分布区年降水量增加最多区域中最慢冰川面积变化率；Ri为整个冰川分布区年降水量变化趋势值；为以选取区域为参照标准求取得的冰川面积变化率。

(7)

式中：pi为实际冰川面积变化率；ρR为冰川面积变化对年降水量变化趋势值的响应值，当ρR>0时，为正响应ρR<0时，为负。

3 冰川变化对气候变化的响应程度

3.1 冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度

以10 a为时间尺度，取夏季平均气温升高最大的区域中冰川面积减小最快的区域作为标准，计算冰川面积变化率对夏季平均气温变化趋势值的响应程度值。根据计算结果，该值变化于0.18～1.68之间，表明冰川变化对夏季平均气温变化的响应均为正响应，且随响应值增大，响应程度增高。运用ArcGIS等分分类法(Equal Interval)，将该响应程度值分为5个等级，依次为极低度响应、 低度响应、 中度响应、 高度响应、 极高度响应(图4和表1)。以下同，不再赘述。

就对夏季平均气温的响应程度分级而言，87.6%的冰川分布区存在不同程度的响应，其中，低度响应区占冰川总面积的比例最大，为29.7%，其次为极低度响应区，为26.1%，高度响应区，为15.4%，中度响应区占15.1%，极高度响应区占比小，只有1.2%。总体上，冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度相对较低，极低度响应区与低度响应区的面积占比达55.7%，但局部地区冰川变化的响应程度高，这部分地区的面积占比为16.6%，若将中度响应区亦计算在内，则这一比例增大为31.9%。可见，中国西部冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度呈两极化现象，局部地区冰川变化对气温变化高度敏感，响应程度高与极高。

在空间上，冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度大致呈环状分布格局，在昆仑山以南，唐古拉山脉一线以北的高原腹地地区，为极低度响应区，以此地区为中心，向外缘响应程度呈逐级增高趋势，其中，阿尔泰山、 天山中部、 祁连山东部、 喜马拉雅山西段与东段地区冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度极高与高(图4)。

3.2 冰川变化对年降水量变化的响应程度

以10 a为时间尺度，以年降水量增加最多的区域中冰川面积减少最小的区域为标准，求取冰川面积变化率对年降水量变化趋势值的响应程度值。该响应值跨度较大，变化于-9.75～9.12之间，表明冰川变化对年降水量变化的响应既有正响应，又有负响应，但主要以负响应为主(图4)。图4显示只有地处青海省果洛藏族自治州的阿尼玛卿山和四川省阿坝藏族羌族自治州的横断山脉地区为正响应。冰川变化对年降水量的响应值恰好与年降水量变化趋势值的空间分布相反(图3和图5)。绝大部分冰川分布区年降水量以0～15 mm·(10a)-1的速率增加，而冰川变化却表现出对年降水量变化的负响应，这表明在中国西部冰川分布区年降水量增加增多的冰川积累量不足以抵消因温度升高而增加的消融量，气候变暖、 温度升高是中国西部冰川快速退缩的决定性因素。

3.1节与3.2节的分析结果表明，冰川变化对年降水量变化主要为负响应，而对夏季平均气温变化为正响应，且各响应程度空间差异显著。为进一步分析各响应程度空间差异与冰川性质类型之间的关系，下文主要探讨不同类型冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度。

3.3 不同类型冰川变化对夏季平均气温变化的 响应程度

中国冰川分布范围广，依据冰川发育条件及其物理性质，可分为海洋型、 大陆型和极大陆型3类[1]。依据计算结果和响应分级(表2和图6)，海洋型冰川只有极低度、 低度、 中度和高度响应4级，其中，中度响应区面积占海洋型冰川总面积的比例高达76.0%，其次为低度响应区，为18.2%，高度与极低度响应区的面积占比分别为5.6%与0.7%。可见海洋型冰川变化对夏季平均气温变化的响应以中高度响应为主，二者面积占比达81.6%。与海洋型冰川类似，极大陆型冰川变化对夏季平均气温变化的响应亦没有极高度响应这一级，但与海洋型冰川不同，极大陆型冰川以极低、 低度响应为主，二者面积占极大陆型冰川总面积的比例分别为 62.8%和16.2%，合计为79.1%； 中度与高度响应区面积占比分别为17.2%和3.67%，表明局部地区的极大陆型冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度较高。对于大陆型冰川而言，5级响应度均存，而且极高度响应的冰川全部是大陆型冰川，约占大陆型冰川总面积的3.0%。大陆型冰川变化对夏季平均气温变化的响应呈现两极化的现象，以低度响应为代表的较低响应区面积占比(51.19%)与以高度响应为代表的较高响应区面积占比(45.8%)几乎各占一半。相对于以中高响应为主的海洋型冰川和以极低、 低度响应为主的极大陆型冰川而言，大陆型冰川变化的响应比较多元化，既囊括了所有的极高度响应，又呈现低度与中高度响应平分秋色的格局。

Fig.6 Map showing the spatial responsivity of different types of glaciers to summer mean temperature change

综上所述，对夏季平均气温变化的响应程度，海洋型冰川变化主要表现为中高度响应，极大陆型冰川变化恰以极低、 低度响应为主，而大陆型冰川变化呈现多元复杂化。不同类型冰川变化对夏季平均气温变化的响应之所以呈现这种差异变化，其原因与这3类冰川的活动能力密切相关，海洋型冰川冰温高，年降水量达到1 000～3 000 mm，平衡线比较低，活动较快，对温度升高响应敏感； 极大陆型冰川冰温低，冰川分布区年将水量200～500 mm，平衡线较高，活动缓慢，对升温敏感性差，故以极低与低度响应为主； 大陆型冰川无论活动能力，还是对气候变暖的响应程度均介于海洋性冰川和极大陆性冰川之间[26]。

4 结论与讨论

选取冰川面积变化率表征冰川变化，以夏季平均气温与年降水量变化趋势值定量识别气候变化，运用GIS技术平台，创新性的建立了参照对比响应度评价方法，从宏观尺度剖析了中国西部冰川变化对气候变化的响应程度及其空间变化规律，得到以下结论：

(1) 中国西部冰川变化对以夏季平均气温和年降水量变化趋势值表征的气候变化的响应方式和程度不同，对夏季平均气温变化变现为正响应，而对年降水量变化主要表现为负响应，降水量增加而增多的冰川积累量不足以抵消因温度升高而增加的消融量。气候变暖、 温度升高是中国西部冰川退缩的决定性因素。

(2) 就整体而言，冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度相对较低，面积占比为55.74%，但局部地区(阿尔泰山、 天山中部、 祁连山东部、 喜马拉雅山西段与东段地区)冰川变化对气温变化高度敏感，响应程度高与极高，这部分面积占比为16.62%。

(3) 受冰川发育条件及其物理性质影响，不同类型冰川变化对夏季平均气温变化的响应程度不同。海洋型冰川变化以中高度响应为主，面积占比达81.69%，极大陆型冰川变化主要呈现极低、 低度响应程度，面积占比为79.1%，而大陆型冰川变化的响应程度呈现两极化，低度与中高度响应级别几乎各占一半，而且所有的极高度响应级别均为大陆型冰川。

气候变化对冰川变化的影响或冰川变化对气候变化的响应可以说是个比较老的研究命题，但一直均是从冰川变化切入，首先浓墨重彩的研究其变化/波动特征，之后主要以统计与定性方法分析冰川变化与气候变化之间的关系，从而得出冰川变化的气候原因[15-20]。文中避开这种传统研究思路，从冰川变化与气候变化两方面着手，通过分析对比冰川面积变化率与年平均气温、 夏季平均气温、 年积温、 年降水量变化趋势之间的关系，最终选取了夏季平均气温与年降水量变化趋势值为研究指标。为突破传统的定性与统计方法，我们尝试运用了参照对比的方法。文中对冰川变化对气候变化的响应研究结论，基本与传统研究方法得出的结论相符[3,27]，但不同的是，我们使用的这种新方法定量的确定了冰川变化对气候变化的响应程度，并展示了其空间变化规律。由于本文的研究目的是从宏观视角揭示冰川变化对气候变化的响应程度，故主要选取了3个反映冰川变化与气候变化的关键指标，未考虑地理位置、 地形、 朝向、 海拔、 坡度等因素。文中的这种研究方法是否科学，研究结果是否经得起其他研究结果的验证与检验，还需进一步深入分析。

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(本文编辑：周成林)

Responsivity of glacier to climate change in China

CHEN Hongju1,2, YANG Jianping1, TAN Chunping1,2

(1.State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academyof Sciences, Lanzhou 730000, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract：Clarifying the responsivity of glacier to climate change and revealing the spatial variation of the responsivity are the basis for carrying out a quantitative research of glacier change and the quantization study of glacier change influence on the society economy. Using the summer temperature and precipitation records from 1958 through 2010 from 150 meteorological stations in the western regions of China and the first and second "Glacier Inventory of China", climate change and glacier change were identified quantitatively with the change rates of glacierized area. The methods of referencing and comparison were used innovatively. The response of glacier to climate change was studied in West China by geographic information system (GIS) technology. According to equal interval classification method, the responsivity was classified into five classes: extremely low, low, medium, high and extremely high responsivities. The results showed that the degree and style of glacier response to climate change was various, which had positive response to summer temperature change and negative response to precipitation change. Moreover, glacier accumulation increase due to precipitation increase in the glacierized area is not sufficient to offset the ablation increase due to air temperature increase. Warming is the decisive factor for glacier retreat in West China. On the whole, glacier change had low response to summer temperature change, but had extremely high sensitivity on temperature change with high or extremely high response in some areas. Different types of glacier change have different degree of response to summer temperature change. The maritime glaciers had medium or high responsivity. However, extreme-continental glacier change had extremely low or low responsivity; continental glaciers had two polarized responsivity.

Key words：glacier change; climate change; responsivity; China

DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2017.0003

收稿日期：2016-08-16;

修订日期：2016-12-09

基金项目：重大科学研究计划项目(2013CBA01808)； 国家自然科学基金项目(41271088)资助

作者简介：陈虹举(1991-)，男，甘肃会宁人，2010年在西北师范大学获学士学位，现为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在读硕士研究生，从事冰冻圈环境变化影响、 脆弱性与适应方面的研究工作. E-mail：chenhong@lzb.ac.cn.

中图分类号：P343.6

文献标志码：A

文章编号：1000-0240(2017)01-0016-08

CHEN Hongju, YANG Jianping, TAN Chunping. Responsivity of glacier to climate change in China[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2017, 39(1): 16-23. [陈虹举，杨建平，谭春萍. 中国冰川变化对气候变化的响应程度研究[J]. 冰川冻土, 2017, 39(1): 16-23.]