1970—2000年羌塘高原冰川变化及其预测研究

日期:2019.12.16 阅读数:21

【类型】期刊

【作者】王利平,谢自楚,刘时银,丁良福,殷俊琦,吴立宗(湖南师范大学资源与环境科学学院;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所)

【作者单位】湖南师范大学资源与环境科学学院;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所

【刊名】冰川冻土

【关键词】 羌塘高原;图谱;冰川变化;气候响应;冰川系统模型;变化预测

【资助项】国家自然科学基金项目  (40871043;40801025);科技部科技基础性工作专项项目  (2006FY110200);湖南省重点建设学科  (40652001)

【ISSN号】1000-0240

【页码】P979-990

【年份】2019

【期号】第5期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】采用地学信息图谱方法,分析了羌塘高原1970—2000年的冰川变化.结果表明:1970—2000年期间,羌塘高原整体呈萎缩趋势,冰川面积退缩的年平均速率(APAC)为0.145%.a-1,年平均退缩面积3.004 km2.a-1,但也有部分冰川处于前进状态.1970—2000年羌塘高原冰川退缩加剧,但与中国西部大部分地区相比,仍是退缩速率较小的地区;整体冰川变化趋势由北向南逐渐增大,但是不同时段不同山地的冰川变化又有所差异.通过分析冰川变化对气候变化的响应可知,气温上升是1970—2000年羌塘高原冰川处于退缩状态的主要原因.对比分析羌塘高原冰川变化实际结果和冰川系统模型的预测结果可知,直线式升温模式下升温速率为0.03 K.a-1时的情形更符合羌塘高原的冰川变化实际情况,也说明冰川系统模型具有可行性.

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1970—2000年羌塘高原冰川变化及其预测研究

1970—2000年羌塘高原冰川变化及其预测研究

王利平1, 谢自楚1,2*, 刘时银2, 丁良福2, 殷俊琦1, 吴立宗2

(1.湖南师范大学资源与环境科学学院,湖南长沙 410081;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州 730000)

摘 要:采用地学信息图谱方法,分析了羌塘高原1970—2000年的冰川变化.结果表明:1970—2000年期间,羌塘高原整体呈萎缩趋势,冰川面积退缩的年平均速率(APAC)为0.145%·a-1,年平均退缩面积3.004 km2·a-1,但也有部分冰川处于前进状态.1970—2000年羌塘高原冰川退缩加剧,但与中国西部大部分地区相比,仍是退缩速率较小的地区;整体冰川变化趋势由北向南逐渐增大,但是不同时段不同山地的冰川变化又有所差异.通过分析冰川变化对气候变化的响应可知,气温上升是1970—2000年羌塘高原冰川处于退缩状态的主要原因.对比分析羌塘高原冰川变化实际结果和冰川系统模型的预测结果可知,直线式升温模式下升温速率为0.03 K·a-1时的情形更符合羌塘高原的冰川变化实际情况,也说明冰川系统模型具有可行性.

关键词:羌塘高原;图谱;冰川变化;气候响应;冰川系统模型;变化预测

0 引言

山地冰川是气候变化的指示器,对气候变化的响应极为敏感.随着全球气候变暖,冰川退缩加剧.青藏高原是世界上中低纬度地区最大的现代冰川分布区,在全球气候系统中起着重要的作用[1-2].作为青藏高原主体的羌塘高原冰川变化幅度是小冰期以来中国西部冰川变化幅度中最小的,仅为7%[3].这是由于极大陆型冰川对气候变化的动力响应相对较为迟缓,使得本区冰川退缩速率较小.然而羌塘高原地区受自然条件和交通条件的制约,至今考察较少,只研究了个别冰川的进退变化[4-7],系统研究远远不足.因此,开展羌塘高原的冰川变化以及冰川变化对气候变化的响应和未来变化趋势的预测具有重要的理论和实际意义.

本文基于地学信息图谱分析方法,结合遥感和GIS技术,分析了1970—2000年羌塘高原冰川变化及其对气候变化的响应.然后采用冰川系统模型,预测羌塘高原冰川系统对全球气候变暖的响应,并根据图谱方法获得的羌塘高原冰川变化结果对模型进行了检验.

1 研究区概况

羌塘高原包括昆仑山脉以南,冈底斯山脉以北,喀喇昆仑山脉以东,唐古拉山脉以西广袤的高原内陆流域地区,大致以黑阿公路为界分为南北羌塘高原[8].冰川的发育受气候和地形条件的制约.本区处于青藏高原腹部,周围高山阻隔,降水稀少,不利于冰川发育.同时由于受后期强烈构造活动的影响,晚第三纪的夷平面不仅被整体抬升而构成现代辽阔而完好的高原面,还发生了东西向、南北向、北西西、北东东等大断裂,只能在突兀其上的断块山地发育了许多以高峰或高大山体为中心,呈星斑状辐射分布的冰帽型或平顶型冰川群[1,8](图1).位于羌塘高原的土则岗日、布若岗日、藏色岗日、色乌岗日、普若岗日等冰川群,大致呈东西向排列,是羌塘高原最大的冰帽冰川分布区,其中普若岗日是羌塘高原上最大的冰帽,也是青藏高原上面积最大的冰原[9].

图1 羌塘高原冰川分布示意图
1.耸峙岭;2.岗扎日;3.金阳岗日;4.岗盖日;5.土则岗日;6.藏色岗日;7.普若岗日;8.都古尔;9.玛依岗日; 10.西雅尔岗;11.木嘎各波;12.隆格尔;13.夏康坚;14.青扒贡垄山;15.申扎杰岗;16.波波嘎屋峰
Fig.1 Map showing the glaciers on the Qangtang Plateau

图2 1970—2000年的冰川变化图谱
Fig.2 Grid attributes of glacierized area variations during 1970—2000

由于羌塘高原的地形和气候等自然条件对冰川发育的不利影响,在2000年面积广阔的羌塘高原上仅发育了1006条冰川,总面积为1 985.112 km2,是青藏高原各山系发育冰川最小的地区.其中,北羌塘高原和南羌塘高原的冰川条数分别为490条和516条,冰川面积分别为1 508.079 km2和477.034 km2,分别占全部冰川面积的75.97%和24.03%.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与数据处理

2.1.1 数据来源

本研究采用的资料有:1)1970年,1971年(统一为1970年)的1∶10万航测地形图;2)1∶10万的数字高程模型(DEM);3)数字遥感影像:包括(1990±2)年(统一为1990年)的TM影像、(2000± 2)年(统一为2000年)的ETM+影像;4)观测或监测数据为1970—2000年的狮泉河、改则、班戈、安多、那曲、申扎、当雄、拉孜、日喀则、尼木、拉萨、泽当、江孜、索县等14个气象站的气象资料(图1).

2.1.2 数据处理

为了消除地形因素对冰川分类精度的影响,基于上述DEM和1∶10万地形图,对数字遥感影像逐像元地进行几何校正和正射校正,校正误差控制在一个像元之内.校正后的投影坐标系采用高斯克里格投影,Krasovsky_1940椭球体.

2.2 研究方法

2.2.1 冰川变化图谱分析方法

本文基于地学信息图谱方法,采用具有一定分辨率的规则格网作为单元来记录、传递、提取、处理冰川的时空复合信息[10-13].记录这种时空复合体信息的基本单元,称为“图谱单元”.具体方法如下:首先在ArcInfo中专家目视解译1970年航测地形图和1990年、2000年的遥感影像,生成3期冰川面积矢量图.然后将不同时期冰川面积矢量图全部转换为Grid数据,统一空间分辨率,格网单元大小设定为28.5m,每个格网单元赋予唯一的个位数属性值,冰川区赋值为1,非冰川区赋值为0,来代表采样时刻地表覆盖类型.最后将各期赋值后的格网单元以时间序列(1970—1990—2000年)为轴,利用地图代数运算方法,合成1970—2000年的冰川变化图谱[4].为了有效地把握冰川的时空变化模式,进一步综合、弱化冗余信息和“噪声”的干扰,通过ArcInfo Grid模块中的Reclass函数对图谱单元进行重新分类和综合(即“图谱重构”[13]),生成了更准确的冰川变化图谱(如图2和表1).

2.2.2 冰川系统变化预测的功能模型

冰川系统变化预测的功能模型是将某冰川作用区所有冰川作为一个整体,即系统[14],以零平衡线处的物质平衡作为平均值,应用“全球公式”[15],研究在夏季平均气温上升时,冰川物质平衡的变化是如何引起冰川面积、储量、径流和平衡线变化.其中,径流变化采用径流/面积之间的关系式,面积变化利用系统的中值面积代表系统的总面积,平衡线变化是考虑到系统中冰川面积随高度的分布模式,并将平衡线上升后ELA0处温度的下降值修正其后的夏季平均气温值.现有的几种模式均是指全球变暖情景下,将降水的变化(固态)直接用在物质平衡的增减值中,在实际应用中应将固/液降水比例,按气温分割出来.冰川系统模型的计算程序在文献[16-20]已作较详细的说明,因此本文对此模型不再详细赘述,直接用于预测羌塘高原的冰川变化.

表1 1970—2000年代羌塘高原冰川变化图谱重构表
Table 1 The reconstructed grid units of glacier variation in the Qangtang Plateau during 1970—2000

图谱单元编码 新代码 冰川面积/km2羌塘高原 北羌塘高原 南羌塘高原变化类别000,010,101 0 419950.331 318461.512 101488.819 非冰川区以及被屏蔽的“噪声”111 1 1972.087 1498.297 473.790 1970—2000年无变化的冰川区011 2 12.600 9.446 3.155 1970—1990年前进的冰川区001 3 0.425 0.336 0.089 1990—2000年前进的冰川区100 4 62.440 37.672 24.768 1970—1990年退缩的冰川区110 5 40.709 17.954 22.755 1990—2000年退缩的冰川区

3 结果分析

3.1 冰川变化分析

根据冰川变化图谱分析方法,得出了整个羌塘高原1970—2000年的冰川变化结果(表2).由于目视解译被认为是精度最高,但劳动强度也较大的解译方法[21],因而基于冰川面积量测百分比的抽样检验的方法[22-23]进行精度评价,以完全目视解译的冰川面积为参考数据,分别与图谱方法、冰川编目[24-28]的冰川面积比较(表3).从表3可知,采用图谱方法和冰川编目资料获取的1970年羌塘高原的冰川面积分别为2 075.236 km2和2 070.45 km2,与目视解译的冰川面积2 076.15 km2对比,误差分别为0.04%和0.28%.同时也可以看到,图谱方法和冰川编目资料的冰川面积相差不大,这种差异可能与当时采用的制图技术和量算冰川面积的精度以及纸质编目报告存在若干错误有关.为了便于比较,本文以图谱方法的数据为冰川变化的基础依据.

分析表1可知:1970—2000年期间整个羌塘高原所统计的1 006条冰川既有退缩的,也有前进的,其中退缩冰川的数量占量算冰川数量的78.43%;退缩的冰川和前进的冰川面积占1970年冰川总面积的比例分别为4.97%和0.63%.由此可见,冰川退缩占主导趋势,但也有部分冰川处于前进状态.而二者相互抵消后,整个羌塘高原的冰川仍呈萎缩状态.

由表2可知:整个1970—2000年期间,羌塘高原冰川退缩面积为90.124 km2,冰川面积退缩的年平均速率(APAC)为0.145%·a-1,年平均退缩面积为3.004 km2·a-1.羌塘高原冰川在1970—1990年和1990—2000年前后两个时段均表现为退缩趋势.前一时段冰川退缩面积为49.840 km2,APAC为0.120%·a-1;后一时段冰川退缩面积为40.284 km2,APAC为0.199%·a-1.说明1970—2000年羌塘高原冰川退缩加剧.刘时银等[29]根据不同区域的APAC将冰川划分为3类:A类(APAC≤0.1%·a-1),B类(0.1%·a-1<APAC≤0.2%· a-1)和C类(APAC>0.2%·a-1).研究区冰川属于B类,与中国西部大部分地区相比[29],1970—2000年退缩速率仍然较小,冰川整体较为稳定.高亚洲冰川物质平衡和变化研究[30-33]也发现,高亚洲大部分冰川近30~40 a间物质平衡以负平衡为主,从80年代至90年代初羌塘地区冰川物质平衡值以正平衡主或正负相间基本持平,冰川变化幅度较小,相对比较稳定.

北羌塘高原和南羌塘高原的APAC在1970—2000年期间分别为0.098%·a-1和0.289%·a-1.按照刘时银等[29]冰川分类的方法,北羌塘高原冰川属于A类,南羌塘高原属于C类.二者的APAC在1970—1990年期间分别为 0.091%·a-1和0.207%·a-1,1990—2000年期间分别为 0.115 %·a-1和0.454%·a-1.由此可知:尽管北羌塘高原的冰川面积比南羌塘高原的大很多,变化幅度却比后者的小几倍,冰川相对更为稳定,这也与其他研究结果[34-37]一致.一般而言,面积较小的冰川对气候的敏感性要比面积较大的冰川大;羌塘高原冰川变化主要是以南羌塘高原为主,整体变化趋势由北向南逐渐增大.

分析各山地的APAC可知:在1970—2000年期间,除了冬布勒山和木嘎各波-岗日伯鲁山地,其他各山地冰川退缩也均呈加剧趋势;无论哪个时段,普若岗日的APAC都比整个羌塘高原的略小.因此,尽管普若岗日冰原退缩也明显加剧,但冰川总体变化比较小.蒲健辰等[33]对普若岗日冰原的考察研究也证实了这一点:冰原西侧1970年代至1990年代末,冰川退缩了40~50m,平均每年后退约2 m,但1999年9月至2000年9月的退缩量达4~5 m,明显反映出逐渐加剧的变化趋势.但和其他地区相比较,普若岗日冰原变化比较小,表现出比较稳定的状态.研究区不同时段不同山地的冰川变化又有所差异.例如1970—1990年期间,北羌塘高原冰川变化幅度最大的是木嘎各波-岗日伯鲁山地,APAC为0.350%·a-1,南羌塘高原冰川变化幅度最大的是申扎杰岗山地,APAC为 0.283 %·a-1;1990—2000年期间,前者冰川变化幅度最大的是都古尔-西雅尔山地,APAC为 0.227 %·a-1,后者冰川变化幅度最大的是青扒贡垄山,APAC为1.106%·a-1.但无论哪个时段,整个羌塘高原冰川变化幅度最小的是土则岗日-藏色岗日-普若岗日山地,说明其相对最稳定.

3.2 冰川变化对气候变化的响应

在气象要素中,气温和降水与冰川进退变化的关系最为密切.决定冰川积累的主要因素是冰川区的降水量,影响冰川消融的主要因素是冰川区的温度[8].由于羌塘高原属于无人烟区,气象观测资料稀少,只分析了1970—2000年研究区附近的狮泉河、改则、班戈、安多、那曲、申扎、当雄、拉孜、日喀则、尼木、拉萨、泽当、江孜、索县等14个气

象站的气温和降水变化特征,以期认识羌塘高原冰川变化对气候变化的响应状况.

表2 1970—2000年羌塘高原各山地冰川面积变化分析
Table 2 Glacierized areas in the Qangtang Plateau at the ends of the 1970s,the 1990s and the 2000s

注:APAC为冰川面积变化的年平均速率[29],等于(变化面积/初始年面积)/时段.

区域 年份 时段末面积/km2变化面积/km2年平均变化面积/(km2·a-1) APAC /(%·a-1)新代码羌塘高原 1970 2075.236 1,4,5 1990 2025.397 -49.840 -2.492 -0.120 1,2,5 2000 1985.112 -40.284 -4.028 -0.199 1,2,3合计 -90.124 -3.004 -0.145北羌塘高原 1970 1553.923 1,4,5 1990 1525.696 -28.226 -1.411 -0.091 1,2,5 2000 1508.079 -17.618 -1.762 -0.115 1,2,3合计 -45.844 -1.528 -0.098可可西里山 1970 285.590 1,4,5 1990 282.241 -3.349 -0.167 -0.059 1,2,5 2000 278.633 -3.608 -0.361 -0.128 1,2,3合计 -6.957 -0.232 -0.081冬布勒山 1970 83.469 1,4,5 1990 78.671 -4.798 -0.240 -0.287 1,2,5 2000 77.658 -1.014 -0.101 -0.129 1,2,3合计 -5.812 -0.194 -0.235土则岗日-藏色岗日-普若岗日山地1970 980.457 1,4,5 1990 969.048 -11.410 -0.570 -0.058 1,2,5 2000 960.203 -8.845 -0.884 -0.091 1,2,3合计 -20.254 -0.675 -0.069普若岗日 1970 429.212 1,4,5 1990 420.758 -8.454 -0.4227 -0.098 1,2,5 2000 414.852 -5.906 -0.5906 -0.140 1,2,3合计 -14.36 -0.4787 -0.112木嘎各波-岗日伯鲁山地1970 77.021 1,4,5 1990 71.624 -5.397 -0.270 -0.350 1,2,5 2000 70.296 -1.328 -0.133 -0.185 1,2,3合计 -6.725 -0.224 -0.291都古尔-西雅尔山地1970 127.386 1,4,5 1990 124.113 -3.273 -0.164 -0.128 1,2,5 2000 121.289 -2.823 -0.282 -0.227 1,2,3合计 -6.097 -0.203 -0.160南羌塘高原 1970 521.313 1,4,5 1990 499.700 -21.613 -1.081 -0.207 1,2,5 2000 477.034 -22.667 -2.267 -0.454 1,2,3合计 -44.280 -1.476 -0.289隆格尔山 1970 229.280 1,4,5 1990 218.762 -10.518 -0.526 -0.229 1,2,5 2000 212.172 -6.591 -0.659 -0.301 1,2,3合计 -17.108 -0.570 -0.253夏康坚 1970 57.602 1,4,5 1990 56.588 -1.015 -0.051 -0.088 1,2,5 2000 55.869 -0.719 -0.072 -0.127 1,2,3合计 -1.733 -0.058 -0.100申扎杰岗 1970 103.487 1,4,5 1990 97.631 -5.856 -0.293 -0.283 1,2,5 2000 93.651 -3.980 -0.398 -0.408 1,2,3合计 -9.836 -0.328 -0.325青扒贡垄山 1970 32.666 1,4,5 1990 30.837 -1.829 -0.091 -0.280 1,2,5 2000 27.427 -3.410 -0.341 -1.106 1,2,3合计 -5.239 -0.175 -0.555波波嘎屋峰 1970 98.277 1,4,5 1990 95.882 -2.395 -0.120 -0.122 1,2,5 2000 87.915 -7.967 -0.797 -0.831 1,2,3合计 -10.363 -0.345 -0.351

将月均温>0℃的月份(4—10月)划为暖季,月均温≤0℃的月份(11月至次年3月)划为冷季.从气温变化曲线(图3)可知,无论暖季、冷季还是年平均气温均表现出了气温升高的趋势,这也与青藏高原1971—2000年气温呈上升趋势[38]相符.暖季气温升高使得冰川表面的消融加快,冰川物质损失量增加.而冷季高气温使得冰川表层温度更早接近于0℃,从而减少了冰川由积累到消融的转换时间,使冰川表面消融期延长[39].因此,在羌塘高原,除了年均温的升高尤其是暖季气温的升高会直接导致冰川表面消融加快外,冷季的明显增温则延长了冰川表面的消融,加快冰川减薄或退缩.

表3 获取冰川面积方法的精度比较
Table 3 Glacierized areas in the Qangtang Plateau obtained from visual interpretation,Tupu method and glacier inventory at the ends of the 1970s,the 1990s and the 2000s

获取方法 时段末面积/km2与目视解译方法的精度比较1970 1990 2000 1970 1990 2000目视解译2076.150 2028.112 1986.138图谱方法 2075.236 2025.397 1985.112 0.04% 0.13% 0.05%冰川编目2070.450 0.28%

图3 羌塘高原年均温和冷暖季均温年际变化
Fig.3 Variations of air temperatures in the Qangtang Plateau in warm season,annual and in cold season during 1970—2000

从降水变化曲线(图4)可知:6—9月、7—8月和全年的降水量呈波动增加,但在同一时段的变化趋势一致,这也与青藏高原1971—2000年降水呈增加趋势[38]相一致.据黄一民[40]研究表明,青藏高原高原102°E以西年降水呈增加趋势,高原中部、北部的年降水基本保持不变或微弱增加.由此可知,羌塘高原年降水量增多使冰川积累量增多,在一定程度上削弱冰川退缩的强度.

图4 羌塘高原降水量的年际变化
Fig.4 Variations of precipitations in the Qangtang Plateau from June to September,from July to August and annual during 1970—2000

本文冰川变化图谱分析结果表明,1970—2000年羌塘高原的冰川在不断退缩.比较图3和图4可以看出,1970—2000年羌塘高原降水增加显著,但升温起主导作用,强烈的升温导致冰川加速退缩.因此,气温上升是1970—2000年羌塘高原冰川处于退缩状态的主要原因.这与高晓清等[41]和丁永建[42]的研究结果相符,他们认为全球范围内的升温对冰川物质平衡的影响要比降水显著得多.

3.3 羌塘高原冰川系统变化预测

根据国家气象中心提供的《21世纪中国温度变化预估》[43]结果显示,未来的升温是一种具有周期性的持续升温.而且,尽管气温升高对现代山地冰川变化起主要作用,但降水变化的影响也不容忽视[44-46].如前所述,1970—2000年羌塘高原气温呈上升趋势,降水也呈增加趋势.所以本文沿用李巧媛等[20]提出的假设:直线式升温、直线式升温降水增加、周期性升温和周期性升温降水增加等4种升温模式.降水增加模式采用Olermans[47]的研究方法,即气温每升高1 K时降水增加10%的冰川变化预测.冰川系统变化模型的升温速率假设分别为0.01 K·a-1和0.03 K·a-1,未来气温波动幅度ΔT假设分别为1 K和3 K[17-19].

3.3.1 预测参数获取

依据中国冰川编目资料[24-28]和中国气象局气候中心提供的羌塘高原及其附近地面气象站20世纪60—80年代夏季年平均气温获取预测的初始参数(表4).编目资料来源于1970年的航测地形图,与图谱方法的初始年份一致.因此,本文将1970年作为冰川变化预测的初始年.获取羌塘高原平衡线附近的初始年夏季平均气温的方法如下:首先根据各气象站海拔、夏季平均气温和青藏高原不同地区的气温垂直递减率[48]推算出海拔4 500 m处的夏季平均气温,然后在ArcInfo中对海拔4 500 m处夏季平均气温进行克里金插值,绘制出青藏高原4 500 m海拔处夏季气温等值线;再将羌塘高原冰川系统中有经纬度位置的所有冰川的经度和纬度的算术平均值所确定的点作为量测点,求出该量测点在青藏高原4 500 m海拔处的夏季气温;最后根据不同地区的气温垂直递减率[48]和受冰川表面降温作用影响的气温的跃动值[20],求出羌塘高原平衡线附近的夏季平均气温

3.3.2 4种模式下羌塘高原冰川系统的百年变化预测

表4 羌塘高原冰川系统预测初始年参数
Table 4 Parameters of glacier system in the Qangtang Plateau at the initial year of prediction

注:S0及V0为冰川面积和冰川储量;S med为冰川中值面积;为初始状态下的平衡线高度;AAR为积累区面积比率;为平衡线附近的夏季平均气温;a0为平衡线附近年消融量;W0为年径流量.

研究区 S0/km2 V0/km3 S med/km2 ELA0/m AAR t s/℃ a0/m W0/km3羌塘高原 2070.45 188.431 7.7 5815.25 0.5794 0.21 0.91 1.87811

表5 不同升温模式下羌塘高原冰川系统百年内的预测结果
Table 5 The predicted variations of glacier system in the Qangtang Plateau in one hundred years by using different warming models

气候模式 年份0.01 K·a-1 ΔS/S0/% ΔV/V0/% ΔW/W0/% ΔELA/m 0.03 K·a-1 ΔS/S0/% ΔV/V0/% ΔW/W0/% ΔELA /m直线式升温 1990 -1.52 -2.00 8.70 17.07 -2.46 -3.00 18.29 26.93 2000 -2.44 -3.20 8.89 26.7 -4.41 -6.00 21.71 45.92 2040 -6.92 -9.07 8.05 67.61 -16.00 -22.00 28.39 123.09 2070 -11.07 -14.48 6.49 97.08 -28.55 -39.00 28.69 157.27周期性升温 1990 -4.20 -6.00 0.76 44.04 -5.15 -7.00 9.99 52.68 2000 -3.13 -4.00 -20.79 33.7 -5.13 -7.00 -10.07 52.51 2040 -7.28 -10.00 -20.05 70.49 -16.55 -23.00 -2.26 125.44 2070 -13.02 -18.00 2.32 108.45 -30.67 -42.00 24.56 160.06直线式升温、降水增加1990 -0.11 0.00 13.22 1.32 -1.10 -1.00 22.82 12.47 2000 -0.51 -1.00 15.05 5.85 -2.57 -3.00 27.75 28.03 2040 -3.57 -5.00 17.75 37.99 -12.78 -17.00 36.73 107.14 2070 -6.95 -9.00 17.09 67.84 -24.47 -33.00 37.55 150.02周期性升温、降水增加1990 -2.91 -4.00 4.32 31.45 -3.89 -5.00 13.60 41.11 2000 -1.11 -2.00 -15.91 12.57 -3.23 -5.00 -5.32 34.67 2040 -3.75 -6.00 -12.13 39.7 -13.21 -19.00 4.46 109.46 2070 -8.87 -13.00 12.07 82.43 -26.58 -37.00 33.13 154.11

把上述参数代入冰川系统模型中,上一年作为下一年的起始状态,逐年计算,便可模拟出本世纪羌塘高原冰川对气候变化的响应过程.不同升温模式下羌塘高原冰川系统百年内冰川面积变化率ΔS/ S0、储量变化率ΔV/V0、径流变化率ΔW/W0和平衡线的上升值ΔELA0见表5.表5中周期性升温的气温波动幅度ΔT为1 K,气温变化周期ω为0.157弧度·a-1.图5是4种假设模式下升温速率为0.01 K·a-1和气温波动幅度为1 K时的羌塘高原冰川系统变化预测图.从图中可以看出,在不同的气候变化模式下,冰川系统的总体变化趋势是相同的,但降水的增加会减缓冰川的退缩,延长冰川的寿命,这是因为增加的降水对消融有抵消的功效[49].通过冰川系统模型计算得知,降水的增加能使羌塘高原冰川系统的寿命延长30 a左右.

图5 不同气候模式下羌塘高原冰川系统百年内的变化预测对比
Fig.5 The predicted variations of glacier system in the Qangtang Plateau in one hundred years by using different climate models

面积是冰川系统的重要指标,按照冰川面积变化率ΔS/S0的绝对值的大小来比较相同时间内不同冰川系统对气候变化响应的敏感性大小.从预测初始年到预测年份的时间段内,面积变化率的绝对值越大,说明冰川系统在这段时间的敏感性越大.反之则说明冰川系统敏感性小,稳定性大.以年升温率为0.01 K·a-1为例,预测初始年后100 a,在直线式升温、直线式升温降水增加、周期性升温和周期性升温降水增加等4种模式下,羌塘高原冰川系统的ΔS/S0分别为:11.07%、6.95%、13.02%和8.87%.由此可以看出,直线式升温降水增加模式是4种模式中敏感性最小的,即最稳定的.年升温率为0.03 K·a-1时也有类似规律.与中国其他冰川系统的直线式升温模式下的预测结果进行比较[16-20],结果显示:羌塘高原冰川系统敏感性小,稳定性大,是中国相对最稳定的冰川分布区.

3.3.3 模型的检验

表6为不同升温模式下羌塘高原1970—2000年的冰川面积预测结果.表中周期性升温的气温波动幅度(ΔT)为1 K,气温变化周期(ω)为 0.157弧度·a-1.

对比分析羌塘高原冰川变化实际结果(表2)和冰川系统模型的预测结果(表6)可知,直线式升温模式下升温速率为0.03 K·a-1时的情形比较符合羌塘高原的冰川变化实际情况.而且青藏高原1971—2000年期间年平均升温速率为0.024℃· a-1[38],也与升温速率为0.03 K·a-1的假设情形相近.1970—2000年期间,直线式升温模式下升温速率为0.03 K·a-1时和冰川变化实际情况的冰川面积分别从2 070.45 km2退缩为1 979.22 km2、从2 075.236 km2退缩为1 985.112 km2,APAC分别为0.147%·a-1和0.145%·a-1,年平均退缩量分别为3.041 km2·a-1和3.004 km2·a-1.其中1970—1990年期间,直线式升温模式下升温速率为0.03 K·a-1时和冰川变化实际情况的冰川面积分别从2 070.45 km2退缩为2 019.52 km2、从2 075.236 km2退缩为2 025.397 km2,APAC分别为0.123%· a-1和0.120%·a-1,年平均退缩量分别为2.546 km2·a-1和2.492 km2·a-1;1990—2000年期间,直线式升温模式下升温速率为0.03 K·a-1时和冰川变化实际情况的冰川面积分别从2019.52 km2退缩为 1979.22 km2、从 2025.397 km2退缩为1985.112 km2,APAC分别为 0.200% ·a-1和0.199% · a-1, 年 平 均 退 缩 量分别为4.030 km2·a-1和4.028 km2·a-1.这进一步说明文献[16-20]提出的冰川系统模型具有可行性.

表6 不同升温模式下羌塘高原1970—2000年的冰川面积预测结果
Table 6 The predicted glacierized areas in the Qangtang Plateau from 1970 to 2000 by using different warming models

直周

4 结论与讨论

本文采用地学信息图谱方法分析了1970—2000年羌塘高原冰川变化,并采用冰川系统模型预测羌塘高原冰川系统对全球气候变暖的响应,得出如下结论:

(1)通过分析1970—2000年羌塘高原冰川变化图谱表明:羌塘高原冰川整体呈萎缩趋势,但也有部分冰川处于前进状态;与中国西部大部分地区相比,冰川整体较为稳定,仍是退缩速率较小的地区;冰川变化整体趋势由北向南逐渐增大,但是不同时段不同山地的冰川变化又有所差异;普若岗日冰原退缩也明显加剧,但冰川总体变化比较小;无论哪个时段,整个羌塘高原冰川变化幅度最小的是土则岗日-藏色岗日-普若岗日山地,说明其相对稳定.

(2)通过分析1970—2000年羌塘高原冰川变化对气候变化的响应情况表明,气温上升是1970—2000年羌塘高原冰川处于退缩状态的主要原因.

(3)对比分析羌塘高原冰川变化实际结果和冰川系统模型的预测结果可知,直线式升温模式下升温速率为0.03 K·a-1时的情形更符合羌塘高原的冰川变化实际情况.这说明作者等提出的冰川系统模型具有可行性.

由于山体阴影、冰川表碛覆盖以及冰川边缘常年积雪的存在,还有地形图的测量误差和目视解译的人为误差,使得解译的冰川边界还存在一定误差.因此,除了利用多种多光谱遥感数据处理方法以外,将来还可以结合区域地形地貌特征和野外实地考察进行检验与修正来提高冰川边界解译的准确性.

羌塘高原西部和北部气象站点分布稀少,部分冰川前进的原因目前尚不明确.因此,需要更多更新的观测数据进行深入研究,才能更加准确地反应羌塘高原冰川变化对气候变化的响应,也为羌塘高原冰川系统预测提供更好的依据.

如果考虑气温下降的情景,冰川系统模型中的计算公式和程序都要作相应的修改,除将径流变化规律作相应改变外,还要考虑平衡线下降在ELA0处夏季平均气温上升值的计算方法,有待进一步研究.此外,影响冰川变化的因素比较复杂,不仅有气温、降水的影响,还有日照量、蒸发量、地形、植被等,同时影响冰川变化的因素在冰川变化中所发挥的作用也不相同.因此,更全面的考虑冰川变化的影响因子也是该模型还有待进一步完善的方面.

致谢:郭万钦、米德生、房韬、上官冬辉、王欣等为本研究提供了帮助,表示衷心感谢.

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G lacierized Area Variation and Its Response to Climate Change in Qangtang Plateau during 1970—2000

WANG Li-ping1, XIE Zi-chu1,2, LIU Shi-yin2, DING Liang-fu2,YIN Jun-qi1, WU Li-zong2

(1.College of Resources and Environmental Science,Hunan Normal University,Changsha Hunan 410081,China;2.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou Gansu 730000,China)

Abstract:Global warming has a great impact on glacier variations and is the focus of the various studies. The glaciers are more sensitive in the Tibetan Plateau than in Polar Regions.Thus,it is of significance to research glaciers in the Qangtang Plateau,the hinterland of the Tibetan Plateau.

In this paper,Tupu analysis is performed for glacierized area variation during 1970—2000 in the Qangtang Plateau using air photos,photogrammetric maps and satellite images based on the theories and methods of Geo-information Tupu.The result clearly reveals that a few glaciers were actually advancing during 1970—2000 in the Qangtang Plateau.However,the glaciers tended to decrease by a rate of 0.145%/a from 1970 to 2000 with an annual recession area of 3.004 km2 as a whole.Glacier ablation accelerated during 1970—2000,but the retreat rate seemed much less in the study area than that in the most areas of western China.This is because the glaciers in the study area belonged to the extremely-continental type,which responded to climate change slowly.The whole glacier variation in the Qangtang Plateau increased from nouth to south.However,there existed differences in different mountains during different periods.

Air temperature rose distinctly,especially the average temperature in warm season,and precipitation mainly increased during 1970—2000 in the Qangtang Plateau.However,the glacier accumulation due to the increasing precipitation was not sufficient to offset glacier ablation due to air temperature warming.Therefore,it is considered that glacier retreat was likely due to air temperature warming during 1970—2000 in the Qangtang Plateau.

The functional model of glacier system is used to predict the glacier variation.The results show that the linear warming with temperature rising rate of 0.03 K⋅a-1 is much more logical with the real situation of glacier variation than other scenarios after contrasting the predicted results with investigation results.This also demonstrates that the functional model of glacier system is feasible.

Key words:Qangtang Plateau;Tupu;glacier variation;response to climate change;glacier system model;prediction of glacier change

中图分类号:P343.6

文献标识码:A

文章编号:1000-0240(2011)05-0979-12

收稿日期:2011-02-06;

修订日期:2011-06-07

基金项目:国家自然科学基金项目(40871043;40801025);科技部科技基础性工作专项项目(2006FY110200);湖南省重点建设学科(40652001)资助

作者简介:王利平(1983—),女,甘肃省天水人,2009年在湖南师范大学获硕士学位,现主要从事冰川变化的遥感分析研究. E-mail:115713819@163.com

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