0 引言

冰川作为冰冻圈的重要组成部分，其动态变化与海平面变化、气候变化、水循环等有紧密联系[1-4]。目前评估冰川变化主要通过监测冰川面积、长度、高程的变化或者估算物质平衡等。冰川面积变化的遥感监测研究已经日渐成熟，冰川高程变化或者物质平衡的监测主要使用大地测量法[5-8]。光学立体像对、历史地形图、合成孔径雷达干涉测量(interferometry synthetic aperture Radar，InSAR)是获取数字高程模型(digital elevation model ,DEM)的主要手段，能比较精确地用于冰川多年平均物质平衡的估算[9-12]。

木孜塔格峰位于青藏高原东昆仑山西段、阿尔金山自然保护区的西南角，是昆仑山第二大冰川分布区。木孜塔格峰西侧冰川位于车臣河流域(流域代码为5Y62)，东侧冰川位于向阳湖和雪景湖等流域(5Z13)，少数冰川位于阿其格库勒湖和鲸鱼湖流域(5Z14)。Wei等[13]根据我国第一、二次冰川编目评估了1970s—2009年间的5Z13流域冰川面积，指出其缩减了0.14±0.07%/a，5Z14流域冰川面积缩减了0.18±0.08%/a；Ye等[14]根据Landsat影像认为1976—2013年间阿雅格库木库里湖和可可西里湖流域区(5Z1)冰川面积缩减了0.14%/a，塔里木河流域(5Y6)冰川面积缩减了0.12%/a。不过针对木孜塔格峰地区冰川面积变化缺乏详细报道。Gardner等[2]利用ICESat GLAS数据评估了东昆仑山和青藏高原内陆地区冰川，得到其在2003—2009年间高程变化为-0.01±0.12 m/a；Brun等[15]评估了2000—2016年间的高亚洲冰川物质平衡，不过2000年以前的冰川物质平衡状态未知；郭万钦等[16]通过冰川表面流速与边界变化分析了2008—2009年间该地区鱼鳞川冰川的跃动过程，但没有对跃动前后物质迁移进行分析。

本文采用Landsat遥感影像、历史地形图、航天飞机雷达地形测绘使命(shuttle Radar topography mission，SRTM)DEM和TerrSAR-X/TanDEM-X等资料分析了木孜塔格峰地区冰川面积变化、冰川物质平衡、跃动冰川和前进冰川，为认识该地区冰川变化规律及水资源与水循环提供数据支撑，为气候变暖情景下冰川变化提供事实依据。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

木孜塔格峰(图1)位于东昆仑山西段，N36°16′～36°42′，E87°5′～87°39′之间，新疆与西藏的交界处，主峰海拔6 973 m，是东昆仑山最高峰，主脊线呈NE—SW走向。该区域现代冰川极为发育，根据我国第二次冰川编目[17]，区内共发育现代冰川214条，面积共662.2 km2。该地区冰川属于夏季补给型，夏季受青藏高原热低压影响，暖空气在西风环流和山地地形控制下抬升，产生降水，为冰川提供补给[18]。

1.2 数据源及预处理

本研究使用的主要数据有SRTM-X DEM、地形图、TerraSAR-X/TanDEM-X(表1)、中国第一次(1972年)、第二次(2010年)冰川编目数据[19]、Landsat遥感影像和气象数据。研究区冰川平均坡度为12.2°，地形图冰川区高程精度优于8 m[20]。SRTM DEM数据的高程精度为16 m(95%置信区间)，并随研究区域的不同而呈现不同精度[21]。考虑到SRTM-X对冰雪的轻微穿透和季节波动，SRTM-X DEM可代表1999年消融期末的表面高程[7-8]。TerrSAR-X/TanDEM-X与SRTM-X均为X波段，在1999—2011年间冰川高程变化和物质平衡中穿透差异影响可以忽略。冰川面积和基于冰川主流线的冰川长度通过冰川编目数据获取[19]。

此外，本研究使用了中国气象局(http://data.cma.gov.cn)提供的中国地面气温、降水日值/月值 0.5°×0.5°格点数据集。

2 研究方法

2.1 基于差分合成孔径雷达干涉测量的冰川高程提取

利用SRTM-X作为参考DEM，使用TerraSAR-X/TanDEM-X双基站合成孔径雷达数据进行差分干涉，不断地通过迭代方法去除基线不准确导致的趋势误差，最后将优化的差值加在原先已配准的SRTM-X之上，得到TanDEM-X DEM，空间分辨率采样成30 m，详细流程如图2[22]。

2.2 DEM配准

基于地形图DEM分别对SRTM DEM和TerrSAR-X/TanDEM-X DEM进行配准。其配准原理是根据2期DEM高程偏差dh与坡度α、坡向φ存在三角函数关系[23]，即

，

(1)

式中a，b，c为系数，可通过非冰川区坡度小于5°的dh/tanα与φ组成的散点图经过回归分析得到。为了消除高程偏差异常值的影响，利用高程偏差的5%和95%分位数剔除异常值。

最后利用非冰川区高程差残差与最大曲率的线性关系，对冰川区的高程差残差进行校正[24]。

2.3 误差评估

冰川面积误差以空间分辨率的一半为距离的缓冲区面积，1∶100 000地形图相当于空间分辨率为27 m数据 [7-8]。冰川面积变化的误差e的公式为

，

(2)

式中ε1和ε2分别为2期冰川面积误差。

冰川长度误差取空间分辨率的1/2，冰川长度变化误差也采用式(2)计算，但此时ε1和ε2分别为2期冰川长度误差。

冰川高程变化的不确定性E用无冰区高程残差的平均值Em和标准差σ计算[25]，即

，

(3)

式中N为空间去相关处理后的像元个数。本研究将所有DEM空间分辨率统一为30 m，取空间去相关距离为600 m[25]。校正后的DEM数据误差特征分布如表2。

2.4 物质平衡评估

本研究基于Huss的研究[26]，采用850±60 kg/m3作为冰川体积—物质转换的密度，其中60 kg/m3作为冰川物质平衡估算结果误差进行计算。

3 结果与分析

3.1 冰川面积变化

1972—2011年间木孜塔格峰地区冰川总面积缩减了1.03±2.42%，年均缩减率为0.03±0.06%。其中1972—1999年间年均面积缩减率为0.03±0.09%，1999—2011年间年均面积缩减率为0.02±0.21%。大多数冰川趋于稳定，仅有47条冰川呈现不同程度的退缩(图3和表3)。冰川面积萎缩率最高的是5Z141E32冰川(冰川面积为0.8±0.1 km2)，年均缩减率为0.21±0.41%；其次是蛇头川冰川，年均缩减率为0.15±0.13%。2条冰川呈现前进现象，为木孜塔格冰川和淙流冰川，分别前进了224 m和80 m。

(a)1972—1999年 (b)1999—2011年 (c)1972—2011年

图3 1972—1999年、1999—2011年、1972—2011年木孜塔格峰地区冰川高程变化
Fig.3 Glacier elevation changes of Ulugh Muztagh during 1972-1999,1999-2011,1972—2011

3.2 冰川物质平衡

研究结果显示(图3和表4)，木孜塔格峰地区冰川1972—2011年间减薄2.63±0.22 m，冰川体积减少了1.17±0.15 km3，呈现微弱的负平衡(-0.06±0.01 m w.e./a)趋势，其中1999年以前为-0.11±0.02 m w.e./a，1999年后几乎接近于平衡状态(0.02±0.04 m w.e./a)。该区域冰川物质平衡空间差异性大，不同冰川呈现不同的冰川物质平衡状态。1972—1999年间大多数冰川呈现不同程度的负平衡状态，也有少数冰川接近于平衡状态或者呈现正平衡趋势，比如冰鳞川冰川和龙头沟冰川。1999—2011年间近2/3的冰川呈现正平衡趋势。本研究按照1972—2011年间冰川面积变化将冰川分为3类：稳定型、退缩型和前进型。由于鱼鳞川冰川期间发生过跃动，但鱼鳞川冰川在1972—2011年间内总体上属于退缩型，因此在排除了鱼鳞川冰川后，退缩型冰川物质平衡为-0.03±0.01 m w.e./a，稳定型冰川物质平衡为-0.03±0.01 m w.e./a，前进型冰川物质平衡为-0.25±0.01 m w.e./a，鱼鳞川冰川物质平衡也为-0.25±0.01 m w.e./a。可知前进型冰川的物质亏损大于稳定型和退缩型。从图3可以看出，木孜塔格冰川和淙流冰川末端均出现明显的增厚现象，而上游是不断亏损的，冰川上游的物质通过冰崩、物质重分配转移到下游，导致下游冰川末端增厚和末端前进。

3.3 前进冰川与跃动冰川

通过对比1972—2011年间的Landsat影像可知，木孜塔格冰川和淙流冰川均发生过多次前进。木孜塔格冰川在1972—1986年间前进了100 m，1993年前进了25 m，1994—1999年间前进了33 m，1999—2004年间前进了46 m，2004—2008年间前进了20 m；淙流冰川1992—1993年间前进了50 m，1994—1999年间20 m，1999—2011年间前进了10 m。根据上文分析，冰川不断前进的过程中，冰川物质呈现亏损状态，不过1999年以后冰川物质是正积累的，这是降水量增加的结果。

鱼鳞川冰川在2007—2011年间发生跃动，北侧末端前进距离达548±34 m，从图3(b)和图4—5可以看出，冰川跃动是从中部开始的。由于1999—2011年间冰川表面高程变化较小，根据郭万钦等[16]的分析，冰川跃动主要发生在2007—2011年间，而1999年后冰川表面高程变化不大，因此可将SRTM DEM代表跃动前的冰川表面高程信息，Tan-DEM-X代表跃动后的冰川表面高程信息。结果表明，积蓄区表面高程至少平均下降27 m，最大凹陷为59 m，体积减少了2.7×108 m3，接收区表面高程至少平均升高43 m，最大抬升113 m，体积增加了2.1×108 m3。大量冰体向下游转移，冰川末端向前推移。

4 讨论

4.1 不确定性分析

基于大地测量法的冰川物质平衡估算受DEM精度的影响，不过本研究经配准后无冰区高程差残差小于1 m，在长时间段内的冰川物质平衡估算时对结果影响较小。本研究中冰川物质平衡估算误差最高不超过0.04 m w.e./a。SRTM和TanDEM-X波段的数据获取时间都是2月份，本研究用来代表前一年消融期末的冰川表面高程，期间季节波动引起的高程差与X波段对冰雪的穿透可能存在抵消，降低了穿透引起的不确定性。本研究基于保守假设对物质平衡季节波动影响进行评估，10月至次年2月物质积累假设为2 a的全年降水量转换(根据中国气象局格网数据1999年平均值为129 mm；2000年为212 mm；2011年为217 mm；2012年为236 mm)，1972—1999年、1999—2011年、1972—2011年季节波动引起的误差分别为0.01 m w.e./a，0.03 m w.e./a和0.01 m w.e./a，该误差包含在不确定性评估结果中，一般可以忽略。

4.2 冰川变化影响因素

木孜塔格峰地区降水较少，影响冰川发育的主要因素是低温。图6为基于气象格网数据的1971—2011年间气温和降水变化，其中P1—P4为气象格网中心点。冰川积累和消融均发生在夏季(6—8月)，由图6推测，1972—2011年间夏季气温升高是冰川退缩的主要原因，其中1971—1999年间气温明显上升(0.17 ℃/a)，降水量虽有波动但总体上呈现微弱上升趋势(0.2～0.7 mm/a)，由于降水量微弱增加不足以弥补气温上升带来的冰川物质损失，因此期间冰川物质呈现负平衡趋势。2000—2011年间气温呈微弱上升趋势(0.02～0.04 ℃/a)，降水量上升趋势比较显著(3.4～6.3 mm/a)，尽管气温仍然处于较高的水平，但降水显著增加，2005年后波动较小，因此期间冰川物质平衡负平衡趋势比较微弱，接近于平衡状态，说明降水的增加在一定程度弥补了冰川物质损失。

(a)气温变化

4.3 冰川前进与跃动原因

1999—2011年间2条前进冰川均呈现正积累状态，但1972—1999年间却呈现强烈的物质亏损。从图3可以看出木孜塔格冰川和淙流冰川1972—1999年间上游物质亏损严重，因此冰川上游强烈消融，冰川内部液态水的润滑导致冰川前进，与正常的前进不同。此外，2条前进冰川分别位列同一山峰的南北坡，坡度比较平缓，平均坡度分别为6°和8°，冰体相对宽大，末端相对稳定，为前进创造了条件。

关于跃动冰川的原因解释目前尚无定论，一般认为是液态水的润滑作用，液态水来源主要有积累产生的压融水、冰体内部储存的融水或者液态降水等[8]。该地区降水较少，现有气象资料表明2007年前后并未出现强降水现象。王宁练等[27]在昆仑山玉珠峰冰川内部发现富含水冰层，其富含水冰层的形成与气候变暖相关。此外，郭万钦等[16]分析表明鱼鳞川冰川跃动前冰裂隙发育，冰川跃动主要开始于2008年10月，夏季液态降水可能通过冰裂隙进入冰体从而诱发冰川跃动。

4.4 与其他研究的对比

本研究区冰川面积相对稳定，结果小于其他研究结果[13-14]，主要是因为范围比较小、时间尺度与其他研究不一致。不过，从邻近区域的研究(表5)也可以看出，该地区冰川面积相对于其他地区比较稳定。阿尔金山[28]冰川面积萎缩严重，其次是各拉丹冬[29]和普若岗日[30]，西昆仑[31]、阿汝错[8]、岗扎日[32]木孜塔格峰地区冰川面积变化较小，西风环流影响可能从西往东减弱，导致冰川面积减小率也存在从西往东增加的态势。

Brun等[15]的结果显示木孜塔格峰地区2000—2016年间冰川物质平衡估算为0.06 m w.e./a，与本研究1999—2011年间冰川物质平衡结果(0.02±0.04 m w.e./a)一致。Zhou等[33]利用Hexagon KH-9 和SRTM DEM(C波段)评估1973—2000年间的该地区物质平衡为-0.06±0.12 m w.e./a，与本文1972—1999年间冰川物质平衡结果(-0.11±0.02 m w.e./a)比较接近。两者差异可能是由于Zhou等[33]使用的C波段SRTM DEM对冰雪穿透的存在一定不确定性及存在一定的数据空值(32%)，而本研究数据相对完整。

对比1999年以后临近区域的冰川物质平衡结果(表6)，可以看出木孜塔格峰周围1999年以来大多数冰川区域呈现正物质平衡趋势。木孜塔格峰西南方向约150 km的耸峙岭[34]地区冰川正平衡趋势较为明显，耸峙岭往西的阿汝错[8]、土则岗日[12]、西昆仑[12]及西昆仑西部边缘地区的琼木孜塔格[12]等区域冰川物质都呈现比较明显的正平衡趋势。受西风环流的影响显著，降水增多，冰川物质呈现正平衡现象[35]。木孜塔格峰东南方向约200 km的岗扎日[32]地区冰川物质也呈现弱正平衡，但也比木孜塔格峰较为强烈，可能是因为冰川局部地形和气候存在一定差异。岗扎日往南和往东方向的普若岗日[10]、西各拉丹冬[36]等地区冰川则呈现负的物质平衡趋势，这些区域受西风环流的影响极小，在气候变暖的影响下，物质亏损相对严重。

5 结论

采用历史地形图数据，Landsat，SRTM DEM数据和TerraSAR-X/TanDEM-X数据，对木孜塔格峰地区1972—1999年间与1999—2011年间的冰川面积变化和物质平衡进行了对比研究。结果表明：

1)1972—2011年间木孜塔格峰地区冰川面积年均缩减率为0.02±0.06%。其中1972—1999年间年均缩减率为0.03±0.09%，1999—2011年间年均缩减率为0.02±0.21%。47条冰川表现为退缩，2条冰川表现为前进。

2)1972—2011年间木孜塔格峰地区冰川物质呈现微弱的负平衡(-0.06±0.01 m w.e./a)趋势，其中1999年以前为-0.11±0.02 m w.e./a，主要受气温升高所影响；1999年后几乎接近于平衡状态(0.02±0.04 m w.e./a)，因为降水的增加弥补了气温升高造成的物质亏损。该区域冰川物质平衡空间差异性大，不同冰川呈现不同的冰川物质平衡状态。退缩型冰川和稳定型冰川物质平衡均为-0.03±0.01 m w.e./a，前进型冰川物质平衡呈现较为强烈的物质亏损(-0.25±0.01 m w.e./a)。

3)木孜塔格峰地区冰川前进与正常前进冰川不同，其前进可能是冰川内部消融引起的，液态消融水的润滑导致冰川上游物质向下转移。冰川跃动的原因也可能与内部消融有关，与液态降水进入冰川也可能相关。

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