中国喜马拉雅山地区冰川1999—2015年期间动态变化遥感调查
【类型】期刊
【作者】安国英,韩磊,涂杰楠,支瑞荣,黄树春,童立强(中国自然资源航空物探遥感中心;四川省地质调查院;河北省地矿局水文工程地质勘查院;湖南省遥感中心)
【作者单位】中国自然资源航空物探遥感中心;四川省地质调查院;河北省地矿局水文工程地质勘查院;湖南省遥感中心
【刊名】现代地质
【关键词】 冰川变化;冰川编目;遥感调查;喜马拉雅山
【ISSN号】1000-8527
【页码】P1086-1097
【年份】2019
【期号】第5期
【期刊卷】1;|7;|8;|4
【摘要】根据完成的青藏地区基于1999年ETM、2014/2015年GF-1/OLI两期遥感调查的冰川编目数据,对1999—2015年期间中国喜马拉雅山地区的冰川变化进行分析。结果显示,从1999—2015年间,中国喜马拉雅山地区的冰川普遍退缩,冰川数量减少了85条,面积减少了42. 00 km2,冰储量减少了2. 385 km3,分别占其减少变化率的1. 53%、0. 67%和0. 50%。沿山脉由东向西冰川变化不一,其中东段的冰川数量减少多,西段的冰川面积和冰储量减少多,并且东段的数量减少变化率远大于西段,西段的面积、冰储量减少变化率大于东段,中段的冰川相对稳定。喜马拉雅山地区的冰川在北、北东和东等方向上发生退缩,且减少量依次减少,其中东向的数量减少变化率最大,北东向的面积减少变化率最大,而北向的减少变化率最小。冰川在不同坡度退缩程度不一,在坡度10°~15°范围冰川面积退缩最多、变化率最大,在坡度30°~35°范围数量减少最多、变化率最大。冰川在高程5 500~6 000 m区间数量和面积退缩量最多,其次是在高程5 000~5 500 m区间;在高程3 500~4 000 m区间的退缩变化率最大,而在高程6 000~6 500 m区间的退缩变化率最小。不同流域中冰川变化差异较大,在雅鲁藏布江流域(5O2)冰川数量和面积减少最多,其次是朗钦藏布等流域(5Q2)和朋曲等流域(5O1),而扎日南木措流域(5Z3)的冰川减少量最小,但是变化率最大。总之,小冰川的大规模退缩或者消失,较大冰川也普遍退缩,是喜马拉雅山地区冰川变化的特点。喜马拉雅山地区冰川退缩与气候变化关系密切。根据多年年平均气温和年降水量分析,自1961年以来,该地区年平均气温显著上升,年降水量有增有减,但气温上升、降水量减少是导致冰川消融原因之一。
【全文】 文献传递
中国喜马拉雅山地区冰川1999—2015年期间动态变化遥感调查
Remote Sensing Survey on Glacial Dynamic Evolution in the Himalayas in China During 1999—2015
0 引 言
冰川不仅是气候变化的天然指示器,而且作为一种重要的淡水资源,对区域社会经济发展、生态与环境有重要作用。冰川动态变化的监测,一直是冰冻圈研究的主要内容[1-4],也备受政府和学术界的关注[5-10]。对于冰川变化的研究,过去多基于少量典型冰川变化或特定区域冰川变化的监测数据,然后据此进行估算[7-8],从而给出某区域或地区的冰川面积减少量和比例。随着遥感技术在冰川调查中的广泛应用,对冰川变化的研究,经历了从单条冰川定位监测,到典型分布区域变化对比,再到全面冰川编目和动态监测;对于冰川资源的评价也从定性、半定量到定量,从面积变化到高程变化进而确定冰川厚度变化及冰储量变化等[9,11-13]。青藏高原是中国现代冰川的主要分布区,受全球气温上升影响,自20世纪80年代开始,冰川退缩呈加速态势[10,13-17],由此引发的冰湖溃决、洪水和冰川泥石流等灾害频发,并且灾害发生频率、规模以及造成损失等有逐年增大的趋势。
基于遥感信息的冰川调查,由于使用的数据源不同、提取方法的差异,不同研究者提供的调查数据不尽相同。从两次中国冰川编目成果统计得知,截至2012年完成的主要基于2000—2004年遥感影像和航摄资料、地形图等完成的第二次中国冰川编目成果中,中国喜马拉雅山地区有冰川6 072条,面积为6 820.98 km2,冰储量为(533.16±8.71) km3[19];与第一次中国冰川编目结果(有冰川6 472条,面积约8 411.96 km2,冰储量708.54 km3[18])相比,面积减少了18.91%,这些成果代表该地区1960—1989年期间到21世纪初期的冰川变化。青藏高原地质环境调查结果[10]显示,1975年至2000年期间,喜马拉雅山地区冰川面积减少了1 217.64 km2[14],减少变化率为15.07%。而喜马拉雅山典型地区的冰川调查显示出冰川减少的结果[16-17,20],如,西段纳木那尼冰川在1976年至2003年期间,退缩了6.92 km2,减少比例为8.19%;再如,珠穆朗玛峰国家自然保护区1976年至2006年期间,减少变化率为15.63%[16]。上述这些成果反映了2000—2004年之前的冰川变化情况,冰川作为一种动态资源,相对缺少近十几年来的冰川分布和动态变化信息。在此背景下,为建立较完善的冰川变化与冰湖溃决灾害地质信息数据库,中国地质调查局在2016年启动“青藏地区的冰川变化与冰湖溃决灾害遥感综合调查” 地质调查项目,以满足国民经济发展和新时期防灾、减灾和生态环境建设、保护的需求。本文基于中国地质调查局组织部署实施的这一项目中1999年和2015年两期的遥感调查的冰川编目结果,以喜马拉雅山地区冰川为例,对该区1999年至2015年期间冰川变化情况进行分析和总结,为政府部门的减灾、防灾和生态环境建设提供基础数据支撑。
1 研究区概况
图1 中国喜马拉雅山地区遥感影像图及冰川分布(OLI影像图由7、4和1波段合成)
Fig.1 Remote sensing image of the Himalayas and glacial distributions in China (RGB completed by bands of 7, 4 and 1 from OLI)
喜马拉雅山是绵亘于中国和印度、不丹、尼泊尔、锡金之间的山脉,全长2 500 km,宽200~300 km,由许多平行的山脉组成;西起帕米尔高原的南迦帕尔特峰,东到雅鲁藏布江的大拐弯处,平均海拔6 000 m以上,超过7 000 m的高峰有50多座,8 000 m以上的山峰有11座,其中海拔8 848.13 m的珠穆朗玛峰是世界第一高峰。中国境内的喜马拉雅山区,北面以噶尔藏布—玛旁雍错—雅鲁藏布江为界,南面以中国—印度—不丹—尼泊尔国界为界(图1),长约1 700 km,宽60~250 km,地理坐标范围为78°00′~95°30′E,26°~33°N。习惯上,不同学者以山峰或者河谷为界,将喜马拉雅山分成西、中、东三段,但没有统一具体的分界线。本研究参照前人以切割喜马拉雅山的河流主干道为分段界线[21],以大致东经90°附近的康布麻曲—下布曲、东经85°附近的吉隆藏布为界线,分成三段,即康布麻曲—下布曲—雅鲁藏布江大拐弯为东段,康布麻曲—下布曲—吉隆藏布为中段,吉隆藏布至恒河及印度河与中印国界交接处为西段。研究区内高山林立,在中国境内海拔超过8 000 m的有5座,均位于中段,超过7 000 m的21座中的13座也位于中段,而西段仅有1座,东段有7座。这些高大的山体,为冰川的分布提供条件,形成巨大的冰川作用中心和中低纬度冰川的分布中心,呈现出由西向东冰川条带状,分带、分段集中分布的特征。
中国喜马拉雅山地区地势总体西高东低,呈阶梯式递降,西部平均海拔5 000 m以上,东部平均海拔4 700 m左右。由北而南波状起伏,地形比较复杂,分带性比较明显。中国喜马拉雅山系属于北坡冰川数量多,且冰川个体规模南坡大的山系[18],沿喜马拉雅山脉分布的冰川类型,由东或者东南部分的海洋型冰川转变为中西部的亚大陆型冰川。本区夏半年受西南季风控制,冬半年主要受西风控制,气候表现出明显的季节性变化特征。从东到西差异大,东端雅鲁藏布大峡谷为南亚季风进入高原内部的最大水汽通道,降水量相对较多,冰川末端能降到4 500 m以下;往西降水骤减,冰川末端的平均高度超过5 000 m,且越往西冰川末端平均海拔高度越高[22]。
2 研究数据与方法
本次调查工作使用的数据有Landsad ETM(1999年)和GF-1/ Landsad OLI(2014/2015年)两期卫星影像、数字高程模型数据、“中国第二次冰川编目”矢量数据等。其中影像ETM和GF-1/OLI卫星遥感影像,用于提取两期冰川边界;SRTM V4数据作为DEM模型数据,用于复合冰川面积的分割与冰川几何参数提取;冰川编码依据“中国第二次冰川编目”的编码和方法。对于使用的影像数据,除Landsad ETM影像、GF-1多光谱影像和Landsat OLI影像[9]外,也参考在线Google Earth等。影像时相以秋冬为主,云、雾覆盖率<15%的数据,由于工作区范围较大,难以获取完全相同时相的影像,两期影像时相尽量选取相近季节。实际工作中使用ETM遥感数据20景,1999年18景,2000年2景,为10至12月份,选用7、4、1波段与全色8波段融合形成空间分辨率为15 m的影像;使用的GF-1多光谱遥感数据18景,全部为2014年,以9至12月份及1月份为主,选用4、3、2波段合成彩色、空间分辨率16 m的影像。由于GF-1影像有雪被覆盖,又选用2015年的20景Landsad OLI遥感数据作为参考和补充数据,该OLI数据时相多为10至12月份,选用7、4、1波段与全色8波段数据融合形成空间分辨率为15 m的影像。因此,以1999—2015年作为时间参考分析冰川变化趋势。
图2 中国喜马拉雅山的冰川1999—2015年期间变化(局部)
Fig.2 Comparison of the area of the Chinese Himalayas glaciers from 1999 to 2015 (in part)
(a)1999年ETM影像解译冰川图斑(由7、4、1波段合成);(b)2015年GF-1影像图上冰川图斑(由4、3、2波段合成)
遥感调查使用人机交互解译的方法,先以目视提取复合冰川面积,再用GIS软件功能,利用流域边界和坡向差提取山脊线,经过人工修正后作为分冰岭,依次分割复合冰川,划分单条冰川面积,编辑相关属性信息,经过外业验证和修改,完成单条冰川编目[9],分别完成两期冰川编目信息。然后,根据提取两期冰川面积,运用GIS软件的叠加功能,判断出冰川的变化或者稳定。实际操作过程中,对于地形起伏过大,不同的传感器引起的图像几何畸变难以完全消除的情况,结合上一期图像的地形地物特征,对下一期图像进行相对解译的方法来识别冰川不同时相的变化。如,以完成的1999年单条冰川面积矢量线为基础,对2014/2015年影像进行解译,不能重叠的影像,参照山脊线位置,判断冰舌的位置,逐一修改发生退缩的冰川末端,圈定出新一期的冰川面积(图2),完成2014/2015年单条冰川矢量提取。本次调查提取最小冰川面积为0.000 2 km2。
作为研究区冰川变化气候背景参考的气象台站观测资料,源自中国气象数据网的国家气象科学数据共享服务平台[23]。
3 结果与讨论
3.1 冰川数量与面积变化
根据本次调查冰川编目结果统计(表1),截至2015年中国喜马拉雅山地区有冰川5 472条,面积为6 257.63 km2,与1999 年该区冰川5 557条、面积为6 299.63 km2相比,1999—2015年期间冰川数量减少了85条,面积减少了42.00 km2,相应冰川数量、面积减少变化率为1.53%和0.67%;单条冰川平均面积由1.134 km2增大到1.141 km2,略有扩大。与念青唐古拉山地区的冰川变化相比[24],喜马拉雅山地区的冰川面积减少量小、变化幅度近似,但是冰川数量减少多,也是冰川明显退缩的地区。
表1 中国喜马拉雅山地区1999—2015年期间各段冰川数量与面积的变化
Table 1 Change of number and size in three parts of glaciers in the Chinese Himalayas(1999 to 2015)
1999年数量/条面积/km2均值/km22015年数量/条面积/km2均值/km21999—2015年期间变化量与变化率数量变化量/条数量变化率/%面积变化量/km2面积变化率/%东段2 1082 566.031.2152 0542 550.481.242-54-2.56-15.55-0.61中段1 6952 273.471.3451 6882 272.721.346-7-0.41-0.76-0.03西段1 7541 460.480.8241 7301 434.420.829-24-1.37-25.70-1.76总计5 5576 299.631.1315 4726 257.631.144-85-1.53-42.00-0.67
注:“-”表示减少;变化率=(本期-上期)/上期×100%。 下文同。
图3 中国喜马拉雅山地区2015年冰川数量与面积沿经度分布及1999—2015年期间的变化
Fig.3 Distribution of glacial number and size in 2015 and change from 1999 to 2015 along longitude in the Chinese Himalayas
(a)2015年冰川的面积与数量;(b)1999—2015年期间冰川数量与面积的变化
从空间分布来看,沿山脉走势由西向东冰川分布与退缩的冰川数量、面积各段区别明显。截至2015年,东段分布区的冰川有2 054条,占总数的37.54%;面积为2 550.48 km2,占总数的40.76%。中段的冰川有1 688条,面积为2 272.72 km2,分别占总数的30.85%和36.32%。西段有冰川1 730条,面积为1 434.42 km2,分别占总数的31.62%和22.92%。东段的单条冰川平均面积大于西段的,中段的单条冰川平均面积最大。从1999年和2015年两期冰川的变化来看,东段的冰川数量减少多于西段的,西段的冰川面积退缩多于东段的,中段的冰川数量、面积减少最小;并且东段的数量变化率远大于中、西段的,西段的面积变化率大于东、中段的;随着东段小冰川的消失,平均面积增加幅度也大于西段的,中段的平均面积相对稳定(表1)。又以经度1°为间距分组,沿山脉走势统计2015年冰川分布和1999—2015年期间冰川变化分布(图3),也显示出类似的特征。如,90°E左右以东,相当于东段,冰川呈双峰形态分布,冰川数量减少多;东经84°E左右以西,大致相当于西段,冰川分布呈低缓的多峰态,冰川面积减少多;介于84°E~90°E的中间部分,冰川分布呈典型的单峰态,冰川数量、面积减少相对较小,冰川分布特征与前述山脉中高大山体构成的冰川分布中心一致,变化特征反映受地质环境和气候等因素制约。
3.2 冰川不同规模的变化特征
1999年和2015年两期不同规模的冰川的统计信息显示(表2),截至2015年,有冰川面积规模≤1.0 km2的冰川4 355条,占总数的79.59%,面积为1 117.54 km2,占总面积的17.86%,其中冰川面积规模在0.1~1.0 km2范围的冰川,其面积仅占总面积的1.24%,数量却占总数的51.88%,是冰川中数量最多的;冰川面积规模在1.0~10.0 km2范围的冰川有1 014条,占总数量的18.53%,面积为2 925.01 km2,占总面积的46.74%,占比最大;冰川面积规模>10 km2冰川仅有103条,仅占总数量1.88%,面积为2 215.07 km2,占总面积的35.40%,占比较大;没有面积大于100 km2的冰川,最大的增冰川面积为86.49 km2。分析表明,中国喜马拉雅山地区,冰川数量上以单条冰川面积≤1.0 km2的冰川为主,而面积上以单条冰川面积>1.0 km2的冰川为主,这主要是由于喜马拉雅山海拔高度较高,山脊区瘦削而陡峭,难以发育具有广大粒雪盆与汇合众多支流的巨大冰川,仅在友谊峰附近形成少数几条较大冰川。
表2 中国喜马拉雅山地区1999—2015年期间不同规模冰川数量与面积变化
Table 2 Change of glacial number and size in the Chinese Himalayas(1999 to 2015)
规模/km21999年数量/条面积/km2均值/km22015年数量/条面积/km2均值/km21999—2015年期间变化量与变化率数量变化量/条数量变化率/%面积变化量/km2面积变化率/%<0.11 56082.930.0531 51677.490.051-44-2.82-5.44-6.560.1~1.02 8791 063.490.3692 8391 040.050.366-40-1.39-23.44-2.201.0~10.01 0142 925.002.8851 0142 925.012.88500 0.01010.0~100.01042 228.2121.4251032 215.0721.506-1-0.96-13.14-0.59总计5 5576 299.331.1345 4726 257.631.144-85-1.53-42.00-0.67
对比1999年和2015年两期不同面积规模冰川变化得知,除冰川面积规模在1.0~10.0 km2范围的冰川,面积略增加外,其他规模的冰川数量和面积皆减少,并且小冰川的变化率最大。面积规模≤1.0 km2的冰川减少了84条,面积减少了28.87 km2,其中规模≤0.1km2的冰川数量减少44条,面积减少5.44 km2,占减少总数量51.76%、总面积的12.95%,减少幅度最大;规模在0.1~1.0 km2范围的冰川数量减少了40条,总面积减少了23.44 km2,占减少总数量的47.06%、总面积的55.80%,减少面积最多。而规模≥10.0 km2的冰川,仅减少1条冰川,面积减少了13.14 km2,占减少总面积的31.28%。这些数据表明中国喜马拉雅山地区冰川变化以小冰川退缩或消失为主,同时较大冰川普遍处于退缩状态。
从不同规模等级两期冰川的相对变化来看,除面积规模在1.0~10.0 km2范围的冰川数量保持不变,冰川面积增加了0.10%外,其他规模等级冰川均呈减少趋势,并随冰川规模增大,退缩趋势变缓,即面积规模≤0.1 km2相对变化最大,其次是面积规模介于0.1~1.0 km2之间,面积规模≥10.0 km2相对变化率最小;面积规模≤1.0 km2的冰川对消融总量的贡献略多于规模≥10.0 km2的冰川的消融量,总体上是面积规模≤1.0 km2的冰川对气候变化最为敏感,消融率最高。
3.3 冰川坡度、高程与朝向变化特征
冰川坡度是冰川范围内像元坡度的平均值,以5°间距进行划分统计(表3)。结果显示,冰川数量、面积及单条冰川的平均面积随着坡度增大,呈先增大后减少的趋势。其中冰川数量在坡度25°~30°区间达到峰值;面积在坡度20°~25°区间达到峰值;平均面积在坡度10°~15°区间最大,平缓坡度有利于冰川发育。截至2015年的统计结果显示,坡度在15°~30°区间内数量、面积分别占总数的62.21%、71.50%;在坡度30°~35°的冰川数量多于坡度15°~20°区间的数量,在坡度15°~20°区间的冰川面积大于坡度30°~35°区间的面积。统计也显示,沿山脉由东向西,各段中占50%以上的冰川面积集中分布区间由东段的坡度20°~30°范围变为中段的15°~25°范围,到西段的10°~20°范围;冰川数量分布区间也有类似的特征,只是中段、西段分布范围更大些。
从2015年和1999年两期冰川变化来看,所有坡度区间均有减少,并且减少冰川数量、面积及变化率峰值并没有保持一致。在坡度20°~35°区间冰川数量减少量达75%,而在坡度10°~25°区间冰川面积减少量占66%以上。从相对变化来看,冰川数量在坡度30°~35°减少最多,变化率也最大;冰川面积在10°~15°减少最多,变化率最大。冰川数量和面积变化峰值的差异,也是沿山脉从东至西冰川集中分布坡度区间差异所致。
中值高程,是把冰川面积分为两等份对应的海拔高度,以 500 m 间距对冰川中值高程进行划分统计(表4),又按100 m间距分段统计冰川的分布和变化情况(图4)。统计结果显示,2015年喜马拉雅山地区由东向西冰川分布高程范围缩小(图4(a)),东段中值高程在3 600~6 600 m以上,呈偏峰态;中段集中在4 200~6 800 m以上,呈多峰态;西段在4 900~6 700 m以上,呈似正态分布;总体在5 000~6 500 m海拔区间是冰川集中分布区,冰川数量和面积分别占总量的88.61%和86.46%,平均面积亦较大。从1999年与2015年两期变化得知,冰川数量、面积的变化幅度随着海拔升高而波动变化,海拔≤4 000 m的冰川数量减少变化率达23.08%,面积减少变化率达28.18%,随后减少;其次在5 500~6 000 m区间海拔再次变大,然后再次减少。这与喜马拉雅山地区从东或南东至西或北西冰川分布的雪线高度逐步升高、山脉走向及气候差异相关(图4(b))。东段3 400~3 600 m冰川消融导致高程≤4 000 m的冰川总面积减少,数量减少,单条冰川规模减小;在5 500~6 000 m区间冰川分布集中区域,数量减少68条,面积减少22.98 km2,退缩量最大,变化率较大。冰川分布形态和变化特征说明,喜马拉雅山地区由西向东水热条件比山脉海拔高程对冰川的发育及变化起着更为重要的作用。
表3 中国喜马拉雅山地区1999—2015年期间冰川数量与面积在不同坡度的变化
Table 3 Change of glacial number and size at different slopes in the Chinese Himalayas(1999 to 2015)
坡度/(°)1999年数量/条面积/km2均值/km22015年数量/条面积/km2均值/km21999—2015年期间变化量与变化率数量变化量/条数量变化率/%面积变化量/km2面积变化率/%<102139.641.8872139.161.86500-0.48-1.2110~15309781.892.530307769.272.506-2-0.65-12.62-1.6115~208071508.071.8698011500.061.873-6-0.74-8.01-0.5320~251 2201 692.821.3871 2031 684.911.401-17-1.39-7.15-0.4225~301 4211 294.330.9111 4001 289.350.921-21-1.48-4.93-0.3830~35997670.430.672971664.730.685-26-2.61-5.71-0.8535~40514253.840.494505251.120.497-9-1.75-2.72-1.0740~4519749.800.25319449.450.255-3-1.52-0.35-0.71>45719.610.135709.590.137-10-0.03-0.31总计5 5576 299.631.1345 4726 257.631.144-85-1.53-42.00-0.67
表4 中国喜马拉雅山地区1999—2015年期间冰川数量与面积在不同高程的变化
Table 4 Change of glacial number and size at different altitudes in the Chinese Himalayas(1999 to 2015)
高程/m1999年数量/条面积/km2均值/km22015年数量/条面积/km2均值/km21999—2015年期间变化量与变化率数量变化量/条数量变化率/%面积变化量/km2面积变化率/%≤4 000 13 2.810.216 10 2.020.202-3-23.08-0.79-28.184 000~4 500 82 64.290.784 82 64.290.78400004 500~5 000299284.600.952295283.830.962-4-1.34-0.77-0.275 000~5 5001 1761 594.691.3561 1691 581.701.353-7-0.60-12.98-0.235 500~6 0002 9423 069.591.0432 8743 047.221.060-68-2.31-22.98-0.816 000~6 5001 0021 245.001.2431 0421 278.571.227-3-0.30-5.09-0.41> 6 500 43 38.650.899 43 38.650.8990000总计5 5576 299.631.1345 4726 257.631.144-85-1.53-42.00-0.67
图4 中国喜马拉雅山地区2015年各段冰川面积与数量在高程上分布及1999—2015年期间的变化
Fig.4 Distribution of glacial number and size at middle-attitudes along three parts in 2015 and change from 1999 to 2015 in the Chinese Himalayas
(a)2015年冰川面积与数量的分布;(b) 1999—2015年期间冰川数据与面积的变化
冰川朝向是指冰川面对的方向,通常按北(N)、东北(NE)、东(E)、东南(SE)、南(S)、西南(SW)、西(W)和西北(NW) 8个方位进行统计[18]。根据2015年冰川编目统计,偏北向(N、NE和 NW)的冰川有4 691条,面积为5 236.66 km2,分别占冰川总数的85.72%和83.69%;偏南向(SE、S和SW)的冰川有219条,面积为339.18 km2,分别占冰川总数的4.01%和5.42%;东向的冰川有480条,面积为638.018 km2,西向的冰川有82条,面积为43.763 km2,东、西朝向的冰川数量、面积之和分别占冰川总数量的10.27%和总面积的10.90%。不同朝向冰川平均面积差异较大,总体上偏南向(SE、S和SW)的冰川平均面积为1.549 km2,大于偏北向(N、NE和 NW)的冰川平均面积1.116 km2;南、东南向的冰川平均面积分别为2.580 km2、1.452 km2,为最大,北西、西向的冰川平均面积分别为0.242 km2、0.534 km2,为最小。
1999年和2015年两期冰川在各朝向上数量和面积的变化显示(表5),冰川在北向、东北向和东向上发生退缩,并且减少趋势不一。正北向的冰川减少了57条,面积减少了20.36 km2,减少量最多;其次是北东向的冰川,数量减少了18条,面积减少了17.00 km2,且面积减少变化率最大;东向的冰川数量减少了10条,面积减少了4.64 km2,且数量减少变化率最大;北、东北和东三个方向冰川的平均面积略有增大;而正南、东南、西南、正西方向的冰川面积相对稳定,主要是这些方向冰川主要分布在喜马拉雅山地区的东段,也属于季风海洋型冰川分布区,充沛的降水补给,有利于冰川的发育。
表5 中国喜马拉雅山地区1999—2015年期间冰川数量与面积在不同朝向的变化
Table 5 Change of number and size of glaciers at different directions in the Chinese Himalayas(1999 to 2015)
朝向1999年数量/条面积/km2均值/km22015年数量/条面积/km2均值/km21999—2015年期间变化量与变化率数量变化量/条数量变化率/%面积变化量/km2面积变化率/%N3 6093 713.221.0293 5523 692.851.040-57-1.58-20.36-0.55NE1 1401 556.711.3661 1221 539.701.372-18-1.58-17.00-1.09E490642.651.312480638.021.329-10-2.04-4.64-0.72SE72104.601.45372104.601.4530000S65167.722.58065167.722.5800000SW8266.860.8158266.860.8150000W8243.760.5348243.760.5340000NW174.110.242174.110.2420000总计5 5576 299.631.1315 4726 257.631.144-85-1.53-42.00-0.67
表6 中国喜马拉雅山地区1999—2015年期间冰川数量与面积在流域的变化
Table 6 Change of glacial number and size in the watersheds in the Chinese Himalayas(1999 to 2015)
流域1999年数量/条面积/km2均值/km22015年数量/条面积/km2均值/km21999—2015年期间变化量与变化率数量变化量/条数量变化率/%面积变化量/km2面积变化率/%朋曲等 2 0612 585.701.2552 0572 577.461.253-4-0.19-8.25-0.32雅鲁藏布江2 7583 231.271.1722 6943 208.091.191-64-2.32-23.18 -0.72朗钦藏布等674423.180.620659414.110.628-15-2.23-9.07 -2.14扎日南木措6459.420.9246257.970.935-2-3.13-1.50 -2.53总计5 5576 299.631.1345 4726 257.631.144-85-1.53-42.00 -0.67
3.4 冰川变化流域差异
按照国际冰川流域编目规范,中国喜马拉雅山地区的冰川隶属于恒河水系上游的朋曲等流域(5O1)与雅鲁藏布江流域(5O2)、印度河水系的朗钦藏布等流域(5Q2)和青藏高原内流域扎日南木措(5Z3)等4个二级流域。由表6可知,分布在雅鲁藏布江、朋曲等流域的冰川,数量分别占总数的49.23%和37.59%,面积分别占总面积的51.27%和41.19%,其次朗钦藏布等流域的冰川数量和面积分别占总量的12.04%和6.62%,扎日南木措流域的冰川最少,数量占总量的1.13%,而面积只占总量的0.93%。
对比各流域1999年和2015年两期冰川编目结果(表6)得知,雅鲁藏布江流域冰川数量和面积减少最多,分别占变化总量的75.29%、55.19%,其次是朗钦藏布等流域,分别占17.65%、21.60%,朋曲等流域分别占4.71%和19.63%;而扎日南木措流域变化的数量、面积不足总数的4%;随着小冰川的消失,除朋曲等流域外,冰川平均值略有增大。但是从变化率来看,扎日南木措流域的冰川减少数量、面积的变化率最大,朋曲等流域的减少变化率最小,可见冰川退缩对内流域的影响较大。
3.5 冰川储量变化
本次遥感调查对于冰川储量的估算,采用中国第二次冰川编目使用的Radic 和Hock[25]、Grinsted[26]提出的计算公式。文中冰储量是下面两种算法的统计结果。
V=0.0365A1.375
(1)
V=0.0433A1.29
(2)
式中:V为冰川冰储量,km3;A为冰川面积,km2。
利用公式(1)和公式(2)计算的结果显示,喜马拉雅山地区的冰川1999年的冰储量为(480.53±6.20) km3,2015年的冰储量减少为(478.15±6.24) km3,共减少2.385 km3,减少变化率为0.50%。从所处流域分析,雅鲁藏布江流域减少的冰储量为(1.389±0.008) km3,占减少总量的58.62%;其次是朗钦藏布和朋曲等流域,减少冰储量分别为(0.443±0.020) km3、(0.440±0.021) km3,占减少总量的18.57%和18.44%;扎日南木措流域减少冰储量为(0.113±0.000 3) km3,仅占4.73%。从冰储量变化率看,扎日南木措的减少变化率达3.33%,为最高,冰川变化对内流域影响更大;朗钦藏布、雅鲁藏布江等流域的减少变化率分别为1.49%和0.58%,高于减少平均变化率;朋曲等减少变化率为0.21%,为最小。从空间分布对比,东段、中段和西段冰储量的减少变化率分别为0.37%、0.02%和1.67%,均小于相应的东段、中段和西段的冰川面积减少变化率(0.61%、0.03%和1.76%),并且西段的冰储量、面积的变化幅度高于东段的冰储量、面积的变化幅度。总体上冰储量减少变化率为0.50%,小于面积减少变化率0.67%,与中国阿尔泰山[27]、念青唐古拉山[24]冰川体积变化大于冰川面积结果不一致。
3.6 气候变化对冰川变化的影响
水(降水)、热(气温)及其组合是影响冰川发育的主要气候因子,二者年际变化共同决定冰川的性质、发育和演化[11]。为分析降水和气温对冰川变化的影响,统计了喜马拉雅山地区多个气象台站的年均气温、年降水量和累年年值数据(表7),同时选取狮泉河、普兰和隆子3个台站的年降水量、年平均气温的多年年值数据资料作为研究区不同地区冰川变化气候背景参考。从表7中可以看出,年均气温和年降水量,沿喜马拉雅山脉从西到东的差异较大;不同时间段的30年累年年值数据对比,大致得知,所有台站的气温是升高的,升温幅度不一,降水量增减变化不一,其中狮泉河、普兰、定日及江孜等台站降水量减少,帕里、错那和隆子等台站降水量略有增加,聂拉木、拉孜和日喀则台站降水量基本持平。该地区近几十年来气温普遍升高,在不同地区升温幅度略有差异,而降水在空间上没有表现出一致性的变化趋势,这与其他研究者得出的变化趋势一致[10,28-29]。总体上,沿山脉由西或西北向东或东南,大体上呈现出气温升温幅度减小、降水量由减少到略增趋势。
以狮泉河、普兰和隆子台站为例进行多年连续观测数据的变化趋势分析,分析结果如图5所示。从狮泉河、普兰和隆子3个气象台站的1961—2013年多年观测数据分析年平均气温和年降水量的变化情况(图5)得知,狮泉河、普兰和隆子台站的年平均气温呈增长趋势,分别增长0.039 ℃/a、0.040 ℃/a、0.021 ℃/a,并呈显著相关(通过显著性相关系数0.001检验);相应年降水量波动变化,狮泉河、普兰台站表现出略有减少、隆子台站略有增加的趋势,总体显著性水平不高,年降水量变化趋势不明显。前述这些观测结果显示出多重因素的综合差异,既有沿山脉从东到西不同经度与纬度的地带性差异,又有由于山脉屏障作用而产生的南北差异,还有高大山体形成的垂直地带性差异。如,西段高纬度增温幅度略大,各站点降水量略有减少;中段增温幅度较大,降水量有增有减,降水量减少和持平的站点多于降水量增加的站点;东段增温幅度较小,降水量增减不一,降水量增加站点略多于减少站点。气温上升导致的冰川消融在一定程度上抵消了降水增加对冰川的补给,显示气候环流条件和地形条件的复杂性。小冰期以来,气温总趋势是呈现波动上升,相应的冰川变化以退缩为主。冰川响应气候变化有一定的滞后性,滞后期的长短与冰川规模相关[18]。显然,喜马拉雅山地区近几十年来气温的普遍上升,在很大程度上决定了绝大多数冰川的持续退缩,冰川规模和地质环境的差异造成冰川退缩变化的差异性。
表7 我国喜马拉雅山地区气象站点1956—2013年期间年均气温和年降水量统计
Table 7 Statistics of mean annual temperature and precipitation of weather stations in the Chinese Himalayas (1956 to 2013)
台站位置东经/(°)北纬/(°)高程/m资料时段降水量/mm均值年值1年值2气温/℃均值年值1年值2狮泉河80.0832.504 2791961—201369.374.866.40.70.41.0普兰 81.2530.283 9001973—2013157.0157.3150.73.63.23.6聂拉木85.9728.183 9001966—2013646.4665.6654.33.83.63.9定日 87.0828.634 3001959—2013285.7295.6289.02.72.83.2拉孜 87.6029.084 0001978—2013330.5329.4328.56.86.77.0日喀则88.8829.253 8361956—2013430.0430.5430.46.66.56.8帕里 89.0827.734 3021957—2013431.2440.9446.80.20.10.4江孜 89.6028.924 0401956—2013285.7291.3276.95.15.05.3错那 91.9527.984 2801967—2013406.9407.6417.2-0.1-0.30.0隆子 92.4728.423 8601959—2013283.1280.6286.65.45.45.6
注:均值,在指定时段的年平均值;年值1,表示1971—2000年累年值的年平均气温和年降水量[20];年值2,表示1981—2010年累年值的年平均气温和年降水量[20]。
图5 中国喜马拉雅山附近气象台站1961—2013年期间年平均气温及年降水量的变化
Fig.5 Variation of average annual temperature and precipitation anomalies of weather stations around the Chinese Himalayas(1961 to 2013)
4 结 论
通过对中国喜马拉雅山地区1999年和2015年两期冰川编目结果分析,得到以下认识:
(1) 1999—2015年期间,该区域冰川总体上表现为退缩状态,冰川数量减少了85条,面积减少了42.00 km2,冰川数量、面积减少变化率分别为1.53%和0.67%;东段冰川数量减少多,西段冰川面积减少大,中段相对稳定。冰川面积-储量关系计算结果显示,冰储量减少了2.385 km3,减少变化率为0.50%,与青藏两省区其他山系冰川变化相比,本区冰川数量减少量较大,是冰川退缩较强烈的地区。
(2)不同规模的冰川均有退缩,且随着冰川规模增大,冰川数量、面积的减少变化率呈缩小趋势。其中冰川规模≤1.0 km2的冰川减少了84条,面积减少了28.87 km2,占减少总面积的68.75%,数量和面积减少多、减少变化率大;规模≥10.0 km2的冰川,减少1条,减少面积为13.14 km2,占减少总面积的31.28%,面积减少较多、减少变化率小。小冰川(规模≤1.0 km2)退缩或消失的同时,较大冰川(面积≥10.0 km2)也退缩是喜马拉雅山冰川变化的特点。
(3) 对该区的冰川朝向、坡度与海拔高程统计分析表明,在朝北、北东及东3个朝向的冰川发生退缩,减少量依次降低;不同坡度冰川退缩程度不一,坡度在10°~15°区间的冰川面积退缩最大、减少变化率最大,坡度在30°~35°区间的冰川数量减少最多、减少变化率最大;中值高程介于3 500~6 500 m海拔区间冰川面积和数量均呈减少趋势,其中在5 500~6 000 m区间冰川数量和面积退缩最大,其次在5 000~5 500 m区间;而高程≤4 000 m的冰川数量、面积减少变化率最大。
(4) 该区的冰川在不同流域中,冰川变化亦呈现出差异,分布最集中的雅鲁藏布江流域(5O2)冰川数量和面积减少最多,其次是朗钦藏布等流域(5Q2)和朋曲等流域(5O1),而扎日南木措流域(5Z3)冰川数量、面积减少量最小,且减少变化率最大,冰川的退缩对内流域的影响远大于外流域。
(5)对狮泉河、普兰和隆子3个气象台站的多年年平均气温、年降水量变化分析表明,1961—2013年期间年均气温呈显著上升趋势,年降水量增减变化没有显著特征。综合多种因素说明喜马拉雅山地区冰川退缩与该区域气温上升关系密切,气温上升导致的冰川消融在一定程度上抵消了降水增加对冰川的补给。
(6) 需要指出的是,由于工作区域大,尽量选取相近季节的影像进行比对,受数据时相差异影响,以及存在大片区域冰川以变薄为主和2014/2015年的GF-1/OLI影像中个别区域受雪被覆盖而难以识别冰川边界时候采用保持原冰川界线的情况,所以本文计算的冰川面积退缩变化量可能偏小、变化幅度偏低。
致谢:文中使用中国地质调查局“青藏冰川变化与冰湖溃决灾害遥感综合调查”二级项目中“青藏地区冰川、冰川湖动态变化中分辨率遥感调查”子项目部分成果,对参与遥感调查工作的其他同仁深表感谢。
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