尼泊尔冰川1980-2010年的变化特征

日期:2019.12.16 阅读数:18

【类型】期刊

【作者】李巧媛,谢自楚,戴亚南,廖淑芬(湖南省气象台;湖南师范大学资源与环境科学学院;益阳市桃江一中)

【作者单位】湖南省气象台;湖南师范大学资源与环境科学学院;益阳市桃江一中

【刊名】冰川冻土

【关键词】 尼泊尔;冰川系统;冰川变化

【资助项】国家自然科学基金项目(41271091,41271095);湖南省气象局重点项目(XQKJ8A002)

【ISSN号】1000-0240

【页码】P935-948

【年份】2019

【期号】第5期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】利用尼泊尔已发布的冰川编目数据、遥感数据及DEM数字高程模型,利用GIS和Excel对尼泊尔境内冰川的结构特征及1980-2010年的冰川变化特征进行了分析,并运用冰川系统功能模型模拟了同期尼泊尔冰川的变化趋势。结果表明:(1)尼泊尔境内冰川平均规模较小,且冰川分布的海拔差异大。(2)尼泊尔冰川平衡线高度分布受地形影响明显,呈现出反纬向性变化特征,存在若干以高峰为中心的高值区域。(3)1980-2010年尼泊尔冰川整体呈现退缩状态,冰川数量增加了378条,冰川面积和体积均减少,分别减少了24%和29%;小规模冰川或冰川系统退缩更快,1980-1990年冰川变化速率最快。(4)采用历史时期的气温变化率,冰川系统功能模型可以较好地模拟冰川历史时期的变化特征。

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<span class="emphasis_bold">尼泊尔冰川1980-2010年的变化特征</span>

尼泊尔冰川1980-2010年的变化特征

李巧媛1, 谢自楚2, 戴亚南2, 廖淑芬3

(1.湖南省气象台,湖南 长沙 410118; 2.湖南师范大学 资源与环境科学学院,湖南 长沙 410081;3.益阳市桃江一中,湖南 益阳 413400)

摘 要: 利用尼泊尔已发布的冰川编目数据、 遥感数据及DEM数字高程模型,利用GIS和Excel对尼泊尔境内冰川的结构特征及1980-2010年的冰川变化特征进行了分析,并运用冰川系统功能模型模拟了同期尼泊尔冰川的变化趋势。结果表明: (1) 尼泊尔境内冰川平均规模较小,且冰川分布的海拔差异大。(2) 尼泊尔冰川平衡线高度分布受地形影响明显,呈现出反纬向性变化特征,存在若干以高峰为中心的高值区域。(3) 1980-2010年尼泊尔冰川整体呈现退缩状态,冰川数量增加了378条,冰川面积和体积均减少,分别减少了24%和29%;小规模冰川或冰川系统退缩更快,1980-1990年冰川变化速率最快。(4) 采用历史时期的气温变化率,冰川系统功能模型可以较好地模拟冰川历史时期的变化特征。

关键词: 尼泊尔;冰川系统;冰川变化

0 引言

据IPCC第5次评估报告[1],19世纪80年代以来,全球地表温度平均升高了0.85 ℃。近50年来全球变暖趋势加剧,这对全球的生态环境产生了深刻影响,气候变化问题已经引起各国政府的高度重视,是科学界最重要的研究课题之一。冰川占全球陆地面积的11%[2],它的存在及动态对地球环境有十分重要的意义,其中对全球海平面的升降及水资源丰枯有重大意义,对与冰冻圈有关的气候和地质灾害的发生频率及规模的影响更为突出。

近数十年来,对冰川变化的监测及研究已有大量报道,其中Dyrgerov等[3]根据世界冰川变化监测资料,对世界各地主要冰川区的冰川物质平衡、 覆盖面积及冰量的变化做了较系统的统计。1961-2006年,除两极大冰盖外的全球山地冰川面积以年平均0.12%的速率退缩,总面积已减少5.6%。

中国的冰川变化情况也进行了系统研究。刘时银等[4]根据中国西部不同地区15个实验区冰川的遥感监测结果发现,在中国冰川总的退缩背景下,不同地区冰川退缩速率差别很大,处于边缘山脉的冰川退缩率大,而处于青藏高原腹地的冰川退缩率小,相差可达数十倍。这与笔者近年对于阿尔泰山[5]及羌塘高原[6]冰川变化的研究结果相似。位于中国与尼泊尔边境的喜马拉雅山中段,海拔8 000 m 以上的极高峰林立,是高亚洲的一个冰川集中分布区。该区域冰川及其变化的研究倍受关注,但因其自然条件恶劣,交通十分困难,是山地冰川研究中比较薄弱的地区。一些有限的冰川学资料多是涉及个别冰川;对整个地区冰川特征及其动态的总体研究,现在主要建立在对冰川的系统编目和应用卫星遥感监测的方法基础上。在已完成第一次冰川编目的中国一侧,曾对冰川的分布特征做过系统研究[7],并应用冰川系统模型对其变化趋势做了初步预测[8]。21世纪初,晋锐等[9]用2001年卫星照片与中国冰川目录对比发现,在该区北侧朋曲河流域1974-2001年冰川总面积年平均退缩率为0.33%。对珠穆朗玛峰地区的遥感监测表明,1974-2008年冰川的年平均退缩率为0.31%[10]。对纳木那尼峰地区的遥感监测表明,1976-2003年冰川的年平均退缩率为0.28%[11]。这些资料均表明从20世纪70年代至21世纪初,喜马拉雅山中段北坡主要地区冰川的年平均退缩率为0.30%左右。按刘时银等[4]关于冰川退缩率的分类,属于强烈退缩的C类。

20世纪50年代起,瑞士学者曾对喜马拉雅山中段南侧尼泊尔境内进行较系统的冰川学研究[12],对部分冰川做了编目[13]。20世纪70年代以来,日本冰川学者对尼泊尔的冰川进行了连续多年的研究,其成果多发表于日本的《冰川学年鉴》(Bulletin of Glacier Research),其中包括个别冰川物质平衡及变化的观测资料。21世纪以来,尼泊尔学者对整个尼泊尔的冰川进行了两次系统的编目[14-15]。但两次编目方法不同且第一次编目所依据的地形图航测时间不确定,难以对比不同时间的编目数据,讨论冰川的变化及其特征。

最近,国际山地综合发展中心(International Centre for Integrated Mountain Development,ICIMOD)利用大量卫星影像遥感资料、 DEM、 GIS等对整个兴都库什-喜马拉雅山系的冰川进行了系统编目,其中对尼泊尔境内的冰川单独进行了研究,详细统计和初步分析了近期的变化[16]。本文依据已公布的上述尼泊尔冰川编目数据,从冰川系统的角度,对其结构、 变化特征做进一步的分析研究,并利用冰川系统功能模型对其变化趋势进行检验。

1 数据来源

本文数据源主要包括尼泊尔的三次冰川编目数据、 Landsat遥感影像、 DEM数字高程模型、 NCEP(National Centers for Environmental Prediction,美国国家环境预报中心)再分析气温资料等[17]

尼泊尔第一次冰川编目数据主要基于20世纪60年代至80年代的地形图,并以2000年左右的遥感影像作为辅助数据进行补充完善。尼泊尔的第二次冰川编目数据采用了遥感影像,时间为2002-2008年,采用半自动提取方法,经过后期处理后得到。尼泊尔的第三次冰川编目基于1976-2010年的Landsat遥感影像进行了4期冰川编目(约1980年、 1990年、 2000年及2010年),由国际山地综合开发中心提供。由于前两次冰川编目数据采用的方法不同,加之数据源混杂,二者的空间位置及判别方法相差甚大,因此只作为解译冰川的辅助数据。

数字高程模型(DEM)采用的是尼泊尔地区的分辨率为90 m的SRTM数据,该数据主要用来辅助分析计算结果,重点是用于分析不同高度带内冰川面积分布特征及其变化特点。

NCEP再分析资料是从NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration,美国国家海洋和大气管理局)网站下载的1950-1980年6-9月的平均气温数据[18]

2 冰川结构特征

2.1 冰川系统分级

冰川系统是指将某一地区的冰川作为一个整体,它与其存在的自然环境、 内部的相互作用、 性质有共同的联系及共同的空间变化规律[19]。冰川系统按其规模可分为几个等级。按国际冰川编目的统一编码,整个尼泊尔的冰川属于恒河流域[20],在本文中可作为第一级冰川系统。按其主要支流,可分出第二级分冰川系统,后者又可按次一级的支流分出第三级支冰川系统。在本文中,可将这几级冰川分别称为总冰川系统,分冰川系统及支冰川系统。冰川系统内部各要素可称为冰川系统的结构[21]

对比尼泊尔4期冰川数据(约1980年、 1990年、 2000年及2010年)资料,可知1980-2010年的30年间,尼泊尔冰川处于强烈的退缩状态。冰川的总面积及总储量分别减少了24%及29%,年平均减少率分别为0.8%及0.97%,超过了中国、 俄罗斯及哈萨克斯坦交界处的阿尔泰山系,后者1959-2000年的年平均退缩率为0.76%[5]。冰川条数却增加了378条,年平均增加速率为0.28%。

在文献[16]中,尼泊尔境内冰川是按流域划分的,这与本文按流域划分冰川系统的原则是一致的。尼泊尔全国的冰川作为一个大的系统;其第二级的分系统有4个(图1),从西向东为马哈卡里河(Mahakali)、 格尔纳利河(Karnali)、 甘达基河(Gandaki)和科西河(Koshi);第三级支系统共19个。马哈卡里河为尼泊尔与印度的界河,其源头冰川区的大部分属于印度,在尼泊尔境内只占1/3,因此也可将其纳入支冰川系统内。

2.2 数量结构

按尼泊尔冰川2010年的数据(表1),整个系统共有冰川3 808条,总面积为3 902.44 km2(每条冰川平均面积为1.02 km2),总储量估计为312.42 km3(每条冰川平均储量为0.08 km3)。冰储量是根据中国冰川编目中使用的关于冰川厚度与冰川面积之间关系的经验公式[22]估算的。

图 1 尼泊尔冰川的位置及冰川系统划分
Fig.1 Map showing the location of the glaciers in Nepal and division of the glacier systems

表 1 尼泊尔冰川系统的基本信息
Table 1 Basic information of the glacier systems in Nepal

分系统支系统流域面积/km2冰川条数条数/%冰川面积/km2/%冰川储量/km3/%冰川平均面积/km2冰川平均储量/km3马哈卡里河马哈卡里河5021.691644.30112.552.886.972.230.690.04小计5021.691644.30112.552.886.972.230.690.04格尔纳利河西塞提河7377.832707.10146.013.747.282.330.540.03卡瓦瑞河822.32481.3029.160.751.450.460.610.03洪拉河5983.0647412.40337.878.6619.476.230.710.04木古河5374.072055.40119.183.055.841.870.580.03蒂拉河3328.99611.6026.770.691.310.420.440.02佩里河13688.4540110.50363.589.3224.667.890.910.06小计36574.72145938.301022.5726.2060.0219.210.700.04甘达基河喀利甘达基河11861.9950413.20527.4513.5238.9012.451.050.08塞提河2946.50451.2071.631.848.092.591.590.18马香蒂河4786.8538410.10509.2613.0540.0212.811.330.10布迪甘达基河3642.402426.40348.818.9428.539.131.440.12翠苏里河2911.521654.30207.565.3219.266.171.260.12小计26149.27134035.201664.7142.66134.8043.151.240.10科西河因德拉瓦蒂河1229.34371.0016.410.420.730.230.440.02桑科西河1437.20391.0052.571.354.161.331.350.11塔玛柯西河2715.97852.2084.422.167.892.520.990.09利库科拉河1050.84270.7022.950.591.420.450.850.05都德科西河4065.342777.30391.1510.0239.2012.551.410.14阿龙河5156.431183.10149.193.8214.984.801.260.13塔姆尔河6056.292626.90385.949.8942.2613.531.470.16小计21711.4084522.201102.6228.25110.6435.411.300.13尼泊尔 89457.073808100.003902.44100.00312.42100.001.020.08

在分系统中,甘达基河流域冰川条数、 面积和储量分别占整个尼泊尔冰川的35.20%、 42.66%和43.15%,居首位。其次是科西河流域。在第三级的支系统中,冰川面积以喀利甘达基河(Kali Gandaki)最多,都德科西河(Dudh Koshi)次之,它们均位于极高峰集中分布区。前者有道拉吉里峰(Dhaulagiri,海拔8 172 m)及安纳普尔那峰(Annapurna,海拔8 090 m),后者有卓奥友峰(Qowownyak,海拔8 201 m)、 珠穆朗玛峰(Qomolangma,海拔8 844 m)和洛子峰(Lhoze,海拔8 516 m)。

尼泊尔冰川的总面积占整个兴都库什-喜马拉雅山地区的6.5%[16,7]。与其他流域相比,尼泊尔冰川2010年的总面积占整个恒河流域冰川面积的4.3%,占印度河流域的18%,占雅鲁藏布江(布拉马普特拉河)的29%,占青藏高原内陆水系的52%,但远高于长江(235%)、 怒江(289%)、 澜沧江(1 600%)和黄河(2 848%)。因此,其总面积处于中间状态。从冰川规模来看,尼泊尔冰川的平均面积为1.02 km2,小于整个恒河、 印度河、 雅鲁藏布江等流域的冰川,但大于怒江、 澜沧江等流域的冰川,与青藏高原内陆水系及长江流域的冰川相似,亦处于中间状态。

2.3 规模结构

按国际冰川编目对冰川面积等级分类方法,尼泊尔冰川各级系统也可以用以2为底的指数来划分[22]。按此方法划分后可以对冰川条数、 面积和储量的比例分布情况进行分析。

由两级冰川系统条数、 面积、 储量占比随冰川面积等级的分布(图2)可见,冰川条数在小冰川中占比较高,而面积及储量在大冰川中的占比较高。与喜马拉雅山北坡各流域相比,大致近似呈正态分布[7,23]

图2 尼泊尔冰川规模结构
Fig.2 The percentage by glacierized area scale in Nepal

对于系统内冰川规模,更有信息价值的是中值[24],即在其数量的累计统计时处于50%的位置。图3是尼泊尔两级冰川系统冰川规模的累计占比,图中的1、 2、 3分别为其条数中值对应的面积等级(SmedN)、 面积中值对应的面积等级(SmedS)及储量中值对应的面积等级(SmedV)。

由图3可见,SmedN<SmedS<SmedV。冰川条数、 面积、 储量中值对应的面积等级及平均面积中,平均面积与面积中值呈正相关,但相关性很低(图4),这与各系统地形切割、 冰川形态类型有关。

图3 尼泊尔冰川规模的累计占比
Fig.3 The accumulative percentage by glacierized area scale in Nepal

图4 尼泊尔各级冰川的面积中值与平均冰川面积的关系
Fig.4 Relationship between the median glacierized area and the average glacierized area of the glacier systems in Nepal

在冰川径流研究中,面积中值在冰川系统中有着十分重要的意义。冰川的总径流量与冰川的面积直接相关,面积中值以下的所有小冰川产生的径流量应该大致等于面积中值以上的所有大冰川的径流量,面积中值比平均面积更能代表整个系统的平均状态[2]

2.4 高度结构

尼泊尔冰川的平均海拔为5 601 m,而中国境内恒河水系冰川平均海拔为5 695 m[7],前者比后者约低95 m[25],平均冰川作用正差却大了535 m,这是因为处于喜马拉雅山南侧幽深山谷的冰川比其北侧分布于青藏高原上的冰川海拔更低所致。

冰川面积随海拔变化曲线(图5)是冰川系统高度结构最突出的表现,总冰川系统及分冰川系统(马哈卡里河除外)均呈现典型的正态分布状态,最大值 500 m 的高差范围内集中的冰川面积占60%以上。

图5 尼泊尔冰川面积随海拔的分布
Fig.5 Glacierized area changing with altitude of the four sub-glacier systems in Nepal

2.5 平衡线高度的计算及其分布

平衡线高度(ELA)及其分布是冰川系统中最

重要的特征。在尼泊尔的几次冰川编目中没有平衡线高度的资料。在进行中国冰川编目时发现冰川的平均高度与Hess法间接测定的冰川平衡线之间存在较好的线性关系[5]。计算公式为

ELAH=0.731hme+1 166.8

(1)

式中: ELAH为Hess法计算的平衡线高度(m);hme为冰川平均高度(m)。该公式使用了368个样本,相关系数为0.80。

另外,中国境内恒河流域冰川积累区面积比率(AAR)的计算值(0.69)与实测值(0.66)的误差很小[23],且与一般山地冰川的平均值(0.67)接近。因此,本文取AAR为0.67来测定尼泊尔分冰川系统的平均平衡线高度(图6)。

图6 尼泊尔以AAR=0.67计算的平均ELA
Fig.6 Percentages of accumulative glacierized area changing with altitude in Gandaki (a), Karnali (b), Koshi (c) and Mahakali (d) basins in Nepal (taking the altitude at AAR=0.67 as average ELA)

对尼泊尔各冰川系统的统计结果表明,用式(1)及AAR0.67两种方法计算得到的ELA的差值一般不超过50 m。整个尼泊尔冰川系统的平均平衡线高度为5 420 m,比AAR0.67法结果高 44 m。在各支系统中喀利甘达基河流域最高(5 689 m),卡瓦瑞河(Kawari)流域最低(5 095 m),相差近600 m,可见尼泊尔冰川发育的气候条件在不同地区差异很大。

利用全部冰川的及各冰川的地理位置资料,采用10′×10′的网格覆盖研究区的冰川,运用Kriging空间插值方法,结合ArcGIS与Excel软件,可以建立冰川系统平衡线场[26]。从尼泊尔冰川系统的平衡线场(图7)可见,在纬度方向,ELA由南向北急剧升高,为反向的纬度地带性。在经度方向则为由东向西逐渐升高,在山峰附近形成单独的高值区。

从全球及地区性来看,这符合山脉与水汽流方向近似于垂直相交、 山体外围向山体内部平衡线升高等一般规律[27]。在喜马拉雅地区这个特点表现得十分突出,以致山脉南侧平衡线远低于北侧,充分体现了喜马拉雅山对水汽的严重阻挡作用。

图7 尼泊尔喜马拉雅地区平衡线场
Fig.7 The ELA distribution field in the Himalayan regions of Nepal

3 冰川变化特征

3.1 数量变化

对比尼泊尔冰川编目资料,可见最近30年(1980-2010年)尼泊尔的冰川处于强烈退缩状态(表2)。与高亚洲其他几个冰川系统的变化资料对比(表3),尼泊尔冰川的退缩速率接近于最高,仅次于北天山(伊犁阿卡山北坡),远大于中喜马拉雅山北坡朋曲及青藏高原中央的羌塘高原。

在冰川面积减小及储量减少的同时,冰川条数却出现了迅速增多的趋势,总条数增加了378条,平均每年增长0.37%。消失的冰川有257条(占8%),但有440条冰川分裂为1 055条,加上原先遗漏的17条冰川,使冰川总计增多378条。这个现象在其他冰川系统也是普遍存在的[5,6,9,28]

由图8可见,小规模冰川退缩快,大冰川退缩慢。个别的大冰川在退缩中分裂成两个或者更多小冰川。

3.2 垂直方向的冰川变化

冰川面积在垂直方向的变化(图9)表明,低海拔区冰川年减小率最大值出现在海拔3 100~3 200 m,达3.33%。 在各级系统中, 冰川面积随海拔的分布均为正态分布。整体上,尼泊尔冰川集中分布于海拔4 850~6 250 m区间,此区间冰川的总面积占整个尼泊尔冰川的85%。各分系统冰川变化的规律大体一致,即冰川面积及储量逐步减小,而冰川条数则是逐步增多,其中马哈卡里河最明显,甘达基河变化最弱。

表2 尼泊尔冰川1980-2010年的年平均变化率
Table 2 Annual mean changing rates of the glaciers in Nepal, 1980-2010

时段1980-1990年1990-2000年2000-2010年1980-2010年面积年平均变化率/%-1.3-0.7-0.7-0.8储量年平均变化率/%-1.6-0.7-0.9-0.97条数年平均变化率/%+0.7+0.3+0.1+0.37

表3 尼泊尔与高亚洲其他几个典型冰川系统的冰川变化对比
Table 3 The glacier change information in Nepal, compared with those in other typical glaciers in High Asia

冰川系统冰川面积/km2冰川条数冰川平均面积/km2时段面积年平均变化率/%资料来源尼泊尔390238081.021980-2010年-0.82本文朋曲14629991.461974-2001年-0.33[9]羌塘高原20759582.171970-2000年-0.16[6]北天山2873070.931915-1990年-0.83[27]中国阿尔泰2794030.691959-2000年-0.76[5]

图8 尼泊尔冰川面积变化率与冰川规模的关系
Fig.8 Relationship between glacier area changing rate and glacierized area scale in Nepal

3.3 不同时段的冰川变化

从各时段(图10)来看,1980-1990年冰川变化速率最大(-1.28%),1990-2000年、 2000-2010年均有缓和(分别为-0.67%和-0.73%)。不同级别冰川系统的变化都体现出了多样的特征,每个子流域的冰川变化率水平都不相同,每个时段同一个子流域冰川变化率水平也不尽相同。冰川变化多样性的另一个表现是同一冰川系统变化的不同方面的变化率也不完全同步。

图9 尼泊尔冰川不同海拔的面积变化率 Fig.9 The curves of annual glacierized area retreating rate in Nepal as a whole (a), in Koshi and Gandaki basins (b) and in Mahakali and Karnali basins (c)

从尼泊尔境内分冰川系统的变化率(图11)来看,不同时段冰川面积变化率总小于同一时段的冰川储量变化率,在其支系统中也有类似的表现。不同时段内,各流域冰川变化率的相对速率不同。1990-2000年冰川面积退缩最快的是马哈卡里河流域,其次是格尔纳利河流域、 科西河流域,最慢的是甘达基河流域;2000-2010年冰川面积变化速率由快到慢依次为科西河流域、 格尔纳利河流域、 马哈卡里河流域、 甘达基河流域。总体而言,甘达基河流域的冰川变化率维持在较低水平,因为这一流域是尼泊尔境内冰川分布最多的一个流域,冰川规模大、 数量多,冰川系统惯性大。

4 冰川系统功能模型验证

由于尼泊尔冰川分布区环境特殊,数据的实地观测困难,且云层多变也不利于卫星遥感数据采集,因此考虑采用理论方法对其研究的准确性进行检验。冰川系统功能模型是一种基于冰川系统理论的水文学冰川变化预测模型,该模型从系统论的角度对全球变化背景下的冰川变化情况进行趋势分析,可以对大范围内冰川变化特征进行分析[29-31]。本文根据尼泊尔冰川分布区域在研究时段内气候状况及其变化特征,利用冰川系统功能模型对前面的研究进行检验。

根据冰川系统功能模型[2]要求,获取了不同流域的预测参数。 以1980年之前30年的尼泊尔6-9月的月平均气温为起始值,基于NCEP数据及ArcGIS空间插值原理,获取了尼泊尔境内四个分冰川系统及尼泊尔总冰川系统的预测模型参数(表4)。表中气温垂直递减率是指该冰川系统所在区域的气温垂直递减率,是根据NCEP数据计算的[18]。李巧媛等[32]对青藏高原及其附近地区的气温垂直递减率的研究表明,不同区域的气温垂直递减率存在区域差异。

图10 1980-2010年尼泊尔冰川系统的变化率
Fig.10 Changing rates of the glacier systems in Nepal from 1980 to 2010

图11 1980-2010年尼泊尔分冰川系统的变化率
Fig.11 Changing rates of glacierized area (a) and reserve (b) of the four sub-glacier systems in Nepal from 1980 to 2010

表4 尼泊尔冰川系统预测模型参数
Table 4 Parameters used in the prediction models of the glacier systems in Nepal

系统平均经度/°E平均纬度/°NELA0/m夏季平均气温/℃面积/km2中值面积/km2冰储量/km3冰川平均厚度/m气温垂直递减率/[℃·(100m)-1]马哈卡里河80.9530.0050493.19112.523.986.9734.400.73科西河87.0327.8553344.84385.949.0642.2638.900.66格尔纳利河82.2929.6452876.351022.571.8560.0234.170.76甘达基河84.3228.6754446.291664.714.99134.8039.600.67尼泊尔83.9628.9353736.033902.444.13312.4237.080.67

不同的升温速率下的尼泊尔冰川系统变化的计算结果见表5。

表5 模型计算出的1980-2010年尼泊尔冰川系统的年平均变化率
Table 5 The calculated annual mean changing rates of glacierized area and reserve of the glacier systems in Nepal from 1980 to 2010

项目升温速率/[℃·(100a)-1]年平均变化度/%1980-1990年1990-2000年2000-2010年1980-2010年面积1-0.05-0.09-0.11-0.083-0.14-0.28-0.33-0.255-0.24-0.46-0.58-0.436-0.29-0.56-0.71-0.52储量1-0.08-0.15-0.17-0.133-0.23-0.44-0.53-0.405-0.39-0.75-0.92-0.696-0.47-0.91-1.12-0.83

从冰川面积变化率来看,对比表2和表5可知,1980-1990年由冰川编目统计的变化率明显高于模型的计算值,其主要原因是尼泊尔第一次冰川编目数据不全面,以后的数据更全面,新增加的部分全部被计入变化量中。1980-1990年尼泊尔冰川的实际变化率可能在-0.30%左右。由冰川编目数据得到的2000-2010年的年平均冰川变化率与升温速率为6 ℃·(100a)-1时的模型计算结果仅相差1%,与该区域的气温变化情况也较吻合,可见二者的计算都较合理。

气候变化存在明显的区域差异,青藏高原及其周边地区是气温变化的敏感区域[17,33]。近几十年来,尼泊尔气候总体呈现变暖的趋势[34-36]。冰川变化、 冰芯记录及气象资料均揭示喜马拉雅山中段地区自20世纪后半期以来气候以暖干趋势为主要特征,而且在未来气候变暖的情景下,喜马拉雅山中部季风降水将会减少,暖干趋势将持续[37-38]。1971-1994年尼泊尔喜马拉雅山的月平均最高气温升温率达0.6 ℃·(10a)-1[39],而且这种趋势还在继续[40]。1994-2003年气温比1983-1993年升高了0.5 ℃,气候变暖对本区冰川径流变化起主导作用[41]。1990-2000年冰川编目数据统计的冰川面积变化率比模型计算值(升温速率为6 ℃·(100a)-1)高,这可能是由冰川编目数据的完善及阶段性的升温较快造成的,同时模型计算中的升温为直线性的变化而没有能充分体现出阶段性的气温变化特征。综合不同时段的分析可知,冰川编目数据分析得到的1980-2010年的冰川面积年平均变化率偏大,这与表3中的结果一致。

从冰川储量变化率来看,对比表2和表5可知,1990-2010年冰川编目数据的分析结果与升温速率为5 ℃·(100a)-1时的模型计算结果一致,但1980-1990年的分析结果明显偏大。

从表2、 表5可见,尼泊尔冰川编目数据统计得到的1980-1990年的变化率普遍偏大,这与冰川编目数据质量有关,因此在图10中各子冰川系统的变化率也较其他时段明显偏大。此结果与该区域的气候变化特征并不一致,因此由冰川编目数据得到的1980-1990年的冰川变化数据还需要进一步的订正。1990年后的冰川编目数据质量更稳定,得到结果也更合理。

前期研究结果发现,尼泊尔境内1980-2010年的升温速率在6 ℃·(100a)-1左右,其极端值超过10 ℃·(100a)-1[42]。因此选取了升温速率为6 ℃·(100a)-1、 10 ℃·(100a)-1为参数,对尼泊尔境内马哈卡里河、 甘达基河、 格尔纳利河和科西河流域等分冰川系统的变化进行了模拟计算,结果如图12所示。

对比图11与图12可见,在同一升温速率下不同流域的变化率相对速度并不一致。这是因为实际上在同一时段内不同流域内的升温速率并不相同,这样的对比意义不大。但是仍然可以从模拟的结果中得到冰川变化的整体趋势特征,即随着气温的持续上升,各冰川系统的变化率都有增大的趋势,且冰川储量变化率的增大趋势更明显,这与冰川编目数据分析结果一致。

注: A代表10 ℃·(100a)-1的升温速率,B代表6 ℃·(100a)-1的升温速率。

图12 冰川系统功能模型计算出的1980-2010年尼泊尔分冰川系统的变化率
Fig.12 Changing rates of glacierized area (a) and reserve (b) of the four sub-glacier systems in Nepal calculated by glacier system function-model with temperature rising rate of 10 ℃·(100a)-1 (A) and 6 ℃·(100a)-1 (B) from 1980 to 2010

5 讨论

尼泊尔冰川编目数据分析了1980-2010年的冰川变化特征,主要建立在对已有资料的统计、 分析上,其结果的精度受源数据质量影响明显,但总体的冰川分布及变化特征是正确的。

利用冰川系统功能模型对尼泊尔冰川1980-2010年的冰川变化特征进行模拟,在2000-2010年的模拟效果最好。冰川系统功能模型对冰川变化趋势的预测整体上是可信的。

发生分歧的主要原因是:

(1) 尼泊尔冰川的特征、 性质及所处的自然地理环境与中国青藏高原地区的冰川有较大的差异,影响了冰川系统功能模型的准确度。

(2) 尼泊尔与中国青藏高原地区的气候变化特征有明显差别。二者的气候类型不同,冰川的积消时间分布也有明显的区别,不能简单地套用冰川系统功能模型的相关参数,必须对参数进行区域性调整。

(3) 通过目视解译结合野外实地观测的方法,利用GIS与遥感技术研究冰川变化是当前研究冰川变化的热门方法[43-44],但是受到特殊的气候和大气环流影响,包括尼泊尔冰川区域在内的高亚洲地区缺乏长期、 连续的高质量卫星遥感资料[45],利用冰川系统功能模型对冰川变化的研究成果进行检验是可取的。

6 结论

(1) 从数量上看,尼泊尔冰川条数总计有3 808 条,冰川总面积为3 902.44 km2,冰川总储量为312.42 km3。从海拔上看,85%的冰川面积集中分布在海拔4 850~6 250 m的高度区间内。

(2) 尼泊尔地区冰川平衡线高度分布北高南低,并由南至北逐渐升高,有反向的纬度地带性规律;平衡线东部密集,西部稀疏;平衡线空间分布复杂,出现若干以高峰为中心的高值区域。

(3) 1980-2010年尼泊尔冰川整体呈现退缩状态,“数量增多、 面积/储量减少”的变化趋势明显。海拔3 150~8 650 m高度带内冰川面积的年平均变化率差异大,在-0.01%~-3.33%之间。各等级冰川面积均呈现退缩趋势,且规模越小的冰川退缩越快。不同时段的冰川变化多样性表现明显。随着气温的持续上升,冰川变化率有增大的趋势。

(4) 冰川系统功能模型对尼泊尔冰川1980-2010年的变化进行了模拟,在整体上有较好的模拟效果,可以用来对某一过去时段的区域冰川变化特征进行研究。

参考文献(References):

[1] Stocker T F, Qin Dahe, Plattner G-K, et al. The physical science basis: contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. New York: Cambridge University Press, 2013: 95-123.

[2] Xie Zichu, Liu Chaohai. Introduction of glacial science[M]. Shanghai: Shanghai Popular Science Press, 2010. [谢自楚, 刘潮海. 冰川学导论[M]. 上海: 上海科学普及出版社, 2010.]

[3] Dyrgerov M B, Meier M F. Twentieth century climate change: evidence from small glaciers[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2000, 97(4): 1406-1411.

[4] Liu Shiyin, Ding Yongjian, Li Jing, et al. Glaciers in response to recent climate warming in western China[J]. Quaternary Sciences, 2006, 26(5): 762-771. [刘时银, 丁永建, 李晶, 等. 中国西部冰川对近期气候变暖的响应[J]. 第四纪研究, 2006, 26(5): 762-771.]

[5] Wang Shuhong, Xie Zichu, Dai Yanan, et al. Structure, change and its tendency of glacier system in Altay Mountains[J]. Arid Land Geography, 2011, 34(1): 115-123. [王淑红, 谢自楚, 戴亚南, 等. 阿尔泰山冰川系统结构、 近期变化及趋势预测[J]. 干旱区地理, 2011, 34(1): 115-123.]

[6] Wang Liping, Xie Zichu, Liu Shiyin, et al. Glacierized area variation and its response to climate change in Qangtang Plateau during 1970-2000[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2011, 33(5): 979-990. [王利平, 谢自楚, 刘时银, 等. 1970-2000年羌塘高原冰川变化及其预测研究[J]. 冰川冻土, 2011, 33(5): 979-990.]

[7] Xie Zichu, Feng Qinghua. Distribution characteristics of glaciers in the Ganga-Yarlung Zangbo basin and its utilization prospect[M]// Mi Desheng, Xie Zichu. Glacier inventory of China XI: the Ganga drainage basin. Xi′an: Xi′an Map Publishing House, 2001: 9-47. [谢自楚, 冯清华. 恒河-雅鲁藏布江水系冰川分布特征及其利用前景[M]//米德生, 谢自楚. 中国冰川编目XI: 恒河水系. 西安: 西安地图出版社, 2001: 9-47.]

[8] Xie Zichu, Feng Qinghua, Liu Chaohai. Modeling the variation of glacier system: taking the southern Tibet region as an example[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2002, 24(1): 16-27. [谢自楚, 冯清华, 刘潮海. 冰川系统变化的模型研究: 以西藏南部外流水系为例[J]. 冰川冻土, 2002, 24(1): 16-27.]

[9] Jin Rui, Che Tao, Li Xin, et al. Glacier variation in the Pumqu basin derived from remote sensing data and GIS technique[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2004, 26(3): 261-266. [晋锐, 车涛, 李新, 等. 基于遥感和GIS的西藏朋曲流域冰川变化研究[J]. 冰川冻土, 2004, 26(3): 261-266.]

[10] Ye Qinghua, Zhong Zhenwei, Kang Shichang, et al. Monitoring glacier and supra-glacier lakes from space in Mt. Qomolangma region of the Himalayas on the Tibetan Plateau in China[J]. Journal of Mountain Science, 2009, 6(3): 211-220.

[11] Ye Qinghua, Chen Feng, Yao Tandong, et al. Tupu of glacier variations in the Mt. Naimona′Nyi region, western Himalayas, in the last three decades[J]. Journal of Remote Sensing, 2008, 11(4): 511-520. [叶庆华, 陈锋, 姚檀栋, 等. 近30年来喜马拉雅山脉西段纳木那尼峰地区冰川变化的遥感监测研究[J]. 遥感学报, 2008, 11(4): 511-520.]

[12] Müller F. Eight months of glacier and soil research in the Everest region[M]// The mountain world 1958/9. New York: Harper, 1958: 191-208.

[13] Müller F. Inventory of glaciers in the Mount Everest region[M]// Perennial ice and snow masses: UNESCO/IAHS technical papers in hydrology No. 1. Paris: UNESCO, 1970: 47-59.

[14] Mool P K, Wangela D, Bajarachary S R, et al. Inventory of glaciers floods[M]. Kathmandu, Nepal: ICIMOD, 2001.

[15] Mool P K, Bajarachary S R, Joshi S P. Inventory of glaciers, glacier lakes, and glacial lake outburst floods: monitoring and early warning systems in the Hidu Kush-Himalayan region, Nepal[M]. Kathmandu, Nepal: ICIMOD, 2001.

[16] Bajracharya S R. Glacier status in Nepal and decadal change from 1980 to 2010 based on Landsat data[M]. Kathmandu, Nepal: ICIMOD, 2014.

[17] Liao Shufen. Structure characteristics and variation of glacier systems in Nepal Himalaya[D]. Changsha: Hunan Normal University, 2015. [廖淑芬. 尼泊尔喜马拉雅山地区冰川系统结构特征及其变化[D]. 长沙: 湖南师范大学, 2015.]

[18] Compo G P, Whitaker J S, Sardeshmukh P D, et al. The twentieth century reanalysis project[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2011, 137(654): 1-28.

[19] Kotlyakov V M, Smolyarova N A. Elsevier′s dictionary of glaciology[M]. New York: Elsevier, 1990.

[20] Haeberli W, Bösch H, Scherler K, et al. World glacier inventory: status 1988[J]. Paris: UNESCO, 1989: 1-27.

[21] Glazyrin G E. Statistical study of mountain glacier systems: results and perspectives[J]. Data of Glaciological Studies, 2006, 100: 1-72.

[22] Shi Yafeng. Glaciers and their environments in China[M]. Beijing: Science Press, 2005. [施雅风. 中国冰川与环境[M]. 北京: 科学出版社, 2005.]

[23] Xie Zichu, Feng Qinghua. Distribution characteristics of glacier in the Sengge Zangbo (Shiquan River) and Langqen Zangbo (Xiangquan River) drainage basin and its utilization prospect[M]// Mi Desheng, Xie Zichu. Glacier inventory of China XII: Indus River drainage basin. Xi′an: Xi′an Map Publishing House, 2001: 478-495. [谢自楚, 冯清华. 森格藏布(狮泉河)、 朗钦藏布(象泉河)冰川分布特征及利用前景[M]//米德生, 谢自楚. 中国冰川目录XII: 印度河水系. 西安: 西安地图出版社, 2001: 478-495.]

[24] Кренке А Н. Массообмен в Ледниковых Системах На Терртории СССР[M]. Ленинград: Гидро-метеоиздат, 1982.

[25] Shi Yafeng. Chinese glacier research history[J]. China Historical Materials of Science and Technology, 1986, 7(3): 42-53. [施雅风. 中国现代冰川研究简史[J]. 中国科技史料, 1986, 7(3): 42-53.]

[26] Deng Yuwu, Xie Zichu, Qin Jianxin, et al. The field of equilibrium line altitude in the Ganga-Yarlung Zangbo Rivers system: establishment and its environmental significance[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2006, 28(6): 865-872. [邓育武, 谢自楚, 秦建新, 等. 恒河-雅鲁藏布江流域雪线场的建立及其环境意义[J]. 冰川冻土, 2006, 28(6): 865-872.]

[27] World atlas of snow and ice resources[M]. Moscow: Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, 1997.

[28] Yin Junqi, Xie Zichu, Wu Lizong, et al. Glacier distribution characteristics of Himalaya Nepal[J]. Journal of Natural Science of Hunan Normal University, 2012, 35(3): 78-83. [殷俊琦, 谢自楚, 吴立宗, 等. 尼泊尔喜马拉雅山冰川分布特征[J]. 湖南师范大学自然科学学报, 2012, 35(3): 78-83.]

[29] Xie Zichu, Li Qiaoyuan, Wang Shuhong. Introduction of the glacier system model and its application: taking Jinshajiang drainage basin as an example[J]. Arid Land Geography, 2008, 31(4): 502-511. [谢自楚, 李巧媛, 王淑红. 冰川系统模型及其应用: 以金沙江流域为例[J]. 干旱区地理, 2008, 31(4): 502-511.]

[30] Li Qiaoyuan, Xie Zichu. Prediction of the glacier system variation under periodical warming: taking the glacier system in Yangtze valley as an example[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2008, 30(4): 583-589. [李巧媛, 谢自楚. 周期性升温下冰川系统的变化预测研究: 长江流域冰川系统为例[J]. 冰川冻土, 2008, 30(4): 583-589.]

[31] Xie Zichu, Wang Xin, Li Qiaoyuan, et al. Modeling the variation trends of glacier systems[J]. Ice and Snow, 2013, 53(4): 13-22.

[32] Li Qiaoyuan, Xie Zichu. Analyses on the characteristics of the vertical lapse rates of temperature: taking Tibetan Plateau and its adjacent area as an example[J]. Journal of Shihezi University (Natural Science), 2006, 24(6): 719-723. [李巧媛, 谢自楚. 高原区气温垂直递减率的分布及其特点分析: 以青藏高原及其周边地区为例[J]. 石河子大学学报(自然科学版), 2006, 24(6): 719-723.]

[33] Li Lin, Chen Xiaoguang, Wang Zhenyu, et al. Climate change and its regional differences over the Tibetan Plateau[J]. Advances in Climate Change Research, 2010, 6(3): 181-186. [李林, 陈晓光, 王振宇, 等. 青藏高原区域气候变化及其差异性研究[J]. 气候变化研究进展, 2010, 6(3): 181-186.]

[34] Yang Xuchao, Zhang Yili, Zhang Wei, et al. Climate change in Mt. Qomolangma region in China during the last 34 years[J]. Acta Geographica Sinica, 2006, 61(7): 687-695. [杨续超, 张镱锂, 张玮, 等. 珠穆朗玛峰地区近34年来气候变化[J]. 地理学报, 2006, 61(7): 687-695.]

[35] Yao Tandong, Liu Xiaodong, Wang Ninglian. Amplitude of climate change in Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Chinese Science Bulletin, 2000, 45(13): 1236-1243. [姚檀栋, 刘晓东, 王宁练. 青藏高原地区的气候变化幅度问题[J]. 科学通报, 2000, 45(1): 98-106.]

[36] Wu Tonghua. The response of permafrost soil to global climatic change in Qinghai-Tibetan Plateau[D]. Lanzhou: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, 2005. [吴通华. 青藏高原多年冻土对全球气候变化的响应研究[D]. 兰州: 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 2005.]

[37] Duan Keqin, Yao Tandong, Pu Jianchen, et al. Response of monsoon variability in Himalayas to global warming[J]. Chinese Science Bulletin, 2002, 47(21): 1842-1845. [段克勤, 姚檀栋, 蒲健辰, 等. 喜马拉雅山中部地区冰川积累量记录的季风降水对气候变暖的响应[J]. 科学通报, 2002, 47(19): 1505-1511.]

[38] Zhang Dongqi, Xiao Cunde, Qin Dahe. Himalayan glaciers fluctuation over the latest decades and its impact on water resources[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2009, 31(5): 885-895. [张东启, 效存德, 秦大河. 近几十年来喜马拉雅山冰川变化及其对水资源的影响[J]. 冰川冻土, 2009, 31(5): 885-895.]

[39] Shrestha A B, Wake C P, Mayewski P A, et al. Maximum temperature trends in the Himalaya and its vicinity: an analysis based on the temperature records from Nepal for the period 1971-94[J]. Journal of Climate, 1999, 12(9): 2775-2786.

[40] Shrestha A B, Aryal R. Climate change in Nepal and its impact on Himalayan glaciers[J]. Regional Environmental Change, 2011, 11(1): 65-77.

[41] Zhang Fei, Liu Jingshi, Gong Tongliang, et al. Hydrological regime of the Karuxung watershed in North Himalayas[J]. Acta Geographica Sinica, 2006, 61(11): 1141-1148. [张菲, 刘景时, 巩同梁, 等. 喜马拉雅山北坡卡鲁雄曲径流与气候变化[J]. 地理学报, 2006, 61(11): 1141-1148.]

[42] Samjwal R B, Sudan B M, Finu S, et al. Glacier status in Nepal and decadal change from 1980 to 2010 based on Landsat data[M]. Kathmandu, Nepal: Quality Printers Private Limited, 2014: 45-58.

[43] Fang Xiaoyu, Li Zhongqin, Bernd W, et al. Physical energy balance and statistical glacier melting models comparison and testing for Shiyi Glacier, Heihe River basin, Qilian Mountains, China[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2015, 37(2): 336-350. [方潇雨, 李忠勤, Bernd W, 等. 冰川物质平衡模式及其对比研究: 以祁连山黑河流域十一冰川研究为例[J]. 冰川冻土, 2015, 37(2): 336-350.]

[44] Huai Baojuan, Li Zhongqin, Wang Feiteng, et al. Variation of glaciers in the Sawuer Mountain within Chinese territory during 1959-2013[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2015, 37(5): 1141-1149. [怀保娟, 李忠勤, 王飞腾, 等. 1959-2013年中国境内萨乌尔山冰川变化特征[J]. 冰川冻土, 2015, 37(5): 1141-1149.]

[45] Sun Yongling, Jiang Liming, Liu Lin, et al. Surface flow velocity of mountain glaciers derived from Landsat-7 ETM+SLC-OFF images: extraction and quantitative evaluation: a case study of the Siachen Glacier in the Karakoram[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2016, 38(3): 596-603. [孙永玲, 江利明, 柳林, 等. 基于Landsat-7 ETM+SLC-OFF影像的山地冰川流速提取与评估: 以Karakoram锡亚琴冰川为例[J]. 冰川冻土, 2016, 38(3): 596-603.]

The variation of glaciers in Nepal during 1980-2010

LI Qiaoyuan1, XIE Zichu2, DAI Yanan2, LIAO Shufen3

(1.Hunan Meteorological Observatory, Changsha 410118, China; 2.College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China; 3.Taojiang First Middle School, Yiyang 413400, Hunan, China)

Abstract : Nepalese glaciers locate so remotely that they are very difficult to access and less studied regions in the High Asia. The primary goal of this article is to dissect the characteristics of the variation of the Nepalese glaciers during 1980-2010. The theory of the study is the glacier system, which regards the glaciers that have some characteristics on an average as a single unit, that can be divided by a river, mountain or region. Triple Nepalese glacier inventories, the Landsat data and the Digital Elevation Model (DEM) were analyzed by using Geographic Information System (GIS) technology and Excel. The data are analyzed from 1980 through 2010. To test the statistical results, the glacier system function model, a dynamic model of glacier change tendency under climate change, which is able to simulate the glacier change macroscopically, was served to simulate the historical glacier change. The result shows that: (1) The mean glacier size in Nepal is small, about 1.02 km2; the glacier equilibrium line altitude (ELA) distributes in a large span, most of which is between 3 250 and 8 650 m.s.l., with a mean ELA of 5 601 m a.s.l. (2) Topography has a determining role to the ELA of Nepalese glaciers. The ELA is rising with latitude with many eminent centers around the mountain peak. (3) During 1980-2010, the Nepalese glaciers had retreated as a whole, while the glacier amount had increased with glacierized area / reserve decreased, i.e., 378 glaciers increased and glacierized area and reserve reducing 24% and 29%, respectively, as a whole. Smaller glacier shrank quicker than the larger one. Ratio of glacier retreat was very dissimilar to each other in the altitude belt from 3 150 m a.s.l. to 8 650 m a.s.l., with a ratio of -0.01%~-3.33% per year. The Nepalese glaciers reduced faster during 1980-1990 than that in other two decades. And every sub-glacier system had its own change pace; the smaller sub-glacier system changed quicker than the larger one. (4) Using the historical temperature change rate as the parameters of the glacier system function model, it is possible to imitate the historical glacier system change under global warming.

Key words: Nepal; glacier system; glacier variation

(本文编辑: 武俊杰)

DOI:10.7522/j.issn.1000-0240.2017.0104

LI Qiaoyuan, XIE Zichu, DAI Yanan, et al. The variation of glaciers in Nepal during 1980-2010[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2017, 39(5): 935-948. [李巧媛, 谢自楚, 戴亚南, 等. 尼泊尔冰川1980-2010年的变化特征[J]. 冰川冻土, 2017, 39(5): 935-948.]

收稿日期: 2016-12-19;

修订日期: 2017-10-20

基金项目: 国家自然科学基金项目(41271091;41271095);湖南省气象局重点项目(XQKJ8A002)资助

作者简介: 李巧媛(1976-),女,湖南长沙人,高级工程师,2011年在湖南师范大学获博士学位,从事环境变化及其响应研究.

E-mail: lqy1223@163.com.

中图分类号: P343.6

文献标志码: A

文章编号: 1000-0240(2017)05-0935-14

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