0 引言

中国冰川编目［1-4］中将萨吾尔山南北坡的冰川分别附入了天山和阿尔泰山.需要特别说明的是，萨吾尔山北起额尔齐斯河谷地，南至和布克赛尔盆地边沿，西界中苏边境，向东逐渐没入准噶尔平原，东西横跨中哈两国，在吉木乃境内延绵100 多公里，是界线分明的独立山体，又是北冰洋与新疆内陆水系显著的分水岭，且距阿尔泰山和天山200 km 左右，应该作为一个单独的山地［5-6］.且近年来，吉木乃县内的木斯岛冰川是该县最主要的旅游资源及水资源，因此，独立分析萨吾尔山区的冰川特征及变化情况有重要意义.值得注意的是，萨吾尔山区北坡流经着乌勒昆乌拉斯图河，是一条冰川积雪补给河流，同时也是中哈两国的界河.近年来，由于受气候变化及人为活动的影响，冰川消融加剧，河流径流波动增大，洪水灾害频发，流量呈减少趋势.

1981 年，中国科学院兰州冰川冻土研究所按照国际冰川编目规范进行了阿尔泰山区、天山区的中国冰川编目，其中包括萨吾尔山南北坡的冰川.在冰川编目的编撰说明中［2，4］，作者提出了由于所使用的航空像片和地形图比较陈旧，所量测的冰川条数、面积以及冰川长度、末端高度等指标只能反映二十多年前的冰川面貌，不可避免的存在一些问题.目前为止，萨吾尔山区冰川变化特征的资料没有，因此适时正确评估该区域冰川变化，填补该地区此项内容的空白，揭示冰川变化对该地区河流径流量的影响，对于该地区的经济发展和人民生活有极其重要的意义.2013 年，中科院寒旱所组织科研人员对乌勒昆乌拉斯图河的木斯岛冰川进行了综合考察.本文主要利用遥感影像、地形图数据、实测探地雷达数据，较深入地讨论了该区冰川近期变化特征.

1 研究区概况

根据萨吾尔山(图1)南北坡冰川在中国冰川编目中的信息(表1)，对其做统计，萨吾尔山北坡13条冰川，编目中附入《中国冰川目录》-阿尔泰山区(Ⅱ)，总面积为13.29 km2，分布在拉斯特河(5A259B)与乌勒昆乌拉斯特河(5A259B)两条支流上，平均雪线3 310 ～3 350 m，冰川平均面积1.02 km2，末端海拔3 030 ～3 070 m［4］.萨吾尔山南坡8 条冰川，编目中附入《中国冰川目录》-天山山区(西北部准噶尔内流区)，总面积为3.55 km2，平均雪线在 3 660 m 左右，冰川平均面积0.44 km2，末端海拔3 270 ～3 725 m［2］.萨吾尔山冰川条数少，且编目中被分为两部分，不便于冰川特征及变化研究，因此应给予其特殊考虑.

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文所用地形图数据为1959 年航摄，1960 年调绘，1963 年出版第一版.比例尺为1∶10 万，1954年北京坐标系，1956 年黄海高程系.地形图用高精度扫描仪进行扫描，分辨率为600 dpi，并对地形图进行几何纠正，几何纠正的均方根误差小于一个象元.影像数据为Landsat MSS\TM\ETM+(表2)，研究区内无云、少雪，图像接收时间在8-9 月间，USGS 经过正射校正处理后的，来自于USGS(U.S.Geological Survey，http://www.usgs.gov)的数据共享平台.数字高程模型来源于SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)，由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量.使用修订版V4.1 版本，分辨率90 m，该版本由CIAT(国际热带农业中心)利用新的插值算法得到的SRTM 地形数据，该数据标称绝对高程精度是±16 m，绝对平面精度是±20 m.此外，参考了第二次冰川编目数据，该数据由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所提供.

GPR 冰川厚度数据获取探地雷达(GPR)的基本原理是向地下发射脉冲形式的高频电磁波，当电磁波在地下介质传播过程中遇到存在电性差异的目标体时，就反射回地面，并由天线接收，再通过处理得到二维雷达图像.由于冰川与岩石之间存在介电性质的巨大差异，因此在雷达图像中可以通过识别冰-岩界面从而获取测点位置的厚度值.利用测量剖面的探地雷达图像资料，获得所测量点的冰厚度数据［7-9］.2013 年，实地考察中利用加拿大SSI公司的pulse EKKOPRO100A 增强型探地雷达对木斯岛冰川冰舌附件区域进行了厚度测量，由于冰川上部地势陡峭，所以上部未开展测厚工作.此次测量共布设3 条测线，2 条横测线和1 条纵测线(图2)，本研究从三条测线粗略估算该冰川冰舌区的厚度分布信息.

2.2 方法

在ENVI 软件支持下，用几何纠正过的地形图来配准融合后的影像数据，并对地形图、遥感影像、数字高程模型以地形图作为参考坐标进行坐标归一化处理.均采用统一的UTM 投影和WGS84 椭球体建立坐标系统.影像处理过程中对校正后的影像进行了锐化增强处理，这样可以有效地区分雪斑和有积雪覆盖的冰川.

2.2.1 长度变化

冰川末端变化是冰川变化的重要指标之一［10］，冰川末端变化研究通常采用野外实地测量和遥感解译的方法，长期的冰川末端变化野外观测难度大，研究主要分布在一些重要的冰川末端;基于遥感解译的典型冰川长度变化速率普遍较野外实地测量数值更高，反映出研究方法上存在尺度差异性.遥感方法对冰川长度变化一般采用主流线长度之差值表示，基于GIS 技术，用该方法计算该区冰川长度变化.

2.2.2 面积变化

在ArcGIS 10 的支持下，对地形图进行矢量化，得到20 世纪60 年代初一期的冰川分布数据.并通过目视解译并结合影像叠加数字高程模型提取冰川边界，最后参照专家野外考察指导意见进行边界的再次修订［11］，并获取冰川面积、平均长度、经纬度等属性信息［12］.冰川变化分析通过ArcGIS 10空间分析模块将不同期的冰川矢量数据进行叠加分析，得到该区冰川面积变化的特征.

2.2.3 厚度估算

基于冰厚度探地雷达数据资料，利用Kriging插值法将实测的木斯岛冰舌区厚度资料进行网格化处理(30 m×30 m)，再利用网格化的冰厚度数据，绘制出木斯岛冰川冰舌的冰厚度等值线图，估算该冰川的冰储量与平均厚度［7-9］.

2.3 不确定性评价

对处理后的数据进行误差评价，地形图纠正误差在一个像元以内;Landsat 影像几何精纠正的误差为0.5 个像元.从遥感影像上获取冰川边界的精度评价一直是十分重要却较难确定的问题.遥感影像的空间分辨率与均方根误差都影响到测量的准确性，据Hall、Silvreio 等计算冰川长度和面积变化不确定性的公式［13-15］:

式中:U T为长度不确定性;λ 为影像分辨率;ε 为配准误差;U A为面积不确定性.计算得到，单条冰川长度不确定性为±30 m，面积的不确定性为±0.002 km2.

3 结果

3.1 冰川面积变化

总体上，萨吾尔山地区冰川持续退缩明显(图3)，1959-2013 年中国境内的冰川面积由17.69 km2退缩为10.13 km2，共退缩7.56 km2，退缩率42.74%，平均每年退缩0.14 km2，年退缩率为0.78%·a-1.

1977 年，根据MSS 影像，该区域冰川总面积15.68 km2，相比1959 年，退缩2.01 km2.1998 年，冰川总面积退缩到13.79 km2，2002 年，退缩到13.13 km2.1959-1977 年，冰川年均退缩率为0.60%·a-1，1977-1998 年，冰川年均退缩率为0.55%·a-1，1998-2002 年，冰川年均退缩率为0.96%·a-1，到2002-2013 年，冰川退缩率为1.90%·a-1.

1959-2013 年，萨吾尔山北坡的冰川数量未变，面积由15.09 km2 减少到9.42 km2，退缩率为37.57%;南坡冰川由1959 年8 条减少到2013 年的1 条，面积由2.60 km2减少到0.71 km2，退缩率为72.69%，南坡的冰川退缩率比北坡冰川退缩率高出近2倍.结合SRTM-DEM 数据分析认为，南坡冰川的末端海拔高度(3 493 m)比北坡冰川(3 160 m)高出333 m，但南坡冰川的消融高出北2倍，因此冰川末端海拔高度不是南北坡冰川消融差异的主要因素.南坡冰川退缩率较高的原因除了与坡向因素有关外，本研究认为单条冰川面积的大小是该差异的主要影响因素.由1959 年地形图数据分析，南坡冰川平均面积为0.33 km2，北坡冰川平均面积为1.68 km2，导致了萨吾尔山南坡冰川的高退缩率.

3.2 冰川长度变化

对冰川长度变化进行了统计(表3)，发现萨吾尔山区1959-2013 年所有冰川都呈现末端退缩趋势.与第一次冰川编目的长度数据相比，有一些差异.究其原因，本研究认为涤纶薄膜坐标纸量算方法的不精确导致的.此外，我们发现南坡的小冰川在1959-1977 时段内消融已非常强烈，6 条小冰川已经消失.

此外，对比木斯岛冰川小冰期的末端以及1959年航测地形图末端，发现地形图数据上该冰川冰舌发育较短，本研究认为1977 年、1998 年、2006 年、2013 年以及小冰期该冰川均有较长冰舌发育，认为1959 年木斯岛冰川的地形图数据末端存在一些错误，从而导致了该冰川编目时的偏差.

3.3 木斯岛冰川变化

木斯岛冰川是中哈界河乌勒昆乌拉斯图河流域上的一条冰川.1977 年，木斯岛冰川面积为3.97 km2，1998 年减小为3.47 km2，到2006 年为3.19 km2，2013 年，面积已减少为3.15 km2，1977-2013 年的37 a 时间，木斯岛冰川面积退缩约0.82 km2，退缩率为20.65%.由影像上观察小冰期木斯岛冰川末端有较长冰舌发育，将2013、2006、1998 年，1977 年四期冰川边界叠加分析发现，1977-2013 年的37 a 时间，木斯岛冰川末端退缩约269.19 m，每年平均退缩约7.28 m.1977-1998 年共退缩约62.2 m，每年平均退缩约2.83 m;1998-2006 年共退缩约74.07 m，每年平均退缩约8.23 m;2006-2013 年共退缩约132.92 m，每年平均退缩约16.62 m.显然由木斯岛冰川面积和末端的变化发现该冰川末端呈现加速退缩的趋势，近年来，退缩趋势严重，2013 年实地考察中发现木斯岛冰川山脊上已出现裸露岩石.

基于测量的冰川厚度数据，利用ArcGIS 软件地统计模块，采用网格化方法，计算了木斯岛冰川末端的平均厚度.利用GPR 数据进行冰舌区厚度的Kriging 插值，得到了冰川厚度分布图(图4)，木斯岛冰舌区域冰川最大厚度值为109.55 ～124.29 m，分布在两个相对应的冰斗区域.结合绘制出的木斯岛冰川冰舌的冰厚度分布图，对木斯岛冰川1959年地形图等高线数据也利用Kriging 插值法进行上述网格化处理，对比差值得到该冰川冰舌区厚度减薄数据，发现该冰川冰舌区体积减少约44.6%.

4 讨论

4.1 萨乌尔山区冰川储量变化估算

木斯岛冰川对区域冰川的变化情况具有一定代表性，标志着萨吾尔山地区的冰川处于物质严重亏损状态，直接影响到流域水资源状况.此外，受探地雷达测厚数据以及地形图数据精度的限制，对木斯岛冰川储量损失是粗略估算的值，但可根据该冰川末端的损失情况推测该区域冰川正处于极度的退缩消融中.

考虑到此次测厚是在冬季，大量积雪以及测厚布线较少，得到的体积耗损值是粗略估算数据.结合适用于冰川变化导致的冰储量变化经验公式［16］:

式中:S 为冰川面积(km2);V 为冰川冰储量(km3).计算结果表明，1959-2013 年萨乌尔山区的冰川冰储量共减少约0.61 km3，相比冰川编目中给出的该区总储量(0.73 km3)，减少比例83.56%.将这一结果与实测木斯岛冰川储量减少值44.6%比较，发现二者之间存在较大差异.这说明该经验公式是基于统计意义得出的［17-18］，有一定地域性，对于萨吾尔山区域条数较少冰川的体积估算或许并不完全适用.此外，对该地区广泛开展测厚工作准确地获得该区冰川的储量变化状况，为水资源评价研究提供可靠的基础资料是亟待展开的工作.

4.2 冰川退缩变化对比

气候变暖背景下全球山地冰川呈现总体退缩趋势［19-20］，为了进一步了解该区冰川变化的特征，选取中国西部几个山区山与本研究做对比(表4).在考虑研究时段的情况下，结合祁连山冷龙岭［21］、疏勒南山［22］、天山［23］等的冰川变化研究进行统计分析，发现与西部其他山地冰川相比，本研究区冰川退缩率明显较高(0.78%·a-1).

4.3 讨论

20 世纪80 年代以来，萨吾尔山区冰川呈显著退缩状态，表现为融水径流增加，面积缩小，末端后退，雪线升高，小冰川已经消亡或接近消亡的边缘.该区冰川的大量减少和消失，无疑造成水资源时空分布和水循环过程的迅速变化，并足以引发某些地区水系统的崩溃.与此同时，由于气候变暖，使得萨吾尔山地区形成冻土环境的水、土、热等条件发生变化，从而引发了一系列的生态环境危机.

本文重新对萨吾尔山区的冰川数据进行了整理，对该地区的冰川以及变化情况有了新的认识.以往研究中，由于萨吾尔山地区的冰川较少，学者们通常忽略了该区冰川的研究.针对近年来乌勒昆乌拉斯图河由于受气候变化及人为活动的影响，冰川消融加剧，河流径流波动增大，洪水灾害频发，流量呈减少等问题，未来亟待在该区域冰川上开展一系列实际测量工作.选取木斯岛冰川作为代表性冰川，进行冰川进退测量、冰川物质积消测量、反映冰川滞后响应的各项指标(速度、温度等)的观测.清晰了解该区域冰川变化规律，进而对其未来变化趋势进行预测的有效技术方案.

5 结论

本文重新对萨吾尔山区的冰川数据进行整理，并对该地区的冰川变化情况进行研究.结果表明:

(1)总体上，萨吾尔山地区冰川持续退缩明显，1959 -2013 年中国境内的冰川面积由17.69 km2退缩为10.13 km2，共退缩7.56 km2，退缩率42.74%，平均每年退缩0.14 km2，年退缩率为0.78%·a-1;萨吾尔山北坡的冰川退缩率为37.57%，南坡退缩率为72.69%，南坡冰川退缩率基本为北坡的两倍.

(2)基于木斯岛冰川探地雷达测厚结果，对该冰川体积进行了初步估算并与1959 年地形图估算出的体积进行对比，发现该冰川体积减少约44.6%.

(3)萨吾尔山地区冰川变化带来的水资源变化已经成为不可忽视的问题.选取木斯岛冰川作为代表性冰川，进行冰川进退变化、冰川物质积消、反映冰川滞后响应的各项指标(速度、温度等)的观测已成为未来亟待开展的研究工作.

致谢:本研究离不开野外工作人员辛苦的野外工作，在此表示感谢.在论文撰写过程中也得到了诸多专家建议，表示衷心感谢.对于USGS(U.S.Geological Survey，http://www.usgs.gov)数据共享平台提供的Landsat 影像表示感谢.

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