【类型】期刊

【作者】王杰，何晓波，叶柏生，杨国靖（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所水文与水土资源研究室）

【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所水文与水土资源研究室

【刊名】冰川冻土

【关键词】 MODIS；反照率；消融期；冰面污化；地形特征点

【资助项】国家自然科学基金项目　　（41030527）；中国科学院“百人计划”项目资助

【ISSN号】1000-0240

【页码】P21-28

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】根据夏季消融期成像的Landsat TM影像和2000—2009年间的MOD10A1数据资料,分析了唐古拉山区冬克玛底冰川反照率的时空变化特征.结果表明:受空间尺度效应和现有反演方法的影响,由遥感反演的反照率资料在数值上存在一定的误差,但基本上能够反映冰川反照率的时空变化特征.从空间分布上来看,该冰川反照率随海拔升高呈增大趋势,其中在平衡线附近的变化最为显著;受地形因素的影响,在同一海拔带内部也存在着较大的差异.从年内变化上来看,该冰川反照率日际变化波动较大,且具有明显的季节变化特征.从年际变化上来看,自2000年以来该冰川年均反照率的变化波动较大,总体呈微弱下降的趋势,这主要与年降雪和冰面污化程度有关;不考虑降雪对冰面反照率的影响,2000—2009年间该冰川在消融期的反照率呈逐年减小的趋势,变化速率约为-0.0083.a-1,其原因在于夏季气温的升高和冰面污化程度的加大.

【全文】 文献传递

唐古拉山冬克玛底冰川反照率变化特征研究

王 杰1，何晓波2，叶柏生1，杨国靖2

（1.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 水文与水土资源研究室，甘肃 兰州 730000）

摘 要：根据夏季消融期成像的Landsat TM影像和2000—2009年间的MOD10A1数据资料，分析了唐古拉山区冬克玛底冰川反照率的时空变化特征.结果表明：受空间尺度效应和现有反演方法的影响，由遥感反演的反照率资料在数值上存在一定的误差，但基本上能够反映冰川反照率的时空变化特征.从空间分布上来看，该冰川反照率随海拔升高呈增大趋势，其中在平衡线附近的变化最为显著；受地形因素的影响，在同一海拔带内部也存在着较大的差异.从年内变化上来看，该冰川反照率日际变化波动较大，且具有明显的季节变化特征.从年际变化上来看，自2000年以来该冰川年均反照率的变化波动较大，总体呈微弱下降的趋势，这主要与年降雪和冰面污化程度有关；不考虑降雪对冰面反照率的影响，2000—2009年间该冰川在消融期的反照率呈逐年减小的趋势，变化速率约为－0.0083·a－1，其原因在于夏季气温的升高和冰面污化程度的加大.

关键词：MODIS；反照率；消融期；冰面污化；地形特征点

0 引言

冰川消融是造成海平面上升的重要因素，也是我国内陆河流域的主要补给源，因而开展对冰川物质平衡的研究尤为重要［1］.在温带大陆性气候条件下，冰川物质平衡在很大程度上受到其表面能量平衡过程的影响，其中太阳辐射为冰川消融提供最主要的能量源［2］.由于冰川反照率决定了冰面所吸收的太阳辐射能量，因而它是冰川物质平衡模型中的关键性参数.此外，冰川反照率对气候变化极其敏感，区域性气候的细微变化都会影响到冰面反照率，进而影响到整个冰川的能量平衡过程［3］.

在以往的研究中，冰川反照率主要通过自动气象站或反照率测定仪进行实地测量得到［3－8］.由于冰面状况的易变性，有限的实测点很难反映出整个冰川反照率的时空变化特征.遥感卫星上搭载的传感器能为冰川区提供大面积、长期性的影像资料，为冰川反照率变化特征研究提供了有效的技术手段［9］.

搭载在Landsat卫星上的专题成像仪（TM）从1982年开始获取影像，重访周期为16d，在可见光到短波红外波段的空间分辨率为30m，已被用于冰川反照率空间变化研究［9－11］.自1999年12月以来，Terra卫星搭载的MODIS传感器每1～2d提供一次全球的综合信息，时间、波谱分辨率比以往传感器都有了很大提高.目前，美国国家冰雪数据中心（NSIDC）发布了覆盖全球的 MOD10A1逐日积雪产品，在冰雪覆盖且无云的区域生成短波反照率数据，空间分辨率为500m，该产品在空间、时间分辨率上都比MCD43B3地表反照率产品要高［12］.由于冰面反照率在消融期的变化较为剧烈，该产品更为适用于冰川反照率的时间变化研究，但其数据精度需要进行验证.

本文选择青藏高原唐古拉山中段冬克玛底冰川为研究区，首先利用2008年实测资料对两种遥感反演的反照率资料（TM影像、MOD10A1产品）进行精度验证，而后根据消融期成像的TM影像反照率反演结果分析该冰川反照率的空间分布特征，并通过分析2000—2009年间的MOD10A1数据资料来研究该冰川反照率的时间变化特征，以期为冰川消融过程与气候变化研究提供科学依据.

1 研究区概况

冬克玛底河流域位于青藏高原腹地唐古拉山中段山区，属长江源区典型的高寒山地冰川流域，地理坐标范围为91°58′～92°06′E，33°00′～33°06′N.该流域年平均气温为－6.0℃，降水集中在5—9月.从气候上分为冷、暖两季，冷季长达8个月（10月至翌年5月），气候寒冷晴燥；暖季为6—9月，气候温凉湿润［13］.在冬克玛底河源头发育着面积约为16.4km2的冰川，即冬克玛底冰川，该冰川由一条朝南向的主冰川和一条朝向西南的支冰川汇流而成（图1）.主冰川为大冬克玛底冰川，面积约14.6km2，长约5.4km，末端海拔5 275m，平衡线海拔为5 650m，冰川表面平缓.支冰川为小冬克玛底冰川，面积约1.76km2，长约2.8km，位于主冰川东侧，最高点海拔5 926m，平衡线海拔为5 620m，冰川表面亦较平缓，且很洁净，无表碛［14］.

冬克玛底冰川属于典型的亚大陆型冰川，冷季降水量较少，导致冰川上消融和积累都少.到了暖季初期，西南季风开始北移，加上高原内部热力对流作用增强，使得高原降水增多，冰川上的积累量增加，但消融并不强烈.暖季中后期气温上升，冰面温度升高，积雪开始消融，使得整个冰川消融加剧.暖季后期气温下降，除冰舌部分仍有消融以外，随海拔升高，其他区域消融逐渐减弱［15］.因此，本文选择暖季中后期（6—8月）为主要观测时段，在该时段内冰川消融最为强烈，能更好的反映冰川反照率的时间序列变化.

2 数据来源与研究方法

2.1 地面实测反照率

2007年8月初在小冬克玛底冰川的平衡线附近安装了一套自动气象观测站，地理坐标为33°04′14.24〞 N，92°04′53.41〞 E，海拔约5 620m（图1中标出）.观测要素包括风向、风速、湿度、气温、气压，以及太阳短波入射辐射、冰川反射辐射和大气逆辐射、冰川表面长波辐射等气象要素，数据记录间隔为30min，根据太阳短波辐射和冰川反射辐射计算得到冰面实测反照率.

在本文中，冰川实测反照率主要用来验证Landsat TM/ETM＋影像、MOD10A1产品所提供的短波反照率数据精度.

2.2 Landsat TM 数据

TM影像的优势在于其空间分辨率较高，可用来反映冰川反照率的空间变化.本文以夏季消融期成像的TM影像作为数据源，采用王介民等［16］提出的反演算法来反演冰川反照率，反演流程如图2所示.主要步骤包括：1）辐射定标.按用户手册或者头文件说明，将原始影像的DN值转换为大气层顶辐射亮度值（W·cm－2·sr－1），由于最终目的是反演地表反照率，在辐射定标之前要对影像进行去云处理；2）地形校正.主要是补偿由山区地形起伏而造成的地物亮度的变化，提高地表反射率反演精度.考虑到冰雪的非朗伯体特性，本文采用了改进后的Civco校正模型［17］；3）大气纠正.消除大气分子、气溶胶等大气成分的吸收和散射的复杂影响，将大气顶部辐射量转化为地表反射率.由于缺乏相应的实测大气参数，本文利用6S模型选取标准大气模式进行纠正［18］；4）窄波段向宽波段转换.由于遥感卫星测量是在波段较窄的不连续波长区域进行的，必须将以上所得各光谱反射率转化为宽带反照率.本文用的是Knap等［9］针对冰雪类型对Landsat TM/ETM＋影像建立的转换方程，如式（1）所示，经实测数据验证有着较高的精度.

为了验证上述反演算法在冬克玛底冰川的适用性，本文从USGS网站下载了覆盖该冰川的14景ETM＋影像，按照图2的反演流程反演各影像的短波反照率.考虑到时间的同步性，验证选用成像时刻的实测反照率数据，并将小冬克玛底自动气象站位置的反照率像元值与实测值相比较（表1、图3）.

从比较结果中可看出，ETM＋影像反照率反演值与实测值间的差值介于－0.05～0.07之间，平均误差为0.024，RMSE＝0.046，确定系数R2＝0.767，该差异主要是由现有的遥感反演算法造成的.而两者间的均方根误差小于0.05，能够满足气候模式的精度需求［16］，故上述反演算法适用于该冰川反照率空间分布特征研究.

2.3 MOD10A1数据产品

MOD10A1是NASA陆地产品组开发的逐日积雪数据产品，投影方式为正弦曲线投影，空间分辨率为500m.本文选择MOD10A1数据中的短波反照率数据层作为数据源，以期反映冬克玛底冰川反照率的时间变化.在全球正弦曲线（SIN）投影下，行列号为H25V05的MOD10A1影像覆盖了整个冬克玛底冰川.本文选取了从2000年3月5日至2009年12月31日内的逐日数据资料，把原始文件格式转化为Geotiff.格式，并将投影转换为WGS84/Geographic投影，网格分辨率设置为0.006°［19］.

在前人的研究中，MODIS逐日反照率数据在大面积且平坦的区域反映出较高的精度［12，20］，而在地势复杂的地区存在着一定的误差［21］.本文根据自动气象站位置来定位提取MODIS反照率像元值与实测值相比较（图4），以确定其数据精度.

在图4中，MODIS逐日反照率值与实测值之间存在着一定的差异（RMSE＝0.088，R2＝0.68），这主要是由空间尺度较大的差异和该产品的遥感反演算法误差造成的［2］.从总体上看，二者随时间序列变化的趋势相一致，相关系数超过0.8，这说明MOD10A1数据产品适用于该冰川反照率的时间变化特征研究.

3 冰川反照率时空变化特征

本文根据冬克玛底冰川消融期成像的Landsat TM影像和2000—2009年间的MOD10A1数据产品，结合自动气象站测定的气象数据，分析该冰川反照率时空变化特征.

3.1 冰川反照率的空间变化

冰雪表面状况及其消融状况是影响冰川反照率的重要因素［22］.图5是根据Landsat TM影像反演得到的冬克玛底冰川反照率空间分布图.影像成像日期为2007年8月2日，天气状况良好，影像上无积云覆盖，能够较好的反映该冰川反照率的空间分布情况.为排除冰川边缘混合像元及非冰雪地物的影响，参照白重瑗等提出的冰川反照率的数值范围［4］，将反照率数值小于0.15的像元剔除.

由图5可看出，在消融期中后期，冬克玛底冰川反照率空间差异较大，介于0.172～0.742之间，且随着海拔升高有明显增大的趋势，这与前人的研究结论相一致［23］.冰川反照率随海拔变化的趋势主要与冰川表面状况有关.消融区以裸冰为主，且消融剧烈，反照率较低；随着海拔的升高，消融速度逐渐减弱；在积累区以上冰面类型以积雪为主，反照率也随之增大.

为了分析冰川反照率受地形作用的影响，本文根据不同的冰面类型并结合平衡线位置将大、小冬克玛底冰川分成3个海拔高度带.低海拔带位于平衡线以下，表面类型以裸冰为主；中海拔带位于平衡线附近，表面类型以冰雪混合类型为主；高海拔带位于平衡线以上，表面类型主要为积雪.研究进一步统计分析各个高度带上冰川反照率像元值的变化（表2）.

从表2中可以看出，中海拔带反照率的最大值明显高于低海拔带的最大值，却接近于高海拔带的最大值；且标准差均高于低、高海拔带.这是因为该带位于平衡线附近，冰面状况极其不稳定，从而造成冰川反照率较大的差异.另外，在低、高海拔带的内部，冰川反照率也存在着一定的差异，这是受局部地形影响的结果：对山地冰川而言，不同位置上地形遮蔽度的不同会导致坡地太阳入射条件的差异，从而引起冰面反照率的差异［24］.

3.2 冰川反照率的日际变化与季节变化

反照率不仅在整个冰川具有空间变异性，而且在某一特定地形特征点上也有着明显的日际变化［4］.小冬克玛底冰川自动气象站位于平衡线附近，冰面消融积累活动频繁，故本文选择自动气象站位置为地形特征点，以2008年的MOD10A1产品为数据源分析该位置冰面反照率的日际变化与季节变化特征.图6反映的是2008年内该处冰面反照率日际变化情况.

由图6可看出，小冬克玛底冰川自动气象站位置反照率日际变化特征相当明显，且反照率的日际变化与气温变化呈相反的趋势.随着气温不断回升（7月18日—7月22日），冰川消融加剧，积雪粒径变大含水量增高，导致冰面反照率明显下降，从0.52降至0.31.在气温变化平缓的情况下（7月24日—7月28日），冰川消融速度减慢，冰面反照率较稳定，在0.47左右.随着气温的降低（7月29日－8月2日），冰面反照率明显升高，从0.47升至0.74.

为了反映该冰川反照率季节变化规律，本文对2008年内逐日反照率数据进行月均值统计，统计结果如图7所示.

在图7中，3—4月的冰川反照率较低，在0.5左右；5—6月的反照率有所回升，7—8月达到最低，介于0.42～0.47之间；10—12月较高，介于0.77～0.84之间.这与冰川消融、积累有关.自春季以来，降雪较少，积雪逐渐密实化，其粒径增大导致反照率的降低.5—6月处在消融季的初期，降雪频繁，而消融较弱，新雪导致冰面反照率略微升高［15］.7—8月处在暖季的中后期，气温升高，消融加剧，冰川反照率明显降低.9月以后气温降低，消融减弱，新的降雪导致冰川反照率开始升高.

在一年内，冬克玛底冰川反照率具有明显的季节变化特征，秋季冰川反照率最大，冬、春季开始降低，到了夏季最小，消融期结束后又开始上升，这 与 Oerlemans 等［25］ 根 据 瑞 士 Morteratschgletscher冰川实测反照率数据的统计结果相一致.

3.3 冰川反照率的年际变化

受野外工作条件限制，野外观测站提供的长时间序列冰川反照率实测资料比较少，MOD10A1数据产品提供的长时间序列反照率资料为冰川反照率的长期变化研究提供了数据源.本文选择了2000—2009年间的MOD10A1数据资料，以自动气象站位置为地形特征点，分析该特征点冰面反照率的年际变化（图8）.

从图8中可以看出，在2000—2009年间冬克玛底冰川反照率年际波动较大，并呈微弱下降的趋势，速率约为－0.0014·a－1.这种年际变化趋势可能是降雪量和降雪频率变化引起的［26］，降雪量和频率的增加造成了冰川年均反照率的升高.此外，该变化趋势也受到冰面污化程度的影响，污化程度增大，冰面反照率明显降低［3－4，22］.

根据文中对冰川反照率季节变化特征分析可知，该冰川反照率的最低值出现在夏季消融期的中后期（7—8月）.为了减小降雪对冰面反照率年际变化的影响，本文对每年内夏季消融期的平均值进行逐年统计，如图8.从图中可看出，2000—2009年间冬克玛底冰川在消融期的反照率呈减小的趋势，速率约为－0.0083·a－1.Pu Jianchen等［27］的研究表明，自1994年以来小冬克玛底冰川物质平衡为负值且呈逐年减小的趋势，这与本研究中该冰川夏季反照率的年际变化趋势一致.夏季气温的升高导致冰川消融的加剧，致使积雪粒径、含水量的增大和裸冰暴露时间的延长，从而引起该冰川反照率的降低［22，27］.

此外，Xu Baiqing等［28］通过对唐古拉山区冰芯的分析表明该地区冰川中黑碳浓度的年际变化呈上升的趋势，黑碳浓度的增加会造成冰雪反照率的降低［22］，这说明冰面污化程度的加大也是导致该冰川反照率降低的一个原因.

4 结论

通过夏季消融期成像的TM影像反照率反演结果和2000—2009年MOD10A1数据产品提供的反照率资料，分析了冬克玛底冰川反照率的时空变化特征，得出以下结论：

（1）受冰川表面空间异质性和遥感反演算法的影响，由两种遥感资料得到的反照率均存在着数值误 差 （TM 影 像：RMSE＝0.046，R2＝0.77；MOD10A1产品：RMSE＝0.088，R2＝0.68），但其数据精度能够满足冰川反照率时空变化特征研究.

（2）在夏季消融期，冬克玛底冰川反照率空间变化差异较大，介于0.17～0.74之间，且总体上随着海拔升高而增大，其中在平衡线附近增加幅度最为显著.受不同地形遮蔽度下太阳辐射条件差异的影响，在同一海拔高度带的不同位置冰川反照率也有着一定的差异.

（3）受积累、消融作用的影响，冬克玛底冰川反照率日际变化相当明显，且与气温变化呈相反的趋势.在一年内，秋季冰川反照率最大，冬、春季开始降低，到了夏季消融中后期达到最小，消融期结束后又开始上升.

（4）受年降雪和冰面污化程度的影响，2000—2009年间冬克玛底冰川年均反照率年际波动幅度较大，呈微弱下降的趋势，约为－0.0014·a－1.不考虑降雪对冰川反照率的影响，2000—2009年间该冰川在夏季消融期的反照率呈逐年减小的趋势，约为－0.0083·a－1，这是由夏季气温的升高和冰面污化程度加大引起的.

冰川反照率是一个动态的参数，不同的冰川反照率可能会因其所处的地理位置、气候条件差异呈现不同时空变化特征［22］.本文的研究结果表明，利用遥感资料与实测数据相结合，可以用来研究不同类型冰川的反照率变化特征，其差异还需要通过对其他类型冰川进行对比研究.

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Variations of Albedo on the Dongkemadi Glacier，Tanggula Range

WANG Jie1，HE Xiao-bo2，YE Bai-sheng1，YANG Guo-jing2
（1.State Key Laboratory of Cryospheric Sciences，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute ，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China ；2.Laboratory of Watershed Hydrology and Applied Ecology in Cold and Arid Regions，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China）

Abstract：Based on two types albedo data from Landsat TM image acquired on August 2nd in 2007 and MODIS daily snow albedo products（MOD10A1）during the period of 2000－2009，the temporal and spatial characteristics of albedo on the Dongkemadi Glacier are analyzed in this paper.The following conclusions can be drawn：1）Owing to the limitation of spatial heterogeneity and the current retrieving method，albedo values derived from Landsat TM images and MOD10A1products have a certain bias（RMSE＝0.046，R2＝0.77and RMSE＝0.088，R2＝0.68，respectively）.Nevertheless，they generally can be used for the research on spatial-temporal variations of glacier albedo.2）Spatially，albedo on the Dongkemadi Glacier increases with altitude，ranging from 0.17～0.74.Affected by topography factors，albedo at the same altitude belt appears great discrepancy，which at the zones around the snow line varies obviously most of all.3）Temporally，albedo varies greatly owing to the effect of terrain，and varies with the season change significantly as well.Seasonally，albedo is the maximum in autumn，begins to reduce in winter，reaches the minimum at the ablation period in summer（July to August），and increases again after the summer ablation period.During the period of 2000－2009，albedo of the glacier appeared an obvious fluctuation，and decreased slowly；this trend was mainly caused by the changes of the total snowfall and the surface of the glacier.Ignoring the variation of annual snowfall，glacier albedo in the summer ablation period showed a decreasing trend during 2000－2009，with a rate of－0.0083⋅a－1，which was attributed to the increasing air temperature in summer and the ice surface pollution year by year.

Key words：MODIS；albedo；ablation period；ice surface pollution；characteristics of topography

中图分类号：P343.6

文献标识码：A

文章编号：1000-0240（2012）01-0021-08

收稿日期：2011-09-11；

修订日期：2011-12-16

基金项目：国家自然科学基金项目（41030527）；中国科学院“百人计划”项目资助

作者简介：王杰（1984—），男，安徽临泉人，2009年在兰州大学获硕士学位，现为博士研究生，主要从事冰雪遥感与GIS应用研究.E-mail：wangjie09＠lzb.ac.cn