【类型】期刊

【作者】张国梁，潘保田，王杰，上官冬辉，郭万钦（兰州大学西部环境教育部重点实验室/地理科学系；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）

【作者单位】兰州大学西部环境教育部重点实验室/地理科学系；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

【刊名】冰川冻土

【关键词】 贡嘎山；冰川变化；退缩；GIS

【资助项】国家杰出青年科学基金项目　　（40925001）；科技部基础性工作专项项目　　（2006FY110200）；国家自然科学基金项目　　（40801031）；甘肃省科技支撑计划项目　　...

【ISSN号】1000-0240

【页码】P454-460

【年份】2019

【期号】第3期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】以对气候变化最为敏感的季风温冰川——贡嘎山冰川为研究对象,利用2002年的ETM+遥感影像和第一次冰川编目数据,提取两期冰川边界并叠加到一起,分析冰川变化趋势.结果表明:从1966年到2002年,贡嘎山冰川总体处于退缩状态,冰川总面积减少6.36%,年均减小0.447 km2,西坡冰川由41条减少到39条,面积减小7.89 km2,减小率为7.97%;东坡冰川由33条增加到36条,但冰川面积减少7.20 km2,减小率为4.71%.2008年5月GPS野外实地测量结果显示,1966—2008年的42 a,海螺沟冰川退缩约943 m,燕子沟冰川退缩494 m,小贡巴冰川退缩210 m,而大贡巴冰川长度基本保持不变,但冰储量在减少.在全球气候变暖的大背景下,温度升高可能是导致贡嘎山地区现代冰川退缩的主要原因.

【全文】 文献传递

基于遥感和GPS的贡嘎山地区1966—2008年现代冰川变化研究

张国梁1, 潘保田1, 王 杰1, 上官冬辉2, 郭万钦2

(1.兰州大学西部环境教育部重点实验室/地理科学系,甘肃兰州730000;2.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)

摘 要:以对气候变化最为敏感的季风温冰川——贡嘎山冰川为研究对象,利用2002年的ETM+遥感影像和第一次冰川编目数据,提取两期冰川边界并叠加到一起,分析冰川变化趋势.结果表明:从1966年到2002年,贡嘎山冰川总体处于退缩状态,冰川总面积减少6.36%,年均减小0.447 km2,西坡冰川由41条减少到39条,面积减小7.89 km2,减小率为7.97%;东坡冰川由33条增加到36条,但冰川面积减少7.20 km2,减小率为4.71%.2008年5月 GPS野外实地测量结果显示,1966—2008年的42 a,海螺沟冰川退缩约943 m,燕子沟冰川退缩494 m,小贡巴冰川退缩210 m,而大贡巴冰川长度基本保持不变,但冰储量在减少.在全球气候变暖的大背景下,温度升高可能是导致贡嘎山地区现代冰川退缩的主要原因.

关键词:贡嘎山;冰川变化;退缩;GIS

0 引言

IPCC第四次评估报告表明[1],近100 a来,全球平均地表温度上升了0.74℃;20世纪以来中国气温上升速率也达到了0.44℃·(100a)-1,而且近20～30 a的上升尤为明显[2].在全球气候变暖的背景下,中国西部冰川普遍出现退缩,冰川面积减少,雪线上升,特别是发育在中国季风区的温型冰川(或称海洋性冰川)对气候的变化响应更为敏感[3].国内外已有众多冰川学者[4-11]对中国的冰川变化做过监测,结果表明:各地区的冰川退缩是普遍趋势,但时空分布有差异,其中,喜马拉雅山、祁连山和天山山区退缩比较显著[12].但对季风区的温型冰川变化研究较少,主要因素是季风区遥感影像大多受云、雪覆盖的影响,难以获取到质量较好的遥感影像.笔者用一年多的时间,仅仅找到1景2002年的质量较好的遥感影像.本文利用这幅2002年的 LandsatETM+遥感影像,参考前人[13-17]的研究方法,获取2002年贡嘎山冰川边界,再将结果与第一次冰川编目的冰川边界对比,得出贡嘎山地区现代冰川变化状况.

1 研究区概况

贡嘎山(101°40′～102°15′E,29°20′～30°10′N)位于青藏高原东南缘(图1),地处四川盆地向青藏高原过渡的大雪山的中段,主峰海拔7 514 m,是我国典型海洋季风型冰川的分布区,也是横断山脉现代冰川最发育的地区.环绕主峰发育现代冰川74条,其中包括5条长度>10 km的山谷冰川(大贡巴冰川、海螺沟冰川、磨子沟冰川、燕子沟冰川和南门关沟冰川)[18].

中国季风温冰川分布区主要受两大气候系统控制,其一是北半球的西风环流,携带水汽较少;其二是南亚季风系统,是主要的降水来源,它包括来自孟加拉湾和印度的西南季风和来自西太平洋的东南季风[19].贡嘎山在气候上介于东部亚热带暖湿季风气候区向青藏高原高寒气候过渡带上,山地东坡主要受东南季风的影响,表现冬暖夏湿,云雾多,日照少,湿润多雨,属亚热带山地湿润季风气候;而山地西坡受西南季风的影响,气温低,日较差小,日照强,降雨多,属亚热带高原型气候[20].贡嘎山地区现代冰川雪线处年平均气温为-4～-5℃,西坡海拔5 000 m的冰川平衡线附近年降水量约1 900 mm[21],东坡海拔5 200 m的冰川平衡线附近年降水量约3 690 mm[22].贡嘎山现代冰川具有流动速度快,源头补给区宽阔,粒雪盆后壁地形陡峭,地形切割强烈,雪崩频繁等特点.冰川补给区向下多为冰川急流地带和冰瀑布区.冰川消融区冰面、冰内、冰下河道与冰舌中下段冰面表碛发育,且贡嘎山西坡冰川冰舌边缘冰碛较东坡更发育.

2 数据来源、图像处理与验证

贡嘎山冰川变化研究的数据主要由以下几部分组成:1)1966年12月航测的3幅1∶10万地形图,作为冰川变化研究底图;2)马里兰大学获取2002年1月6日的ETM+影像一幅(Path:131 Row: 039),影像已经做过纠正,经过波段融合后分辨率为15 m;3)1989年10幅1∶5万地形图矢量化生成的DEM;4)中国冰川编目(Ⅷ)——长江水系[18].

地形图经过扫描后,添加20个左右的控制点(GCP),定义投影坐标系,进行几何校正,校正精度在半个像元以内;之后矢量化1∶5万的地形图,生成DEM;再以纠正后的1∶10万地形图作为底图,勾绘冰川边界.因为,地形图的冰川边界已经通过航片校正,因此仅勾绘校正后的冰川边界[23].地形图和ETM+影像均采用统一的U TM(47带)投影和WGS84椭球体建立坐标系(地形图进行了投影变换),以便于图像配准.本文采用波段比值阀值法(TM4/TM5≥2.1)[13]进行自动监督分类.分类过程中,仅分冰川和非冰川(主要包括岩石、植被等)两种类别自动提取边界.含有表碛的冰川不能被很好识别,采用目视解译方法,对一些冰川错分区域加以修正,最终获得精度较高的冰川边界.

现代冰川边界提取过程中,前人已经在这方面做了很多工作,包括比值阀值法、监督分类、非监督分类、主成分分析法、归一化植被指数等,但是这些方法对有表碛或者云、雪覆盖的遥感影像都有一定的局限性.有学者[24-25]尝试用不同方法对含有表碛的冰川边界进行自动提取,但是效果均不十分理想,最终还需要人工目视解译的验证和修正.人工目视解译方法需要判读者有一定的经验,同时,也需要统一目视解译的标准,这样才能够提高冰川解译的精度.本研究区的表碛覆盖的冰川的冰舌和冰川边界位于影像阴影中的部分,参考第一冰川编目时的冰川边界与现状年的 Google Earth图像,通过人工目视解译获得冰川边界.另外,工作组还对这些区域进行了野外实地考察与 GPS测量验证.

2008年4—5月,工作组成员运用美国Nav-Com公司的SF-2040G双频差分GPS(单机定位精度10 cm级),对贡嘎山地区几条规模较大的冰川和部分位于阴影区的冰川边界进行了实地测量,发现冰川实际测量的边界与室内解译的冰川边界存在有一定的偏差.经过对比分析计算,二者之间的水平误差在海螺沟为 ±49 m,面积误差约为0.399%;在燕子沟水平误差为±56.4 m,面积误差约为0.66%;在大贡巴水平误差为±31.4 m,面积误差约为 0.638%;在小贡巴水平误差为±24 m,面积误差约为0.644%(图2).由于冰川边界野外实地测量验证的时间为2008年,而遥感影像为2002年,两期数据之间有6 a的间隔,所以遥感解译边界的误差应该小于上述计算结果.

3 冰川面积变化

在GIS技术支持下,应用Arc/Info软件中的空间分析模块计算1966年与2002年两期冰川面积,再用DEM数据提取每条冰川的坡度、朝向等信息.将两期冰川边界叠加,分析冰川面积变化规律(图3),量算海螺沟冰川、燕子沟冰川、大贡巴冰川、小贡巴冰川长度变化.

3.1 总面积变化

根据第一次冰川编目数据矢量化结果[18], 1966年贡嘎山地区分布现代冰川74条,总面积253.026 km2,单条冰川最大面积为30.044 km2,冰川最小面积为0.107 km2,冰川平均面积3.419 km2.根据我们的解算结果,2002年时,贡嘎山地区分布现代冰川75条,其中东坡新增加冰川3条,西坡减少2条冰川,总面积236.936 km2;单条冰川最大面积为 25.845 km2,最小面积是 0.046 km2,冰川平均面积为3.159 km2;1966—2002年冰川总面积减小了 16.09 km2,退缩率达到了6.36%(图3).

3.2 东西坡冰川面积变化

贡嘎山东坡的冰川数量由1966年的33条增加到 2002年 36条,面积由 153.012 km2减少到145.811 km2,退缩率为4.71%;西坡冰川由1966年41条减少到2002年的39条,面积由99.014 km2减少到91.124 km2,退缩率为7.97%.

3.3 不同分类标准冰川面积变化

按照冰川的朝向进行统计分析发现,西北向(NW)的冰川退缩最为严重,退缩率达到了27.57%,其次是朝向南(S)的冰川,东南向(SE)的冰川退缩率最小(图4).按照冰川的规模进行统计分析发现,面积<0.5 km2的冰川退缩最为严重,退缩率达到了26.20%;其次是面积介于0.5～1 km2的冰川,最小的是>10 km2的冰川,近36 a仅退缩了3.25%(图5).对不同坡度的冰川进行统计分析发现,坡度在30°～35°之间的冰川退缩最为严重,退缩率为12.27%,其次为坡度在40°～45°的冰川,而35°～40°的冰川退缩的最慢,退缩率仅为4.38%(图6).

3.4 典型冰川的变化

2008年实地GPS测量的冰川边界叠加到1966年第一次冰川编目时的冰川边界上发现,1966—2008年的42 a时间,海螺沟冰川末端退缩约943 m,每年平均退缩约22.45 m,面积由25.583 km2减小到24.554 km2,退缩率为4.02%.燕子沟冰川末端退缩约494 m,每年平均退缩约11.76 m,面积由30.044 km2减小到20.151 km2,减少率达到了32.93%.燕子沟冰川面积变化较大的原因是冰川右侧原来的两条支谷冰川已经与主谷冰川脱离,形成了两条单独的小冰川,冰川的面积分别是3.90 km2和5.14 km2(图3、7).小贡巴冰川末端退缩约210 m,每年平均退缩约5 m;面积由6.163 km2,减小到5.734 km2,退缩率为6.96%.大贡巴冰川,由于有非常厚的表碛的覆盖,末端基本没有后退,但消融区的冰川明显变窄,面积由20.359 km2减小到19.137 km2,退缩率为6%.根据横断山科学考察时的观测[26],1982—1983年间大贡巴平均年消融深为2.71 m,据此计算近42 a内厚度减薄约143 m.由于大贡巴冰川在消融时表碛不断增厚,进而对其消融影响增大,因此实际消融深应<143 m.但大贡巴冰川冰舌区减薄,体积严重减少是不争的事实[27].

4 结论与讨论

1966—2002年的36 a间,贡嘎山冰川总体处于退缩状态,冰川总面积减少6.36%,年均减小面积0.447 km2;西坡冰川由41条减少到39条,面积减小7.89 km2,退缩率为 7.97%;东坡冰川由33条增加到36条,但冰川面积减少7.20 km2,退缩率为4.71%.按照冰川不同分类标准的统计:1)不同朝向的冰川变化,西北向(NW)的冰川退缩最为严重,退缩率达到了27.57%,东南向(SE)的冰川退缩率最小,仅有4.17%;2)不同等级的冰川变化,面积<0.5 km2的冰川退缩最为严重,退缩率达到了26.20%,最小的是>10 km2的冰川,仅退缩了3.25%;3)不同坡度的冰川变化,坡度在30°～35°之间的冰川退缩最为严重,退缩率为12.27%,而35°～40°的冰川退缩的最慢,退缩率仅为4.38%.1966—2008年的42 a间海螺沟冰川末端退缩约943 m;燕子沟冰川末端退缩约494 m,小贡巴冰川末端退缩约210 m,而大贡巴冰川末端由于有非常厚的表碛覆盖,基本没有变化.

我们收集了海螺沟、九龙、新都桥3个气象站自有观测记录以来逐年降水量和年平均气温资料(图8、9),用以了解研究区内近几十年来的气候变化.结果显示,这3个站年平均气温都呈上升趋势,与全球变暖的大背景一致.海螺沟气象站代表的贡嘎山的东坡近20 a来气温升高了约0.42℃,九龙和新都桥代表的贡嘎山西坡近50 a来气温升高了约0.67℃;而东西两坡的年降水量变化不大.气温和降水是影响冰川发育及其变化的两个重要控制因素,在降水无太大变化时,温度是决定了冰川的消融与积累的变化.因此,我们认为贡嘎山地区冰川大面积的退缩是由温度的升高导致.Kulkarni等[28]在喜马拉雅山区 Satluj河的支流Baspa流域对7条冰川变化的研究发现,冰川规模越小,退缩越明显;Liu Shiyin等[29]发现1956—1990年祁连山西段西北坡的170条冰川总面积减少了4.8%,而面积<1 km2的冰川总面积却减少了23%,这与我们在贡嘎山地区冰川变化的研究结果(冰川的规模越小对气候变化的响应越敏感)一致.贡嘎山西坡冰川的条数与东坡相差无几,但冰川的规模(2.34 km2)却比东坡(4.05 km2)小的多,这可能是导致西坡比东坡冰川退缩严重的主要原因.

遥感和GIS技术的应用为冰川变化,尤其是近几十年的变化研究,提供了一种崭新的、非常有效的方法,但受遥感影像的质量(云和雪的覆盖,阴影区等)和时间等因素的限制较大,影响了影像的判读精度和研究时段的长短.因此,就必须要选择高质量、高分辨率的遥感影像作为源数据,还要同时进行大量的野外考察实地测量验证,从而提高影像解译的精度.

致谢:中国气象科学数据共享网http://cdc. cma.gov.cn/、地球系统科学数据共享网—西南山地分中心 http://imde.geodata.cn:7080/Portal/ index.jsp,提供了研究区有关台站气象资料;研究所用的Landset ETM+影像由马里兰州大学提供http://www.glcf.umiacs.umd.edu/index.shtml;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所丁良福老师在目视解译过程中提供了帮助,在此一并致谢.

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Research on the Glacier Change in the Gongga Mountain Based on Remote-Sensing and GPS from 1966 to 2008

ZHANG Guo-liang1, PAN Bao-tian1, WANGJie1, SHANGGUAN Dong-hui2, GUO Wan-qin2
(1.Key L aboratory of Western China’s Environmental Systems(Ministry of Education)and Department Geography, L anzhou University,L anzhou Gansu730000,China;2.Cold and A rid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,L anzhou Gansu73000,China)

Abstract:The development of the technology of 3S (remote sensing,geographic information system, global position system)provides more effective methods to study the glacier change.With these technologies,this paper focused on the maritime type glaciers in the Gongga Mountain,which are the glaciers most sensitive to the climate change. The boundaries ofthe glaciers in the Gongga Mountain in 1966 were obtained from air survey topographic maps of 1∶100 000(December 1966), whereas ETM+ data(2002)is processed by the method of band ratio to extract the glacier boundaries in 2002.With the support of geographic information system,the glacier boundaries of the two periods were superimposed to trace the changing tendency of glacier.The preliminary result indicates that the overall Gongga glaciers were shrinking from 1966 to 2002.The glacierized area has decreased by 6.36%,with a decreasing rate of 0.447 km2·a-1,since 1966.The number of glaciers in the east mountain range increased from 33 to 36, but the glacierized area reduced 7.20 km2,which is about 4.71%of the total glacierized area in the east range.In the west range,the number of glaciers reduced from 41 to 39,with a reduction area of 7.89 km2and a reduction rate of 7.97%.According to the GPS measurement result in May 2008,it is found that in the 42 years,the Hailuogou Glacier had retreated about 943 m,the Yanzigou glacier had retreated about 494 m and the Xiao Gongba Glacier had retreated about 210 m.However,the terminal of the Da Gongba Glacier did not change but the ice storage was in reduction.Under the macro-background of global warming,temperature increment may be the primary cause of the glacial retreat.

Key words:Gongga Mountain;glacier change;glacier retreat;GIS

中图分类号:P343.6

文献标识码：A

文章编号:1000-0240(2010)03-0454-07

收稿日期:2009-10-21;

修订日期：2009-12-17

基金项目:国家杰出青年科学基金项目(40925001);科技部基础性工作专项项目(2006FY110200);国家自然科学基金项目(40801031);甘肃省科技支撑计划项目(0708NKCA122)资助

作者简介:张国梁(1982—),男,内蒙古呼伦贝尔人,2007年毕业于中国地质大学(北京),现为兰州大学西部环境与气候变化研究院第四纪地质研究所在读博士生,主要从事遥感与现代冰川变化研究.E-mail:zhanggl2007@lzu.cn