1977－2013年玛河流域山区冰雪覆被消融态势分析

王雅君，徐丽萍，郭 鹏，李慧婷

（石河子大学 理学院，新疆 石河子832003）

冰川和积雪是冰冻圈的重要组成部分，在全球或区域气候系统中起着指示器的作用［1］。政府间气候变化委员会（IPCC）第四次评估报告指出［2］，过去100年（1906—2005年）全球地表平均气温上升了0.74℃，而最近50a的升温速率几乎是接近过去100年升温速率的两倍。升温速率的加快加剧了冰雪消融的速率，影响了冰雪覆被变化，尤其是山地冰川在近30多年来呈加速消融趋势［3－4］。近年来国内关于山区冰川变化的研究区域上关注天山［5］、祁连山［6］、念青唐古拉山［7］、昆仑山［8］、珠穆朗玛峰［9］、阿尔泰山［10］等，研究方法上多采用遥感影像［11－13］提取冰雪信息而未进行消融态势的分析。而对于玛河流域山区冰雪覆被消融的报导较少［14］，基于此，本论文选择玛河流域山区，以1977年，1990年，2000年，2013年四个时段的遥感影像为数据源，利用最大似然法并辅以Goole earth目视解译进行冰雪信息提取，对覆被特征加以分析，了解该区域的冰雪动态变化对全球变化的响应，初步分析该区冰雪消融的态势，以期为该地区采取应对冰雪覆被变化对生产生活产生的影响提供依据。

1 研究区概况

玛纳斯河（以下简称玛河）是准噶尔盆地最长的内陆河，发源于依连哈比尔尕山乌代肯尼河的43号冰川［15］。玛河流域地处亚欧腹地，新疆天山北麓、准噶尔 盆 地 南 沿，位 于 43°20′—45°55′N，85°01′—86°42′E，自东向西有塔西河、玛纳斯河、清水河、金沟河及巴音沟河5条大的河流［16］。该流域地形呈南高北低走势，源头海拔5 000～5 500m［17］，属典型的温带大陆性干旱荒漠气候，又有垂直气候特征，属于典型的大陆性气候［18］。据兰州冰川研究所1986年版《中国冰川目录》统计，玛河流域共有冰川1 379条，冰川总面积1 035.68km2［19］，总储量73.021km3。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源与预处理

本研究遥感影像数据由美国地质勘察局（USGS）官方网站（http：∥www.usgs.gov）下载，包括1977年Landsat MSS影像数据（分辨率为60m），1990年、2000年、2010年和2013年玛河流域相同时相Landsat TM 影像数据［19］，为了减少或消除云对冰雪提取的影响，本研究选取8月无云或少云的影像；玛河流域分辨率为90m的SRTM DEM数据由地理空间数据云下载（http：∥www.gscloud.cn/）。

由于1977年遥感影像分辨率较低，对遥感影像进行降噪处理，除去周期性噪声、尖锐性噪声、坏线以及条带等噪声，提高影响质量。然后对四期影像分别进行遥感影像的大气校正，为了减轻大气和云对遥感影像分类精度的影响，利用ENVI 5.1的FLAASH模块进行大气辐射校正［13］。为了减小几何形变对影像处理造成的误差，对影像进行几何校正，并以WGS－84为大地参考椭球坐标系，此外，将遥感影像数据和非遥感影像数据统一数据格式、投影方式和研究区域等使之可以相互匹配，便于运算，对于有雪斑干扰的影像，进行锐化增强处理，这样可以更有效地区分雪斑和有冰雪覆盖的冰川。

2.2 冰川信息的提取与精度评估

相对于其他地物，冰雪在可见光区反射能力很强，在遥感影像上与其他地物通常呈明显反差。故常用目视解译法、亮度阈值法、归一化积雪指数（Normalized difference snow index，NDSI）法、监督分类法等［20］，提取冰雪信息。对于1977年的MSS采取6，5，4波段假彩色合成，2000年、2010年和2013年使用5，4，3波段分别代表R，G，B进行假彩色合成，采用监督分类根据地物的光谱差异来进行分类。建立感兴趣区选取不少于20个训练样本，区域选择完成后使用工具计算ROI分离度，样本分离度达到1.8～2.0，为合适的样本。本研究先采用最大似然分类器获得积雪分类结果，为了保证数据质量，又辅以目视解译对其进行修正，提高其精度。分类后产生很多细小破碎的斑块，采用Majority/Minority分析方法，以3×3窗口进行小斑合并或重分类。对分类后影像精度验证，精度达到93.2%，kappa系数为0.92，符合分类标准。将处理后的栅格图像转换为矢量文件，加载到ArcGIS中进行进一步的图像处理。经过对分类精度进行验证之后，对于分类结果中误分和错分的部分，结合影像在ArcGIS中进行手动修改，并将数据输出部分细小的斑块进行合并和处理。利用玛纳斯河流域山区矢量边界对提取雪盖裁剪，得到各年研究区冰雪覆被的信息（图1）。

2.3 冰雪面积年均变化率

由于ENVI的局限性，运用遥感技术对影像提取存在不确定性，但仍可以作为评估大时空尺度的冰川变化的重要依据。运用评价冰雪面积变化程度的指标冰川面积年均变化率（annual percentages of area changes，APAC）可以更准确地反映不同时空尺度的冰雪变化。其表达式为：

式中：ΔS——冰川变化面积（km2）；So——初始状态下冰雪面积（km2）；Δt——研究时段的年限（a）。

2.4 冰雪储量估算

在无法获取冰雪厚度的情况下，人们通常根据冰雪储量和冰雪面积之间的经验公式进行冰储量的估算。本文所采用的是适用于天山山系的冰储量计算公式［23］：

式中：V——冰雪体积即冰雪储量（km3）；S——冰雪面积（km2）。

图1 玛纳斯河流域冰雪分布

3 结果与分析

3.1 冰雪覆被分布的面积变化

玛河流域冰雪在1977—2013年面积逐渐减少，且退缩程度严重。研究区1977年冰雪面积为3 125.63km2减少到2013年的745.81km2，减少了2 379.81km2，占1977年的76.14%，基于公式（1）年变化率（APAC）为2.11%。其中1977—1990年，冰雪面积减少量很大，达到653.74km2，减少率为1.61%；1990—2000年冰雪面积变化量最大，达到917.90 km2，APAC为2.94%；2000—2013年，冰雪退缩趋势加剧，减少面积为808.17km2，APAC减少为1.99%，缩减面积超过2000年总面积一半。总而言之，随着全球气温的普遍升高，该区域的冰雪面积呈现减少的趋势，近36a三个时间段玛河流域山区冰雪面积总体上呈“小—大—小”趋势退缩（图2—3）。

图2 1977－2013年冰雪面积变化

3.2 冰雪储量变化特征

基于公式（2）计算研究区1977年，1990年，2000年，2013年四个时期的冰川储量，1977—2013年玛河流域冰雪储量由2 090.38km3锐减到302.07km3，冰雪储量减少比例达62.88%，退缩速率为49.68km3/a。1977—1990年冰雪储量变化为567.56km3，在1990—2000年变化量达到最大值，为709.03km3，变化速率为70.90 km3/a。从2000—2013年期间，变化量减少，仅为511.72 km3。通过对影像解译分析，其中1977年＜0.1km2冰川条数为13.41%，面积占0.95%，0.1～1km2的冰川条数为56.85%，面积为2.36%，＞1km2条数，面积分别为29.74%，97.55%。而2013年＜0.1km2冰川条数为6.2%，面积则为0.88%；0.1～1km2的冰川条数为91.53%，面积为13.74%，＞1km2冰川条数，面积则分别为2.26%，85.38%。从变化趋势上看，该流域近36a冰雪储量退缩幅度较大，但近年来退缩速率减少，36a以来冰川条数同面积变化主要分布在0.1～1km2，大多数为小冰川，对气候变化异常敏感（见图4）。

图3 不同梯度雪盖分布

图4 冰雪储量变化

3.3 冰雪覆被随海拔高度的梯度变化

本研究选取玛河流域分辨率为90m的SRTM DEM数据，以100m为间距，通过DEM高程数据和冰川分类信息进行叠加，参考王娟等［21］高寒山区气温垂直分布的估测方法，同时考虑3 600m为雪线等因素，将玛纳斯河流域冰雪分布分为3个高程带，分别是不稳定积雪、稳定积雪和永久积雪。不稳定积雪是随着季节的变化而增加或减少，夏季消融速率增加，因此随着海拔的降低消融速率逐渐增加（见表1）。

表1 冰雪梯度分布

受自然因素的影响，海拔位于3 600～5 242m分布有冰川和永久积雪，该地带冰雪消融速率最低，仅为25.55km2/a。随着海拔的降低，消融速率逐渐增大。在低于2 700m的山区，随季节变化的不稳定积雪消融速率达到17.11km2/a，消融速率达到最大值，尤其在2013年，低海拔冰雪几乎完全消失（见图3）。

3.4 冰雪覆被在不同坡度的空间分布特征

地表面任一点的坡度指通过该点的切平面与水平地面的夹角。坡度表示了地表面在该点的倾斜程度。玛河流域海拔高度范围877～5 242m，冰雪面积约占流域面积的26%。冰雪分布随着坡度的不同而具有很大差异。在36a间低坡度0°～20°冰雪面积所占百分比逐渐增加，坡度≥50°区域冰雪面积所占百分比不断减小。1977年、1990年、2000年和2013年冰雪主要分布在坡度为0°～50°山体之间，坡度≥50°的山体上冰雪分布仅占2%～3%。1977年雪盖分布在相对陡峭的坡面上，而1990年、2000年和2013年雪盖分布在相对平缓的坡面上。1977年、1990年和2000年相比，坡度为0°～20°的冰雪面积所占百分比增加。而≥20°山体的冰雪面积所占百分比逐渐减少，70°～80°之间只有在1977—1990年有少量冰雪。2000年和2013年相比，0°～20°的冰雪面积所占百分比减少，20°～40°的冰雪面积所占百分比增加（见图5）。

图5 不同坡度的雪盖分布

3.5 冰雪覆被不同坡向的分布特征

冰川坡向为冰川所在山坡面对的方向，冰川朝向则为冰川面对的方向，在大部分情况下，冰川坡向和朝向是一致的。近36a玛河流域山区的冰雪分布呈阴坡（北、东、东北和西北）大于阳坡（南、东南和西南），尤其2000年和2010年更为显著。36a间阴坡冰雪所占百分比均超过13%，而阳坡基本都在13%以下，其中2000年北坡为17.61%，2013年东北坡达到18.33%。其成因是由于阳坡太阳辐射时长、强度大于阴坡，促使冰雪消融加快。虽然只有正东、西南和正西方向雪盖覆盖面积逐年递减，但是由于太阳辐射方向呈季节性变化，且年季差距小，因此在近36a年各坡向冰雪分布比例并没有明显变化（见图6）。

图6 不同朝向冰雪面积统计

3.6 原因分析及消融趋势预测

在全球变暖的大背景下，对新疆天山北麓的气候特点进行研究分析，发现该区域由暖干向暖湿转变［22］。近30a来玛纳斯河流域的年降水量和年均温均在波动中上升，说明玛河流域气候呈暖湿化趋势。前人在探讨冰雪变化驱动机制中发现，控制冰雪变化的主要两个因素是夏季均温和年降水量，其中夏季气温对冰川的消融量起决定作用，年降水则影响冰川的积累量［23－26］继而影响到面积。随着玛河流域气候暖湿化，降水集中在5—8月，期间蒸发剧烈，山区冰雪储量积累少，对气温的升高尤为敏感，冰雪消融量增加，尤其是小型冰川数量趋于增长，而小规模的冰川对气候的变化更加敏感［27］。玛河流域山区小规模冰雪缩减程度加剧，是近年来山区冰雪消融加剧的主要因素之一（见图7）。

图7 近36a玛纳斯河流域年平均气温、平均降水量变化

4 结论与讨论

4.1 结 论

通过对玛河流域近36a四期遥感影像的解译分析，可以得出以下结论：

（1）近36a玛河流域山区冰雪面积总体上呈“小—大—小”趋势退缩，总体退缩面积为1 258.18 km2，尤其是在1990—2000年间退缩趋势明显，减少率为37.1%，之后有所退缩速率有所降低，且在低海拔不稳定积雪地区消融现象明显。

（2）近36a间玛河流域山区冰雪储量减少明显，储量减少62.88%，同样呈现“慢—快—慢”的消减趋势，冰川主要分布在0.1～1km2。

（3）近36a间玛河流域冰雪减少趋势明显，从坡度分析，冰雪主要分布在坡度0°～50°，≥50°雪盖分布较少。从时间尺度上看，冰雪分布趋于低坡度，2000年至今坡度＞80°的冰雪消失。

（4）从坡向上看，冰雪分布阴坡大于阳坡，这是由于阴坡受太阳光照时间短且强度弱，不利于冰雪消融，反之则阳坡有利于冰雪消融。在时间尺度上，由于坡向，太阳辐射等变化差异小，因此不同坡向分布的冰雪百分比没有明显变化。

4.2 讨 论

本文研究结果同我国西部天山区冰雪消融变化趋势基本相吻合，与刘海隆等［28］的研究结果相比，总体的趋势是一样的。由于选取的遥感数据不同，研宄的年限以及对影像冰川辨认的差别，不同作者对相同的冰雪变化的研究结果并不完全一致。虽然气候变化对冰雪的影响有一定的滞后性，但滞后期是短暂的，并不影响气候与冰雪变化之间关系研究的准确性。随着全球气温升高，冰雪消融态势会更突显，各国应采取各种措施应对这一变化。基于对该区域冰雪变化的分析以及其他区域的研究可以看出，玛河流域山区冰雪仍出现消融态势加剧趋势。另外，本文未从物质平衡角度以及冰雪消融的生态效应方面去考虑消融态势，也未对消融程度等级进行划分，这是未来进行针对性进一步深入研究的方面。

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