1995—2015年全球不同气候带典型冰川补给型湖泊动态变化

刘吉平,金 晶,李晟铭,2,宋开山

(1.吉林师范大学旅游与地理科学学院,吉林四平 136000；2.闽西地质大队闽矿测绘院,福建厦门 361000；3.中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林长春 130102)

湖泊是湿地生态系统的重要组成部分,具有调节河川径流、发展灌溉、改善区域生态环境与调节气候的功能,是气候变化的灵敏指标[1],其水源补给多种多样,主要来源于集中降水和河川径流两种[2]。冰川补给型湖泊是由冰雪融水补给为主的湖泊,通常在气温上升时以冰雪融水的形式通过地表径流对湖泊进行季节性补给[3],也有学者将其称为冰湖(冰湖是由冰川作用形成的湖泊或以冰川融水为主要补给源的湖泊,在冰川作用区广泛分布)[4]、冰川湖泊(是指以现代冰川融水为主要补给源或在冰碛垄洼地内积水形成的天然水体)[5]。冰川补给型湖泊受人类活动影响较小,能真实反映全球的气候状态,可用于研究气候和环境的自然变化过程[6]。近些年来,随着全球气温升高,不同地区冰川均呈不断消融的变化趋势[7],冰川融化问题逐渐受到学者重视[8]。冰川的融化不仅影响区域气候的分布特征,还对生态系统造成一定的影响[9]。冰川退缩对附近河流流域水资源变化产生了明显的影响[10],探讨冰川补给型湖泊变化特征及影响,对于研究全球气候变化与冰川响应的关系、了解冰冻圈水资源及其灾害具有重要意义[11]。

受气候变化和人类活动的共同影响,进入21世纪以来,湖泊在面积乃至空间格局上出现了很大变化[12]。近年来,国内外学者利用多源资料对湖泊面积动态变化进行了分析,尤其是冰川融水补给的湖泊面积扩张引起学者广泛关注[13-16];基于遥感影像分析部分典型区域冰川补给型湖泊的变化,如近30年来,天山地区[4]、喜马拉雅山[14]、青藏高原[15]、阿尔泰山区[16]冰川补给型湖泊面积均呈扩张趋势。此外,研究者对冰川补给型湖泊研究侧重点各不相同,主要包括冰川补给型湖泊溃决风险评估[17],冰川补给型湖泊溃决灾害事件的调查分析[18-19],典型区域冰川补给型湖泊演化特征[20],湖泊水位波动的时空特征[21]等。以往成果多数集中在区域尺度上研究,对整个全球冰川补给型湖泊的面积、数量、分布及变化特征等缺乏全面认识,冰川补给型湖泊—气候带变化关系并不清楚；不同气候带之间气候差异性较大,对冰川补给型湖泊动态变化产生影响较为明显。在全球区域尺度上,不同气候带冰川补给型湖泊的变化与气候变化之间的关系目前已成为学者研究的热点问题,研究二者之间的关系对全球冰川补给型湖泊的生态环境保护和湖泊变化持续监测具有重要意义。

本文基于Landsat TM/ETM+/OLI卫星1995年、2005年、2015年3个时期的遥感影像数据,应用水体指数法并结合DEM数据分析1995—2015年全球冰川补给型湖泊整体变化趋势及其不同气候带湖泊动态变化差异,探讨其变化特征及其气候变化对冰川补给型湖泊变化的影响,有利于认识冰川补给型湖泊—气候带两者的变化关系,对于冰川消融的变化以及揭示全球气候变化规律具有参考价值,同时为预测冰川补给型湖泊的未来发展趋势提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

根据《World Glacier Inventory》[22]和《简明中国冰川目录》[23]的统计,全球冰川分布极其不均衡。通过美国国家冰雪数据中心(NSIDC)发布的2012年全球冰川分布数据(http:∥nsidc.org/glims)和全球湖泊与湿地数据集(GLWD,http:∥www.dataang.com)等信息,选取冰川较为集中、湖泊数量多的地区作为研究区(图1)。

图1 研究区位置Fig.1Location of study area

本文数据来源于美国地质勘探局USGS(http:∥glovis.usgs.gov/)发布的Landsat卫星系列的TM/ETM+/OLI遥感影像,分别为1995年、2005年、2015年3期遥感影像数据,共180幅影像,空间分辨率为30 m×30 m,拍摄时段以降水补给减弱、积雪影响较少的北半球9—11月(南半球相反)为主；全球冰川分布数据来源于美国冰雪数据中心(http:∥nsidc.org/glims)发布的2012年冰川数据,利用该编目数据作为参考,提取1995—2015年全球冰川补给型湖泊数据；全球水体边界数据来自全球湖泊与湿地数据集(http:∥www.dataang.com)；DEM数据来自ENVI软件中的数据库(GMTED2010)和地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)。

1.2 研究方法

采用Landsat卫星影像数据、DEM数据和全球冰川分布数据等为基础,结合RS和GIS技术、NDWI水体指数法,应用EVNI5.3软件、ArcGIS10.2软件、IDL8.5软件对全球冰川补给型湖泊进行提取。气候学家对气候带的划分进行了大量研究工作[24],由于斯查勒气候分类法将冰川补给型湖泊的分布区域大部分界定为高地气候类型,为反映全球不同气候带典型冰川补给型湖泊动态变化,本文参照柯本气候分类法[25],结合气候带的命名习惯,把全球分为5个气候带,即热带、亚热带、温带、亚寒带和寒带。

1.2.1 Landsat影像处理

为了减少积雪与云量对提取冰川补给型湖泊的影响,选取1995年、2005年、2015年9—11月3期云量小于10%的Landsat TM/ETM+/OLI影像。对下载的原始数据进行辐射定标、大气校正、几何校正、图像拼接与裁剪等预处理工作,通过目视解译提取全球1995年、2005年、2015年按照不同气候带划分的冰川补给型湖泊数据,进行对比分析。

1.2.2 冰川补给型湖泊提取方法

本文研究的湖泊为冰川补给型湖泊,因其特殊性,导致冰川光谱与水体光谱几乎一致,人工很难进行提取,因此采用水体指数法来提取,其能有效抑制其他地物背景,增强水体信息,有效地将冰川与湖泊进行区分,阈值设置为0～0.8[26]。

(1)

式中:ρNDWI为水体指数；ρGREEN和ρNIR分别代表绿波段和近红外波段的大气顶层反射率数据,在Landsat TM/ETM+系列影像中对应为2、4波段,在Landsat OLI系列影像中对应为3、5波段。

冰川大都分布在陡峭山脉中,水体与阴影光谱类似,容易夸大实际湖泊面积,导致数据精度存在问题。据此结合冰川DEM数据,根据一般99.2%水体分布于坡度小于8°理论[3],确定水体范围。由于Landsat系列影像分辨率问题,参照Google Earth与GLWD数据对照,通过人工目视解译对湖泊信息进行修改,删除河流、人工水体和湿地以及面积<0.003 6 km2水体得到最终结果[3]。

1.2.3 精度评估

因研究地貌特殊,野外实地验证困难,本文对提取冰川补给型湖泊的验证进行随机采样,选取均匀分布于数据中的验证点,运用混淆矩阵法来计算分类精度。随机分别选取全球冰川补给型湖泊中600个采样点作为本次验证,以Google Earth历史影像作为参考数据,结果显示,Google Earth与验证点交集数量为576个,验证精度高达96%。同时,将选取的600个验证点与GLWD数据对比,考虑到GLWD数据最小面积>0.1 km2,本文提取冰川补给型湖泊面积>0.003 6 km2,因此选用验证点中>0.1 km2的水体共295个验证点与GLWD数据进行对比分析,发现有233个结果对应,提取精度为78%。综合考虑Google Earth与GLWD精度验正结果,另与全球30 m分辨率陆表水数据集(Global Land Surface Water Dataset)、高亚洲湖泊数据集进行对比,精度相对较高,可满足本文研究需要。

2 结果分析

2.1 全球不同气候带典型冰川补给型湖泊变化特征

2015年,全球典型地区共有冰川补给型湖泊122 160个,总面积45 669.2 km2(表1)。在空间分布上,全球典型地区冰川补给型湖泊以温带和亚寒带最多(图1、表1),面积分别占全球冰川补给型湖泊总面积的41.16%和41.52%,热带地区最少,占总面积的0.27%。

表1 1995年、2005年和2015年全球不同气候带典型冰川补给型湖泊面积与数量

1995—2015年,全球典型冰川补给型湖泊面积和数量处于不断变化之中。全球冰川补给型湖泊整体呈现持续扩张状态,冰川补给型湖泊面积增加了1 038 km2,数量减少了2 836个,20年间冰川补给型湖泊的面积增加了2.32%,数量减少了2.26%。对比各气候带冰川补给型湖泊面积在1995—2005年和2005—2015年的年平均变化率,发现热带、温带冰川补给型湖泊面积扩张速率在减缓,1995—2005年平均扩张速率为15.12%～16.08%,2005—2015年降为0.04%～4.78%;亚热带冰川补给型湖泊面积1995—2005年增加5.63%,2005—2015年减少2.95%；亚寒带冰川补给型湖泊面积表现为“快速萎缩—缓慢扩张”的变化趋势,1995—2005年减少6.21%,2005—2015年增加1.53%；寒带冰川补给型湖泊面积1995—2005年减少13.97%,2005—2015年增加3.08%。由此可见,1995—2015年全球冰川补给型湖泊面积总体上呈扩张趋势,但是五大气候带中又存在显著差异,其中热带、亚热带、温带冰川补给型湖泊呈现扩张趋势,亚寒带、寒带冰川补给型湖泊呈现萎缩趋势。

2.2 全球不同规模典型冰川补给型湖泊变化特征

不同规模的冰川补给型湖泊也表现出不同的变化趋势(表2)。根据湖泊面积大小,将湖泊分为3类:<1 km2的小型湖泊,1～50 km2的中型湖泊和>50 km2的大型湖泊。对小型湖泊、中型湖泊与大型湖泊的统计结果表明,在全球冰川补给型湖泊中,小型湖泊面积占15.48%,中型湖泊面积占24.30%,大型湖泊面积占60.53%。

表2 1995—2015年不同规模典型冰川补给型湖泊面积和数量

从1995—2015年全球典型冰川补给型湖泊面积变化来看(表2),小型湖泊和大型湖泊的冰川补给型湖泊面积变化差异大,中型湖泊面积相对变化较小。在不同规模等级上,小型湖泊面积减少了7.24%,中型湖泊面积减少了2.19%,而大型湖泊面积增加了6.96%。从各气候带来看,热带地区与温带地区小型湖泊、中型湖泊与大型湖泊面积均呈扩张趋势;亚热带地区不同规模的冰川补给型湖泊呈不同变化趋势,其中小型湖泊面积增加了1.46%,中型湖泊面积减少了2.46%,大型湖泊面积增加了3.91%;亚寒带与寒带冰川补给型湖泊面积均减小,其中以小型湖泊与中型湖泊变化最为剧烈,亚寒带小型湖泊面积减少了6.97%,中型湖泊面积减少了9.13%,寒带小型湖泊面积减少了23.35%,中型湖泊面积减少了17.98%。

3 讨 论

3.1 气候对冰川补给型湖泊的影响

现代全球气候变化呈现升温趋势已经成为学者们的一致看法[27]。已有研究表明冰川变化与全球变暖有着密切联系,在气候变暖的背景下,全球高寒区生态系统正经历着以升温和降水增加为主要特征的暖湿化气候变化趋势[28]。高山冰川等高海拔地区是高寒生态系统中对气候变化最敏感的区域,因冰川大多位于高寒地区,人类活动强度相对较弱,气候因素的变化直接影响着冰川补给型湖泊的变化趋势[29]。鉴于部分研究区尚无详实的冰川和冻土定位观测资料,南北半球气候差异较大,目前无法定量分析冰川补给型湖泊扩张原因,但全球近几十年总的气候背景有利于冰川补给型湖泊面积增加。就冰川补给型湖泊面积变化而言,通常气温升高、降水的增多以及蒸发的减少,都有利于冰川补给型湖泊面积的扩大[15]。根据谭超[30]的研究结果,全球气温变化率主要呈上升趋势,2001—2016年间全球大部分区域降水变化率分布在-10～10 mm/a,说明其大部分区域的降水变化幅度较小,且该时段内全球蒸散发表现为增加趋势。总体上,全球1995—2015年呈现暖湿变化趋势。该时段内冰川补给型湖泊面积增加了1 038 km2,数量减少了2 386个。从全球尺度看,气温升高不仅导致陆地蒸腾量上升,增加流域内湖泊水量的蒸发,也使得部分冰川消失[31],补给来源减少,小型湖泊消失,导致数量有所减少。同时气温上升也使冰川退缩、冻土解冻水增加引起湖泊面积增大,抵消了蒸腾量上升带来的影响,全球冰川补给型湖泊面积仍呈现扩张状态,其面积变化与区域尺度上天山地区[4]、青藏高原[15]、喜马拉雅山[32]、阿尔泰山区[33]、安第斯山脉[34]等冰川补给型湖泊变化趋势相一致。

不同气候带气候变化差异较大,导致冰川补给型湖泊表现出不同的变化趋势[35]。谭超[30]研究发现:2001—2016年间全球中低纬地区增温明显,温度增加的区域主要集中在高山、高原等高海拔地区,而中高纬地区降温突出,主要分布在平原等低海拔区域,且气温降低并不明显；全球降水变化和蒸散发变化幅度较小。热带地区平均气温呈增暖趋势,其上升率为0.165～0.334 ℃(10 a),降水变化总体趋势减少,向干热型转变,但是变化幅度极小,尤其是降水量几乎保持不变[36]。气温小幅度增长导致高山冰川融化,其面积与数量均呈扩张状态,但也由于气温变化幅度较小,间接导致了热带冰川补给型湖泊变化幅度也较小。亚热带以喜马拉雅山为例[15],对该区10个气象站近40 a的资料统计分析表明,升温率为0.15～0.59 ℃/(10 a),增温主要位于高海拔地区,且蒸发量呈减少趋势[37]。1951—2007年温带总体气温呈增加趋势,并显著提高[38],导致亚热带与温带冰川补给型湖泊呈扩张趋势,并且增长幅度远大于热带地区,冰川补给型湖泊变化趋势与王欣等[4]、Qiao和Zhu[39]的研究变化趋势相一致,都呈现面积扩张趋势。1998—2015年,欧亚大陆临近北冰洋地区,以及加拿大东北部和格林兰岛是全球陆地增温趋势最大的区域,增温速率高达0.6 ℃/(10 a)以上,是全球变暖显著区域,其气温上升幅度远高于全球平均水平[40]。亚寒带与寒带小于1 km2的小型湖泊数量大幅度减少,1995—2015年面积变化率分别为-4.77%、-11.3%,近20年来气温大幅度升高,蒸腾量上升[40],部分冰川消失[31],导致小型湖泊面积大量减少,甚至已经消亡。可见,虽然不能定量说明气温、降水和蒸发三者对冰川补给型湖泊面积扩张的贡献率有多大,但上述分析表明,近几十年来全球气温升高(即冰川融水增加)是冰川补给型湖泊面积扩张的主要原因,而全球降水增加和蒸发的减少对冰川补给型湖泊面积扩张的作用不容忽视,下一步需深入探讨。

值得注意的是,冰川补给型湖泊的变化并非受单一因素影响,除去气候因素的影响,同时也受湖盆结构、堤坝物理形态和山地坡度等因素制约[17],是湖水量收支平衡的结果。如亚寒带与寒带地区,尽管全球大幅度变暖导致冰川融水直接注入,但在该地区共有6 371个小型湖泊(<1 km2),面积退缩了699.24 km2,说明冰川融水的注入不足以弥补冰川补给型湖泊水量的损失,不同地区冰川补给型湖泊受各种因素的影响程度不同,间接地反映出冰川补给型湖泊面积变化原因的多样性与复杂性[15]。

3.2 与典型区域冰川补给型湖泊变化对比

在全球气候变暖的背景下,大多数冰川都呈现退缩趋势,冰川融水导致冰川补给型湖泊面积增加。为进一步研究全球冰川补给型湖泊变化特征,选取其他典型冰川补给型湖泊变化情况与本文做对比。已有研究发现,除去格陵兰和南极洲地区,自1990年以来,全球冰川补给型湖泊的面积呈扩张趋势。而地处高纬度地区的格陵兰变化情况更为复杂,随着冰盖边缘的后退,许多湖泊呈不断萎缩趋势,且包括格陵兰湖在内,全球冰川补给型湖泊面积呈扩张趋势[41],与本文全球不同气候带的典型冰川补给型湖泊变化趋势相一致。另结合已经发表的成果,对不同研究时段的天山、阿尔泰地区、喜马拉雅山、西藏年楚河流域的冰川补给型湖泊变化特征进行统计分析,发现全球典型冰川补给型湖泊与其他地区变化趋势相一致,面积均呈现扩张趋势。本文研究得出1995—2015年亚热带典型冰川补给型湖泊面积扩张率为0.13%/a,温带典型冰川补给型湖泊面积扩张率为0.81%/a,相对处于相同环境的天山0.83%/a[4]、喜马拉雅山0.97%/a[14]、阿尔泰山区0.58%/a[16]、西藏年楚河流域0.41%/a[42]等变化趋势相一致。通过与其他区域冰川补给型湖泊变化趋势进行对比,考虑到时间与空间尺度上的差异,其变化速率大小相似,总体变化趋势相一致,间接性反映出本文冰川补给型湖泊的界定和解译是相对准确和科学的,其精度可满足本研究需求。

4 结 论

(1) 不同气候带冰川补给型湖泊呈现不同变化趋势。1995—2015年热带典型区冰川补给型湖泊经历了一个快速扩张而后逐渐缓慢扩张状态;亚热带冰川补给型湖泊不同规模的湖泊数量和面积变化情况均经历了小幅度增加趋势;温带地区冰川补给型湖泊面积仅次于亚寒带湖泊面积,占全球冰川补给型湖泊面积的39.64%,1995—2015年内呈波动式增加;亚寒带与寒带冰川补给型湖泊面积与数量均呈消减趋势,亚寒带湖泊数量退缩率大于寒带。

(2) 不同规模的冰川补给型湖泊表现出不同的变化趋势。热带地区小型湖泊、中型湖泊与大型湖泊面积均呈上升趋势;亚热带小型湖泊面积增加了1.46%,中型湖泊面积减少了2.46%,大型湖泊面积增加了3.91%;温带不同规模冰川补给型湖泊面积均呈扩张趋势,总体增长了16.12%;亚寒带与寒带以小型湖泊与中型湖泊变化最为剧烈,其中亚寒带小型湖泊面积减少了6.97%,中型湖泊面积减少了9.13%;寒带小型湖泊面积减少了23.35%,中型湖泊面积减少了17.98%。

本文只选取全球典型冰川补给湖泊作为研究区,缺少对全球所有冰川补给型湖泊的研究,需要在今后的工作中进一步研究。另外冰川补给型湖泊大多位于高海拔地区,难以获得实测的水文数据,国外气象数据较难获得,不能定量分析气候变化与冰川补给型湖泊之间的关系,今后需对气候-水文-冰川补给型湖泊之间的关系进一步研究。