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遥感技术与应用, 2020, 35(3): 712-722 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2020.3.0712

遥感应用

1993~2016年喜马拉雅山西段杰纳布流域冰川变化遥感监测

寇勇,1,2, 王宁练,1,2,3, 陈安安1,2, 刘凯1,2

1.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室,陕西 西安 710127

2.西北大学 城市与环境学院 地表系统与灾害研究院,陕西 西安 710127

3.中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心,北京 100101

Monitoring Variation of Glaciers based on Remote Sensing Images in the Chenab Basin,Western-Himalaya,1993~2016

Kou Yong,1,2, Wang Ninglian,1,2,3, Chen An’an1,2, Liu Kai1,2

1.Shaanxi Key Laboratory of Erath Surface System and Environmental Carrying Capacity,Xi’an 710127, China

2.Northwest University The College of Urban and Environmental Sciences Institute of Surface Systems and Disasters,Xi’an 710127, China

3.Chinese Academy of Sciences Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Beijing 100101, China

通讯作者: 王宁练(1966-),男,陕西兴平人,博士,教授,主要从事冰芯气候环境记录、冰川水资源和全球变化研究。E⁃mail:nlwang@nwu.edu.cn

收稿日期: 2018-12-19   修回日期: 2020-04-19   网络出版日期: 2020-07-03

基金资助: 国家重点研发计划项目.  2017YFC0404302
中国科学院战略性先导科技专项.  XDA19070302
中国科学院“一带一路”科技合作专项.  131C11KYSB20160061

Received: 2018-12-19   Revised: 2020-04-19   Online: 2020-07-03

作者简介 About authors

寇勇(1995-),男,甘肃平凉人,硕士研究生,主要从事冰冻圈变化遥感研究E⁃mail:kouyong1013@163.com , E-mail:kouyong1013@163.com

摘要

基于Landsat TM/ETM+及OLI遥感影像,对喜马拉雅山西段杰纳布流域冰川面积进行提取,对冰川时空分布特征及其变化分析,并结合周边气象台站及CRU再分析资料气温、降水量资料对研究区冰川变化原因进行讨论。结果表明:①1993~2016年杰纳布流域冰川面积萎缩了164.56±161.72 km2,占总面积的5.78%,年均萎缩率为0.25±0.25 %·a-1,且在2000年后加快萎缩;②杰纳布流域冰川在各个朝向和海拔带上均呈萎缩趋势,其中S朝向冰川面积萎缩率最大,占研究区冰川萎缩总面积的24.35%; 4 600~4 800 m和4 800~5 000 m两个海拔高度带冰川面积近23 a分别减少了29.93 km2和30.91 km2,占流域冰川面积萎缩总量的17.72%和18.30%;③1993~2016年杰纳布流域共有28条冰川末端发生不同程度的前进现象;④对狮泉河和Srinagar气象站及CRU再分析资料气温、降水量变化分析表明,1993~2016年该区域年均气温呈显著上升是杰纳布流域冰川萎缩的主要原因。

关键词: 冰川变化 ; 喜马拉雅山 ; 杰纳布流域 ; 遥感监测

Abstract

Based on Landsat TM/ETM+/OLI remote sensing images,the glacier boundaries in the Chenab basin of western Himalayas in three periods were manually delineated with visual interpretation method, and the characteristics of glacier variation were also analyzed with the temperature and precipitation of the surrounding meteorological stations and CRU reanalysis data.The results show that: ①From 1993 to 2016,the glaciers area in Chenab basin decreased 164.56±161.72 km2,accounting for 5.78% of the total area. The annul average shrinkage rate is 0.25±0.25 %·a-1 and it accelerated shrinking after 2000. ②The glaciers in the Chenab basin have shrinked in all orientations and altitudes. Among them, S orientation glaciers has the maximum shrinkage rate, accounting for 24.35% of the total area of glacial shrinkage. The glaciers areas between 4 600~4 800 m and 4 800~5 000 m is reduced 29.93 km2 and 30.91 km2 near 23 a,accounting for 17.72% and 18.30% of the total shrinkage of the glacier area in the basin respectively. ③From 1993 to 2016, there were 28 different glaciers had advanced in the Chenab basin. ④Analysis of temperature and precipitation changes in the two meteorological stations of Shiquan river and Srinagar and CRU reanalysis data shows that the average annual temperature in the region increased significantly from 1993 to 2016 caused glacier retreat.

Keywords: Glacier change ; Himalayas mountains ; Chenab basin ; Remote sensing monitoring

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本文引用格式

寇勇, 王宁练, 陈安安, 刘凯. 1993~2016年喜马拉雅山西段杰纳布流域冰川变化遥感监测. 遥感技术与应用[J], 2020, 35(3): 712-722 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2020.3.0712

Kou Yong, Wang Ninglian, Chen An’an, Liu Kai. Monitoring Variation of Glaciers based on Remote Sensing Images in the Chenab Basin,Western-Himalaya,1993~2016. Remote Sensing Technology and Application[J], 2020, 35(3): 712-722 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2020.3.0712

1 引 言

冰川作为冰冻圈的重要组成部分[1],它不仅是气候变化的重要驱动因素之一,而且是反映气候变化的记录器和预警器[2,3]。高亚洲山区由于复杂的地形和寒冷的气候环境,成为全球中低纬度冰川最发育的地区[4],素有“亚洲水塔”之称。喜马拉雅山区地处高亚洲山区南缘,是高亚洲冰川作用最强烈的地区之一,同时又是印度河、雅鲁藏布江—布拉马普特拉河的发源地。冰川的变化将影响河流的径流量并对区域水资源产生长远的影响,并由此引发一系列自然、社会和经济问题[5,6,7]。全面认识高亚洲地区冰川变化及其影响,对阐明冰川与气候间的相互作用关系,预估冰川变化趋势与采取应对举措等方面具有重要意义[8]

在全球气候变暖的背景下,高亚洲山地冰川整体上呈退缩状态[9]。Gardner等[10]利用ICESat数据对2003~2009年间喜马拉雅山冰川厚度变化情况F进行了研究,发现喜马拉雅山西段地区冰川以0.53±0.13 m/a的速率减薄。Yao等[11]对青藏高原及周边冰川的研究指出,由于印度季风减弱导致喜马拉雅山降水量减少,进而致使喜马拉雅山冰川面积和长度大幅萎缩,冰川呈强烈的负物质平衡。Ji等[12]基于Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像对喜马拉雅山冰川解译得出1990~2015年冰川面积退缩10.99%,且北坡年均萎缩率0.54%·a-1大于南坡的0.38%·a-1。与之对应的是Nie等[13]对1990~2015年喜马拉雅山冰湖研究发现整个喜马拉雅山近25 a冰湖面积扩张14.1%。其中喜马拉雅山脉西段扩张最小南北坡冰湖分别扩张了5.0%和5.4%。但由于受地域气候条件的影响,部分地区冰川物质出现正平衡现象。Bhambri等[14]基于地形图及GIS发现在喜马拉雅山西北部和喀喇昆仑山脉一些地区冰川出现稳定或大规模增长的现象。

杰纳布流域位于喜马拉雅山西段,对该地区冰川面积变化的研究相对较少。Brahmbhatt等[15]基于SOI(Survey of India)地形图及遥感卫星数据对其子流域Warwan-Bhut流域进行了两个时间尺度的研究,分析了1962~2001/02年324条冰川的面积变化和2001/02~2010/11年238条冰川面积变化并主要讨论了冰川参数对冰川退缩的影响,未对整个流域的冰川进行研究。因此,本文将Landsat TM/ETM+及OLI遥感影像作为数据源,对1993、2000和2016年3期冰川目视解译提取边界,分析杰纳布流域冰川近23 a变化规律。并结合邻近狮泉河和Srinagar气象站及CRU再分析资料气温和降水量,分析在全球气候变暖背景下杰纳布流域冰川变化对气候变化的响应关系。

2 研究区概况

杰纳布流域地理位置位于32°5′~34°12′N,74°31′~37°53′E之间,流域面积2.23×104 km2,海拔分布在340~7 100 m之间。流域上游部分位于赞斯卡和比尔本贾尔山脉之间,而下游位于道拉达尔山和喜马拉雅山的外围[16]。研究区内地势由西南向东北逐渐抬升,高山区发育了大量现代冰川。全球陆地冰川监测计划(GLIMS)冰川数据显示,流域内分布有现代冰川2 683.4 km2,其中最大的冰川为巴拉希格里冰川,该冰川面积为112.4 km2,长约32 km。研究区属亚热带季风气候,夏半年受西南季风的控制和影响,在冬半年主要受西风环流的控制和影响[17]。研究区内杰纳布河自东向西流经印度西北部和巴基斯坦东部,并最终汇入印度河,是印度河重要的支流。冰川春季融水和夏季季风降雨是其径流量重要的补给源。

3 数据及方法

3.1 数据源

采用的Landsat TM/ETM+及OLI 影像来源于美国地质调查局(USGS,http://www.usgs.gov/),下载数据为Level 1T级数据产品。该产品已经过几何校正和系统辐射校正,并基于DEM数据进行了地形校正。且已有研究验证,USGS所提供的Landsat 遥感影像校正精度能达到半个像元甚至到1/6~1/10像元[18]。因此,直接利用USGS提供的遥感影像划定冰川边界。尽可能选取融雪期季节性积雪最少、少云或者无云的影像,以消除云和新降雪对识别冰川边界的影响。选取1993、2000、2016年3个时期的遥感影像(表1),所选的月份大都在8~10月,云量尽可能小于10%。由于早期可获得的高质量、无云和新降雪干扰的影像很少,选择整景云量小于10%的影像难度较大。因此本文在进行1993年影像选取时,降低了对云量的要求,而改为人工挑选,主要选择保证冰川区不受云及新降雪事件影响的影像。DEM数据采用USGS地球资源观测与科学中心(https: //www.usgs.gov/)提供的SRTM数据,空间分辨率为30 m。选用邻近狮泉河(32°30′N,80°6′E;海拔3 504 m)和Srinagar(34°3′N,70°30′E;海拔1 587 m)2个气象站1980~2015年气温、降水数据,数据下载于http: //cdc.cma.gov.cn/http: //climexp.Knmi.nl/。英国East Anglia大学Climatic Research Unit(CRU,http://www.cru.uea.ac.uk/)提供的月平均地面气温和降水数据集(CRU-TS v.4.01),空间分辨率达0.5°×0.5° 格点,用于分析杰纳布流域尺度上的气候变化。同时参考全球陆地冰川监测计划(http: //www.glims.org/)提供的RGI 6.0冰川编目数据。

表1   遥感影像属性

Table 1  Attributes of the remote sensing image

影像编号轨道号传感器成像日期云量/%分辨率/m
PathRow
LC81490362016275LGN00149036OLI2016-10-010.8615
LC81480362013211LGN00148036OLI2013-07-3019.3115
LC81470372016277LGN00147037OLI2016-10-031.0115
LC81480372016316LGN00148037OLI2016-11-115.3415
LC81490372016275LGN00149037OLI2016-10-017.215
LC81470382016229LGN00147038OLI2016-08-1617.4915
LE71480362000248SGS00148036ETM+2000-09-042.1815
LE71490362000239SGS00149036ETM+2000-08-2610.7815
LE71470372000241SGS00147037ETM+2000-08-282415
LE71470382000289SGS00147038ETM+2000-10-150.0915
LT51480361994207ISP00148036TM1994-07-2642.7230
LT51470371993245ISP00147037TM1993-09-0227.6830
LT51470371994232ISP00147037TM1994-08-2051.8630
LT51480371993236ISP00148037TM1993-08-2445.0330
LT51470381993229ISP00147038TM1993-08-1726.1830

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3.2 冰川数据提取

冰川边界提取方法通常分为目视解译和自动/半自动分类提取两类[19]。高亚洲山区冰川多为表碛覆盖类型,又受积雪与云的影响,目视解译方法较自动提取具有更高的精度[20]。利用ArcGIS 10.2软件选取Landsat TM/ETM+及OLI遥感影像的7、2、3波段合成假彩色影像,裸岩与冰体光谱差异明显,从而进行目视解译冰川。通过对1993、2000和2016年3期遥感影像目视解译,提取杰纳布流域冰川矢量边界(图2)。参考冰川编目数据,利用Google Earth三维图像对表碛覆盖区进行识别。并结合多幅不同时间段的影像进行对比,可以最大程度地剔除季节性积雪和云的影响,也有利于消除山体阴影产生的影响。冰川边界依据冰川末端辫状水系起点和两侧冰崖等特征划定[21,22]。基于SRTM数据提取山脊线,划分单条冰川边界。剔除可识别的最小冰川面积(约为0.01 km2[23],最后将冰川矢量边界投影转换为Albers投影,进而分析冰川变化特征。

图1

图1   杰纳布流域概况图

审图号:GS(2016)2556

Fig.1   Synoptic chart of the Chenab basin


图2

图2   目视解译的冰川边界

Fig.2   Glacier boundary by visual interpretation method


3.3 精度评价

冰川解译误差主要来自遥感影像数据源和人为判定差异,可用误差理论来估算[24]。尽管人工目视结果可作为真值,但仍存在一定的误差[25]。目视解译引起的误差可通过冰川最边缘的像元数量计算[26]获得:

ε=nA2

其中:ε为目视解译的误差(km2);n为冰川边界所经过的像元数;A为遥感影像像元分辨率(Landsat TM影像为900 m2;Landsat ETM+及OLI影像为225 m2)。结果表明由遥感影像分辨率造成的1993、2000和2016年冰川面积提取误差值分别为±120.47 km2、±110.31 km2、±107.89 km2,约占杰纳布流域各时段冰川总面积的±4.23%、±3.91%、 ±4.02%。

根据误差传播定律,本研究区中冰川面积变化的不确定性分析可用以下公式表达[27]

εc=(ε1)2+(ε2)2

其中:ε1ε2分别为两期冰川面积的不确定性。

4 结果与分析

4.1 冰川总面积变化

杰纳布流域近23 a不同时期冰川总面积变化(表2)显示:1993年该地区共有冰川1 994条,总冰川面积约为2 847.91±120.47 km2,平均冰川规模为1.43 km2。近23 a来杰纳布流域冰川整体呈退缩趋势,冰川面积由2 847.91±120.47 km2减少到2 683.35±107.89 km2,冰川面积萎缩164.56±161.72 km2,占总面积的5.78%,年均萎缩率达0.25±0.25%·a-1。其中,1993~2000年冰川面积减少 23.58±163.34 km2,年均萎缩率为0.12±0.82%·a-1;2000~2016年冰川面积减少140.98±154.30 km2,年均萎缩率为0.31±0.35%·a-1。后一时段冰川面积年均萎缩率为0.31±0.35%·a-1大于前一时段的0.12±0.82%·a-1,表明杰纳布流域冰川面积正在加速萎缩。此外,研究区冰川条数由1 994条增加到2 015条,主要由于冰川消融过程中规模较大的冰川分解成小冰川所致。杰纳布流域冰川加速萎缩的变化趋势与喜马拉雅山大部分地区冰川变化趋势一致[28,29,30]

表2   不同时段杰纳布流域冰川面积变化

Table 2  Changes of the glacier area in the Chenab basin at different periods

年份冰川面积/km2数量/条时段变化面积/km2面积变化率/%年均萎缩率/%·a-1
19932 847.91±120.471 9941993~200023.58±163.340.83±5.760.12±0.82
20002 824.33±110.311 9882000~2016140.98±154.304.99±5.610.31±0.35
20162 683.35±107.892 0151993~2016164.56±161.725.78±5.840.25±0.25

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4.2 不同规模冰川面积变化

以1993年杰纳布流域冰川面积为基准,将流域内冰川按规模划分7个等级,分别对1993、2000和2016年的冰川数量和面积统计(表3)。结果表明,杰纳布流域冰川面积分布在0.02至106.55 km2,小冰川在流域内分布广泛,且冰川面积规模等级越大,条数越少。分析1993~2016年不同面积规模冰川的数量和面积可知,面积规模≤0.1 km2的冰川数量增加,相应的冰川面积增加了5.23±4.91 km2。面积介于0.1~0.5 km2和5.0~10.0 km2规模冰川在1993~2000年面积也发生扩张,反之其他规模冰川数量和面积均呈现减少的趋势。其中面积介于0.1~0.5 km2规模的冰川数量减少多达26条。面积规模>10 km2的冰川面积萎缩量最大,达47.34±42.25 km2,占流域冰川面积萎缩总量的28.8±26.13 %。较大规模的冰川消融或在消融过程中发生分裂,逐渐变成小规模冰川,从而导致小规模冰川的数量和面积增加。大规模冰川面积基数较大,对冰川面积萎缩的贡献相应也较大。

表3   杰纳布流域不同规模冰川的数量和面积

Table 3  The amounts and areas of different scale glacier in the Chenab basin

规模1993年2000年2016年
/km2数量/条面积/km2数量/条面积/km2数量/条面积/km2
≤0.124717.80±3.2527719.93±3.0334723.03±3.68
0.1~0.5942231.53±23.69918223.81±20.50916219.55±20.34
0.5~1.0312221.68±15.27305216.54±13.37299207.90±12.92
1.0~2.0226313.45±16.30222307.79±14.79200277.69±13.59
2.0~5.0161515.14±20.39160511.42±18.59152475.80±17.92
5.0~10.064435.96±14.8664437.67±13.4561414.38±13.69
>10421 112.34±30.54421 107.15±29.47401 065.00±29.20

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为了分析研究区单条冰川变化特征,对研究区1993~2016年不同规模等级冰川面积变化率进行统计,其中发生分裂的冰川仍按照原来的冰川为基准统计(图3)。结果表明随着冰川面积规模的增加,冰川面积萎缩率也相应减少。喜马拉雅山地区山谷冰川中表碛覆盖型冰川占有很大比例,而表碛物在一定程度上能够抑制冰川消融[12]。此外,研究区表碛覆盖类型冰川的平均规模较大,从而导致大规模冰川的面积变化率较小。相反小冰川的面积变化率较大,一些小冰川甚至已经消失。由此可见,小规模冰川对气候变化的响应程度更高。

图3

图3   不同规模冰川面积变化率

Fig.3   Shrinking rate of different glacier area scale


4.3 不同朝向冰川面积变化

对研究区冰川朝向通过结合DEM和冰川编目进行提取,得出杰纳布流域冰川在不同朝向上数量和面积的变化特征(图4)。以1993年为例,得出杰纳布流域冰川面积主要分布在偏北向(N、NW和NE),分别占冰川总数量和总面积的44.17%、56.16%。其中又以N朝向的冰川面积最为突出,占冰川总面积的24.35%。S、SE和SW冰川数量基本相当,但西南朝向冰川面积明显较大,占冰川总面积的14.09%。这主要是由于研究区面积第二大冰川(G076859E33103N)为西南朝向。西朝向冰川在数量和面积上均大于东朝向。

图4

图4   杰纳布流域各朝向冰川数量与面积变化情况

Fig.4   Changes of glacier amounts and area in different orientations in the Chenab basin


分析得到近23 a杰纳布流域不同朝向冰川萎缩率(图5(a)),结果显示,各朝向冰川均萎缩,萎缩程度又大不相同。其中,S朝向冰川面积萎缩率最大,为9.08%,面积萎缩量达20.49 km2,占研究区冰川萎缩总面积的24.35%。其次为SE朝向,为8.44%。SW朝向冰川面积萎缩率最小,仅为4.4%。研究区内冰川在不同朝向变化特征主要与各朝向上冰川面积分布特征(图5(b))及水汽输送和气候变化特征有关。一般来说面积萎缩率随面积规模的增大而减少,偏北朝向(N、NW和NE)冰川平均面积相对较大,冰川萎缩率较小。S朝向冰川平均面积较小,且由于南坡受到太阳辐射较强,冰川消融强烈,面积萎缩率最大。研究区内面积第二大冰川处于SW朝向,导致该朝向冰川平均面积也较大。除此之外,SW朝向冰川正迎西风带水汽输送的主要方向,因此SW朝向冰川消融季期间水汽来源相对充足,从而减缓了该朝向冰川萎缩速率。

图5

图5   杰纳布流域不同朝向冰川面积分布及萎缩率

Fig.5   Distribution and shrinking rates of glacier area in different orientations in the Chenab basin


4.4 不同海拔冰川的分布和变化

依据DEM数据,以200 m间距高度划分海拔高度带,统计了杰纳布流域冰川在每个高度带冰川面积分布情况(图6),结果表明冰川面积分布随海拔呈现先增后减的趋势,分析研究区冰川面积随海拔分布表明:研究区冰川主要分布在海拔4 800~5 000 m、5 000~5 200 m和5 200~5 400 m 3个海拔带,面积分别达455.20、498.55和459.54 km2,分别占总面积的15.7%、 17.2%和15.8%。冰川随海拔分布的特征反映了地势和降水对冰川发育的综合作用。即山地海拔增高,冰川积累变大,同时为冰川发育拦截更多的大气降水及提供更多冷储。而随着山势变陡,不具备了停积雪冰的地形条件,也就不能发育成冰川[1]。分析1993~2016年杰纳布流域冰川不同海拔面积变化情况,得出除分布在5 400~5 600 m冰川面积在2000年有些许扩张外,均呈萎缩趋势。冰川消融主要发生在4 600~4 800 m和4 800~5 000 m两个海拔高度带,冰川近23 a面积分别减少了29.93 km2和30.91 km2,占流域冰川面积萎缩总量的17.72%和18.30%。其次是5 000~5 200 m和4 400~4 600 m海拔高度带,分别减少了24.49 km2和22.72 km2,占总萎缩量的14.49%和13.45%。同时分别统计了1993~2000年和2000~2016年两个阶段的冰川面积在不同高程上的变化,发现除2 600~2 800 m和2 800~3 000 m海拔带在两个阶段变化相差不大外,其余海拔带在后一阶段的面积萎缩量均比前一阶段大。这说明了杰纳布流域冰川在不同海拔带上也是加速消融的。由此可见,山脉海拔是影响冰川发育及变化的重要因素。

图6

图6   杰纳布流域不同海拔冰川面积变化

Fig.6   Changes of glacier area in different altitude ranges in the Chenab basin


4.5 前进冰川

对研究区内长度出现增加的冰川进行统计,结果显示近23 a杰纳布流域至少有28条冰川出现不同程度的前进现象(图1红点标注)。统计冰川的前进长度、面积及冰川末端海拔变化情况,可以得出,前进冰川末端海拔位于3 998~5 160 m不等。研究区内多数冰川在1993~2000年发生较大幅度的前进现象,2000~2016年冰川萎缩,呈现先前进后萎缩的变化趋势。张威等[31]在研究吉尔吉特河流域冰川变化特征时,同样也发现了个别冰川末端的前进现象。在这28条前进冰川中,G076000E33964N、G076123E33711N、G075764E33933N冰川末端在1993~2000年前进距离分别达到了224.8、198.1和194.2 m,前进距离位居前三。而在2000~2016年均出现不同程度的退缩。部分冰川由于冰舌两侧在冰川前进过程中消融,从而导致冰川面积不增反减。

对两条典型前进冰川解译提取多期边界,具体分析前进情况。G077462E32531N冰川在1993~1996年、1996~2000年末端出现前进现象,共前进106.7 m,年平均前进速率为15.2 m·a-1。在2000之后冰川未发生明显的前进,末端开始退缩,截止2016年末端共退缩237.7 m,年均退缩率达14.9 m·a-1。2007年遥感影像显示,该冰川在退缩过程中已分裂成为两条冰川。有研究认为,当跃动型冰川受到气候变化的影响呈现很强的负物质平衡时,便失去了再次跃动的条件[32]。本研究认为G077462E32531N冰川由跃动状态渐变为非跃动状态。且受气温上升的影响,冰川消融,冰川末端萎缩,导致支冰川与主干冰川分离。G076123E33711N冰川末端在1993~1998、1998~2000年分别前进90.2 m和101.6 m,平均年前进速率分别为18.04 m·a-1和50.8 m·a-1,末端海拔由4 455 m降至4 325 m,冰川面积减少0.09 km2。2000年之后冰川末端开始退缩,截止2016年冰川末端退缩240.7 m,面积减少量达0.23 km2。降水量对短时间尺度和较小空间尺度的冰川进退有明显影响[33]。有研究表明喜马拉雅西北段近年来湿润程度增加从而导致冰川正质量平衡[34]。G076123E33711N冰川末端前进变化可能由于该地区温湿程度增加为冰川上部带来物质积累,对冰川末端提供动力补给。

4.6 气候变化对冰川变化的影响

降水、气温及其组合是影响冰川发育的主要气候因子,其年际变化共同决定着冰川的发育与演化[35]。通常气温对冰川的消融起主导作用,气温每升高1 °C造成的冰川消融需要25%的降水量弥补,同时气温升高改变固液态降水比例,增强冰川表面融雪过程,从而降低冰川表面反照率,加速冰川消融[36,37]。冰川对气候变化的响应需要一个滞后的过程,即要经过一段时间才能在冰舌末端反映出来[38]。滞后期的长短主要取决于冰川规模,其次是冰川的物理基本特征。早年研究发现北半球山地冰川前进在统计意义上滞后气候变化12~13 a左右[39]。本研究选取自1980年以来36 a气温和降水数据,更好地分析了气候变化对冰川变化的影响。

选取邻近狮泉河和Srinagar气象站点1980~2015年的气象数据分析(图8),主要分析了2个站点的年均气温和降水年均变化特征。狮泉河和Srinagar气象站近36 a温度呈显著上升趋势,年均气温上升速率分别为0.57 °C/10 a和0.25 °C/10 a。而降水量年际变化趋势并不显著,狮泉河和Srinagar气象站的年降水量增加速率分别为1.50 mm/10 a和0.98 mm/10 a。同时基于CRU气温和降水数据集,分析杰纳布流域尺度气候变化。1993~2015年杰纳布流域高山区气温呈现由西向东递增趋势(图9),大部分区域升温速率高于0.12 °C/10 a;年均降水量则呈现递减趋势,高山区降水减少速率可达24 mm/10 a以上。张东启等[40]分析了1961~2010年整个喜马拉雅山区的气温和降水量变化情况,得出平均升温速率为0.38 °C/10 a,降水在总体上没有明显变化趋势。Pareta等[41]得出杰纳布流域附近Chamba气象站1990~2001年间的平均温度由19.28 ℃增加到2002~2013年间的19.79 °C,增温达0.52 °C;降水量则1990~2001年间的1 037.9 mm减少到2002~2013年间684 mm。在全球气候变暖的趋势下,喜马拉雅山区气温普遍上升[42],在很大程度上决定了冰川的持续萎缩。尽管冰川附近及高山区的气象数据有限,本文基于研究区周边狮泉河和Srinagar气象站气温及CRU再分析资料气温、降水变化分析都表明,1993~2016年该区域年均气温呈显著上升是杰纳布流域冰川萎缩的主要原因。

图7

图7   前进冰川的运动情况

Fig.7   Image showing the advancing glacier


图8

图8   邻近气象站年平均气温及降水量变化

Fig.8   Variations of the average annual temperature and precipitation of the adjacent meteorological stations


图9

图9   杰纳布流域CRU资料年平均气温和降水量变化

Fig.9   Variations of the average annual temperature and precipitation of CRU reanalysis date in the Chenab basin


5 结 论

利用1993、2000和2016年TM、ETM+及OLI遥感影像资料,通过目视解译对杰纳布流域冰川边界提取,分析冰川变化,结果表明:

(1)1993~2016年杰纳布流域冰川面积萎缩了164.56 km2,占总面积的5.78%,年均萎缩率为0.25±0.25 %·a-1。多期数据对比结果显示,1993~2000年、2000~2016年冰川年平均萎缩速率分别为0.12±0.82 %·a-1和0.31±0.35 %·a-1,表明冰川在2000年后加快消融。

(2)1993~2016年杰纳布流域冰川规模较大的冰川面积与数量普遍减少,相反规模≤0.1 km2冰川数量与面积都在增加。对冰川朝向和海拔高度分析表明,杰纳布流域冰川在各个朝向均发生萎缩,其中S朝向冰川面积萎缩率最大,面积萎缩量达20.49 km2,占研究区冰川萎缩总面积的24.35%;多个海拔区间的冰川面积均呈现萎缩趋势,4 600~4 800 m和4 800~5 000 m两个海拔高度带冰川面积近23 a分别减少了29.93 km2和30.91 km2,占流域冰川面积萎缩总量的17.72%和18.30%。

(3)1993~2016年杰纳布流域共有28条冰川末端发生不同程度的前进现象。

(4)对狮泉河和Srinagar 2个气象站及CRU再分析资料气温、降水变化分析表明,1993~2016年该区域年均气温显著上升是杰纳布流域冰川退缩的主要原因。

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