小冰期以来羌塘高原中西部冰川变化图谱分析

文章编号:100020240(2009)0120040208小冰期以来羌塘高原中西部冰川变化图谱分析 收稿日期:2008206205;修订日期:2008208201 基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(ZCX22YW 2301);湖南省自然地理学重点学科建设项目;国家自然科学基金项目(40871043);科技部科技基础性工作专项(2006F Y110200)资助 作者简介:李德平(1964—),男,湖南常德人,副教授,2003年在南京大学获博士学位,主要从事GIS 与自然资源评价教学与研究工作.E 2mail :Lideping106@李德平1,　王利平1,　刘时银2,　谢自楚1,　丁良福2,　吴立宗2(1.湖南师范大学资源与环境科学学院,湖南长沙410081;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000)摘　要:运用地理信息图谱理论与方法,以地形图、航空相片、Landsat TM 和ETM +遥感数据为基础数据源,分析了羌塘高原中西部小冰期至2000年代的冰川变化.结果表明:这里虽仍有部分冰川存在前进,但冰川整体呈萎缩状态,而且近几十年来,冰川退缩加剧.与同一区域的普若岗日相比,研究区冰川更为稳定.与其它山区冰川相比,这里由于是极大陆型冰川区,所以冰川较其它山区冰川相对稳定.气温升高和降水减少是该区冰川退缩的主要原因.关键词:羌塘高原中西部;RS 和GIS ;图谱;冰川变化;气候中图分类号:P343.6文献标识码:A0　引言全球变化和可持续发展研究是当今科学研究的两大主题,尽管对全球气候变暖的程度和速度,科学家们还存有争议,但全球气候变暖已经是不争的事实[1].冰川变化对气候变化反映极为敏感.20世纪以来随着气候变暖,全球大部分冰川退缩,最近20a 退缩速度加剧[2-3].所以,冰川变化是高山气候变化的极好代用指标[4].此外,冰川变化对局地气候、生态环境、水资源变化及其海平面升降均产生影响[5].因此,监测和研究冰川变化规律,尤其是代表性冰川或典型区域冰川变化,不仅具有重要的科学意义,而且也对人们的生产生活具有实际意义[5-7].由于极地冰盖体积庞大,使得它们对气候变化的反映显得较为迟钝[8-9].而山岳冰川广泛发育的“世界第三极”———青藏高原,与两极冰盖相比,冰川规模相对较小,但其特殊的地形和气候条件使得青藏高原山地冰川对气候变化更为敏感[10].青藏高原的冰川面积占中国冰川总面积的80%以上[11].自小冰期以来,特别是20世纪以来,青藏高原的冰川发生全面退缩[12-14].所以,开展青藏高原的冰川变化研究对研究全球气候变化和可持续发展具有重要的意义.然而青藏高原,尤其是羌塘高原地区受恶劣的自然条件和不便的交通条件的制约,至今考察较少,缺乏系统的观测资料,且该区冰川数量众多,采用常规的测量技术对冰川的变化进行全面的测量和对比不太现实.20世纪中期以来,随着青藏高原资源与环境研究的不断深入和遥感技术的发展,特别是高分辨率遥感卫星的发展,使得青藏高原冰川动态变化监测取得了一些进展[7,15-20].本文以羌塘高原中西部的典型冰川区为研究区,采用地理信息图谱分析方法,利用航空相片、Landsat TM 和ETM +影像数据以及地形图,结合遥感与GIS 技术,分析了小冰期以来的冰川变化.1　研究区概况与现代冰川分布羌塘高原以高海拔而广阔平坦的高原面构成青藏高原的主体,又被称为藏北高原,是高原面保存最完整的区域.其范围为昆仑山以南,冈底斯山以北,喀喇昆仑山以东,唐古拉山以西广袤的高原内陆流域地区.冰川发育主要是气候、地势、地形诸因素综合影响的结果[21].羌塘高原处于青藏高原腹部,周围高山阻隔,降水稀少,形成于晚第三纪第31卷　第1期2009年2月冰　川　冻　土J OU RNAL OF G L ACIOLO GY AND GEOCR YOLO GYVol.31　No.1Feb.2009图1　研究区冰川分布示意图Fig.1　Map of glacier distribution in the studied area,the central and western Qangtang Plateau的夷平面被后期强烈构造活动整体抬升所构成的现代羌塘高原辽阔而完好的高原面,且地势相对高差不大,也没有超过7000m的高大山体,都限制了第四纪冰川发育[22-23].所以,冰川面积是青藏高原各山系中最小的,仅为1986.93km2[22].羌塘高原历经晚新生代多次构造运动的影响,发生了东西向和南北向的大断裂,以及北西西、北东东的斜交断裂,形成一系列断块山和断陷盆地,这些断块山地顶面残留了大范围的古夷平面,顶部较为平坦,冰川发育以高峰或高大山体为中心,呈星斑状辐射分布的冰帽型或平顶型为主.羌塘高原雪线海拔在全国各冰川区中分布位置最高,一般海拔为5700～6000m[6].随着降水量从东向西的逐渐减少,羌塘高原雪线海拔随之升高,但变幅不大[21-23].位于羌塘高原的土则岗日、布若岗日、藏色岗日、色乌岗日、普若岗日等冰川群,大致呈东西向排列,是藏北最大的冰帽分布区,面积大约占整个羌塘高原冰川面积的40%以上[22].对于整个羌塘高原来说,该区很具有代表意义.普若岗日是羌塘高原上最大的冰帽,也是青藏高原上面积最大的冰原[23],蒲健辰等[24]已研究过普若岗日近期冰川变化.因此,本文选取位于羌塘高原中西部的土则岗日、布若岗日、藏色岗日、色乌岗日等冰川群为研究区(图1). 图2显示了羌塘高原中西部2000年代冰川不同规模的频率分布.本区共有150条冰川,面积约为556140km2.面积在2km2以内的冰川多达104条,占研究区冰川总数量的6913%,但这个面积区间的冰川总面积仅占全部冰川面积的12%,最小的冰川面积仅为0105km2(编码5Z634B8).而面积超过15km2的冰川有9条,仅占全部冰川条数的6%,由于平均规模大,冰川总面积占全部冰川面积的5214%.但面积大于45km2的冰川只有编码5Z631E1冰川1条,是研究区最大的冰川,面积约为70191km2.图2　2000年代冰川不同等级规模的频率分布状况Fig.2　Frequencies of glacier number grade and glacierized area grade in the central and western QangtangPlateau during the2000s2　数据源及其处理本研究所需数据来源如下:1)1970,1971年拍摄,比例尺为1∶60000的航空相片校对的9幅1∶100000地形图;2)1990年11月3日(轨道号: Pat h141,Row36)、1990年11月10日(轨道号: Pat h142,Row36)、1992年10月12日(轨道号: Pat h144,Row36)获取的TM/Landsat影像;3) 1999年9月1日(轨道号:Pat h141,Row36),2002年5月27日(轨道号:Pat h142,Row36),2001年10月13日(轨道号:Pat h144,Row36)获取的ETM+/Landsat影像.2.1　数据预处理由于山区的地形起伏,对遥感成像的影响较大,会造成遥感影像的变形.因此,在冰川变化的遥感监测过程中,以1∶100000的地形图数字化生成的DEM为参考,对TM/Landsat和ETM+/141期李德平等:小冰期以来羌塘高原中西部冰川变化图谱分析　Landsat影像进行几何和正射校正,校正的误差都控制在一个像元之内.校正后的所有遥感影像数据的投影坐标系为Albers等面积圆锥投影,椭球体为Krasovsky_1940.2.2　不同时期冰川边界的提取小冰期是指15世纪初到19世纪末的气候相对寒冷期,也是冰川扩展时期[23],世界范围内大部分地区冰川都有一定程度前进.而且此间有3次较强冷期,使得多数冰川末端外围均发育了较明显的侧碛垄和3道终碛垄[5],这些侧碛垄和终碛垄可以通过1∶100000地形图和1970年代的航空相片看到.在ArcInfo中,通过人工目视解译1970年代的航空相片和1∶100000地形图以及高精度的卫星影像,生成小冰期和1970年代的冰川面积矢量图.基于冰川在可见光波段的高反射率(TM3)和在中红外波段(TM5)的高吸收率,利用比值阈值法,将1990年代和2000年代的遥感数据分为两大类:“冰川”和“非冰川”.由于冰川上积雪和表碛与冰川周围坡面具有相同的光谱信息[25],还对分类后的图像进行了增强处理.再将其自动矢量化,进行专家目视解译修正,并在G oogle Eart h中进一步修正,最终获得了后两期的冰川面积矢量图.2.3　格式转换与赋值将以上获得的4期矢量数据全部转换为Grid 数据格式,并统一采用与TM影像的空间分辨率相一致的格网单元(2815m×2815m)进行重采样.将每个格网单元赋予唯一的个位数属性值,冰川区赋值为1,非冰川区赋值为0.3　图谱分析方法本研究主要是基于地理信息图谱的理论和方法[26-27],结合遥感和GIS技术,对不同时期冰川分类数据进行合成,建立了小冰期以来的冰川变化图谱.再通过图谱重构将冰川变化图谱中出现的与冰川分类结果“不兼容”的信息屏蔽,生成较为准确的冰川变化图谱.3.1　冰川变化图谱合成在Arc/Info中将各期赋值后的数据基于格网单元,以时间序列(小冰期—1970年代—1990年代—2000年代)为轴,利用地图代数运算方法,合成了小冰期至2000年代冰川变化图谱.这种记录变化过程的基本格网单元称为“图谱单元”[27].其运算公式如下: Glacier_Nt=Nt小冰期×1000+Nt1970 ×100+Nt1990×10+Nt2000(1)式中:Glacier_Nt为小冰期至2000s羌塘高原中西部冰川变化的“空间・属性・过程”一体化的图谱数据;Nt小冰期、Nt1970、Nt1990与Nt2000分别是小冰期、1970年代、1990年代、2000年代获取的冰川分类数据.3.2　图谱重构图谱方法所反映的冰川变化是基于图谱单元值的变化方向来确定的.前期的非冰川像元在后期的数据上成为冰川像元的,就将其归为“前进的冰川区”(如属性值为0111,0011,0001的图谱单元);前期的冰川像元在后期的数据上成为非冰川像元的,将其归为“退缩的冰川区”(如属性值为1000, 1100,1110的图谱单元).然而,由于山体阴影、冰川表碛物的覆盖以及冰川边缘积雪的存在,还有地形图的测量误差和目视解译的人为误差,这些都不可避免地造成了冰川变化图谱出现了与冰川分类结果“不兼容”的信息.它们主要分为两种情况:图谱单元的编码所表现的冰川变化信息与现实相悖,如1010,0101,1001, 0110等(其中0101代表了在小冰期—2000s期间,该单元经历了“非冰川、冰川、非冰川、冰川”4个阶段的反复变化),将它们直接归为“噪声”;图谱单元的4位编码中,有3位编码相同,如1101, 1011,0100,0010等,利用“从众”原则对这种不合理的类型转移进行了调整,将其设定为“稳定的冰川区”(1111)和“稳定的非冰川区”(0000).为了屏蔽这些不合理的信息,本文通过重新设定分类原则,将各期冰川变化图谱中的图谱单元重新分类编码,即“图谱重构”[28](表1),建立了更为准确的冰川变化图谱(图3),以便更直接地把握小冰期以来羌塘高原中西部地区的冰川变化.4　冰川变化分析与对比4.1　冰川变化分析根据上述资料和方法,得出了羌塘高原中西部典型冰川群小冰期以来的冰川变化(表2).需要说明的是,采用图谱方法获得研究区1970年代的冰川总面积为561147km2,与冰川编目总面积546191km2对比,误差为217%,这种差异可能与当时采用的制图技术和量算冰川面积的精度以及纸质编目报告存在若干错误有关.为了便于比较,本文以图谱方法的数据为对比依据.从总体来看(表1),小冰期—2000年代期间,24 冰 川 冻 土 31卷　表1　小冰期至2000年代羌塘高原中西部冰川变化图谱重构表Table 1　The reconstructed glacier variation tupu in the central and western Qangtang Plateau f rom the L IA to the 2000s图谱单元编码新代码冰川面积/km 2变化类别0000,0010,0100,1010,1001,0110,0101041329.63非冰川区以及被屏蔽的“噪声”1111,1101,10111553.81小冰期—2000年代无变化的冰川区011120.07小冰期—1970年代前进的冰川区00113 2.381970—1990年代前进的冰川区000140.141990—2000年代前进的冰川区1000512.27小冰期—1970年代退缩的冰川区11006 5.181970—1990年代退缩的冰川区111072.411990—2000年代退缩的冰川区图3　小冰期至2000年代色乌岗日冰川群变化图谱Fig.3　Grid attribute of glacierized area variations in Ser ’u Kangri f rom the L IA to the 2000s表2　小冰期—2000年代羌塘高原中西部冰川面积变化分析Table 2　G lacierized area variations in the central and western Qangtang Plateau f rom the L IA to the 2000s 冰川范围退缩条数年代时段末面积/km 2变化面积/km 2变化率/%新代码羌塘高原中西部108小冰期573.671,5,6,71970年代561.4712.20 2.131,2,6,71990年代558.67 2.800.501,2,3,72000年代556.402.270.411,2,3,4合计17.273.01整个羌塘高原中西部所统计的150条冰川既有退缩的,也有前进的,其中退缩冰川的数量占量算冰川数量的7113%.整个羌塘高原中西部,退缩的冰川面积占小冰期冰川总面积的比例分别为3146%,前进的冰川面积占小冰期冰川总面积的比例分别为0145%.由此可见,冰川退缩占主导趋势,但也有部分冰川处于前进状态.而前进的冰川面积扩大与退缩冰川面积缩小相互抵消后,整个羌塘高原中西部的冰川仍呈萎缩状态,这与区域气候变暖、冰川消融增加的趋势是一致的. 分析表2可知,小冰期—1970年代期间,羌塘高原中西部所统计冰川面积减少12120km 2,占小冰期总面积的2113%.此时段冰川变化幅度最大,远远大于后两时段.1970—1990年代期间,研究区冰川总面积减少了2180km 2,占1970年代总面积的0150%,平均退缩速率为0114km 2・a -1.1990—2000年代期间,研究区冰川总面积减少了2127km 2,占1990年代总面积的0141%,平均退341期李德平等:小冰期以来羌塘高原中西部冰川变化图谱分析　缩速率为0123km2・a-1,说明近几十年来,本区冰川退缩加剧.据对不同地区冰川面积变化率和冰川规模的关系分析发现[15,29-32],面积较小的冰川对气候的敏感性要比面积较大的冰川大,即一般而言,随着面积增大,面积变化率跟着减小.从表2可知,小冰期—2000年代羌塘高原中西部冰川变化率为3101%,而位于同一区域的普若岗日冰原,该时段冰川变化率为517%[24].2000年代初,羌塘高原中西部冰川面积约为556140km2,平均冰川面积约为3171km2,同期,普若岗日冰川总面积约为422158 km2[24],平均冰川面积约为8199km2.由此可以看出,研究区的冰川平均面积比普若岗日小得多,但冰川面积变化率却比普若岗日小,这说明研究区的冰川比普若岗日冰原更为稳定.据统计,小冰期以来,中国西部冰川变化面积减少了12497km2,约为小冰期时冰川面积的17%,但各地冰川面积变化幅度差异较大.其中边缘山地大,尤其是分布最北的阿尔泰山,冰川面积减少率达35%.青藏高原东南海洋性冰川面积平均减少率也达23%[33],而变化幅度最小值出现在极大陆型冰川区,羌塘高原为7%,昆仑山为10%.据研究区小冰期—2000年代冰川变化率可知,小冰期以来,本区冰川变化率比整个羌塘高原的平均变化率都小的多,说明本区冰川比其它地区相对稳定,这是由于本区冰川属极大陆型冰川,这一类型冰川对气候变化的动力响应相对较为迟缓.4.2　冰川变化与气候变化的对比冰川变化是气候变化的反映.在气象要素中,气温和降水与冰川进退变化的关系最为密切.本区附近的狮泉河(3215°N,80°E)和改则(32133°N, 84110°E)两个气象站近几十年来的降水气温变化情况如图4和图5.姚檀栋等[34]利用西昆仑古里雅冰芯恢复小冰期末时的降水约为285mm左右,这比1970年代的改则和狮泉河的降水量都要多;气温约比1970年代低315℃[23].因此,相比较1970年代,小冰期气温较低,降水较多,非常有利于冰川的积累.这与小冰期—1970年代羌塘高原中西部冰川变化分析相一致,该时段冰川面积的变化率比其它两时段大的多.从以上两图可以看出:近几十年,两个地区的年平均气温都呈上升趋势;尽管改则的降水量比狮泉河的降水量大,但都呈减少趋势.气温升高促进冰川消融,降水减少阻碍冰川积累,导致冰川退缩加速.据苏宏超等[35]研究表明,对于同一地区海拔越高,升温越明显.改则海拔为4430m,狮泉河海拔为4225m,而本区雪线均在海拔5700m以上[22].所以,本区升温幅度可能要比两个气象站大.因此,小冰期以来,羌塘高原中西部的冰川退缩,主要是由于气候变暖和降水减少而引起的.5　结论与讨论(1)采用图谱方法研究冰川变化,能够屏蔽各期影像冰川分类中产生的“不兼容”信息,更有效地反映出冰川的变化趋势[36],而其精度的高低过分依赖于遥感分类的精度.尽管比值阈值法可以有效地提高对季节性雪斑的区分,却仍然无法处理表碛问题[31].这就可能因不同时期分类结果误差的累积,导致提取的冰川变化信息精度较低.根据误差传播定律,每一次单独分类的误差会在空间比较过程中被进一步放大,其精度只大致相当于每期影像分类精度值的乘积.因此,图像分类的可靠性,严重影响着变化检测的准确性.所以,为了提高遥感44 冰 川 冻 土 31卷　分类的精度,必须对分类后的数据进行图像增强和目视解译修正及G oogle Eart h辅助修正.不过该方法要求目视解译人员具有丰富的目视判读经验,得到的结果在很大程度上受到主观因素的影响.(2)通过对研究区小冰期、1970年代、1990年代、2000年代的冰川面积分析表明,羌塘高原中西部冰川呈萎缩趋势,但也有部分冰川处于前进状态.小冰期—1970年代冰川变化幅度最大的,远远大于后两时段.而且近几十年来,冰川退缩加剧.与同一区域的普若岗日相比,研究区冰川更为稳定.与中国西部其它地区冰川相比,这里由于是极大陆型冰川区,所以冰川较其它山区冰川相对稳定.(3)对比分析了与研究区临近的改则和狮泉河两个气象站的气象资料表明,该区的冰川退缩与气候关系密切.气温升高,降水减少,引起该区冰川加速退缩. 致谢:郭万钦、米德生、上官冬辉、王欣等为本研究提供了帮助,表示衷心感谢.参考文献(R eferences):[1]Oreskes N.The scientific consensus on climate change[J].Science,2004,306:1686.[2]Haeberli W,Cihlar J,Barry R G.G lacier monitoring wit hint he G lobal Climate Observing System[J].Annals of G laciol2 ogy,2000,31:241-246.[3]Mark B D,Meier M F.G laciers and t he Changing Eart h Sys2tem:A2004Snapshot[M].Boulder:University of Coloradoat Boulder Press,2004:1-117.[4]Gao Xiaoqing,Tang Maocang,Feng Song.Discussion on t herelationship between glacial fluctuation and climate change[J].Plateau Meteorology,2002,19(1):9-10.[高晓清,汤懋苍,冯松.冰川变化与气候变化关系的若干探讨[J].高原气象,2002,19(1):9-10.][5]Qin Dahe,Wang Shaowu,Dong Guangrong.Assess on Envi2ronmental 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Qangtang Plateau ,glaciers center on t he mountainous re 2gions ,and t he main types of glaciers are star and maculosus ice cap s or flat 2topped.The snowline al 2tit ude in t he Qangtang Plateau is t he highest in China.In t his paper ,Tup u analysis is performed for glacierized area variatio n using air p hoto s ,relevant p hotogrammet ric map s and t he satellite image based on t he t heories and met hods of Geo 2Informa 2tion Tup u since t he Little Ice Age (L IA )in t he Cent ral and Western Qangtang Plateau.The result clearly reveals t hat a few glaciers in t he plateau are in advance state.However ,t he glaciers tend to de 2crease as a whole ,glacierized area had decreased f rom 573167km 2to 556140km 2by about 3101%f rom t he L IA to t he 2000s.The ablation of glaciers is accelerated over t he last decades.However ,t he glaciers in t he plateau are relatively stable as com 2pared wit h t he Puruogangri Ice Field in t he same pared wit h ot her regions in West Chi 2na ,t he glaciers in t he st udy region belong to t he ext remely 2continental type ,whose response to cli 2mate change is very slow ,so t he glaciers seem al 2mo st more stable in t he plateau t han in ot her re 2gions of West China.It is also found t hat t he rapid increasing temperat ure and decreasing precipitation are mainly responsible for t he glacier ret reating during t he st udy period.K ey w ords :t he Central and Western Qangtang Plateau ;RS &GIS ;Tup u analysis ;glacier variation ;cli 2mate741期李德平等:小冰期以来羌塘高原中西部冰川变化图谱分析。