1990－2011年天山東部冰川退縮對氣候的響應

李 佳，楊太保，何 毅，田洪陣

（蘭州大學 資源環境學院，冰川與生態地理研究所，蘭州730000）

有“固體水庫”之美譽的冰川提供了全球75%的淡水資源［1］，而近年來，全球氣候變暖，大部分地區冰川呈現退縮趨勢，對山地和山麓平原的水文、地貌、植被、土壤以及綠洲的生成和人類活動有著重要影響。20世紀50年代以來，我國西部大部分地區冰川退縮，如天山［2］、祁連山［3］、昆侖山區［4］等都出現不同程度的冰川退縮現象，由于區域性氣候差異影響，冰川退縮差異明顯，對區域可持續發展的影響也不盡相同，因此，研究冰川面積變化及差異性具有重要的現實意義。天山是亞洲最大山系之一，位于準葛爾盆地和塔里木盆地之間，西起烏茲別克斯坦的烏加穆斯山，東至我國新疆哈爾里克山，全長2 450km，寬100～400km［5］，對新疆當地乃至全國的淡水資源及經濟發展具有重要影響。天山東部地區處于天山山脈東段最敏感地區，對進一步研究天山冰川乃至我國西部地區冰川退縮及氣候變化具有重要作用。

1 試驗材料與方法

天山東部山系狹隘，是天山北弧的東延部分，西起烏魯木齊，東止伊吾附近。全長大致為670km，而寬度只有70～80km［6］。全區包括博格達、巴里坤、哈爾里克等山脈和一些山間盆地，且都是近乎東西走向的活動帶，氣候也較天山其他地區干燥。博格達山脈是天山的重要組成部分之一，位于北緯43°10′—44°5′，東經87°40′—91°35′，地處吐魯番盆地和準噶爾盆地之間，東西兩端分別以一個狹長低陷帶與巴里坤山和天格爾山交界［2］。一般山脊在4 300m左右，東西走向，西部以博格達峰為頂點，可達5 445m，分水脊偏在北部，有積雪冰川分布，多短小河流［6］。巴里坤山脈平均高度為3 300m，西側矗立著4 308m的馬里坤主峰，山脈斷續分布，山體狹窄，腹部受荒漠氣候影響，干旱侵蝕作用較強［6］。哈爾里克山脈位于天山山脈最東端，山脈作北北西—南南東走向，海拔在4 000m以上，最高峰托木爾堤峰，海拔4 886 m［3］，山頂較平坦，常年有積雪分布，有若干小型冰川，表面很少冰磧［6］。

1.1 影像數據

采用美國地質調查局 USGS（http：∥glovis.usgs.gov）的陸地衛星TM／ETM＋遙感數據。該數據已經過系統輻射校正和地面控制點幾何校正，并利用DEM數據進行了地形校正。由于天山地區積雪分布年內變化呈現出1月中旬至8月上旬為積雪衰減期；8月中旬至次年1月上旬為積雪增長期的特征［4，7－8］，特選取 1990年、2001 年、2011年夏季、少云或無云的四景影像，選取5，4，3波段，分辨率為30 m，具體信息見表1。

表1 影像數據信息

1.2 氣象數據

選擇天山東部蔡家湖、烏魯木齊、達坂城、奇臺、巴里坤、哈密和伊吾7個氣象站點的1990—2011年的年均溫和年均降水量數據進行研究區域氣候變化分析。

1.3 冰川提取方法

采用比值閾值法提取冰川邊界，在ENVI軟件中把同一景影像不同波段的數據合成一個文件，計算TM3／TM5［9－10］，得到比值影像后利用決策樹進行分類，經過多次試驗，閾值設定為1.8，得到初步結果并轉化為shp格式，最后在ArcGIS中轉換為Albers等積投影，并進行目視解譯，為提高冰川面積精確度，用同期多幅影像對比解譯。

2 結果與分析

2.1 不同時期冰川面積變化

在ArcGIS中計算天山東部冰川面積變化，并分別計算博格達山、巴里坤山和哈爾里克山三期冰川面積，結果見表2。

表2 1990－2011期間冰川變化

由表2可以看出近21a來研究區冰川總面積減少98.63km2，整體呈退縮趨勢，共退縮了26.80%，其中博格達、巴里坤、哈爾里克山脈冰川平均每年分別減少3.45km2，0.21km2，1.03km2，退縮率分別為33.58%，25.67%，16.08%，自西向東退縮速率逐漸減慢。

2.2 不同高程冰川面積變化

將研究區DEM數據以100m為分類間隔進行分級，對天山東部地區三期冰川數據在不同高程上進行面積統計（圖1），結果表明：該地區冰川主要分布在3 600～4 600m處，這與該地區平均粒雪線高度為3 916m［5］相一致。從變化率得知，3 300～3 400m處的冰川退縮最快，而在3 500～3 600m較3 400～3 500m處快，總體上隨著海拔的升高，退縮速率變慢。由于該地區山勢陡峭，溝槽密布，以懸冰川為主，其次為冰斗冰川、冰斗—懸冰、冰斗—山谷、山谷冰川［11］，低海拔處多為小型平頂冰川，并且分布較為分散，冰體較薄，小冰川較多造成的，同時該地區除降水補給外，吹雪、雪崩和冰崩也是冰川主要補給來源［12］。

圖1 1990－2011年期間不同高程冰川分布

2.3 不同坡向冰川面積分析

對研究區1990年、2001年、2011年三期數據各坡向面積進行統計，并做各坡向冰川面積變化率分析（圖2），結果表明：該地區冰川主要分布在西北、北、東北三個坡向，南坡分布較少，這是由于南坡屬于陽坡，日照時間長，北坡太陽輻射較弱，多受降水影響，又因為博格達山脈東西走向，山勢復雜，極為陡峭［13］，而巴里坤山脈屬于隆起較緩的斷塊臺原山地，山頂較緩坦［6］，哈爾里克山脈山頂極為平坦，北西走向，山脊線偏北，山勢呈不對稱山嶺，北坡山幅窄小，而南坡山寬溝深，冰積地形較為多見［12］，并且該區域兩側盆地（準葛爾盆地、吐魯番盆地）構造運動的差異及山麓高度的不同，明顯地影響著該區域南北兩坡的氣候差異［14－15］，山脈的屏障作用使西北和偏西氣流把主要水分降落在北坡，造成天山東部北坡相對于南坡氣溫低，降水大［2］，太陽輻射強，冰川作用強度大的現象，加之在西風環流的綜合作用下，更有利于冰川積累和發育［12］，因此表現為北坡冰川分布多于南坡［16－17］；從各坡向冰川退縮率來看，各坡向冰川退縮幅度相似。

圖2 1990－2011年期間各坡向冰川面積及退縮速率

2.4 討 論

天山山區大氣降水是新疆河川徑流的最終來源，對新疆地區生態環境維持、發展以及冰川發育具有重要意義［18］。降水、溫度及其二者組合是影響冰川發育和演化的重要氣候因子［19］，溫度升高造成冰川消融，降水增加有利于冰川積累［20］。利用蔡家湖、烏魯木齊、達坂城、奇臺、哈密、巴里坤、伊吾7個氣象站點數據做一元回歸分析，求取降水及溫度序列的線性趨勢，1990—2011年期間溫度呈上升趨勢，而降水為小幅度上升或下降趨勢（圖3）。天山東部地區大致為東西走向，全年受極地大陸氣團影響，冬夏兩季被北冰洋氣團和西風環流影響，且水汽的合成輸送方向為西北或偏西方向，常常不具備水氣上升、凝結和以雨雪形式降落的條件［21］，且研究表明每升高1°需要增加25%［22］或者35%［23］降水才能彌補升溫所引起的冰川消融。此區域緩慢上升甚至下降的年降水量無法補給溫度上升造成的冰雪消融，因此，溫度升高、降水小幅度上升是研究區冰川退縮的主要原因。

對比近年來西部地區冰川變化（表3），天山東部地區冰川變化趨勢與其他地區冰川變化相吻合，冰川面積減小，但是天山東部冰川退縮較西部其他地區快，可能是由于冰川面積規模較小、海拔較低，對氣候響應更為敏感的原因造成。

3 結論

綜合利用RS和GIS手段以及氣象資料對天山東部1990—2011年三期冰川面積變化進行研究。結果顯示冰儲量共減少6.01km3，冰川總面積退縮了26.80%，其中博格達山脈、巴里坤山脈、哈爾里克山脈分別退縮33.58%，25.67%，16.08%。對研究區氣象數據進行分析，可知溫度上升、降水不足是引起冰川退縮的主要原因。另一方面，研究區域冰川所在山脈地形地貌各不相同，不同海拔高度分布不同、不同坡向敏感程度不同，也是造成冰川退縮的重要因素。

圖3 1990－2011年期間年均降水和年均溫變化

表3 近年來中國西部冰川變化比較

溫度上升、降水不足是目前我國西北地區氣候變化的基本趨勢，也是引起我國冰川退縮的主要原因，而冰川變化也對檢測我國氣候變化具有重要指示作用。因此，加強氣候變化與冰川變化的研究，進一步探索通過遙感技術對冰川厚度的研究，并建立合理的模型評估，預測冰川未來的變化趨勢，仍是冰川變化研究者長期追求的目標。

［1］ Houghton J T，Jenkins G J，Ephraums J J.Climate Change 1995：The Science of Climate Change.Cambridge：Cambridge University Press，1996.

［2］ 伍光和，上田豐，仇家琪.天山博格達山脈的自然地理特征及冰川發育的氣候條件［J］.冰川凍土，1983，5（3）：1－13.

［3］ 王葉堂，侯書貴，魯安新.近40年來天山東段冰川變化及其對氣候的響應［J］.干旱區地理，2008，31（6）：813－818.

［4］ 劉艷，張璞.基于遙感的徑流豐枯與高山區積雪關系分析：以天山瑪納斯河流域為例［J］.水土保持研究，2010，17（3）：44－48.

［5］ 劉潮海，謝自楚.天山冰川作用［M］.北京：科學出版社，1998.

［6］ 中國科學院新疆綜合考察隊，中國科學院地理研究所.新疆地貌［M］.北京：科學出版社，1978.

［7］ 劉占靜.2003年瑪納斯河汛期水情特征及其成因［J］.水土保持研究，2004，11（4）：198－199.

［8］ 南峰，李有利，史興民.新疆瑪納斯河水量波動與氣候變化之間的關系［J］.水土保持研究，2003，10（3）：59－61.

［9］ Andreassen L M，Paul F，K??b A，et al.The new Landsat－derived glacier inventory for Jotunheimen，Norway，and deduced glacier changes since the 1930s［J］.The Cryosphere，2008，2（2）：131－145.

［10］ Bolch T，Menounos B，Wheate R.Landsat－based inventory of glaciers in western Canada，1985－2005［J］.Remote Sensing of Environment，2010，114（1）：127－137.

［11］ 王銀生，仇家琪.天山博格達峰地區現代冰川分布特征［J］.冰川凍土，1983，5（3）：17－23.

［12］ 胡汝驥.天山東部喀爾里克山峰區的冰川作用［J］.干旱區地理，1979：69－82.

［13］ 仇家琪，鄧養鑫.天山博格達峰地區的雪崩［J］.冰川凍土，1983，5（3）：227－234.

［14］ 趙俊榮，晉綠生，彭擎宇，等.準葛爾盆地南緣沙塵暴大風氣候特征分析［J］.干旱區資源與環境，2009，23（3）：104－106.

［15］ 陳永川，范澤，曹艷，等.吐魯番盆地最高最低氣溫的氣候變化特征［J］.農技服務，2010，27（10）：1307－1308.

［16］ 姜珊，楊太保，王秀娜，等.1973年布喀塔格峰冰川波動對氣候變化的響應［J］.干旱區資源與環境，2013，27（3）：47－52.

［17］ 錢亦兵，吳世新，吳兆寧，等.喀爾里克山冰川資源近50a來的變化及保護對策［J］.干旱區地理，2011，34（5）：719－725.

［18］ 韓雪云，楊青，姚俊強.新疆天山山區近51年來降水變化特征［J］.水土保持研究，2013，20（2）：139－144.

［19］ 中國科學院蘭州冰川凍土研究所，中國冰川概論［M］.北京：科學出版社，1988：238－242.

［20］ IPCC，2007：Climate Change 2007：Synthesis Report.Contribution of Working GroupⅠ，ⅡandⅢto the Fourth Assessment Report of the Intergovernmenta Panel on Climate Change［M］.Geneva，Switzerland，2007.

［21］ 肖鉥.試論大氣中的水汽與我國現代高山冰川分布的關系［J］.冰川凍土，1981，3（1）：1－13.

［22］ Oerlemans J.Extracting a climate signal from 169glacier records［J］.Science，2005，308（5722）：675－677.

［23］ Raper S C B，Brown O，Braith waite R J.A geometric glacier model for sea level change culations［J］.Journal of Glaciology，2000，46（145）：357－368.

［24］ 田洪陣，楊太保，劉沁萍.近40年來冷龍嶺地區冰川退縮和氣候變化的關系［J］.水土保持研究，2012，19（5）：34－38.

［25］ 張華偉，魯安新，王麗紅，等.祁連山疏勒南山地區冰川變化的遙感研究［J］.冰川凍土，2011，33（1）：8－13.

［26］ 李治國，姚檀棟，葉慶華，等.1980—2007年喜馬拉雅東段洛扎地區冰川變化遙感監測［J］.地理研究，2011，30（5）：939－952.

［27］ 何毅，楊太保，田洪陣，等.近23年來北天山冰川面積變化對氣候的響應［J］.干旱區資源與環境，2013，27（3）：53－60.