潘保田， 曹 泊， 管偉瑾

（1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省石羊河流域野外科學(xué)觀測研究站，甘肅蘭州 730000）

0 引言

冰川不僅是重要的淡水資源［1-2］，還是氣候變化的敏感指示器［3-5］。祁連山位于青藏高原東北緣，地處我國西北干旱半干旱區(qū)，共發(fā)育有現(xiàn)代冰川2 821條，總面積為1 986.94 km2［6］。發(fā)源于祁連山的冰川融水徑流是河西走廊和柴達(dá)木盆地重要的淡水來源。近年來，在氣候變暖的大背景下，青藏高原大部分地區(qū)的冰川消融強(qiáng)烈［7-9］。祁連山地區(qū)的冰川也經(jīng)歷了不同程度的退縮［10-18］，嚴(yán)重威脅流域內(nèi)的生產(chǎn)和生活用水安全［15，19］。因此，祁連山地區(qū)冰川物質(zhì)平衡的研究對流域內(nèi)水資源的分配和利用具有重要的指導(dǎo)意義。此外，祁連山還是我國現(xiàn)代冰川研究的起源之地。1958年施雅風(fēng)先生領(lǐng)導(dǎo)組織高山冰雪利用研究隊在祁連山開展大規(guī)?？疾?，出版了《祁連山現(xiàn)代冰川考察報告》［20］，開啟了我國現(xiàn)代冰川研究的先河。李吉均先生作為主要成員參加了祁連山現(xiàn)代冰川考察工作，自此也開啟了他本人的現(xiàn)代冰川研究生涯，之后在青藏高原各地進(jìn)行冰川研究工作，出版了《西藏冰川》［21］等著作，為推動我國現(xiàn)代冰川研究作出了杰出貢獻(xiàn)。2020年7月21日先生不幸仙逝，謹(jǐn)以此文致以緬懷。

在目前研究中，“冰川學(xué)方法”和“大地測量法”是最常用的兩種獲得冰川物質(zhì)平衡的方法［22-23］?！氨▽W(xué)方法”指通過在冰面布設(shè)花桿，觀測花桿處的積累和消融，進(jìn)而獲得整個冰川物質(zhì)平衡的方法［24-25］。“大地測量法”指通過代表不同時期冰面高程的數(shù)字高程模型（DEM）之間的高程差獲得冰川物質(zhì)平衡的方法［26］。相較于“大地測量法”，“冰川學(xué)方法”能夠最直接獲得精度較高的測量數(shù)據(jù)［22，25，27］，適合用于冰川物質(zhì)平衡的長期監(jiān)測。然而，受高海拔地區(qū)極端氣候以及地形等條件的限制，有物質(zhì)平衡直接觀測的冰川較少，有長時間連續(xù)物質(zhì)平衡觀測的冰川更為匱乏［8，28］。

鑒于祁連山冰川及其融水的重要性，學(xué)者們已在祁連山中段的七一冰川［29-30］、十一冰川［31］，以及西段的透明夢珂冰川（老虎溝12號冰川）［32］進(jìn)行了物質(zhì)平衡觀測，而在祁連山東段仍缺少連續(xù)的冰川物質(zhì)平衡觀測數(shù)據(jù)。據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)在祁連山東段，冰川退縮尤為劇烈，退縮速率要高于西段和中段［33-35］。因此，自2010年始，我們對祁連山東段冷龍嶺地區(qū)的寧纏河1號（NC01）冰川開展了連續(xù)的物質(zhì)平衡觀測。本文的研究目標(biāo)為：結(jié)合覆蓋NC01冰川的Google Earth高分辨率影像，以及資源3號（ZY-3）和哨兵2號（Sentinel-2）衛(wèi)星影像，獲得NC01冰川2008—2020年的面積和物質(zhì)平衡變化信息；結(jié)合1972年地形圖數(shù)字化得到的冰面高程和2014年獲得的冰川厚度數(shù)據(jù)，討論NC01冰川1972年以來的厚度和冰量變化；最后結(jié)合氣象資料，探討冰川變化與氣候之間的聯(lián)系。

1 研究區(qū)概況

冷龍嶺位于祁連山東段，第一次冰川編目（CGI1）數(shù)據(jù)顯示，此處發(fā)育現(xiàn)代冰川244條，其中南坡103條，冰川融水流入大通河，最后注入黃河，屬于黃河流域；北坡141條，屬內(nèi)陸水系，注入石羊河［6］。NC01冰川位于冷龍嶺北坡［圖1（a）］，屬于亞大陸型山地冰川，冰川面積為0.77 km2［6］，海拔范圍為4 260～4 640 m，冰面表磧覆蓋較少。Cao等［36］在2014年8月對NC01冰川的厚度進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)NC01冰川平均冰厚約24 m，最大厚度為65 m，總冰量約9.36×106m3。NC01冰川受東亞季風(fēng)和西風(fēng)帶的共同控制［37］。2010年建立在NC01冰川側(cè)磧壟上（4 450 m）的自動氣象站［圖1（c）］顯示，NC01冰川附近的年平均氣溫約為-6.0℃，年平均降水量＞800 mm，降水主要集中在6—8月的夏季［36］。近年來的研究顯示，在過去的幾十年，NC01冰川快速退縮，且退縮速率呈加速趨勢［14，16］。2010—2015年，NC01冰川物質(zhì)平衡線平均高度約為4 680 m，已超過了冰川的最高海拔［36］。NC01冰川融水經(jīng)寧纏河最終匯入甘肅三大內(nèi)陸河之一的石羊河。

圖1 寧纏河1號（NC01）冰川在青藏高原與祁連山的位置（a）及花桿分布（b）Fig.1 Location of Ningchan No.1（NC01）Glacier on map of Qilian Mountains（a），and an overview of stakeson NC01 Glacier（b）［The scene of meteorological station（c），stakes layout（d）and mass balance measurement（e）are also showed］

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

準(zhǔn)確的冰川邊界是計算冰川物質(zhì)平衡和冰量變化的前提。本研究采用ZY-3、Sentinel-2以及Google Earth來獲取不同時期的NC01冰川邊界。ZY-3立體測繪衛(wèi)星于2012年1月9日發(fā)射，搭載有四臺光學(xué)相機(jī)，其中，可用于立體測圖的正視相機(jī)分辨率為2.1 m，前視和后視相機(jī)分辨率均為3.6 m，多光譜相機(jī)分辨率為5.8 m。Sentinel-2高分辨率多光譜成像衛(wèi)星分為2A和2B兩顆衛(wèi)星，分別于2015年6月23日和2017年3月7日發(fā)射，其在可見光波段的分辨率為10 m。因此，本文用到的遙感影像有：2008年8月3日的Google Earth高分辨率歷史影像，2014年8月9日ZY-3衛(wèi)星影像，以及2016年8月16日、2018年7月12日和2020年7月26日的Sentinel-2衛(wèi)星影像。

為了獲得NC01冰川處的氣溫和降水特征，分別于2010年10月和2017年8月，在NC01冰川側(cè)磧壟（37°30′48″N、101°50′02″E，海拔4 450 m）與距離冰川末端約5 km處（37°33′38″N、101°51′15″E，海拔3 620 m）架設(shè)了兩個自動氣象站。此外，還依據(jù)位于鄰近高海拔區(qū)域的門源氣象站（海拔2 924 m）記錄的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，討論了NC01冰川20世紀(jì)50年代以來的氣溫、降水變化趨勢及其與冰川變化之間的關(guān)系。

2.2 研究方法

雖然有一些自動的方法可以提取冰川邊界，但是對于高分辨率遙感影像來說，手工數(shù)字化仍然是目前最為精確的方法。本研究基于糾正后的多期遙感影像，通過手工數(shù)字化的方式，提取了NC01冰川的邊界。

基于傳統(tǒng)的冰川學(xué)觀測方法，即通過觀測單點(diǎn)位置處冰川的積累和消融［23-24］，對NC01冰川進(jìn)行逐年的物質(zhì)平衡觀測。2010年消融季末，首次在NC01冰川上布設(shè)了22根花桿（A系列，見表1）開始物質(zhì)平衡觀測。隨著冰川的不斷消融，持續(xù)觀測4～6年后，花桿會發(fā)生傾倒。為了保證觀測的連續(xù)性，分別于2016年和2020年在原花桿附近重新布設(shè)了新的花桿（B系列和C系列，見表1）。NC01冰川冰面平坦，表磧覆蓋較少，花桿可以均勻地分布在整個冰川［圖1（b）］。為了準(zhǔn)確反映冰川的物質(zhì)平衡，花桿布設(shè)時盡可能地分布在不同的海拔高度。本研究假設(shè)冰密度為（850±60）kg·m-3，積雪密度為（390±40）kg·m-3［36］。

表1 NC01冰川花桿布設(shè)情況Table 1 Stakes on NC01 Glacier in different years

將花桿獲得的冰川單點(diǎn)物質(zhì)平衡外推到整個冰川區(qū)，傳統(tǒng)的計算方法主要有等值線法和等高線法兩種方法［38］。等值線法指以觀測獲得的單點(diǎn)物質(zhì)平衡為基礎(chǔ)繪制出物質(zhì)平衡等值線圖，利用面積加權(quán)法計算出物質(zhì)平衡；等高線法指提取出冰川的等高線，將相鄰等高線之間的物質(zhì)平衡視為固定值，通過不同高程帶面積加權(quán)來計算整個冰川物質(zhì)平衡的方法［23］。蒲健辰等［29，39］、劉潮海等［40］分別在唐古拉山小冬克瑪?shù)妆ā⑵钸B山七一冰川和天山烏魯木齊河源1號冰川對兩種冰川物質(zhì)平衡的計算方法進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果基本一致。在先前的研究中發(fā)現(xiàn)，NC01冰川表面物質(zhì)平衡和冰面高程存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系［36］?？紤]到布設(shè)在NC01冰川上的花桿在空間上密度較大，分布較為均勻且基本覆蓋了整個冰川，此研究中通過擬合獲得花桿觀測物質(zhì)平衡和冰面高程之間的關(guān)系，并將這一關(guān)系應(yīng)用到整個冰川區(qū)來獲得整個冰川的物質(zhì)平衡。

2.3 誤差分析

花桿觀測推算冰川物質(zhì)平衡的誤差主要來源于花桿分布、花桿讀數(shù)、冰川密度的準(zhǔn)確性以及將花桿觀測結(jié)果外推到整個冰川區(qū)的方法［23，25，41-44］。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，其不確定性在0.1～0.6 m w.e.［23，41，45］。在此次研究中，參照Thibert等［46］提出的方法，獲得整個冰川年物質(zhì)平衡不確定性約為0.5 m w.e.。

手工數(shù)字化提取冰川邊界的誤差主要來自于影像自身的定位精度以及難以區(qū)分的混合像元。在此處，利用和Minora等［47］相似的方法估算了基于Google Earth高分辨率歷史影像、ZY-3和Sentinel-2衛(wèi)星影像提取冰川面積的不確定性（EA）。其估算公式為

式中：l為冰川邊界長度；LREyr為影像分辨誤差，以半像素誤差來衡量；Eco為影像配準(zhǔn)誤差，等于影像的像素大小。經(jīng)計算，NC01冰川面積提取的不確定性小于0.05 km2。

依據(jù)誤差傳播規(guī)律，冰川面積變化誤差EC為

式中：EA1和EA2分別為時間1和時間2的冰川面積不確定性。經(jīng)計算，NC01冰川面積變化的不確定性小于0.071 km2。

3 結(jié)果與分析

3.1 冰川末端位置與面積變化

在此次研究中，依據(jù)Google Earth高分辨率歷史影像、ZY-3和Sentinel-2衛(wèi)星影像提取的冰川邊界，獲得了NC01冰川的末端位置和面積變化（圖2）。結(jié)果顯示：2008—2020年，NC01冰川末端位置持續(xù)后退，速率為7.54 m·a-1。其中，2008—2014年退縮速率較大，為9.77 m·a-1，2016—2018年退縮速率較小，為4.70 m·a-1。2008年NC01冰川面積為4.22×105m2，2020年冰川面積減少至3.32×105m2，退縮速率為0.075×105m2·a-1。

圖2 不同年份NC01冰川分布（a）及末端（b）和面積（c）變化Fig.2 Outlines of NC01 Glacier in different years（a），and terminus（b）and area（c）changes

3.2 冰川物質(zhì)平衡變化

花桿觀測結(jié)果顯示：物質(zhì)虧損隨海拔的降低而加劇，靠近冰川末端的低海拔區(qū)域物質(zhì)虧損最為明顯，即冰川表面物質(zhì)平衡和冰面高程之間有較好的線性關(guān)系（圖3）。將以上花桿觀測物質(zhì)平衡和冰面高程之間的線性關(guān)系應(yīng)用到整個冰川區(qū)，即可獲得2010—2020年NC01冰川逐年的物質(zhì)平衡信息（圖3～4）。結(jié)果顯示：近10年來，NC01冰川年物質(zhì)平衡持續(xù)為負(fù)，累積物質(zhì)平衡為-9.83 m w.e.，年均物質(zhì)平衡為-0.98 m w.e.。在不同年份NC01冰川物質(zhì)平衡差異較大。2014—2015年和2016—2017年，物質(zhì)虧損較少，且在高海拔地區(qū)有物質(zhì)積累，年物質(zhì)平衡分別為-0.15 m w.e.和-0.25 m w.e.。在其余時間段內(nèi)，整個冰川物質(zhì)平衡均為負(fù)值。其中，2015—2016年和2017—2018年物質(zhì)虧損較為明顯，物質(zhì)平衡約為-1.5 m w.e.（圖4）。

圖3 基于花桿觀測的2010—2020年NC01冰川物質(zhì)平衡與冰面高程的關(guān)系Fig.3 Relationship between NC01 Glacier mass balance and altitude from 2010 to 2020 based on stakes

4 討論

4.1 冰川厚度和冰量變化

Cao等［36］依據(jù)1972年1∶5萬地形圖數(shù)字化得到的冰面高程，以及2010年和2015年差分GPS測得的冰面高程，基于大地測量法間接地估算了NC01冰川的物質(zhì)平衡。結(jié)果顯示：1972—2010年，NC01冰川平均減薄28.8 m，平均減薄速率為0.76 m·a-1，年物質(zhì)平衡為-0.65 m w.e.。2010—2015年，花桿觀測和通過差分GPS高程差間接獲得的物質(zhì)平衡分別為-4.8 m w.e.和-4.3 m w.e.，二者的差異約為10%。

在此次研究中，依據(jù)Cao等［36］2014年實(shí)測的冰川厚度、1972—2010年的物質(zhì)平衡以及本研究得到的2010—2020年逐年觀測物質(zhì)平衡，推算出了1972年以及2010—2020年逐年的冰川厚度及其冰量［圖5（a）］。在1972—2020年整個時間段內(nèi)，NC01冰川平均厚度減薄40.37 m，冰量減少17.49×106m3，平均減薄速率為0.84 m·a-1，平均冰量變化速率為-0.36×106m3·a-1。其中，1972—2010年，NC01冰川平均厚度從57.89 m減薄至29.09 m，冰量從24.32×106m3減少至11.35×106m3，平均減薄速率為0.76 m·a-1，平均冰量變化速率為-0.34×106m3·a-1。2010—2020年，冰川退縮加速。2020年冰川平均厚度減薄至17.52 m，冰量減少至6.83×106m3，平均減薄速率為1.16 m·a-1，平均冰量變化速率為-0.45×106m3·a-1。

圖5 1972—2020年NC01冰川厚度和冰量變化（a）與門源氣象站年降水量和夏季（6—8月）平均氣溫（b）變化Fig.5 Changes in NC01 Glacier thickness and ice volume from 1972 to 2020（a）and annual precipitation and averaged summer（June to August）air temperature at Menyuan Meteorological Station（b）

4.2 冰川物質(zhì)平衡對氣候變化的響應(yīng)

氣候變化是全球冰川變化的主要原因［48］。先前的研究表明，NC01冰川的退縮也可歸因于氣候變化［15-16，36］。冰川側(cè)磧壟上自動氣象站獲得的資料顯示：2010—2020年，NC01冰川夏季（6—8月）氣溫均值在2.3～4.7℃之間，年降水量為780～970 mm（圖4）。對比2010—2020年NC01冰川物質(zhì)平衡變化發(fā)現(xiàn)，夏季氣溫越高，冰川物質(zhì)虧損越明顯（圖4），二者呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，比如2014—2015年較低的夏季氣溫和2015—2016年較高的夏季氣溫分別對應(yīng)了最小和最大的物質(zhì)虧損（圖4）。2010—2020年，雖然降水有增多趨勢，但冰川仍處于較為強(qiáng)烈的負(fù)平衡。

圖4 2010—2020年NC01冰川物質(zhì)平衡與氣候變化Fig.4 NC01 Glacier mass balance with climate change from 2010 to 2020

1972年以來，祁連山東段氣溫和降水均有不同程度的升高和增加［圖5（b）］，依據(jù)其變化趨勢，可分為1972—1990年和1990—2020年兩個階段。1972—1990年，降水和氣溫基本保持不變；1990—2020年，降水略有增加，氣溫明顯升高。

先前的研究表明，每上升1℃需要增加25%的降水才能彌補(bǔ)氣溫升高造成的冰川消融［49］。此外，氣溫升高會導(dǎo)致降水中液態(tài)降水的比例增加，使得冰面反照率減小進(jìn)而加速冰川表面消融［50］。1972年以來NC01冰川整體呈退縮趨勢，且2008—2020年冰川退縮速率（7.54 m·a-1）明顯高于1970—2010年（4.50 m·a-1）［14］。這可能與近年來氣溫的明顯升高有關(guān)，氣溫升高帶來的消融量遠(yuǎn)大于降水增加帶來的積累量。

此外，通過對比祁連山的水管河4號冰川、七一冰川、十一冰川、透明夢珂冰川，以及天山的烏魯木齊河源1號冰川和青冰灘72號冰川近年來的物質(zhì)平衡結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在相近時間段，NC01冰川物質(zhì)虧損更為強(qiáng)烈（表2）?？赡茉蚴荖C01冰川規(guī)模較小，對氣候變化的響應(yīng)更加敏感。在當(dāng)前的氣候狀態(tài)下，有不少冰川物質(zhì)平衡線高度都超過了冰川的最高海拔，使得整個冰川都處于消融狀態(tài)［51］。根據(jù)Cao等［36］和本文的研究，NC01冰川物質(zhì)平衡線近10年的平均高度約為4 680 m，已超過了冰川的最高海拔，這也加快了冰川負(fù)物質(zhì)平衡。因此，可以推測，在當(dāng)前的氣候背景下，NC01冰川將在不久后完全消失。Cao等［52］根據(jù)冰川ELA高度也認(rèn)為，目前冷龍嶺地區(qū)的冰川還需要繼續(xù)退縮才能與氣候達(dá)到平衡，伴隨著大部分冰川的消失。

表2 中國不同冰川的物質(zhì)平衡Table 2 Mass balance of different glaciers in China

5 結(jié)論

2010—2020年，對祁連山東段冷龍嶺地區(qū)的NC01冰川開展了連續(xù)10年的冰川物質(zhì)平衡觀測，結(jié)合Google Earth高分辨率歷史影像、ZY-3和Sentinel-2衛(wèi)星影像，以及2014年獲得的冰川厚度數(shù)據(jù)，獲得以下結(jié)論：

（1）2008—2020年，NC01冰川末端位置持續(xù)后退，平均速率為7.54 m·a-1。2008年NC01冰川面積為4.22×105m2，2020年冰川面積減少至3.32×105m2，平均退縮速率為0.075×105m2·a-1，冰川總面積減少了21.3%。

（2）2010—2020年，NC01冰川物質(zhì)平衡持續(xù)為負(fù)，年均物質(zhì)平衡為-0.98 m w.e.。物質(zhì)虧損在不同年份差異較大。2015—2016年以及2017—2018年物質(zhì)虧損最明顯，約為-1.5 m w.e.，2014—2015年物質(zhì)虧損最少，為-0.15 m w.e.。物質(zhì)平衡與夏季氣溫呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（3）2010—2020年，NC01冰川平均厚度從29.09 m減薄至17.52 m，平均減薄速率為1.16 m·a-1；冰量從11.35×106m3減少至6.83×106m3，平均變化速率為-0.45×106m3·a-1。

（4）1972年以來，NC01冰川持續(xù)減薄，冰量持續(xù)減少。2010—2020年冰川減薄速率和物質(zhì)虧損速率要高于1972—2010年。這可能與近年來氣溫的明顯升高有關(guān)。在空間上，NC01冰川物質(zhì)虧損大于周邊區(qū)域同類型的小冰川，這可能是由近年來NC01冰川均處于物質(zhì)平衡線以下所致。

謹(jǐn)以此文，紀(jì)念李吉均先生！