湯遠航， 李夢琦， 鄧 鈴， 王小麗

（GIS應用研究重慶市高校重點實驗室，重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 401331）

冰川是冰凍圈的重要組成部分，也是自然界最寶貴的淡水資源，具有重要的地理意義［1］。在氣候變暖的趨勢下，全球范圍內的冰川大都表現出不同程度的退縮趨勢［2］。一方面，由于冰雪對太陽輻射具有強烈的反射效應，冰川大規(guī)模消融會引起地表輻射以及熱量的失衡，從而導致大氣環(huán)流改變。此外其消融過程中產生的融水注入海洋將會對原有洋流格局產生影響、導致海平面上升，進而改變海洋與大氣的相互作用狀況，最終影響全球氣候格局［3］。另一方面，高山冰川劇烈消融還會導致一系列自然災害的發(fā)生，如冰川泥石流、洪水等，這類現象主要發(fā)生于青藏高原東南部和喜馬拉雅山等地區(qū)，其中我國西藏地區(qū)的雅魯藏布江、波曲及朋曲流域尤為突出［4］。

近期研究結果顯示，青藏高原東南部冰川虧損及面積萎縮幅度為最大；其次為喜馬拉雅山南緣；青藏高原腹地和末端冰川面積退縮幅度相對較小，冰川物質虧損相對較弱；而帕米爾-喀喇昆侖-西昆侖地區(qū)的冰川退縮程度最小，部分冰川甚至呈現前進狀態(tài)，表現出微弱的物質盈余［5］。朋曲流域位于青藏高原南緣，目前關于朋曲流域的研究，大多集中在區(qū)域冰湖面積變化及潛在潰決冰湖分析，盡管有部分關于朋曲流域冰川變化的研究，但研究時段序列較短，且關于朋曲流域冰川與氣候變化研究較少［6］，研究時段較早，冰川近況未能同步更新?；诖?，本研究采用Landsat 系列遙感影像、數字高程模型（DEM）等數據，使用遙感圖像處理及目視解譯方法，提取了朋曲流域1990—2020 年冰川邊界，研究近30 a來朋曲流域冰川面積的分布、變化及其與氣候變化的響應關系，以期為朋曲流域冰川變化的預測及災害防治提供理論基礎，也可為朋曲流域合理利用冰川融水作水資源提供理論依據［7］。

1 研究區(qū)概況

喜馬拉雅山脈發(fā)育著大量冰川，朋曲流域便是其中之一。朋曲流域（27°49′～29°05′ N、85°38′～88°57′ E，平均海拔4500 m 以上）位于青藏高原南部，地處西藏自治區(qū)西南面，與尼泊爾接壤，流域南起喜馬拉雅山脈，北起岡底斯山脈，西臨佩沽措［8-10］（圖1）。流域大部分位于喜馬拉雅山脈北側，有明顯的焚風效應，氣溫較低、降雨較少、蒸發(fā)量大；少部分位于喜馬拉雅山脈南側，受印度洋暖濕氣流的影響，降雨充沛［11］。因區(qū)域地勢較高、地形復雜，又位于喜馬拉雅山脈的高寒地區(qū)，有利的地勢條件和氣候條件下朋曲流域發(fā)育了大量冰川，冰川總面積可達1400 km2左右，冰川較為密集且集中分布于沿國境線的喜馬拉雅山區(qū)，成為了對于周圍地區(qū)經濟和社會發(fā)展而言非常重要的固體水庫［12］。近年來在全球變暖、強太陽輻射等因素的影響下，朋曲流域冰川處于退縮并加速融化的狀態(tài)，導致周圍地區(qū)的冰川湖數量及冰川湖面積增大，在流域水系本就發(fā)達的前提下，可能會帶來許多嚴重的自然災害，如冰湖決堤引發(fā)的洪水［9］。

2 數據與方法

2.1 數據來源

2.1.1遙感影像數據和DEM 資料 本文數據源于美國地質勘探局（United States Geological Survey，USGS）、Landsat 系列衛(wèi)星數據源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）［13］，該數據不僅經過了GLS2005 全球陸地控制點系統(tǒng)的正射校正，還通過DEM數據做出了高精度的地形校正，且本文數據的大地測量校正建立在精確的DEM 數據和地面控制點的基礎上，滿足研究冰川的遙感監(jiān)測要求［14］。DEM 數據采用的是地理空間數據云提供的30 m 的ASTER GDEM 數據。由于積雪、云層等因素會遮擋遙感視線或造成冰川邊界模糊不清，所以本研究選擇的影像數據盡量都是夏季無云、少云的清晰圖像。但在實際操作中，我們保留了10月左右的部分含云量較高但對冰川區(qū)影響較小、總體效果較好的影像數據［13］。本文中最終選用的遙感影像如表1所示。

表1 遙感影像列表Tab.1 Information of the remote sensing images

2.1.2氣象格點數據及其他數據 由于當前朋曲流域地區(qū)附近的氣象站點數量較少，本研究在數據分析并綜合考慮到目前已搜集到的數據適用性后，最終選用了源于美國特拉華大學地理系氣候研究中心的1970—2017 年氣溫和降水格點數據。由于該數據已通過地面站點觀測的方法，對朋曲流域氣象的描述更為精確，容易得出貼合實際的結論［13］。此外，為了驗證格點數據的精準性，本研究還收集了朋曲流域附近3 個氣象站點的數據與前者進行比較。除上述提到的數據外，本研究還根據第二次冰川編目數據驗證了2010 年左右朋曲流域地區(qū)的冰川邊界提取結果。

2.2 研究方法

本研究采用了精度較高的比值閾值法來提取冰川邊界［15-18］，即計算波段比值后生成比值圖像，再設定閾值進行決策樹分類，在二值化處理比值圖像后，依照閾值設定得到冰川邊界初步提取結果［19］。經過實驗數據的反復嘗試后，最終Landsat TM/ETM+影像的閾值設為1.8，而Landsat OLI 數據的閾值設為1.0。為了確保數據的精確性，本研究對比值閾值法計算的結果逐條進行了目視解譯［20］。

2.3 精度評價

為了驗證冰川邊界的精確度，本研究以15 m為距離對1990—2020 年的研究區(qū)邊界進行了緩沖區(qū)處理（表2），由緩沖區(qū)面積除以總面積得到誤差率。誤差率較小，符合本研究要求的精度［21］。冰川與積雪的區(qū)分主要依據冰川形態(tài)，冰舌部分較為光滑，形態(tài)規(guī)整，而積雪較呈散狀分布，且對于每一條冰川，均采用Google Earth歷史數據進行目視解譯。

表2 朋曲流域邊界緩沖區(qū)面積及誤差率Tab.2 Area and error rate of boundary buffer zone in Pumqu Basin

3 結果與分析

3.1 冰川分布面積及變化特征

1990、2000、2010 年和2020 年朋曲流域冰川面積分別為1248.70 km2、1209.19 km2、1152.25 km2和1068.10 km2（表3）。對比研究時段內不同時期的冰川分布面積，近30 a朋曲流域冰川整體呈現出退縮趨勢，但不同時段冰川退縮率有所不同。1990—2000 年，冰川面積退縮量為39.52 km2，年均退縮率為0.32 %·a-1；2000—2010 年，冰川面積退縮量為56.94 km2，與前一時段相比，該時段冰川加速退縮（0.47 %·a-1）；2010—2020 年，冰川面積退縮量為84.15 km2，年均退縮率為0.73%·a-1，3個時段中，該時段冰川年均退縮率最大。綜上可知，1990—2020年朋曲流域冰川面積加速退縮，尤其是2010—2020年來，朋曲流域加速退縮的趨勢更為顯著（圖2）［22-23］。

圖2 1990—2020年朋曲流域部分冰川分布特征Fig.2 Distribution characteristics of some glaciers in Pumqu Basin during 1990—2020

表3 1990—2020年朋曲流域冰川分布面積及變化特征Tab.3 Distribution area and variation characteristics of glaciers in Pumqu Basin during 1990—2020

3.2 不同海拔冰川分布特征

1990、2000、2010 年和2020 年朋曲流域冰川面積在不同海拔高度具有明顯的差異性，與海拔的變化情況基本一致，具有明顯的規(guī)律性（圖3）。其變化規(guī)律表現為：冰川分布面積隨海拔的升高不斷增大，到達一定高度后開始逐漸縮小。不同時段的冰川分布面積最大及最小區(qū)域均出現在同一海拔范圍內。海拔4700～4900 m處為冰川分布面積最小的區(qū)域，5900～6100 m 為冰川分布面積最大的區(qū)域。2020 年冰川分布面積最小值為8.44 km2，最大值為211.79 km2。

本流域冰川呈現出如上的分布特征主要是受到地形地勢和氣候條件的影響［24］。在對流層內，氣溫隨海拔的升高不斷降低，而水分變化情況卻不同，根據前人研究，空氣中的水汽含量隨海拔的升高先增加后減少［25］。由此使得冰川分布面積先隨海拔的升高而增加，到達一定海拔高度后開始減少，最終形成圖3所示的分布特征。

圖3 1990—2020年朋曲流域不同海拔高度冰川分布面積Fig.3 Distribution areas of glaciers at different altitudes in Pumqu Basin during 1990—2020

3.3 不同坡向冰川分布情況及變化特征

1990—2020 年朋曲流域北坡冰川分布面積最大，西南坡冰川分布面積最?。▓D4）。1990、2000、2010 年和2020 年朋曲流域北坡冰川面積分別為246.91 km2、241.66 km2、233.02 km2和222.87 km2，分別占研究區(qū)對應時段冰川總面積的19.77%、19.99%、20.22%和17.27%，冰川面積減小的趨勢愈發(fā)明顯，但冰川面積在總冰川面積中的比例呈現出先增加后減小的趨勢；西南坡的冰川分布面積分別為91.56 km2、87.95 km2、82.35 km2和73.58 km2，分別占研究區(qū)對應時段冰川總面積的7.33%、7.27%、7.15%和5.70%，冰川面積和占比均呈現較為明顯的減小趨勢?？傮w而言，北坡向冰川分布面積較多，南坡向分布面積較少。

圖4 1990—2020年朋曲流域不同坡向冰川分布面積Fig.4 Distribution areas of glaciers in different slope directions in Pumqu Basin during 1990—2020

1990—2020 年朋曲流域各坡向冰川均表現為退縮趨勢，且退縮趨勢逐漸加大（圖5）。其中南坡冰川的退縮率為所有坡向中最大，為22.62%，西南坡、東南坡和東坡次之，分別為19.65%、19.33%和16.84%；北坡的冰川退縮率為所有坡向中最小，為9.74%，西北坡、東北坡和西坡次之，分別為10.41%、12.69%和14.34%。

圖5 1990—2020年朋曲流域不同坡向冰川退縮率Fig.5 Glacier retreat rates in different slope directions in Pumqu Basin during 1990—2020

3.4 不同坡度冰川分布情況及變化特征

本研究將研究區(qū)冰面坡度以5°為間隔分為12個等級［13］（圖6），1990—2020 年研究區(qū)冰川在0～5°坡度范圍分布較少，5°～10°坡度范圍為最大，此后依次遞減，而坡度＞55°的冰川分布面積稍高于50°～55°坡度范圍，但仍低于45°～50°坡度范圍。綜上可知，朋曲流域冰川大多分布在平緩地帶（5°～25°），而分布在坡度＜5°的極平緩地帶和較為陡峭地帶的冰川較少。

圖6 1990—2020年朋曲流域不同坡度冰川分布面積Fig.6 Distribution areas of glaciers in different slopes in Pumqu Basin during 1990—2020

近30 a 來，朋曲流域不同坡度等級的冰川均呈退縮趨勢（圖7）。整體而言，冰川退縮率隨坡度的增加呈現出先增加后減少的趨勢，冰川退縮主要發(fā)生在15°～40°坡度范圍內，其中30°～35°坡度范圍退縮率最大，為18.41%，＞55°坡度退縮率最小，僅為8.95%。1990—2000 年不同坡度的退縮率大致相同，中、高坡度（35°～55°）退縮率略高；2000—2010年冰川退縮率在0～35°坡度范圍內逐漸增加，而后隨坡度的增加而減少，在坡度＞55°后幾乎為0；2010—2020 年冰川退縮率大體呈現2 個波峰，一個是在30°～35°坡度范圍，退縮率為9.99%，一個是在50°～55°坡度范圍，退縮率為9.10%，但在坡度＞55°后依舊減少。綜上可知，1990—2020年朋曲流域冰川在15°～45°坡度范圍內退縮較大，而在極平緩或極陡峭區(qū)域退縮較小。

圖7 1990—2020年朋曲流域不同坡度冰川退縮率Fig.7 Glacial retreat rates in different slopes in Pumqu Basin during 1990—2020

3.5 不同規(guī)模等級冰川分布情況及變化特征

為了分析1990—2020 年朋曲流域不同規(guī)模等級冰川分布情況及變化特征，本研究以喜馬拉雅山地區(qū)冰川面積大小為標準將研究區(qū)朋曲流域冰川分為9 個等級（≤0.2 km2、0.2～0.5 km2、0.5～1 km2、1～2 km2、2～5 km2、5～10 km2、10～20 km2、20～50 km2和50～100 km2），分別計算了1990 年和2020 年研究區(qū)不同規(guī)模等級冰川條數和冰川面積的分布情況（表4）。

表4 1990年和2020年朋曲流域不同規(guī)模冰川條數與面積統(tǒng)計Tab.4 Statistics on the number and area of glaciers of different sizes in Pumqu Basin in 1990 and 2020

3.5.1冰川條數的分布情況和變化特征 朋曲流域冰川以小規(guī)模冰川為主，1990 年和2020 年面積≤0.5 km2的冰川分別有489 條和596 條，占各時段冰川總數的59.13%和67.88%。其中，面積稍大的冰川（≥20 km2）僅有12 條和9 條，僅占各時段冰川總數的1.45%和1.03%。研究區(qū)內的冰川面積均未超過100 km2。研究發(fā)現，總體上冰川條數與冰川規(guī)模呈相反趨勢，即冰川的規(guī)模越大，對應條數越少。

1990—2020年冰川條數整體上呈現增加趨勢，從1990 年的827 條增加到2020 年的878 條，增加了51 條。但僅有面積≤0.2 km2和面積處于10～20 km2這2 個規(guī)模的冰川條數呈現出增加的趨勢，其余規(guī)模等級的冰川條數均呈現減少的趨勢，其中冰川規(guī)模為1～2 km2的冰川條數減少的最多，達24條，其次是規(guī)模為0.2～0.5 km2和0.5～1 km2的冰川，均為16條。冰川條數減少的最少的是冰川規(guī)模為5～10 km2和20～50 km2的冰川，僅為2 條和3 條。從冰川條數的波動中可以發(fā)現，冰川的規(guī)模越大，冰川條數的變化越小。

3.5.2冰川面積的分布情況和變化特征 朋曲流域冰川分布面積最大是規(guī)模等級為20～50 km2的冰川，1990 年 和2020 年 面 積 分 別 為326.99 km2和244.88 km2，占各時段冰川面積總數的26.19%和22.93%。其次是規(guī)模等級為2～5 km2的冰川，1990年和2020 年面積分別為251.95 km2和192.87 km2，占各時段冰川面積總數的20.18%和18.06%。冰川分布面積最小的是規(guī)模等級為≤0.2 km2的冰川，1990 年和2020 年冰川分布面積分別為29.86 km2和30.94 km2，占相應時段冰川面積總數的2.39%和2.90%。

分析近30 a 研究區(qū)不同規(guī)模冰川面積變化可知，研究區(qū)內9 個規(guī)模等級的冰川，規(guī)模等級為≤0.2 km2和10～20 km2的冰川分布面積呈現出增長趨勢。其余規(guī)模等級的冰川面積均呈減少趨勢。在呈現增長趨勢的不同規(guī)模等級的冰川中，處于10～20 km2的冰川的面積增長最多，由1990 年的87.51 km2增加到2020 年的141.04 km2，冰川分布面積增加了53.53 km2，約占1990年該等級規(guī)模冰川總面積的61.16%。而規(guī)?！?.2 km2的冰川面積增長最少，由1990 年的29.86 km2增加到2020 年的30.94 km2，冰川分布面積增加了1.08 km2，約占1990 年該等級規(guī)模冰川總面積的3.62%。在呈現減少趨勢的不同規(guī)模等級的冰川中，處于20～50 km2的冰川的面積減少最多，由1990 年的326.99 km2減少到2020年的244.88 km2，減少了82.11 km2，約占1990年該等級規(guī)模冰川總面積的25.11%。處于0.2～0.5 km2的冰川的面積減少最少，由1990年的66.83 km2減少到2020 年的58.86 km2，減少了7.97 km2，約占1990 年該等級規(guī)模冰川總面積的11.94%?？梢园l(fā)現，與等級規(guī)模較大的冰川相比，規(guī)模等級較小的冰川，其冰川面積波動較小。

從冰川條數和冰川面積2個方面分析研究區(qū)內1990—2020年的冰川可以發(fā)現，冰川的規(guī)模等級與冰川的波動呈現相反趨勢。即大冰川的波動小，小冰川的波動大。

4 討論

冰川坡度及面積是影響冰川對氣候變化響應的重要地形因子［2］。通過對不同坡向和坡度冰川面積的分析，可以發(fā)現冰川對氣候變化響應具有一定滯后期，冰川平均規(guī)模越小，滯后期越短［26］，前人選擇典型區(qū)域，利用中值面積指標研究了整個喜馬拉雅山冰川與氣候變化的滯后期為12 a［27］，喜馬拉雅山冰川平均規(guī)模為7.78 km2，而朋曲流域冰川平均規(guī)模為1.51 km2。因此，以10 a為滯后期，采用的朋曲流域氣候數據提前至1970 年。為了更充分地反映研究區(qū)氣候變化特征，采用年均氣溫和年降水數據來代表研究年份內不同時段氣候的變化情況（圖8）。朋曲流域附近3 個站點氣候的變化情況（圖9）如下：

圖8 1970—2017年朋曲流域氣溫和降水量Fig.8 Temperature and precipitation in Pumqu Basin during 1970—2017

圖9 1990—2018年朋曲流域附近站點氣溫和降水量Fig.9 Temperature and precipitation of stations near Pumqu Basin during 1990—2018

（1）1980—1989 年，朋曲流域年均氣溫整體出現上下波動趨勢，在1984、1985、1988 年時達到最高，為1.5 ℃，最低年均氣溫為0.7 ℃。而年降水量整體變化波動較大，1981—1984 年變化幅度較小，1985 年達到峰值1773.4 mm，而1986 年急降至谷值1330.8 mm，后大幅上升。在對應時段（1990—2000年），朋曲流域冰川呈現退縮趨勢年均退縮率為0.32%·a-1。

（2）1990—1999 年，朋曲流域的年均氣溫高于上一時段，總體趨勢是在波動下降后上升，最高值為2.1 ℃，最低值為0.6 ℃。該階段的年降水量小于前一階段，趨勢為首先下降到1479.58 mm 的谷值，然后上升到1706.91 mm 的峰值。在對應時段（2000—2010年），朋曲流域冰川主要呈現出退縮趨勢，朋曲流域冰川年退縮率為0.47%·a-1，高于第一時段。根據朋曲流域冰川2000—2010 年的氣溫變化以及降水變化特征，可以看出朋曲流域氣溫升高且降水減少，這可能是導致冰川加速退縮的主要氣候因素［13］。

（3）2000—2009 年，朋曲流域的年均氣溫逐年上升至2.5 ℃的峰值，該時段的年均氣溫顯著高于前2 個時段。年降水量的總體變化幅度相對較小，呈小幅下降趨勢，最低值為1469.51 mm，但年降水量均高于前一時段。對應年份（2010—2020年），朋曲流域的冰川呈退縮趨勢，年退縮率為0.73%·a-1，高于前2 個時段。原因分析表明，盡管年降水量高于前2個階段，但氣溫卻明顯升高，這可能是該時段冰川加速退縮的主要氣候原因。據此可以推測：與降水減少相比，氣溫上升可能對冰川退縮有更大的影響。

（4）2010—2017年，朋曲流域的年均氣溫、年降水量都高于前3 個時段。由此可見未來十幾年內，朋曲流域冰川可能將持續(xù)處于退縮狀態(tài)且年退縮率可能逐年增大。

總體而言，1990—2020年朋曲流域冰川加速退縮，尤其是2010—2020 年來，朋曲流域加速退縮趨勢更為顯著。1990—2020 年朋曲流域各坡向冰川均表現為退縮趨勢，且退縮趨勢逐漸加大。其中，南坡冰川的退縮率在所有坡向中最大，西南坡、東南坡和東坡次之，北坡最小。并且小冰川較大冰川受到氣候等各要素的影響更大，退縮現象更為顯著。

對于朋曲流域冰川變化的狀況，已有學者進行相關研究，如魏紅等［28］采用1970年左右地形圖數據與2001 年的ASTER 遙感影像數據發(fā)現，研究時段內朋曲流域冰川呈退縮趨勢，退縮率為0.29%·a-1；Che等［29］分析了1970—2013年朋曲流域冰川分布和變化狀況，結果表明該區(qū)域冰川呈加速退縮狀態(tài)，后一時段（2001—2013 年）冰川退縮速率遠大于前一時段（1970—2001年），本文的研究結果與前人一致。與本區(qū)域同類型的研究而言，本研究的時間序列更長。并且對于小范圍的冰川研究來說，人工目視解譯、遙感和地理信息系統(tǒng)技術相結合的研究方法是比較科學且全面的。因此，本研究對區(qū)域冰川變化和冰湖預測具有一定的補充作用，對冰川變化預測和災害防治有重要意義。

5 結論

本文基于Landsat系列遙感影像數據，通過比值閾值法與目視解譯，提取了1990—2020年朋曲流域冰川分布及變化特征，同時結合氣象格點數據，分析了研究區(qū)冰川變化及其對氣候變化的響應，得出以下結論：

（1）1990—2020 年朋曲流域冰川加速退縮，且加速退縮趨勢在2010—2020年中尤為明顯。

（2）朋曲流域冰川分布面積隨著海拔的升高而不斷擴大，達到一定高度后逐漸縮小，原因是受地形、地勢和氣候條件的影響。

（3）1990—2020年朋曲流域冰川所有坡向冰川均呈退縮趨勢。南坡冰川退縮率最大，北坡冰川退縮率最小。研究區(qū)北坡的冰川分布面積最大，冰川面積呈下降趨勢，但在冰川總面積中的比例呈上升趨勢；西南坡冰川分布面積最小，冰川面積和比例均呈下降趨勢?？傮w上看，北坡的冰川分布面積較大，南坡的冰川分布面積較小。

（4）朋曲流域的冰川大多分布在平緩帶（5°～25°），而極平緩帶（＜5°）或較為陡峭的坡帶冰川面積相對較小。近30 a中，朋曲流域不同坡度的冰川均呈現出退縮的趨勢。退縮率呈現出隨坡度的增加先增大后減小的趨勢。在坡度15°～45°范圍內退縮較大，而在極平緩或極陡峭區(qū)域退縮較小。

（5）以10 a為滯后期研究氣候對冰川退縮的影響結果表明：氣溫升高和降水減少可能是冰川加速退縮的主要原因，而前者對冰川退縮的影響大于后者?？梢灶A見，未來十幾年內，朋曲流域冰川可能將繼續(xù)處于退縮狀態(tài)，年退縮率可能會繼續(xù)增加。與大冰川相比，小冰川更易受到氣候的影響。

致謝：十分感謝冀琴老師對本文提出大量寶貴的修改意見，同時對USGS、地理空間數據云、美國特拉華大學地理系氣候研究中心提供的數據以及寒區(qū)旱區(qū)科學數據中心共享的中國第二次冰川編目數據一并表示衷心的感謝。