張 聰，姚曉軍，劉時(shí)銀，張大弘，許君利

（1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000；3.云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院，云南昆明650091；4.鹽城師范學(xué)院城市與規(guī)劃學(xué)院，江蘇鹽城224002）

0 引言

冰凍圈是指地球表面具有一定厚度且連續(xù)分布的負(fù)溫圈層，包括冰川（含冰蓋）、凍土（包含多年凍土和季節(jié)凍土）、積雪、海冰、河冰、湖冰、冰架等［1］。冰川是冰凍圈的重要組成部分［2］，對(duì)全球氣候變化具有強(qiáng)烈指示作用［3］。山地冰川不僅被視作氣候和環(huán)境變化的敏感指示器，還是區(qū)域水循環(huán)的重要構(gòu)成部分［4］。中國(guó)是世界上中低緯度山地冰川最為發(fā)育的國(guó)家，21世紀(jì)初共有冰川48 571條，總面積約5.18×104km2，占世界冰川（除南極和格陵蘭冰蓋外）面積的7.1%［1］。冰川及其融水作為河川徑流補(bǔ)給和人們生產(chǎn)生活用水的重要來(lái)源，是干旱、半干旱地區(qū)重要的水資源，對(duì)中國(guó)西部地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境演變和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［5-8］。

隨著中國(guó)第一次和第二次冰川編目工作的完成，中國(guó)西部地區(qū)冰川面積、冰儲(chǔ)量及物質(zhì)平衡變化的研究成果不斷涌現(xiàn)［9-14］。但是，僅從面積和冰儲(chǔ)量變化來(lái)評(píng)價(jià)冰川空間變化規(guī)律還是不夠的［15-16］，這與冰川遙感解譯采用的標(biāo)準(zhǔn)和不同的冰川冰儲(chǔ)量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式密切相關(guān)。相比較而言，冰川長(zhǎng)度變化能更準(zhǔn)確、更真實(shí)地反映冰川的進(jìn)退狀態(tài)［17］。冰川長(zhǎng)度是指冰川軸線(xiàn)的最大距離，即冰川主流線(xiàn)的最大長(zhǎng)度［18］，提取方法主要包括冰川主流線(xiàn)提取法［19-22］和冰川中流線(xiàn)提取法［23-24］。其中，冰川主流線(xiàn)是利用水文分析模型得到冰川匯水線(xiàn)以實(shí)現(xiàn)冰川長(zhǎng)度信息提取，冰川中流線(xiàn)法則是通過(guò)計(jì)算冰川最高點(diǎn)到冰川末端的中心線(xiàn)來(lái)提取冰川長(zhǎng)度［17］。近年來(lái)，一些學(xué)者在冰川長(zhǎng)度的計(jì)算方法［18，25-26］、精度評(píng)估［17］、數(shù)據(jù)集制作［27］及冰川長(zhǎng)度對(duì)氣候變化的響應(yīng)［28-29］等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，如Machguth等［18］基于冰面坡度和冰川寬度提取了東格陵蘭地區(qū)的冰川長(zhǎng)度；Le Bris等［23］基于冰川軸線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了冰川最高點(diǎn)到末端的中流線(xiàn)自動(dòng)提取，但其不能保證所得到的結(jié)果是最大值；Kienholz等［24］基于成本距離思想提出了提取冰川中流線(xiàn)的新方法，但算法較復(fù)雜且需要人為干預(yù)；Oerlemans［25］基于提取的冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)創(chuàng)建了線(xiàn)性模型；姚曉軍等［26］基于冰川矢量數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，從冰川形態(tài)角度提出冰川中流線(xiàn)自動(dòng)提取方案；Leclercq等［27］基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和重構(gòu)模型得到全球471條冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)集。上述方法為自動(dòng)或半自動(dòng)提取冰川長(zhǎng)度信息和分析冰川長(zhǎng)度變化特征提供了有力的技術(shù)支撐。

阿爾金山作為亞洲中部最干旱的山地［30］，其冰雪融水是區(qū)域內(nèi)河川徑流的主要補(bǔ)給源，目前對(duì)阿爾金山冰川的研究主要集中在冰川面積變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)等方面［31-33］，冰川末端變化的研究仍處于空白。通常，冰川直觀變化在很大程度上表現(xiàn)為冰川末端的退縮或前進(jìn)，冰川長(zhǎng)度作為冰川軸線(xiàn)的最大距離，冰川末端的退縮或前進(jìn)直接體現(xiàn)在其長(zhǎng)度的減小或增加，因此認(rèn)清阿爾金山冰川長(zhǎng)度變化對(duì)反映該地區(qū)冰川末端變化具有重要的指示意義。本文基于阿爾金山第一次和第二次冰川編目數(shù)據(jù)、Landsat OLI遙感影像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，利用冰川中流線(xiàn)方法分別提取阿爾金山1970年、2010年和2016年3個(gè)時(shí)期的冰川長(zhǎng)度信息，探討阿爾金山冰川長(zhǎng)度變化特征及其與氣候變化之間的關(guān)系，以期為認(rèn)識(shí)全球氣候變暖背景下阿爾金山冰川的響應(yīng)規(guī)律及水資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿爾金山（37°30′～39°36′N(xiāo)、85°52′～94°21′E）位于青藏高原北緣，在行政區(qū)劃上隸屬于新疆、青海和甘肅三省區(qū)，山體呈西南―東北走向，東西分別以當(dāng)金山口和車(chē)爾臣河上游河谷為界，也是塔里木盆地和柴達(dá)木盆地的界山（圖1）。阿爾金山總面積約6.19×104km2，平均海拔在4 000 m以上，長(zhǎng)約750 km，最寬處約130 km［31］。地勢(shì)東西兩端較高，中部較低，東段最高峰亦稱(chēng)作阿爾金山，海拔5 798 m［34］。由于深居內(nèi)陸，加之受山地和高原地形阻隔，西風(fēng)環(huán)流、東南季風(fēng)和西南季風(fēng)在此均已成弱勢(shì)，多年平均降水量為50～100 mm，降水稀少，是亞洲中部最干旱的山地［30］，其主要河流（米蘭河、若羌河和哈迪勒克河等）的徑流多受冰川融水補(bǔ)給。阿爾金山冰川屬亞大陸型冰川和極大陸型冰川，受地形影響，圍繞阿爾金山（5 798 m）、玉蘇普阿勒克峰（6 062 m）和蘇拉木塔格峰（6 295 m）形成東、中、西三個(gè)冰川作用區(qū)，并主要分布在海拔4 600 m以上的高山區(qū)。中國(guó)第二次冰川編目［9］結(jié)果顯示，阿爾金山共發(fā)育冰川467條，面積295.11 km2，占中國(guó)冰川總面積的0.57%；冰川規(guī)模普遍較小，平均面積為0.63 km2，其中面積大于10 km2的冰川僅1條，即GLIMS編碼為G087419E37923N的冰川，其面積為13.86 km2。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究所采用的數(shù)據(jù)主要包括阿爾金山第一次和第二次冰川編目數(shù)據(jù)、2016年Landsat OLI影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)。其中，阿爾金山第一次冰川編目所用數(shù)據(jù)源主要為基于航空攝影測(cè)量技術(shù)制作的大比例尺地形圖，這些地形圖的航測(cè)時(shí)間比較集中，大致為1966年和1970—1972年，其中1970年的冰川面積約占第一次冰川編目總面積的40%，為便于描述，本文以1970年來(lái)表示第一次冰川編目的時(shí)間。第二次冰川編目所用數(shù)據(jù)源為5景2007—2010年質(zhì)量較好的Landsat TM遙感影像，軌道號(hào)分別為138/33、140/33、140/34和142/34，其中2010年的冰川面積約占第二次冰川編目總面積的55%，本文以2010年作為第二次冰川編目的時(shí)間。從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）網(wǎng)站（http：//glovis.usgs.gov）獲取的2016年5景Landsat OLI遙感影像（表1）用于提取該年阿爾金山冰川邊界。DEM數(shù)據(jù)為SRTM DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、美國(guó)國(guó)家測(cè)繪局（NIMA）以及德國(guó)與意大利航天機(jī)構(gòu)共同合作聯(lián)合測(cè)量，于2000年2月11—22日由“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)上搭載的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）系統(tǒng)完成，該數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，在90%的置信區(qū)間內(nèi)，SRTM的垂直精度優(yōu)于16 m，在平坦區(qū)域高程精度可達(dá)10 m［35-36］。此外，本文選用阿爾金山國(guó)家基準(zhǔn)氣象站——且末和冷湖的氣溫和降水年值數(shù)據(jù)集作為阿爾金山氣候背景參考，由國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)（http：//data.cma.cn）提供。

2.2 方法

2.2.1 冰川長(zhǎng)度信息提取及精度評(píng)估方法

在中國(guó)第一次冰川編目中，冰川長(zhǎng)度包括冰川平均長(zhǎng)度和最大長(zhǎng)度，其中最大長(zhǎng)度是指冰川軸線(xiàn)的最大距離，平均長(zhǎng)度是指各條支冰川或各粒雪盆至冰川末端最大長(zhǎng)度的平均值［37］。本文基于姚曉軍等［26］提出的冰川中流線(xiàn)自動(dòng)提取方法提取冰川長(zhǎng)度信息，以平均長(zhǎng)度作為統(tǒng)計(jì)口徑。在實(shí)際提取時(shí)，首先根據(jù)冰川積累區(qū)和消融區(qū)末端的形態(tài)，將冰川劃分為單一盆地、單一出口冰川，復(fù)式盆地、單一出口冰川和冰帽類(lèi)冰川三種類(lèi)型?；驹硎腔贒EM數(shù)據(jù)獲取冰川輪廓上的海拔最高點(diǎn)和最低點(diǎn)并對(duì)冰川輪廓線(xiàn)進(jìn)行分割，結(jié)合分割后的冰川輪廓線(xiàn)采用歐式距離方法將冰川劃分為兩個(gè)區(qū)域，即每個(gè)區(qū)域?yàn)榫喔鞅ㄝ喞€(xiàn)距離最短的點(diǎn)集，區(qū)域的公共邊界為中軸線(xiàn)，即冰川中流線(xiàn)［23］。對(duì)于單一盆地、單一出口冰川，冰川中流線(xiàn)長(zhǎng)度即為該冰川的平均長(zhǎng)度。復(fù)式盆地、單一出口冰川通常由多條支冰川組成，且各支冰川均存在獨(dú)立的海拔最高點(diǎn)，通常參考冰川中值面積高程和等高線(xiàn)形態(tài)保留子流域部分公共邊界線(xiàn)來(lái)提取冰川中流線(xiàn)，各支冰川中流線(xiàn)長(zhǎng)度的平均值為該冰川的平均長(zhǎng)度。冰帽類(lèi)冰川多發(fā)育于山頂面，因受力不均導(dǎo)致冰川從中心向四周呈放射狀漫流［38］，冰帽的最高點(diǎn)通常出現(xiàn)在冰川輪廓內(nèi)部，且冰川末端為裙?fàn)睿疚牟捎霉f(wàn)欽等［39］提出山脊線(xiàn)自動(dòng)提取方法獲得冰帽表面山脊線(xiàn)，然后用山脊線(xiàn)將冰帽分割為多條彼此相鄰的獨(dú)立冰川再提取冰川中流線(xiàn)，各獨(dú)立冰川中流線(xiàn)長(zhǎng)度的平均值為冰帽類(lèi)冰川的平均長(zhǎng)度。

冰川長(zhǎng)度提取精度主要受冰川形態(tài)類(lèi)型、輪廓準(zhǔn)確性和DEM空間分辨率的影響。對(duì)于單一盆地、單一出口型冰川而言，冰川最高點(diǎn)和最低點(diǎn)通常只有一個(gè)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取，人工干預(yù)少且效果較好；復(fù)式盆地類(lèi)型冰川通常由多條支冰川組成，自動(dòng)提取的中流線(xiàn)需要參考冰川中值面積高程和等高線(xiàn)形態(tài)保留子流域部分公共邊界線(xiàn)進(jìn)行修正；冰帽類(lèi)冰川由于其最高點(diǎn)通常出現(xiàn)在冰川內(nèi)部且末端多為裙?fàn)?，需要借助山脊線(xiàn)重構(gòu)冰川形狀。在保證冰川形態(tài)類(lèi)型劃分正確前提下，冰川長(zhǎng)度信息的精度取決于冰川輪廓的準(zhǔn)確性和DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量，而后者對(duì)冰川長(zhǎng)度信息的影響可以忽略［26］，因此單條冰川長(zhǎng)度信息的精度取決于所用遙感影像空間分辨率對(duì)冰川海拔最高點(diǎn)和最低點(diǎn)提取造成的誤差，可由下式計(jì)算得到。

λ=(n+1)×A（1）

式中：λ為影像空間分辨率造成的冰川長(zhǎng)度誤差；n為冰川中流線(xiàn)的條數(shù)；A為半個(gè)像元的邊長(zhǎng)。

結(jié)果表明，1970年由地形圖分辨率造成的冰川平均長(zhǎng)度誤差為±64.62 m，占冰川平均長(zhǎng)度的±5.02%；2010年由Landsat TM遙感影像空間分辨率造成的冰川平均長(zhǎng)度誤差為±33.12 m，占冰川平均長(zhǎng)度的±2.88%；2016年由Landsat OLI遙感影像空間分辨率造成的冰川平均長(zhǎng)度誤差為±33.49 m，占冰川平均長(zhǎng)度的±3.32%。

2.2.2 冰川長(zhǎng)度變化

冰川長(zhǎng)度變化即為不同時(shí)期冰川長(zhǎng)度的差值。阿爾金山1970年和2010年冰川矢量邊界數(shù)據(jù)按山系名稱(chēng)屬性從中國(guó)第一次和第二次冰川編目數(shù)據(jù)集中直接截取，為提高數(shù)據(jù)精度和保證提取方法的一致性，2016年阿爾金山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)獲取采用中國(guó)第二次冰川編目方法，具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)［40］，在此不再贅述。對(duì)冰川長(zhǎng)度變化的計(jì)算，采用冰川長(zhǎng)度變化速率和冰川長(zhǎng)度變化相對(duì)速率兩種方式。計(jì)算方法為

式中：VGLC為冰川長(zhǎng)度變化速率（km·a-1）；PVGLC為冰川長(zhǎng)度變化相對(duì)速率（%·a-1）；GLi和GLj分別為i和j時(shí)期對(duì)應(yīng)的冰川長(zhǎng)度（km）；Yj-i為j至i期所用數(shù)據(jù)源的采集時(shí)間間隔（a）。

3 結(jié)果與分析

3.1 阿爾金山冰川長(zhǎng)度現(xiàn)狀

3.1.1 阿爾金山冰川長(zhǎng)度規(guī)模特征

圖2 2016年阿爾金山不同長(zhǎng)度等級(jí)的冰川數(shù)量與面積Fig.2 The number and area of glaciers of various length grades in the Altun Mountains in 2016

2016年阿爾金山共有冰川507條，面積272.95 km2，平均長(zhǎng)度1.02 km。將冰川按照平均長(zhǎng)度大小分為7個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)各等級(jí)的冰川長(zhǎng)度與數(shù)量（圖2），結(jié)果表明阿爾金山冰川的顯著特點(diǎn)是數(shù)量以長(zhǎng)度為0.2～1 km的冰川為主，面積以長(zhǎng)度2～5 km的冰川為主。其中，長(zhǎng)度＜2 km的冰川共444條，占阿爾金山冰川總數(shù)的87.57%。隨著冰川長(zhǎng)度等級(jí)的上升，冰川數(shù)量迅速減少，長(zhǎng)度＞8 km的冰川僅有1條（GLIMS編 碼為G087419E37923N）。長(zhǎng) 度 為2～5 km的冰川面積最大（132.17 km2），其次是長(zhǎng)度為1～2 km的冰川（58.91 km2），長(zhǎng)度為0.5～1 km與長(zhǎng)度＞5 km的冰川面積分別為25.86 km2和48.59 km2，四者共占阿爾金山冰川總面積的97.29%。長(zhǎng)度為0.2～0.5 km的冰川數(shù)量盡管較多（150條），但面積僅6.91 km2，占阿爾金山冰川總面積的2.53%?？傮w而言，阿爾金山各冰川長(zhǎng)度等級(jí)的冰川數(shù)量、面積均表現(xiàn)為明顯的偏態(tài)分布，其峰度系數(shù)和偏度系數(shù)分別為0.37和-1.66、1.48和2.22。

從空間分布來(lái)看，阿爾金山冰川主要分布在中段區(qū)域，冰川數(shù)量和面積分別為301條和140.90 km2，占整個(gè)區(qū)域的59.37%和51.62%，但其冰川平均面積和平均長(zhǎng)度最小，分別為0.47 km2和0.93 km。東段的冰川數(shù)量和面積雖然最小，分別為46條和38.90 km2，僅占整個(gè)區(qū)域的9.07%和14.25%，但其冰川平均面積和平均長(zhǎng)度最大，分別為0.84 km2和1.46 km。西段的冰川數(shù)量和面積分別為160條和93.15 km2，其平均面積和平均長(zhǎng)度略高于中段區(qū)域，分別為0.58 km2和1.05 km。

3.1.2 阿爾金山冰川長(zhǎng)度-海拔特征

山脈或山峰的絕對(duì)海拔高度及冰川平衡線(xiàn)以上的相對(duì)高差是影響山地冰川數(shù)量多少及其規(guī)模大小的主要地形因素［41］。由圖3可知，阿爾金山冰川長(zhǎng)度與其高程差之間呈明顯的相關(guān)關(guān)系（R2=0.796），即冰川高程差越大，冰川長(zhǎng)度越長(zhǎng)，這表明冰川長(zhǎng)度在一定程度上取決于冰川的相對(duì)高差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，阿爾金山高程差＜500 m的冰川有356條，其中334條冰川（93.82%）的長(zhǎng)度小于1 km；高程差＜1 000 m的483條冰川中有478條冰川（98.96%）的長(zhǎng)度小于4 km。冰川高程差＞1 000 m的冰川（24條）長(zhǎng)度均大于1 km，冰川最大高程差（1 595 m）與最大冰川長(zhǎng)度（8.30 km）均為同一條冰川（GLIMS編碼為G087419E37923N），也是該山系面積最大（13.86 km2）的冰川。

3.2 阿爾金山冰川長(zhǎng)度變化

3.2.1 阿爾金山冰川長(zhǎng)度和其他要素變化

圖3 2016年阿爾金山冰川的高程差與長(zhǎng)度的相關(guān)性Fig.3 The relation between length and altitude difference of glaciers in the Altun Mountains in 2016

對(duì)阿爾金山第一次和第二次冰川編目數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)第一次冰川編目漏畫(huà)了119條冰川，面積為14.28 km2（4.56%）。經(jīng)修訂后，1970年阿爾金山共發(fā)育冰川429條，面積為326.02 km2，平均長(zhǎng)度為1.28 km。1970—2016年期間阿爾金山冰川數(shù)量共增加78條（18.18%），但面積減少了53.07 km2（-16.28%），平均長(zhǎng) 度 減少0.26 km（-20.31%）。從三期冰川編目數(shù)據(jù)來(lái)看（表2），1970—2010年阿爾金山共有15條冰川消失，面積1.14 km2；22條冰川分裂為45條，面積由12.95 km2減少為11.23 km2；冰川總面積減少32.84 km2（-10.07%），面積變化相對(duì)速率為-0.25%·a-1，冰川平均長(zhǎng)度減少0.13 km（-10.16%），長(zhǎng)度變化相對(duì)速率為-0.25%·a-1。2010—2016年，阿爾金山共10條冰川分裂為23條，面積由2.64 km2減少為2.24 km2；冰川面積減少20.23 km2（-6.90%），面積變化相對(duì)速率為-1.15%·a-1，冰川平均長(zhǎng)度減少0.13 km（-11.30%），長(zhǎng)度變化相對(duì)速率為-1.88%·a-1。顯然，1970—2010年和2010—2016年阿爾金山冰川數(shù)量雖因冰川分裂而呈增加趨勢(shì)，但冰川面積及長(zhǎng)度均呈減少趨勢(shì)，即冰川整體呈退縮狀態(tài)，且2010—2016年的冰川面積和冰川長(zhǎng)度退縮速率較1970—2010年呈加快趨勢(shì)，表明阿爾金山冰川近期處于加速退縮趨勢(shì)，這與祁連山［42］、天山［43］等地區(qū)的研究結(jié)果一致。

表2 1970—2016年部分年份阿爾金山冰川數(shù)量、平均長(zhǎng)度和面積Table 2 The glacier number，average length and area in the Altun Mountains in 1970，2010 and 2016

3.2.2 阿爾金山冰川長(zhǎng)度變化特征

將冰川按照面積大小分為8個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)1970—2016年阿爾金山各面積等級(jí)的冰川數(shù)量與長(zhǎng)度變化（圖4）發(fā)現(xiàn)，除面積＜0.1 km2、0.1～0.2 km2和1～2 km2的冰川數(shù)量在1970—2016年間略有增加外，其余各面積規(guī)模的冰川數(shù)量均呈遞減趨勢(shì)；除面 積為1～2 km2和2～5 km2的 冰川 長(zhǎng) 度在1970—2016年間有所增加外，其余各面積規(guī)模的冰川長(zhǎng)度均呈遞減趨勢(shì)。其中，面積＜0.1 km2的冰川數(shù)量增加最多（40條），但其冰川長(zhǎng)度減少0.03 km；面積為0.2～0.5 km2的冰川數(shù)量減少最多（24條），其冰川長(zhǎng)度減少0.02 km；面積為1～2 km2的冰川數(shù)量增加1條，其冰川長(zhǎng)度增加最多（0.21 km）；面積為5～10 km2的冰川長(zhǎng)度變化速率最大（-0.0090 km·a-1）。從面積規(guī)模的冰川長(zhǎng)度變化相對(duì)速率來(lái)看，1970—2016年面積＜0.1 km2的冰川長(zhǎng)度退縮最快（-0.16%·a-1），面積為1～2 km2的冰川長(zhǎng)度增加最快（0.23%·a-1）。除面積為0.2～0.5 km2、0.5～1 km2和5～10 km2的 冰 川 長(zhǎng)度 在1970—2010年和2010—2016年均呈遞減趨勢(shì)外，其他面積規(guī)模的冰川長(zhǎng)度在1970—2010年和2010—2016年呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。其中，面積＜0.1 km2、0.1～0.2 km2和1～2 km2的冰川長(zhǎng)度在1970—2010年呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，在2010—2016年呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。1970—2010年面積為2～5 km2的冰川長(zhǎng)度變化相對(duì)速率最大（0.31%·a-1），2010—2016年面積＜0.1 km2的冰川長(zhǎng)度變化相對(duì)速率最大（-1.41%·a-1）。以圖5中的3條冰川為例，圖5（a）的冰川（GLIMS編碼為G088745E38241N）面積從1970年的0.031 km2減小到2016年的0.026 km2，長(zhǎng)度從1970年的0.043 km減小到2016年的0.027 km，相對(duì)變化速率分別為-0.37%·a-1和-0.79%·a-1；圖5（b）的冰川（GLIMS編碼為G087360E37909N）面積從1970年的2.54 km2減小到2016年的1.60 km2，長(zhǎng)度從1970年的4.41 km減小到2016年的3.71 km，相對(duì)變化速率分別為-0.81%·a-1和-0.35%·a-1；圖5（c）的冰川（GLIMS編碼為G087364E17964N）面積從1970年的6.33 km2減小到2016年的4.10 km2，長(zhǎng)度從1970年的4.41 km減小到2016年的3.79 km，相對(duì)變化速率分別為-0.77%·a-1和-0.31%·a-1。

圖4 1970—2016年部分年份阿爾金山不同面積等級(jí)的冰川數(shù)量與長(zhǎng)度Fig.4 The number and length of glaciers of various area grades in the Altun Mountains in 1970，2010 and 2016

1970—2016年阿爾金山不同區(qū)域冰川在不同時(shí)段均處于退縮狀態(tài)（表3），且冰川退縮的速率不同。1970—2010年，冰川總面積減少了32.84 km2，其中西段、中段和東段冰川面積分別減少了17.34 km2（-0.35%·a-1）、11.36 km2（-0.18%·a-1）和4.14 km2（-0.24%·a-1），冰川平均長(zhǎng)度減少了0.08 km，西段、中段和東段冰川平均長(zhǎng)度分別減少了0.11 km（-0.20%·a-1）、0.06 km（-0.12%·a-1）和0.11 km（-0.17%·a-1）。2010—2016年，冰川總面積減少了20.23 km2，其中西段、中段和東段冰川面積分別減少了11.08 km2（-1.77%·a-1）、8.53 km2（-0.95%·a-1）和0.61 km2（-0.26%·a-1），冰川平均長(zhǎng)度減少了0.08 km，西段、中段和東段冰川平均長(zhǎng)度分別減少了0.10 km（-1.31%·a-1）、0.07 km（-0.98%·a-1）和0.02 km（-0.21%·a-1）。從冰川長(zhǎng)度變化相對(duì)速率來(lái)看，1970—2010年阿爾金山不同區(qū)域冰川末端退縮速率雖有所差異，但基本處于同一數(shù)量等級(jí)；2010—2016年阿爾金山冰川末端退縮速率差異顯著增大，并呈現(xiàn)自東向西加快退縮態(tài)勢(shì)。

圖5 1970—2016年阿爾金山冰川面積與長(zhǎng)度變化示例Fig.5 Examples of glacier changes in area and length in the Altun Mountains in 1970，2010 and 2016

表3 1970—2016年阿爾金山不同區(qū)域冰川面積和平均長(zhǎng)度變化Table 3 The glacier area and average length in west，middle and east segments of the Altun Mountains in 1970，2010 and 2016，and their changing ratios

1970—2016年阿爾金山不同長(zhǎng)度規(guī)模的冰川呈現(xiàn)出不同程度的退縮趨勢(shì)。從單條冰川長(zhǎng)度與其相對(duì)變化速率［圖6（a）］來(lái)看，盡管二者之間并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，但總體特征依然表現(xiàn)為冰川長(zhǎng)度越小，冰川長(zhǎng)度變化速率越大，冰川退縮越快，對(duì)氣候變化的敏感性越強(qiáng)。其中，G087383E37892N冰川（GLIMS編碼）的冰川面積從1970年的8.42 km2減小到2016年的7.32 km2，冰川長(zhǎng)度相應(yīng)地由7.00 km減小到6.38 km，為冰川長(zhǎng)度減小的最大值。李治國(guó)等［44］、Kulkarni等［45］、晉銳等［46］對(duì)喜馬拉雅山地區(qū)冰川面積等級(jí)和冰川退縮的分析結(jié)果也得到類(lèi)似結(jié)論。從冰川長(zhǎng)度規(guī)模等級(jí)與其相對(duì)變化速率［圖6（b）］來(lái)看，二者總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。長(zhǎng)度小于2 km的冰川相對(duì)變化速率均小于-0.20%·a-1，其中長(zhǎng)度為0.25～0.5 km的冰川長(zhǎng)度變化最快（-0.53%·a-1），冰川長(zhǎng)度為0.5～1 km和1～2 km的冰川分別為-0.44%·a-1和-0.25%·a-1，冰川長(zhǎng)度大于5 km的冰川長(zhǎng)度變化最慢（-0.13%·a-1），這表明阿爾金山小規(guī)模冰川退縮更快，而規(guī)模較大冰川因其巨大的冷儲(chǔ)作用致使其退縮速率較慢，其中長(zhǎng)度小于0.25 km的冰川因大多位于海拔較高地區(qū)（平均海拔5 498 m）導(dǎo)致其相對(duì)穩(wěn)定。就不同冰川長(zhǎng)度規(guī)模等級(jí)的變化方差而言，長(zhǎng)度規(guī)模越大，其變化值的方差越大，長(zhǎng)度規(guī)模等級(jí)＜0.25 km和0.25～0.5 km的冰川長(zhǎng)度變化值方差小于0.001，長(zhǎng)度規(guī)模等級(jí)為0.5～1 km和1～2 km的冰川長(zhǎng)度變化值方差接近于0.001，長(zhǎng)度規(guī)模等級(jí)＞5 km的冰川長(zhǎng)度變化值方差最大，為0.079。

圖6 冰川長(zhǎng)度、長(zhǎng)度規(guī)模等級(jí)與冰川相對(duì)變化速率的關(guān)系Fig.6 The relative rate of variation in glacier length changing with glacier length（a）and with length grades（b）

對(duì)面積減少冰川的長(zhǎng)度進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)［圖7（a）］，阿爾金山冰川的退縮面積與冰川長(zhǎng)度減少值之間存在較明顯的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.31），基本呈現(xiàn)冰川面積退縮越大，冰川長(zhǎng)度減少越大的規(guī)律。冰川末端的退縮體現(xiàn)在冰川末端面積和冰川長(zhǎng)度的減少，直接導(dǎo)致冰川末端海拔的升高。阿爾金山冰川末端最低值從1970年的4 400 m上升到2016年的4 481 m，末端最高值從1970年的5 714 m上升到2016年的5 741 m，冰川末端的海拔分布范圍有所減小。由圖7（b）亦可知，阿爾金山冰川末端海拔上升越大，冰川末端長(zhǎng)度相應(yīng)地減少越多。

圖7 冰川退縮面積、末端海拔上升值與冰川長(zhǎng)度減少值的關(guān)系Fig.7 The relations between decrease of glacier length and shrink area（a）and between decrease of glacier terminus length and terminus elevation rise（b）

4 討論

4.1 氣候變化對(duì)冰川長(zhǎng)度的影響

冰川對(duì)氣候變化十分敏感，冰川變化在一定程度上反映了氣候變化，而冰川變化則直接體現(xiàn)在冰川長(zhǎng)度、面積、周長(zhǎng)和輪廓的改變。氣溫和降水是影響冰川發(fā)育的主要?dú)夂蛞蜃樱邓疀Q定冰川的積累，氣溫決定冰川的消融，它們的組合共同決定著冰川的性質(zhì)、發(fā)育和演化［41］。為探討氣候變化對(duì)冰川長(zhǎng)度變化的影響，選用距研究區(qū)最近的冷湖（93.20°E、38.45°N，海拔2 770 m）和且末（85.33°E、38.09°N，海拔1 247 m）2個(gè)氣象站的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)做參考。一般而言，冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有滯后效應(yīng)，同期的氣候資料并不能完全反映冰川變化和氣候之間的響應(yīng)關(guān)系［47］。由于缺乏長(zhǎng)期的野外觀測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法確定具體滯后時(shí)間，因此本文未考慮冰川對(duì)氣候變化響應(yīng)的滯后效應(yīng)。

由圖8可知，1970—2016年阿爾金山周邊區(qū)域氣溫呈較明顯的波動(dòng)上升態(tài)勢(shì)，冷湖和且末氣象站的 升 溫 率 分 別 為0.31℃·（10a）-1和0.39℃·（10a）-1，明顯高于全國(guó)升溫速率［48］。2016年氣溫達(dá)到近50年來(lái)的極高值，年平均氣溫維持在8.45℃左右，較近50年年均溫平均值高1.5℃；與氣溫明顯上升不同的是，研究區(qū)周邊降水波動(dòng)劇烈，冷湖和且末氣象站的降水變化率分別為-0.29 mm·（10a）-1和0.21 mm·（10a）-1，多年平均降水量維持在20.2 mm。相關(guān)研究表明［28，49］，在氣溫每升高1℃的情況下，需要降水增加25%才能彌補(bǔ)由升溫造成的冰川物質(zhì)虧損，以保證冰川平衡線(xiàn)穩(wěn)定。此外，根據(jù)蘇宏超等［50］對(duì)新疆近50年的氣溫變化研究，發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域的海拔越高，升溫趨勢(shì)越明顯，冰川覆蓋區(qū)域的升溫幅度可能更大，因此阿爾金山冰川長(zhǎng)度減少主要是由氣溫上升所導(dǎo)致。

圖8 1970—2016年阿爾金山地區(qū)氣溫與降水變化Fig.8 Annual variations of air temperature（a，c）and precipitation（b，d）in Lenghu（a，b）and Qiemo（c，d）in the Altun Mountains from 1970 to 2016

4.2 冰川長(zhǎng)度與面積、周長(zhǎng)的關(guān)系

當(dāng)氣候條件發(fā)生變化時(shí)，冰川的空間結(jié)構(gòu)將直接影響冰川消融的強(qiáng)弱程度，也將間接影響冰川長(zhǎng)度、面積和周長(zhǎng)的變化。分形理論是建立在物體的周長(zhǎng)-面積基礎(chǔ)上關(guān)于地物空間結(jié)構(gòu)的理論［51］，可用于定量表征冰川的幾何特征（長(zhǎng)度、面積和周長(zhǎng)）間的相關(guān)關(guān)系。以阿爾金山1970年、2010年和2016年的冰川數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定量分析冰川的長(zhǎng)度（L）-面積（S）［圖9（a）］和長(zhǎng)度（L）-周長(zhǎng)（C）［圖9（b）］的關(guān)系。得到關(guān)系式為

式（4）～（5）的確定系數(shù)R2均大于0.90，且二者所依據(jù)的冰川數(shù)量為1 403條，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)看樣本量是足夠的，即上述冰川長(zhǎng)度-面積和長(zhǎng)度-周長(zhǎng)關(guān)系式在一定程度上具有代表性。從二者的擬合關(guān)系來(lái)看，面積小于2 km2的冰川長(zhǎng)度大小與其面積關(guān)系更為緊密，從抽象角度來(lái)看小冰川形態(tài)近似為倒三角形；而規(guī)模較大的冰川長(zhǎng)度大小則與其周長(zhǎng)密切相關(guān)，這可能與此類(lèi)型多為復(fù)式山谷冰川，形態(tài)更為復(fù)雜有關(guān)?？傮w而言，冰川長(zhǎng)度受地形影響具有高度復(fù)雜性，雖然上述關(guān)系式難以得到準(zhǔn)確的冰川長(zhǎng)度數(shù)值，但仍不失為一種快速評(píng)估冰川長(zhǎng)度信息的手段。

圖9 冰川長(zhǎng)度與冰川面積和冰川周長(zhǎng)的關(guān)系Fig.9 The relations between glacier length and glacierized area（a）and between glacier length and glacier circumference（b）

4.3 冰川分裂對(duì)冰川長(zhǎng)度的影響

冰川分裂是冰川運(yùn)動(dòng)的一種形式，反映了冰川在氣溫和降水變化作用下由一條變成多條的過(guò)程。祝合勇［31］的研究表明，冰川面積越小，其空間形態(tài)越復(fù)雜，空間結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生消融。根據(jù)阿爾金山3期冰川矢量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)共有22條冰川發(fā)生分裂（其中1970—2010年15條，2010—2016年7條），大部分冰川（21條）面積小于1 km2。20條冰川在發(fā)生分裂后面積較分裂前要小，其中GLIMS編碼為G088841E38198N和G088909E38172N的冰川在發(fā)生分裂后其較大分支的末端處于前進(jìn)狀態(tài)，面積較分裂前大。冰川分裂對(duì)冰川長(zhǎng)度的影響較對(duì)冰川面積的影響較為復(fù)雜。根據(jù)冰川分裂前后的冰川長(zhǎng)度，可分為以下2種情況：

5 結(jié)論

本文基于阿爾金山1970—2016年三期冰川矢量數(shù)據(jù)和SRTM DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)提取不同時(shí)期各條冰川長(zhǎng)度信息，分析近50年來(lái)阿爾金山冰川長(zhǎng)度的變化狀況，并結(jié)合周邊氣象臺(tái)站資料對(duì)其變化原因進(jìn)行探討，得出以下結(jié)論：

（1）1970年阿爾金山共有冰川429條，面積326.02 km2；2010年阿爾金山共有冰川467條，面積293.18 km2；2016年阿爾金山共有冰川507條，面積272.95 km2，冰川數(shù)量以＜0.1 km2的冰川為主，面積以2～5 km2的冰川為主。1970—2016年阿爾金山冰川數(shù)量增加78條，但冰川面積減少53.07 km2（-1.15 km2·a-1），即該山系冰川整體呈現(xiàn)面積減少趨勢(shì)。

（2）2016年阿爾金山冰川平均長(zhǎng)度為1.02 km，與1970年相比冰川呈退縮趨勢(shì)，平均減少0.26 km（-20.31%）。2010—2016年的冰川面積和冰川長(zhǎng)度退縮速率較1970—2010年呈加快趨勢(shì)。阿爾金山冰川退縮程度在不同時(shí)段呈現(xiàn)一定的空間差異性，其中1970—2010年西段冰川退縮最快，東段最慢；2010—2016年中段冰川退縮最快，東段最慢。

（3）受影像空間分辨率的影響，1970年冰川平均長(zhǎng)度誤差為±64.62 m，占冰川平均長(zhǎng)度的±5.02%；2010年冰川平均長(zhǎng)度誤差為±33.12 m，占冰川平均長(zhǎng)度的±2.88%；2016年冰川平均長(zhǎng)度誤差為±33.49 m，占冰川平均長(zhǎng)度的±3.32%。基于遙感影像空間分辨率的提高，其對(duì)冰川平均長(zhǎng)度誤差的影響越來(lái)越小。

（4）阿爾金山冰川長(zhǎng)度變化與冰川自身規(guī)模及其變化存在密切關(guān)系，表現(xiàn)為冰川面積減少越多，冰川長(zhǎng)度減少越大，且冰川長(zhǎng)度越小，冰川末端退縮速率越大。同時(shí)，冰川長(zhǎng)度與冰川面積、周長(zhǎng)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，冰川形態(tài)和冰川末端的海拔高程值對(duì)冰川長(zhǎng)度均有一定影響。

致謝：感謝美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局及地理數(shù)據(jù)空間云平臺(tái)提供的Landsat遙感影像和DEM數(shù)據(jù)。