萨吾尔山木斯岛冰川反照率时空变化特征研究

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0150

冰川冻土 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (6): 1717-1729.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0150

• 冰冻圈与全球变化 • 上一篇

萨吾尔山木斯岛冰川反照率时空变化特征研究

余凤臣¹(), 王璞玉¹^,²^,³(), 刘琳¹(), 李宏亮²^,³, 张正勇¹, 王统霞¹, 何捷²^,³, 高煜¹, 张明羽¹

^1.石河子大学理学院，新疆石河子 832003
^2.中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室/ 天山冰川观测试验站，甘肃兰州 730000
^3.中国科学院大学，北京 100049

收稿日期:2022-06-21 修回日期:2022-09-26 出版日期:2022-12-25 发布日期:2023-01-18
通讯作者: 王璞玉,刘琳 E-mail:yufengchen678@163.com;wangpuyu@lzb.ac.cn;liulin779@163.com
作者简介:余凤臣，硕士研究生，主要从事冰川反照率及物质平衡模拟研究. E-mail： yufengchen678@163.com
基金资助:
中国科学院青年创新促进会(Y2021110);国家自然科学基金项目(41771077);石河子大学高层次人才科研启动项目(校20200075)

Study on the spatial and temporal variations of the surface albedo on Muz Taw Glacier， Sawir Mountains

Fengchen YU¹(), Puyu WANG¹^,²^,³(), Lin LIU¹(), Hongliang LI²^,³, Zhengyong ZHANG¹, Tongxia WANG¹, Jie HE²^,³, Yu GAO¹, Mingyu ZHANG¹

^1.School of Science，Shihezi University，Shihezi 832003，Xinjiang，China
^2.State Key Laboratory of Cryospheric Science / Tianshan Glaciological Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
^3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2022-06-21 Revised:2022-09-26 Online:2022-12-25 Published:2023-01-18
Contact: Puyu WANG, Lin LIU E-mail:yufengchen678@163.com;wangpuyu@lzb.ac.cn;liulin779@163.com

摘要/Abstract

摘要：

冰川反照率时空变化特征研究对于评估冰川能量物质平衡及认识冰川消融过程至关重要。本文基于高空间分辨率的Landsat OLI影像和高时间分辨率的MOD10A1产品，并结合冰面反照率实测数据，开展了2011—2021年北疆萨吾尔山木斯岛冰川表面反照率的时空变化特征及其对冰川物质平衡影响的研究。结果表明：Landsat反演反照率和MOD10A1反照率与同期内冰面实测反照率的相关性分别为0.95和0.62，均显示木斯岛冰川表面反照率存在显著的时空变化特征；在空间尺度上，冰面反照率沿主流线整体随海拔升高呈增加趋势。但由于局部地形差异，反照率在海拔3 600 m以下区域随海拔升高出现下降趋势；在同一海拔处，反照率沿冰川两侧边缘向中部递增。2011—2021年，冰川年均反照率微弱增加，消融期内（5—8月）平均反照率与全年平均反照率的变化速率分别为0.0024 a^-1和0.0017 a^-1；逐月反照率具有显著的季节变化特征，6—8月冰面反照率较低（0.330），12月—次年2月冰面反照率较高（0.586）；消融期内冰川消融区反照率下降幅度大于积累区。研究进一步表明，夏季（6—8月）平均反照率与冰川物质平衡存在显著的正相关（R=0.84，P<0.01），气温、固态降水、云量、太阳入射角、吸光性杂质等是影响冰川反照率变化的重要因素。该研究将对冰川消融过程和机理、能量物质平衡模拟等工作提供重要的基础支撑。

关键词: 木斯岛冰川, 冰川反照率, 时空变化, MOD10A1, Landsat OLI

Abstract:

Glacier surface albedo impacts the energy budget on the glacier surface， the variability of which strongly affects glacier melting and mass balance. Therefore， it is crucial to investigate the spatial and temporal variations of glacier surface albedo. Taking this into account， the spatial and temporal variations of albedo and the relationship between glacier surface albedo and mass balance were investigated using Landsat images， MODIS daily albedo products and the in situ measured albedo from Automated Weather Station installed on Muz Taw Glacier， Sawir Mountains during 2011 to 2021. The results indicated that the surface albedo derived from Landsat and MOD10A1 were consistent with the measured albedo for the same period with the coefficient of determination reaching to 0.95 （P<0.05） and 0.62 （P<0.01）， respectively. The significant spatial and temporal characteristics of albedo on Muz Taw Glacier were existed. On the spatial scale， the surface albedo increased with the altitude rising along the glacier central flowline. However， the albedo decreased with the altitude rising at an altitude of more than 3 600 m a.s.l. due to the topographic differences. At the same altitude， the albedo gradually increased from the glacier boundary to the middle part. During 2011 to 2021， the average surface albedo increased at the lower rate of 0.0024 a^-1 in the ablation period from May to August， and the annual average increase rate was 0.0017 a^-1 in the same period. The monthly average albedo changed obviously in the different seasons. It was lower from June to August with an average value of 0.330 and higher from December to February in the next year with an average value of 0.586. The albedo in the ablation zone decreased faster than that in the accumulation zone during the ablation period. The study further confirmed that there was a significant positive correlation between the average surface albedo in summer from June to August and the annual glacier mass balance with the coefficient of determination reaching to 0.84 （P<0.01）. Air temperature， solid precipitation， cloud amount， solar incident angle and light absorbing impurities were important factors affecting the albedo variation. This study will provide basic support for studying glacier ablation process and mechanism glacier energy and mass balance simulation， etc.

Key words: Muz Taw Glacier, glacier surface albedo, spatial and temporal variation, MOD10A1, Landsat OLI

中图分类号:

P343.6

余凤臣, 王璞玉, 刘琳, 李宏亮, 张正勇, 王统霞, 何捷, 高煜, 张明羽. 萨吾尔山木斯岛冰川反照率时空变化特征研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1717-1729.

Fengchen YU, Puyu WANG, Lin LIU, Hongliang LI, Zhengyong ZHANG, Tongxia WANG, Jie HE, Yu GAO, Mingyu ZHANG. Study on the spatial and temporal variations of the surface albedo on Muz Taw Glacier， Sawir Mountains[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(6): 1717-1729.

图/表 13

图1

表1

表2

表3

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

参考文献 51

1	Qin Dahe， Ding Yongjian， Xiao Cunde， et al. Cryospheric science： research framework and disciplinary system［J］. National Science Review， 2018， 5（2）： 255-268.
2	Wang Puyu， Li Zhongqin， Li Huilin， et al. Characteristics of a partially debris-covered glacier and its response to atmospheric warming in Mt. Tomor， Tien Shan， China［J］. Global and Planetary Change， 2017， 159： 11-24.
3	Li Zhongqin， Li Kaiming， Wang Lin. Study on recent glacier changes and their impacton water resources in Xinjiang， North Western China［J］. Quaternary Sciences， 2010， 30（1）： 96-106.
	李忠勤，李开明，王林. 新疆冰川近期变化及其对水资源的影响研究［J］. 第四纪研究， 2010， 30（1）： 96-106.
4	Yang Wei， Guo Xiaofeng， Yao Tandong， et al. Summertime surface energy budget and ablation modeling in the blation zone of a maritime Tibetan glacier［J］. Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 2011， 116（D14）： D14116.
5	Wang Puyu， Li Zhongqin， Schneider Christoph， et al. A test study of an energy and mass balance model application to a site on Urumqi Glacier No.1， Chinese Tian Shan［J］. Water， 2020， 12（10）： 2865
6	Zhu Meilin， Yao Tandong， Yang Wei， et al. Energy-and mass-balance comparison between Zhadang and Parlung No.4 glaciers on the Tibetan Plateau［J］. Journal of Glaciology， 2015， 61（227）： 595-607.
7	Sun Weijun， Qin Xiang， Ren Jiawen， et al. Surface energy balance in the accumulation zone of the Laohugou Glacier No.12 in the Qilian Mountains during ablation period［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2011， 33（1）： 38-46.
	孙维君，秦翔，任贾文，等. 祁连山老虎沟12号冰川积累区消融期能量平衡特征［J］. 冰川冻土， 2011， 33（1）： 38-46.
8	Dowson A J， Sirguey P， Cullen N J. Variability in glacier albedo and links to annual mass balance for the gardens of Eden and Allah， Southern Alps， New Zealand［J］. The Cryosphere， 2020， 14（10）： 3425-3448.
9	Dickinson R E. Land surface processes and climate-surface albedos and energy balance［J］. Advances in Geophysics， 1983， 25（12）： 305-353.
10	Li Yaojun， Ding Yongjian， Shangguan Donghui， et al. Climate-driven acceleration of glacier mass loss on global and regional scales during 1961—2016［J］. Science China Earth Sciences， 2021， 51（3）： 453-464.
	李耀军，丁永建，上官冬辉，等. 1961—2016年全球变暖背景下冰川物质亏损加速度研究［J］. 中国科学：地球科学， 2021， 51（3）： 453-464.
11	Farinotti D， Longuevergne L， Moholdt G， et al. Substantial glacier mass loss in the Tien Shan over the past 50 years［J］. Nature Geoscience， 2015， 8（9）： 716-722.
12	Wang Puyu， Li Zhongqin， Li Hongliang， et al. Glaciers in Xinjiang， China： past changes and current status［J］. Water， 2020， 12（9）： 2367.
13	Zhang Zhengyong， He Xinlin， Liu Lin， et al. Ecological service functions and value estimation of glaciers in the Tianshan Mountains， China［J］. Acta Geographica Sinica， 2018， 73（5）： 856-867.
	张正勇，何新林，刘琳，等. 中国天山冰川生态服务功能及价值评估［J］. 地理学报， 2018， 73（5）： 856-867.
14	Zhang Yulan， Gao Tanguang， Kang Shichang， et al. Albedo reduction as an important driver for glacier melting in Tibetan Plateau and its surrounding areas［J］. Earth-Science Reviews， 2021， 220： 103735.
15	Brun F， Berthier E， Wagnon P， et al. A spatially resolved estimate of High Mountain Asia glacier mass balances from 2000 to 2016［J］. Nature geoscience， 2017， 10（9）： 668-673.
16	Tedesco M， Fettweis X， Van D B M R， et al. The role of albedo and accumulation in the 2010 melting record in Greenland［J］. Environmental Research Letters， 2011， 6（1）： 014005.
17	Marshall S J， Miller K. Seasonal and interannual variability of melt-eason albedo at Haig Glacier， Canadian Rocky Mountains［J］. The Cryosphere， 2020， 14（10）： 3249-3267.
18	Mortimer C A， Sharp M. Spatiotemporal variability of Canadian High Arctic glacier surface albedo from MODIS data， 2001–2016［J］. The Cryosphere， 2018， 12（2）： 701-720.
19	Yue Xiaoying， Li Zhongqin， Wang Feiteng， et al. The characteristics of surface albedo on the Urumqi Glacier No.1 during the ablation season in eastern Tien Shan［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2021， 43（5）： 1412-1423.
	岳晓英，李忠勤，王飞腾，等. 天山乌鲁木齐河源1号冰川消融期反照率特征［J］. 冰川冻土， 2021， 43（5）： 1412-1423.
20	Xu Tianli， Wu Guangjian， Zhang Xuelei， et al. Albedo on glaciers in the Tibetan Plateau based on MODIS data：spatiotemporal distribution and variation［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2018， 40（5）： 875-883.
	徐田利，邬光剑，张学磊，等. 基于MODIS数据的青藏高原冰川反照率时空分布及变化研究［J］. 冰川冻土， 2018， 40（5）： 875-883.
21	Wang Zongtai. New statistical figures and dstribution feature of glaciers on the various mountains in China［J］. Arid Land Geography， 1988， 11（3）： 11-17.
	王宗太. 中国各山脉的冰川最新统计及其分布特征［J］. 干旱区地理， 1988， 11（3）： 11-17.
22	Shi Yafeng， Liu Chaohai， Wang Zongtai，et al. Concise China glacier inventory［M］.Shanghai： Shanghai Science Popularization Press， 2005： 101-105.
	施雅风，刘潮海，王宗太，等. 简明中国冰川编目［M］.上海：上海科学普及出版社， 2005： 101-105.
23	Wang Yanqiang， Zhao Jun， Li Zhongqin， et al. Glacier changes in the Sawuer Mountain during 1977—2017 and their response to climate change［J］. Journal of Natural Resource， 2019， 34（4）： 802-814.
	王炎强，赵军，李忠勤，等. 1977—2017年萨吾尔山冰川变化及其对气候变化的响应［J］. 自然资源学报， 2019， 34（4）： 802-814.
24	Huai Baojuan， Li Zhongqin， Wang Feiteng， et al. Glacier volume estimation from ice-thickness data， applied to the Muz Taw glacier， Sawir Mountains， China［J］. Environmental Earth Sciences， 2015， 74（3）： 1-10.
25	Panagiotopoulos F， Shahgedanova M， Hannachi A， et al. Observed trends and teleconnections of the Siberian high： a recently declining center of action［J］. Journal of climate， 2005， 18（9）： 1411-1422.
26	Xu Chunhai， Li Zhongqin， Wang Feiteng， et al. Spatio-temporal changes of mass balance in the ablation area of the Muz Taw Glacier， Sawir Mountains， from multi-temporal terrestrial geodetic surveys［J］. Remote Sensing， 2021， 13（8）： 1465.
27	Huang Wei， Zhang Liangpei， Li Pingxiang. An improved topographic correction approach for satellite image［J］. Journal of Image and Graphics， 2005（9）： 1124-1128.
	黄微，张良培，李平湘. 一种改进的卫星影像地形校正算法［J］. 中国图象图形学报， 2005（9）： 1124-1128.
28	Liang S. Narrowband to broadband conversions of land surface albedo I： algorithms［J］. Remote sensing of environment， 2001， 76（2）： 213-238.
29	Duguay C R， Ledrew E F. Estimating surface reflectance and albedo over rugged terrain from Landsat-5 Thematic Mapper［J］. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing， 1992， 58（5）： 551-558.
30	Knap W H， Reijmer C H， Oerlemans J. Narrowband to broadband conversion of Landsat TM glacier albedos［J］. International Journal of Remote Sensing， 1999， 20（10）： 2091-2110.
31	Gratton D J， Howarth P J， Marceau D J. Using Landsat-5 thematic mapper and digital elevation data to determine the net radiation field of a mountain glacier［J］. Remote Sensing of Environment， 1993， 43（3）： 315-331.
32	Greuell W， Reijmer C H， Oerlemans J. Narrowband-to-broadband albedo conversion for glacier ice and snow based on aircraft and near-surface measurements［J］. Remote Sensing of Environment， 2002， 82（1）： 48-63.
33	Mao Ruijuan， Xi Jang， Guo Zhongming， et al. Study of the inversion precision of albedo on the Qiyi Glacier in the Qilian Mountain based on TM/ETM+ image［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2013， 35（2）： 301-309.
	毛瑞娟，蒋熹，郭忠明，等. 基于TM/ETM+影像反演祁连山七一冰川反照率精度比较研究［J］. 冰川冻土， 2013， 35（2）： 301-309.
34	Qin Dahe， Zhou Botao， Xiao Cunde. Progress in studies of cryospheric changes and their impacts on climate of China［J］. Acta Meteorologica Sinica， 2014， 72（5）： 869-879.
	秦大河，周波涛，效存德. 冰冻圈变化及其对中国气候的影响［J］. 气象学报， 2014， 72（5）： 869-879.
35	Gardner A S， Sharp M J. A review of snow and ice albedo and the development of a new physically based broadband albedo parameterization［J］. Journal of Geophysical Research： Earth Surface， 2010， 115： F01009.
36	Wang Junyao， Huai Baojuan， Wang Yetang， et al. Spatiotemporal variation of albedo of four representative glaciers in the Heihe River Basin based on multi-source data［J］. Arid Zone Research， 2020， 37（6）： 1396-1405.
	王俊瑶，怀保娟，王叶堂，等. 基于MOD10A1的祁连山黑河流域典型冰川反照率时空变化研究［J］. 干旱区研究， 2020， 37（6）： 1396-1405.
37	Yue Xiaoying， Li Zhongqin， Zhao Jun， et al. Changes in the end-of-summer snow line altitude of summer-accumulation-type glaciers in the Eastern Tien Shan Mountains from 1994 to 2016［J］. Remote Sensing， 2021， 13（6）： 1080.
38	Wang Jie， Ye Baisheng， Cui Yuhuan， et al. Spatial and temporal variations of albedo on nine glaciers in western China from 2000 to 2011［J］. Hydrological Processes， 2014， 28（9）： 3454-3465.
39	Jiang Xi， Wang Ninglian， He Jianqiao， et al. A distributed surface energy and mass balance model and its application to a mountain glacier in China［J］. Chinese Science Bulletin， 2010， 55（20）： 2079-2087.
40	Wu Xuejiao， Wang Ninglian， Lu Anxin， et al. Variations in albedo on Dongkemadi glacier in Tanggula Range on the Tibetan Plateau during 2002—2012 and its linkage with mass balance［J］. Arctic Antarctic and Alpine Research， 2015， 47（2）： 281-292.
41	Dumont M， Gardelle J， Sirguey P， et al. Linking glacier annual mass balance and glacier albedo retrieved from MODIS data［J］. The Cryosphere， 2012， 6（6）： 1527-1539.
42	Wang Puyu， Li Zhongqin， Li Huilin， et al. Comparison of glaciological and geodetic mass balance at Urumqi Glacier No. 1， Tian Shan， Central Asia［J］. Global and Planetary Change， 2014， 114： 14-22.
43	Liu Yushuo， Qin Xiang， Chen Jizu， et al. Variations of Laohugou Glacier No. 12 in the western Qilian Mountains， China， from 1957 to 2015［J］. Journal of Mountain Science， 2018， 15（1）： 25-32.
44	Yao Tandong， Thompson L， Yang Wei， et al. Different glacier status with atmospheric circulations in Tibetan Plateau and surroundings［J］. Nature Climate Change， 2012， 2（9）： 663-667.
45	Kylling A， Dahlback A， Mayer B. The effect of clouds and surface albedo on UV irradiances at a high latitude site［J］. Geophysical Research Letters， 2000， 27（9）： 1411-1414.
46	Chen Jizu， Qin Xiang， Kang Shichang， et al. Effects of clouds on surface melting of Laohugou glacier No. 12， western Qilian Mountains， China［J］. Journal of Glaciology， 2018， 64（243）： 1-11.
47	Michiel V D B， Carleen R， Dirk V A， et al. Daily cycle of the surface energy balance in Antarctica and the influence of clouds［J］. International Journal of Climatology， 2006， 26（12）： 1587-1605.
48	Jiang Xi. Progress in the research of snow and ice albedo［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2006， 28（5）： 728-738.
	蒋熹. 冰雪反照率研究进展［J］. 冰川冻土， 2006， 28（5）： 728-738.
49	Thind P S， Chandel K K， Sharma S K， et al. Light-absorbing impurities in snow of the Indian Western Himalayas： impact on snow albedo， radiative forcing， and enhanced melting.［J］. Environmental Science and Pollution Research international， 2019， 26（8）： 7566-7578.
50	Zhang Yulan， Gao Tanguang， Kang Shichang， et al. Effects of black carbon and mineral dust on glacial melting on the Muz Taw glacier， Central Asia［J］. Science of the Total Environment， 2020， 740（10）： 140056.
51	Li Xiaofei， Kang Shichang， He Xiaobo， et al. Light-absorbing impurities accelerate glacier melt in the Central Tibetan Plateau［J］. Science of the Total Environment， 2017， 587： 482-490.

获取时间	轨道号	传感器	空间分辨率	太阳方位角	太阳高度角
2018-06-05	145/27	OLI	30 m	144.02°	61.29°
2018-07-07	145/27	OLI	30 m	141.35°	60.70°
2019-08-27	145/27	OLI	30 m	151.55°	49.65°
2019-10-14	145/27	OLI	30 m	162.98°	33.08°
2020-05-09	145/27	OLI	30 m	148.97°	56.88°
2020-09-14	145/27	OLI	30 m	156.68°	43.49°

像元值	地物属性	像元值	地物属性
0~100	积雪反照率	150/151	云层
101	不确定地物类型	250	数值缺失
111	夜间	251	自身阴影
125	陆地	252	陆地界限不匹配
137	内陆水域	253	BRDF故障
139	海洋	254	数据不匹配

[1]	牟献友, 宝山童, 张宝森, 翟涌光, 冀鸿兰. 基于遥感影像分析1989—2019年黄河内蒙古段河冰时空变化[J]. 冰川冻土, 2022, 44(5): 1440-1455.
[2]	岳晓英,李忠勤,王飞腾,李宏亮,沈思民. 天山乌鲁木齐河源1号冰川消融期反照率特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1412-1423.
[3]	卢新玉,陈仁升,刘艳,王秀琴,宋志国. 我国新疆北部地区雪面雨日数时空变化特征分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1446-1457.
[4]	王秀娜, 丁永建, 王建, 赵传成. 1960—2017年河西地区降水时空变化特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1179-1189.
[5]	王俊奇, 王广军, 梁四海, 杜海波, 彭红明. 1996—2015年黄河源区植被覆盖度提取和时空变化分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 662-674.
[6]	陈方方, 罗栋梁, 刘磊, 金会军, 李超. 1901—2018年三江源地区大气冻融指数变化特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 417-426.
[7]	王慧, 王梅霞, 王胜利, 余行杰. 1961—2017年新疆积雪期时空变化特征及其与气象因子的关系[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 61-69.
[8]	马翔宇, 李传金. 三极地区雪冰中黑碳研究进展[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 92-106.
[9]	张沛, 龙爱华, 海洋, 邓晓雅, 王浩, 刘静, 李扬. 1988—2015年新疆农业用水时空变化与政策驱动研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 242-253.
[10]	刘义花, 马元仓, 杨延华, 李斌春, 朱宝文. 1961 - 2018年青海高原昼夜雨量时空变化特征分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 996-1006.
[11]	吕婷, 武胜利, 葛欢欢, 李京龙. 1962 - 2013年新疆阿勒泰极端气温时空变化特征[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 745-755.
[12]	周晓宇, 赵春雨, 崔妍, 刘鸣彦, 敖雪, 李娜, 李经纬. 1961 - 2017年中国东北地区降雪时空演变特征分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 766-779.
[13]	任景全, 刘玉汐, 王冬妮, 王亮, 孙月, 郭春明, 李琪. 吉林省季节冻土区年冻融指数的时空变化特征[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 430-438.
[14]	贾翔, 李琪. 提孜那甫河流域山区冬季牲畜宿营地时空变化特征[J]. 冰川冻土, 2020, 42(2): 716-726.
[15]	姚超, 王欣, 赵轩茹, 魏俊锋, 张勇. 1990—2018年中巴经济走廊冰湖时空变化特征[J]. 冰川冻土, 2020, 42(1): 33-42.

萨吾尔山木斯岛冰川反照率时空变化特征研究

Study on the spatial and temporal variations of the surface albedo on Muz Taw Glacier， Sawir Mountains

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 51

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0