冰川冻土, 2019, 41(6): 1313-1325 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0017

1956—2017年河西内流区冰川资源时空变化特征

高永鹏,1, 姚晓军,1, 刘时银2,3, 祁苗苗1, 段红玉1, 刘娟1, 张大弘1

1.西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070

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，甘肃 兰州 730000

3.云南大学 国际河流与生态安全研究院，云南 昆明 650500

Spatial-temporal variation of glacier resources in the Hexi interior from 1956 to 2017

GAO Yongpeng,1, YAO Xiaojun,1, LIU Shiyin2,3, QI Miaomiao1, DUAN Hongyu1, LIU Juan1, ZHANG Dahong1

1.College of Geography and Environment Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China

2.State Key Laboratory of Cryosphere Sciences，Northwest Institute of Eco-Environmental and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

3.Institute of International Rivers and Eco-Security，Yunnan University，Kunming 650500，China

通讯作者: 姚晓军， E-mail： xj_yao@nwnu.edu.cn.

编委: 周成林

收稿日期: 2018-08-27   修回日期: 2019-04-16  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41561016.  41861013.  41801052
科技部基础性工作专项.  2013FY111400
西北师范大学青年教师科研能力提升计划项目.  NWNU-LKQN-14-4

Received: 2018-08-27   Revised: 2019-04-16  

作者简介 About authors

高永鹏（1990—），男，甘肃泾川人，2016年在西北师范大学获学士学位，现为西北师范大学在读硕士研究生，从事3S技术应用与冰川变化研究.E-mail：gaoyongpeng_geogis@163.com , E-mail：gaoyongpeng_geogis@163.com

摘要

基于修订后的河西内流区第一、 第二次冰川编目数据及2016—2017年Landsat OLI遥感影像， 对河西内流区1956—2017年冰川时空变化特征进行分析。结果表明： ①河西内流区现有冰川1 769条， 面积976.59 km2， 冰储量约49.82 km3。冰川面积以介于0.1 ~ 10 km2的冰川为主， 数量以<0.5 km2的冰川为主。祁连山是该区域冰川集中分布区， 其冰川数量、 面积和冰储量分别占该区域冰川相应总量的98.47%、 97.52%和97.53%。②疏勒河流域（5Y44）冰川数量、 面积及冰储量最多（最大）， 冰川平均面积为0.81 km2， 石羊河流域（5Y41）最少（最小）。从四级流域来看， 宁掌等流域（5Y445）冰川最为发育， 冰川数量、 面积及储量均最大， 宰尔莫合流域（5Y446）冰川平均面积最大（1.80 km2）， 夹道沟-潘家河流域（5Y422）最小， 仅有0.05 km2。③近60年河西内流区冰川数量减少556条， 面积减少417.85 km2， 冰储量损失20.16 km3。面积介于0.1 ~ 0.5 km2之间的冰川数量与面积减少最多（457条和 -117.49 km2）， 海拔4 400 ~ 5 400 m区间是冰川面积集中退缩的区域（98.55%）， 北朝向冰川面积减少最多（-219.92 km2）且冰川退缩速率最快（-3.61 km2·a-1）。④1956—2017年河西内流区各流域冰川面积均呈退缩态势， 区内冰川变化呈自西向东逐渐加快的趋势， 但有3条冰川在1986—2017年出现不同程度的前进， 气温升高是该区域冰川退缩的主要原因。

关键词： 冰川变化 ; 冰川编目 ; 气候变化 ; 河西内流区

Abstract

Based on the revised First and Second Chinese Glacier Inventories and Landsat OLI imagery in 2016 - 2017， we analyzed the spatial-temporal variation characteristics of glaciers in the Hexi interior from 1956 to 2017 and researched the cause and mechanisms of glacier changes using temperature and precipitation data. The results showed that： ① In total， there were 1 769 glaciers covering an area of 976.59 km2 and having ice volume of 49.82 km3 in the Hexi interior in 2016/2017. The glaciers in 0.1~10 km2 interval contained the largest area and that <0.5 km2 interval had the maximum number. The glaciers in the study area were mainly distributed in the Qilian Mountains， where the glacier number， area and ice volume accounted for 98.47%， 97.52% and 97.53%， respectively. ② The Shule River contained the most of the glaciers number， area and ice volume， with average glacier area of 0.81 km2. However， in the Shiyang River it was the minimum. In the fourth class watersheds， the most developmental glacier in the Ningzhang basin included most of the glaciers number， area and ice volume， and the maximum average glacier area was in the Zalmoho basin. To the contrary， Jiadaogou-Panjia River had the minimum average glacier area （0.05 km2）. ③ In the past 60 years， the area， number and volume of glaciers had decreased by 417.85 km2， 556 and 20.16 km3， respectively. The majority of glacier area loss in the Hexi interior had been mainly concentrated in between 4 400~5 400 m a.s.l. and the area and number of glaciers in the 0.1~0.5 km2 interval constituted the main body of the loss （457 glaciers and -117.49 km2）. Within the study region， glaciers with the north orientation suffered the largest area loss， while those with the northwest orientation had the fast change in glacier area. ④ During the period from 1956 to 2017， the glacier area of different drainage basins had a tendency of retreat in the Hexi interior and the glacier change was gradually accelerated from west to east. However， there were three glaciers had clearly advanced during 1986 - 2017. The main reason for glacier retreat in this region was temperature rising.

Keywords： glacier change ; glacier inventory ; climate change ; Hexi interior

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本文引用格式

高永鹏, 姚晓军, 刘时银, 祁苗苗, 段红玉, 刘娟, 张大弘. 1956—2017年河西内流区冰川资源时空变化特征[J]. 冰川冻土, 2019, 41(6): 1313-1325 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0017

GAO Yongpeng, YAO Xiaojun, LIU Shiyin, QI Miaomiao, DUAN Hongyu, LIU Juan, ZHANG Dahong. Spatial-temporal variation of glacier resources in the Hexi interior from 1956 to 2017[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2019, 41(6): 1313-1325 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0017

0 引言

山地冰川不仅是冰冻圈的重要组成部分， 而且是地球表面重要的淡水资源， 也是诸多大江大河的源头， 被誉为“固体水库”［1-2］。冰川水资源作为全球水循环和物质平衡的重要组成部分［3］， 既是冰川融水径流预测模型的重要输入参数， 也是评估其对河川径流影响及制定水资源合理利用措施的重要指标， 亦是预测海平面未来变化的重要前提［4］。冰川变化对水资源、 水循环、 海平面升降、 大气环流、 气候与环境等具有重要影响， 尤其对于我国西北干旱区自然生态环境演变和社会经济文明发展具有重要意义［5］。河西走廊地处西北内陆， 是“丝绸之路经济带”最重要的经济贸易和文化交流通道之一。因此， 探讨河西内流区冰川资源变化对于保障河西内陆地区水资源安全及欧亚经济发展大通道建设具有重要的理论意义与现实意义。

根据中国第二次冰川编目数据， 我国西部现有冰川48 571条， 总面积约5.148×104 km2， 居亚洲首位， 占世界冰川（除南极和格陵兰冰盖外）面积的7.1%［6］。随着全球气温升高， 特别是1980s以来， 中国冰川作用区普遍处于负物质平衡状态， 并呈现退缩减薄趋势［7-10］， 河西内流区也不例外。河西内流区冰川集中分布于祁连山［8］， 随着遥感技术的快速发展［11］， 近年来对祁连山的冰川变化监测和物质平衡研究逐渐加强， 并取得重要进展。孙美平等［8］指出近50年间祁连山冰川面积和冰储量分别减少420.81 km2（-20.88%）和21.63 km3（-20.26%）； 高永鹏等［4］研究表明2000—2010年祁连山冰川厚度平均减薄（5.68±2.76） m， 冰川储量减少（1.59±0.72） Gt。冰川融水作为河西内流区诸河重要的补给源及地方社会经济发展和人民生活的重要保障， 基于流域尺度的冰川变化受到越来越多学者的关注［12-14］。然而， 目前对于河西内流区冰川变化的认识多集中于黑河流域［15-16］、 北大河流域［17］及摆浪河流域［18］等三、 四级流域， 尚缺乏对河西内流区冰川变化规律的整体性认识。因此， 本文基于中国第一、 二次冰川编目和2016—2017年Landsat OLI遥感影像数据， 对近60年来河西内流区冰川变化的一般规律进行探讨， 以期为河西地区水资源合理配置及政府决策制订提供科学依据。同时也将为本研究团队预测青藏高原冰川未来变化及其与区域性冰川变化（如冈底斯山、三江源等）对比研究提供数据支撑。

1 研究区概况

河西内流区（37°17′ ~ 42°48′ N，93°23′ ~ 104°12′ E）地处甘肃省西北部， 东起乌鞘岭，南达祁连山和阿尔金山主分水岭北坡， 西与新疆维吾尔自治区衔接， 北至内蒙古自治区与蒙古国边界（图1）。全区东西长约1 000 km， 南北宽约40 ~ 100 km， 总面积为2.8×104 km2［19］。区内地势由东北向西南逐渐升高， 最高峰为团结峰（又名岗则吾结， 5 826 m）， 祁连山南部地区海拔大部分处于3 000 ~ 3 500 m以上， 其余部分基本由山前冲积和洪积平原组成， 海拔多介于1 300 ~ 2 500 m之间。河西内流区位于欧亚大陆腹地和中国西北荒漠区东翼， 属于干旱少雨， 蒸发强烈的北方强沙尘暴多发地区。多年平均气温约为7.06 ℃， 年降水量138 mm， 降水量自东南向西北逐渐减少［8］， 个别地区在50 mm以下。区内共有大小河流60余条， 各河径流量一般每年4月随气温上升开始增加， 尤其在东部， 积雪较多， 常形成春汛， 西部冬季干燥， 6—8月为洪水期。

图1

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图1   河西内流区冰川分布

Fig.1   The distribution of glaciers in the Hexi interior


据中国第二次冰川编目［6］， 河西内流区共发育冰川2 056条 ，面积1 072.77 km2， 占中国冰川总面积的2.07%。从冰川类型来看， 河西内流区冰川属亚大陆型冰川与极大陆型冰川。在中国冰川编目中， 河西内流区（5Y4）冰川分属于祁连山北坡及阿尔金山东端的石羊河流域（5Y41）、 黑河流域（5Y42）、 北大河流域（5Y43）、 疏勒河流域（5Y44）和党河流域（5Y45）。

2 数据与方法

2.1　数据源

河西内流区第一、 二次冰川编目所采用的数据源分别为1960s基于航空摄影测量技术制作的1∶5万及1∶10万航测地形图和2005—2010年6景质量较好的Landsat TM/ETM+遥感影像。2016—2017年所采用的河西内流区冰川矢量数据为从美国地质调查局网站（http：//glovis.usgs.gov）获取的7景Landsat OLI遥感影像（表1）， 其中5景遥感影像采集时间为2017年， 2景为2016年。

表1   2016—2017年河西内流区冰川矢量数据解译采用的Landsat OLI遥感影像

Table 1  Landsat OLI images being adopted to obtain glacier vector data in the Hexi interior from 2016 to 2017

序号轨道号获取日期序号轨道号获取日期
PathRowPathRow
1132342016-07-225136332017-07-05
2133332017-07-166137332017-09-30
3134332016-07-047138332017-07-03
4135332017-08-15

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河西内流区两次冰川编目所用的数字高程模型（DEM）数据分别为地形图和SRTM V4.1。与SRTM DEM相比， ASTER GDEM受地形影响较小， 且分辨率高［20］， 因此本文选择的数字高程模型（DEM）数据为ASTER GDEM V2产品， 用于提取山脊线， 获得各冰川区山脊线矢量数据， 对冰川边界进行分割， 得到各单条冰川的矢量数据， 并计算冰川海拔、 朝向、 长度等属性信息。该数据由日本METI和美国NASA联合研制， 并于2015年1月6日以1°×1°的图幅大小免费向公众分发， 空间分辨率为1弧秒（30 m）， 从中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn）下载获得。此外， 本文选用河西地区国家基准气候站——武威（37.91° N， 102.67° E）、 张掖（38.93° N， 100.43° E）和酒泉（39.77° N， 98.48° E）气象站的气温和降水月值数据集及中国地面气温与降水月值0.5°×0.5°格点数据集作为河西内流区气候背景参考， 该数据由国家气象科学数据共享服务平台（http：//data.cma.cn）提供。

2.2　方法

目前，一些学者研究发现， 因数据质量及当时技术手段限制， 中国西部冰川区第一次冰川编目数据集存在不同程度的缺陷， 如少量冰川边界绘制错误、 小冰川被遗漏或部分季节性雪斑被误识别为冰川等［21］。为确保冰川矢量数据精度及质量， 本文运用两次河西内流区冰川编目数据集进行相互检验， 并着重排查形态差异大、 新生和消失冰川， 且在尊重事实的前提下对这些冰川进行人工目视修订。为改善冰川矢量边界遥感解译的精准度和保证冰川矢量边界提取方法的一致性， 本研究统一采用中国第二次冰川编目方法［22］获取2016—2017年河西内流区冰川边界矢量数据。

卫星传感器和图像配准误差是影响冰川边界矢量数据获取精度的主要因素［23-24］。同时，利用地面实况调查或甚高空间分辨率的遥感数据分类结果作为参考数据对冰川边界遥感解译结果进行检验［25］。本文仅考虑遥感影像分辨率造成的误差， 公式如下：

ε=N⋅A

式中：ε表示冰川面积误差； N为冰川轮廓的周长； A为半个像元的边长（Landsat OLI空间分辨率为30 m）。结果表明， 2016—2017年由Landsat OLI遥感影像空间分辨率造成的冰川面积误差为 ±78.20 km2（8.01%）。

3 结果

3.1　河西内流区冰川现状

3.1.1　河西内流区冰川总体特征

河西内流区2016—2017年冰川数量为1 769条， 面积976.59 km2， 冰川冰储量约49.82 km3。将冰川按照面积大小差异分为8个等级， 并统计各面积等级的冰川数量与冰川面积（图2）， 研究发现： 河西内流区冰川呈现面积以介于0.1 ~ 10 km2的冰川为主及数量以<0.5 km2的冰川为主的显著特点。其中， 冰川面积<0.5 km2的冰川数量共1 317条（74.45%）， 由此可以看出， 河西内流区冰川以小型冰川为主。随着冰川面积大小等级的上升， 冰川数量则迅速减少， 面积≥20 km2的冰川仅有1条（老虎沟12号冰川）。面积介于2 ~ 5 km2的冰川面积最大， 为244.89 km2； 其次是面积介于1 ~ 2 km2的面积等级， 冰川面积为191.10 km2； 面积介于0.1 ~ 0.5 km2与0.5 ~ 1 km2的冰川面积分别为165.78 km2和150.80 km2， 四者共占河西内流区冰川总面积的77.06%； 面积<0.1 km2的冰川数量尽管较多（627条）， 但面积仅为31.40 km2， 占河西内流区冰川总面积的3.22%。

图2

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图2   2016—2017年河西内流区不同面积等级冰川数量与面积

Fig.2   Number and area of glaciers in different area levels in the Hexi interior from 2016 to 2017


3.1.2　河西内流区各山系冰川分布

高大山脉或山峰的绝对海拔高度和冰川物质平衡线以上的相对高度差是决定山岳冰川数量及其规模发育的主要地形因子［26］。河西内流区冰川分布在祁连山及阿尔金山的东端。祁连山是该区域冰川集中分布区， 祁连山冰川数量、 面积和冰储量分别占该区域冰川相应总量的98.47%、 97.52%和97.53%。阿尔金山仅有冰川27条， 冰川面积24.26 km2， 冰储量1.21 km3（表2）。从冰川平均面积来看， 阿尔金山（0.90 km2）高于祁连山（0.55 km2）。

表2   河西内流区各山系冰川资源

Table 2  Number， area and volume of glaciers in the Qilian Mountains and Altun Mountains in the Hexi interior

山系冰川数量冰川面积冰储量
/条/%/km2/%/km3/%
祁连山1 74298.47952.3397.5248.5997.53
阿尔金山271.5324.262.481.212.47
总计1 769100.00976.59100.0049.82100.00

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3.1.3　河西内流区各流域冰川分布

在《简明中国冰川目录》［27］中， 根据国际冰川编目规范， 河西内流区（5Y4）属于东亚内流区（5Y）。按照流域内集水区， 划分为5个三级子流域及36个四级子流域（表3）。其中， 发源于祁连山脉西段托来南山与疏勒南山之间的疏勒河流域（5Y44）是冰川最为发育的子流域， 共有冰川590条， 面积480.07 km2， 冰储量28.22 km3， 分别占整个流域各自总量的33.35%、 49.16%和56.63%， 冰川平均面积为0.81 km2； 其次是北大河流域（5Y43）， 但面积略低于党河流域（5Y45）（217.88 km2）； 石羊河流域（5Y41）冰川最少， 其数量、 面积和冰储量仅占河西内流区相应总量的5.09%、 2.54%和1.72%。黑河流域冰川平均面积最小， 仅为0.19 km2。

表3   河西内流区各流域冰川资源分布

Table 3  Number， area and volume of glaciers in different basins in the Hexi interior

三级流域（编码）冰川数量冰川面积冰储量
/条/%/km2/%/km3/%
总计1 769100976.5910049.82100
石羊河流域（5Y41）905.0824.762.540.861.72
黑河流域（5Y42）28616.1754.935.621.693.39
北大河流域（5Y43）48427.36198.9520.378.2016.47
疏勒河流域（5Y44）59033.35480.0749.1628.2256.63
党河流域（5Y45）31918.03217.8822.3110.8521.78

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从四级流域来看， 宁掌等流域（5Y445）冰川最为发育， 冰川数量、 面积及储量均最大， 洪水坝河流域（5Y432）、 扎子沟流域（5Y458）及老虎沟等流域（5Y448）冰川数量均大于100条， 四者共占河西内流区冰川总量的32.45%； 扎子沟流域（5Y458）与老虎沟等流域（5Y448）冰川数量与面积基本相当。踏实河流域（5Y419）、 杂木河流域（5Y414）及夹道沟-潘家河流域（5Y422）分别是该区域冰川数量最少（6条）、 面积最小（0.73 km2）和冰川储量最低（0.02 km3）的四级子流域。从冰川平均面积来看， 宰尔莫合流域（5Y446）冰川平均面积最大（1.80 km2）， 夹道沟-潘家河流域（5Y422）最小， 仅有0.05 km2。

3.1.4　河西内流区各省市（自治州）冰川分布

在行政区划上， 河西内流区冰川隶属于甘肃省酒泉、 张掖、 武威3市和青海省海西、 海北2个自治州（表4）。河西内流区约3/5冰川分布于甘肃省境内， 共发育冰川1 101条， 面积516.93 km2， 冰储量23.94 km3； 青海省冰川数量略少， 但冰川储量较甘肃省略大（25.86 km3）， 且青海省冰川平均面积（0.69 km2）大于甘肃省冰川平均面积（0.47 km2）。从市级行政区划来看， 河西内流区冰川集中于张掖、 酒泉及海西3市（自治州）。尽管张掖市冰川数量最多， 但海西藏族自治州冰川面积约为前者的1倍以上， 冰川储量也约为前者的近3倍。武威市冰川数量、 冰川面积及冰川储量都最少， 仅分别占河西内流区冰川相应总量的1.92%、 0.44%和0.21%。

表4   河西内流区各省市（自治州）冰川资源统计

Table 4  Number， area and volume of glaciers in the prefectures of Gansu and Qinghai Provinces

省市（自治州）冰川数量冰川面积冰储量
/条/%/km2/%/km3/%
甘肃张掖60534.20220.8622.628.8217.71
酒泉46226.12291.7429.8715.0230.16
武威341.924.330.440.100.21
合计1 10162.23516.9352.9423.9448.10
青海海西42223.86400.3940.9923.8847.95
海北24613.9159.276.071.983.95
合计66837.77459.6647.0625.8651.90
总计1 769100.00976.59100.0049.82100.00

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3.2　河西内流区冰川变化
3.2.1　河西内流区冰川数量、 面积及冰储量变化

1960s—2017年期间， 河西内流区冰川数量减少556条（23.91%）， 面积减少417.85 km2（-6.85 km2·a-1）， 冰川储量［28-31］损失20.16 km3 ［-3.3 km3·（10a）-1］。其中， 1960s—2000s河西内流区冰川面积减少最多（321.66 km2）， 冰川储量损失最大（15.90 km3）； 2000s—2017年冰川数量减少最多， 达287条。2000s—2017年冰川面积变化速率及其相对速率和冰川储量损失率均大于1960s—2000s， 因此， 随着全球气候变暖， 冰川退缩的速率逐渐加快。

表5   河西内流区不同时期冰川变化

Table 5  Variations of glacier quantity， area and volume of the three periods in the Hexi interior

时期冰川数量变化冰川面积变化冰储量变化
/条/%/km2/（km2·a-1）/（%·a-1）/km3/［km3·（10a）-1］/［%·（10a）-1］
1960s—2000s-26911.57-321.66-6.31-0.51-15.90-3.1-5.04
2000s—2017-28713.96-96.19-9.62-0.94-4.26-4.3-8.17
1960s—2017-55623.91-417.85-6.85-0.58-20.16-3.3-5.55

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3.2.2　河西内流区冰川变化特征

统计1956—2017年河西内流区不同规模冰川数量与冰川面积表明， 除面积<0.1 km2的冰川数量在1956—2007年间有所增加外， 其余各规模的冰川数量与冰川面积均呈减少趋势（图3）。其中， 面积介于0.1 ~ 0.5 km2之间的冰川数量与面积减少最多（457条和-117.49 km2）， 面积介于2 ~ 5 km2之间的冰川储量损失最大（-5.84 km3）， 且面积介于0.1 ~ 0.5 km2、 0.5 ~ 1 km2、 1 ~ 2 km2和2 ~ 5 km2的冰川面积共减少362.91 km2（86.85%）。面积介于0.1 ~ 0.5 km2的冰川面积变化速率最大（-1.93 km2·a-1）， 面积<0.1 km2的冰川则最小（-0.03 km2·a-1）。从各规模冰川面积变化相对速率来看， 面积≥20 km2的冰川退缩最快（-1.21%·a-1）， 但该规模等级冰川数量最少， 面积介于0.1 ~ 0.5 km2和0.5 ~ 1 km2之间的冰川面积变化相对速率基本相当（-0.87%·a-1和 -0.75%·a-1）， 面积<0.1 km2的冰川退缩最慢， 为 -0.09%·a-1。显然， 河西内流区的冰川退缩主要以中小型冰川为主。

图3

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图3   河西内流区不同规模冰川数量与面积变化

Fig.3   Glacier area and quantity of various area classes in the Hexi interior， according to the First and Second Chinese Glacier Inventory and Landsat OLI imagery in 2016 - 2017


以200 m高差为间隔对河西内流区冰川覆盖区的海拔进行统计（图4）， 结果表明河西内流区冰川在不同海拔区间呈正态分布。冰川集中分布于海拔4 600 ~ 5 400 m之间， 1956—2017年冰川面积共减少358.91 km2（85.89%）。河西内流区1956—2017年冰川退缩主要集中于4 400 ~ 5 400 m之间， 面积减少411.79 km2， 占总减少量的98.55%， 海拔5 600 m以上的区域冰川面积基本没有变化； 冰川平均中值面积海拔由4 850.54 m上升到4 913.02 m。海拔4 400 ~ 4 600 m与4 600 ~ 4 800 m之间冰川面积变化速率基本相当， 分别为-2.32 km2·a-1和-2.38 km2·a-1， 4 600 ~ 4 800 m之间则最小。从冰川面积变化相对速率来看， 4 200 m以下冰川退缩最快（-5.55%·a-1）， 随着海拔的逐渐升高， 冰川面积变化相对速率则逐渐较小。

图4

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图4   河西内流区各海拔冰川面积变化

Fig.4   Glacierized areas changing with altitudinal range in the Hexi interior， according to the First and Second Chinese Glacier Inventory and Landsat OLI imagery in 2016 - 2017


冰川的朝向指冰川所面对的方向， 通常按北（N）、 东北（NE）、 东（E）、 东南（SE）、 南（S）、 西南（SW）、 西（W）、 和西北（NW）8个方位进行统计。由图5可知， 河西内流区北朝向的冰川面积和冰川数量最大（最多）， 其次是东北朝向； 南和东南朝向的冰川数量基本相当， 但东南朝向的面积大于南朝向的冰川； 东朝向的冰川数量小于西朝向的冰川， 但面积大于西朝向的冰川； 西南朝向的冰川面积和数量最小（少）。1956—2017年， 河西内流区各朝向冰川数量与面积均呈减少趋势， 其中， 北朝向的冰川面积减少最多（-219.92 km2）， 其次是东北朝向的冰川（-91.04 km2）， 南朝向最少（-1.58 km2）。统计分析各朝向的冰川面积变化速率， 北朝向冰川的面积变化速率最大（-3.61 km2·a-1）， 其次是东北朝向； 东南朝向的冰川面积变化相对速率最大（-0.99%·a-1）， 南朝向的冰川面积变化速率及面积变化相对速率均最小（-0.03 km2·a-1和-0.11%·a-1）。

图5

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图5   河西内流区不同朝向冰川数量与面积变化

Fig.5   Rose diagrams of glacier quantity （left） and area （right） in the Hexi interior， according to the First and Second Chinese Glacier Inventory and Landsat OLI imagery in 2016 - 2017


3.3　河西内流区冰川变化分异规律

1956—2017年河西内流区各流域冰川面积均呈退缩态势（图6a）， 其中， 疏勒河流域（5Y44）冰川面积减少最多（-132.5 km2）， 冰川面积变化速率为-2.17 km2·a-1， 冰川储量损失8.70 km3； 北大河流域（5Y43）冰川数量消失最大（193条）， 石羊河流域（5Y41）冰川面积和储量变化最小， 但冰川数量变化大于党河流域（5Y45）。从冰川面积变化相对速率来看， 黑河流域（5Y42）冰川退缩最快（-1.58%·a-1）， 其次为石羊河流域（5Y41）（-1.57%·a-1）， 疏勒河流域最小， 仅有-0.40%·a-1。

图6

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图6   1956—2017年河西内流区各子流域冰川面积变化

Fig.6   The distribution map （a） and histogram （b） of change and changing rate of glacierized area in the fourth class basins of the Hexi interior， 1956 - 2017


在四级流域中， 宁掌等流域（5Y445）冰川面积减少最多（48.51 km2）， 洪水坝河流域（5Y432）冰川数量消失最大， 达58条； 踏实河流域（5Y449）冰川退缩最慢， 冰川面积变化速率仅为-0.019 km2·a-1（图6b）。从冰川面积变化相对速率来看， 夹道沟-潘家河流域（5Y422）冰川退缩最快（-3.16%·a-1）， 宰尔莫合流域（5Y446）冰川面积变化相对速率最小， 为-0.28%·a-1。疏勒河流域（5Y44）和党河流域（5Y45）的四级流域冰川面积变化相对速率均小于 -1%·a-1。因此， 河西内流区冰川变化呈自西向东逐渐加快的趋势。

3.4　前进冰川

尽管河西内流区绝大多数冰川呈萎缩状态， 但有3条冰川末端在1986—2017年出现不同程度的前进现象（图7）。通过对冰川长度［32-33］和冰川末端海拔变化［34］进行统计发现， 5Y445G0020冰川前进距离最大（718 m）， 冰川末端海拔下降129 m， 其次为5Y445G0026冰川（307 m和104 m）， 5Y445G0031冰川前进距离与末端海拔降低均最小， 分别为139 m和25 m。3条前进冰川中， 5Y445G0026冰川发生前进时间最早， 其余两条冰川发生前进均在2000s以后。从前进时间间隔来看， 3条前进冰川前进时间间隔均为10年左右， 其中， 5Y445G0026冰川前进时间间隔最长， 达13年， 5Y445G0020冰川则最短。该3条冰川均属于疏勒河流域（5Y44）， 且冰川消融区平均坡度为10°左右。

图7

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图7   河西内流区前进冰川

Fig.7   The three advancing glaciers in the Hexi interior


4 讨论

4.1　河西内流区典型山地冰川变化对比分析

在气候变暖背景下， 全球山岳冰川总体上呈退缩趋势［6］， 随着遥感技术的进步与发展，高分辨率遥感影像数据在冰川研究中得到了更加广泛应用， 使研究大区域范围内冰川变化成为可能［35］。为进一步探究河西内流区冰川变化特征， 本文选取祁连山山区及流域的冰川变化情况与本研究进行对比（表6）。在考虑研究时段的情况下， 结合学者们对该地区不同区域的冰川变化研究进行统计分析， 发现随着全球气候变暖， 河西内流区冰川退缩剧烈。从整体来看， 河西内流区冰川退缩速率明显较高； 从各山区及流域来看， 该区域疏勒南山［36］、 党河南山［37］、 北大河流域［38］较黑河流域［15-16］、 祁连山冷龙岭［39］与野牛沟［40］退缩速率低， 冰川变化基本上呈现自西向东逐渐加快的趋势。

表6   河西内流区典型山地冰川变化

Table 6  Changing records of the typical mountain glaciers in the Hexi interior

研究区域面积变化/km2面积变化率/%退缩速率/（%·a-1）数据源研究时段来源
疏勒南山-55.00-12.80-0.36地形图、 ETM+1970 - 2006年张华伟［36］
大雪山-26.01-16.03-0.30地形图、 TM、 ASTER、 SPOT51957 - 2010年于国斌等［37］
党河南山-31.19-18.32-0.42地形图、 TM、 ASTER、 SPOT51966 - 2010年于国斌等［37］
北大河流域-33.52-15.42-0.36地形图、 ASTER1956 - 2003年颜东海等［38］
黑河流域-130.51-36.08-0.60TM、 ETM+1960 - 2010年怀保娟等［15］
黑河流域-138.90-35.60-0.89地形图、 TM1960 - 2010年别强等［16］
老虎沟流域-6.29-11.59-0.24地形图、 TM、 RTK实测资料1957 - 2009年张明杰等［14］
祁连山中段-86.39-21.70-0.52地形图、 ASTER、 实测资料1956 - 2003年陈辉等［42］
祁连山冷龙岭-24.29-23.57-0.67地形图、 ETM+1972 - 2007年张华伟等［39］
祁连山野牛沟-16.22-25.71-0.54地形图、 ASTER1956 - 2003年阳勇等［40］
祁连山西段-124.2-10.30-0.29航片、 ETM+1956 - 1990年刘时银等［43］
河西内流区-417.85-29.97-0.58航片、 地形图、 TM、 OLI1956 - 2017年本研究

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究其原因， 河西内流区冰川面积快速减少， 除受区域气候变化（温度和降水）影响之外， 单条冰川的面积大小也是主要影响因素［41］， 该区冰川面积<1 km2的冰川1 532条， 占整个区域冰川数量的86.60%， 而冰川面积越小， 对气候变化的敏感性则越强。因此， 冰川面积缩小、 末端退缩速率则越快［41］。

4.2　冰川变化对气候变化的响应

降水、 气温及其组合是影响冰川发育的主要地形因子， 降水决定冰川的积累， 气温决定冰川的消融， 其组合共同决定着冰川的性质、 发育和演化［26］。通常情况下， 气温变化对冰川物质平衡起主导作用， 一方面表现在气温每上升1 °C需要降水增加25%才能弥补由升温造成的冰川消融［44］； 另一方面表现在温度升高导致降水中雨雪比例发生变化及加快冰川表面的融雪过程［45］， 从而降低冰川表面反照率和促进冰川消融。一般冰川面积对气候变化的响应具有滞后性， 同期的气候资料并不能完全说明冰川面积变化和气候的关系［46］。王宁练等［47］分析了全球山地冰川波动和气候变化的关系， 发现北半球山地冰川末端变化在统计意义上滞后气候变化12 ~ 13 a。

为探讨河西内流区冰川变化对气候变化的响应， 选取国家基准气候站——武威、 张掖和酒泉的地面降水和气温月值数据集及中国地面气温与降水月值0.5°×0.5°格点数据集， 并计算三个气象站的年降水和年均温的均值对河西内流区降水和平均气温的年际变化做进一步分析（图8a）， 结果表明河西内流区自1951年以来， 年平均气温呈波动上升趋势， 增温速率为0.03 ℃·a-1（P<0.05）， 而同时段年降水量则增加缓慢（0.24 mm·a-1， P<0.05）。从年代际变化来看（图8b和8c）， 河西内流区气温上升显著， 大部分区域增温速率超过0.25 ℃·（10a）-1（P<0.01）， 其中黑河流域（5Y42）增温明显； 年降水变化呈现自东向西逐渐增加的趋势， 5个流域降水增加速率基本介于10~30 mm·（10a）-1（P<0.01）。因此， 冰川区气温持续升高是造成该地区冰川物质亏损及冰川退缩的主要原因。

图8

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图8   1956—2017年河西内流区降水与气温年际和年代际变化

Fig.8   Annual variation of precipitation and temperature （a） and two-dimension distributions of decadal variations of precipitation （b） and temperature （c） in the Hexi interior， 1956 - 2017


4.3　冰川前进影响因素

冰川跃动是冰川运动的一种特殊形式， 具有末端快速前进、 冰面突然隆升和破碎严重等特征。中国西部地区的冰川跃动和前进现象主要集中分布于帕米尔高原、 喀喇昆仑山和西昆仑山等地区［48-51］， 如在克勒青河流域［52］、 努布拉流域［53］等区域均发现冰川末端前进现象。关于冰川跃动机制至今尚无较系统的解释， 目前普遍认为冰川动力不稳定性是冰川跃动的根本原因［54］。国内外对于跃动冰川的控制机理解释主要包括热控和水控两种动力学机制［55-56］， 前者认为冰川底部温度场的变化造成冰下沉积层形变和孔隙度增加， 从而触发冰川跃动； 后者则认为冰川底部排水系统由集中式变为分散式是触发冰川跃动的主要驱动因素。此外， 冰川基底岩性与冰川物质平衡变化对冰川跃动的发生也有至关重要作用。然而， 在不同的冰川作用区或同一区域的不同冰川， 由于冰川的类型与规模、 冰川地形、 冰床岩性、 冰温及区域气候特征等差异， 很难用单一机制去解释冰川跃动的机理。

就河西内流区而言， 该3条前进冰川均为亚大陆型冰川且为东南朝向， 受季风气候影响， 气温与降水的变化成为冰川发生前进的诱导因素， 温度升高致使冰温升高， 冰川流速加快， 冰川应力场发生相应变化， 且同期降水增加， 冰川物质积累， 冰川上部压力增大， 为冰川中下部提供物质与动力来源， 从而造成冰川末端前进。此外， 从所处地形来看（图9）， 3条冰川均为山谷冰川， 积累区面积相对较大， 且冰川底部与顶部海拔高差明显， 利于冰川发生前进现象。然而， 冰川末端变化不仅与气候环境、 冰川规模密切相关， 而且与冰川形态、 内部结构及运动速度等因素有关［57］， 因此， 要明晰河西内流区冰川前进发生机理， 还有待进一步实地考察。

图9

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图9   河西内流区前进冰川地形特征（底图源于Google Earth）

Fig.9   Topographic features of the three advancing glaciers in the Hexi interior


5 结论

（1）2016—2017年， 河西内流区共有冰川1 769条， 面积为976.59 km2， 冰储量约49.82 km3。冰川面积以介于0.1 ~ 10 km2的冰川为主， 数量以<0.5 km2的冰川为主。在河西内流区5个子流域中， 疏勒河流域（5Y44）冰川数量、 冰川面积及冰储量最多（最大）， 石羊河流域（5Y41）最少（最小）。

（2）1956—2017年期间， 河西内流区冰川数量减少556条， 面积减少417.85 km2， 冰川储量损失20.16 km3。其中， 面积介于0.1 ~ 0.5 km2之间的冰川数量与面积减少最多（457条和-117.49 km2）， 海拔4 400 ~ 5 400 m区间冰川退缩最多， 占总减少量的98.55%。各朝向冰川数量与面积均呈减少趋势， 其中， 北朝向冰川面积减少最多（-219.92 km2）且退缩最快（-3.61 km2·a-1）。

（3）1956—2017年河西内流区各流域冰川面积均呈退缩态势， 冰川变化呈自西向东逐渐加快的趋势。疏勒河流域（5Y44）冰川面积减少最多， 为 -2.17 km2·a-1， 黑河流域（5Y42）冰川退缩最快 （-1.58%·a-1）。在四级流域中， 宁掌等流域（5Y445）冰川面积减少最多（-0.95 km2·a-1）， 夹道沟-潘家河流域（5Y422）冰川退缩最快（-3.16%·a-1）， 宰尔莫合流域（5Y446）冰川面积变化相对速率最小， 为-0.28%·a-1。

（4）河西内流区自1951年气温持续快速上升， 而年降水量增加缓慢， 这是导致该区域冰川退缩的根本原因。1986—2017年期间， 河西内流区有3条冰川末端在出现不同程度的前进。气温升高可能是这些冰川发生前进的诱导因素， 但其发生机理仍有待于进一步考察。

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