冰川冻土, 2021, 43(3): 864-873 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0027

2010—2020年祁连山东段冷龙岭宁缠河1号冰川变化综合观测研究

潘保田,1,2, 曹泊,1,2, 管伟瑾1

1.兰州大学 资源环境学院 西部环境教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000

2.甘肃省石羊河流域野外科学观测研究站，甘肃 兰州 730000

Changes of Ningchan No. 1 Glacier in Lenglongling， eastern Qilian Mountains from 2010 to 2020 based on observation

PAN Baotian,1,2, CAO Bo,1,2, GUAN Weijin1

1.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems，Ministry of Education，College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China

2.Shiyang River Basin Scientific Observing Station of Gansu Province，Lanzhou 730000，China

通讯作者: 曹泊，副教授，主要从事遥感应用与冰川变化研究. E-mail： caobo@lzu.edu.cn

编委: 武俊杰

收稿日期: 2021-05-12   修回日期: 2021-06-10   网络出版日期: 2021-07-29

基金资助: 甘肃省科技厅省级野外科学观测研究站项目.  20JR10RA656
第二次青藏高原综合科学考察研究项目.  2019QZKK0205

Received: 2021-05-12   Revised: 2021-06-10   Online: 2021-07-29

作者简介 About authors

潘保田，教授，主要从事地貌与环境演变研究.E-mail：panbt@lzu.edu.cn , E-mail：panbt@lzu.edu.cn

摘要

冰川物质平衡研究对流域内水资源的分配和利用具有重要的指导意义。发源于祁连山的冰川融水是河西走廊和柴达木盆地重要的淡水来源。近年来，祁连山地区的冰川经历了不同程度的退缩，东段退缩尤其明显。基于祁连山东段冷龙岭地区宁缠河1号（NC01）冰川2010—2020年冰川物质平衡观测数据，结合Google Earth高分辨率历史影像、资源3号和哨兵2号卫星影像，以及气象数据，采用冰川学方法，分析了NC01冰川的面积、物质平衡及厚度变化等特征。结果表明：2008—2020年，NC01冰川末端位置持续后退，退缩速率为7.54 m·a-1；2020年冰川面积为3.32×105 m2，萎缩速率为0.075×105 m2·a-1。与此对应，2010—2020年冰川物质平衡持续为负，年均物质平衡为-0.98 m w.e.。由此推算，2020年冰川平均厚度减薄至17.52 m，冰量减少至6.83×106 m3。进一步研究显示，自1972年以来，NC01冰川持续减薄，而2010—2020年物质亏损速率要高于1972—2010年，存在着较为明显的后期加速趋势，这与近年来气温的明显升高有关。

关键词： 祁连山东段 ; 宁缠河1号冰川 ; 物质平衡

Abstract

The research of glacier mass balance has important guiding significance for the allocation and utilization of water resources in the basin. Glacier meltwater originating from the Qilian Mountains is an important source of fresh water in the Hexi Corridor and Qaidam Basin. In recent years， the glaciers in the Qilian Mountains retreated in varying degrees， and retreat rate was relatively high in the eastern section. We observed the mass balance of Ningchan No.1 （NC01） Glacier for 10 consecutive years in Lenglongling region of the eastern Qilian Mountains since 2010. Combining with high-resolution historical Google Earth imagery， ZiYuan-3 and Sentinel-2 satellite imagery， and weather data， we found that the front position of NC01 Glacier retreated from 2008 to 2020 with a rate of 7.54 m·a-1. The area of NC01 Glacier decreased with a rate of 0.075×105 m2·a-1 from 2008 to 2020， and decreased to 3.32×105 m2 in 2020. The NC01 Glacier remained negative mass balance from 2010 to 2020， with an average annual mass balance of -0.98 m w.e. According to the calculation， the average thickness of the glacier decreased to 17.52 m and the ice volume decreased to about 6.83×106 m3 in 2020. The NC01 Glacier thinned continuously since 1972， and the mass loss rate during 2010—2020 is higher than that during 1972—2010， showing a relatively obvious acceleration trend， which may also be related to the significant increase in air temperature in recent years.

Keywords： eastern Qilian Mountains ; Ningchan No.1 Glacier ; mass balance

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本文引用格式

潘保田, 曹泊, 管伟瑾. 2010—2020年祁连山东段冷龙岭宁缠河1号冰川变化综合观测研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(3): 864-873 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0027

PAN Baotian, CAO Bo, GUAN Weijin. Changes of Ningchan No. 1 Glacier in Lenglongling， eastern Qilian Mountains from 2010 to 2020 based on observation[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(3): 864-873 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0027

0 引言

冰川不仅是重要的淡水资源［1-2］，还是气候变化的敏感指示器［3-5］。祁连山位于青藏高原东北缘，地处我国西北干旱半干旱区，共发育有现代冰川2 821条，总面积为1 986.94 km2［6］。发源于祁连山的冰川融水径流是河西走廊和柴达木盆地重要的淡水来源。近年来，在气候变暖的大背景下，青藏高原大部分地区的冰川消融强烈［7-9］。祁连山地区的冰川也经历了不同程度的退缩［10-18］，严重威胁流域内的生产和生活用水安全［15，19］。因此，祁连山地区冰川物质平衡的研究对流域内水资源的分配和利用具有重要的指导意义。此外，祁连山还是我国现代冰川研究的起源之地。1958年施雅风先生领导组织高山冰雪利用研究队在祁连山开展大规模考察，出版了《祁连山现代冰川考察报告》［20］，开启了我国现代冰川研究的先河。李吉均先生作为主要成员参加了祁连山现代冰川考察工作，自此也开启了他本人的现代冰川研究生涯，之后在青藏高原各地进行冰川研究工作，出版了《西藏冰川》［21］等著作，为推动我国现代冰川研究作出了杰出贡献。2020年7月21日先生不幸仙逝，谨以此文致以缅怀。

在目前研究中，“冰川学方法”和“大地测量法”是最常用的两种获得冰川物质平衡的方法［22-23］。“冰川学方法”指通过在冰面布设花杆，观测花杆处的积累和消融，进而获得整个冰川物质平衡的方法［24-25］。“大地测量法”指通过代表不同时期冰面高程的数字高程模型（DEM）之间的高程差获得冰川物质平衡的方法［26］。相较于“大地测量法”，“冰川学方法”能够最直接获得精度较高的测量数据［22，25，27］，适合用于冰川物质平衡的长期监测。然而，受高海拔地区极端气候以及地形等条件的限制，有物质平衡直接观测的冰川较少，有长时间连续物质平衡观测的冰川更为匮乏［8，28］。

鉴于祁连山冰川及其融水的重要性，学者们已在祁连山中段的七一冰川［29-30］、十一冰川［31］，以及西段的透明梦珂冰川（老虎沟12号冰川）［32］进行了物质平衡观测，而在祁连山东段仍缺少连续的冰川物质平衡观测数据。据前人研究发现在祁连山东段，冰川退缩尤为剧烈，退缩速率要高于西段和中段［33-35］。因此，自2010年始，我们对祁连山东段冷龙岭地区的宁缠河1号（NC01）冰川开展了连续的物质平衡观测。本文的研究目标为：结合覆盖NC01冰川的Google Earth高分辨率影像，以及资源3号（ZY-3）和哨兵2号（Sentinel-2）卫星影像，获得NC01冰川2008—2020年的面积和物质平衡变化信息；结合1972年地形图数字化得到的冰面高程和2014年获得的冰川厚度数据，讨论NC01冰川1972年以来的厚度和冰量变化；最后结合气象资料，探讨冰川变化与气候之间的联系。

1 研究区概况

冷龙岭位于祁连山东段，第一次冰川编目（CGI1）数据显示，此处发育现代冰川244条，其中南坡103条，冰川融水流入大通河，最后注入黄河，属于黄河流域；北坡141条，属内陆水系，注入石羊河［6］。NC01冰川位于冷龙岭北坡［图1（a）］，属于亚大陆型山地冰川，冰川面积为0.77 km2［6］，海拔范围为4 260~4 640 m，冰面表碛覆盖较少。Cao等［36］在2014年8月对NC01冰川的厚度进行了测量，发现NC01冰川平均冰厚约24 m，最大厚度为65 m，总冰量约9.36×106 m3。NC01冰川受东亚季风和西风带的共同控制［37］。2010年建立在NC01冰川侧碛垄上（4 450 m）的自动气象站［图1（c）］显示，NC01冰川附近的年平均气温约为-6.0 ℃，年平均降水量>800 mm，降水主要集中在6—8月的夏季［36］。近年来的研究显示，在过去的几十年，NC01冰川快速退缩，且退缩速率呈加速趋势［14，16］。2010—2015年，NC01冰川物质平衡线平均高度约为4 680 m，已超过了冰川的最高海拔［36］。NC01冰川融水经宁缠河最终汇入甘肃三大内陆河之一的石羊河。

图1

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图1   宁缠河1号（NC01）冰川在青藏高原与祁连山的位置（a）及花杆分布（b）

Fig.1   Location of Ningchan No.1 （NC01） Glacier on map of Qilian Mountains （a）， and an overview of stakes on NC01 Glacier （b） ［The scene of meteorological station （c）， stakes layout （d） and mass balance measurement （e） are also showed］


2 数据与方法

2.1　数据来源

准确的冰川边界是计算冰川物质平衡和冰量变化的前提。本研究采用ZY-3、Sentinel-2以及Google Earth来获取不同时期的NC01冰川边界。ZY-3立体测绘卫星于2012年1月9日发射，搭载有四台光学相机，其中，可用于立体测图的正视相机分辨率为2.1 m，前视和后视相机分辨率均为3.6 m，多光谱相机分辨率为5.8 m。Sentinel-2高分辨率多光谱成像卫星分为2A和2B两颗卫星，分别于2015年6月23日和2017年3月7日发射，其在可见光波段的分辨率为10 m。因此，本文用到的遥感影像有：2008年8月3日的Google Earth高分辨率历史影像，2014年8月9日ZY-3卫星影像，以及2016年8月16日、2018年7月12日和2020年7月26日的Sentinel-2卫星影像。

为了获得NC01冰川处的气温和降水特征，分别于2010年10月和2017年8月，在NC01冰川侧碛垄（37°30′48″ N、101°50′02″ E，海拔4 450 m）与距离冰川末端约5 km处（37°33′38″ N、101°51′15″ E，海拔3 620 m）架设了两个自动气象站。此外，还依据位于邻近高海拔区域的门源气象站（海拔2 924 m）记录的气温和降水数据，讨论了NC01冰川20世纪50年代以来的气温、降水变化趋势及其与冰川变化之间的关系。

2.2　研究方法

虽然有一些自动的方法可以提取冰川边界，但是对于高分辨率遥感影像来说，手工数字化仍然是目前最为精确的方法。本研究基于纠正后的多期遥感影像，通过手工数字化的方式，提取了NC01冰川的边界。

基于传统的冰川学观测方法，即通过观测单点位置处冰川的积累和消融［23-24］，对NC01冰川进行逐年的物质平衡观测。2010年消融季末，首次在NC01冰川上布设了22根花杆（A系列，见表1）开始物质平衡观测。随着冰川的不断消融，持续观测4~6年后，花杆会发生倾倒。为了保证观测的连续性，分别于2016年和2020年在原花杆附近重新布设了新的花杆（B系列和C系列，见表1）。NC01冰川冰面平坦，表碛覆盖较少，花杆可以均匀地分布在整个冰川［图1（b）］。为了准确反映冰川的物质平衡，花杆布设时尽可能地分布在不同的海拔高度。本研究假设冰密度为（850±60） kg·m-3，积雪密度为（390±40） kg·m-3［36］。

表1   NC01冰川花杆布设情况

Table 1  Stakes on NC01 Glacier in different years

花杆系列ABC
布设年份201020162020
花杆根数221923

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将花杆获得的冰川单点物质平衡外推到整个冰川区，传统的计算方法主要有等值线法和等高线法两种方法［38］。等值线法指以观测获得的单点物质平衡为基础绘制出物质平衡等值线图，利用面积加权法计算出物质平衡；等高线法指提取出冰川的等高线，将相邻等高线之间的物质平衡视为固定值，通过不同高程带面积加权来计算整个冰川物质平衡的方法［23］。蒲健辰等［29，39］、刘潮海等［40］分别在唐古拉山小冬克玛底冰川、祁连山七一冰川和天山乌鲁木齐河源1号冰川对两种冰川物质平衡的计算方法进行了比较，发现二者结果基本一致。在先前的研究中发现，NC01冰川表面物质平衡和冰面高程存在明显的负相关关系［36］。考虑到布设在NC01冰川上的花杆在空间上密度较大，分布较为均匀且基本覆盖了整个冰川，此研究中通过拟合获得花杆观测物质平衡和冰面高程之间的关系，并将这一关系应用到整个冰川区来获得整个冰川的物质平衡。

2.3　误差分析

花杆观测推算冰川物质平衡的误差主要来源于花杆分布、花杆读数、冰川密度的准确性以及将花杆观测结果外推到整个冰川区的方法［23，25，41-44］。有学者研究发现，其不确定性在0.1~0.6 m w.e.［23，41，45］。在此次研究中，参照Thibert等［46］提出的方法，获得整个冰川年物质平衡不确定性约为0.5 m w.e.。

手工数字化提取冰川边界的误差主要来自于影像自身的定位精度以及难以区分的混合像元。在此处，利用和Minora等［47］相似的方法估算了基于Google Earth高分辨率历史影像、ZY-3和Sentinel-2卫星影像提取冰川面积的不确定性（EA）。其估算公式为

EA=l×LREyr2+Eco2

式中：l为冰川边界长度；LREyr为影像分辨误差，以半像素误差来衡量；Eco为影像配准误差，等于影像的像素大小。经计算，NC01冰川面积提取的不确定性小于0.05 km2。

依据误差传播规律，冰川面积变化误差EC为

EC=EA12+EA22

式中：EA1和EA2分别为时间1和时间2的冰川面积不确定性。经计算，NC01冰川面积变化的不确定性小于0.071 km2。

3 结果与分析

3.1　冰川末端位置与面积变化

在此次研究中，依据Google Earth高分辨率历史影像、ZY-3和Sentinel-2卫星影像提取的冰川边界，获得了NC01冰川的末端位置和面积变化（图2）。结果显示：2008—2020年，NC01冰川末端位置持续后退，速率为7.54 m·a-1。其中，2008—2014年退缩速率较大，为9.77 m·a-1，2016—2018年退缩速率较小，为4.70 m·a-1。2008年NC01冰川面积为4.22×105 m2，2020年冰川面积减少至3.32×105 m2，退缩速率为0.075×105 m2·a-1。

图2

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图2   不同年份NC01冰川分布（a）及末端（b）和面积（c）变化

Fig.2   Outlines of NC01 Glacier in different years （a）， and terminus （b） and area （c） changes


3.2　冰川物质平衡变化

花杆观测结果显示：物质亏损随海拔的降低而加剧，靠近冰川末端的低海拔区域物质亏损最为明显，即冰川表面物质平衡和冰面高程之间有较好的线性关系（图3）。将以上花杆观测物质平衡和冰面高程之间的线性关系应用到整个冰川区，即可获得2010—2020年NC01冰川逐年的物质平衡信息（图3~4）。结果显示：近10年来，NC01冰川年物质平衡持续为负，累积物质平衡为-9.83 m w.e.，年均物质平衡为-0.98 m w.e.。在不同年份NC01冰川物质平衡差异较大。2014—2015年和2016—2017年，物质亏损较少，且在高海拔地区有物质积累，年物质平衡分别为 -0.15 m w.e.和-0.25 m w.e.。在其余时间段内，整个冰川物质平衡均为负值。其中，2015—2016年和2017—2018年物质亏损较为明显，物质平衡约为-1.5 m w.e.（图4）。

图3

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图3   基于花杆观测的2010—2020年NC01冰川物质平衡与冰面高程的关系

注：图中B.表示冰川年物质平衡

Fig.3   Relationship between NC01 Glacier mass balance and altitude from 2010 to 2020 based on stakes


图4

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图4   2010—2020年NC01冰川物质平衡与气候变化

Fig.4   NC01 Glacier mass balance with climate change from 2010 to 2020


4 讨论

4.1　冰川厚度和冰量变化

Cao等［36］依据1972年1∶5万地形图数字化得到的冰面高程，以及2010年和2015年差分GPS测得的冰面高程，基于大地测量法间接地估算了NC01冰川的物质平衡。结果显示：1972—2010年，NC01冰川平均减薄28.8 m，平均减薄速率为0.76 m·a-1，年物质平衡为-0.65 m w.e.。2010—2015年，花杆观测和通过差分GPS高程差间接获得的物质平衡分别为 -4.8 m w.e.和-4.3 m w.e.，二者的差异约为10%。

在此次研究中，依据Cao等［36］2014年实测的冰川厚度、1972—2010年的物质平衡以及本研究得到的2010—2020年逐年观测物质平衡，推算出了1972年以及2010—2020年逐年的冰川厚度及其冰量［图5（a）］。在1972—2020年整个时间段内，NC01冰川平均厚度减薄40.37 m，冰量减少17.49×106 m3，平均减薄速率为0.84 m·a-1，平均冰量变化速率为-0.36×106 m3·a-1。其中，1972—2010年，NC01冰川平均厚度从57.89 m减薄至29.09 m，冰量从24.32×106 m3减少至11.35×106 m3，平均减薄速率为0.76 m·a-1，平均冰量变化速率为-0.34×106 m3·a-1。2010—2020年，冰川退缩加速。2020年冰川平均厚度减薄至17.52 m，冰量减少至6.83×106 m3，平均减薄速率为1.16 m·a-1，平均冰量变化速率为-0.45×106 m3·a-1。

图5

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图5   1972—2020年NC01冰川厚度和冰量变化（a）与门源气象站年降水量和夏季（6—8月）平均气温（b）变化

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　冰川物质平衡对气候变化的响应

气候变化是全球冰川变化的主要原因［48］。先前的研究表明，NC01冰川的退缩也可归因于气候变化［15-16，36］。冰川侧碛垄上自动气象站获得的资料显示：2010—2020年，NC01冰川夏季（6—8月）气温均值在2.3~4.7 ℃之间，年降水量为780~970 mm（图4）。对比2010—2020年NC01冰川物质平衡变化发现，夏季气温越高，冰川物质亏损越明显（图4），二者呈现明显的负相关关系，比如2014—2015年较低的夏季气温和2015—2016年较高的夏季气温分别对应了最小和最大的物质亏损（图4）。2010—2020年，虽然降水有增多趋势，但冰川仍处于较为强烈的负平衡。

1972年以来，祁连山东段气温和降水均有不同程度的升高和增加［图5（b）］，依据其变化趋势，可分为1972—1990年和1990—2020年两个阶段。1972—1990年，降水和气温基本保持不变；1990—2020年，降水略有增加，气温明显升高。

先前的研究表明，每上升1 ℃需要增加25%的降水才能弥补气温升高造成的冰川消融［49］。此外，气温升高会导致降水中液态降水的比例增加，使得冰面反照率减小进而加速冰川表面消融［50］。1972年以来NC01冰川整体呈退缩趋势，且2008—2020年冰川退缩速率（7.54 m·a-1）明显高于1970—2010年（4.50 m·a-1）［14］。这可能与近年来气温的明显升高有关，气温升高带来的消融量远大于降水增加带来的积累量。

此外，通过对比祁连山的水管河4号冰川、七一冰川、十一冰川、透明梦珂冰川，以及天山的乌鲁木齐河源1号冰川和青冰滩72号冰川近年来的物质平衡结果发现：在相近时间段，NC01冰川物质亏损更为强烈（表2）。可能原因是NC01冰川规模较小，对气候变化的响应更加敏感。在当前的气候状态下，有不少冰川物质平衡线高度都超过了冰川的最高海拔，使得整个冰川都处于消融状态［51］。根据Cao等［36］和本文的研究，NC01冰川物质平衡线近10年的平均高度约为4 680 m，已超过了冰川的最高海拔，这也加快了冰川负物质平衡。因此，可以推测，在当前的气候背景下，NC01冰川将在不久后完全消失。Cao等［52］根据冰川ELA高度也认为，目前冷龙岭地区的冰川还需要继续退缩才能与气候达到平衡，伴随着大部分冰川的消失。

表2   中国不同冰川的物质平衡

Table 2  Mass balance of different glaciers in China

冰川名称冰川面积/km2年物质平衡/（m w.e.）观测时段观测方法数据来源
乌鲁木齐河源1号1.58-0.6272010—2019年冰川学方法WGMS
青冰滩72号6.60-0.3782008—2014年冰川学方法［53-54］
透明梦珂20.42-0.3092010—2012年冰川学方法［30］
七一2.53-0.4762011—2016年冰川学方法［28，55］
十一0.50-0.5302000—2012年大地测量法［31，56］
水管河4号1.40-0.5102010—2013年冰川学方法［52］
宁缠河1号0.54-0.9802010—2020年冰川学方法本研究

注：冰川面积数据来源于国家青藏高原科学数据中心中国第二次冰川编目数据集［57］。

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5 结论

2010—2020年，对祁连山东段冷龙岭地区的NC01冰川开展了连续10年的冰川物质平衡观测，结合Google Earth高分辨率历史影像、ZY-3和Sentinel-2卫星影像，以及2014年获得的冰川厚度数据，获得以下结论：

（1）2008—2020年，NC01冰川末端位置持续后退，平均速率为7.54 m·a-1。2008年NC01冰川面积为4.22×105 m2，2020年冰川面积减少至3.32×105 m2，平均退缩速率为0.075×105 m2·a-1，冰川总面积减少了21.3%。

（2）2010—2020年，NC01冰川物质平衡持续为负，年均物质平衡为-0.98 m w.e.。物质亏损在不同年份差异较大。2015—2016年以及2017—2018年物质亏损最明显，约为-1.5 m w.e.，2014—2015年物质亏损最少，为-0.15 m w.e.。物质平衡与夏季气温呈现明显的负相关关系。

（3）2010—2020年，NC01冰川平均厚度从29.09 m减薄至17.52 m，平均减薄速率为1.16 m·a-1；冰量从11.35×106 m3减少至6.83×106 m3，平均变化速率为-0.45×106 m3·a-1。

（4）1972年以来，NC01冰川持续减薄，冰量持续减少。2010—2020年冰川减薄速率和物质亏损速率要高于1972—2010年。这可能与近年来气温的明显升高有关。在空间上，NC01冰川物质亏损大于周边区域同类型的小冰川，这可能是由近年来NC01冰川均处于物质平衡线以下所致。

谨以此文，纪念李吉均先生！

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