基于遙感影像的臺蘭河流域冰川變化特征提取及分析

臺蘭河盆地是阿克斯河的一條支流，主要由四川河流補充。臺蘭河灌區是新疆阿克蘇地區的5個大型灌區之一,由于所處地理位置、資源優勢及其開發潛力,使它在當地的經濟發展中占有十分重要的地位。根據前人研究,臺蘭河流域共發育現代冰川115條,冰川總面積431km2,冰川儲量73.132km3,冰川平均雪線高度4290m。流域內長度超過10km的冰川共4條,總面積307.7km2,占流域冰川總面積的71.2%,流域內最大冰川為瓊臺蘭冰川,長度為21.4km,面積165.4km2,流域內冰川末端最低海拔3080m,最高海拔5800m,冰川覆蓋度為32.6%。作為以冰川融水補給為主的河流,研究表明,臺蘭河流域冰川融水占臺蘭站控制流量比率達65.3%,冰川融水的變化對流域的水資源量影響是非常明顯的。年平均氣溫變化1℃,臺蘭河流域冰川物質平衡變化約300mm,引起的河流徑流變化可達10%。但到目前為止,詳細評估該流域冰川變化特征的資料卻沒有,因此適時正確評估臺蘭河流域冰川變化,填補該地區此項內容的空白,揭示冰川變化對該地區河流徑流量的影響,對于該地區的經濟發展和人民生活也有極其重要的意義。1托木爾峰南流域臺蘭河流域(80°21′44″E~81°10′14″E,40°41′41″N~42°15′13″N)位于天山最高峰托木爾峰(海拔7435.3m)南坡,新疆阿克蘇地區溫宿縣境內,發源于西南天山托木爾峰南麓,全長90km,是一個獨立水系,多年平均徑流量7.42×108m3,河流最終注入塔里木盆地,見圖1。以臺蘭河水文站控制的流域面積1324km2,流域內冰川末端最低海拔3080m,最高海拔5800m。臺蘭河流域地處北溫帶干旱區,氣候干燥,日照充足,多風沙,降水稀少,蒸發較大,晝夜溫差大,多年平均降水量為177mm,多年平均蒸發量為180mm,屬典型干旱大陸性氣候。根據氣象觀測和1977~1988年的科學考察,本區山區的降水主要來自大西洋和北冰洋的暖濕氣流補給,6~8月的降水量占全年的50%左右,而5~9月占70%左右,冰川及積雪的補給主要發生在暖季。2數據來源和處理2.1特征獲取及坐標歸一化在ENVI軟件支持下,對ETM+影像進行全色波段與多光譜波段融合處理,使影像空間分辨率提高到15m。用幾何糾正過的地形圖來配準融合后的影像數據,并對地形圖、遙感影像、數字高程模型以地形圖作為參考坐標進行坐標歸一化處理。均采用統一的UTM投影和WGS84橢球體建立坐標系統。影像處理過程中對校正后的影像進行了銳化增強處理,這樣可以更有效地區分雪斑和有積雪覆蓋的冰川。2.2冰的邊界處理在ArcGIS9.3的支持下,對地形圖進行矢量化,得到20世紀70年代初一期的冰川分布數據。2011年冰川分布數據通過綜合計算機自動解譯及目視解譯的方法,將面向對象圖像特征提取方法應用到臺蘭河流域冰川信息提取中,并以影像疊加數字高程模型來提取表磧覆蓋區的冰川末端邊界,最后參照專家指導意見進行邊界的再次修訂。在ArcGIS9.3支持下獲取冰川面積、平均長度、經緯度等屬性信息;利用SRTM-DEM得到冰舌末端高程、冰川平均高程、坡度、朝向等屬性信息。此外,對通過遙感影像數據得到的冰川邊界的分條處理使用自動提取山脊線的方法。基于規則格網的SRTM-DEM數據,利用平面曲率與坡形組合的算法來實現。首先利用SRTM-DEM數據提取地面的平面曲率及地面的正地形,而正地形的平面曲率的最大值即為山脊,由于平面曲率的提取比較繁瑣,而坡向變率在一定程度上可以很好地表征平面曲率,因此利用ArcGIS9.3來提取坡向變率來代替平面曲率,提取山脊線,最后參照地形圖數據進行修改。冰川變化分析通過ArcGIS9.3空間分析模塊將地形圖數據與2011年冰川分布數據進行疊加分析,得到冰川面積變化規律,具體流程如圖2。2.3冰民邊界精度評價對處理后的數據進行誤差評價,地形圖糾正誤差在一個像元以內;ETM+影像幾何精糾正的誤差為0.5個像元。并從地形圖上選取50個高程同名點與DEM上的同名點進行比較,來評價DEM的精度,結果表明,臺蘭河流域DEM的最大高程差為+9.64m。從遙感影像上獲取冰川邊界的精度評價一直是十分重要卻較難確定的問題。本研究從3方面來評價臺蘭河流域冰川邊界提取的誤差:①影像分辨率對冰川信息提取的誤差。所用ETM+影像空間分辨率15m,遙感影像的空間分辨率與均方根誤差都影響到測量的準確性,據Hall、Silvreio等計算冰川長度和面積變化不確定性的公式[6~8]:式中,UT為長度不確定性;λ為影像分辨率;ε為配準誤差;UA為面積不確定性,計算得單條冰川面積的不確定性為±0.001km2。②臺蘭河流域冰磧覆蓋型冰川較多,對冰川邊界的提取有一定影響。對于冰磧物覆蓋的冰川區,采用DEM疊加影像目視判別的方法對其進行修正。③影像的質量問題造成的誤差,如針對云、陰影等造成的影像不清晰問題,對多幅影像對比分析選取最清晰的一景進行冰川的提取。3流域內冰流速根據1972年一期地形圖數據,臺蘭河流域共發育現代冰川113條,冰川總面積435.44km2,冰川平均面積為3.85km2,流域冰川覆蓋率為32.41%。流域內最大冰川為瓊臺蘭冰川,冰川編號5Y674B0028,冰川面積達167.43km2,流域內次大冰川為克其克鐵列克蘇冰川,冰川編號5Y674C0013,冰川面積為100.31km2。這2條冰川的總面積達267.74km2,占該流域冰川總面積的61.49%。2011年,通過影像解譯得到臺蘭河流域共發育現代冰川109條(圖3),冰川總面積385.38km2,冰川平均面積為3.54km2,流域冰川覆蓋率變為28.68%。3.1天然冰的消增變化總體上,臺蘭河流域冰川退縮明顯(圖4)。1972~2011年間,冰川總面積從435.44km2減少到385.38km2;減少了50.06km2,冰川平均面積減小0.31km2,退縮率為11.50%,年均減少約1.25km2。對臺蘭河流域1972年到2011年間冰川消增變化做了統計,冰川總條數從113條減少到109條。消失冰川10條,有3條冰川分離成了9條,其余100條冰川都呈減小趨勢。表明近40a來臺蘭河流域冰川整體上呈現退縮趨勢。3.2區域表面冰流速區域分布對冰川末端朝向進行了統計分析(圖5),20世紀70年代,偏北向冰川(北、東北、西北朝向)的冰川共34條,面積36.60km2,條數與面積分別占該流域總數的30.08%和8.41%,說明偏北向的冰川是以小冰川為主的;偏南向冰川(南、東南、西南朝向)的冰川共49條,面積348.94km2,分別占總數的43.36%和80.14%,這主要是該流域面積最大的瓊臺蘭冰川為偏南向冰川。各個朝向的冰川條數分布較均勻,偏南向冰川(南、東南、西南朝向)的冰川稍多。朝向變化分析表明,朝南向(157.5°~202.5°)冰川的條數在此期間變化最大,由14條變為10條,而其它方向冰川條數變化不大。整體上偏南向(南、東南、西南朝向)冰川的面積減少明顯,共減少了157.11km2,其中,朝東南向(112.5°~157.5°)的冰川面積在1972年時為192.52km2,而2011年為71.62km2;朝南向(157.5°~202.5°)的冰川面積減小26.74km2;朝西南向(202.5°~247.5°)的冰川面積減小9.47km2。究其原因是瓊臺蘭冰川在1972年為朝東南方向冰川,但是2011年時已經成為2條冰川,其中西瓊臺冰川依舊為東南朝向,但是東瓊臺冰川為朝東向,因此朝東方向冰川面積增大,朝東向(67.5°~112.5°)冰川面積在這一時期內顯著增加。根據冰川的末端海拔,以300m為海拔梯度進行統計分析表明(見圖5),該區冰川末端海拔主要分布在3600~3900m、3900~4200m的海拔區間內;3000~3300m、3900~4200m區間內冰川末端退縮變化較大,末端上升明顯;末端海拔在3600~3900m、3900~4200m區域內冰川條數增加明顯,表明末端海拔在3000~3300m、3900~4200m區間內的冰川很多上升到3600~3900m、3900~4200m區間內;其他海拔區間內冰川數量變化不大。海拔區間上的冰川變化事實表明,低海拔區域存在明顯的冰川末端升高趨勢。3.3瓊臺蘭冰的退化流域內最大冰川為瓊臺蘭冰川,為樹枝狀山谷冰川,冰川下部被厚層表磧所覆蓋,20世紀70年代,冰川面積達167.43km2。根據文獻記載[9，10],1942年前,東、西臺蘭冰川相連,1978年再次測量時發現,西臺蘭冰川已與東臺蘭冰川脫離。70年代中期,中國科學院登山科考隊利用衛星照片實地判讀方法,測得1942~1976年西臺蘭冰川后退600m,1997年再次對該冰川的冰舌部分進行攝影測量,發現該冰川仍處在較強烈的后退之中,面積仍在縮小[3，4，10]。2011年,根據遙感解譯結果(見表1),發現瓊臺蘭冰川除分離為東瓊臺蘭冰川和西瓊臺蘭冰川外,另有2條小冰川從瓊臺蘭冰川脫離出來,現東瓊臺蘭冰川面積為40.23km2,西瓊臺蘭冰川107.13km2。流域內次大冰川為克其克鐵列克蘇冰川,冰川面積為100.31km2。2011年,克其克鐵列克蘇冰川面積為81.89km2,并有1條小冰川(面積8.06km2)從該冰川上脫離,近40a該冰川共退縮10.36km2。此外,編號為5Y674C0022的冰川40a來退縮了6.34km2,并分離出2條小冰川。該3條冰川20世紀70年代的面積分別為167.43km2、100.31km2、31.72km2,對應冰川退縮率為7.39%、10.33%、15.77%,明顯反應出冰川變化與冰川規模的關系,冰川規模越小,退縮越明顯,大冰川對氣候的敏感性比小冰川要小。4討論4.1冰川變化效果氣候變暖背景下全球山地冰川呈現總體退縮趨勢[11，12],而近年來高分辨率衛星影像數據在冰川動態監測中得到廣泛應用,使研究大區域內冰川變化成為可能[13~15]。為了進一步研究臺蘭河流域冰川變化的特征,選取中國西部典型山區及流域的冰川變化情況與本研究做對比(表2)。表明:臺蘭河流域變化趨勢與其他區域冰川所表現的趨勢,即條數減少、面積變小的趨勢相吻合。Oer-lemans的研究估計在21世紀山地冰川將失去1/3至1/2;施雅風院士根據21世紀升溫前景和小冰期盛時以來升溫和冰川面積減少的經驗關系,忽略不確定性的前提下預估21世紀中國冰川對全球變暖響應,冰川面積將減少1800~4000km2,相當于冰儲量減少1690~3760km3。對比1963~1999年的阿克蘇河流域冰川退縮速率為-0.09%/a,本研究得到1972~2011年臺蘭河流域冰川退縮速率為-0.29%/a,2000年后該流域冰川退縮速率顯著增加,這與Oerlemans、施雅風預測21世紀冰川在全球變暖大環境下,加速退縮趨勢是吻合的。4.2年—冰川變化的氣候背景水(降水)、熱(氣溫)及其組合是影響冰川發育的主要氣候因子,二者年際變化共同決定冰川的性質、發育和演化,溫度決定消融,降水影響積累。為分析氣溫和降水對該地區冰川變化的影響,根據研究區的位置,選擇阿克蘇和拜城2個氣象站資料作為研究區冰川變化氣候背景參考。由2個氣象站1960~2010年逐年平均氣溫和降水數據分析可看出(圖6):近40a來臺蘭河流域年均氣溫的升高趨勢明顯,增溫幅度為0.45℃/10a(通過顯著性水平0.001檢驗),高于全球平均升溫率(0.148℃/10a)[23~25]。1995年以后升溫趨勢更為明顯,較1995年之前升高了0.95~2.7℃。年降水量變化幅度較大,亦呈上升趨勢,平均增加量為8.41mm/10a。根據康爾泗對高亞洲地區12條冰川平衡線(ELA)和夏季氣溫關系分析,夏季平均氣溫升高1℃,冰川平衡線升高可達100~160m的高差,如保持平衡線不變,需要固態降水增加幅度在40%以上,甚至需增加約1倍[26~28]。顯然,研究區這種組合氣候變化背景下,雖然降水量增加,但冰川對氣溫的敏感性大,隨著該區域氣溫升高,雪線上升,冰川融水量持續增加,固態降水增加對冰川的補給無法彌補冰川消融所帶來的物質損失,導致臺蘭河流域冰川普遍萎縮。5年生時期冰川退縮趨勢強烈,a1)本文通過運用1972年地形圖和2011年LandsatETM+影像結合數字高程模型,對臺蘭河流域冰川變化情況進行了分析。研究結果表明,1972~2011年,臺蘭河流域冰川面積由435.44km2退縮到385.38km2,條數由113條減少到109條,近40a來冰川總面積共退縮50.06km2,退縮率為11.50%,平均每年退縮0.94km2,冰川平均面積減小0.31km2,表明該地區冰川退縮趨勢強烈。2)根據遙感解譯的2011年冰川分布