1987至2021年天山博格达峰地区冰川面积变化特征

冯雪梅 武红旗 胡贵锋 范燕敏 谷海斌

(新疆农业大学资源与环境学院 新疆乌鲁木齐 830052)

冰川在气候系统中发挥着重要作用，是全球气候变化最快速、最显著的指标和指示器，尤其是对于内陆干旱半干旱地区而言，冰川消融补给是维持区域生态环境和社会发展的重要资源[1]。博格达峰作为东天山的第一高峰，是最早引起中外学者注意并进行考察的冰雪区之一。同时，其冰川融水是白羊河流域、吐鲁番—哈密盆地和柴窝堡盆的重要补给水源。

在冰川变化的研究中，冰川面积是主要的表现因素，而面积变化是冰川变化最直接的反映，也是最容易观测的参数之一。天山博格达峰冰川面积变化现有研究中，监测时间序列不够密集，在做长时序分析时所用数据仅为少量的几期数据，冰川的长时序变化分析的精度和意义因此而受限。该文以东天山博格达峰地区为研究区，利用1987—2021年美国陆地卫星（Landsat）系列数据，逐年提取夏季（7～9月）冰川面积，探讨近35年博格达峰冰川面积时空变化特征，以期为该区域的水资源利用和自然灾害的预防提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

博格达峰（88°03'～88°30'E、43°40'～43°55'N）位于新疆维吾尔自治区阜康市境内，是中国天山的第一高峰，海拔5 445 m，耸立于中国天山东段博格达山的西端[3]，如图1所示。两侧盆地冬季受强大的内蒙古冷高压控制，寒冷而干燥，峰顶温度常年处于冰点以下，属于典型的中纬西风带大陆型气候[2-3]。

图1 博格达峰地区冰川地理分布

1.2 数据来源

该文使用的Landsat系列数据包括Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI两种数据，均来自PIE—Engine遥感云计算平台。Landsat 5 TM 传感器和Landsat 8 OLI 传感器中的短波红外SWIR波段和绿光GREEN波段的光谱特征适宜于冰川监测。为消除季节性积雪覆盖以及云的影响，该研究选取每年7～9 月的无云Landsat 影像进行冰川提取研究。

中国第二次冰川编目数据集（V1.0）来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心，基于第二次中国编目中所用方法获取的冰川边界能够满足各行各业对冰川编目数据的精度要求[4-5]。

数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）来源于地理空间数据云，空间分辨率为30 m。

气象数据来源于中国气象数据网的中国地面气候资料日值数据集（V3.0）。

1.3 研究方法

1.3.1 归一化雪盖指数

冰川由于其表面光滑，在可见光波段反射能力极强，常形成图像高亮区，并且在可见光波段，冰川的反照率也非常高。归一化雪盖指数（Normalized Difference Snow Index，NDSI）利用冰川在SWIR 波段有强烈的吸收特性，在可见光Green波段有强的反射特性，将遥感影像中的Green 波段和SWIR 波段的反射率进行归一化处理，能很好地区分冰川与云及其他背景信息，被广泛用于冰川提取研究[6-7]。其具体计算公式为

式（1）中，BGreen、BSWIR分别对应Landsat-5和Landsat-7的第2波段和第5波段、Landsat-8第3波段和第6波段的反射率。

仅凭NDSI进行冰川判别，一些暗色目标（如阴影、水体等）会被误判为冰川，考虑水体在近红外波段几乎全吸收的特点，因此加入近红外波段以消除水体等的影响。

1.3.2 冰川面积变化率

冰川面积变化速率（Percentages of Area Changes，PAC）表示一个时间段内冰川面积变化量与初始年冰川面积的比值；冰川面积平均变化率（Annual Percentages of Area Changes，APAC）是一种评价冰川面积变化程度的常见指标，可以较好地将不同时间尺度的冰川变化研究结果进行统一比较，公式如下[7-8]。

式（2）、式（3）中，ΔSn为冰川变化面积，单位：km2；S0为初始状态下冰川面积，单位：km2；n为研究时段的年限，单位：a。

2 结果与分析

2.1 NDSI阈值选取与精度验证

基于NDSI进行冰川面积提取，提取阈值选取决定提取的最终精度。已有研究表明，不同地区提取冰川面积的NDSI 阈值不同[9-10]。该研究基于Landsat 数据构建NDSI指数，以0.01为步长选取最佳阈值并进行验证，最终选择当NDSI 阈值为0.38 时提取效果最好，精度最高，同时选择近红外波段阈值为0.15，以消除水体的影响。将所构建提取方法得到的冰川提取结果和冰川图数据进行分析验证，提取结果r为0.99，RMSE为79.32 km2，表明提取结果和冰川图结果较为吻合，提取精度较高，如图2所示。

图2 冰川面积提取数据和冰川编目数据精度验证

2.2 博格达峰区域冰川面积时空变化分析

1987—2021 年博格达峰冰川年际面积整体呈现波动退缩趋势，最大值为1989年281.71 km2，最小值为2020 年52.40 km2，退缩速度为2.76 km2/a，年均退缩率为1.26%，近35 年平均面积为134.45 km2。仅对比博格达峰2021 年与1987 年冰川面积，冰川面积减少95.21 km2，退缩44.02%。博格达峰冰川面积年际变化存在2001 年和2008 年两个转折年份，使得整体呈现“退缩—增长—退缩”特征，如图3所示。

图3 1987—2021年博格达峰冰川面积变化

以300 m为海拔梯度统计分析博格达峰冰川分布海拔特征发现，1987—2021 年博格达峰冰川主要分布于3 500 m 以上范围，3 500 m 以下有少量冰川分布。博格达峰冰川退缩呈现海拔越低冰川退缩的幅度越大的特征，2021 年3 500 m 以下冰川面积相较于1987 年退缩了83.3%，表明低海拔区域冰川对气候变化十分敏感，如表1所示。

表1 1987—2021年博格达峰地区冰川海拔变化

通过叠加不同时期博格达峰冰川空间分布图发现，1987—2021年博格达峰冰川空间退缩显著，退缩主要出现在北部和山谷北部区域。通过分析发现，北部相较于南部退缩幅度大的主要原因为，北部冰川最低海拔处于3 500～3 600 m，而南部冰川最低海拔大都高于4 100 m，结合前文研究结论，低海拔区域冰川更容易受到气候变化的影响，因此北部冰川退缩幅度远大于南部，具体如图4所示。

图4 1987—2021年博格达峰冰川面积空间变化

博格达峰冰川主要积累在北坡，多年平均占比为23.34%，其次为西北坡为16.10%，东坡面积占比最低为8.23%。从冰川坡向分布年际变化可得，博格达峰冰川面积在东南坡、东坡、南坡、西南坡和西坡都呈现不同程度的退缩，多年占比分别降低3.28%、2.00%、1.90%、0.41%、0.37%，其中东南坡向冰川退缩最为显著，如图5所示。博格达峰属于天山山脉，北坡和西坡是迎风坡，降水相对较多[2,11]，因此在整体气温升高的情况下，北坡和西坡有降雨带来的冰川累积补充，而南坡和东坡为背风坡，在降水较少和气温升高的双重作用下，退缩幅度较大。

图5 1987—2021年博格达峰不同坡向冰川面积

3 讨论

众多学者对遥感影像提取冰川面积方法做了大量研究，结果发现NDSI 需要设定合理的阈值，具有提取方便，获取信息快速，精确度较高等优点，但因为水体和冰川具有类似的光谱特征所以难以有效区分[12-13]。该文基于Landsat 数据构建NDSI 指数，以0.01 为步长选取最佳阈值并进行验证，最终选择当NDSI 阈值为0.38时提取效果最好，精度最高，同时选择近红外波段阈值为0.15，以消除水体的影响。经验证，该研究能准确反映实际冰川情况，能较好地区分出水体和冰川。

结合前人已有研究，1972—1990 年博格达峰地区冰川面积年退缩率为0.44%、1991—2013 年退缩率为0.78%[14]，1990—2016 年冰川面积退缩20.07%[3]；该研究1987—2021 年博格达峰地区冰川面积年均退缩率为1.26%，退缩44.02%。LIU C 等人的研究表明，20 世纪90 年代之后气温迅速上升，冰川退缩幅度大，且呈现加速消融的态势[15]，该研究数据至2021 年，因此该研究年均退缩率较高，符合前人研究规律。

相比前人研究，该研究对1987—2021年天山博格达峰地区冰川面积进行了逐年提取，一定程度上提升了天山博格达峰地区冰川监测的现势性和时空连续性，冰川的长时序变化分析的精度和意义得到提升。但该研究采用的Landsat遥感影像数据，在博格达峰区域时空连续性依然不足，存在个别年份数据缺失现象，因此后续将从多源遥感数据的角度，进一步提升遥感监测的时空连续性，并以更精确的结果尝试探索冰川面积变化与气候间的响应关系。

4 结论

该文基于1987—2021 年Landsat5 TM 和Landsat8 OLI遥感影像，通过NDSI方法，逐年提取了天山博格达峰区域长时间序列冰川面积数据，分析了其时空变化特征。得出以下结论。

（1）天山博格达峰区域冰川NDSI最优提取阈值为0.38，近红外波段阈值为0.15，提取结果相关系数达到0.99，提取方法可以较好地进行博格达峰区域冰川的提取研究。

（2）1987—2021 年天山博格达峰地区冰川面积整体呈退缩趋势，由1987 年216.30 km2退缩至2021 年121.09 km2，年均退缩率为1.26%，冰川消融现状不容乐观。以2001年和2008年为折点，博格达峰地区冰川面积呈现“退缩—增长—退缩”特征，1987—2001 年、2008—2021年冰川退缩，年均退缩速率分别为4.25%、3.36%；2001—2008年冰川积累，年均增幅23.98%。

（3）1987—2021 年博格达峰冰川空间分布上退缩显著，主要出现在北部区域。冰川主体分布于3 500 m以上范围，3 500 m 以下的小规模冰川主要在北部，且近35 年退缩83.3%，表明低海拔区域冰川更容易受到气候变化的影响。1987—2021年博格达峰冰川坡向上主要积累在北坡，多年平均占比为23.34%，主要在东南坡向退缩，主要原因为东南坡为背风坡，在降水较少和气温升高的双重作用下，退缩明显。