1990-2020年那曲地区冰湖变化研究_雷鹏嗣.pdf

19902020 年那曲地区冰湖变化研究*雷鹏嗣1，2）王伟财2）张太刚1，2）（1）兰州大学资源环境学院，730000，甘肃兰州；2）中国科学院青藏高原研究所，100101，北京）摘要基于 Landsat 遥感影像，采用目视解译的方法提取了青藏高原内部那曲地区冰湖和冰川 1990、2000、2010 及2020 年 4 期边界数据，并分析近 30 年来该地区冰湖变化的特征与原因.结果表明：那曲地区现有冰湖 255 个，总面积（27.8294.62）km2，冰湖主要集中在东南部，其次是西南部；19902020 年，研究区新增冰湖 72 个，面积增长 6.14km2；冰湖扩张趋势明显，具体表现为低海拔地区（4700m）原有冰湖快速扩张，较高海拔地区（51005700m）新增冰湖集中出现；气温与降水是冰湖变化的关键因素，由于降水与气温分布及变化存在时空差异，冰湖变化呈现“南快北慢，逐期加快”的特征；冰湖与冰川的位置关系也会影响冰湖变化，离冰川位置越近，对冰湖发育越有利，同时与冰湖接触的冰川退缩速率相较于其余冰川有更大的退缩速率，但冰川与冰湖面积变化速率并无明显相关性.关键词那曲地区；Landsat；冰湖；冰川；冰湖溃决洪水中图分类号P9DOI：10.12202/j.0476-0301.20213030引言冰湖是在冰川作用下形成、主要受冰川融水补给的湖泊，一般位于冰川末端、表面或者侧方12.由于冰湖与冰川密不可分的关系，冰湖变化常被当作全球气候变化的敏感性指标35.冰湖在内外力作用下极易发生溃决，形成冰湖溃决洪水（glaciallakeoutburstflood，GLOF），对下游地区造成严重破坏和影响.近年来针对冰湖变化和 GLOF 的研究吸引了越来越多国内外学者的关注.GLOF 作为一种常见的冰川灾害，一般发生在世界高海拔地区，例如喜马拉雅山脉、阿尔卑斯山脉、天山和安第斯山脉等68.近年来第三极地区（青藏高原及周边地区）GLOF 频发，其中大半发生在我国西藏境内，截止到 2019 年我国西藏地区有 33 个冰湖共发生 37 次冰湖溃决事件912.冰湖通常位于远离人类聚居地的高海拔地区，一旦溃决，很难及时预警，形成的洪水或泥石流往往会对当地居民生命财产安全带来极大威胁1314.因此，针对高海拔地区冰湖分布与变化的研究，既有明确的科学意义，又有重要的现实意义.冰川的消融退缩为冰湖的形成与扩张提供了充足的水源和空间，导致冰湖在数量和面积上快速增加.19762010 年，喜马拉雅山脉中部波曲流域冰川补给湖显著扩张（+122.1%），而非冰川补给湖在同一时期变化不大（+2.8%）15.Zhang 等16基于冰湖扩张的速率及文献资料，在波曲流域筛选出 8 个溃决风险较高的冰湖，发现 19742017 年这 8 个冰湖对应的补给冰川高程平均变化速率为（0.710.05）ma1），高于区域内冰川高程变化速率平均值（0.390.13）ma1）；20132017 年，这些冰川的平均流速（10ma1）约为整个研究区域冰川流速平均值的 2 倍.研究表明，冰川消融对冰湖扩张起到了明显的促进作用，同时冰湖与冰川存在相互作用的关系，由于水体吸收太阳辐射，导致周围区域升温，因此冰湖面积的增长反过来加速冰川退缩1718.自 20 世纪 80 年代全球变暖加速以来，青藏高原地区的冰川一直处于负质量平衡状态，冰川退缩速率不断加快19.19902018 年，第三极不同区域不同海拔梯度的冰湖均呈现不同程度增长，昆仑山东部和祁连山地区冰湖增长率最大，达到45.6%，阿尔泰山增长率仅为7.5%；同时第三极地区1990 年的冰湖最高分布海拔为 6078m，2020 年上升到 6247m，冰湖面积增长有向更高海拔发展的趋势20.整个第三极乃至全球冰湖整体呈现快速扩张的趋势2123.伴随着冰川退缩，冰湖面积、水量增大，冰湖溃决危险性也随之增大，近年来第三极发生冰湖溃决事件的频率明显升高12.2013 年以来，西藏北部那曲地区已经报道过 2 次冰湖溃决事件，分别是然则日阿错（2013 年）和金翁*中国科学院青年创新促进会资助项目；国家自然科学基金资助项目（41771088）通信作者：王伟财（1984），男，研究员.研究方向：冰湖变化与风险评估.E-mail:收稿日期：2021-12-11北京师范大学学报（自然科学版）2022-12936JournalofBeijingNormalUniversity（NaturalScience）58（6）错（2020 年），在此之前，从未有过关于该地区冰湖溃决洪水的报道.然则日阿错和金翁错都位于嘉黎县尼屋乡，2 次事件均造成尼屋乡大量房屋、桥梁等设施被冲毁，部分牲畜失踪甚至人员伤亡，给当地社会稳定发展造成极大威胁2425.嘉黎县水文局通过实地考察等方式获得的资料显示，该地区仍有面积较大且较危险的冰湖，未来仍有爆发 GLOF（或泥石流）的风险.虽然已有整个青藏高原地区的湖泊数据集发布2628，但针对那曲地区冰湖分布及变化的研究亟待加强.本文通过对那曲地区 19902020 年冰湖、冰川的时空变化特征和成因机制进行探讨，为开展冰湖溃决风险评估、高危险 GLOF 模拟提供基础数据，同时对当地防灾减灾提供决策参考.1研究区概况那曲位于青藏高原内陆（西藏最北端），介于8355955E 和 29553630N，处于冈底斯山脉、唐古拉山脉和念青唐古拉山脉之间.行政区总面积 43 万 km2，下辖 11 个区县，总人口 50 万.当地自然资源丰富，是我国的重要牧区之一，也是长江、怒江等重要河流的发源地2930.那曲地区属于高原气候区，平均海拔4500m.由于海拔较高，含氧量较低，气候干燥且多极端天气（干旱、雪灾）.年平均气温为0.93.3，相对湿度为 48%51%，年降水量约 400mm，降水主要集中在每年的 69 月，期间是该地区最温暖最适合植物生长的时期，同时也是主要的冰雪消融期.研究区内发育有众多冰湖（图 1），尤其是那曲东南部即藏东南地区，为中国海洋性冰川最集中的地区之一31.近年来青藏高原气候变暖加剧，冰川活动性增强，给冰湖的扩张提供了有利条件，对当地水文和生态环境造成巨大的影响，2013 年以来报道过 2 次冰湖溃决事件的嘉黎县正是位于该地区，且均发生在气候突然变暖的 6、7 月份.!双湖县尼玛县安多县班戈县申扎县色尼区嘉黎县比如县巴青县聂荣县索县95E35N309085已溃决冰湖!冰湖高程/m高:6 966低:3 0280200 km100底图来源:国家基础地理信息中心底图审图号:GS(2016)2556 号然则日阿错金翁错西藏青海新疆四川云南研究区范围青藏高原图1研究区概况及冰湖分布2数据与方法2.1数据源采用的数据包括：1）1990、2000、2010和2020 年4 期共96 幅空间分辨率为30m 的Landsat_TM/OLI 影像（2020 年选用 Landsat8_OLI，其余 3 期均为Landsat4、5_TM）作为调查研究区冰川、冰湖变化的基础数据.考虑到影像的品质与可用性，选取 411月云覆率0.02km2的冰湖进行提取4041，同时为了保证纳入分析的湖泊受冰川融水的补给，只分析位于根据冰川数据集建立的 2km 缓冲区内的冰湖42.对于遥感影像无法确定边界的冰湖/冰川，借助 GoogleEarth辅助识别.最终获得 1990、2000、2010、2020 年 4 期冰川/冰湖矢量数据；通过 ArcGIS10.7 地理计算模块得到冰川及冰湖面积、地理坐标等信息，并利用 ASTERGDEM 提取得到冰湖海拔高度信息.2.2.2误差分析提取边界的不确定性主要来源于遥感影像品质和目视解译时的主观因素，冰川与冰湖面积误差主要源于影像分辨率，解译产生的面积误差计算式16，4345为A=L/2,（1）式中：A 为冰湖/冰川面积误差（m2）；L 为冰湖/冰川周长（m）；为影像空间分辨率（30m）.3结果3.1冰湖分布与变化特征如表 1 所示，那曲地区现有 面 积 0.02 km2的 冰 湖 255 个，总 面 积（27.834.62）km2，其中冰湖面积平均值 0.11km2，最大冰湖面积 2.27km2.冰川、冰湖分布特征相似，总体表现为东多西少、南多北少.其中嘉黎县、比如县发育冰湖数量最多、面积最大，占总数量的50.98%，占总面积的53.54%.分布在色尼区、安多县、申扎县、索县、聂荣县的冰湖有31 个，面积（3.350.54）km2，仅占总数量的12.16%，总面积的 12.04%.表119902020 年那曲各区县冰湖数量与面积变化地区1990200020102020数量/个面积/km2数量/个面积/km2数量/个面积/km2数量/个面积/km2聂荣县111.38131.44141.45121.34申扎县20.0620.0720.0630.11色尼区40.2440.2550.2850.34安多县30.2530.2840.3640.40尼玛县191.23171.25211.47221.48巴青县142.58162.70152.76192.99索县60.4970.5471.1271.16班戈县262.26292.41302.44402.95双湖县141.40141.76131.87132.15比如县335.91366.07396.42557.27嘉黎县515.89546.40616.91757.63总计18321.693.5219523.153.7521125.144.0525527.834.6219902020 年，那曲地区新增冰湖 79 个，消失冰湖7 个，冰湖数量从183 个增长至255 个，增长率39.34%；总面积由（21.693.52）km2扩张至（27.834.62）km2，在原来基础上增长了 28.29%.19901999、20002009938北京师范大学学报（自然科学版）第 58 卷和 20102020 年冰湖面积增长速率分别为 0.15、0.20、0.24km2a1，冰湖数量增长率分别为 6.55%、8.21%、20.85%.不管是冰湖的数量还是面积，变化速率均表现为逐期加快.除聂荣县冰湖面积、双湖县冰湖数量略微减小，其他区县冰湖数量和面积均有不同程度的增长.不同地区的冰湖变化特征存在差异，嘉黎县冰湖数量增长最多（24 个），冰湖面积扩张最快，达到0.06km2a1；其次是比如县，新增冰湖 22 个，冰湖面积增长速率为 0.05km2a1.从冰湖数量和面积变化特征来看，那曲东南部冰湖发育更多，扩张比其他区域更明显.3.1.1按冰湖规模分类对比纳入本研究的冰湖面积范围为 0.022.27km2.为了解不同规模冰湖分布和变化特征，按 0.020.05、0.050.20、0.200.50、0.501.00、1.00km2共 5 个面积区间划分冰湖类别.图 3显示：研究区冰湖主要以面积0.050.200.200.500.501.001.000.020.050.050.200.200.500.501.001.00020406080100120140160冰湖数目/个面积区间/km2面积区间/km219902000201020201990200020102020a012345678冰湖面积/km2ba.不同面积区间冰湖数目变化；b.不同面积区间冰湖面积变化.图319902020 年冰湖变化按规模大小分类对比19902000 年，仅有1.00km2这一区间冰湖没有明显变化，其余规模类冰湖数量和面积都有不同程度的增长.新增冰湖集中在 0.020.05km2（59 个），占研究区新增冰湖总数的 81.94%；0.020.05、0.200.50、0.501.00km2这 3 类冰湖面积增长最明显，贡献了冰湖面积增量的 87.88%.20102020 年期间0.501.00km2这一区间冰湖面积与数量减小，则是因为然则日阿错于 2013 年发生溃决，冰湖面积从 0.56km2缩减到 0.36km2.3.1.2按冰湖海拔梯