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Journal of Geo-information Science >

2014 , Vol. 16 >Issue 5: 762 - 768

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2014.00762

Orginal Article

The Study of Glacier Dynamic Change in South Mountain of Manas River Watershed in the Past 20 Years

  • GUO Peng , 1 ,
  • XU Liping 1, * ,
  • CHANG Cun 2
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  • 1. College of Science, Shihezi University, Shihezi 832003, China
  • 2. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS, Urumqi 830043, China
*Corresponding author：XU Liping, E-mail：xlpalw@sina.com

Received date: 2013-11-25

  Request revised date: 2014-02-24

  Online published: 2014-09-04

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

Abstract

Glaciers play an important role in the global climate system. Regular methods of analyzing glacier changes are not applicable in some areas of the region. The use of remote sensing (RS) techniques and GIS provides an efficient tool to analyze the status and the changes of glaciers. The study utilized Landsat TM and DEM data from 1990 to 2010, and analyzed the glaciers’ temporal and spatial distribution characteristics and changes in the South Mountain of Manas River Watershed by the method of object-oriented classification. And we discussed the reasons for these changes by making use of the temperature data of nearly 20 years (1987-2007). The results show that: (1) between 1990 and 2010, glaciers in the study area had retreated from 1442.32km2 to 710.54km2, and the overall area had decreased by 50.7%. (2) From 1990 to 2010, the main trend of the glacier change is retreating. Especially below the altitude of 4000m, the glacier area had decreased sharply, while above the altitude of 4000m, the change was relatively moderate. This phenomenon was much more obvious in the eastern area and relatively gentler in the western study area. (3) Since 1987, the increasing temperature was one of the main reasons for the continuous glacier retreatment.

Key words： Manas River Basin; glacier; dynamics; characteristics

Cite this article

GUO Peng , XU Liping , CHANG Cun . The Study of Glacier Dynamic Change in South Mountain of Manas River Watershed in the Past 20 Years[J]. Journal of Geo-information Science, 2014 , 16(5) : 762 -768 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2014.00762

1 引言

冰雪是我国西部干旱地区非常重要的水资源,尤其在内陆河流域中,冰雪融水对河流的补给能够有效地缓解水资源匮乏所造成的危机,生态作用明显,在维系干旱区脆弱的生态平衡方面具有重要的意义。但是,在全球气候变化和人类生产活动双重的影响下,大大提高了冰雪的脆弱性,使冰雪为流域提供的各项功能下降。冰雪退缩对区域的发展具有重大的影响。有研究表明,近百年来,中国的年平均气温升高0.6 ℃左右,比全球平均增温幅度略高。青藏高原和天山山区的冰雪也有加速退缩的趋势,一些面积较小冰雪将消失,预计到2050年我国西北的冰雪面积有可能再减少27%左右[1-4]。
玛纳斯河流域位于新疆天山北麓,冰雪融水对各条河流的补给占到河水径流量的35.3%以上[4]。然而,在各种因素的影响下,玛纳斯河流域冰雪面积急剧缩减,淡水资源储备也有所下降,这对区域的社会经济发展产生了巨大的影响[5]。因此,本文选用玛纳斯河流域南山1990-2010年Landsat TM遥感图像和DEM数据,采用面向对象的图像分析方法,获取了近20 a的玛纳斯河流域南山地区冰雪动态变化信息,并结合气温资料,综合分析了冰雪变化与气候变化的关系[6-8]。

2 研究区概况与数据源分析

（1）玛纳斯河流域位于新疆天山北麓中段、准噶尔盆地南缘,分布在东经85°01'~86°32',北纬43°27'~45°21'之间,是典型的西北干旱内陆河流域,降水量少蒸发量大,生态环境十分脆弱。流域内自东向西分别由塔西河、玛纳斯河、宁家河、金沟河、大南沟、巴音沟河6条内陆河流,均发源于天山北坡依连哈北尔尕山脉,由南向北平行注入准噶尔盆地,是十分典型的梳状水系。玛纳斯河流域内最高海拔5242.15 m,最低256 m,自南而北分为受永久性积雪和冰雪作用的高山区、受古冰雪作用的中山区和以干燥侵蚀作用为主的低山丘陵区和平原区。其中,流域内玛纳斯河是最大的河流,全长324 km,集水面积5156 km2,多年平均径流量12.79×108 m3。
（2）本文选取了1990年8月16日、2000年8月18日、2005年8月19日和2010年8月20日的Landsat TM数据,主要有蓝色波段（0.45~0.52 μm）,绿色波段（0.52~0.60 μm）,红色波段（0.63~0.69 μm）,近红外波段（0.76~0.90 μm）,短波红外波段（1.55~1.75 μm）。该数据均来自GLCF（global land cover facility）和USGS（US geological survey）数据共享平台[9-10]。另选用了研究区1：5万的分辨率为30 m的DEM数据 [4-5,21]。由于该地区没有气象站,本文采用了离研究区冰雪分布中心约120 km的肯斯瓦特气象站1987-2007年的气象观测资料 [11]。
Fig.1 Study area of South Mountain in Manas river watershed

图1 研究区示意图

3 冰雪动态变化特征分析

3.1 数据处理与冰雪提取参数

本文采用的Landsat TM影像是带有地理坐标信息的GeoTIFF格式,是几何精纠正产品,地理编码精度较高,已经正射校正[12]。该数据采用UTM投影,大地参考椭球坐标系为WGS84,投影坐标系统UTM,Zone44N。将每个年度的影像镶嵌裁切后以地形图为基准,在ENVI 5.0中进行几何校正,将其与地形图匹配到相同的坐标系下[13-14]。
冰雪提取采用面向对象的分类方法在eCognition 8.7.1软件,对不同年度冰雪的分布采用NDSI指数的方法计算并判断,其中,对影像的多尺度分割参数如表1所示。NDSI的计算方法见式（1）。
NDSI = ( B 2 - B 4 ) / ( B 2 + B 4 （1）
式中,B2是指影像的第2波段（绿波段）,B4是指第4波段（近红外波段）[15]。
提取参数如表2所示,提取结束后使用混淆矩阵和目视评判的方法对结果进行了精度验证,总体精度达到了95.87%,Kappa系数为0.976。最终将分类结果以玛纳斯河为界分为东区冰雪和西区冰雪分别进行统计,分类结果见图3[16-17]。
Tab.1 Multi-scale segmentation parameters

表1 多尺度分割参数

分割层 分割尺度 颜色参数 形状参数 波段的权重
色彩 形状 光滑度 紧致度
第一层 30 0.7 0.3 0.7 0.3 0,1,2,2,1,0,1
第二层 10 0.7 0.3 0.7 0.3 0,1,2,2,1,0,1
Tab.2 Parameter extraction of glacier

表2 冰雪信息提取参数

年份 NDSI DEM高度（m） 亮度
1990 ≥0.4 ≥1000 ≥45
2000 ≥0.6 ≥1000 ≥45
2005 ≥0.4 ≥1000 ≥45
2010 ≥0.5 ≥1000 ≥45

3.2 标准差椭圆计算方法

根据平均中心计算X坐标和Y坐标的标准差来定义椭圆的轴,被称为标准差椭圆。在离散点集的原始坐标系（ XOY ）下,假设存在某一方向,所有离散点到该方向的标准差距离最小,那么,该方向与原坐标轴的 X 方向的夹角 θ 就是点集的定向方向。将坐标轴进行旋转形成新的坐标系（ X'O'Y' ）,新的坐标系的坐标原点为点集中所有点的平均值中点（ μ , ν ）,见图2。
Fig.2 Standard deviational ellipse

图2 标准差椭圆示意图[18]

μ 和 ν 的取值则分别为点集中所有点的 x 坐标值和 y 坐标值的平均值。
μ = ∑ i = 1 n xi n , v = ∑ i = 1 n yi n (2)
所有点到新坐标系下的X轴的标准差距离 σy' ,可表示为：
σy' = ∑ i = 1 n ( y ' i ) 2 / n (3)
式中, y ' i =（ y i - ν ） cosθ -（ x i - μ ） sinθ ,令 y ̅ i = y i - ν , x ̅ i = x i - μ ,并将其代入式（3）得：
σ y' = ∑ i = 1 n y ̅ i 2 co s 2 θ - 2 ∑ i = 1 n x ̅ i y ̅ i cosθsinθ + ∑ i = 1 n x ̅ i 2 si n 2 θ n （4）
当在假定的新坐标系下标准差距离最小时,则假定的坐标系的旋转角度 θ 就是离散点集的定向方向。对式（3）求一阶导数可以获得最大的标准差距离,
d σ y' dθ = 1 n σ y' [ ∑ i = 1 n x ̅ i 2 cosθsinθ - ∑ i = 1 n x ̅ i y ̅ i ( co s 2 θ - si n 2 θ ) -
∑ i = 1 n y ̅ i 2 cosθsinθ ] (5)
则
tanθ = ( ∑ i = 1 n x ̅ i 2 - ∑ i = 1 n y ̅ i 2 ) ± ( ∑ i = 1 n x ̅ i 2 - ∑ i = 1 n y ̅ i 2 ) 2 + 4 ( ∑ i = 1 n x ̅ i y ̅ i ) 2 2 ∑ i = 1 n x ̅ i y ̅ i (6)
将式（6）代入式（4）中可获得2个标准差距离,其中,最大标准差距离 xσ' 为椭球的长轴长度,最小的距离 yσ' 即为椭球的短轴长度, θ 即为坐标系的旋转方向角,也就是点集的定向方向,见图2。
本文是通过ArcGIS 10.0中Toolbox方向分布（标准差椭圆）工具来计算从1990-2010年间每个标准差椭圆重心所在的位置及距离和方向分布特征的。

3.3 冰雪提取结果与分析

（1）东西区冰雪总体面积及变化对比分析
由图3和表3、4可看出,研究区冰雪1990年至2010年间基本一直处于退缩状态,研究区冰雪总面积由1442.32 km2减少至710.54 km2,且1990-2000年间退缩更加明显。从数据来看,东区1990-2000年间冰雪面积减少了80.35 km2,2000-2005年间则减少了62.99 km2,减少速率为12.6 km2/a,而西区则是在1990-2000年间减少速率显著,减少速率更是达到了67.81 km2/a。总而言之,不论是东区冰雪还是西区冰雪,从1990-2000年间面积的退化尤为明显,直到2005-2010年间,冰雪面积才显示出增加的趋势,但总面积与1990年时的结果相差较大,整体呈现退缩的趋势[19]。
Tab.3 Glacier area variations of the east study area from 1990 to 2010

表3 1990-2010年研究区东区冰雪面积变化

年份 面积（km2） 变化面积（km2） 变化面积（%） 变化速率（km2/a）
1990 326.87
2000 246.52 –80.35 –32.59 –8.03
2005 183.54 –62.99 –34.32 –12.60
2010 184.05 0.52 0.28 0.10
总计 940.98 –142.82 –66.63 –20.53
Tab.4 Glacier area variations of the west study area from 1990 to 2010

表4 1990-2010年研究区西区冰雪面积变化

年份 面积（km2） 变化面积（km2） 变化面积（%） 变化速率（km2/a）
1990 1115.45
2000 437.40 –678.05 –155.02 –67.81
2005 401.55 –35.84 –8.93 –7.17
2010 526.49 124.93 23.73 24.99
总计 2480.88 –588.96 –140.22 –49.99
Fig.3 Extraction results of glacier from 1990 to 2010

图3 1990-2010年冰雪信息提取结果

（2） 1990-2010年间的不同海拔高度冰雪面积变化对比
从不同海拔高度冰雪面积分布来看,在东区4000 m以上的冰雪占到了研究区总面积的61.03%,西区为64.61%,在3000~4000 m之间,东区冰雪面积比例为38.85%,西区为35.11%,在3000 m以下,冰雪分布相对较少,东区仅为0.11%,西区为0.28%。也就是说研究区的冰雪主要分布在3000 m以上的区域,这与该区域的温度是有一定关系的[20]（图4、5）。
Fig.4 Changes of the east glacier area from 1990 to 2010 in the South Mountain of Manas river watershed

图4 1990-2010年的玛纳斯河流域南山冰雪东区面积变化

Fig.5 Changes of the west glacier area from 1990 to 2010 in the South Mountain of Manas river watershed

图5 1990-2010年的玛纳斯河流域南山冰雪西区面积变化

从冰雪面积分布随海拔变化的的结果来看（表5、6）,总体呈先减少后增加的趋势。东区在海拔4000 m以上冰雪面积由190.82 km2减少至125.56 km2,减少速率为3.26 km2/a,在3000~4000 m之间冰雪面积由135.04 km2减少至58.49 km2,减少速率为3.82 km2/a。同样的,在西区海拔4000 m以上冰雪面积由561.47 km2减少至367.76 km2,减少速率为9.69 km2/a,在3000~4000 m之间冰雪面积减少显著,由547.13 km2减少至158.71 km2,减少速率达到了19.42 km2/a,是所有高度中减少最明显的。
Tab.5 The statistics of glacier changes in the east area from 1990 to 2010 in the South Mountain of Manas river watershed (km2)

表5 1990-2010年间玛纳斯河流域南山东区冰雪东区面积统计表(km2)

年份 4000m以上 3000~4000m 2000~3000m 总计
1990 190.82 135.04 1.01 326.87
2000 133.89 112.57 0.06 246.52
2005 124.03 59.50 0.00 183.54
2010 125.56 58.49 0.00 184.05
Tab.6 The statistics of glacier changes in the west area from 1990 to 2010 in the South Mountain of Manas river watershed (km2)

表6 1990-2010年间玛纳斯河流域南山西区冰雪东区面积统计表

年份 4000 m以上 3000~4000 m 2000~3000 m 总计
1990 561.47 547.13 6.84 1115.45
2000 345.70 91.67 0.03 437.40
2005 328.01 73.54 0.00 401.55
2010 367.77 158.72 0.00 526.49
（3） 1990-2000年冰雪变化与气温变化分析
由于研究区内没有气象站,本文采用了玛纳斯河流域附近的肯斯瓦特气象站1987-2007年的气象观测资料进行了分析。该站1987-2007年温度持续升高,其中,1987-2000年间平均气温为6.53 ℃,要低于2000-2007年间平均气温6.66 ℃,增幅为2.5%（图6）。为了反映气温的实际增长率,采用线性增长率公式计算：
A = ∑ ( t i - t 平均 ) ( T i - T 平均 ) ∑ ( t i - t 平均 ) 2 （7）
式（7）中, A 为线性增长率; t i 为序列号; T i 为气温序列值; T 平均 为时段平均气温值, i =1.2…n。计算结果表明,近20 a来肯斯瓦特站平均气温增长率为0.38 ℃·a-1,高于全疆气温平均增长率0.27 ℃·a-1[21]。
Fig.6 The annual average temperature process lines of Kensiwate

图6 肯斯瓦特站年平均气温过程线

从1990-2010年间的平均气温和冰雪变化量表（表7）中可看出,1990-2000年间冰雪消融巨大,这与期间气温变化的不稳定是有一定关系的。在2000-2010年间,随着温度的不断升高,冰雪的面积也随之减少,并且有温度越高消融量也越大的特点[22]。
Tab.7 Decadal variations of glacier in study area during 1990-2010

表7 研究区1990-2010年间的气温变化与冰雪变化统计

时段 1990-2000 2000-2005 2005-2010
年均气温(℃) 6.64 6.45 6.93
冰雪变化量(km2) -758.39 -98.83 125.45

4 结论与讨论

（1）玛纳斯河流域南山冰雪1990-2000年间面积总体有显著变化,呈现减小的态势,总体面积缩小一半。但东、西区存在较大差异,其中,东区处于先剧烈减少后增加,而西区则处于持续减少状态,但缩减速度较东区小（图7）。
Fig.7 Area variations of glacier in study area from 1990 to 2010

图7 研究区1990-2010年冰雪面积变化过程

（2）从1990年至2010年20年间,玛纳斯河流域冰雪面积从1442.32 km2退缩到710.54 km2,面积减少了50.7%。根据对不同海拔区域冰雪面积变化的分析,低海拔冰雪面积与高海拔冰雪面积呈现出不同的变化趋势。在海拔低于4000 m的区域,冰雪的面积变化下降趋势较为明显,而在海拔高于4000 m的区域,冰雪减小趋势相对较小。
（3）近20 a玛纳斯河流域南山冰雪的面积明显退缩,同期的气温也有上升趋势。目前,由于气象资料的匮乏,各气候要素在海拔梯度上的长期观测也无法进行垂直差异性方面的研究。但从现有气象资料分析及部分研究人员的研究结果来看,气温升高与研究区冰雪总面积不断的减少有一定的联系[23],而且随着温度的增加,冰雪面积减少,二者的变化具有一定的线性关系。

The authors have declared that no competing interests exist.

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