車彥軍， 陳麗花， 谷來磊， 張明軍，4， 曹 昀， 吳佳康， 賴彥怡

（1. 宜春學(xué)院 地理科學(xué)系，江西 宜春 336000； 2. 江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022； 3. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 4. 甘肅省綠洲資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)告指出2010—2019 年全球平均表面溫度升高約為1.07 ℃，全球氣候變化趨勢(shì)依然顯著［1］。氣候變暖，冰川消融不斷加速，冰川物質(zhì)平衡虧損嚴(yán)重，冰川退縮趨勢(shì)強(qiáng)烈［2-3］。亞洲高山區(qū)冰川的不斷消融和加速退縮，使得冰湖迅速擴(kuò)張，新冰湖不斷形成［4-5］。冰湖與冰川共同作用于高山區(qū)水循環(huán)過程，維護(hù)山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有重要作用［6-7］。但偶發(fā)的冰湖潰決洪水會(huì)影響下游基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟(jì)發(fā)展甚至是居民生命安全［8-10］。研究表明，1990—2020 年中國(guó)冰湖面積增加了17.9%，冰川補(bǔ)給湖面積擴(kuò)張最顯著（增加22.9%），而非冰川補(bǔ)給湖的面積僅擴(kuò)張4.9%［11］。因此，研究山區(qū)冰湖和冰川的時(shí)空變化與分布特征，對(duì)了解冰湖和冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)過程、水資源的優(yōu)化配置以及冰凍圈災(zāi)害應(yīng)對(duì)等方面起著重要作用［12-14］。

青藏高原作為“亞洲水塔”，是眾多大江大河發(fā)源地，20 世紀(jì)80 年代以來，該區(qū)冰川物質(zhì)平衡以持續(xù)虧損為主，空間差異較大［15-16］。藏東南地區(qū)分布的海洋型冰川，其積累、消融過程強(qiáng)烈，冰川退縮也最為顯著［17］。青藏高原北緣昆侖山以大陸型冰川分布為主，西昆侖冰川物質(zhì)平衡略有增加、冰川有前進(jìn)現(xiàn)象，而東昆侖地區(qū)冰川以消融退縮為主［18-19］。冰川消融退縮為冰湖擴(kuò)張?zhí)峁┏渥愕目臻g和水源，使冰湖得以迅速擴(kuò)張，冰湖潰決的潛在風(fēng)險(xiǎn)隨之增加［20-21］。研究表明，20 世紀(jì)70 年代以來，青藏高原冰湖面積和體積都經(jīng)歷了快速增加的過程，其中，藏北和藏南地區(qū)冰湖變化的差異十分明顯［22］。申扎盆地流域上游冰湖面積變化對(duì)氣溫比較敏感，而流域下游冰湖面積變化與夏季降水、氣溫關(guān)聯(lián)更為顯著［23］。此外，20 世紀(jì)以來亞洲高山區(qū)共計(jì)發(fā)生冰湖潰決洪水277 起，其中冰磧湖潰決洪水113 起，冰壩湖潰決洪水164 起，冰磧湖潰決洪水的發(fā)生頻率呈較弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)［9］。隨著對(duì)眾多冰前湖擴(kuò)張模式及其冰川后退過程認(rèn)識(shí)的增加，冰川與冰湖之間的作用關(guān)系也愈加密切：因?yàn)楸媪魉俚脑黾?、末端冰崩和熱力侵蝕造成的冰體加速虧損，使得末端有冰湖接觸型冰川的退縮速度比無冰湖接觸型冰川更快［24-25］；同時(shí)，喜馬拉雅山脈地區(qū)，與冰湖接觸的冰川末端高程退縮速度相對(duì)更快，2000—2014 年平均以3.9 m·a-1的速度減薄［26］。因此，隨著冰川加速退縮、冰湖不斷擴(kuò)張以及冰湖潛在潰決風(fēng)險(xiǎn)的增加，冰湖與冰川作用的過程與機(jī)理將備受關(guān)注。

木孜塔格峰地區(qū)是昆侖山東部最大的現(xiàn)代冰川作用區(qū)，分布于阿爾金山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，其冰川、冰湖變化對(duì)調(diào)節(jié)保護(hù)區(qū)內(nèi)及車爾臣河流域水資源狀況與氣候狀況起著重要作用［27］。木孜塔格峰地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，冰川、冰湖以及氣象等地面資料相對(duì)較少，冰川水文過程尚不清楚。鑒于此，本文基于遙感影像，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對(duì)木孜塔格峰地區(qū)冰湖、冰川變化及其對(duì)氣候變化響應(yīng)過程進(jìn)行分析，以期加深對(duì)該區(qū)水文過程的認(rèn)識(shí)。

1 研究區(qū)概況

木孜塔格峰（36°16′～36°42′ N，87°5′～87°39′ E）位于青藏高原北緣，昆侖山北坡東部最高峰，冰面坡度相對(duì)平緩，冰川具有比降小、寬尾等特征，是昆侖山東部發(fā)育最大的現(xiàn)代冰川作用區(qū)［27］。據(jù)中國(guó)第二次冰川編目統(tǒng)計(jì)，木孜塔格峰及周邊地區(qū)（圖1）共發(fā)育245 條冰川，總面積約為668 km2。木孜塔格主峰海拔6 973 m，為東昆侖山的最高峰，雪線海拔約5 500～5 750 m［28］，以峰頂為中心，向四周呈放射狀分流，主脊線呈東北—西南走向［29］。該地區(qū)年均氣溫低于-10 ℃，主要受西風(fēng)環(huán)流和地形抬升作用的影響，降水主要集中在夏季，屬于夏季補(bǔ)給型冰川，雪線附近年降水量約為300 mm［30］。

圖1 木孜塔格峰地區(qū)冰湖、冰川分布Fig. 1 Spatial distribution of glacial lakes and glaciers in Ulugh Muztagh area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

2.1.1 影像獲取及預(yù)處理

木孜塔格峰地區(qū)位于東昆侖無人山區(qū)，冰川分布范圍大、高程作用明顯，山區(qū)自然環(huán)境惡劣、交通可達(dá)性差，觀測(cè)難度大、地面資料缺乏，只有1988年新疆第二次綜合科學(xué)考察時(shí)對(duì)其開展過短期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。本文主要基于時(shí)間序列較長(zhǎng)、空間分辨率為30 m的Landsat系列衛(wèi)星影像，提取1990—2020年木孜塔格峰地區(qū)冰川和冰湖范圍信息。為減少積雪和云層對(duì)冰川區(qū)的影響，特選取消融季（7—9 月）云覆蓋小于15%的影像數(shù)據(jù)，受影像質(zhì)量和影像缺失的影響，部分年份的影像選用臨近消融季的影像。經(jīng)篩選，最終選用的系列影像包括Landsat-5/Thematic Mapper （TM）、Landsat-7/Enhanced Thematic Mapper（ETM+）和Landsat-8/Operational Land Imager（OLI），數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）及美國(guó)地質(zhì)勘探局（https：//www.usgs.gov/）（表1）。其中，Landsat-7/ETM+的描線校正器（Scan Line Corrector， SLC）自2003年開始出現(xiàn)故障，導(dǎo)致影像出現(xiàn)條帶，部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，需對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)。本文使用Landsat 影像的條帶修復(fù)工具為landsat_gapfill. sav，該方案在冰川學(xué)研究中被廣泛使用［31-33］。此外，在解譯冰川和冰湖范圍時(shí)，高分辨率的Google Earth影像被用于輪廓邊界的驗(yàn)證和修訂。

表1 本研究所用遙感影像信息Table 1 Information of remote sensing imageries in the study

2.1.2 冰川物質(zhì)平衡遙感監(jiān)測(cè)

Hugonnet 等［34］基于遙感觀測(cè)建立的21 世紀(jì)初全球冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)集，主要使用的遙感數(shù)據(jù)有Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer （ASTER） L1A、ArcticDEM、Reference Elevation Model of Antarctica （REMA）、Tan-DEM-X 90 m global DEM （TanDEM-X）。首先利用ASTER L1A 生成ASTER DEM，再將所有的DEM進(jìn)行配準(zhǔn)，剔除高程測(cè)量誤差，數(shù)據(jù)集時(shí)間為2000年1月1日到2020年1月1日。此外，使用美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心（National Snow and Ice Data Center）的ICESat （Ice， Cloud， and land Elevation Satellite）和IceBridge 的2 500 萬次激光測(cè)高數(shù)據(jù)和光學(xué)高程數(shù)據(jù)，對(duì)系列高程進(jìn)行了交叉驗(yàn)證，減少了時(shí)間上和空間上的偏差。本文中主要使用該數(shù)據(jù)集中涉及木孜塔格峰地區(qū)的冰川高程和物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)，時(shí)間段為2000—2020年。

2.1.3 冰川區(qū)氣象數(shù)據(jù)

木孜塔格峰地區(qū)長(zhǎng)期缺乏地面氣象資料，本文為了分析局地氣候?qū)Ρ氨兓挠绊?，使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（https：//cds. climate. copernicus. eu/）的全球氣候產(chǎn)品。本文使用ERA5-Land 月尺度氣溫和降水的再分析數(shù)據(jù)，分析木孜塔格峰地區(qū)1951—2021年的氣候變化。與其他氣候產(chǎn)品數(shù)據(jù)集相比，ERA5-Land月平均數(shù)據(jù)具有較長(zhǎng)的時(shí)間分辨率和較高的空間分辨率，分別為1950年至今和0.1°×0.1°，在該地區(qū)也能較好地反映氣溫和降水特征［35］。

2.2 研究方法

2.2.1 冰湖范圍識(shí)別

基于衛(wèi)星遙感影像提取冰湖邊界范圍，使用最為廣泛的方法有監(jiān)督分類、波段比值、人機(jī)交互式解譯等［36-38］。其中，人機(jī)交互式解譯（目視解譯）精度較高、但效率較低，考慮到該地區(qū)冰湖數(shù)量較少、規(guī)模不大，對(duì)該區(qū)域冰湖全部采用人機(jī)交互式解譯方法進(jìn)行判讀。冰川識(shí)別，本文使用波段比值和人機(jī)交互式解譯相結(jié)合的方案。先利用波段比值，設(shè)定和調(diào)整閾值，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，初步提取冰川主要范圍；之后，通過人機(jī)交互式，即人工目視跟蹤解譯冰川、冰湖邊界。計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算過程受云層和積雪的影響較大，借助Google Earth 影像和野外考察經(jīng)驗(yàn)，對(duì)解譯范圍進(jìn)行修訂。此外，目視解譯過程中，分別對(duì)不同傳感器遙感影像進(jìn)行假彩色合成，即Landsat-5/TM 和Landsat-7/ETM+對(duì)應(yīng)的5、4、3 波段（SWIR 對(duì)應(yīng)短波紅外，NIR 對(duì)應(yīng)近紅外、Red）和Landsat-8/OLI 對(duì)應(yīng)的6、5、4 波段（SWIR1 對(duì)應(yīng)短波紅外，NIR 對(duì)應(yīng)近紅外、Red），突出冰川和冰湖的判讀。在此，冰湖范圍識(shí)別時(shí)，空間上大于“2×3”或者“3×3”像元的均解譯為冰湖，對(duì)應(yīng)最小面積約為0.01 km2，借助ArcGIS 空間分析模塊對(duì)冰湖面積及其接觸冰川的空間變化進(jìn)行計(jì)算。冰川范圍的波段計(jì)算公式為

2.2.2 冰川物質(zhì)平衡

冰川物質(zhì)平衡是指在一定時(shí)間內(nèi)冰川積累與消融的差值，直接反映冰川動(dòng)態(tài)，當(dāng)積累大于消融，冰川前進(jìn)或者增厚，反之則后退或變薄。Hugonnet等［34］利用Girod 等［39］提出的MMASTER 自動(dòng)生成DEM 的方法，處理了2000—2020 年ASTER 所有可用的數(shù)據(jù)為DEM。ASTER DEM、ArcticDEM、REMA 共同與無冰區(qū)的DEM 進(jìn)行共配準(zhǔn)，進(jìn)行偏差校正，之后對(duì)高程異常值進(jìn)行了濾波處理?；诖蟮販y(cè)量法的冰川累積物質(zhì)平衡計(jì)算冰川物質(zhì)平衡的公式為

式中：ΔM為物質(zhì)平衡；n為柵格單元的數(shù)量；si為柵格單元的面積；Δhi為兩幅DEM 相同位置柵格單元的高程變化；A為冰川面積；ρ為冰川密度，本文取值為（850±60） kg·m-3［40］。

2.2.3 冰湖儲(chǔ)量

為了快速評(píng)估冰湖儲(chǔ)量或體積，許多研究都采用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算體積［41-42］。在冰湖沒有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，體積-面積的經(jīng)驗(yàn)公式為計(jì)算冰湖儲(chǔ)量提供了方便。本文中，使用以下體積（V）-面積（A）公式［43］計(jì)算冰湖儲(chǔ)量。

2.2.4 誤差分析

在冰川、冰湖邊界解譯中，無論是計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯還是人機(jī)交互式解譯，都無法避免誤差的存在。本文主要采用人機(jī)交互式解譯方法對(duì)近三十年的冰湖邊界進(jìn)行解譯。由于Landsat 圖像的高精度配準(zhǔn)，僅考慮衛(wèi)星遙感圖像分辨率對(duì)冰湖邊界識(shí)別的影響［18，44］。誤差計(jì)算公式為

式中：N為冰湖邊界經(jīng)過的像元數(shù)；R為圖像空間分辨率的平方。根據(jù)誤差的疊加和傳遞，不同時(shí)期冰湖面積變化誤差（EC）計(jì)算公式［45］為

式中：E1和E2為不同時(shí)期冰湖范圍提取的誤差。

3 結(jié)果

3.1 冰湖數(shù)量和面積

木孜塔格峰地區(qū)1990—2020 年冰湖數(shù)量呈波動(dòng)變化且略微增加的趨勢(shì)，但增加趨勢(shì)并不顯著（圖2）。其中，1990 年和2020 年冰湖分布均為16個(gè)，面積分別為（11.730±0.870） km2、（4.530±0.510） km2。2018 年冰湖數(shù)量分布相對(duì)最多，共23個(gè)，總面積為（4.710±0.610） km2。2004 年和2008年冰湖數(shù)量最少，為13 個(gè)，面積分別為（7.300±0.590） km2和（4.710±0.490） km2。1990—2020 年期間，冰湖面積呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)，每年減少（0.200±0.034） km2，且通過了0.001 的顯著性水平檢驗(yàn)。特別是，1990 年冰湖總面積最大，為（11.730±0.870） km2；2016 年最小，為（4.340±0.570） km2。其中，1993—2000年、2010年冰湖數(shù)量和面積均有所增加，2011—2019 年冰湖數(shù)量有所增加，但冰湖面積并未顯著增加，甚至有減少趨勢(shì)。

圖2 木孜塔格峰地區(qū)冰湖數(shù)量、面積和體積變化以及2020年冰湖高程分布Fig. 2 Changes in glacial lake number， area and volume in Ulugh Muztagh area （a），and distribution of glacial lakes in different elevation in 2020 （b）

3.2 冰湖類型、面積、儲(chǔ)量及其變化

根據(jù)冰湖分類體系［46］，目前中國(guó)冰湖主要分為六大類：冰川侵蝕湖、冰磧阻塞湖、冰川阻塞湖、冰面湖、冰下（內(nèi)）湖以及其他冰川湖。木孜塔格峰地區(qū)，冰湖形成于海拔5 275～5 612 m，主要為冰川阻塞湖［圖2（b）和表2］?？臻g上，冰湖均勻分布于冰川邊緣，冰川末端相對(duì)較少（圖1）。規(guī)模較大的冰湖主要分布在木孜塔格峰東南和西南地區(qū)，由冰川阻塞而成。1990 年和2020 年，冰川侵蝕湖（主要為其他冰川侵蝕湖）分別為2 個(gè)和3 個(gè)，總面積為（1.120±0.097） km2和（1.750±0.110） km2；冰磧阻塞湖中終磧阻塞湖均為1 個(gè)，面積分別為（0.020±0.008） km2和（0.030±0.009） km2；冰川阻塞湖分別為13個(gè)和11個(gè)，面積分別為（10.580±0.760） km2和（2.680±0.370） km2。特別是，側(cè)磧阻塞湖只有1個(gè)，出現(xiàn)在1999 年、2008 年、2009 年、2010 年、2015 年、2016 年和2018 年；冰面湖2013 年、2014 年和2020年出現(xiàn)，只有1 個(gè)，2020 年冰面湖面積為（0.070±0.014） km2。其中，2020年分布在海拔5 275～5 400 m之間的冰湖面積占冰湖總面積的67.70%，海拔5 600 m以上冰湖面積僅占0.48%，且湖面多凍結(jié)狀態(tài)。此外，近30 年冰湖儲(chǔ)量從（0.490±0.043） km3減少至（0.200±0.026） km3（圖2）。1990—2010 年冰湖面積和數(shù)量波動(dòng)較為顯著，2005 年至今，冰湖數(shù)量有所增加，但面積變化和儲(chǔ)量變化并不顯著。

表2 木孜塔格峰地區(qū)冰湖分類Table 2 Classification of glacial lakes in Ulugh Muztagh area

3.3 冰川物質(zhì)平衡變化

本文共統(tǒng)計(jì)出12 條與11 條地理位置相近的無冰湖接觸型冰川（表3），進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，2000—2020 年有冰湖接觸型冰川年物質(zhì)平衡介于-0.07～0.15 m w.e.，平均年物質(zhì)平衡為0.04 m w.e.；無冰湖接觸型冰川年物質(zhì)平衡介于-0.13～0.17 m w.e.，平均年物質(zhì)平衡為0.02 m w.e.［圖3（a）］。有冰湖接觸型冰川累積物質(zhì)平衡為0.84 m w. e.，無冰湖接觸型冰川則為0.46 m w. e.。其中，有冰湖接觸型冰川中9條冰川物質(zhì)平衡具有顯著的減小趨勢(shì)，即冰川物質(zhì)加速虧損，平均遞減率為-0.024 m w.e.·a-1；無冰湖接觸型冰川中只有5條冰川具有顯著減小趨勢(shì)，平均遞減率為-0.022 m w. e.·a-1，其他冰川均為波動(dòng)變化，沒有顯著趨勢(shì)（表3）?？芍?，有冰湖接觸型冰川物質(zhì)虧損速度略高于無冰湖接觸型冰川。此外，2000—2010 年，該地區(qū)冰川主要以物質(zhì)積累為主，2010 年之后冰川累積物質(zhì)平衡開始波動(dòng)減小，冰川以消融、物質(zhì)虧損為主。

表3 2000—2020年木孜塔格峰地區(qū)有冰湖接觸型冰川（1～12號(hào)冰川）和無冰湖接觸型冰川（13～23號(hào)冰川）的物質(zhì)平衡Table 3 Mass balance of glacial lake contacted glaciers （Nos. 1～12） and non-glacial lake contacted glaciers （Nos. 13～23） in Ulugh Muztagh area from 2000 to 2020

圖3 2000—2020年木孜塔格峰地區(qū)冰川年物質(zhì)平衡（1～12號(hào)為有冰湖接觸型冰川，13～23號(hào)為無冰湖接觸型冰川）（a）以及兩類冰川區(qū)的累積物質(zhì)平衡變化（b）Fig. 3 Changes in annual mass balance in Ulugh Muztagh area from 2000 to 2020 （Nos. 1～12 denote glacial lake contacted glaciers， while Nos. 13～23 denote non-glacial lake contacted glaciers） （a）， and changes in accumulative mass balances of glacial lake contacted glaciers and non-glacial lake contacted glaciers （b）

3.4 典型冰川-冰湖變化特征

3.4.1 顯著變化的冰湖

為進(jìn)一步探索冰川與冰湖的變化及其作用，特選取兩個(gè)冰湖作為典型案例，分析其冰川-冰湖演變過程。兩個(gè)代表性冰湖為冰鱗川冰川冰湖（冰鱗川冰湖）［圖1（c）］和木孜塔格冰川冰湖（木孜塔格冰湖）［圖1（e）］，分別位于木孜塔格峰的東南和西南方向，分別為冰川阻塞湖和冰川侵蝕湖。1990—2020 年，冰鱗川冰湖波動(dòng)非常顯著，面積總體呈減小趨勢(shì)（圖4）。該冰湖1990年面積最大，為（7.660±0.370） km2，之后經(jīng)歷多次的縮小、擴(kuò)張演變，于2020 年分裂形成兩個(gè)冰湖，與冰鱗川直接相鄰冰湖2020 年面積達(dá)到最小，為（1.150±0.078） km2，另一個(gè)冰湖面積為（0.600±0.053） km2，兩冰湖總面積為（1.750±0.130） km2。此外，1990—1993 年，冰湖面積急速下降，之后呈擴(kuò)張趨勢(shì)，2000年后面積再呈縮小變化趨勢(shì)，2010 年再次擴(kuò)張?？傮w而言，1990—2020年冰鱗川冰湖面積減小了（5.910±0.240） km2，每年縮小約（0.160±0.005） km2。然而，木孜塔格冰湖面積同期處于波動(dòng)變化，無顯著變化趨勢(shì)（圖4）。1990年、2020年冰湖面積分別為（1.060±0.083） km2、（1.080±0.094） km2，且2020 年冰湖面積達(dá)研究期內(nèi)最大值；該冰湖處于不斷縮小、擴(kuò)張的演變過程，面積表現(xiàn)出并不顯著的增加趨勢(shì)，變化率為0.002 km2·a-1。其中，2016 年冰湖面積最小，為（0.390±0.043） km2。相比面積較大的冰鱗川冰湖，木孜塔格冰湖面積的變化趨勢(shì)較不明顯。

圖4 1990—2020年冰鱗川冰湖和木孜塔格冰湖面積變化Fig. 4 Changes in the area of Binglinchuan and Muztagh glacial lakes from 1990 to 2020

3.4.2 冰湖潰決

木孜塔格峰主峰區(qū)西北部有一冰湖，母冰川編碼為5Y624F0020，冰川徑流被冰川5Y624E0022 攔截阻塞而成，為冰川阻塞湖，屬于車爾臣河流域（圖5）。冰湖主要被上游母冰川補(bǔ)給，受狹長(zhǎng)山谷地形影響，冰湖形態(tài)為長(zhǎng)條形。木孜塔格峰主峰區(qū)冰川、冰湖解譯時(shí)發(fā)現(xiàn)，該冰湖1998—2018 年曾發(fā)生兩次大規(guī)模冰湖潰決事件，分別發(fā)生于1998/1999年和2001/2002 年之間。1998 年冰湖面積為（0.660±0.086） km2，儲(chǔ)量為（0.0335±0.0050） km3。1999 年冰湖潰決后庫(kù)容基本消失，為常規(guī)河道；2000 年再次形成小冰湖，面積為（0.014±0.007）km2，冰湖繼續(xù)擴(kuò)張；2001 年擴(kuò)張面積擴(kuò)張至（0.500±0.085） km2，儲(chǔ)量為（0.0264±0.0050） km3，于2002年再次潰決。1998—2002年，冰湖連續(xù)發(fā)生兩次大規(guī)模潰決事件，潰決頻率較高。2002—2018年，冰湖緩慢擴(kuò)張至（0.043±0.019） km2，繼而潰決消失。此外，2000年冰川5Y624F0020消融區(qū)東北緣形成一個(gè)中等規(guī)模冰湖，面積為（0.110±0.030） km2，于2001年消失［圖5（c）］。

圖5 典型冰川阻塞湖演變過程Fig. 5 Evolution process of a typical ice dammed lake

4 討論

4.1 冰川區(qū)氣候變化特征

為便于理解冰川水文和氣象過程，本文中10月至翌年9月為一個(gè)物質(zhì)平衡年，10月至翌年4月為冬半年，5 月至9 月為夏半年。如圖6（a）所示，1951—2020年木孜塔格峰冰川區(qū)年平均氣溫為-11.48 ℃，最高平均氣溫為-9.75 ℃，最低為-13.35 ℃，存在顯著的增溫趨勢(shì)，每10 年升溫0.09 ℃；夏季平均氣溫為-2.91 ℃，最高平均氣溫為-0.61 ℃，最低為-4.93 ℃，每10 年升溫0.04 ℃，但變暖趨勢(shì)并不顯著；冬季平均氣溫為-17.61 ℃，最高平均氣溫為-15.24 ℃，最低為-20.14 ℃，每10 年升溫0.13 ℃，升溫趨勢(shì)顯著。木孜塔格峰地區(qū)氣溫總體呈變暖趨勢(shì)，但夏季變暖趨勢(shì)不顯著。相比青藏高原變暖趨勢(shì)［47］，木孜塔格峰地區(qū)升溫趨勢(shì)較為緩慢。冰川消融主要是夏季高溫所致，研究區(qū)夏季氣溫沒有顯著變暖趨勢(shì)，表明冰川加速消融的趨勢(shì)并不顯著，補(bǔ)給冰湖的融水徑流也沒有顯著的增加。

圖6 1951—2021年木孜塔格峰地區(qū)氣溫和降水年際變化Fig. 6 Changes in air temperature （a） and precipitation （b） of Ulugh Muztagh area from 1951 to 2021

木孜塔格峰地區(qū)降水主要集中于夏季，夏季降水平均占全年總降水量的77%，夏季降水變化趨勢(shì)與年降水趨勢(shì)基本一致［圖6（b）］。1951—2020年，冰川區(qū)年平均降水量達(dá)413.22 mm，最大年降水量為1951年的562.99 mm，最小年降水量為1984年的289.28 mm，且表現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì)，每年增加0.79 mm；平均夏季降水為318.41 mm，夏季最大降水量為2016年的462.48 mm，最小降水為1984年的187.80 mm，存在顯著增加趨勢(shì)，每年增加0.79 mm；平均冬季降水為94.81 mm，最大降水為1954 年的114.07 mm，最小為1965 的75.11 mm，每年增加0.005 mm，但增加趨勢(shì)不顯著。綜上所述，該地區(qū)夏季氣溫較低，沒有明顯的升溫趨勢(shì)，表明冰川融水徑流沒有顯著；降水主要集中于夏季，有明顯的增加趨勢(shì)，夏季降水多為液態(tài)，或者短期固態(tài)降雪，降雪遇晴天快速消融，增加了地表徑流，有利于冰湖的形成。因此，冰湖數(shù)量的增多主要是夏季降水增加所致，而冰湖面積減小與較大規(guī)模冰湖的演變（潰決）有關(guān)。

4.2 冰湖潰決過程

受冰川分布、地形特征以及冰川地貌等因素，木孜塔格峰地區(qū)發(fā)育形成的冰湖主要為冰川阻塞湖。前文所述周期性潰決冰湖為典型冰川阻塞湖，以冰川5Y624E0020 融水徑流為主要補(bǔ)給水源，冰川5Y624E0022 為壩體攔截阻塞河道，形成一定規(guī)模冰川阻塞湖（或冰壩湖），冰壩結(jié)構(gòu)突然發(fā)生變化時(shí)，如躍動(dòng)、冰內(nèi)水系演變等過程極易導(dǎo)致冰壩湖潰決［48］。特定條件下形成周期性潰決冰湖：1999 年7 月7 日，該冰湖面積已達(dá)（0.250±0.044） km2，儲(chǔ)量為（0.014±0.003） km3［圖7（a）］，8 月24 冰湖已潰決，為常規(guī)河道；2001 年7 月20 日，冰湖面積再次擴(kuò)張至（0.500±0.097） km2，儲(chǔ)量達(dá)（0.026±0.006）km3，9 月22 日已潰決恢復(fù)至常規(guī)河道；2018 年7 月11 日，冰湖再次擴(kuò)張至（0.043±0.018） km2，儲(chǔ)量達(dá)（0.003±0.001） km3，8 月28 日潰決恢復(fù)常規(guī)河道，此次冰湖擴(kuò)張、潰決水量相比前兩次，規(guī)模相對(duì)較小。冰湖的擴(kuò)張和潰決，是導(dǎo)致該區(qū)冰湖面積波動(dòng)變化的主要原因。1999 年、2001 年、2018 年該冰川區(qū)夏季平均氣溫分別為-2.00 ℃、-2.85 ℃、-1.70 ℃，略高于多年夏季平均氣溫；夏季降水分別為362.39 mm、324.66 mm、417.60 mm，高于多年夏季降水。此外，2000年夏季降水為401.09 mm，比多年平均降水增加26%。因此，冰湖的擴(kuò)張主要是降水增加所致。結(jié)合冰湖潰決前后影像分析，未發(fā)現(xiàn)顯著的冰川前進(jìn)?；诂F(xiàn)有資料，可推斷冰內(nèi)結(jié)構(gòu)和冰下水系由于夏季氣溫的升高而發(fā)生改變，排水系統(tǒng)發(fā)育，導(dǎo)致冰湖潰決。但潰決過程及其觸發(fā)機(jī)制，需利用模型和實(shí)地考察進(jìn)一步深入。

圖7 典型冰湖潰決前后對(duì)比Fig. 7 Comparison before and after outburst of a typical glacial lake

4.3 冰湖熱融侵蝕與冰壩崩解

為了理解冰湖與冰川的相互作用關(guān)系，選取兩個(gè)典型冰川侵蝕湖——冰鱗川冰湖［圖8（a）］和木孜塔格冰湖［圖8（d）］，進(jìn)行湖-冰界面熱融侵蝕和冰崩過程的理解［24］。冰鱗川冰湖位于冰舌南側(cè)，由多條冰川融水補(bǔ)給。1990—2020 年，該冰湖面積呈現(xiàn)快速縮小趨勢(shì)，2020 年冰湖分裂形成兩個(gè)小規(guī)模冰湖［圖8（a）～（c）］。由于冰湖液態(tài)水比熱容較大，太陽輻射下吸熱，與冰川形成溫差，冰湖對(duì)接觸冰體熱融作用增強(qiáng)［49］，使接觸冰川快速退縮，1990—2020年退縮近0.65 km。結(jié)合Google Earth影像，該部位經(jīng)常發(fā)生冰崩。此外，冰鱗川冰舌南緣在冰川退縮侵蝕作用以及冰湖出水口流水作用的雙重影響下，形成一條河道［圖8（c）］，增強(qiáng)了排水系統(tǒng)，導(dǎo)致該冰湖蓄水能力下降，冰湖面積隨出水口排水能力增強(qiáng)而減小。

圖8 冰鱗川和木孜塔格冰湖熱融和冰崩加速冰川后退Fig. 8 Accelerated glacier retreat in two typical glacial lakes due to thermal erosion and calving：Binglingchuan glacial lake ［（a）～（c）］ and Muztagh glacial lake ［（d）～（f）］

木孜塔格冰舌西側(cè)的冰川阻塞湖，主要由木孜塔格冰川融水補(bǔ)給［圖8（d）］。與冰鱗川冰湖變化相似，湖-冰接觸冰川退縮明顯快于冰川其他部位，1990—2020 年退縮近0.28 km。該冰湖地形相對(duì)封閉，排水系統(tǒng)主要依賴于冰壩結(jié)構(gòu)和冰下水系排水效率。研究期內(nèi)，冰湖面積處于波動(dòng)變化且擴(kuò)張的趨勢(shì)。此外，在冰湖接觸冰川部位，2010—2020 年的退縮距離大于2000—2010年退縮距離，主要是冰湖擴(kuò)張之后，湖水熱力侵蝕和冰崩作用增強(qiáng)所致［20］。需要說明的是，熱融和冰崩導(dǎo)致冰體快速退縮的過程和機(jī)理，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)有限，其監(jiān)測(cè)往往也會(huì)弱化該過程對(duì)冰川物質(zhì)平衡的影響，進(jìn)而低估冰川消融［24］。因此，本文只對(duì)冰湖的面積擴(kuò)張和冰川退縮距離進(jìn)行量化處理，尚不能揭示該過程對(duì)冰川作用的機(jī)理，后續(xù)有必要借助模型等其他技術(shù)對(duì)其進(jìn)一步模擬計(jì)算。

5 結(jié)論

本文基于1990—2020年Landsat和Google Earth歷史影像，通過波段比值和人機(jī)交互式解譯等方法，對(duì)木孜塔格峰地區(qū)冰湖范圍進(jìn)行提取，結(jié)合ERA5 的再分析資料，對(duì)冰湖、冰川、氣候進(jìn)行分析。得到主要結(jié)論如下：

1990—2020 年，木孜塔格峰地區(qū)發(fā)育冰湖主要分布于海拔5 275～5 400 m，主要為冰川阻塞湖，分布面積占冰湖總面積的67.70%。其中，1990 年和2020 年，木孜塔格峰冰川區(qū)分布16 個(gè)冰湖，總面積分別為（11.730±0.870） km2、（4.530±0.510） km2。期間，冰湖數(shù)量不斷增加，其趨勢(shì)不顯著，但冰湖面積和儲(chǔ)量呈顯著減少趨勢(shì)。冰川5Y624E0022 為壩體的冰川阻塞湖，分別于1999 年、2001 年、2018 年發(fā)生潰決，冰湖演變主要受夏季降水影響，其演變過程表現(xiàn)出一定的周期性特征。

此外，研究表明，有冰湖接觸型冰川年均物質(zhì)平衡呈顯著的減小趨勢(shì)（-0.024 m w.e.·a-1），略大于無冰湖接觸型冰川的減小趨勢(shì)（-0.022 m w. e.·a-1）。1990—2020 年冰鱗川和木孜塔格冰湖與其壩體冰川之間作用顯著，冰川熱融侵蝕和冰崩加速了冰川末端冰體虧損，分別造成壩體退縮0.65 km、0.28 km。

總體而言，該地區(qū)冰川2000—2010 年以物質(zhì)積累為主，2010 年之后開始波動(dòng)減小，以冰川消融、物質(zhì)虧損為主。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所、新疆巴音郭楞蒙古自治州阿爾金山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局以及玉素甫阿勒克檢查站等單位和部門對(duì)木孜塔格峰地區(qū)野外科考的大力幫助和支持。