浅谈数字遥感图像下的冰川与气候的关系

第一章绪论

1.1研究背景
冰雪资源影响着江河源地区的水量平衡和生态平衡，对维系区域脆弱的生态平衡具有重要意义。换句话说，冰川不但是气候变化的记录器，同时还是气候变化的驱动器。2007年IPCC报告中指出，冰川可作为气候变化的指示器。这说明冰川的稳定性已经成为科学和国际政策关注的焦点问题，也体现了地球气候环境的显著变化首先表现在陆地冰量的巨大波动。冰川末端进退、厚度增减、面积扩縮不仅可以反映气候变化状况，还可以对气候产生反馈作用，成为气候形成的重要因子。特别是山岳冰川，得天独厚的地理条件为冰川发育创造了必要的低温和足够的固体降水条件，而冰川作用的差异决定了冰川的规模以及冰舌向雪线以下伸展的能力。与此同时，受到山脉的走向、坡向等因素影响的局部气候的差异又影响着冰川的分布和形态。此外，山岳冰川的规模越大，其淡水资源的意义和稳定生态环境的作用就越大。全球气候变化已经成为国际社会越来越关注的重大全球环境问题，已经超出一般的境或气候领域，甚至己经关系到一个国家的政治、经济、外交、环境和科学政策，关系到国家的经济和社会的可持续发展。而素有"世界屋脊"之称的青藏高原是全球一个独特地域单元，其独具特色的气候环境，影响着东亚甚至全球气候系统，所以，青藏高原的气候环境变化与全球环境变化密切相关。潘保田发现，青藏高原的隆起导致了东亚季风的形成和加强，而东亚季风的加强和高原的动力作用促使西风带波动增加，从而造成了冰期极地冷空气不断南侵、气候波动变大。近百年来全球平均地面气候上升大约0.5°C，处于全球变暖大背景下的青藏高原，气候变化非常显著，甚至可以称之为全球气候变化的"驱动机与放入器":5，61,或是"全球变化与地球系统科学统一研宄的最佳天然实验室"。在1955年到1996年这30年中，每十年青藏高原年平均温度增长0.16°C，冬季平均温度增长0.32°C。
从19世纪50年代起，全球范围内开始展开冰川变化观测，冰川的进退变化成为研究者们的主要观测内容。其中由于山岳冰川对于环境监测具有重要的研宄价值，成为人类最早的研究对象。刘宗香等人对青藏高原冰川资源进行了精确统计，研究发现青藏高原发育36793条冰川，冰川面积达到49873144km2，冰储量为456113857km3，分别是我国冰川总数的79.4%， 84.0%和81.6%。但是随着气候的变暖，青藏高原冰川末端在近百年来虽然出现过两次稳定或是小幅度的前进，但是总体变化过程仍然呈现明显的退缩趋势，而且此趋势仍在逐步加剧。这也说明了冰川的进退能够反映全球气候总体的变化。冰川在消融期形成的冰川融水可以补给河流，每年可以不断更新。冰川融水不仅调节着河川径流的年际变化，使之趋于均勾，而且在干旱缺水的中国西北地区，其可以成为绿洲生命线。杨针娘提出中国冰川水资源总量约为560亿m3,约为全国河川径流量（2.6万亿m3)的2%，接近黄河入海的多年平均径流量。在柴达木盆地内，所有水系均来自四周山地，例如那棱格勒河、格尔木河以及柴达木河，河流水源主要来自冰雪融水，降雨及地下水的补给。因此，研究出山径流的变化规律，能够好的说明其对气候变化、冰川波动的响应关系。

1.2国内外硏究现状
1. 2. 1遥感与地理信息技术
在冰川动态研究中的利用研究者们开始越来越关注全球范围内冰川的变化，大量研究结论证明了许多地区冰川在加速退缩，这时就需要一个公认的综合评价冰川的方法。由于山岳冰川地形复杂，所以利用常规的野外观测方法并不能够很好的检测冰川波动，不可能大范围快速地计算出冰川面积在20世纪60年代，遥感技术开始迅猛发展，遥感和GIS技术在复杂和远程环境评估、定量分析和模拟箱射传送、表面能量预算、冰川消融和估计物质平衡，以及气候模拟中起了重要作用，已经成为冰川研宄有效手段。目前，利用遥感影像资料提取冰川边界的方法主要有：监督和非监督分类法、主成分分析法、比值陶值法、雪盖指数法、和多源DEM法等。张世强等人利用TM高光谱图像提取青藏高原喀喇昆仑山区现代冰川边界，发现监督分类可以区分雪盖和融化雪，但容易将冰舌部分和阴影部分混淆；而非监督分类法更为严重的混淆冰舌部分与其他地物。
而雪盖指数法是一种对植被指数的推广，其值在-1与1之间，可以很好的识别冰川与冰碛物。Silverio等用雪盖指数法提取秘鲁CordilleraBlanca冰川，根据目视解译和明暗度直方图，确定雪盖阈值大于0.52，并提出从1987年到1996年，该冰川退縮15%。闽值法则是利用冰川与其他地物的不同反射特性，区分出冰川与周围环境。由于冰川雪、冰舌等对可见光和中红外波段的反射率和吸收率上的不同，阈值法又分为TM3(红色波段)/TM5(中红外波段)和TM4 (近红外波段yTM5 (中红外波段)。Andreassen等在研宄从1930年起挪威的Jotunheimen冰川目录时，经过提取结果对比，发现TM3/TM5比TM4/TM5更能精确的提取冰川边界，并且当阔值大于2.0时，冰与雪之间能够很好的区分开来。但当Paul等人在利用该方法研究瑞士冰川目录时，研究结果是TM4/TM5的闽值法是最适合绘制冰川的。经过大量研究确定，阈值法提取的精度较高，是一种稳健、高效的方法。

   1.3 研究意义 ......................13-14
    1.4 论文的内容与技术路线 ......................14-16
第二章 研究区概况 ......................16-21
    2.1 研究区概况 ......................16-21
        2.1.1 研究区地理位置 ......................16-17
        2.1.2 地质及地貌特征 ......................17
        2.1.3 气象特征 ......................17-19
        2.1.4 水文特征 ......................19-20
        2.1.5 昆仑山东部地区冰川概况 ......................20-21
第三章 数据来源及分析方法 ......................21-28
    3.1 数据来源 ......................21-23
        3.1.1 数字遥感影像 ......................21-22
        3.1.2 气象数据 ......................22-23
    3.2 数据处理 ......................23-28
        3.2.1 遥感影像的处理 ......................23-24
        3.2.2 遥感影像解译...................... 24-26
        3.2.3 气象数据的处理 ......................26-28
第四章 东昆仑山冰川变化研究 ......................28-37
    4.1 东昆仑山冰川总面积变化 ......................28-29
    4.2 东昆仑上冰川变化的区域性差异 ......................29-30
    4.3 东昆仑山冰川长度变化 ......................30-31
    4.4 东昆仑上冰川储存量的变化...................... 31-32
    4.5 东昆仑山冰川规模与冰川变化率的关系 ......................32-34
    4.6 东昆仑山冰川朝向与冰川变化率的关系 ......................34-36
    4.7 小结 ......................36-37
第五章 东昆仑山气候变化研究 ......................37-43
    5.1 气温变化分析 ......................38-40
    5.2 降水变化分析 ......................40-42
    5.3 小结 ......................42-43
第六章 冰川波动对气候变化的响应关系 ......................43-57
    6.1 区域冰川面积变化 ......................43-47 
    6.2 区域冰川面积波动对气候变化的响应 ......................47-52
    6.3 东昆仑山冰川变化与气候变化关系 ......................52-55
    6.4 小结 ......................55-57

结论

在全球气候变暖的大背景下，位于青藏高原的东昆仑山的大陆型冰川呈现持续退缩趋势，本文结合中国冰川目录、遥感影像、数据高层图等，分析了东昆仑山1990-2010年的冰川变化，布喀塔格峰冰川和马兰冰帽1973-2010年的变化；通过对比分析布喀塔格峰冰川和马兰冰帽波动与1960-2010年研究区气候变化，分析冰川与气候的关系。通过对数据的整理分析，本文得出如下几点结论：
(1)1990-2010年，研宄区冰川呈现退缩趋势，但是退缩速率逐渐减小；2010年冰川面积为1933.08km2，与1990年相比面积减少了 12.03%，退縮速率为0.60%,，消失140条冰川。研究区北部的冰川退缩最为明显，20年间冰川共退縮17.55%;其次为中部地区，其冰川退缩率为13.18%;南部冰川退缩率最小，仅为4.24%。总冰川储存量减少34.228km3 ，相当于水量31.489km3。冰川规模较小，偏北向的冰川，其面积退縮率较大，说明冰川规模、地理位置、地形因素都影响着冰川变化，并且这种变化也具有空间差异性。
(2)东昆仑山气温与海拔高度呈负相关性，1960-2010年间冰川区气温呈现上升趋势，年均气温倾向率平均值为0.79°C* (10a)_'， 50年内气温升高了近4°C。年均温最高点出现在2006年。从20世纪60年代开始，气温呈波动下降趋势，在70年代中期达到-10.82°C，之后气温开始逐渐上升，在80年代又出现第二次降温，在1983年达到最低值，其后的二十几年，年均温在波动中升高。

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