河西走廊冰川变化及其影响研究

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冰川是气候变化最为敏感的指示器和存储器,是气候系统多圈层相互作用的核心纽带和关键性因素之一。20世纪90年代以来,在全球气候变化加剧的大背景之下,中国西北地区的冰川进一步退缩,通过与气候变化的耦合效应直接影响到冰川补给的内陆河流域出山径流量,对中国西北地区绿洲的社会经济发展及生态稳定产生深远影响。河西走廊地处中国西北干旱—半干旱区,自古便是丝绸之路存在和发展的重要节点。2013年9月,中国提出建设“一带一路”的重大倡议,得到国际社会的高度关注。河西走廊作为“丝绸之路经济带”的重要廊道,绿洲的繁荣和稳定是保证国家战略实现的重要一环,而水资源是其存在和发展的基础。河西走廊境内的冰川虽然规模较小,但变化模式复杂,对气候变化的响应更为敏感积极,以冰川变化及其影响效应为研究切入点科学意义显著。  本研究选取河西走廊为研究区域,以冰川变化的时空演变及其对内陆河流域出山径流变化、绿洲扩张的影响为研究主线,结合多源遥感影像及DEM数据首先提取了1990、2000及2010年间河西走廊补给内陆河流域冰川的面积及空间分布,分析20年来各内陆流域冰川的变化模式;根据冰川面积/储量公式计算了2010年河西走廊各条补给冰川的储量,与第一次中国冰川目录记录的冰川储量信息进行对比分析,探究1970-2010年研究区的冰川储量变化情况;选取典型区域,基于多源DEM数据获取栅格尺度的冰川厚度变化数据,对比两种冰川储量计算方法的精度;遴选河西走廊典型气象站数据,分析1970-2010年河西走廊气候因素的变化趋势,探讨气候变化对冰川进退的影响效应;基于水文数据分析了1970-2010年河西走廊内陆河流域出山径流的变化特征,同时利用1990、2000及2010年影像数据提取了河西走廊的人工绿洲范围,分析冰川变化对出山径流及绿洲变化的影响。本研究得到的主要结论如下:  (1)2010年河西走廊共有补给境内内陆河流域的冰川1,380条,分布于五大冰川三级流域,21个冰川四级流域及102个冰川五级流域。2010年河西走廊补给冰川总面积为684.66km2,较1990年减少127.77 km2,总体处于持续退缩状态;2000-2010年河西走廊总体冰川年退缩率为0.76%/a,相比1990-2000年的退缩速度(0.88%/a)放缓。  (2)1990-2000及2000-2010两个研究期间,河西走廊石羊河流域冰川的变动模式为剧烈退缩—稍有扩张,黑河、疏勒河及党河流域的冰川变动模式为减速的持续退缩,北大河流域的冰川变化模式则为稍有扩张—剧烈退缩。河西走廊冰川自东向西冰川末端分布的海拔下限逐渐升高;典型流域冰川的变化规律也随所处位置的不同而表现各异。  (3)2010年河西走廊冰川总储量为25.14km3,较1970年减少5.66 km3(1.83%/a)。在五大冰川三级流域中,北大河流域冰川储量减少最为剧烈(1.99km3),而石羊河流域减少量最少(0.52km3);从冰川储量减少的比例来看,减少最多的为黑河流域(32.99%),消减比例最少的是疏勒河流域(11.73%)。整个研究期间河西走廊21个冰川四级流域的冰川储量变化趋势与各流域在研究期间的面积变化模式基本一致,冰川储量较大的流域相比小流域对外界影响因素的响应敏感性低。  (4)基于1∶10万比例尺纸质地形图、ASTER GDEM及ICESat GLAS高度计数据归一化并计算栅格尺度上的冰川厚度及储量变化的准确性较高,与之相比基于面积/储量公式计算的冰川储量变化结果会略有高估。  (5)1970-2010年研究期间河西走廊气候向暖湿方向发展,但变湿的速率远慢于气候变暖的速率,冰川退缩更多的与区域性的气温上升作用有关。典型区分析结果表明夏季气温是影响冰川进退的最主要因素,典型区冰川变化相对于夏季气温上升可能存在6年左右的响应时间滞后。  (6)1970-2010年河西走廊东段石羊河流域多年平均出山径流量为11.70×108m3,变化倾向率为-2.14×108m3/10a,表现为不显著的减少趋势。中段的黑河及西段的疏勒河流域出山径流量均出现较为显著的增加态势:黑河流域出山径流多年均值为22.64×108m3,倾向率达+0.66×108m3/10a(p<0.1),增加幅度较小;疏勒河流域的多年平均出山径流量为13.67×108m3/10a,出山径流变化趋势的倾向率为+1.42×108m3/10a(p<0.005)。  (7)1970-2010年石羊河流域冰川融水量约为18.16×108m3,黑河冰川融水量为70.94×108m3,疏勒河的冰川融水量为171.04×108m3。研究期间河西走廊冰川变化产生的融水对石羊河流域出山径流量的补给比例为1.03%,对黑河流域为2.66%,疏勒河4.23%。受冰川萎缩的影响,至2010年夏季末石羊河流域冰川融水较1970年减少1.70×108m3,黑河流域减少3.24×108m3,疏勒河流域减少量为3.11×108 m3,占各流域冰川总水量的9.79%、3.19%及1.97%。  (8)1990-2010年间河西走廊绿洲面积扩张2,420.76km2,变化率为21.34%。疏勒河支流党河流域绿洲面积扩张比例最大,黑河西支北大河流域绿洲次之,石羊河、黑河干流及疏勒河干流流域绿洲变化率随后。河西走廊的绿洲变化更多的受人文因素驱动,河西走廊冰川及内陆河流域出山径流变化对绿洲变化的贡献率仅2.51%,影响较小。政策制定者应考虑未来冰川退缩及气候变化对河西走廊绿洲的影响,在水资源利用及管理方面进行必要调整。
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