1990–2018 年干城章嘉流域冰川物質平衡序列模擬數據集

張法剛，魏俊鋒*，劉時銀，張勇，王欣,3，蔣宗立

1.湖南科技大學，地球科學與空間信息工程學院，湖南湘潭 411201

2.云南大學，國際河流與生態安全研究院，昆明 650500

3.中國科學院西北生態環境資源研究院，冰凍圈科學國家重點實驗室，蘭州 730000

引 言

山地冰川是亞洲高山地區主要河流和干旱區的重要補給源[1-2]，冰川物質變化對當地及區域水資源安全及生態環境具有重要影響[3-4]，冰川快速退縮和變化導致的冰崩、冰湖潰決及次生泥石流等災害[5]，也進一步危害到下游居民點的基礎設施和生命財產安全[6-8]。而表磧覆蓋和冰湖接觸等不同屬性冰川的物質平衡，對氣候變化也呈現出差異性響應特征[9-15]?；诓煌瑫r期多源遙感數據的大地測量法在冰川物質平衡研究中得到了廣泛應用[16-18]，但數據源的時間尺度限制了日尺度冰川物質平衡的獲取[13]?？紤]表磧覆蓋的冰川表面能量平衡模型[19]，能反映出精細時間尺度下冰川物質積累和消融分量，對高時空分辨率的冰川物質平衡進行刻畫，是重建長時間序列冰川物質平衡的常用方法[10,20-21]。

干城章嘉流域位于喜馬拉雅山中段，發育冰川種類豐富，2015 年流域內共有108 條冰川，跨越5250–7450 m 高程范圍[22]，其中表磧覆蓋冰川5 條，入湖冰川10 條，大規模冰川（>5 km2）11 條，流域內朝南和朝北的冰川分別占冰川總數的20%和61%（圖1）。最近40a 來流域內冰川面積以-0.2%a-1的年平均變化速率減小，年冰川物質平衡為-0.315 m w.e.a-1[22]。目前涉及該區域的冰川物質平衡數據集主要反映大時空尺度的冰川變化特征，例如，Zhao 等[22]、King 等[16]和Brun 等[18]的研究成果均只給出年時間尺度的冰川物質平衡數據，Gardelle 等[23]僅估算了研究流域所在的喜馬拉雅山脈地區2000–2010 年的冰川物質變化特征。而精確的冰川歷史變化特征分析和未來狀態預測，以及冰川崩解和冰湖潰決等冰川災害機理研究，需要更為精細化的單條冰川日尺度的物質平衡序列作為基礎數據。本數據集采用冰川表面能量平衡模型，對干城章嘉流域1990–2018 年的冰川尺度日物質平衡狀態進行估算，并給出不同高程帶的冰川物質積累和消融特征。本數據集將為喜馬拉雅山地區氣候變化影響下的冰川動態響應特征研究、冰川災害機理及預測研究，提供豐富和重要的數據支撐。

圖1 研究區示意圖Figure 1 Schematic map of the study area

1 數據源與處理方法

1.1 數據源及預處理

本數據集采用冰川表面能量平衡模型，對干城章嘉流域1990–2018 年的冰川物質平衡序列進行重建。其中，模型氣象驅動數據包括日均氣溫、日降水、日均相對濕度、日均風速等參數。1990–2018年的日均氣溫和日降水獲取自中國氣象驅動數據集（China Meteorological Forcing Dataset, CMFD）[24]，日均相對濕度基于CMFD 數據的氣壓和比濕，采用Bolton[25]提出的方法計算。氣象校正參數包括龍巴薩巴氣象站（27°57′17″N, 88°04′55″E, 5500 m a.s.l.）獲取的日均氣溫、相對濕度和風速（2013–2018 年），以及中國地面國際交換站氣候資料日值數據集（V3.0）中定日國家氣象站（28°38′N, 87°05′E,4300 m a.s.l.）數據中的月降水量。冰川及表磧范圍基于1990–2018 年的Landsat TM/ETM+/OLI 影像提取，其中表磧厚度基于2002 年的ASTER （Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer）多光譜影像提取的熱阻系數予以表征[26]。流域冰川高程帶基于30 m 空間分辨率的SRTM DEM （Shuttle Radar Topography Mission Digital Elevation Model）數據進行劃分，冰川物質平衡模擬結果采用高山亞洲地區冰川厚度變化格網數據集（HMA_Glacier_dH）進行檢校[10,27]。另外，反映冰川表面運動特征的年均流速提取自ITS_LIVE （Inter-mission time series of land ice velocity and elevation）數據集。本數據集獲取過程中所用到主要數據源的相關信息見表1。

1.2 氣象數據校正

基于2013–2018 年龍巴薩巴氣象站和CMFD 數據對應格網處的日均溫，建立線性擬合公式，進而對1990–2018 年CMFD 數據的日均溫進行校正。由于龍巴薩巴氣象站無日尺度降水觀測數據，因此采用定日國家氣象站的降水觀測數據（1990–2018 年），基于月降水線性相關關系，對CMFD 數據的月降水進行校正，并在保證校正后月降水量一定且日降水量不小于零的情況，將校正值依據日降水規模分配到日降水量中。通過對比分析2013–2018 年日均相對濕度計算值與龍巴薩巴自動氣象站觀測值，建立線性擬合公式并對1990–2018 年的日均相對濕度計算值進行校正。由于冰川表面風速與物質平衡相關性較弱[10]，因此本研究基于2013–2018 年龍巴薩巴氣象站數據中的日均風速，計算日多年平均值，并作為1990–2018 年的模型日均風速輸入參數。

1.3 冰川物質平衡估算

定義前一年的10 月1 日至當年的9 月30 日為一個物質平衡年，在校正后的氣象要素驅動下，采用冰川表面能量平衡模型[19]，計算單條冰川和整個流域的冰川物質平衡量，并在CMFD 格網內采用冰川表面高程變化率對模型參數進行率定，最后計算所有冰川及整個流域的物質平衡量（圖2）。

圖2 數據處理流程圖Figure 2 Flow chart of data processing

根據SRTM DEM 數據將流域內冰川分割為間隔100 m 的高程帶，分別計算不同高程帶內裸冰區（公式1）和表磧覆蓋區（公式2 和公式3）的冰川表面物質變化：

高程帶內表面物質平衡為物質消融分量和積累分量的矢量和，所有高程帶的面積加權平均值即為冰川物質平衡。CMFD 數據格網和整個流域的平均冰川物質平衡，為對應區域內所有冰川表面物質平衡的面積加權平均值?；贖MA_Glacier_dH 數據集[27]，計算流域內21 條典型冰川1975–2000年和2000–2016 年的表面平均高程變化（圖1），并結合冰-水轉換參數（850±60 kg m-3）[28]，估算CMFD 格網內冰川平均物質平衡，通過其與對應時段模型估算的平均冰川物質平衡結果對比，率定適用于該CMFD 格網范圍的模型參數化方案，最后采用率定參數對日尺度的冰川物質平衡結果進行估算。干城章嘉流域內有2 個CMFD 格網無HMA_Glacier_dH 數據分布，則估算模型采用鄰近CMFD格網的率定參數。

為了反映干城章嘉流域冰川物質遷移與再分配特征，本研究基于ITS_LIVE 數據集和SRTM DEM 獲取的100 m 間隔高程帶，提取1989–2018 年冰川年均流速及其在不同海拔的分布特征。

2 數據樣本描述

2.1 數據圖形樣本

干城章嘉流域1990–2018 年冰川平均物質平衡為-0.37 m w.e.a-1，且呈加速消融的趨勢（圖3），其中2000 年之前和之后的冰川平均物質平衡分別為-0.25 m w.e.a-1和-0.43 m w.e.a-1。研究表明，在夏季流域相同高程帶內冰川表磧覆蓋區比裸冰區消融更強烈，且消融期普遍更早出現；然而該流域最大的表磧覆蓋型冰川——龍巴薩巴冰川（G088108E27905N）在高海拔地區是否存在表磧覆蓋對物質消融速率的影響較小。

圖3 干城章嘉流域1990–2018 年冰川物質平衡與表面流速Figure 3 Glacier mass balance and surface velocity in the Kanchenjunga Basin from 1990 to 2018

流域內冰川的多年平均流速為2.88 m a-1，并呈現流動減緩趨勢（圖3），且所有冰川在1996 年都出現較大的表面流速，且其中96%的冰川表面流速超過5 m a-1，導致1996 年流域冰川平均表面流速高達5.33 m a-1，較流域多年平均流速大85%。

2.2 物質平衡序列數據

干城章嘉流域冰川物質平衡數據集，包括1990–2018 年不同高程帶內的冰川面積、表面物質平衡、 物質消融分量和物質積累分量等信息。 數據以 txt 格式存儲、 命名為GXXXXXXEYYYYYN_HHHH_Debris 或 GXXXXXXEYYYYYN_HHHH_DebrisFree 。 其 中GXXXXXXEYYYYYN 為中國第二次冰川編目數據集（v1.0）﹝The second glacial catalogue data set of China (v1.0)﹞[29]的冰川編號（ID），HHHH 為基于SRTM DEM 劃分的高程帶，Debris/DebrisFree表示該高程帶內表磧覆蓋區/裸冰區的冰川物質平衡結果。例如G087887E27925N_5250_Debris.txt 代表G087887E27925N 冰川5250 米高程帶表磧覆蓋區的物質平衡估算結果。文件中屬性及單位信息如表2 所示。

表2 干城章嘉流域冰川物質變化序列屬性表Table 2 Attributes of glacier mass change sequences in the Kanchenjunga Basin

本數據集的冰川命名（ID）對應于中國第二次冰川編目數據集[29]，該數據集影像主要拍攝于20 00–2005 年，其中有部分冰川是由本數據集早期單條冰川分裂而成。為了冰川名稱的統一，將一組分裂冰川中面積相對較大冰川的ID 作為分裂前本數據集的冰川名稱。數據集中涉及的分裂冰川包括6組共計12 條，分別為 “G088116E28009N/G088124E28015N”“G088132E27989N/G088146E27980 N”“G088047E27929N/G088043E27926N”“G088046E27918N/G088041E27923N”“G088077E279 23N/G088074E27926N”和“G088081E27914N/G088076E27918N”，其中“/”之前為分裂后面積較大的冰川。例如，1990 年冰川G088046E27918N，在2006 年分裂成G088046E27918N 和G088041E 27923N 兩條冰川，其中前者的面積（0.07 km2）大于后者（0.04 km2）。干城章嘉流域物質平衡數據展示如圖3。

2.3 冰川高程帶流速數據

干城章嘉流域冰川高程帶流速數據集，即1989–2018 年ITS_LIVE 冰川表面流速數據。流速數據中的冰川名稱與物質平衡數據集中的冰川 ID 一致，數據文件以.csv 格式存儲，命名為GXXXXXXEYYYYYN.csv。其中GXXXXXXEYYYYYN 為冰川ID。文件屬性表中Elev 為冰川高程帶信息（單位：m），其后數值為對應高程帶的冰川年均表面流速（單位：m a-1），Average 后為整條冰川的年平均表面流速（單位：m a-1）。

3 數據質量控制和評估

本研究利用龍巴薩巴氣象站獲取的氣溫、風速、相對濕度數據以及定日氣象站獲取的降水數據，分別對CMFD 氣象要素及其相對應的實測氣象數據之間進行線性回歸校正（表3）。其中CMFD 氣溫與實測氣溫的擬合性非常好，相關系數r=0.93，校正后RMSE 為2.13 ℃。龍巴薩巴氣象站實測的相對濕度與利用CMFD 計算的相對濕度也表現出了較好的一致性，相關系數r=0.83，校正后RMSE為12.28%。定日氣象站的降水數據在月尺度上對CMFD 降水數據進行線性回歸校正，二者相關系數達到0.98，校正后RMSE 為10.20 mm。經過上述分析，本研究CMFD 數據經校正后，可作為冰川表面能量平衡模型的氣象驅動數據。

表3 觀測氣象數據與CMFD 數據之間的相關性和線性回歸方程Table 3 Correlation and linear regression equations between in-situ and CMFD data

本研究的冰川物質平衡估算結果，與其他學者的研究成果進行對比了驗證（圖4）。2000 年之前本研究估算的冰川平均物質平衡為-0.25 m w.e.a-1（1990–2000），與King 等[16]和Zhou 等[30]的研究結果相當（分別為-0.29 m w.e.a-1和-0.30 m w.e.a-1，1974/1975–2000），但較Zhao 等[22]的研究成果（-0.38 m w.e.a-1，1975–2000）存在超過50%的差異。2000 年之后該流域不同研究估算的冰川物質平衡差異較大，其中2000–2015/2016 年本研究獲得了最為快速的冰川物質損失速率結果（-0.46 m w.e.a-1），而Zhao 等[22]認為該流域的冰川處于輕微負物質平衡狀態（-0.13 m w.e.a-1），物質損失速率僅為King 等[16]（-0.37 m w.e.a-1）估算結果的～1/3。Gardelle 等[23]和Brun 等[18]獲取的冰川物質平衡結果較為一致，其中前者為-0.26 m w.e.a-1（1999–2011），后者年代加權平均后為-0.27 m w.e.a-1（2000–2016）。Lamsal 等[31]基于流域部分冰川的研究結果認為，研究區內冰川以較小速率進行物質損失（-0.18 m w.e.a-1，1975–2010），該結果僅為本研究相應時期（1990–2010）物質平衡估算值的40%。

圖4 干城章嘉流域冰川物質平衡不同研究結果對比Figure 4 Comparison of different research results of glacier mass balance in the Kanchenjunga Basin

基于短時間內非冰川區地形保持穩定的假設，可利用非冰川區的表面流動特征評估冰川表面流速估算結果的精度[32-33]。在干城章嘉流域北部非冰川區選定一定范圍的相對平坦區域以排除特征追蹤算法中噪聲的影響，通過計算相對位移量，得到ITS_LIVE 數據估算冰川表面流速的誤差為1.34 m a-1。

4 數據價值

冰川/氣候關系的物理基礎可以通過研究冰川物質平衡來理解。在青藏高原地區，只有少數日尺度冰川表面物質平衡數據可用，干城章嘉流域冰川動力學的探索也較少。本冰川物質平衡數據集反映了流域內高程、表磧覆蓋等因素對冰川日尺度物質積累與消融分量的影響，揭示了喜馬拉雅山中部地區不同類型冰川對氣候變化的響應特征；冰川表面流速數據及其在高程帶上的分布特征，反映了冰川運動過程及變化，通過結合氣候和水文等信息，可進一步揭示區域氣候變化對冰川動力學的影響以及冰川物質遷移與再分配和物質損失之間的關系，為評估青藏高原地區冰川變化的水資源效應和氣候效應等研究奠定了數據基礎。

5 數據使用方法和建議

1990–2018 年干城章嘉流域冰川物質平衡數據集存儲格式為txt，冰川表面流速數據集存儲格式為csv，均可在常用的辦公軟件（MS Office 和WPS 等）中進行數據的讀取、編輯、查看、統計等操作。本數據集反映了干城章嘉流域冰川在氣候變化背景下的變化特征，可為獨特的冰川物質變化及其對氣候變化的響應等研究，提供參考數據以及模擬結果驗證數據。

數據作者分工職責

張法剛（1997—），男，山東省青島市人，碩士研究生，研究方向為冰川物質平衡。主要承擔工作：流域物質平衡數據處理與冰川表面流速數據整理，文章撰寫。

魏俊鋒（1985—），男，湖北省天門市人，博士，講師，研究方向為冰凍圈遙感和冰川災害。主要承擔工作：數據處理流程的設計，流域物質平衡數據獲取與整理，以及文章撰寫。

劉時銀（1963—），男，河南省信陽市人，博士，研究員，研究方向為冰川變化。主要承擔工作：處理流程的設計。

張勇（1979—），男，山東省滕州市人，博士，教授，研究方向為全球變化與地理環境遙感。主要承擔工作：冰川物質平衡模型設計與指導。

王欣（1973—），男，湖南省耒陽市人，博士，教授，研究方向為冰凍圈遙感、寒區水文與災害。主要承擔工作：數據分析指導。

蔣宗立（1975—），男，湖南省瀘溪縣人，博士,教授，研究方向為冰川遙感。主要承擔工作：數據質量分析。