基于參數最優地理探測器的西藏冰湖時空變化與影響因素研究

汪宙峰， 鄭 博， 賀相綦， 張焱菁， 沈惠齡

（1. 西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500； 2. 西南石油大學 天然氣地質四川省重點實驗室，四川 成都 610500；3. 北京師范大學 全球變化與地球系統科學研究院，中國 北京 100875）

0 引言

由冰川作用形成的或以冰川融水補給為主的湖泊，稱為冰湖，其主要分布在高海拔山區，主要來源包含冰川融水以及降水［1-3］。冰湖在當地居民的日常生活中占重要地位，也是世界上最重要的水資源之一［4］。冰湖根據成因可以分為多種冰湖，以冰川冰為堤壩的有冰壩湖、冰面湖以及冰下湖；以冰磧物為堤壩的冰湖有終磧阻塞湖、側磧阻塞湖、冰磧壟熱融湖；以基巖為堤壩的冰湖有冰斗湖、槽谷湖、冰蝕洼地［5］。在各種類型的冰湖中，冰磧湖不僅數量多分布廣，而且冰磧湖發生冰湖潰決洪水（GLOF）的危害性最大［6-8］。在過往的研究中，冰湖的面積增長速率與規模大小均作為冰湖的危險性潛力評價指標對GLOF 災害進行風險評估［9-11］。

在全球變暖的大背景下，亞洲高海拔地區冰川普遍退縮，以冰川融水補給為主的冰湖正在經歷快速的變化［12］。在過去的50年里，高海拔地區的溫度每十年上升0.3 ℃［13］。氣候變暖加劇了冰川消融速度，冰川融水急劇增加，以冰川融水為主要補給的冰湖容量急劇升高，發生GLOF的頻率增加，其潛在危險性不斷升高［14］。我國西藏地區緊靠喜馬拉雅山脈，西藏地區大部分GLOF 事件都起源于喜馬拉雅山脈地區的冰湖［15-16］。

目前對冰湖空間分異的內在驅動因素研究基本停留在對冰湖性質上，使用定量的方法較少。殷永勝等［17］利用逐步回歸分析了不同流域的各種因素對冰湖變化的整體影響，是以冰湖變化速率作為分析中的因變量，而自變量主要考慮的是氣候因素。不足之處就在于逐步回歸要求各因素相互對立，但是冰湖的面積變化影響因素顯然是相互影響的，例如溫度的變化影響著各區域冰川變化［18］。劉佳麗等［19］分析了西藏區域近25年湖泊變遷及驅動力分析，從氣候影響、人為影響分別討論了驅動該地區湖泊變化的因素，結果說明人類活動影響對西藏湖泊環境干擾越來越嚴重，但氣候仍占主要影響因素。參數最優地理探測器，可以對所有連續型數據進行最優離散化，選擇生成q值最高的離散化方法，用以探測冰湖變化背后驅動因子以及各因子之間空間分異性［20-23］。本文以中國西藏自治區為研究區，利用第三極冰湖數據庫開放數據，提取了區域內1990年、2015年冰湖數據，使用GIS 軟件及參數最優地理探測器方法，分析了西藏區域內冰湖的空間分布變化規律，探測西藏區域內冰湖變化的主要影響因子及交互作用機制。本文為西藏地區發生GLOF的潛在風險評估以及危險性分析提供基礎信息與數據支持。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

西藏自治區位于26°50′～36°53′ N，78°25′～99°06′ E 之間，面積為122.8×104km2，約占中國陸地總面積的1/8，平均海拔在4 000 m 以上。西藏自治區下轄6 個地級市、1 個地區（8 個市轄區、66 個縣，合計74 個縣級行政區劃單位）［24］。西藏地區受西風帶天氣和印度洋暖濕氣流的影響，干濕季節差異明顯，氣候變化影響顯著。該地區降水主要集中在東南部，并且在西北地區降水極少，時間上也集中在5—9 月，占全年降水量的90%左右；大部分地區全年平均溫度低于0 ℃，其中只有藏南谷地年平均溫度在8 ℃上下［25］。由于西藏區域社會經濟系統的脆弱性，暴發頻繁、危險性高的自然災害往往會對當地社會經濟造成巨大影響［26］。

1.2 數據來源

（1）冰湖數據。本研究主要數據源來自于學者Zheng 等［27］提供的第三極冰湖開源數據：https：//doi. org/10.1038/s41558-021-01028-3，本文對西藏地區所有面積大于0.01 km2的冰湖進行了制圖。

（2）DEM 數據。SRTM 數字高程模型（DEM），主要從地理空間數據云獲取，分辨率為30 m。使用ArcGIS 10.8提取區域內的海拔。

（3）氣候數據。中國1 km 分辨率逐月平均氣溫數據集（1901 年至2021 年）［28］和中國1 km 分辨率逐月降水量數據集（1901年至2021年）［29］，從國家青藏高原科學數據中心獲取，分辨率為1 km，從NetCDF柵格圖層中分別提取1990 年和2015 年年平均氣溫和年總降水數據；中國1 km 分辨率月相對濕度數據集（1990年和2015年），從國家地球系統科學數據中心獲取，分辨率為1 km，從柵格圖層中分別提取1990年和2015年年相對濕度數據［30-32］。

（4）冰川編目數據。第三極地區冰川編目評價數據（1990—2015 年），從國家青藏高原科學數據中心獲取，主要反映第三極地區內1990—2015年的冰川狀況［33］。

（5）1990—2015 年中國人口空間分布公里網格數據集［34］、中國GDP 空間分布公里網格數據集［35］，從中國科學院地理科學與資源環境所數據中心獲得。

1.3 影響因子選取

冰湖的變化主要受地形、氣候以及冰川面積變化等因素的綜合影響。在以往的眾多研究中，對冰湖變化影響顯著的是區域內氣溫、降水以及冰川面積變化。其中，有冰川補給的冰湖主要受冰川影響；而沒有冰川補給的冰湖主要受區域內的降水與蒸發影響。除此之外，區域內相對濕度、所處地區海拔等因素都影響著冰湖變化［35］。這是因為相對濕度影響降水增減，冰湖所處海拔高度影響區域內降水、溫度等變化。結合前人對冰湖變化影響因素研究成果的分析和總結，本文選取7個影響因子：冰湖海拔、降水量、氣溫、相對濕度、冰川面積變化、GDP、人口密度（表1），其中，冰湖變化Y代表冰湖的面積變化。

表1 冰湖變化影響因子Table 1 Influencing factors of glacial lake change

1.4 研究方法

（1）標準差橢圓（standard deviational ellipse，SDE）是一種由社會學家Lefever 提出的，能夠精確揭示地理要素的整體空間分布特征，反映研究對象的多維空間特征的方法。SDE 主要參數的計算公式如下：

式中：（Xi，Yi）表示研究對象的坐標；Wi表示權重；（XˉW，YˉW）表示每個區縣冰湖平均中心的坐標；θ表示橢圓的方位角；Xˉi和Yˉi分別表示各研究對象在空間上的坐標到平均中心的偏差；σX和σY分別表示沿x軸、y軸的標準差。其中，平均中心代表各區縣冰湖在空間上的相對位置，方位角表示冰湖的分布趨勢。

（2）采用Pearson相關分析揭示冰湖面積變化與各環境因子的相關關系。其中，影響因子的相關系數大于0 表示正相關，相關系數小于0 表示負相關。相關系數的絕對值越大，表示冰湖變化與影響因子之間的相關性越近。P值用于檢驗兩個變量之間相關系數的顯著性。P＜0.05 表明相關系數在95%的可信度水平下具有顯著性，相關性計算公式如下：

式中：n為樣本量；x、y為變量的觀測值。

（3）地理探測器是由王勁峰等［20］提出的一種新的統計方法，這種方法可以用來檢測多種空間單元下多種因素的影響及其相互關系，但傳統的地理探測器模型對連續性數據的離散化處理需要人工進行設定，其中存在離散不夠準確以及人為主觀因素的影響。參數最優地理探測器可以計算所有連續型數據不同分級方式下以及不同間斷數下的q值：

式中：N和Ni分別為層i和全區的單元數；L為Y或X的分層。另外，q值在［0，1］取值范圍內，q值越大，表示選取的影響因子X對冰湖面積變化的值Y影響越大，在極端的情況下，q=1 表示影響因子X完全控制冰湖的面積變化，而q=0 則表示該因子與冰湖變化無關。

地理探測器還可以用來識別影響因子之間的相互作用，即分析多因子之間共同作用和相互獨立作用對冰湖變化的影響力大小。本文使用的影響因子皆存在著相互影響的關系，例如相對濕度影響區域的降水，冰湖海拔影響區域的溫度，溫度變化又會影響區域內的冰川面積變化。

（4）對影響冰湖變化的七個環境影響因子：冰湖海拔、年總降水、年平均溫度、年平均濕度、冰川面積變化、GDP、人口密度，計算五種分級方法：equal（等間距分級法）、natural（自然間斷點分級法）、quantile（分位數間距分級法）、geometric（幾何間距分級法）和sd（標準偏差間距分級法），以及不同間斷等級下的影響解釋力（q值），選擇q值最高的參數組合。

以冰湖海拔和年總降水因子為例（圖2～圖3），對于冰湖海拔，當分類方式為幾何間距分級法，間斷等級為8 時，解釋力最強；對于年總降水，當分類方式為自然間斷點分級法，間斷等級為9時，解釋力最強。其他因子離散化原理同理。

2 西藏自治區冰湖時空變化與影響因素分析

2.1 冰湖時空變化

2.1.1 不同區縣冰湖分布變化

對西藏冰湖數量進行統計制圖，整體來看，1990 年至2015 年西藏地區冰湖分布格局并沒有顯著的變化（圖4）。從區域上看，冰湖數量分布東部大于西部，南部大于北部，由藏東南向西北方向逐步遞減趨勢。由圖可知，1990 年至2015 年間，冰湖數量減少的區縣單位數量有30 個，數量不變的有4個，數量增加的有37 個，25 年間增加數量最多的是察隅縣，減少最多的是巴宜區。

根據數據統計，1990年至2015年西藏地區冰湖數量由1990 年的11 164 個增加到2015 年的11 465個，冰湖增長數量為301 個，增長了約2.69%；1990年冰湖總面積約為942.20 km2，2015 年冰湖總面積約為1 002.00 km2，增長了約6.34%。

25 年間，區縣內冰湖總面積分布沒有發生顯著的變化，只有少部分區縣內冰湖面積縮小，整體分布規律與冰湖數量分級圖大體一致。25 年間，冰湖面積增加的區縣數量有32 個，增加最多的是巴宜區；冰湖面積減少的區縣數量有39 個，減少最多的是工布江達縣。

2.1.2 不同規模冰湖的分布變化

不同規模的冰湖因高度而異。1990 年面積在0.01～0.1 km2之間的冰湖，主要分布在3 500～6 000 m海拔之間，并且規模較小的冰湖分布海拔更高，多在4 500～6 000 m 之間；而面積大小在0.1～1 km2的冰湖，大多分布在4 000～5 700 m 的海拔；面積大于1 km2的冰湖，數量較少，基本都分布在3 500～5 000 m海拔之中。

2015 年，在不同海拔高度，各種規模大小的冰湖在急劇擴張，在3 500～4 500 m 之間也開始形成較多面積在0.01～0.1 km2之間的冰湖，而面積大于1 km2的冰湖，在3 000～6 000 m 海拔之間均有分布，并集中于4 500～5 700 m海拔。

2.1.3 西藏冰湖空間分布趨勢

統計1990 年和2015 年西藏冰湖的標準差橢圓參數（表2），以每個區縣所在地范圍內冰湖總數量和冰湖總面積作為統計單元。25 年來西藏冰湖不管是數量分布還是面積分布整體呈現增長趨勢，并且所有標準差橢圓扁率偏大，冰湖變化方向性顯著，數量分布和面積分布離散程度高；1990 年和2015 年西藏冰湖基本都分布在西藏東部和南部地區，中心向西偏移，說明冰湖數量增長和面積增長略微是由藏東南向藏西南方向發展，受經度影響大于緯度影響。

表2 西藏冰湖分布和面積標準差橢圓參數Table 2 Standard deviation ellipse parameters of the number and area of glacial lakes in Tibet

2.2 冰湖影響因素分析

2.2.1 Pearson相關分析結果

通過Pearson相關分析，揭示所選取各因子的相關性。如圖8 所示，在0.01 級別的顯著性檢驗中，冰湖變化與年總降水因子和冰川面積變化因子相關性顯著，這證明了西藏地區冰湖變化主要受該地區降水量和冰川面積變化量的影響。其余因子均存在相互影響關系，例如冰川面積變化因子與年總降水因子和平均氣溫因子。

其中，在Pearson 相關分析中，冰湖變化與冰川面積變化因子相關性最高，呈中度正相關；其次是總降水因子，呈中度正相關；然后是相對濕度因子和冰湖海拔因子，呈弱正相關，而與人口密度因子則呈弱負相關；最后是冰湖變化與平均氣溫因子和GDP因子不相關。說明25年間，西藏冰湖變化主要受該地區冰川面積變化大小以及降水量大小影響，冰川面積變化增加，降水量增加，冰湖面積擴張越顯著。

2.2.2 參數最優地理探測器分析結果

進一步利用參數最優地理探測器對影響冰湖變化的影響因子進行探測，從空間角度分析各因子對冰湖變化的影響程度，并探索各因子之間的交互作用機制。

通過參數最優地理探測器，探測出各環境因子對冰湖變化的影響解釋力。由圖9 可知，本文選取的各環境因子，對西藏地區冰湖變化均有不同程度的影響。其中，冰川面積變化對冰湖變化影響強度最高（q值為0.5006），其次是年總降水（q值為0.3106），年平均溫度對冰湖變化影響強度最低（q值為0.1601），其余因子對冰湖變化影響強度均低于0.25。q值大小排名：冰川面積變化＞年總降水＞冰湖海拔＞GDP＞年相對濕度＞人口密度＞年平均溫度。從因子探測可以看出，冰湖變化主要受冰川面積變化和年總降水量的影響，尤其是冰川面積變化，在其中起主導作用。

通過交互探測器（圖10）可以得知，盡管年平均溫度因子單因子影響強度最低，其與冰川面積變化因子交互作用后影響強度最高，q值為0.7542，說明兩因子協同作用過后可以解釋75%的冰湖變化，但是冰川面積變化與其余氣候因子和人文影響因子則呈雙因子增強關系，這意味冰川面積變化與其余因子交互作用后對冰湖影響程度稍低。另外，大多數因子之間交互作用呈現非線性增強關系，各因子之間交互作用后的影響力均大于單因子的影響力，說明冰湖變化受各因子交互作用影響強度高。

圖1 西藏冰湖分布Fig. 1 Distribution of glacial lakes in Tibet

圖2 冰湖海拔、年總降水分級方式Fig. 2 Classification method of glacial lake elevation and precipitation： classification method of glacial lake elevation （a）； classification method of precipitation （b）

圖3 冰湖海拔、年總降水最佳間隔Fig. 3 Optimum interval between glacial lake elevation and precipitation： optimum interval between glacial lake elevation （a）； optimum interval between precipitation （b）

圖4 1990年、2015年西藏各區縣冰湖總數量分布Fig. 4 The total quantity distribution of glacial lakes by districts and counties in Tibet in 1990 and 2015： the total quantity distribution of glacial lakes by districts and counties in Tibet in 1990 （a）； the total quantity distribution of glacial lakes by districts and counties in Tibet in 2015 （b）

圖5 1990年、2015年西藏各區縣冰湖總面積分布Fig. 5 The total area of glacial lakes in Tibet by district and county in 1990 and 2015： the total area of glacial lakes in Tibet by district and county in 1990 （a）； the total area of glacial lakes in Tibet by district and county in 2015 （b）

圖6 1990年、2015年不同面積冰湖分布Fig. 6 Distribution of glacial lakes in different areas in 1990 and 2015

圖7 西藏冰湖分布和面積標準差橢圓Fig. 7 Standard deviation ellipse of the number and area of glacial lakes in Tibet

圖9 各因子影響強度結果Fig. 9 Results of each factor detection

圖10 各因子交互作用結果Fig. 10 Results of interaction detection

3 討論

時間上，1990 年至2015 年間，西藏地區冰湖整體呈增加趨勢。1990 年冰湖數量為11 164 個，2015年冰湖數量為11 465 個，增長301 個，增長了約2.69%；1990 年冰湖總面積約為942.20 km2，2015年冰湖總面積約為1 002.00 km2，增長了約6.34%。在全球氣候變暖大環境下，亞洲高海拔地區冰川普遍退縮，冰川融水增多，以冰川融水補給為主的冰湖規模呈現擴張趨勢［12］。在未來情境下，溫度如果持續攀升，可能致使冰川融水劇增從而導致冰湖湖泊持續增加［37-38］。

空間上，不同規模大小的冰湖在不同的海拔高度都有增加，增長最多的是小型冰湖（面積小于0.1 km2）。25 年來西藏地區冰湖整體呈現增長趨勢，并且冰湖變化方向性顯著，數量分布和面積分布離散程度高；西藏冰湖基本都分布在西藏東部和南部地區，分布中心向西偏移，說明冰湖數量增長和面積增長略微是由藏東南向藏西南方向發展。出現這種分布特征的原因可能是因為藏東南區域內分布著很多的海洋型冰川，其退縮速率大于西藏其他區域的大陸型冰川，對冰湖補給量比其他區域多［39］。

通過Pearson 相關分析結果和參數最優地理探測器結果，發現兩種方法均分析出冰川面積變化和降水量在冰湖變化中起著至關重要的作用，可以解釋大部分的冰湖變化。冰湖作為當地居民重要水資源之一，人類活動頻繁對冰湖存在一定程度上的影響，人口密度增加，GDP 的增加象征著區域內經濟的發展，人口增長、經濟發展意味著用水量增加，但西藏區域整體呈增長趨勢，說明人類生產生活對冰湖影響很有限。其次，氣溫因子在兩種分析方法中影響力均是最低。這表明，在25 年時間里，西藏地區地處青藏高原，冰湖對溫度變化的響應不強烈，在研究冰湖潰決洪水的潛在危險性時，可以重新考慮溫度對其的影響程度。上述分析表明，西藏自治區不同區域的冰湖規模增長速率不同，各地需因地制宜地采取不同方法進行對冰湖潰決洪水的防治。

4 結論

本研究運用標準差橢圓、參數最優地理探測器等方法，對西藏區域內冰湖的空間分布變化規律，冰湖變化的主要影響因子及交互作用機制進行研究分析，得出了以下結論：

（1）西藏地區冰湖總數增加了303個，增長約為2.57%，增加數量最多的區縣單位是察隅縣；西藏地區冰湖總面積增長了約為6.32%，冰湖面積增加最多的區縣單位是巴宜區。各個面積大小的冰湖在不同的海拔都有顯著的增長，其中多數增長是規模較小冰湖（面積小于0.1 km2），并且分布在海拔3 500 m～6 000 m 之間。25 年來西藏冰湖增長方向性顯著，數量分布和面積分布離散程度高；1990 年和2015 年西藏冰湖基本分布在西藏東部和南部地區，中心向西偏移，受經度影響大于緯度影響。

（2）在Pearson 相關分析中，冰湖變化與冰川面積變化因子相關性最高，其次是總降水因子，二者均呈中度正相關；然后是相對濕度因子和冰湖海拔因子，呈弱正相關，而冰湖變化與人口密度因子則呈弱負相關；最后是冰湖變化與平均氣溫因子和GDP因子不相關。說明25年間，西藏冰湖變化主要受該地區冰川面積變化大小以及降水量大小影響，冰川面積變化增加，降水量增加，冰湖面積擴張越顯著。

（3）從空間角度利用地理探測器方法探測西藏地區冰湖變化影響因素。其中，冰川面積變化對冰湖變化影響強度最高（q值為0.5006），其次是年總降水（q值為0.3106），年平均溫度對冰湖變化影響強度最低（q值為0.1601）。單因子角度上，冰川面積變化因子和年總降水因子對該地區冰湖變化影響程度高。當年平均溫度因子與冰川面積變化因子交互作用后對冰湖變化影響強度最高，且呈非線性增強關系，說明二者共同驅動下會影響西藏地區冰湖變化。而人為影響因子對西藏地區冰湖變化影響程度不高，主導因素還是氣候變化與冰川面積變化，需重點關注區域內氣候變化與冰川退縮對冰湖造成的影響。