中国西部冰川变化与湿地响应研究
摘要
冰川在从平衡线以上的积累区运动到平衡线以下的消融区时，逐渐融化为液态水，最后注入河流，成为众多江河的源头。不仅如此，其他类型湿地，如湖泊湿地、沼泽草甸湿地、河流湿地等，也受冰川融水补给的影响。文中研究区是中国冰川的主要分布区，自北向南共分布有14座山系，分别为阿尔泰山、天山、喀喇昆仑山、昆仑山和喜马拉雅山等，其中天山、喀喇昆仑山、昆仑山、念青唐古拉山和喜马拉雅山等5座山系的总冰川面积和冰储量分别占中国冰川相应总量的79%和84%。中国西部冰川资源丰富，不同类型湿地，特别是湖泊及河流也广为发育。冰川及湿地为人类生产生活以及生态环境的持续发展提供不可或缺的水源。近年来，冰川面积持续减少，湿地也发生了相应的变化，明确冰川与湿地的变化情况，以及二者的响应关系，是了解湿地补给状况，合理开发湿地冰川资源，使二者可持续地为人类及生态环境中其他主体提供水源的基础。
本研究以小流域为单元，分析中国西部50个小流域内冰川与湿地变迁规律及时空分布。根据影响冰川与湿地变化的主要驱动因子（高程、月平均气温、月平均降水量）来划分小流域类型。利用改进的空间自相关分析——双变量空间自相关分析方法，以典型区向全区扩展方式，研究中国西部湿地对冰川变化的响应距离以及不同响应关系分布情况。
通过分析得到的主要成果如下：
1、本文利用274景MSS遥感影像、269景ETM+遥感影像、619景CBERS遥感影像，在MAPGIS软件平台上，通过人机交互解译的方式提取了1977年、2000年、2005年的冰川与不同类型湿地的信息。综合考虑三类数据源的空间分辨率及冰川、湿地的斑块特征，将10个像元确定为面积最小类别的最优分辨率，解译精度可以达到0.1km~2。通过GIS的空间分析功能得到了1977～2000年、2000～2005年冰川与湿地的时空动态变化分布图。在此基础上，分析了1977～2005年冰川与湿地变化的总体趋势，研究了50个小流域内冰川与湿地时空动态变化的分布情况及变迁规律。
2、综合考虑影响冰川与湿地变化的主要驱动因子，本文选择高程、月平均气温、月平均降水量三个因素，研究小流域的特征。并以此为依据，划分小流域的类别。
对于高程因子，以1000m为间隔，共划分了10个高程等级。利用GIS的空间分析功能，计算出冰川与湿地的三类时空动态变化（增加、减少、稳定）在不同高程的分布情况，分析了影响冰川与湿地分布与变化的主要高程范围。
对于气候因子，为了与冰川、湿地数据时相统一，选择了1972～1978年、1998～2002年、2005～2007年7～12月份的月平均气温和月平均降水量数据分别对应1977年、2000年、2005年的冰川与湿地数据。共计算了1977～2000年、2000～2005年50个小流域内月平均气温和月平均降水量的变化率，为小流域类型的划分提供依据。
小流域类别的划分方法是在不同高程范围的基础上，组合月平均气温、月平均降水量的不同变化方式。即每个高程范围内，有四类不同的小流域——月平均气温上升、月平均降水量增加，月平均气温上升、月平均降水量减少，月平均气温降低、月平均降水量增加，月平均气温降低、月平均降水量减少。因此，研究区内共有40类不同的小流域。选择典型区时，首选冰川与湿地广布以及变化明显的高程范围，并综合考虑月平均气温与月平均降水量变化率显著地小流域。
3、本文引入空间自相关分析，并对其进行改进，利用双变量自相关分析方法，研究冰川与湿地的响应关系，并量化了二者的响应距离。分别选取全局自相关及局部自相关研究响应距离和不同响应关系的分布。
在研究典型区冰川与不同类型湿地的响应距离分析时，选择了Moran’s I指数，利用欧几里得距离，以增加、减少的冰川、湿地斑块为研究对象，计算了不同类型小流域内冰川与湿地的响应距离和响应关系。研究表明，所有类型湿地在气候因子变化类型为月平均气温上升、月平均降水量减少的小流域内，均与冰川呈显著响应。根据这一结论，由典型区向全区扩展，分析近30年来，研究区内所有月平均气温上升、月平均降水量减少的小流域内冰川与湿地的响应距离和响应关系的空间分布。
全区的双变量局部自相关，以25km×25km的栅格内冰川与湿地的变化为研究对象，选择LISA图，来分布响应关系的空间分布情况。研究表明，典型区与全区的双变量自相关分析结果一致，趋势相同。响应关系可分为两类，即天然湿地（湖泊、河流、河流湿地、沼泽草甸湿地）与冰川变化呈负相关，人工湿地与冰川变化呈正相关。其中，河流湿地对冰川的响应较为显著。随着高程的降低，天然湿地与冰川的相关性在上升，响应距离在缩短；人工湿则反之。
Glacier is known as the source of many rivers. The reason is that the watermelted from glacier finnaly empties into river, when it moves from accumulation zoneto ablation zone. Moreover, different types of wetlands, except river, are alsoimpacted by glacier. China’s glaciers mostly distribute in the study area of this paper.14mountains locate from north to east. They are the Altai Mountain, the TianshanMountian, the Pamirs, the Har Goolun Range, the Kunlun Moutains, the Himalayasand so on. Among those, the glaciers in the Tianshan Mountain, the Har GoolunRange, the Kunlun Mountains and the Nyainqentanglha Mountains accout for79%ofthe China’s glacier area, and84%of China’s glacier storage. Western China is rich inglaciers and wetlands, especially the lake and river. They are important water sourcefor sustainable development of human production and other life. In recent years, theglacier continues to decrease and wetland changes at the same time. To exploit thewetland and glacier rationally, as well as, to supply the sustainable water sources forhuman and ecological environment, it is necessary to realize the change principle ofwetland and glacier and the response to each other.
The small catchments were selected as study units, and the units discussed in thispaper were50small catchments in Western China. The variation as well as thetemporal and spatial distribution of the glaciers and wetland within these areas hadbeen analyzed. The catchments were divided into different types according to themain driving factors (elevation, monthly mean temperature and monthly meanprecipitation). These factors had influence on the variation of the glaciers and thewetland. By using bivariate auto-correlation analysis method, the respond distances ofwetland to the glaciers and the distribution of different responses were investigated.Besides, the response modes of wetland to the glaciers were extended from the typicalregions to the whole distinct.
In this paper, the following conclusions were drawn through analysis:
1. Three kinds of data served as the main data source in this paper. They are theLandsat MSS data (274scenes acquired in1977), the Landsat ETM+data (269scenesacquired in2000) and the CBERS data (619scenes acquired in2005). The information of the glaciers and different types of wetland in the study region wereextracted via human-computer interactive interpretation on MAPGIS softwareplatform. The spatial resolution of all the scenes used in this paper as well as thecharacteristics of the patches of the glaciers and wetland were taken into considerationcomprehensively. Ten pixels were defined as the best resolution of minimum area sothat the data achieved by this process were accurate to0.1km~2. Several maps wereachieved by operating the function of Spatial Analysis of GIS. The information theyprovided were the distribution of the temporal and spatial dynamic changes of theglaciers and wetland from the year1977to2000and from the year2000to2005.
Based on these data, the general trends of these changes from1977to2005werefurther analyzed. The temporal and spatial distribution of the glaciers and wetlandwithin50catchments as well as the law of the variation had been investigated in thisstudy.
2. The characteristics of the catchments and the main driving factors wereconsidered comprehensively for that all of them had influence on the changes ofglaciers and wetland. Three influential factors that were used to divide the catchmentswere elevation, monthly mean temperature and the monthly mean precipitation.
As to the factor of elevation, it was divided into10ranges with an interval of1000m. By making use of the function of spatial analysis of GIS, three types of thedistribution of the temporal and spatial dynamic changes (increasing, decreasing andstable) of the glaciers and wetland within each range of elevation had been calculated.The main ranges of elevation that had an influence on the distribution of glaciers andwetland had also been analyzed.
As to the factor of climate, in order to be consistent with the time phase of theimage data of the glaciers and wetland, the data of monthly mean temperature andmonthly mean precipitation from July to December were chosen. The data were alsoin the periods of time from the year1972to1978, from the year1998to2002andfrom the year2005to2007. The data of these periods each corresponds with the dataof the glaciers and wetland of the year1977,2000and2005separately. As a whole,the change rate of monthly mean temperature and monthly mean precipitation withinthe50catchments during the periods from the year1977to2000and from the year2000to2005had been calculated. The results provided the basis for the division ofthe types of small catchments.
On the basis of different ranges of elevation, the division of the types of smallcatchments composited various ways of the change of monthly mean temperature as well as monthly mean precipitation. Therefore, within each range of elevation, theremight be four types of small catchments—the type with an increasing monthly meantemperature and an increasing monthly mean precipitation, the type with an increasingmonthly mean temperature and a decreasing monthly mean precipitation, the typewith a decreasing monthly mean temperature and an increasing monthly meanprecipitation, as well as the type with a decreasing monthly mean temperature and adecreasing monthly mean precipitation. Therefore, there were40different types ofsmall catchments in the study area. When choosing typical regions, the smallcatchments with the elevation ranges in which there were widely distributions of theglaciers and wetland and at the same time with noticeable dynamic changes of theglaciers, wetland, monthly mean temperature and the monthly mean precipitationwould be the first choices.
3. A method of modified auto-correlation analysis was introduced in this paper,which was bivariate auto-correlation analysis method, used to investigate the responseof wetland to the changes of the glaciers and quantified their respond distance. Theglobal auto-correlation was selected to investigate the respond distance, while thelocal auto-correlation was chose to investigate distribution of different respondrelationships.
When investigating the method of analyzing the respond distances of the glaciersand different types of wetland, the Moran’s I Index and the Euclidean Distance weretaken into consideration. The patches of increased and decreased glaciers and wetlandwere regarded as the research objects. The distance and relationships of the responseof wetland to the changes of the glaciers within different types of catchments werecalculated. It was showed that all types of wetland within the small catchments whichhad an increasing monthly mean temperature and a decreasing monthly meanprecipitation had noticeable responses to the changes of the glaciers. On the basis ofthis conclusion, the areas were extended from the typical regions to the whole distinct.The respond distances and the distribution of the respond relationship of wetland tothe change of glaciers within all the catchments of this kind in the recent30yearswere analyzed in this paper.
The changes of the glaciers together with wetland within the25km×25km gridwere taken as the research objects in the local bivariate auto-correlation analysis ofthe whole distinct. The map of LISA was selected to organize the spatial distributionof the respond relationships. The investigation demonstrated that the results of localbivariate auto-correlation analysis of the whole distinct were in correspondence with those of the typical regions. The relationships of the response could be divided intotwo types. It was to say the responses of natural wetland (the river, the lake, the riverwetland and the swamp meadow wetland) had negative correlated responses to thechanges of the glaciers. While in such regions, the constructed wetland had positivecorrelated responses to such changes. Among them, the river wetland had noticeableresponse to the changes of glaciers. With the decrease of DEM, the correlationsbetween the natural wetland and the glaciers were increasing and the responsedistances were shorter. The response mode of the constructed wetland was quiteopposed to the ones of the response of the natural wetland.
本研究以小流域为单元，分析中国西部50个小流域内冰川与湿地变迁规律及时空分布。根据影响冰川与湿地变化的主要驱动因子（高程、月平均气温、月平均降水量）来划分小流域类型。利用改进的空间自相关分析——双变量空间自相关分析方法，以典型区向全区扩展方式，研究中国西部湿地对冰川变化的响应距离以及不同响应关系分布情况。
通过分析得到的主要成果如下：
1、本文利用274景MSS遥感影像、269景ETM+遥感影像、619景CBERS遥感影像，在MAPGIS软件平台上，通过人机交互解译的方式提取了1977年、2000年、2005年的冰川与不同类型湿地的信息。综合考虑三类数据源的空间分辨率及冰川、湿地的斑块特征，将10个像元确定为面积最小类别的最优分辨率，解译精度可以达到0.1km~2。通过GIS的空间分析功能得到了1977～2000年、2000～2005年冰川与湿地的时空动态变化分布图。在此基础上，分析了1977～2005年冰川与湿地变化的总体趋势，研究了50个小流域内冰川与湿地时空动态变化的分布情况及变迁规律。
2、综合考虑影响冰川与湿地变化的主要驱动因子，本文选择高程、月平均气温、月平均降水量三个因素，研究小流域的特征。并以此为依据，划分小流域的类别。
对于高程因子，以1000m为间隔，共划分了10个高程等级。利用GIS的空间分析功能，计算出冰川与湿地的三类时空动态变化（增加、减少、稳定）在不同高程的分布情况，分析了影响冰川与湿地分布与变化的主要高程范围。
对于气候因子，为了与冰川、湿地数据时相统一，选择了1972～1978年、1998～2002年、2005～2007年7～12月份的月平均气温和月平均降水量数据分别对应1977年、2000年、2005年的冰川与湿地数据。共计算了1977～2000年、2000～2005年50个小流域内月平均气温和月平均降水量的变化率，为小流域类型的划分提供依据。
小流域类别的划分方法是在不同高程范围的基础上，组合月平均气温、月平均降水量的不同变化方式。即每个高程范围内，有四类不同的小流域——月平均气温上升、月平均降水量增加，月平均气温上升、月平均降水量减少，月平均气温降低、月平均降水量增加，月平均气温降低、月平均降水量减少。因此，研究区内共有40类不同的小流域。选择典型区时，首选冰川与湿地广布以及变化明显的高程范围，并综合考虑月平均气温与月平均降水量变化率显著地小流域。
3、本文引入空间自相关分析，并对其进行改进，利用双变量自相关分析方法，研究冰川与湿地的响应关系，并量化了二者的响应距离。分别选取全局自相关及局部自相关研究响应距离和不同响应关系的分布。
在研究典型区冰川与不同类型湿地的响应距离分析时，选择了Moran’s I指数，利用欧几里得距离，以增加、减少的冰川、湿地斑块为研究对象，计算了不同类型小流域内冰川与湿地的响应距离和响应关系。研究表明，所有类型湿地在气候因子变化类型为月平均气温上升、月平均降水量减少的小流域内，均与冰川呈显著响应。根据这一结论，由典型区向全区扩展，分析近30年来，研究区内所有月平均气温上升、月平均降水量减少的小流域内冰川与湿地的响应距离和响应关系的空间分布。
全区的双变量局部自相关，以25km×25km的栅格内冰川与湿地的变化为研究对象，选择LISA图，来分布响应关系的空间分布情况。研究表明，典型区与全区的双变量自相关分析结果一致，趋势相同。响应关系可分为两类，即天然湿地（湖泊、河流、河流湿地、沼泽草甸湿地）与冰川变化呈负相关，人工湿地与冰川变化呈正相关。其中，河流湿地对冰川的响应较为显著。随着高程的降低，天然湿地与冰川的相关性在上升，响应距离在缩短；人工湿则反之。
Glacier is known as the source of many rivers. The reason is that the watermelted from glacier finnaly empties into river, when it moves from accumulation zoneto ablation zone. Moreover, different types of wetlands, except river, are alsoimpacted by glacier. China’s glaciers mostly distribute in the study area of this paper.14mountains locate from north to east. They are the Altai Mountain, the TianshanMountian, the Pamirs, the Har Goolun Range, the Kunlun Moutains, the Himalayasand so on. Among those, the glaciers in the Tianshan Mountain, the Har GoolunRange, the Kunlun Mountains and the Nyainqentanglha Mountains accout for79%ofthe China’s glacier area, and84%of China’s glacier storage. Western China is rich inglaciers and wetlands, especially the lake and river. They are important water sourcefor sustainable development of human production and other life. In recent years, theglacier continues to decrease and wetland changes at the same time. To exploit thewetland and glacier rationally, as well as, to supply the sustainable water sources forhuman and ecological environment, it is necessary to realize the change principle ofwetland and glacier and the response to each other.
The small catchments were selected as study units, and the units discussed in thispaper were50small catchments in Western China. The variation as well as thetemporal and spatial distribution of the glaciers and wetland within these areas hadbeen analyzed. The catchments were divided into different types according to themain driving factors (elevation, monthly mean temperature and monthly meanprecipitation). These factors had influence on the variation of the glaciers and thewetland. By using bivariate auto-correlation analysis method, the respond distances ofwetland to the glaciers and the distribution of different responses were investigated.Besides, the response modes of wetland to the glaciers were extended from the typicalregions to the whole distinct.
In this paper, the following conclusions were drawn through analysis:
1. Three kinds of data served as the main data source in this paper. They are theLandsat MSS data (274scenes acquired in1977), the Landsat ETM+data (269scenesacquired in2000) and the CBERS data (619scenes acquired in2005). The information of the glaciers and different types of wetland in the study region wereextracted via human-computer interactive interpretation on MAPGIS softwareplatform. The spatial resolution of all the scenes used in this paper as well as thecharacteristics of the patches of the glaciers and wetland were taken into considerationcomprehensively. Ten pixels were defined as the best resolution of minimum area sothat the data achieved by this process were accurate to0.1km~2. Several maps wereachieved by operating the function of Spatial Analysis of GIS. The information theyprovided were the distribution of the temporal and spatial dynamic changes of theglaciers and wetland from the year1977to2000and from the year2000to2005.
Based on these data, the general trends of these changes from1977to2005werefurther analyzed. The temporal and spatial distribution of the glaciers and wetlandwithin50catchments as well as the law of the variation had been investigated in thisstudy.
2. The characteristics of the catchments and the main driving factors wereconsidered comprehensively for that all of them had influence on the changes ofglaciers and wetland. Three influential factors that were used to divide the catchmentswere elevation, monthly mean temperature and the monthly mean precipitation.
As to the factor of elevation, it was divided into10ranges with an interval of1000m. By making use of the function of spatial analysis of GIS, three types of thedistribution of the temporal and spatial dynamic changes (increasing, decreasing andstable) of the glaciers and wetland within each range of elevation had been calculated.The main ranges of elevation that had an influence on the distribution of glaciers andwetland had also been analyzed.
As to the factor of climate, in order to be consistent with the time phase of theimage data of the glaciers and wetland, the data of monthly mean temperature andmonthly mean precipitation from July to December were chosen. The data were alsoin the periods of time from the year1972to1978, from the year1998to2002andfrom the year2005to2007. The data of these periods each corresponds with the dataof the glaciers and wetland of the year1977,2000and2005separately. As a whole,the change rate of monthly mean temperature and monthly mean precipitation withinthe50catchments during the periods from the year1977to2000and from the year2000to2005had been calculated. The results provided the basis for the division ofthe types of small catchments.
On the basis of different ranges of elevation, the division of the types of smallcatchments composited various ways of the change of monthly mean temperature as well as monthly mean precipitation. Therefore, within each range of elevation, theremight be four types of small catchments—the type with an increasing monthly meantemperature and an increasing monthly mean precipitation, the type with an increasingmonthly mean temperature and a decreasing monthly mean precipitation, the typewith a decreasing monthly mean temperature and an increasing monthly meanprecipitation, as well as the type with a decreasing monthly mean temperature and adecreasing monthly mean precipitation. Therefore, there were40different types ofsmall catchments in the study area. When choosing typical regions, the smallcatchments with the elevation ranges in which there were widely distributions of theglaciers and wetland and at the same time with noticeable dynamic changes of theglaciers, wetland, monthly mean temperature and the monthly mean precipitationwould be the first choices.
3. A method of modified auto-correlation analysis was introduced in this paper,which was bivariate auto-correlation analysis method, used to investigate the responseof wetland to the changes of the glaciers and quantified their respond distance. Theglobal auto-correlation was selected to investigate the respond distance, while thelocal auto-correlation was chose to investigate distribution of different respondrelationships.
When investigating the method of analyzing the respond distances of the glaciersand different types of wetland, the Moran’s I Index and the Euclidean Distance weretaken into consideration. The patches of increased and decreased glaciers and wetlandwere regarded as the research objects. The distance and relationships of the responseof wetland to the changes of the glaciers within different types of catchments werecalculated. It was showed that all types of wetland within the small catchments whichhad an increasing monthly mean temperature and a decreasing monthly meanprecipitation had noticeable responses to the changes of the glaciers. On the basis ofthis conclusion, the areas were extended from the typical regions to the whole distinct.The respond distances and the distribution of the respond relationship of wetland tothe change of glaciers within all the catchments of this kind in the recent30yearswere analyzed in this paper.
The changes of the glaciers together with wetland within the25km×25km gridwere taken as the research objects in the local bivariate auto-correlation analysis ofthe whole distinct. The map of LISA was selected to organize the spatial distributionof the respond relationships. The investigation demonstrated that the results of localbivariate auto-correlation analysis of the whole distinct were in correspondence with those of the typical regions. The relationships of the response could be divided intotwo types. It was to say the responses of natural wetland (the river, the lake, the riverwetland and the swamp meadow wetland) had negative correlated responses to thechanges of the glaciers. While in such regions, the constructed wetland had positivecorrelated responses to such changes. Among them, the river wetland had noticeableresponse to the changes of glaciers. With the decrease of DEM, the correlationsbetween the natural wetland and the glaciers were increasing and the responsedistances were shorter. The response mode of the constructed wetland was quiteopposed to the ones of the response of the natural wetland.
引文
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