2009年貢嘎山海螺溝冰川表磧空間分布數據集

2009年貢嘎山海螺溝冰川表磧空間分布數據集
作者：張勇　劉時銀　王欣
2018年11月19日

本作品收錄於《中國科學數據》

張勇, 劉時銀, 王欣. 2009年貢嘎山海螺溝冰川表磧空間分布數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2018, 3(4). (2018-06-26). DOI: 10.11922/csdata.2018.0022.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：冰川消融區表磧厚度空間分布對一條冰川的消融、物質平衡和徑流過程的影響有別於無表磧覆蓋型冰川。然而，青藏高原及周邊地區僅少數冰川有表磧厚度的實測資料，導致區域表磧影響尚不清楚。海螺溝冰川是一條典型的表磧覆蓋型冰川，位於青藏高原東南緣貢嘎山東坡。本研究基於ASTER影像的可見光近紅外、熱紅外波段和太陽輻射數據，獲取了海螺溝冰川消融區表磧層熱阻係數數據集（GeoTIFF格式，32位浮點型），空間分辨率為90 m，用其作為消融區表磧厚度空間分布的代用指標。通過對比ASTER反演的表磧層熱阻係數和冰川區表磧厚度實測資料發現，表磧層熱阻係數的空間分布與表磧厚度實測分布趨勢較為一致。本數據集可作為發展基於物理機制的表磧覆蓋下冰川消融模型的驅動數據，同時為實現青藏高原及周邊地區表磧覆蓋型冰川區表磧影響的系統評估提供數據支持。

關鍵詞：表磧覆蓋型冰川；表磧；熱阻係數；海螺溝冰川；ASTER

Abstract & Keywords

Abstract: Supraglacial debris cover on glaciers undergoes a unique thermal process relative to exposed snow and ice, the spatial distribution of which influences both the rates and spatial patterns of ice melting. Consequently, the responses of debris-covered glaciers to climate change are more complex compared to those of debris-free glaciers. However, insufficient debris thickness data make it difficult to analyze regional debris-cover effects in the Tibetan Plateau and its surroundings. In this study, the thermal resistances of debris layers on the Hailuogou Glacier, located on the eastern slope of Mount Gongga in southeastern Tibetan Plateau, were obtained from visible and near infrared and thermal infrared bands of ASTER images and solar radiation data, which can be used as a proxy for debris thickness over the ablation zone. These data, with a spatial resolution of 90 m, were stored in GeoTIFF format in 32-bit floating point. A comparison between high-resolution in situ measurements of debris thickness on the Hailuogou Glacier and ASTER-derived thermal resistances indicates that ASTER-derived thermal resistances correspond well with the spatial pattern of debris thickness, which can reflect large-scale variations in the extent and thickness of the debris cover. The dataset can be used as forcing data for the development of physically-based debris-cover melt models, and provides data support for systematic assessment of the debris-cover effect on debris-covered glaciers in the Tibetan Plateau and its surroundings.

Keywords: debris-covered glacier; debris cover; thermal resistance; Hailuogou Glacier; ASTER

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2009年貢嘎山海螺溝冰川表磧空間分布數據集
數據作者	張勇、劉時銀、王欣
數據通信作者	張勇（yong.zhang@hnust.edu.cn）
數據時間範圍	2009年1月
地理區域	北緯29°33′11″–29°35′29″，東經101°55′4″–101°59′51″
空間分辨率	90 m
數據量	65 KB
數據格式	*.tif
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/597
基金項目	國家自然科學基金項目（41671057、41761144075、41771075）；科技部科技基礎性工作專項（2013FY111400）；雲南大學引進人才項目（YJRC3201702）。
數據庫（集）組成	數據集由冰川區表磧層熱阻係數數據組成。

Dataset Profile

Title	A dataset of spatial distribution of debris cover on Hailuogou Glacier of Mount Gongga in 2009
Data corresponding author	Zhang Yong (yong.zhang@hnust.edu.cn)
Data authors	Zhang Yong, Liu Shiyin, Wang Xin
Time range	January 2009
Geographical scope	29°33′11″–29°35′29″N，101°55′4″–101°59′51″ E
Spatial resolution	90 m
Data volume	65 KB
Data format	*.tif
Data service system	< http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/597>
Sources of funding	National Natural Science Foundation of China (41701087; 41761144075; 41771075); Fundamental Program of the Ministry of Science and Technology of China (MOST) (2013FY111400); Research Funds for New Talents of Yunnan University (YJRC3201702).
Dataset composition	This dataset consists of the thermal resistances of debris layer on the ablation area of Hailuogou Glacier, with a data volume of about 65 KB.

引 言

表磧覆蓋型冰川是青藏高原及周邊地區分布較為廣泛的冰川類型，其典型特徵是消融區部分或全部為厚度不一的表磧所覆蓋。據中國第二次冰川編目統計，中國境內表磧覆蓋型冰川共有1723條，總面積為12974.7 km2，表磧覆蓋面積占這些冰川總面積的11.5%^[1]。這些表磧覆蓋型冰川集中分布在天山、喜馬拉雅山、帕米爾高原東部、念青唐古拉山、喀喇崑崙山和崑崙山地區^[1]，其中天山地區表磧覆蓋型冰川數量最多、面積最大。在中國境內，面積超過100.0 km2冰川有22條，其中10條為表磧覆蓋型冰川^[1]。這些表磧覆蓋型冰川所分布的區域是眾多大江大河源區補給源，其在不同時空尺度的變化勢必導致這些河流水量的豐枯變化，從而影響各流域及下游地區的水資源^[2]。

表磧層與裸冰或雪相比，具有獨特的熱力過程，導致其下覆冰川冰的消融過程不同^[3][4][5]。當表磧層厚度小於某一臨界厚度（約20～30 mm），其下覆冰川冰消融大於裸冰消融，即表磧加速了冰川消融；隨着表磧厚度的增大（大於臨界厚度），表磧的阻熱作用抑制了冰川消融^[3][4][5]。因此，表磧厚度及其空間分布對下覆冰川消融過程的影響顯著，從而影響冰川物質平衡的空間分布特徵與高度結構特徵^[6][7][8]。然而，青藏高原及周邊地區僅少數表磧覆蓋型冰川有表磧厚度的實測資料^[9]，尤其流域/區域冰川區表磧厚度的空間分布特徵尚不清楚。為了獲取流域/區域尺度表磧厚度及其空間分布特徵，提出了表磧層熱阻係數這一參數，其定義為表磧厚度與表磧層導熱係數的比值^[10][4]，並採用這一參數作為冰川區不同厚度表磧空間分布的代用指標。該方法已在不同表磧覆蓋型冰川的研究中取得了較為廣泛地應用^{[11][12][13][14][7]}。

青藏高原東南部（圖1）是我國海洋型冰川的主要分布區^[15]，該類型冰川對氣候變化的響應較為敏感，尤其是對氣溫變化的響應最為敏感^[16][15]。而表磧的廣泛分布使得該區域海洋型冰川對氣候變化的響應過程更為複雜。因此，本文選擇該區域貢嘎山東坡的海螺溝冰川作為研究對象（圖1），該冰川總長度約13.1 km，面積25.7 km2，零平衡線位於海拔4880 m附近^[17]，末端海拔約2990 m。在冰瀑布以下的消融區，大部分為表磧覆蓋。本文利用ASTER影像獲取海螺溝冰川消融區表磧層熱阻係數的空間分布數據，以此作為表磧厚度空間分布的代用指標，進而獲取消融區表磧厚度的空間分布特徵。採用的方法已得到大量驗證^{[11][12][13][14][7]}，獲取數據可靠，可為進一步研究表磧厚度區域差異及其影響提供必要數據支撐。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據源

本文採用的數據為ASTER影像和太陽輻射數據。其中，ASTER數據是由日本遙感數據分析中心（Earth Remote Sensing Data Analysis Center in Japan）提供的，獲取時間為2008年12月和2009年1月，無雲覆蓋。ASTER數據包括可見光近紅外、短波紅外和熱紅外3個波段，本文使用可見光近紅外和熱紅外兩個波段，其空間分辨率分別為15 m和90 m。太陽輻射數據包括短波和長波輻射數據，來源於National Centers for Environmental Prediction（NCEP）/National Center for Atmospheric Research（NCAR）再分析數據集^[18]。需要指出的是，NCAR/NCEP再分析數據獲取的時間、位置與ASTER影像是一致的。

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圖1 研究區位置示意圖P1、P2、P3、P4和P5為表磧厚度觀測剖面

1.2 數據處理步驟

為獲取海螺溝冰川消融區表磧厚度空間分布特徵，本文採用表磧層熱阻係數作為冰川區不同厚度表磧空間分布的代用指標。由其定義可知，在表磧厚度和表磧層導熱係數已知的情況下可計算出表磧層的熱阻係數。然而，在較大尺度上，上述各參數很難實測獲取。因此本文基於ASTER影像的可見光近紅外、熱紅外波段和太陽輻射（長波、短波輻射）數據估算海螺溝冰川消融區表磧的熱阻係數（圖2）。按照圖2所示的數據處理流程，首先基於ASTER影像的熱紅外波段數據和海螺溝冰川邊界^[19]，利用定標係數對圖像整型數值（DN值）進行輻射定標，將像元的DN值轉換為大氣層上界光譜輻射亮度，然後利用與之對應的近似普朗克函數公式轉化為地表溫度^[20]，從而獲取冰川區地表溫度的空間分布。其次，利用ASTER影像可見光近紅外波段大氣頂部的光譜反射率來估算寬波段的反照率^[21]，然後結合NCEP/NCAR的太陽長波、短波輻射數據，計算冰川區的淨輻射。最後基於估算的淨輻射和地表溫度獲取冰川區表磧層的熱阻係數。需要指出的是，ASTER可見光近紅外波段的空間分辨率重採樣為90 m，與熱紅外波段和表磧層熱阻係數的分辨率一致。

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圖2 基於ASTER數據計算海螺溝冰川消融區表磧層熱阻係數流程示意圖[9]TIR和VNIR分別指ASTER數據的熱紅外波段和可見光近紅外波段

2 數據樣本描述

本數據集的數據存儲格式為GeoTIFF格式，數據類型為32位浮點型，命名為Thermal resistance of Hailuogou Glacier.tif，單位是10-2 m2 K W-1。樣本展示如圖3。

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圖3 海螺溝冰川消融區表磧熱阻係數空間分布圖

3 數據質量控制和評估

本文計算表磧層熱阻係數的方法是基於如下假設進行的，即在表磧覆蓋型冰川表磧層的能量組成中，淨輻射是主要的熱量來源，而湍流熱通量（感熱和潛熱通量）所占比例較小，可以忽略。這一特徵是在喜馬拉雅山、喀喇崑崙山、歐洲阿爾卑斯山等地區的表磧覆蓋型冰川開展的能量平衡野外觀測試驗與研究中發現的^{[22][23][11][3]}，尤其是在冰川消融期的晴朗天氣條件下，這一特徵更顯著。基於上述假設，同時假定表磧層內的溫度剖面呈線性變化和表磧層的熱儲變量可以忽略^[24][25][10]，依據上述方法得到海螺溝冰川消融區表磧層熱阻係數的空間分布信息。

本文所採用方法的不確定性已在不同表磧覆蓋型冰川開展的研究中進行了探討。Suzuki等^[11]基於多期ASTER影像和NCEP/NCAR太陽輻射數據，採用上述方法計算了喜馬拉雅山典型冰川區表磧的熱阻係數；同時基於該冰川區觀測資料（溫度、風速、濕度、太陽輻射等），採用能量平衡模型估算了同一冰川區的表磧熱阻係數，且在計算過程中考慮了湍流熱通量（感熱和潛熱通量）；對比分析發現，忽略湍流熱通量和應用不同時段ASTER影像所產生的不確定性對於表磧熱阻係數的空間分布特徵影響不顯著；同時山體的遮蔽作用對熱阻係數空間分布的影響不明顯。圖4是基於不同時段ASTER影像獲取的海螺溝冰川消融區表磧的熱阻係數。分析發現，冰川消融區不同時段ASTER反演的表磧熱阻係數值的差別不大，二者的相關係數為0.88（顯著水平p＜0.001）。由此可知，海螺溝冰川消融區表磧層熱阻係數的年際變化不明顯，這與喜馬拉雅山典型表磧覆蓋型冰川^[11]的研究結果較為一致。此外，通過與消融區縱、橫剖面表磧厚度實測數據對比發現（圖5），ASTER反演的表磧熱阻係數與表磧厚度實測值具有較好的相關性，且二者的空間分布較為一致。因此，ASTER反演的表磧熱阻係數可作為海螺溝冰川消融區不同厚度表磧空間分布的代用指標，從而得到消融區表磧厚度的空間分布信息。

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圖4 2008和2009年海螺溝冰川消融區不同時期ASTER反演的熱阻係數對比

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圖5 海螺溝冰川消融區不同剖面表磧厚度實測值與ASTER影像反演的表磧熱阻係數（10-2 m2 K W-1）對比[7]剖面P1、P2、P3、P4和P5的位置見圖1，S和N分別指消融區南北兩側的邊界；虛線代表冰川北側邊界

4 數據價值

冰川區表磧厚度分布數據是研究表磧覆蓋型冰川消融物理機制及其空間特徵、物質平衡及對氣候變化的響應特徵的基礎數據。本研究利用ASTER影像反演了冰川消融區表磧熱阻係數空間分布數據，反映了冰川區不同表磧厚度的空間分布特徵。本數據為發展較好刻畫表磧下覆冰川消融物理過程模型提供了輸入數據，同時為研究表磧覆蓋型冰川對氣候變化響應特徵奠定了數據基礎。

5 數據使用方法和建議

2009年青藏高原東南緣貢嘎山東坡海螺溝冰川消融區表磧厚度空間分布數據集（以表磧層熱阻係數為代用指標）所有數據存儲格式均為GeoTIFF格式。ArcGIS、SuperMap、ENVI、ERDAS等常用的GIS與遙感軟件均可支持該數據的讀取和操作。冰川區表磧熱阻係數值以影像的像元值表示，單位10-2 m2 K W-1，空間分辨率為90 m。此外，海螺溝冰川消融末端的邊界基於2008年夏季觀測獲取^[19]。隨着該冰川末端的顯著退縮，表磧在末端不斷堆積增厚，使得基於2009年ASTER數據獲取的冰川末端數據分布與現階段冰川末端位置有一定的差異。

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數據引用格式

張勇, 劉時銀, 王欣. 2009年貢嘎山海螺溝冰川表磧空間分布數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-05-17). DOI: 10.11922/sciencedb.597.