2009年贡嘎山海螺沟冰川表碛空间分布数据集 中华文库

2009年贡嘎山海螺沟冰川表碛空间分布数据集
作者：张勇　刘时银　王欣
2018年11月19日
本作品收录于《中国科学数据》
张勇, 刘时银, 王欣. 2009年贡嘎山海螺沟冰川表碛空间分布数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2018, 3(4). (2018-06-26). DOI: 10.11922/csdata.2018.0022.zh.


    摘要&关键词

    摘要：冰川消融区表碛厚度空间分布对一条冰川的消融、物质平衡和径流过程的影响有别于无表碛覆盖型冰川。然而，青藏高原及周边地区仅少数冰川有表碛厚度的实测资料，导致区域表碛影响尚不清楚。海螺沟冰川是一条典型的表碛覆盖型冰川，位于青藏高原东南缘贡嘎山东坡。本研究基于ASTER影像的可见光近红外、热红外波段和太阳辐射数据，获取了海螺沟冰川消融区表碛层热阻系数数据集（GeoTIFF格式，32位浮点型），空间分辨率为90 m，用其作为消融区表碛厚度空间分布的代用指标。通过对比ASTER反演的表碛层热阻系数和冰川区表碛厚度实测资料发现，表碛层热阻系数的空间分布与表碛厚度实测分布趋势较为一致。本数据集可作为发展基于物理机制的表碛覆盖下冰川消融模型的驱动数据，同时为实现青藏高原及周边地区表碛覆盖型冰川区表碛影响的系统评估提供数据支持。

    关键词：表碛覆盖型冰川；表碛；热阻系数；海螺沟冰川；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

    数据库（集）基本信息简介

    数据库（集）名称 2009年贡嘎山海螺沟冰川表碛空间分布数据集
    数据作者 张勇、刘时银、王欣
    数据通信作者 张勇（yong.zhang@hnust.edu.cn）
    数据时间范围 2009年1月
    地理区域 北纬29°33′11″–29°35′29″，东经101°55′4″–101°59′51″
    空间分辨率 90 m
    数据量 65 KB
    数据格式 *.tif
    数据服务系统网址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/597
    基金项目 国家自然科学基金项目（41671057、41761144075、41771075）；科技部科技基础性工作专项（2013FY111400）；云南大学引进人才项目（YJRC3201702）。
    数据库（集）组成 数据集由冰川区表碛层热阻系数数据组成。

    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

    表碛覆盖型冰川是青藏高原及周边地区分布较为广泛的冰川类型，其典型特征是消融区部分或全部为厚度不一的表碛所覆盖。据中国第二次冰川编目统计，中国境内表碛覆盖型冰川共有1723条，总面积为12974.7 km2，表碛覆盖面积占这些冰川总面积的11.5%[1]。这些表碛覆盖型冰川集中分布在天山、喜马拉雅山、帕米尔高原东部、念青唐古拉山、喀喇昆仑山和昆仑山地区[1]，其中天山地区表碛覆盖型冰川数量最多、面积最大。在中国境内，面积超过100.0 km2冰川有22条，其中10条为表碛覆盖型冰川[1]。这些表碛覆盖型冰川所分布的区域是众多大江大河源区补给源，其在不同时空尺度的变化势必导致这些河流水量的丰枯变化，从而影响各流域及下游地区的水资源[2]。

    表碛层与裸冰或雪相比，具有独特的热力过程，导致其下覆冰川冰的消融过程不同[3][4][5]。当表碛层厚度小于某一临界厚度（约20～30 mm），其下覆冰川冰消融大于裸冰消融，即表碛加速了冰川消融；随着表碛厚度的增大（大于临界厚度），表碛的阻热作用抑制了冰川消融[3][4][5]。因此，表碛厚度及其空间分布对下覆冰川消融过程的影响显著，从而影响冰川物质平衡的空间分布特征与高度结构特征[6][7][8]。然而，青藏高原及周边地区仅少数表碛覆盖型冰川有表碛厚度的实测资料[9]，尤其流域/区域冰川区表碛厚度的空间分布特征尚不清楚。为了获取流域/区域尺度表碛厚度及其空间分布特征，提出了表碛层热阻系数这一参数，其定义为表碛厚度与表碛层导热系数的比值[10][4]，并采用这一参数作为冰川区不同厚度表碛空间分布的代用指标。该方法已在不同表碛覆盖型冰川的研究中取得了较为广泛地应用[11][12][13][14][7]。

    青藏高原东南部（图1）是我国海洋型冰川的主要分布区[15]，该类型冰川对气候变化的响应较为敏感，尤其是对气温变化的响应最为敏感[16][15]。而表碛的广泛分布使得该区域海洋型冰川对气候变化的响应过程更为复杂。因此，本文选择该区域贡嘎山东坡的海螺沟冰川作为研究对象（图1），该冰川总长度约13.1 km，面积25.7 km2，零平衡线位于海拔4880 m附近[17]，末端海拔约2990 m。在冰瀑布以下的消融区，大部分为表碛覆盖。本文利用ASTER影像获取海螺沟冰川消融区表碛层热阻系数的空间分布数据，以此作为表碛厚度空间分布的代用指标，进而获取消融区表碛厚度的空间分布特征。采用的方法已得到大量验证[11][12][13][14][7]，获取数据可靠，可为进一步研究表碛厚度区域差异及其影响提供必要数据支撑。

    1 数据采集和处理方法

    1.1 数据源

    本文采用的数据为ASTER影像和太阳辐射数据。其中，ASTER数据是由日本遥感数据分析中心（Earth Remote Sensing Data Analysis Center in Japan）提供的，获取时间为2008年12月和2009年1月，无云覆盖。ASTER数据包括可见光近红外、短波红外和热红外3个波段，本文使用可见光近红外和热红外两个波段，其空间分辨率分别为15 m和90 m。太阳辐射数据包括短波和长波辐射数据，来源于National Centers for Environmental Prediction（NCEP）/National Center for Atmospheric Research（NCAR）再分析数据集[18]。需要指出的是，NCAR/NCEP再分析数据获取的时间、位置与ASTER影像是一致的。


    图1 研究区位置示意图P1、P2、P3、P4和P5为表碛厚度观测剖面


    1.2 数据处理步骤

    为获取海螺沟冰川消融区表碛厚度空间分布特征，本文采用表碛层热阻系数作为冰川区不同厚度表碛空间分布的代用指标。由其定义可知，在表碛厚度和表碛层导热系数已知的情况下可计算出表碛层的热阻系数。然而，在较大尺度上，上述各参数很难实测获取。因此本文基于ASTER影像的可见光近红外、热红外波段和太阳辐射（长波、短波辐射）数据估算海螺沟冰川消融区表碛的热阻系数（图2）。按照图2所示的数据处理流程，首先基于ASTER影像的热红外波段数据和海螺沟冰川边界[19]，利用定标系数对图像整型数值（DN值）进行辐射定标，将像元的DN值转换为大气层上界光谱辐射亮度，然后利用与之对应的近似普朗克函数公式转化为地表温度[20]，从而获取冰川区地表温度的空间分布。其次，利用ASTER影像可见光近红外波段大气顶部的光谱反射率来估算宽波段的反照率[21]，然后结合NCEP/NCAR的太阳长波、短波辐射数据，计算冰川区的净辐射。最后基于估算的净辐射和地表温度获取冰川区表碛层的热阻系数。需要指出的是，ASTER可见光近红外波段的空间分辨率重采样为90 m，与热红外波段和表碛层热阻系数的分辨率一致。


    图2 基于ASTER数据计算海螺沟冰川消融区表碛层热阻系数流程示意图[9]TIR和VNIR分别指ASTER数据的热红外波段和可见光近红外波段


    2 数据样本描述

    本数据集的数据存储格式为GeoTIFF格式，数据类型为32位浮点型，命名为Thermal resistance of Hailuogou Glacier.tif，单位是10-2 m2 K W-1。样本展示如图3。


    图3 海螺沟冰川消融区表碛热阻系数空间分布图


    3 数据质量控制和评估

    本文计算表碛层热阻系数的方法是基于如下假设进行的，即在表碛覆盖型冰川表碛层的能量组成中，净辐射是主要的热量来源，而湍流热通量（感热和潜热通量）所占比例较小，可以忽略。这一特征是在喜马拉雅山、喀喇昆仑山、欧洲阿尔卑斯山等地区的表碛覆盖型冰川开展的能量平衡野外观测试验与研究中发现的[22][23][11][3]，尤其是在冰川消融期的晴朗天气条件下，这一特征更显著。基于上述假设，同时假定表碛层内的温度剖面呈线性变化和表碛层的热储变量可以忽略[24][25][10]，依据上述方法得到海螺沟冰川消融区表碛层热阻系数的空间分布信息。

    本文所采用方法的不确定性已在不同表碛覆盖型冰川开展的研究中进行了探讨。Suzuki等[11]基于多期ASTER影像和NCEP/NCAR太阳辐射数据，采用上述方法计算了喜马拉雅山典型冰川区表碛的热阻系数；同时基于该冰川区观测资料（温度、风速、湿度、太阳辐射等），采用能量平衡模型估算了同一冰川区的表碛热阻系数，且在计算过程中考虑了湍流热通量（感热和潜热通量）；对比分析发现，忽略湍流热通量和应用不同时段ASTER影像所产生的不确定性对于表碛热阻系数的空间分布特征影响不显著；同时山体的遮蔽作用对热阻系数空间分布的影响不明显。图4是基于不同时段ASTER影像获取的海螺沟冰川消融区表碛的热阻系数。分析发现，冰川消融区不同时段ASTER反演的表碛热阻系数值的差别不大，二者的相关系数为0.88（显著水平p＜0.001）。由此可知，海螺沟冰川消融区表碛层热阻系数的年际变化不明显，这与喜马拉雅山典型表碛覆盖型冰川[11]的研究结果较为一致。此外，通过与消融区纵、横剖面表碛厚度实测数据对比发现（图5），ASTER反演的表碛热阻系数与表碛厚度实测值具有较好的相关性，且二者的空间分布较为一致。因此，ASTER反演的表碛热阻系数可作为海螺沟冰川消融区不同厚度表碛空间分布的代用指标，从而得到消融区表碛厚度的空间分布信息。


    图4 2008和2009年海螺沟冰川消融区不同时期ASTER反演的热阻系数对比


    图5 海螺沟冰川消融区不同剖面表碛厚度实测值与ASTER影像反演的表碛热阻系数（10-2 m2 K W-1）对比[7]剖面P1、P2、P3、P4和P5的位置见图1，S和N分别指消融区南北两侧的边界；虚线代表冰川北侧边界


    4 数据价值

    冰川区表碛厚度分布数据是研究表碛覆盖型冰川消融物理机制及其空间特征、物质平衡及对气候变化的响应特征的基础数据。本研究利用ASTER影像反演了冰川消融区表碛热阻系数空间分布数据，反映了冰川区不同表碛厚度的空间分布特征。本数据为发展较好刻画表碛下覆冰川消融物理过程模型提供了输入数据，同时为研究表碛覆盖型冰川对气候变化响应特征奠定了数据基础。

    5 数据使用方法和建议

    2009年青藏高原东南缘贡嘎山东坡海螺沟冰川消融区表碛厚度空间分布数据集（以表碛层热阻系数为代用指标）所有数据存储格式均为GeoTIFF格式。ArcGIS、SuperMap、ENVI、ERDAS等常用的GIS与遥感软件均可支持该数据的读取和操作。冰川区表碛热阻系数值以影像的像元值表示，单位10-2 m2 K W-1，空间分辨率为90 m。此外，海螺沟冰川消融末端的边界基于2008年夏季观测获取[19]。随着该冰川末端的显著退缩，表碛在末端不断堆积增厚，使得基于2009年ASTER数据获取的冰川末端数据分布与现阶段冰川末端位置有一定的差异。

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    数据引用格式

    张勇, 刘时银, 王欣. 2009年贡嘎山海螺沟冰川表碛空间分布数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-05-17). DOI: 10.11922/sciencedb.597.