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Arid Land Geography >

2024 , Vol. 47 >Issue 8: 1277 - 1291

DOI: https://doi.org/10.12118/j.issn.1000-6060.2024.112

The Third Xinjiang Scientific Expedition

Glaciers in Saur Mountains: Current situation and evolutionary process

  • Jianxin MU , 1 ,
  • Zhongqin LI , 1 ,
  • Puyu WANG 1 ,
  • Pengbin LIANG 2, 3 ,
  • Yanqiang WANG 4 ,
  • Changbin BAI 5 ,
  • Fanglong WANG 1
Expand
  • 1. Key Laboratory of Cryospheric Science and Frozen Soil Engineering/Altai Observation and Research Station of Cryospheric Science and Sustainable Development, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China
  • 2. Faculty of Ecology and Environmental Sciences, Qinghai Institute of Technology, Xining 810000, Qinghai, China
  • 3. Qinghai Provincial Key Laboratory of Plateau Climate Change and Corresponding Ecological and Environmental Effects, Xining 810000, Qinghai, China
  • 4. College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi, China
  • 5. Nanning Normal University, Nanning 530001, Guangxi, China

Received date: 2024-02-23

  Revised date: 2024-05-23

  Online published: 2026-03-11

Fold

Abstract

The Saur Mountains, one of the 14 mountain ranges with glaciers in western China, span across China and Kazakhstan. Although the glaciers are relatively small, scientific research is challenged by the division between two political entities. The water resources from the Saur Mountains’ glaciers are crucial for the development of Jeminay County, Xinjiang, China. This study integrates aerial topographic maps, Landsat and Sentinel satellite remote sensing images, existing glacier inventories, Google Earth high-resolution historical images, and other data. Remote sensing observations were verified on-site, and a detailed study on the current status and historical evolution of the Saur Mountains’ glaciers over the past 30 years was conducted. The results indicate that: (1) As of 2022, there are 31 glaciers in the Saur Mountains, covering a total area of 11.47 km2. The Muz Taw glacier, the largest in the range, is located in Jeminay County with an area of 2.95 km2. The remaining 90% of glaciers are each less than 1 km2, but collectively account for 54.55% of the total glacier area. The latitude height and lower altitude limit of glacier distribution in the Saur Mountains are second only to those in the Altay Mountains, making the Saur Mountains a typical high-latitude, low-altitude glacier distribution region in China. (2) Over the past 30 years, the glaciers in the Saur Mountains have experienced increased splitting, area shrinkage, and terminal retreat. The number of glaciers increased from 12 to 31, while the total glacier area decreased by 8.11 km2, a retreat rate of 41.42%. During the same period, the length of each glacier retreated by 373 m, with an average annual retreat of 11.30 m. Rising temperatures, reduced glacier albedo, and increased glacier fragmentation are the primary reasons for this retreat. (3) Compared to the other 13 mountain ranges in western China, the Saur Mountains have experienced the largest relative retreat in glacier area over the past half-century. With global warming, the glaciers in the Saur Mountains are likely to completely melt, significantly impacting the sustainable development of Jeminay County, which is already dry and water-poor. Early planning is essential to address the impending water resource crisis in Jeminay County.

Key words： current status of glaciers; evolutionary process; glacier changes; Saur Mountains

Cite this article

Jianxin MU , Zhongqin LI , Puyu WANG , Pengbin LIANG , Yanqiang WANG , Changbin BAI , Fanglong WANG . Glaciers in Saur Mountains: Current situation and evolutionary process[J]. Arid Land Geography, 2024 , 47(8) : 1277 -1291 . DOI: 10.12118/j.issn.1000-6060.2024.112

2021年IPCC发布第六次评估报告第一工作组报告[1]，指出最近40 a各年代际的全球地表温度均高于1850年以来的任何一个10 a，21世纪前20 a相比1850—1900年升温0.99 ℃（0.84~1.10 ℃），近10 a增幅为1.09 ℃（0.95~1.20 ℃）。山地冰川作为气候系统的关键变量之一，受气候变暖影响显著[2-3]，预估到21世纪末亚洲高山区将升温（2.1±0.1） ℃，区域冰川将仅剩现存冰量（1996—2015年平均）的（64±7）%，RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下将分别亏损约29%、42%和71%[4]，冰川退缩不仅影响到上游生态系统的稳定，也会对中下游水安全格局产生影响[5]。我国青藏高原及周边地区作为亚洲高山区的核心地带，冰川广泛分布在阿尔泰山、穆斯套岭、天山、喀喇昆仑山、昆仑山、羌塘高原、喜马拉雅山和横断山等14座西部山系（高原）[6]，其中穆斯套岭冰川规模最小，然而相较其他山系广泛开展的冰川变化研究[7]，针对穆斯套岭这一地区的专门研究相对偏少。
穆斯套岭所在的萨吾尔山，是新疆外流河水系（额尔齐斯河流域）和内流水系的重要分水岭，且距天山和阿尔泰山约200 km，是地理界线分明的独立山体[8]，围绕主峰穆斯套岭发育数十条冰川，在第一次中国冰川编目中，因其冰川面积偏少，而将南北山坡的冰川，分别并入天山山区和阿尔泰山区[8-9]，而第二次中国冰川编目将萨吾尔山作为独立山区[6]，两次冰川编目空间范围的不一致，直接影响到萨吾尔山冰川变化的准确研究。尽管这一问题之前学者也已关注，如怀保娟等[10]结合地形图和遥感影像研究了1959—2013年中国境内萨吾尔山冰川面积变化，发现中国萨吾尔山冰川持续退缩，退缩率达42.74%，年均退缩0.14 km2；Bai等[11]在此基础上通过比对SRTM DEM，进一步研究了冰川表面高程变化，发现1959—2000年冰川表面高程减少20.73±0.51 m；王炎强等[12]通过Landsat遥感影像亦对该区冰川变化进行过研究，结果显示1977—2017年，萨吾尔山冰川总面积减小了10.51 km2，退缩45.72%。然而这些研究大都受第一次中国冰川编目影响，将萨吾尔山空间范围局限在中国境内，即：北起额尔齐斯河谷地，南至和布克赛尔盆地边沿，西界中哈边境，向东逐渐没入准噶尔平原。实际上，萨吾尔山是一条东西走向的断块跨国山脉，西与塔尔巴哈台山相平行，东北以额尔齐斯河河谷平原相隔与阿尔泰山遥遥相望，南邻赛米斯台等低山丘陵和开阔的准噶尔盆地，是准噶尔盆地西部山地中最北部最高的一条山脉，西段位于哈萨克斯坦，东段在我国境内延绵约120 km[13]。山地冰川作为气候和地形共同驱动下的自然地理要素，科学研究的完整性不应受行政界线割裂，对萨吾尔山冰川进行整体性研究也更有助于探索自然现象背后的地理规律。
萨吾尔山中国境内段行政隶属新疆阿勒泰地区吉木乃县，政府公开信息显示，吉木乃县境内没有一条长年性河流，地表水年径流量7.4×107 m3，人均水资源占有量仅为全疆平均水平的37.7%，是全疆地表水资源最少的干旱贫水县。冰川作为固体水资源，其动态演变直接关系到县域经济发展和人民生活，准确厘清萨吾尔山冰川现状及演化过程也是服务地方需求的基础研究，自2013年以来中国科学院西北生态环境资源研究院与吉木乃县政府进行合作，持续进行了冰川物质平衡、冰川厚度及末端变化等野外观测工作。本研究在阿尔泰山冰冻圈科学与可持续发展综合观测研究站10 a对木斯岛冰川观测经验基础上，结合地形图和遥感影像准确厘清1959年以来整个萨吾尔山冰川的演化过程，为进一步研究萨吾尔山冰川整体响应气候变化的内在机理和吉木乃县水资源的合理规划提供关键数据参考。

1 研究区概况

萨吾尔山位于天山和阿尔泰山之间（图1a），山势西高东低、南陡北缓，横跨中国和哈萨克斯坦两国，最高峰是海拔3806 m（1959年航摄地形图标高）的木斯套山。萨吾尔山区域气候受西风带北支控制，根据中科院阿尔泰山站在距木斯岛冰川3 km处所设草原气象站2010—2021年的监测数据显示[11]，年内气温差异显著，变化介于-20.2（1月）~6.1 ℃（7月），年均气温-5.7 ℃，过去10 a气温上升0.1 ℃。7月降水量最大，达89 mm，12月降水最少，仅16 mm，平均年降水量为402 mm。围绕主峰发育数十条冰川，根据2022年欧空局Sentinel-2影像的最新解译（图1c），萨吾尔山共发育冰川31条，总面积11.47 km2，中国吉木乃县境内的木斯岛冰川是萨吾尔山规模最大的冰川，面积2.95 km2。中国一侧现存12条冰川，集中在拉斯特河流域和乌勒昆乌拉斯特河流域（图1b），1959—2013年冰川面积退缩42.74%，减少7.56 km2[10]，1959年以来区域冰川累积物质平衡约-29.65 m w.e.[11]，冰川物质持续亏损，为干旱的吉木乃县提供了重要的地表水资源。
图1 萨吾尔山位置及其冰川分布

Fig. 1 Location of Saur Mountains and its glacier distribution

2 数据与方法

2.1 数据来源

为查明萨吾尔山冰川现状及演化过程，本文采用多源数据来进行研究，包括航摄地形图、Landsat陆地资源卫星影像、Sentinel卫星影像、已完成的全球和中国冰川编目数据、数字高程模型数据和Google Earth高分辨率历史图像，具体如下：
（1） 航摄地形图：萨吾尔山区域能找到的最早冰川影像来自于1959年航摄地形图，比例尺为1:100000，地形图覆盖中国境内冰川，但未包含整个萨吾尔山地区的所有冰川。
（2） 卫星遥感数据：通过遥感影像来确定冰川边界最主要的问题是受影像中的积雪和云雾干扰，需要选择夏季无雪期间、云雾覆盖相对较少的影像。本研究经过大量筛选，最终选取了1989、1998、2006年和2016年4景Landsat系列影像，用于分析表征萨吾尔山冰川变化（表1）。该数据来源于美国地质调查局影像数据库中心（http://glovis.usgs.gov），已有研究验证USGS所提供的Landsat遥感影像具有相对高的校正精度，广泛应用于冰川变化研究[14⇓-16]。相比于美国Landsat陆地资源卫星影像，近些年欧洲航天局发射的Sentinel系列影像，具有更高分辨率（10~20 m）。本研究选择2022年冰川消融期末的Sentinel-2 MSI 4景影像交互解译以确定准确的冰川范围（表2），Sentinel-2 L2A级数据产品在L2C级地形校正基础上进行了大气校正，是目前进行区域冰川编目的绝佳数据源之一，已在欧洲最新的冰川编目中广泛应用[17]，Sentinel-2系列影像来源于欧洲航天局哥白尼数据中心（https://scihub.copernicus.eu/）和USGS共享数据库（https://earthexplorer.usgs.gov/）。
表1 用于冰川边界解译的Landsat影像信息

Tab. 1 Landsat image information for glacier boundary interpretation

ID 接收日期（年-月-日） 传感器 分辨率/m 轨道号
LT41440271989237XXX01 1989-08-25 TM 30 145/027
LT51450271998245BIK00 1998-09-02 TM 30 145/027
LT51450272006251IKR00 2006-09-08 TM 30 145/027
LC81450272016247LGN00 2016-09-03 OLI 30 145/027
表2 用于2022年冰川边界解译的Sentinel-2影像信息

Tab. 2 Sentinel-2 image information for glacier boundary interpretation in 2022

ID 接收日期（年-月-日） 传感器 解译分辨率/m 影像用途
S2B_MSIL2A_20220725T051659_N0400_R062_T45TUN_20220725T080907 2022-07-25 MSI 10 主影像
S2A_MSIL2A_20220829T051701_N0400_R062_T45TUN_20220829T095801 2022-08-29 MSI 10 验证补充影像
S2B_MSIL2A_20220824T051649_N0400_R062_T45TUN_20220824T075837 2022-08-24 MSI 10 验证影像
L1C_T45TUN_A027973_20220715T051825 2022-07-15 MSI 10 解译辅影像
（3） 冰川编目数据：冰川解译在广泛野外调查、计算机辅助解译基础上进行专家判断，以确定最终的冰川分布，同时本研究在解译过程充分吸收已有的冰川编目成果，包括第一、第二次中国冰川编目、GLIMS全球陆地冰空间测量项目成果以及近期的Randolph Glacier Inventory v6.0编目数据产品。中国冰川编目数据来源于冰川冻土沙漠国家科学数据中心（http://www.ncdc.ac.cn/），全球冰川编目产品从美国国家雪冰数据中心（https://nsidc.org/）下载获取。
（4） 数字高程模型（DEM）：数字高程模型是提取冰川海拔范围、冰川长度并确定高程带面积分布的必须数据，本研究中采用美国航空航天局（NASA）于2020年2月18日发布的最新一版全球30 m分辨率DEM数据（SRTM1 v3.0），是NASA对STRM数据的再处理，通过纳入ASTER GDEM、ICESat GLAS和PRISM数据集的辅助数据，提高了精度，其中最重要的处理改进涉及通过改进相位解包和使用ICESat GLAS数据进行控制来减少空隙，DEM数据可由于美国地质调查局影像数据库中心获取(http://glovis.usgs.gov)。
（5） Google Earth高分辨率历史图像：筛选Google Earth中已有高分辨率历史图像，用以确定萨吾尔山最初的冰川群形态，以此为基础还原不同时段的冰川演化过程，分析不同时段的冰川条数和形态变化。Google Earth高分辨率历史图像可由Google earth开源应用访问（https://www.google.com/intl/zh-CN/ea- rth/versions/#download）。

2.2 研究方法

（1） 基于卫星遥感的冰川边界提取：遥感影像通过亮度值或像元值的高低差异（反映地物的光谱信息）及空间变化（反映地物的空间信息）来表示不同地物的差异，这是区分不同影像地物的物理基础。基于遥感影像的这一特性，本研究首先在GIS软件环境下对扫描后的1959年航摄地形图进行地理配准，配准的均方根误差控制一个像元之内，以此参考验证遥感影像的几何定位精度[18]，之后结合木斯岛冰川多年野外观测经验，在影像波段合成基础上采用目视解译的方法最终确定冰川边界，在冰川边界确定基础上，结合DEM以最大长度为原则提取冰川长度信息[19]。需要说明的是，由于2016年9月3日的Landsat8影像中编号为6A、6B、6E、8、9A、9B、10、11A、11B、12的冰川被云遮挡（图2），采用2015年的影像作为参考，并参照Google Earth的高分辨率影像进行冰川边界信息的提取。同时针对2022年冰川现状的提取，本研究采用更高分辨率的欧洲航天局Sentinel-2卫星影像进行解译，提取过程类似Landsat，但由于Sentinel-2影像中对冰雪反射敏感的短波红外（SWIR，第11波段）分辨率为20 m，不同10 m分辨率的可见光波段，本研究参考欧洲冰川编目的技术流程[17]，重采样影像中短波红外波段分辨率至10 m，同近红外波段（10 m分辨率，第8波段）和红波段（10 m分辨率，第4波段）进行彩色合成，以进行更为准确的冰川边界提取，同时广泛参考已有的冰川编目成果，包括第一、第二次中国冰川编目、GLIMS全球陆地冰空间测量项目成果以及近期的Randolph Glacier Inventory v6.0编目数据产品。
图2 2016年萨吾尔山冰川分布

Fig. 2 Distribution of glacier in Saur Mountains in 2016

（2） 冰川演化研究方法：本研究结合1959年航摄地形图、1984年和2011年Google earth高分辨率影像和1989、1998、2006年和2016年4景Landsat系列影像以及2022年的4景Sentinel卫星影像，还原出萨吾尔山冰川演化过程。基于1984年影像，我们对该区冰川进行编号统计，从东向西编号依次为1、2、3、…、11、12，并记为1号冰川、2号冰川等，即冰川总条数为12（图3a），假设某条冰川在某个时间段内分为若干条冰川，在冰川编号后边加大写的英文字母，从A开始，按照顺序以此类推，如1A和1B（图3b），如果某条子冰川再次分裂，在子冰川的编号后加数字，从1开始，如1A1和1B1（图3c~e），如果子冰川分开形成的次子冰川再分开，在次子冰川的编号后加小写的英文字母，按照顺序从a开始，如1B1a（图3f），近期遥感调查发现2016—2022年部分次子冰川再次分裂（图3g），编码中在次子冰川后加数字，按照顺序从1开始，如1B1a1。
图3 萨吾尔山不同时期冰川分布及编号

Fig. 3 Distribution and identifiers of glaciers of the Saur Mountains in different periods

3 结果与分析

3.1 冰川分布现状及特征

对2022年萨吾尔山地区消融期末的Sentinel-2 MSI影像开展人工目视解译，截止2022年7月，萨吾尔山共分布有冰川31条，总面积11.47 km2，各冰川信息如表3所示，冰川分布横跨中国和哈萨克斯坦两国，其中中国境内萨吾尔山共发育有冰川12条，冰川总面积为6.84 km2，海拔范围介于3128~3827 m，平均末端最低海拔为3319 m，分别占萨吾尔山冰川总条数和总面积的38.7%与59.3%。木斯岛冰川为中国境内萨吾尔山面积最大的冰川，海拔介于3166~3827 m，目前面积为2.95 km2，冰川长度为3.1 km。需要指出的是，怀保娟等[10]的研究将编号为3的冰川纳入中国境内进行统计，经过实地考察核准，该冰川不属于中国境内，因此本研究未将该冰川纳入统计范围，1A1冰川在其研究中已经消失，但根据最新的遥感影像，1A1冰川仍然存在，主要是由于该冰川已经接近完全消失，冰川厚度很薄难以辨认造成。哈萨克斯坦境内萨吾尔山2022年共发育冰川有19条，冰川总面积为4.63 km2，冰川分布的海拔范围介于3051~3722 m，平均末端海拔为3290 m，分别占萨吾尔山冰川总条数和总面积的61.3%与40.7%。编号3A2的冰川为境外萨吾尔山面积最大的冰川，海拔介于3051~3714 m，目前面积为1.20 km2，冰川长度为2.1 km。与中国境内冰川相比，哈萨克斯坦冰川具有条数多、面积小的特点。
表3 2022年萨吾尔山冰川分布基本信息

Tab. 3 Basic information on the distribution of glaciers in Saur Mountains in 2022

范围 冰川名称 经度/°E 纬度/°N 面积/km2 最低海拔/m 最高海拔/m 海拔跨度/m 平均海拔/m 中值海拔/m
中国境内 1A1 85.66 47.06 0.11 3271 3647 376 3420.90 3425
1B1a1 85.63 47.06 1.09 3218 3783 565 3567.41 3546
1B1a2 85.62 47.06 0.28 3248 3779 531 3635.20 3697
1B1a3 85.62 47.06 0.06 3685 3766 81 3739.27 3745
1B1b1 85.65 47.06 0.27 3290 3728 438 3487.64 3490
1B1b2 85.64 47.06 0.04 3576 3724 148 3665.03 3671
1B3 85.61 47.06 0.10 3275 3756 481 3516.53 3520
2A 85.59 47.07 0.92 3128 3693 565 3506.20 3522
2B1 85.58 47.05 0.59 3224 3780 556 3497.95 3483
2B2a 85.56 47.06 2.95 3166 3827 661 3531.01 3544
2B2b 85.55 47.06 0.08 3568 3758 190 3705.46 3718
2C 85.55 47.07 0.35 3182 3700 518 3491.95 3494
哈萨克斯
坦境内		 3A1 85.54 47.06 0.98 3174 3712 538 3418.67 3418
3A2 85.52 47.06 1.20 3051 3714 663 3506.64 3529
3A3 85.51 47.06 0.32 3210 3646 436 3515.26 3557
3A4 85.51 47.06 0.16 3421 3693 272 3613.99 3638
3B 85.50 47.06 0.01 3426 3616 190 3521.53 3512
4A 85.49 47.06 0.08 3178 3447 269 3271.90 3266
4B1a 85.47 47.06 0.11 3275 3459 184 3364.50 3367
4B1b 85.47 47.06 0.03 3536 3639 103 3591.43 3594
4B2 85.48 47.06 0.04 3518 3657 139 3602.27 3610
5 85.46 47.07 0.36 3206 3722 516 3568.88 3632
6A 85.43 47.06 0.07 3251 3592 341 3399.24 3390
6B 85.42 47.07 0.11 3347 3691 344 3562.03 3587
6E 85.42 47.06 0.02 3464 3590 126 3544.19 3556
8 85.41 47.06 0.22 3252 3634 382 3449.19 3440
9A 85.40 47.05 0.09 3273 3434 161 3349.45 3352
9B 85.39 47.05 0.30 3211 3454 243 3290.22 3287
10 85.36 47.06 0.34 3163 3423 260 3289.50 3295
11B 85.34 47.06 0.16 3329 3590 261 3494.12 3518
12 85.32 47.05 0.03 3228 3431 203 3316.89 3310
概况来说，萨吾尔山冰川分布存在以下3个显著特征：
（1） 冰川面积小。萨吾尔山90%的冰川其面积不足1 km2，累积面积占比54.55%。面积≥2 km2的冰川仅有1条，即：吉木乃县境内最大的木斯岛冰川，冰川面积2.95 km2。面积≥1 km2（不包括2 km2）的冰川有2条，总面积2.29 km2。而面积<1 km2的冰川高达28条，总面积达6.23 km2，平均面积仅0.22 km2。
（2） 海拔分布低。萨吾尔山现存冰川分布海拔介于3051~3827 m，平均海拔3439.50 m，其中77.72%的冰川面积分布在海拔3300~3700 m，相比之下，其南面的天山82.3%的冰川面积集中在海拔3800~4800 m，北面的阿尔泰山65.76%的冰川面积集中在海拔2800~3000 m，而全国范围来看，约4/5以上的冰川面积发育在海拔4500~6500 m[6]。萨吾尔山冰川海拔分布仅高于阿尔泰山，是全国第二低的冰川分布山系。
（3） 地理分布相对集中。萨吾尔山不仅冰川面积类别集中（90%的冰川其面积不足1 km2）、海拔分布集中（接近80%的冰川面积介于3300~3700 m），同时冰川的流域分布也集中，如中国境内冰川集中在拉斯特河流域和乌勒昆乌拉斯特河流域，其中拉斯特河流域分布有8条冰川计2.87 km2（41.96%），乌勒昆乌拉斯特河流域分布有4条冰川计3.97 km2（58.04%）。

3.2 冰川变化及特征

受限于光学影像成像期相应高精度DEM的缺乏，本文研究中重点开展萨吾尔山地区冰川条数、面积及长度变化的研究。需要说明的是因1959年萨吾尔山地区航摄地形图仅包括中国境内的冰川，故1959年萨吾尔山冰川变化只对中国境内的冰川进行描述。

3.2.1 冰川条数演化

1959年地形图显示木斯岛冰川附近的冰川主要由3个基本相连的冰川群组成，2个在中国境内，1个在哈萨克斯坦境内，之后分裂演化成不同的冰川。1984—2022年萨吾尔山冰川变化的显著特点是大冰川分离为小冰川，造成冰川条数的增加和单条冰川面积减小及消失（图2~3）。
1984年萨吾尔山共有冰川12条，其中中国境内2条，哈萨克斯坦境内10条。到1989年，有4条冰川发生分离，分别是1号冰川东侧分解为2条（1A、1B），2号冰川北边分解为3条（2A、2B、2C），4号冰川东侧分解为2条（4A、4B），6号冰川整体分解为5条（6A、6B、6C、6D、6E）。此时冰川总条数为20条，其中中国境内5条，哈萨克斯坦境内15条。1989—1998年，有3条冰川在此时段内分离，1A冰川西南方向分解为5条（1A1、1A2、1A3、1A4、1A5），1B冰川南边与西边分解为5条（1B1、1B2、1B3、1B4、1B5），4B冰川东侧分解为2条（4B1、4B2），在此时段内，编号为6C与6D的2条冰川消失。此时冰川总条数为27条，其中中国境内13条，哈萨克斯坦境内14条。1998—2006年，有3条冰川发生分离，分别为2B冰川东南侧分解为2条（2B1、2B2），9号冰川东西两侧分解为2条（9A、9B），11号冰川东北侧分解为2条（11A、11B），此时段内消失的冰川有8条之多，分别为1A2、1A3、1A4、1A5、1B2、1B4、1B5以及7号冰川。此时冰川总数减少为22条，中国境内7条，哈萨克斯坦境内15条。2006—2016年，1B1号冰川与3号冰川东西分离，成为各自独立的2条冰川，分别为1B1a与1B1b以及3A和3B，形成目前的条数，即冰川总数为24条，其中中国境内8条，哈萨克斯坦境内16条。2016—2022年，1B1a冰川受退缩和参考最新数字高程模型的山脊线细化分裂为1B1a1、1B1a2和1B1a3三条冰川，1B1b持续退缩成1B1b1和1B1b2两条冰川，2B2冰川进一步细分为2B2a和2B2b冰川，3A冰川进一步细分为3A1、3A2、3A3和3A4冰川，4B1冰川退缩分裂为4B1a和4B1b冰川，11A冰川在过去6 a间退缩消亡，保留11B冰川，至此基本形成2022年的冰川条数即冰川总数为31条，其中中国境内12条，哈萨克斯坦境内19条。
总的来看，1984年萨吾尔山总共有冰川12条，在1984—1989年，由于冰川分离，增加了8条，变为20条；1989—1998年冰川数量继续增加至27条；1989—2006年，虽然也有个别冰川分离，但消失的冰川数量远比增加的多，使得冰川数量减少了5条，为22条；2006—2016年冰川又增加了2条。2016—2022年冰川持续退缩，同时期参考最新数字高程模型的山脊线细化和已有冰川编目成果，进一步划分萨吾尔山冰川为31条，2022年冰川数量约是1984年的2.6倍（表4），主要是由冰川分离造成的结果，但冰川面积一直在持续减小。
表4 萨吾尔山冰川条数演变

Tab. 4 Evolution of glacier number in Saur Mountains

年份 冰川数量/条 冰川数量/条
中国境内 哈萨克斯坦境内
1984 12 2 10
1989 20 5 15
1998 27 13 14
2006 22 7 15
2016 24 8 16
2022 31 12 19

3.2.2 冰川面积变化

过去30多年萨吾尔山地区不同时期冰川分布现状如图2~3及表5数据所示，1989—1998年，萨吾尔山地区冰川面积由19.58 km2变为16.779 km2，面积退缩2.801 km2，退缩率为14.30%，平均每年退缩0.31 km2，年均退缩率为1.59%·a-1；1998—2006年，萨吾尔山地区冰川面积由1998年的16.779 km2变为2006年的14.59 km2，在8 a间共退缩2.189 km2，退缩率为13.05%，平均每年退缩0.27 km2，年均退缩率为1.63%·a-1；2006—2016年，萨吾尔山冰川面积由2006年的14.59 km2变为2016年的12.89 km2，在10 a间共退缩1.70 km2，退缩率为11.65 %，平均每年退缩0.17 km2，年均退缩率为1.17%·a-1；2016—2022年，萨吾尔山冰川面积由2016年的12.89 km2变为2022年的11.47 km2，6 a间共退缩1.42 km2，退缩率为11.02%，年退缩速率为1.84%·a-1。以下对中国和哈萨克斯坦境内冰川面积变化分时段进行说明：
表5 萨吾尔山冰川面积变化

Tab. 5 Changes of glacier area in Saur Mountains

年份 冰川面积/km2 冰川面积/km2
中国境内 哈萨克斯坦境内
1989 19.58 10.35 9.23
1998 16.779 8.955 7.824
2006 14.59 8.13 6.46
2016 12.89 7.22 5.67
2022 11.47 6.84 4.63
（1） 中国境内冰川：1959年木斯岛冰川附近的冰川主要由3个基本相连的冰川群组成，其中2个在中国境内，面积为15.88 km2。1959—1984年，中国境内萨吾尔山的冰川由一整条冰川变为1、2两条冰川，在5 a后的1989年继续分裂至5条冰川，其面积由1959年的15.88 km2变为1989年的10.35 km2，共退缩5.53 km2，退缩率为34.8%，平均每年退缩0.18 km2，年均退缩率为1.16%·a-1，其中1号冰川分解为1A和1B两条冰川，面积分别为0.90 km2和3.18 km2，2号冰川分解为2A、2B、2C三条冰川，面积为1.12 km2、4.65 km2、0.50 km2。1989—1998年，冰川面积由10.35 km2变为8.955 km2，面积退缩1.395 km2，退缩率为13.5%，平均每年退缩0.155 km2，年均退缩率为1.5%·a-1。其中2A冰川减小了0.03 km2，2B冰川减小了0.35 km2，2C冰川减小了0.05 km2，而1A冰川在分裂过程中减小了0.51 km2，1B冰川在分裂过程中减小了0.455 km2。1998—2006年，冰川面积由8.955 km2变为8.13 km2，面积退缩0.825 km2，退缩率为9.2%，平均每年退缩0.103 km2，年均退缩率为1.15%·a-1。1A1、1B1、1B3、2A、2C分别减小了0.02 km2、0.31 km2、0.01 km2、0.04 km2、0.05 km2。而1A2、1A3、1A4、1A5、1B4、1B5冰川消失，面积减小了0.105 km2，2B冰川在分裂过程中减小了0.29 km2。2006—2016年，冰川面积由8.13 km2变为7.22 km2，面积退缩0.91 km2，退缩率为11.2%，平均每年退缩0.091 km2，年均退缩率为1.12%·a-1。1A1、1B3、2A、2B1、2B2、2C分别减小了0.13 km2、0.07 km2、0.17 km2、0.08 km2、0.21 km2、0.03 km2，1B1冰川在分裂过程中减小了0.22 km2。2016—2022年，冰川面积由7.22 km2变为6.84 km2，面积退缩0.38 km2，退缩率为5.3%，平均每年退缩0.063 km2，年均退缩率为0.09%·a-1。1A1、2C面积分别退缩0.08 km2、0.02 km2，1B1a冰川分裂为1B1a1、1B1a2和1B1a3三条冰川，面积减小了0.12 km2，1B1b持续退缩成1B1b1和1B1b2两条，面积减小了0.15 km2。
（2） 哈萨克斯坦境内冰川：1989—1998年，哈萨克斯坦境内萨吾尔山的冰川面积由9.23 km2变为7.824 km2，面积退缩1.406 km2，退缩率为15.23%，平均每年退缩0.156 km2，年均退缩率为1.69%·a-1。3号、4A、5号、6A、6B、6E、7号、8号、9号、10号、11号、12号冰川分别减小了0.30 km2、0.16 km2、0.09 km2、0.08 km2、0.03 km2、0.04 km2、0.006 km2、0.05 km2、0.16 km2、0.19 km2、0.08 km2、0.05 km2，4B冰川在分裂过程中减小了0.11 km2，6C和6D冰川消失，面积减小0.06 km2。1998—2006年冰川面积由7.824 km2变为6.46 km2，面积退缩1.364 km2，退缩率为17.43%，平均每年退缩0.17 km2，年均退缩率为2.18%·a-1。3号、4A、4B1、4B2、5号、6A、6B、6E、8号、10号、12号分别减小了0.28 km2、0.27 km2、0.01 km2、0.03 km2、0.06 km2、0.13 km2、0.04 km2、0.01 km2、0.04 km2、0.22 km2、0.03 km2，9号冰川和11号冰川在分裂过程中面积分别减小了0.17 km2和0.07 km2，7号冰川消失，面积减小0.004 km2。2006—2016年冰川面积由6.46 km2变为5.67 km2，面积退缩0.79 km2，退缩率为12.22%，平均每年退缩0.079 km2，年均退缩率为1.22%·a-1。4A、4B1、4B2、5号、6B、6E、8号、10号、11B、12号冰川面积分别减小了0.07 km2、0.20 km2、0.01 km2、0.10 km2、0.02 km2、0.01 km2、0.04 km2、0.19 km2、0.02 km2、0.10 km2，而3号冰川在分裂过程中减小了0.03 km2。2016—2022年冰川面积由5.67 km2变为4.63 km2，面积退缩1.04 km2，退缩率为18.34%，平均每年退缩0.17 km2，年均退缩率为3.05%·a-1。其中3A冰川分裂及参考山脊线细分过程（分裂为3A1）面积退缩0.42 km2，其次为10号冰川面积减少0.20 km2，11A冰川消亡和11B冰川的退缩带来0.13 km2的面积损失，可解释过去6 a间72%的冰川面积退缩。

3.2.3 冰川末端退缩

本研究以1989年萨吾尔山分布的20条冰川（图3b）为基础，通过冰川长度的变化来反映冰川末端进退，考虑到20条冰川后续发生分裂（表4），在此通过衡量不同时期同一冰川主体部分（面积占优）的长度变化来反映该冰川过去30 a间的末端退缩情况。1989—2022年萨吾尔山冰川长度从25.24 km减少到17.78 km，冰川长度退缩7.46 km，退缩率达29.60%（表6），20条冰川平均退缩373 m，相当于过去33 a间萨吾尔山地区冰川年均退缩11.30 m。以下对中国和哈萨克斯坦境内冰川末端变化分时段进行说明：
表6 萨吾尔山冰川长度变化

Tab. 6 Changes of glacier length in Saur Mountains

年份 冰川长度/km 冰川长度/km
中国境内 哈萨克斯坦境内
1989 25.24 10.54 14.70
1998 23.14 9.86 13.28
2006 20.93 9.55 11.38
2016 19.31 8.87 10.44
2022 17.78 8.26 9.52
（1） 中国境内冰川：1989年萨吾尔山地区中国一侧分布有5条冰川，分别为1A、1B、2A、2B、2C。1989—1998年，中国境内萨吾尔山地区总的冰川长度由10.54 km变为9.86 km，退缩0.68 km，退缩率为6.45%，单条冰川主体平均退缩0.14 km；1998—2006年，冰川长度由9.86 km退缩至9.55 km，退缩0.31 km，退缩率为3.14%，单条冰川主体平均退缩0.06 km；2006—2016年，冰川长度进一步退缩至8.87 km，退缩0.68 km，退缩率为7.12%，单条冰川主体平均退缩0.68 km；至2022年冰川长度缩减为8.26 km，相比2016年冰川退缩0.61 km，退缩率为6.88%，单条冰川平均退缩0.12 km。
（2） 哈萨克斯坦境内冰川：1989年哈萨克斯坦境内萨吾尔山地区分布有剩余15条冰川，分别为3、4A、4B、5、6A、6B、6C、6D、6E、7、8、9、10、11和12。1989—1998年，哈萨克斯坦境内的萨吾尔山冰川长度由14.70 km退缩为13.28 km，退缩1.42 km，退缩率为9.66%，单条冰川平均退缩0.095 km；2006年冰川长度减少到11.38 km，相比1998年，冰川末端退缩1.90 km，退缩率为14.31%，单条冰川平均退缩0.13 km；2016年冰川长度进一步退缩为10.44 km，对比2006年退缩0.94 km，退缩率为8.26%，单条冰川主体平均退缩0.63 km；至2022年冰川长度缩减到9.52 km，相比2016年冰川退缩0.92 km，退缩率为8.81%，单条冰川平均退缩0.06 km。

4 讨论

4.1 遥感与地面观测结果比较

2013年以来中科院阿尔泰山冰冻圈科学与可持续发展综合观测研究站对萨吾尔山最大的木斯岛冰川（编号2B2a，2022年面积2.95 km2）开展了持续观测，2017年起该冰川观测数据进入中国气候变化蓝皮书序列[20]，成为我国最北的定位监测冰川，地面观测数据显示，2017—2022年木斯岛冰川持续退缩，年退缩距离分别为9.5 m、10.9 m、7.6 m、9.9 m、9.4 m和14.8 m，累计退缩达62.1 m。为方便与本研究中遥感观测结果比较，取2017—2022年均值作为2016年度的冰川末端退缩量，由此2016—2022年度累计退缩72.45 m，同一时段基于遥感提取的冰川长度缩减100 m（表7），两者比较相差在30 m以内（Landsat影像一个像元边长），由此验证了基于野外考察的遥感解译可靠性，反映了冰川快速退缩的趋势。另外，从2016—2022年木斯岛冰川物质平衡观测结果来看[20]，7 a间冰川物质平衡年际变化较大，分别为-975 mm w.e.、-1192 mm w.e.、-870 mm w.e.、-310 mm w.e.、-666 mm w.e.、-374 mm w.e.和-1146 mm w.e.，平均为-790 mm w.e.，其中2022年是7 a观测记录中最高的冰川物质亏损年份，而根据木斯岛最新观测的初步评估，2023年整条冰川物质平衡约在1100 mm w.e.，不难看出近期萨吾尔山冰川消融在显著加速。
表7 1989—2022年萨吾尔山冰川面积及长度分布

Tab. 7 Distribution of glacier area and length in Saur Mountains from 1989 to 2022

范围 冰川编号 1989年 1998年 2006年 2016年 2022年
面积/km2 长度/km 面积/km2 长度/km 面积/km2 长度/km 面积/km2 长度/km 面积/km2 长度/km
国内 1 1A 1A1 0.90 1.18 0.34 0.90 0.32 0.85 0.19 0.78 0.11 0.56
1A2 0.01 0.06
1A3 0.01 0.08
1A4 0.02 0.26
1A5 0.01 0.13
1B 1B1 1B1a 1B1a1 3.18 2.39 2.54 2.23 2.23 2.15 1.55 1.90 1.09 1.70
1B1a2 0.28 0.80
1B1a3 0.06 0.30
1B1b 1B1b1 0.46 0.98 0.27 0.80
1B1b2 0.04 0.26
1B2 0.05 0.57
1B3 0.13 0.79 0.12 0.60 0.05 0.43 0.10 0.51
1B4 0.002 0.05
1B5 0.003 0.07
2 2A 1.12 2.09 1.09 2.07 1.05 2.04 0.88 1.77 0.92 1.80
2B 2B1 4.65 3.62 4.30 3.43 0.67 1.60 0.59 1.38 0.59 1.40
2B2 2B2a 3.34 3.32 3.13 3.20 2.95 3.10
2B2b 0.08 0.45
2C 0.50 1.26 0.45 1.23 0.40 1.22 0.37 1.22 0.35 1.10
国外 3 3A 3A1 3.72 2.62 3.42 2.58 3.14 2.39 3.08 2.32 0.98 1.95
3A2 1.20 2.10
3A3 0.32 1.30
3A4 0.16 0.70
3B 0.03 0.28 0.01 0.20
4 4A 0.54 0.88 0.38 0.87 0.11 0.55 0.04 0.41 0.08 0.50
4B 4B1 4B1a 0.54 1.01 0.31 0.92 0.30 0.85 0.1 0.69 0.11 0.67
4B1b 0.03 0.26
4B2 0.12 0.43 0.09 0.34 0.08 0.29 0.04 0.27
5 0.68 1.44 0.59 1.35 0.53 1.18 0.43 1.17 0.36 1.01
6 6A 0.26 0.98 0.18 0.71 0.05 0.34 0.05 0.33 0.07 0.38
6B 0.23 0.72 0.20 0.70 0.16 0.53 0.14 0.47 0.11 0.44
6C 0.03 0.16
6D 0.03 0.27
6E 0.08 0.42 0.04 0.27 0.03 0.14 0.02 0.12 0.02 0.12
7 0.01 0.11 0.004 0.06
8 0.38 1.23 0.33 1.16 0.29 1.09 0.25 1.05 0.22 1.02
9 9A 0.91 1.38 0.75 1.29 0.14 0.63 0.14 0.62 0.09 0.50
9B 0.44 1.22 0.44 1.20 0.30 0.98
10 1.14 1.72 0.95 1.71 0.73 1.58 0.54 1.51 0.34 1.20
11 11A 0.46 1.11 0.38 1.08 0.04 0.42 0.04 0.39
11B 0.27 0.94 0.25 0.85 0.16 0.80
12 0.22 0.65 0.17 0.58 0.14 0.57 0.04 0.32 0.03 0.30

4.2 驱动因素分析

基于天山乌鲁木齐河源1号冰川60 a的观测研究，中科院天山冰川站比较系统地总结了引起冰川物质加速损失的四大主要原因[21]，即冰川正积温增大、冰体温度升高减少冰川冷储、冰川反照率降低和冰川破碎，而这在萨吾尔山冰川中均有体现。
目前整个萨吾尔山区长时间尺度的冰川气象观测匮乏，但分析附近山麓地带的气象站点仍能清晰反映出区域气温升高的趋势[11]，1961—2021年吉木乃和和布克赛尔2个气象站年平均气温为4.17 ℃和18.86 ℃，两站年均气温增幅约为0.4 ℃·(10a)-1（R2=0.45），夏季气温增幅约为0.33 ℃·(10a)-1（R2=0.35）。进一步，Wang等[22]分析了2000年以来中国一侧萨吾尔山至阿尔泰山7个可用的长时间气象站点序列，尽管不同站点存在差异，但变暖趋势明显，2000—2021年7个站点年均气温为4.7 ℃，增幅为0.39 ℃·(10a)-1。气温升高特别是消融季温度的上升，引起的正积温增大不仅将直接作用于冰川消融，多数情况下还会引起降水的雪雨比例降低，从而进一步加速冰川消融[23]。另外，根据物质/能量平衡原理，消融期用来将冰面加热到0 ℃的能量越少，则用于冰川消融的能量就越多，因而长时期的气温升高势必降低冰川冷储，在此情况下同样幅度的气温升高，将引起更多的物质亏损。
从能量收支项来看，太阳短波辐射是造成冰川物质亏损的主要原因，因此冰川表面的反照率很大程度上决定了用于冰川消融的能量，目前针对冰川反照率的研究多集中在遥感产品及其算法反演方面[24-25]，实地观测较少，为此中科院阿尔泰山站近些年在木斯岛冰川的冰面气象站上加设四分量辐射传感器并配合便携式地物光谱仪的移动观测率定遥感观测[26]，发现2000—2021年木斯岛冰川表面反照率降低4.2%，年最小反照率减幅达-0.3%·a-1，冰川整体反照率在减小，由此造成冰川表面消融强度增加。
冰川的破碎化是由冰川强烈消融引起，在海洋性冰川上极为显著。近年来随着气温不断升高，在大陆性冰川上也出现破碎化趋势，显著特征之一是冰川表面冰面河数量增多且下切深度扩大[27]，这在2022年消融期的木斯岛冰川上也有所体现（图4），冰川表面的冰面河强烈扩张，宽度、长度和深度增加明显，不仅使冰面融水更容易进入冰川内部，将更多热量带入冰内，加剧冰川消融，也导致冰川表面的有效消融面积增大，消融量增加。
图4 木斯岛冰川强烈消融引起冰面河扩大

Fig. 4 Expansion of supra-glacial drainage caused by intense melting in Muz Taw Glacier

4.3 与中国西部其他山系冰川变化的比较

全球气候变暖背景下，中国西部冰川普通消融退缩，对比第一、第二次中国冰川编目，发现过去50 a间中国冰川整体面积退缩率约18%[28]。为比较萨吾尔山同其他山系冰川变化的幅度差异，本研究筛选了中国西部14座山脉已发表的冰川变化研究成果，选取原则包括：（1） 尽可能覆盖整个山系的全部冰川面积变化；（2） 研究时段尽可能统一，因多数研究集中在第一、第二次中国冰川编目时期，因而以临近该时段前后的研究为主。考虑到山脉的跨国别分布，在此仅比较各山系在我国境内部分的冰川变化情况，选取结果如表8所示，可以发现，相较于其他13座高大山系，萨吾尔山冰川变化面积的绝对量值最小，但相对变化率最大。1959—2006年冰川面积退缩达48.80%，比变化幅度最小的羌塘高原（-4.35%）高出10倍以上，从年平均面积变化率来看，西部14座山脉中仅横断山和萨吾尔山变化率高出1%，退缩速率最快。多数研究发现[18,21]，小冰川应对气候变化的适应性更差，即在气候变暖背景下的退缩更为明显，这在很大程度上解释了萨吾尔山冰川退缩幅度远大于其他山脉的基本原因。基于冰川消融的内在机理和未来变化的主控因素，李忠勤[21]研究表明到本世纪末我国大多数面积≤2 km2的冰川将会消融殆尽，而就2022年现状来看，整个萨吾尔山31条冰川中仅木斯岛冰川面积≥2 km2，其余30条冰川中有28条面积<1 km2，由此预见未来萨吾尔山冰川基本消融殆尽，这对于本就干旱贫水的吉木乃县无疑是雪上加霜，未来水资源缺口进一步加剧，亟需提早统筹谋划以应对未来面对的水安全危机。
表8 中国西部14座山系冰川变化比较

Tab. 8 Comparison of glacier changes in 14 mountains in western China

山脉 年份 面积变化/km2 年平均面积变化/km2∙a-1 面积变化率/% 年平均面积变化率/%∙a-1 资料来源
阿尔泰山 1960—2009 -104.61 -2.13 -36.91 -0.75 姚晓军等[29]
萨吾尔山 1959—2006 -7.75 -0.16 -48.80 -1.04 本研究
天山 1959—2009 -1619.82 -32.40 -18.41 -0.37 邢武成等[30]
喀喇昆仑山 1978—2015 -237.55 -6.42 -7.77 -0.21 许艾文[31]
帕米尔高原 1963—2009 -248.70 -5.41 -10.80 -0.24 Zhang等[32]
昆仑山 1970—2010 -95.06 -2.38 -13.60 -0.34 Bao等[33]
阿尔金山 1973—2015 -58.78 -1.40 -16.80 -0.40 胡凡盛等[34]
祁连山 1956—2010 -420.81 -7.79 -20.88 -0.39 Sun等[35]
唐古拉山 1969—2015 -524.80 -11.41 -24.00 -0.52 Duan等[36]
羌塘高原 1970—2000 - 90.12 -3.00 -4.35 -0.15 王利平等[37]
冈底斯山 1970—2016 -854.05 -18.57 -39.53 -0.86 Liu等[38]
喜马拉雅山 1990—2015 -2553.10 -102.12 -10.99 -0.44 冀琴等[39]
念青唐古拉山 1980—2016 -1000.61 -27.79 -10.80 -0.30 邸宝刚[40]
横断山 1973—2013 -278.57 -7.53 -41.81 -1.13 李霞[41]

5 结论

（1） 目前萨吾尔山共分布冰川31条，总面积11.47 km2，其中中国境内12条，冰川面积6.84 km2，哈萨克斯坦境内19条，面积4.63 km2。中科院阿尔泰山站观测的吉木乃县木斯岛冰川（2.95 km2）为萨吾尔山最大规模冰川，其余90%的冰川其面积不足1 km2。萨吾尔山冰川纬度分布仅次于阿尔泰山，冰川海拔分布下限也仅高于阿尔泰山，是我国典型的高纬度、低海拔冰川分布山系。
（2） 基于地面验证的遥感观测表明，过去30多年来，萨吾尔山冰川变化的总体趋势是冰川分裂、面积缩小和末端后退持续增加。其中冰川数量从12条分裂成31条，冰川面积从1989年的19.58 km2退缩到2022年的11.47 km2，33 a间冰川面积减少8.11 km2，退缩率达41.42%。面积减少的同时，冰川末端持续退缩，1989—2022年萨吾尔山冰川长度从25.24 km减少到17.78 km，冰川长度退缩7.46 km，退缩率达29.60%，单条冰川年均退缩11.30 m。气温升高、冰川反照率降低和冰川破碎程度加大是引起萨吾尔山冰川退缩的主要原因。
（3）相较于我国其他13座高大山系，萨吾尔山在过去半个多世纪中冰川面积减少的绝对量值最小，但相对退缩幅度最大。在当前气候变暖益发加剧之际，未来萨吾尔山冰川极大可能会基本消融殆尽，冰川水资源的消亡对于本就干旱贫水的吉木乃县可持续发展将产生重要影响，需提早统筹谋划以应对未来的水资源危机。

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