基于多源遥感数据的易贡藏布流域冰川变化与物质平衡研究

1、基于多源遥感数据的易贡藏布流域冰川变化与物质平衡研究冰川是极地或高山地区地表上多年存在并具有沿地面运动状态的天然冰体,冰川变化与全球气候、生态环境及人类社会发展息息相关。在全球变暖的背景下,冰川作为气候变化的敏感因子,在研究气候变化、理解气候与冰川变化的相互作 用机制方面扮演着重要角色。多源遥感数据的应用为大范围、长时间的冰川变化监测提供了有效手段,尤其使研究自然条件恶劣的冰川区成为可能。地处青藏高原、夏季平均温度升高最为明显的易贡藏布流域是我国境内典型的山地冰川分布区之一,冰川退缩引发的 气候波动、生态失衡问题在该流域尤为突出。然而,由于多方面因素、条件制约,该流域一直是冰川编目的数据缺失区

2、,也是冰川退缩研究的空白区,研究这一区域冰川形态演变与物质平衡对于认识我国藏东南地区海洋型冰川的变化现状、驱动机制以及未来趋势具有重要的科学意义。冰川运动、表面消融将高海拔的物质积累向低海拔生态圈输送,构成了冰川与流域气候、生态、水文间物质循环,冰川表面形态变化(面积与高程变化)和底部物质交换(冰川流动等)又是影响冰川物质平衡的重要因素,而冰川、径流、大气则 是局部气候系统内部相互作用最主要的三个因素。本文聚焦易贡藏布流域冰川变化及物质平衡,利用多源遥感数据系统完成了2003-2015 年的冰川面积、表面流速及高程监测。在此基础上,结合气温、降水量等数据,分析了冰川变化对气候的响应,探讨了冰川

3、物质输送与冰川几何形态 的关系,并预测了冰川未来的变化趋势。主要研究结果如下:(1)提取了易贡藏布流域冰川的面积,对中国第二次冰川 编目进行了补充。采用 envisatasar、alospalsar、sentinel-1a 三种sar(synthetic aperture radar)数据源,利用冰川在 sar 干涉对上的失相干现象确定了 2003、2007、2010 和 2015 年的冰川区与非冰川区,结合 landsat 影像设置了冰川分布高程阈值,提取了冰川边界,精度 82%以上,取得了冰川面积的监测 结果。易贡藏布流域冰川呈现集中分布,平均海拔 5200m 以上。2003-2015 年

4、冰川覆盖率“小增大减”,即:由 23.5%上升至 27.9%后迅速缩减到 13.8%,退缩速率为 0.8%/a。在易贡藏布流域三个主要冰川聚集区(part1、part2、part3)内,part1 以山地冰帽、悬冰川、冰斗冰川为主,面积较小且独立分布,退缩消失最为明显;part 2内的冰川大多存在高程连续变化的冰舌,退缩主要发生在由粒雪盆到冰舌末端的物质输送部位;part3 内分布着大型复式山谷冰川,虽然退缩明显,但几何形态比较完整,冰川消融多发生在坡度较大的山体表面。(2)获取了易贡藏布流域冰川的 表面流速。基于特征追踪原理,估算了 sar 影像对对应年份的冰川表面流速,用积累区面积比例法(

5、aar,accumulationarea ratio)加权估算了冰川物质平衡线(ela,equilibrium line altitude)。结果显示:sentinel-1a 影像对的配准精度最高,alos palsar 次之,而 envisatasar 最差,但都满足计算精度要求。2003、2007、2010、2015 年夏季,冰川表面位移速率分别为 0-464.6m/a、0-515.4m/a、0-492m/a、0-447.5m/a。地表形态变化驱动冰川运动,而不同类型的冰川流速差异十分明显:由粒雪盆聚集成的冰斗冰川、悬冰川流速较低,山谷冰 川以及大型的复式山谷冰川运动迅速,有明显的流速峰值

6、。利用 dem 提取了流域山脊线,根据冰川类型分析了 19 条冰川的面积变化、表面流速以及 ela。其中,2003 年与 2010 年由于采用了相同的数据源,因而流速结果分布较为相似;2007 年冰川较为稳定,有明显的流速高值区和大量覆盖的低 流速区;2015 年冰川覆盖面积急剧下降,表面流速提升最为明显。part1 内 ela 约为 58600m,卡加冰川、g093563e30502n 冰川、亚力经冰川和塔弄冰川的流速为 8.9405m/a,平均流速集中分布在 206208m/a 之间;part2内 ela 约为 5730m,g093579e30315n 冰川、 g093642e30319n

7、 冰川、嘎洛共冰川、荣哇冰川和 g093951e30329n 冰川流速分别在 0.9428.5m/a 之间;part3 内ela 约为 5690m,党污色蒙冰川、绒浦冰川、吓列浦冰川、踏哑弄冰川、勒普冰川、炯拉冰川、夏曲冰川、g094591e30498n 冰川、怡青冰川、若果冰川流速分别在 0515.7m/a 之间,part3 是易贡藏布流域内最大的冰川聚集区,冰川表面流速分布存在显著的坡向差异。表面平均流速随着冰川面积的减小而增大,消融将冰川分割成为了更小的独立单元 ,内部受力平衡改变是造成流速重新分布的内因。(3)估算了易贡藏布流域冰川的表面高程变化。通过 icesat 和 cryosat

8、-2两种测高数据比测实验并经过参考椭球系统的转换,有效联合了 glas14 和 l2i 两种产品进行冰川表面高程变化监测。考虑到数据的空间分布和时间连续性,将高程变化监测分成 3 个不同监测单元(冰斗/悬冰川、山谷冰川、复式山谷冰川),严格剔除异常值之后,将 srtm dem作为参考平面计算了各个高程测量年份的高差值,分段(2003-2008 年为icesat/glas 14,2009-2015 年为 cryosat2/l2i)拟合了 2003-2015 年间易贡藏布流域冰川表面高程的变化趋势。冰斗/悬冰川在 2003-2015 年速率分别为-0.57m/a 和-0.72 m/a;山谷冰川在

9、2004-2015 年呈生长状态,速率分别为0.61m/a 和 0.1 1m/a;复式山谷冰川组成的冰川共同体在 2003-2015 年退缩显著,速率分别为-0.21m/a 和-2.22m/a;cryosat-2/l2i 测量三类冰川在 2010-2015 年 的高程波动比较剧烈,高程变化值也明显高于 icesat。除了大气折射、系统噪声、固体潮等冰川高程计算中的共同固有误差,地表坡度、粗糙度以及算法设计则是测高数据在局部流域冰川高程测量数据中主要的 误差来源。(4)气温上升对冰川退缩影响显著。通过对 ncep/ncar 夏季月平均气温数据分析发现整个青藏高原年际平均气温呈上升趋势,并且每年

10、6-9 月的冰川消融期平均气温也呈上升趋势,喜马拉雅山脉至横断山脉一线更为明显。gpcp 逐月平均降水量数据分析表明虽然青藏高原东南部年降水量呈现增加趋势,但在冰川积累期的 11 月至次年 2 月降水量却显 著减少。易贡藏布流域内面积最小的冰斗/悬冰川、以及分布面积最大的大型复式山谷冰川表面高程与温度成负相关关系,与降水反而关系不大。山谷冰川的表面高 程与积累期降水成正相关关系。易贡藏布流域内上述三类冰川表现出不同的退缩模式:小型冰川(冰斗/悬冰川)退缩表现为物质平衡线抬升和冰川表面高程降低;中型冰川(山谷冰川)主要表现为冰舌变化,冰舌断裂会改变冰川形态,导致山谷冰川向小型冰川演变,而冰舌退缩同时改变物质输送速率。山谷冰川表面高程受上游积累区冬季降水量影响较大;大型冰川(大型复式山谷冰川)则表现出中心积累区面积减小的特征,被分 割成更小的独立冰川是其主要的退缩模式。易贡藏布流域山地冰川区是中国冰川退缩最明显的区域之一。综上所述,温度升高是导致易贡藏布流域冰川变化最主要的原因,温度抬升使冰川表面形态改 变、表面高程持续降低以及表面流速加快。通过观察各年份不同的遥感影像对比发现:流域内面积较小、独立分布的冰斗冰川/悬冰川的退缩速度越来越快,未来会成为易贡藏布流域内最先消失的冰川类型。而山谷冰川受气温和降水共同作用,冰舌生长和退缩两种变化形式共存 是该类