基于多源遙感數(shù)據(jù)的易貢藏布流域冰川變化與物質(zhì)平衡研究

1、基于多源遙感數(shù)據(jù)的易貢藏布流域冰川變化與物質(zhì)平衡研究冰川是極地或高山地區(qū)地表上多年存在并具有沿地面運動狀態(tài)的天然冰體,冰川變化與全球氣候、生態(tài)環(huán)境及人類社會發(fā)展息息相關(guān)。在全球變暖的背景下,冰川作為氣候變化的敏感因子,在研究氣候變化、理解氣候與冰川變化的相互作 用機(jī)制方面扮演著重要角色。多源遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用為大范圍、長時間的冰川變化監(jiān)測提供了有效手段,尤其使研究自然條件惡劣的冰川區(qū)成為可能。地處青藏高原、夏季平均溫度升高最為明顯的易貢藏布流域是我國境內(nèi)典型的山地冰川分布區(qū)之一,冰川退縮引發(fā)的 氣候波動、生態(tài)失衡問題在該流域尤為突出。然而,由于多方面因素、條件制約,該流域一直是冰川編目的數(shù)據(jù)缺失區(qū)

2、,也是冰川退縮研究的空白區(qū),研究這一區(qū)域冰川形態(tài)演變與物質(zhì)平衡對于認(rèn)識我國藏東南地區(qū)海洋型冰川的變化現(xiàn)狀、驅(qū)動機(jī)制以及未來趨勢具有重要的科學(xué)意義。冰川運動、表面消融將高海拔的物質(zhì)積累向低海拔生態(tài)圈輸送,構(gòu)成了冰川與流域氣候、生態(tài)、水文間物質(zhì)循環(huán),冰川表面形態(tài)變化(面積與高程變化)和底部物質(zhì)交換(冰川流動等)又是影響冰川物質(zhì)平衡的重要因素,而冰川、徑流、大氣則 是局部氣候系統(tǒng)內(nèi)部相互作用最主要的三個因素。本文聚焦易貢藏布流域冰川變化及物質(zhì)平衡,利用多源遙感數(shù)據(jù)系統(tǒng)完成了2003-2015 年的冰川面積、表面流速及高程監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合氣溫、降水量等數(shù)據(jù),分析了冰川變化對氣候的響應(yīng),探討了冰川

3、物質(zhì)輸送與冰川幾何形態(tài) 的關(guān)系,并預(yù)測了冰川未來的變化趨勢。主要研究結(jié)果如下:(1)提取了易貢藏布流域冰川的面積,對中國第二次冰川 編目進(jìn)行了補充。采用 envisatasar、alospalsar、sentinel-1a 三種sar(synthetic aperture radar)數(shù)據(jù)源,利用冰川在 sar 干涉對上的失相干現(xiàn)象確定了 2003、2007、2010 和 2015 年的冰川區(qū)與非冰川區(qū),結(jié)合 landsat 影像設(shè)置了冰川分布高程閾值,提取了冰川邊界,精度 82%以上,取得了冰川面積的監(jiān)測 結(jié)果。易貢藏布流域冰川呈現(xiàn)集中分布,平均海拔 5200m 以上。2003-2015 年

4、冰川覆蓋率“小增大減”,即:由 23.5%上升至 27.9%后迅速縮減到 13.8%,退縮速率為 0.8%/a。在易貢藏布流域三個主要冰川聚集區(qū)(part1、part2、part3)內(nèi),part1 以山地冰帽、懸冰川、冰斗冰川為主,面積較小且獨立分布,退縮消失最為明顯;part 2內(nèi)的冰川大多存在高程連續(xù)變化的冰舌,退縮主要發(fā)生在由粒雪盆到冰舌末端的物質(zhì)輸送部位;part3 內(nèi)分布著大型復(fù)式山谷冰川,雖然退縮明顯,但幾何形態(tài)比較完整,冰川消融多發(fā)生在坡度較大的山體表面。(2)獲取了易貢藏布流域冰川的 表面流速?；谔卣髯粉櫾?估算了 sar 影像對對應(yīng)年份的冰川表面流速,用積累區(qū)面積比例法(

5、aar,accumulationarea ratio)加權(quán)估算了冰川物質(zhì)平衡線(ela,equilibrium line altitude)。結(jié)果顯示:sentinel-1a 影像對的配準(zhǔn)精度最高,alos palsar 次之,而 envisatasar 最差,但都滿足計算精度要求。2003、2007、2010、2015 年夏季,冰川表面位移速率分別為 0-464.6m/a、0-515.4m/a、0-492m/a、0-447.5m/a。地表形態(tài)變化驅(qū)動冰川運動,而不同類型的冰川流速差異十分明顯:由粒雪盆聚集成的冰斗冰川、懸冰川流速較低,山谷冰 川以及大型的復(fù)式山谷冰川運動迅速,有明顯的流速峰值

6、。利用 dem 提取了流域山脊線,根據(jù)冰川類型分析了 19 條冰川的面積變化、表面流速以及 ela。其中,2003 年與 2010 年由于采用了相同的數(shù)據(jù)源,因而流速結(jié)果分布較為相似;2007 年冰川較為穩(wěn)定,有明顯的流速高值區(qū)和大量覆蓋的低 流速區(qū);2015 年冰川覆蓋面積急劇下降,表面流速提升最為明顯。part1 內(nèi) ela 約為 58600m,卡加冰川、g093563e30502n 冰川、亞力經(jīng)冰川和塔弄冰川的流速為 8.9405m/a,平均流速集中分布在 206208m/a 之間;part2內(nèi) ela 約為 5730m,g093579e30315n 冰川、 g093642e30319n

7、 冰川、嘎洛共冰川、榮哇冰川和 g093951e30329n 冰川流速分別在 0.9428.5m/a 之間;part3 內(nèi)ela 約為 5690m,黨污色蒙冰川、絨浦冰川、嚇列浦冰川、踏啞弄冰川、勒普冰川、炯拉冰川、夏曲冰川、g094591e30498n 冰川、怡青冰川、若果冰川流速分別在 0515.7m/a 之間,part3 是易貢藏布流域內(nèi)最大的冰川聚集區(qū),冰川表面流速分布存在顯著的坡向差異。表面平均流速隨著冰川面積的減小而增大,消融將冰川分割成為了更小的獨立單元 ,內(nèi)部受力平衡改變是造成流速重新分布的內(nèi)因。(3)估算了易貢藏布流域冰川的表面高程變化。通過 icesat 和 cryosat

8、-2兩種測高數(shù)據(jù)比測實驗并經(jīng)過參考橢球系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換,有效聯(lián)合了 glas14 和 l2i 兩種產(chǎn)品進(jìn)行冰川表面高程變化監(jiān)測?？紤]到數(shù)據(jù)的空間分布和時間連續(xù)性,將高程變化監(jiān)測分成 3 個不同監(jiān)測單元(冰斗/懸冰川、山谷冰川、復(fù)式山谷冰川),嚴(yán)格剔除異常值之后,將 srtm dem作為參考平面計算了各個高程測量年份的高差值,分段(2003-2008 年為icesat/glas 14,2009-2015 年為 cryosat2/l2i)擬合了 2003-2015 年間易貢藏布流域冰川表面高程的變化趨勢。冰斗/懸冰川在 2003-2015 年速率分別為-0.57m/a 和-0.72 m/a;山谷冰川在

9、2004-2015 年呈生長狀態(tài),速率分別為0.61m/a 和 0.1 1m/a;復(fù)式山谷冰川組成的冰川共同體在 2003-2015 年退縮顯著,速率分別為-0.21m/a 和-2.22m/a;cryosat-2/l2i 測量三類冰川在 2010-2015 年 的高程波動比較劇烈,高程變化值也明顯高于 icesat。除了大氣折射、系統(tǒng)噪聲、固體潮等冰川高程計算中的共同固有誤差,地表坡度、粗糙度以及算法設(shè)計則是測高數(shù)據(jù)在局部流域冰川高程測量數(shù)據(jù)中主要的 誤差來源。(4)氣溫上升對冰川退縮影響顯著。通過對 ncep/ncar 夏季月平均氣溫數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)整個青藏高原年際平均氣溫呈上升趨勢,并且每年

10、6-9 月的冰川消融期平均氣溫也呈上升趨勢,喜馬拉雅山脈至橫斷山脈一線更為明顯。gpcp 逐月平均降水量數(shù)據(jù)分析表明雖然青藏高原東南部年降水量呈現(xiàn)增加趨勢,但在冰川積累期的 11 月至次年 2 月降水量卻顯 著減少。易貢藏布流域內(nèi)面積最小的冰斗/懸冰川、以及分布面積最大的大型復(fù)式山谷冰川表面高程與溫度成負(fù)相關(guān)關(guān)系,與降水反而關(guān)系不大。山谷冰川的表面高 程與積累期降水成正相關(guān)關(guān)系。易貢藏布流域內(nèi)上述三類冰川表現(xiàn)出不同的退縮模式:小型冰川(冰斗/懸冰川)退縮表現(xiàn)為物質(zhì)平衡線抬升和冰川表面高程降低;中型冰川(山谷冰川)主要表現(xiàn)為冰舌變化,冰舌斷裂會改變冰川形態(tài),導(dǎo)致山谷冰川向小型冰川演變,而冰舌退縮同時改變物質(zhì)輸送速率。山谷冰川表面高程受上游積累區(qū)冬季降水量影響較大;大型冰川(大型復(fù)式山谷冰川)則表現(xiàn)出中心積累區(qū)面積減小的特征,被分 割成更小的獨立冰川是其主要的退縮模式。易貢藏布流域山地冰川區(qū)是中國冰川退縮最明顯的區(qū)域之一。綜上所述,溫度升高是導(dǎo)致易貢藏布流域冰川變化最主要的原因,溫度抬升使冰川表面形態(tài)改 變、表面高程持續(xù)降低以及表面流速加快。通過觀察各年份不同的遙感影像對比發(fā)現(xiàn):流域內(nèi)面積較小、獨立分布的冰斗冰川/懸冰川的退縮速度越來越快,未來會成為易貢藏布流域內(nèi)最先消失的冰川類型。而山谷冰川受氣溫和降水共同作用,冰舌生長和退縮兩種變化形式共存 是該類