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近40 a昆仑山口37号冰川冰舌滑塌多源遥感监测与分析

王晓文 刘巧 张波 张瑞 刘国祥

王晓文, 刘巧, 张波, 张瑞, 刘国祥. 近40 a昆仑山口37号冰川冰舌滑塌多源遥感监测与分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1687-1696. doi: 10.13203/j.whugis20200214
引用本文: 王晓文, 刘巧, 张波, 张瑞, 刘国祥. 近40 a昆仑山口37号冰川冰舌滑塌多源遥感监测与分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1687-1696. doi: 10.13203/j.whugis20200214
WANG Xiaowen, LIU Qiao, ZHANG Bo, ZHANG Rui, LIU Guoxiang. Monitoring and Analyzing Collapse of KLSK-37 Glacier Tongue in Recent 40 Years with Multi-source Remote Sensing[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1687-1696. doi: 10.13203/j.whugis20200214
Citation: WANG Xiaowen, LIU Qiao, ZHANG Bo, ZHANG Rui, LIU Guoxiang. Monitoring and Analyzing Collapse of KLSK-37 Glacier Tongue in Recent 40 Years with Multi-source Remote Sensing[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1687-1696. doi: 10.13203/j.whugis20200214

近40 a昆仑山口37号冰川冰舌滑塌多源遥感监测与分析

doi: 10.13203/j.whugis20200214
基金项目: 

国家重点研发计划 2017YFB0502700

国家自然科学基金 41804009

国家自然科学基金 41771402

四川省科技计划 2020YJ0322

详细信息
    作者简介:

    王晓文,博士,副教授,主要从事InSAR地壳形变场监测与反演研究。insarwxw@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: P237

Monitoring and Analyzing Collapse of KLSK-37 Glacier Tongue in Recent 40 Years with Multi-source Remote Sensing

Funds: 

The National Key Research and Development Program of China 2017YFB0502700

the National Natural Science Foundation of China 41804009

the National Natural Science Foundation of China 41771402

Sichuan Science and Technology Program 2020YJ0322

More Information
    Author Bio:

    WANG Xiaowen, PhD, associate professor, specializes in crustal deformation measuring and modeling with InSAR. E-mail: insarwxw@swjtu.edu.cn

  • 摘要: 针对昆仑山口37号冰川(简称KLSK-37)冰舌前缘滑塌对青藏铁路和青藏公路的潜在威胁,基于Hexagon KH-9历史卫星影像、多源数字高程模型(digital elevation model, DEM)以及谷歌地球(Google Earth,GE)高分辨光学影像,首次揭示了该冰川近40 a来的末端边界和表面高程演化特征。结果显示,1979―2010年KLSK-37冰川冰舌前进速度为(5±1.8)m/a,但是近10 a来前进速度加快,2015―2018年前进速度达(30±4.2)m/a。DEM差分结果估计得到1979―2000年、2000―2011年和2011―2018年共3个时间段内冰舌前缘堆积体增加的体积分别为(2.87±1.78)×105、(5.03±1.22)×105、(2.74±1.25)×105 m3,近40 a增加的总堆积体积为(10.64±2.50)×105 m3。综合分析KLSK-37冰川作用区的地形和研究区气候资料,发现冰川末端的阶坎状地形和表碛区冰面湖的发育是其冰舌堆积体处于强烈活动状态的主要原因,而昆仑山口气候近数十年暖湿化加剧趋势可能是其冰舌区不断滑塌的长期驱动因素。
  • 图  1  KLSK-37冰川地理位置和现场照片

    Figure  1.  Geographical Location and Site Photos of the KLSK-37 Glacier

    图  2  KH-9光学影像及生成DEM过程中选取的地面控制点

    Figure  2.  KH-9 Optical Image and the Selected Ground Control Points for the Generation of DEM

    图  3  KLSK-37冰川1979―2018年末端边界变化及前进速度

    Figure  3.  Variations in Location of the KLSK-37 Glacier Terminus Between 1979―2018 and the Estimated Terminus Advancing Velocities

    图  4  本研究使用的4组DEM的晕眩图

    Figure  4.  Shaded Relief Maps of the 4 DEMs Used in This Study

    图  5  冰川中轴剖面线PP'处4组DEM的高程变化

    Figure  5.  Changes in Elevation Along the Central Profile PP' of the Glacier from 4 DEM

    图  6  不同时段冰面高程变化及非冰川区高程差异均方根分布

    Figure  6.  Glacier Surface Elevation Changes During Different Time Periods and Related Distributions of Uncertainties for Elevation Changes

    表  1  本研究使用的遥感数据集

    Table  1.   Remote Sensing Images Used in This Study

    获取时间 卫星影像来源 空间分辨率/m 影像类型 应用目的
    1979-04-18 KH-9 约7.6 光学(立体像对) 冰川表面高程
    2000-02 SRTM 30 SAR 冰川表面高程
    2011-07-08 TanDEM 12 SAR 冰川表面高程
    2018-01-12 ASTER 15 光学(立体像对) 冰川表面高程
    2005-10-11、2010-12-15
    2013-10-04、2015-07-09
    2018-05-23
    GE 约1 光学 冰川边界
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    表  2  KLSK-37冰川表面沿剖面线PP' 3个海拔区间不同时期平均坡度/(º)

    Table  2.   Mean Slope Angles of the Three Elevation Regions Along the Profile PP' on the Surface of KLSK-37 Glacier/(º)

    DEM A B C
    KH-9 33 21 25
    SRTM 35 17 25
    TanDEM 35 17 25
    ASTER 34 17 21
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-05
  • 刊出日期:  2020-11-19

近40 a昆仑山口37号冰川冰舌滑塌多源遥感监测与分析

doi: 10.13203/j.whugis20200214
    基金项目:

    国家重点研发计划 2017YFB0502700

    国家自然科学基金 41804009

    国家自然科学基金 41771402

    四川省科技计划 2020YJ0322

    作者简介:

    王晓文,博士,副教授,主要从事InSAR地壳形变场监测与反演研究。insarwxw@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: P237

摘要: 针对昆仑山口37号冰川(简称KLSK-37)冰舌前缘滑塌对青藏铁路和青藏公路的潜在威胁,基于Hexagon KH-9历史卫星影像、多源数字高程模型(digital elevation model, DEM)以及谷歌地球(Google Earth,GE)高分辨光学影像,首次揭示了该冰川近40 a来的末端边界和表面高程演化特征。结果显示,1979―2010年KLSK-37冰川冰舌前进速度为(5±1.8)m/a,但是近10 a来前进速度加快,2015―2018年前进速度达(30±4.2)m/a。DEM差分结果估计得到1979―2000年、2000―2011年和2011―2018年共3个时间段内冰舌前缘堆积体增加的体积分别为(2.87±1.78)×105、(5.03±1.22)×105、(2.74±1.25)×105 m3,近40 a增加的总堆积体积为(10.64±2.50)×105 m3。综合分析KLSK-37冰川作用区的地形和研究区气候资料,发现冰川末端的阶坎状地形和表碛区冰面湖的发育是其冰舌堆积体处于强烈活动状态的主要原因,而昆仑山口气候近数十年暖湿化加剧趋势可能是其冰舌区不断滑塌的长期驱动因素。

English Abstract

王晓文, 刘巧, 张波, 张瑞, 刘国祥. 近40 a昆仑山口37号冰川冰舌滑塌多源遥感监测与分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1687-1696. doi: 10.13203/j.whugis20200214
引用本文: 王晓文, 刘巧, 张波, 张瑞, 刘国祥. 近40 a昆仑山口37号冰川冰舌滑塌多源遥感监测与分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(11): 1687-1696. doi: 10.13203/j.whugis20200214
WANG Xiaowen, LIU Qiao, ZHANG Bo, ZHANG Rui, LIU Guoxiang. Monitoring and Analyzing Collapse of KLSK-37 Glacier Tongue in Recent 40 Years with Multi-source Remote Sensing[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1687-1696. doi: 10.13203/j.whugis20200214
Citation: WANG Xiaowen, LIU Qiao, ZHANG Bo, ZHANG Rui, LIU Guoxiang. Monitoring and Analyzing Collapse of KLSK-37 Glacier Tongue in Recent 40 Years with Multi-source Remote Sensing[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(11): 1687-1696. doi: 10.13203/j.whugis20200214
  • 在全球气候变暖的背景下,高山冰川相关地质灾害(如冰崩、冰川跃动和冰川泥石流、冰湖溃决洪水等)对山区工程设施和人类生命财产安全构成严重威胁[1]。青藏高原是全球变暖最强烈的地区,近50 a来每10 a升温高达0.3~0.4 ℃,其升温幅度是同期全球其他地区平均值的2倍[2]。进入21世纪以来,青藏高原冰川整体处于加速消融状态,表现出快速退缩和厚度减薄趋势,导致冰川的不稳定性和灾害风险加剧[3]。针对冰川的边界、厚度和运动速度等关键参数变化开展监测和分析,对揭示冰川酝灾环境和机理以及灾害防控等具有重要意义。

    昆仑山口位于东昆仑山脉的中段,青海省格尔木市区南160 km处,是青藏铁路和青藏公路上的一大关隘,亦称“昆仑山垭口”。在昆仑山口最高峰玉珠峰(海拔6 178 m)西侧,发育有数十条山谷冰川,冰川末端与青藏铁路距离均在5 km以内。位于昆仑山口以南约100 km的五道梁气象站观测资料显示,过去50 a来该区域气温升高约1.5 ºC[4]。文献[5]基于花杆和雪坑观测数据,发现昆仑山口煤矿冰川在20世纪90年代中期物质平衡由正转为负。笔者于2016年6月对昆仑山口冰川和冰缘地貌进行了现场考察,发现该地区37号冰川(中国第一次冰川编目号5Y533B0037,简称KLSK-37)的冰舌区呈现隆起状,堆积体表面发育有明显的裂隙并伴有冰崖出露,推测其近期发生过前进。通过比对不同时期卫星光学影像发现冰川上游积累区裂隙呈现扩张趋势,冰舌段发生明显前进。KLSK-37冰川末端位置距离青藏铁路仅约3 km,该冰川末端堆积体(主要为冰碛和冰的混合物)沿一定斜坡加速运动甚至滑塌,可能对青藏铁路和公路造成不利影响。

    卫星遥感是目前监测高山冰川动态变化的主要技术手段。通过对无云覆盖的光学遥感影像进行光谱特征解译,可以分析冰川表面裂隙、边界进退状态等[6];另外,利用光学影像立体像对、合成孔径雷达干涉测量(interferometry synthetic aperture radar,InSAR)等手段生成冰川作用区数字高程模型(digital elevation model,DEM),可以比较冰川不同时期的表面高程变化,进而估算冰川多年体积变化和物质平衡[7-8]。综合多源遥感观测手段,并发挥不同遥感技术各自的优势,是成功揭示冰川长时间尺度变化特征和演化规律的保障[9-11]

    为揭示KLSK-37冰川的时空演变特征和潜在致灾影响,本文搜集了多源遥感数据,定量分析了该冰川近40 a来末端位置和表面高程变化情况,并估计了冰舌前端堆积物的体积变化。本文研究成果可为KLSK-37冰川滑塌灾害监测提供第一手资料,同时为高山地区冰川变化监测和相关灾害防控提供可行的方法支撑。

    • 昆仑山口以西大滩谷地为分割,其北部为布尔汗布达山脊,南部为东昆仑山主脊山岭。东昆仑山的主峰为海拔6 178 m的玉珠峰,终年冰雪覆盖,形成东昆仑山主要的现代冰川(图 1(a))。气象资料显示该区域气候主要受高空西风带控制,气候寒冷干燥,年平均气温为―2.9 ºC,年冻结期为7个月[12];年均降水量约为400 mm,并且主要集中在夏季(5月―9月)[13],雪线海拔约为4 960 m。地质资料显示西大滩盆地南侧昆仑山主脊以及北坡的岩性以三叠纪变质砂岩和砂板岩为主,并且粒度直径较细(5~30 cm)[14]。昆仑山口KLSK-37冰川位于玉珠峰偏西约10 km处(94.145°E,37.678°N),长约2.06 km,面积约0.74 km2,宽度从粒雪盆区域往下游逐渐变窄,最宽处约500 m。笔者于2016年6月现场拍摄的照片显示,KLSK-37冰川积累区有多条横向分布的裂缝(图 1(b));冰舌区为冰碛物和冰形成的混杂堆积,并且表面发育有大量裂隙,裂隙处的冰川冰清晰可见(图 1(c))。

      图  1  KLSK-37冰川地理位置和现场照片

      Figure 1.  Geographical Location and Site Photos of the KLSK-37 Glacier

      本文搜集的多种遥感数据包括美国Hexagon间谍卫星于1979年拍摄的KH-9光学立体像对影像、美国Terra卫星于2018年获取的ASTER光学立体像对、2000年获取的30 m分辨率SRTM(shuttle radar topography mission)DEM、基于TerraSAR-X/TanDEM-X双站合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)干涉生成的12 m分辨率TanDEM,以及谷歌地球(Google Earth,GE)高分辨率光学卫星影像(表 1)。其中,KH-9和ASTER光学立体像对用于生成研究区DEM产品,并结合SRTM和TanDEM数据分析KLSK-37冰川不同时期的表面高程变化;高分辨率GE光学影像用于冰川边界和末端位置变化的解译和分析,并估算冰舌前端的前进速度。

      表 1  本研究使用的遥感数据集

      Table 1.  Remote Sensing Images Used in This Study

      获取时间 卫星影像来源 空间分辨率/m 影像类型 应用目的
      1979-04-18 KH-9 约7.6 光学(立体像对) 冰川表面高程
      2000-02 SRTM 30 SAR 冰川表面高程
      2011-07-08 TanDEM 12 SAR 冰川表面高程
      2018-01-12 ASTER 15 光学(立体像对) 冰川表面高程
      2005-10-11、2010-12-15
      2013-10-04、2015-07-09
      2018-05-23
      GE 约1 光学 冰川边界
    • KLSK-37冰川是一个小型的山谷冰川,准确描述其边界变化需要依赖高分辨率遥感影像进行解译。GE高分辨率光学影像已在冰川和滑坡等地貌解译和边界提取中得到广泛应用[15-16]。本文基于GE中覆盖KLSK-37冰川的5景高分辨率影像(见表 1),通过目视解译确定了每张影像中冰川末端边界的位置,然后根据前后两期影像末端特征点的坐标初步估计了冰舌前端的前进速度。利用该方法计算的冰川边界前进距离的误差为[17]

      $$ {\sigma _{{\rm{dist}}}} = \sqrt[{}]{{\lambda _1^2 + \lambda _2^2}} + \varepsilon $$ (1)

      式中,$λ_1$和$λ_2$分别为前后两期光学影像的空间分辨率;ε为两张影像间的相对地理定位误差。

      由于GE并没有提供不同时期影像的空间分辨率信息,本文在GE专业版中以6.75 km的视角高度,将不同时期的影像按照1 920×1 080像素大小进行保存(该过程每张影像将被自动重采样);然后通过选取KLSK-37冰川附近3个参考点(图 2中红色圆),以高分辨率TanDEM数据为基准确定了GE影像对应的空间分辨率(约1 m)和平面坐标偏差。

      图  2  KH-9光学影像及生成DEM过程中选取的地面控制点

      Figure 2.  KH-9 Optical Image and the Selected Ground Control Points for the Generation of DEM

      此外,本文依据正射校正后的KH-9影像提取了1979年该冰川的末端边界。

    • 本文采用美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)开发的开源软件ASP(Ames Stereo Pipeline)v2.6.2处理KH-9和ASTER立体像对影像并制作DEM产品[18]。ASP是一套基于Linux平台的摄影测量软件,可用于处理星际探测器和常见的对地观测卫星立体像对光学遥感影像。ASP软件处理过程主要包括影像预处理、前视和后视影像整体匹配、影像间子像素精配准、视差图生成与滤波、空中三角测量生成三维点云、点云内插重建DEM等步骤[19]

      KH-9立体像对是由美国Hexagon间谍卫星搭载的两个前视/后视全景相机拍摄获得,数字影像是美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)对原始23 cm × 46 cm大小的相片扫描而成,由于扫描硬件尺寸限制,每一KH-9影像被分割为有一定重叠度的两景子影像存储。并且,USGS提供的KH-9影像并不包含相机的内方位元素和卫星位置/姿态等数据(外方位元素)。因此,KH-9数据预处理过程包括子影像拼接、内方位和外方位元素解算等,这些步骤可分别利用ASP软件提供的“image_mosaic”“camera_gen”和“bundle_adjust”等命令完成。为保证生成DEM的精度,本文根据TanDEM数据在感兴趣区内(面积约300 km2)确定了10个控制点(位置见图 2)参与内、外方位元素解算。由于ASTER L1A级数据包含有完整的传感器有理函数模型参数和卫星姿态数据,其预处理过程比KH-9影像简单,只需使用“aster2asp”命令提取出需要匹配的立体像对和参数文件即可。在影像预处理完成后,后续步骤可采用“parallel_stereo”命令流程化处理,生成点云数据和DEM产品。

    • 根据4个不同时期获取的DEM,本文将相邻时期的DEM进行差分,计算了KLSK-37冰川表面近40 a来的高程变化。为消除水平偏差导致的异常高程差,在DEM差分处理前需要将不同源的DEM进行精确配准。本文首先将所有DEM水平和高程基准统一为WGS84和EGM96参考框架,并将冰川作用区进行掩模后,根据文献[20]提出的方法将不同DEM进行配准。该DEM配准原理是根据两期DEM高程偏差$d_h$与坡度α、坡向φ之间存在三角函数关系,即:

      $$ \frac{{{d_h}}}{{{\rm{tan}}\alpha }} = a{\rm{cos}}\left( {b - \varphi } \right) + c $$ (2)

      式中,abc为待解算系数,分别代表两期DEM偏移矢量的幅度、方向和偏差常数[20]。这些系数可以通过位于非冰川作用区坡度较小的像素拟合进行估计。在根据式(2)确定偏移矢量后,采用双线性内插方法将待配准DEM重采样至参考DEM地理格网,最后将经过配准的两期DEM裁剪至相同的地理范围(94.10ºE~94.25ºE,35.66ºN~35.76ºN),以进行DEM差值统计和分析。

      除了不同源DEM之间的水平几何位置偏差,不同时期DEM获取时间所处季节不同,冰川表面积雪覆盖变化也会引起高程差异估计误差[21-22]

      另外,本文使用的SRTM数据和TanDEM-X数据分别通过C和X波段合成孔径雷达干涉测量获取,由于雷达波会穿透冰和积雪表面,也可能会引起高程差异误差[22]。考虑本文主要研究KLSK-37冰川冰舌堆积物的高程变化,该区域海拔低于雪线(夏季降雪不会长时间累积),并且表面覆盖的表碛会降低C波段和X波段的穿透性,本文不考虑季节偏差和雷达波穿透性对高程差异估计的影响。冰川表面高程变化估计的精度,将基于非冰川作用区域DEM差值统计值进行估计[21]

    • 利用KH-9和GE高分辨率光学影像确定的冰川边界变化如图 3(a)所示(底图为2013-10-04 GE影像),可以看出近40 a来KLSK-37冰川末端沿山谷不断向前推进,冰舌边界延伸至山谷出口位置。GE影像显示冰舌区的堆积物偏离冰川主流动方向沿SW-NE方向运动,堆积体宽约230 m,并且冰川末端隆起形成明显的陡坎,末端堆积体表面有裂隙发育。此外,由于冰舌前进阻塞其右侧冰川融水河道,形成了一个冰川堰塞湖。在冰舌中下部发现有冰面湖塘发育,周边伴有裸露冰崖。根据这些地貌特征,可以判断KLSK-37冰舌末端堆积体具有沿山体谷沟发生失稳滑塌的自然条件。

      图  3  KLSK-37冰川1979―2018年末端边界变化及前进速度

      Figure 3.  Variations in Location of the KLSK-37 Glacier Terminus Between 1979―2018 and the Estimated Terminus Advancing Velocities

      图 3(b)为根据每一期GE影像中冰川末端点位置初步估计的冰川前进速度。基于靠近冰川的3个参考点(图 2中红色圆)在TanDEM中的坐标,估计得到的GE影像地理定位误差在9.8~45.4 m之间,由式(1)计算的5个时间段(图 3(b))冰川末端点的前进速度误差分别为1.8、3.4、4.6、5.6和4.2 m/a。1979―2010年KLSK-37冰川末端的前进速度为(5±1.8)m/a,但是近10 a来前进速度逐渐增大,2015―2018年的前进速度达到(30±4.2)m/a。

    • 根据KLSK-37冰川2018年的边界将4组DEM进行裁剪,得到的冰川表面高程如图 4所示,其中利用KH-9和ASTER立体像对生成的DEM的空间分辨率分别为15 m和30 m。可以看出,4组DEM中冰川表面并没有出现空洞,TanDEM具有最好的细节特征。由于缺乏研究区地表实测高程数据,考虑TanDEM相对较高的高程精度(±2 m),以TanDEM为基准评估了其他3种DEM的相对高程精度。在随机选取的位于西大滩盆地区域Z(见图 2中白色方框,面积为1 km2),KH-9、SRTM和ASTER DEM与TanDEM之间的差值均方根分别为3.41、3.65、2.83 m。虽然SRTM DEM的高程误差最大,但仍然小于其标称精度(±16 m),表明本文使用的4种DEM可以用于冰川表面高程变化估计。

      图  4  本研究使用的4组DEM的晕眩图

      Figure 4.  Shaded Relief Maps of the 4 DEMs Used in This Study

      为直观比较4组DEM之间的差异,本文沿KLSK-37冰川中轴线PP'(见图 4)绘制了不同时期高程剖面图(见图 5)。对比1979―2018年冰川表面高程变化,可以看出在海拔5 250 m以上的粒雪盆区域,4组DEM高程差异并不明显;在海拔4 750~5 250 m区间,冰川表面呈整体减薄趋势,在冰川减薄区域中,以5 100~5 250 m和4 880~4 950 m两个海拔区间的减薄最为明显,2018年相对于1979年冰面高程最大减少了约40 m;在海拔4 750 m以下区域冰面高度呈升高趋势,40 a间最大抬升值约为25 m,并且该抬升区相邻上游即为减薄区(4 750~4 800 m),暗示了冰舌区的减薄是滑塌所致。分别以海拔5 250 m和4 750 m为界,可将冰川沿剖面线PP'划分为山顶粒雪盆区、冰川中部转换区和冰舌堆积区(见图 5ABC区间),表 2列出了上述4组DEM在这3个区间沿冰川中轴线的平均坡度。可以看出,冰川粒雪盆区的平均坡度近40 a几乎没有改变;中部转换区的平均坡度相对于1979年有所变小,但进入2000年后处于稳定状态;冰川末端堆积区的坡度在2011年后变小,这可能与冰川末端堆积体发生滑塌有关。此外,可以看出冰川中部转换区的平均坡度要小于末端冰舌堆积区,在两者交接处(海拔4 750~4 880 m)形成一个典型的阶坎状地形。

      图  5  冰川中轴剖面线PP'处4组DEM的高程变化

      Figure 5.  Changes in Elevation Along the Central Profile PP' of the Glacier from 4 DEM

      表 2  KLSK-37冰川表面沿剖面线PP' 3个海拔区间不同时期平均坡度/(º)

      Table 2.  Mean Slope Angles of the Three Elevation Regions Along the Profile PP' on the Surface of KLSK-37 Glacier/(º)

      DEM A B C
      KH-9 33 21 25
      SRTM 35 17 25
      TanDEM 35 17 25
      ASTER 34 17 21

      将4组DEM按§2.3所述方法进行配准和差分处理,图 6(a)~6(c)展示了时间相邻DEM之间的差异图。在靠近山顶粒雪盆区域和冰川转换区,1979年(KH-9)和2000年(SRTM)DEM之间的高程差异最为显著,并且空间上呈现出复杂的减薄和抬升特征;在该区域差异最小的是2011年(TanDEM)和2018年(ASTER)DEM。KH-9与SRTM DEM在冰川积累区有显著的差异,可能与此30 a间冰川顶部频繁向下滑塌有关(见图 1(a)现场拍摄照片中冰川顶部强烈发育的横向裂缝)。另外,由于冰川顶部常年积雪覆盖,KH-9光学影像前视和后视像对匹配误差引起的DEM误差,也可能是此区域高程变化复杂的原因之一。在冰舌堆积体区域(图 6(a)~6(c)中黑色多边形),对比发现表面高程抬升区随时间变化逐渐向下游推进,并且2000年以后末端高程变化速度加快,与图 3中高分辨率GE光学影像解译结果相符。

      图  6  不同时段冰面高程变化及非冰川区高程差异均方根分布

      Figure 6.  Glacier Surface Elevation Changes During Different Time Periods and Related Distributions of Uncertainties for Elevation Changes

      一般认为非冰川作用区的地表高程在数十年尺度上并没有发生明显改变,统计和分析非冰川作用区DEM之间的差异值,是评估差分DEM精度的常用方法[8, 21]。为严密评价差分DEM的精度,以50 m海拔为间隔,计算了非冰川作用区不同海拔区间DEM差值的均方根(见图 6(d)~6(f))。可以看出,非冰川作用区(稳定区)不同海拔区间对应的DEM差值均方根误差不尽相同,总体上随着海拔升高均方根误差不断增大,表明陡峭的地形、山顶积雪覆盖等是影响DEM差值精度的主要因素[23]。鉴于本文重点关注的是KLSK-37冰川冰舌区的表面高程变化,并且是按照逐像素进行计算,山顶粒雪盆和冰川转换区的地形误差并不会对冰舌区高程差异估计造成直接影响。统计显示,SRTM-KH-9、TanDEM-SRTM和ASTER-TanDEM在冰舌海拔区间(4 600~4 750 m)对应的DEM差值均方根的平均值分别为3.36、2.38、2.96 m。在这个误差水平下,根据DEM差分结果估计1979―2000年、2000―2011年和2011―2018年3个时间段内冰川末端堆积区增加的体积分别约为(2.87±1.78)×105、(5.03±1.22)×105和(2.74±1.25)×105 m3,近40 a间新增的堆积体体积为(10.64±2.50)×105 m3。其中,2000―2011年期间增加的体积最大,可能是冰舌区冰川堆积物在此期间大量向下滑塌所致。

    • 多源遥感监测显示KLSK-37冰川冰舌堆积体近40 a来逐渐发生滑塌,并且近年来冰川末端前进速度呈加速趋势。1979―2010年近30 a间KLSK-37冰舌前缘的前进速度较为稳定(约5 m/a)。最近10 a来KLSK-37冰川末端运动速度大幅度增加(约30 m/a),而与其空间邻近的冰川并没有表现出这种特征,表明KLSK-37冰川拥有特殊的冰川作用环境并导致其冰舌区发生滑塌。

      以往研究表明引起冰川加速运动甚至滑塌的因素主要包括冰川基底水热状况、地形以及气候(降水/气温)变化影响等[24-25]。根据高分辨率光学影像和地形分析结果(图 3~5),可以看出在海拔约4 800 m处,由于阶坎状地形因素导致KLSK-37冰川的流动方向发生转向(由24°NE转向5°NE),并造成大量的冰川搬运物堆积在此处;同时,由于冰舌前端两侧山谷宽度收窄,舌冰堆积体整体呈“V”字形(即上部较宽,下部较窄),造成冰川运动受到阻挡而产生大量的运动势能。因此,地形因素为KLSK-37冰川末端滑塌创造了极为有利的条件。另外,如图 3(b)所示,在冰川流动方向转向处(冰舌中部)和冰舌表面均发育有冰湖,冰湖融水如果渗入冰舌处基岩剪切滑动面,会导致静水压力增大并减小摩擦力,从而促使冰舌区冰川堆积体加速运动。总之可推测,KLSK-37冰川前端的阶坎状地形和冰湖发育条件,是其冰舌末端堆积体处于强烈活动状态的主要原因,并有造成堆积体滑塌或者冰川泥石流灾害的风险。

      青藏高原近几十年气候条件的暖湿化变化趋势,可能是KLSK-37冰川冰舌区不断滑塌的长期驱动因素。昆仑山口附近的五道梁气象站1957―2012年间的气候观测资料显示,其年平均气温与年份之间的函数拟合关系可以表达为,即年均增温速率为0.028 1 ℃;从降雨量来看,1957年五道梁年降雨量为302 mm,而到2012年其年降雨量达到426 mm[26]。对比青藏铁路通道其他气象站记录的观测资料(如沱沱河、安多等地),昆仑山口-五道梁一带的降雨量在过去近60 a增速最大[26]。气候变暖导致冰川在夏季融水增多,会加大进入冰川基底滑动面的液态水补给,从而进一步对冰川向下运动起到润滑作用。根据GE光学影像解译,2005―2018年,冰舌区冰湖的面积有扩大趋势,这很可能是上游冰川冰加速消融所致。另外,年降水量在夏季短时间增大会打破冰川原有的物质平衡状态,冰川累积区负荷过载会增大对冰舌区的推挤作用,从而加大其活动程度[9, 24-25]

      气候变暖和降雨增加促使冰川运动活跃,并最终导致冰川灾害发生,被认为是青藏高原近年数次冰崩灾害事件的主要原因。例如,2016年7月17日和9月21日,位于西藏阿里地区的阿汝冰川和其相邻冰川先后发生冰崩事件,分别形成了(68 ± 2)×106 m3和(83 ± 2) ×106 m3的冰崩堆积体,崩塌作用距离达7 km并导致了8名牧民死亡[27]。阿汝冰川邻近气象站观测资料显示该区域气温在过去50 a升高了1.5 ℃,并且在2016年冰崩事件发生前40 d内发生了密集的降水(占2016年事件发生前降水量的88%)[27]。相关研究揭示很可能是区域气候变化导致阿汝冰川在2013年由向后退缩转化为缓慢前进(冰崩发生前共前进约300 m),随后又在极端降水天气条件下造成冰川表面负荷过载,最终发生冰川崩塌灾害[28]

      KLSK-37与阿汝冰川有诸多的相似性,例如在冰川末端处,冰川的主流动方向均由于地形因素发生了转向,并且冰川宽度从高海拔区往下逐渐收窄,从而在冰川前端累积了大量的重力势能。虽然KLSK-37冰川冰舌区堆积体的体积相对于阿汝冰川滑塌体积较小,但是考虑其特殊的地形和冰湖发育等因素,KLSK-37冰川末端仍然存在继续滑塌风险。在未来,非常有必要结合高时空分辨率遥感观测数据和数值模拟,对KLSK-37冰川冰舌堆积体的滑塌风险进一步进行监测和评估,以保障青藏铁路和青藏公路等重要基础实施的运营安全。

    • 本文基于多源遥感数据首次揭示了昆仑山口KLSK-37冰川近40 a的末端边界和表面高程变化。高分辨率光学影像揭示了KLSK-37冰川冰舌前缘自1979年以来逐渐向下游山谷前进,并在2010年以后前进速度逐渐增大。通过对4组不同时期(1979―2019)DEM数据进行差分处理,发现近40 a间KLSK-37冰川在陡峭积累区表面高程变化既有降低也有抬升,冰面高程变化最大处集中在冰川中部转换区,冰舌前端增加的堆积体(包含冰碛物和冰)体积约为(10.64±2.50)×105 m3。KLSK-37冰川末端特殊的地形使其区别于邻近的山谷冰川,并导致冰川冰和冰碛物在冰川末端大量堆积。近年来,昆仑山口地区气温不断升高和降雨量持续增大,很可能是KLSK-37冰川末端加速前进的驱动因素。

      随着当地气候暖湿化趋势加剧,有必要进一步针对KLSK-37冰川的动态演化特征进行密切监测,以保证与冰川邻近的青藏铁路和青藏公路运营安全。

参考文献 (28)

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