南极冰盖DEM机载测高验证与分析——以西南极Thwaites冰川为例

利用冰桥计划(IceBridge)在西南极Thwaites冰川的机载激光测高数据,对ICESat卫星测高数据和目前国际常用的4种南极DEM,包括Bamber 1km DEM、ICESat DEM、RAMPv2DEM和JLB97DEM的精度进行了验证和分析。结果表明,ICESat卫星测高数据和ICESat DEM有着较高的高程可靠性,其与冰桥计划机载测高数据的平均高程差小于5m,标准差小于15m。Bamber 1km DEM高程可靠性相比ICESat卫星测高数据和ICESat DEM低一些。JLB97DEM、RAMPv2DEM与冰桥计划机载测高数据之间的标准差超过30m,尤其在坡度较大的区域,高程可靠性低。

使用虚拟现实技术提高冰川地貌表达维度的研究

冰川侵蚀与堆积地貌含有重要的古气候、古环境信息,是鉴别冰川作用范围和性质的标志,也是冰川动力学研究的基础。冰川地貌的表达研究经过150多年的发展,已经形成了较完备的冰川地貌制图方案,为冰川形成过程、冰川类型及冰川作用的动力学特征判断提供了重要依据。然而,冰川地貌专题图的专业性为古冰川重建和古环境研究提供支撑的同时,也提高了非专业人士的解读难度。以虚拟现实/增强现实地图、混合现实地图、微地图、语义地图和隐喻地图等的泛地图表达机制提供了更多维度的表达方案,在传统的空间几何维度的基础上增加了状态和读图者视角等维度,为冰川地貌表达提供了新的视角。本文使用虚拟现实(virtual reality,VR)技术构建了卡若拉冰川西沟的交互式三维冰川地貌场景,增加了三维、动态和读图者视角等表达维度。通过前期研究工作基础(沉积物特征、测年等工作)对场景内典型的冰川地貌进行标注,将前期冰川地貌的研究认识与VR场景进行较好的对应。该场景可以720°自由变换,包含末次冰盛期-晚冰期、早全新世、新冰期、小冰期和现代冰川共40个分场景,可以激发读图者的沉浸感、交互感和构想感。VR等技术对冰川地貌进行泛地图式的更多维度表达,可以为冰川地貌教学、科普及学术交流提供良好的交互式三维冰川地貌素材,也可以辅助读者更加准确地判别冰川遗迹和认知冰川发育条件。

利用InSAR技术估计长江源冰川2000—2020年物质平衡

本文以获取近20年长江源冰川物质平衡,揭示冰川物质平衡影响因素及冰川物质流失对河流径流量影响为目标开展研究。利用InSAR技术和双站TerraSAR-X/TanDEM-X影像生成两期覆盖长江源全域冰川的DEM,分别和SRTM DEM差分,去除高程差系统误差后获取长江源地区冰川2000—2012年和2000—2020年间的高分辨率冰川厚度变化,再结合冰川密度将厚度变化转为冰川物质平衡。估计结果与区域内冰川实地物质平衡监测结果仅相差0.03 m w.e.a^(-1),表明精度较高。结果显示长江源地区冰川在2000—2012年间的物质平衡为(-0.30±0.02)m w.e.a^(-1),在2000—2020年间为(-0.45±0.04)m w.e.a^(-1),2012—2020年间冰川消融相比2000—2012年间明显加速。推测夏季气温升高和夏季降水减少是冰川加速消融的主要原因。另外,长江源地区冰川消融速度存在从东南向西北递减的趋势,分析认为这一现象与西部地区温度更低,升温更慢,冰川海拔更高,积累区面积比例更高,冰面坡度更陡有关。2000—2020年间,沱沱河流域冰川物质损失量仅占沱沱河径流量的4.4%,而沱沱河与当曲流域的冰川物质损失量之和仅占通天河径流量的2.5%,表明当前冰川物质损失对长江上游径流量的影响较小。

亚洲高山区冰川厚度变化光学立体和双基SAR卫星监测数据、方法与展望

冰川厚度变化是评估区域冰储量变化的最重要指标,以光学立体卫星和双基干涉SAR卫星为代表的冰川区高程测量已成为评估大范围冰储量变化的主要手段。本文首先总结了当前应用于亚洲高山区冰川区的主要光学和雷达卫星数据及其测高精度;然后,对当前冰川厚度变化卫星监测的方法(即监督校正的DEM差分法、自动化校正的DEM差分法、时序DEM参数化回归法和非参数化回归法)及其应用情况进行了梳理和总结,发现当前研究存在冰川雪盖区高程估计不准、雷达波穿透深度估计不准和季节尺度冰厚变化监测难等问题,导致当前对冰川局部变化过程的认识有限;最后,探讨了未来有关冰厚变化监测的潜在发展方向,提出利用当前存档卫星数据、融合多源测高数据、结合未来高时空分辨率观测计划将有助于解决当前所面临的问题。

雅鲁藏布江中游石冰川发育特征及潜在成灾机制分析

石冰川是以冰岩混合物为基础在重力和冻融作用下形成的一类具有蠕滑特征的冰缘地貌,大量分布于中国青藏高原和天山地区,了解其发育特征对于研究高寒山区环境演化和致灾机理具有重要的理论和现实意义。近年来的监测研究发现,受气候变暖影响,石冰川表面蠕滑出现了显著的加速过程,形成泥石流或滑坡的风险增大。青藏高原是全球气候变暖的敏感区,由气候变暖引起的地质灾害受到广泛关注。鉴于此,笔者采用现场测量、遥感解译和理论分析的方法,分析并探讨了雅鲁藏布江中游桑-加峡谷两岸石冰川的发育特征和潜在成灾机制。结果表明,石冰川的形成和发育与孕育基床的地形、气候和太阳辐射有关,在气温升高、短历时强降雨或强烈地震作用下,石冰川易形成泥石流或滑坡灾害威胁下游,主要表现为石冰川下游段组成物质的不稳定性。

1976-2016年普若岗日冰川和流域湖泊变化及其对气候变化的响应

基于藏北地区普若岗日冰川1976-2016年多时相Landsat系列卫星影像数据,以及气温、降水量数据,采用ARCGIS空间分析、线性趋势分析、相关分析等方法,研究了普若岗日冰川和流域湖泊面积变化及其对气候变化的响应。结果表明:近41年普若岗日冰川面积呈显著退缩趋势,41年内冰川面积减少了52.32 km^(2),减小率为12.01%;冰川西北部退缩最为严重,冰川面积减少了12.29 km^(2),减小率为15.77%;且冰川西北部、北部、东部和东南部末端消融显著;其他区域也有不同程度的退缩。流域湖泊面积呈显著增长趋势,共增长了27.17 km^(2),增长率为22.22%;流域气温总体上呈显著增加趋势,平均每10年增加0.48℃;降水量呈不显著上升趋势,平均每10年增加15 mm。降水对冰川和流域湖泊面积影响较小,温度的持续升高是冰川和流域湖泊变化的主要因素。

基于Sentinel-2影像的巴尔托洛冰川冰面湖研究

冰面湖是冰川的重要组成部分,是冰川消融的指示器,不仅对全球气候变化响应迅速,而且对了解和掌握区域水资源信息意义重大。本文基于Sentinel-2遥感数据,利用随机森林算法,对巴尔托洛冰川冰面湖进行识别提取,并基于提取结果分析研究区冰面湖的空间分布特征,以及冰面湖面积、数量与冰川高程的关系。本文冰面湖提取的准确率达96.07%,完整率达92.18%,错误率为11.59%;识别出巴尔托洛冰川冰面湖567个,面积为249.46~37134 m^(2);冰面湖多分布在距冰川末端3~26 km处,其中海拔3800~4300 m之间冰面湖数量最多,面积普遍较大,平均面积为1922 m^(2);随着高程的升高,冰面湖的数量和面积逐渐减少,在高程5300 m以上冰面湖数量仅为15个,平均面积为356 m^(2);高程升高导致冰面温度降低,是冰面湖数量和面积骤减的主要原因。

基于GPR探测的长江源地区冰川与冻土厚度研究

长江源地区的冰川变化揭示了青藏高原气候变化趋势。冰下地形探测作为冰川发育和运动过程研究的基础,对长江地区水土保持和淡水资源储量研究具有指导意义。长江科学院在长达10 a的江源科考基础上,分别于2022年、2023年采用探地雷达(GPR)技术对长江正源沱沱河发源地格拉丹东主峰的冰川厚度进行精准探测,并对查旦湿地冻土厚度上限进行了探测研究。结合多种冰川和冻土地质模型的GPR波场模拟结果,提高了GPR技术在长江源地区冰川和冻土探测的有效性和精准度。探测结果表明,格拉丹东主峰冰川厚度和查旦湿地冻土厚度上限均有不同程度降低,冰川厚度和冻土厚度上限观测是一个常年积累的结果,后续仍需持续进行观测,积累更多数据,分析变化趋势,以估算探测区域内冰储量,研究气候变化对冰川的影响效果。

长江源尕恰迪如岗冰川变化高分七号等多源卫星遥感监测

冰川波动对局地气候具有重要的指示意义,对下游水资源量变化也有重要影响,同时极易引发冰川灾害。格拉丹冬地区冰川作为长江正源沱沱河的发源地,同时也是跃动型冰川集中分布的一个区域,开展该地区长时相的冰川监测非常必要。本文采用GF-7立体影像提取了长江源格拉丹冬地区尕恰迪如岗冰川分布区高程信息,结合SRTM GL1进行冰川高程变化与物质平衡估算,同时利用Landsat系列、高分系列、资源系列卫星影像进行长时间序列冰川边界提取,获取了研究区冰川2000—2021年高程和物质平衡变化及1986—2021年面积变化。结果表明,GF-7卫星用于冰川三维监测是可行性的,研究区冰川面积从1986年的193.85 km^(2)减少至2021年的176.98 km^(2),35年间冰川面积减少18.87 km^(2)(9.73%),年均面积萎缩速率为0.54 km^(2)·a^(-1);2000—2021年间(GF-7 DEM覆盖区)冰川厚度平均减薄6.10 m(0.29 m·a^(-1)),冰川体积减少1.02 km^(3),储量累计亏损(0.87±0.06)Gt[(5.19±0.37)m w.e.];4条跃动型冰川虽存在跃动,但储量仍在减少;长江源头江源点冰川平均减薄程度最大,21年平均减薄11.34 m,减薄速率为0.54 m·a^(-1)。

1990—2020年波曲流域冰川冰湖时空变化及其对气候变化的响应

基于Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像和数字高程模型(DEM)数据,结合比值阈值法与目视解译提取了1990—2020年波曲流域冰川边界,同时利用归一化水体指数与目视解译提取波曲流域冰湖数据,分析近30 a波曲流域冰川冰湖空间分布与变化特征以及母冰川-冰湖相对位置变化关系,探究波曲流域冰川冰湖协同演化及其与气候变化的响应关系。结果表明:(1)1990—2020年波曲流域冰川加速退缩,尤其是近10 a来冰川加速退缩趋势更为显著;波曲流域冰川主要分布在海拔5500~6100 m范围内,规模上看,大规模(≥10 km^(2))冰川数量保持稳定,小规模(≤0.5 km^(2))冰川数量呈增加趋势。(2)近30 a波曲流域冰湖数量、面积均不断增加,冰湖面积扩张率为74.24%;冰湖主要分布在海拔4900~5300 m之间,大冰湖(≥0.07 km^(2))面积不断扩张;小冰湖(≤0.03 km^(2))数量增加显著。(3)与母冰川相连冰湖是最重要的冰湖扩张类型,该类型冰湖面积增长量占总冰湖增量的72.08%。(4)近30 a波曲流域气温缓慢上升,降水量总体略微下降。气温上升和降水量下降是造成冰川退缩重要因素,同时冰川融水促进冰湖扩张。通过波曲流域冰川-冰湖分布面积、变化特征及其协同演化关系的探究为流域冰川面积变化趋势和冰湖溃决灾害的预测及防治提供数据支撑。

机载激光雷达测量技术在冰川科学观测中的应用研究

冰川作为“固态水库”其融水对我国西北干旱地区区域水资源利用和生态系统可持续发展都具有重要意义,开展冰川科学研究并努力探索冰川研究新技术、新方法至关重要。本文基于机载激光雷达测量技术在冰川科学观测中的应用研究,从航空测量经验、冰川试验区域气象条件及航飞设备三方面开展冰川航测可行性分析及技术方法论证。结果表明,冰川激光雷达数据平面及高程误差绝对值均以≤10 cm为主,占比分别为86.6%(X方向)、86.5%(Y方向)、66.6%(XY方向)、90.0%(Z方向),误差值满足冰川观测要求。此次冰川试验验证了机载激光雷达测量技术在冰川科学观测中的可行性,实现了高海拔、高落差、极端天气地区航空测量技术突破,为促进我国冰川科学研究发展增添新动力。

基于Sentinel-1时序数据的山地冰川表面消融变化研究--以老虎沟12号冰川为例

冰川是影响气候变化的主要因素,合成孔径雷达(SAR)不仅具有较高空间分辨率和多极化等特点,而且对冰雪融化引起的介电常数变化较为敏感,已成为山地冰川表面消融变化监测的重要数据源。基于Sentinel-1时序数据,提出了一种综合应用多时相多极化SAR变化检测算法和Sigmoid函数的冰川表面消融监测方法。以祁连山老虎沟12号冰川为研究区,利用“中心线-圆”方法获得的冰川东、西支64个样区,通过各点2019-2020年124个时相的SAR后向散射系数变化特征确定了7个典型样区及2019和2020年冰川消融期;基于同轨道参考影像与多时相融雪影像对比,分别获得变化监测影像VV和VH极化后向散射系数,对其进行权重组合后提取湿雪像元;通过Sigmoid函数并结合湿雪平均海拔高度提取干雪,从而得到2年冰川消融期内16个时相的冰川表面干湿雪分布。利用2019年09月01日无人机数字正射影像(DOM)以及与Sentinel-1邻近日期5景Sentinel-2影像对提取结果进行精度验证,并结合冰川上气象站点气温和降水数据对误差结果进行深入分析。实验结果表明,该方法能够有效提取冰川表面干、湿雪分布,总体分类精度OA高达96%,Kappa系数高达0.84。老虎沟12号冰川消融期及覆盖各类型消融变化规律存在年际变化:2019年冰川的消融期为5月初至9月中下旬,2020年的消融期为6月中下旬至9月初;2019年从消融季开始,冰川表面干雪面积迅速减小,而湿雪与冰川冰面积在整个消融期均较大,但随着强降雪出现,干雪面积骤然上升,2020年冰川冰和湿雪面积变化明显,冰川冰面积持续增加,湿雪面积持续减小,而干雪面积在高海拔区趋于稳定。

大雪山石冰川InSAR遥感:分布、运动与水储量估算

石冰川是高寒山区一种常见的冰缘地貌,研究其分布、运动以及水储量对科学认识高山多年冻土的发育条件、演化规律和水文功能具有重要意义。本文以川西高原大雪山地区为例,在卫星InSAR遥感支持下揭示了该地区石冰川的分布和运动特征,并耦合“冰-岩”流变动力模型反演了其潜在水储量。结果显示,研究区内发育有1352条石冰川,它们的平均面积、海拔和坡度分别为0.176 km^(2)、4603 m和18°。石冰川的平均坡向运动速度约为52.2 mm/yr,最大运动速度约487.3 mm/yr,并且运动速度在空间和时间上均表现出强烈的异质特点。含冰量反演结果显示所有石冰川的平均含冰量为68.6%,总体含冰量范围55.2%~72.8%,对应的总储水当量约2.802 km^(3)。根据石冰川的分布位置推断研究区多年冻土发育海拔下限约为3655 m,与已有的青藏高原多年冻土分布模拟资料相符。另外,计算显示研究区石冰川储水当量约是冰川的36%,表明石冰川的水文功能在山区水文模型中不应被忽视。

基于地形梯度的青藏高原冰川分布格局及成因

目前,冰川分布与变化的影响机理还存在不确定机制。为探究地形因子对冰川分布格局的影响,本文以第6版Randolph冰川编目数据和NASADEM为数据源,运用均值变点法、分布指数和地理探测器等方法,对青藏高原冰川在地形起伏度、海拔、坡度和坡向等地形梯度上的分布格局及其与地形因子之间的响应关系进行分析。结果表明:(1)青藏高原冰川对坡向、坡度的适宜性较广,对地形起伏度、海拔的选择性较强,且在高地形起伏度、高海拔上呈现优势分布。(2)地形对冰川发育影响较大,各地形因子对冰川空间分布的影响显著不同。海拔和地形起伏度是控制冰川分布的主要因素,且交互探测结果表明二者共同作用对冰川空间分异性影响最大。(3)在海拔和地形起伏度梯度上,喜马拉雅山脉冰川优势分布范围最广,其次是喀喇昆仑山脉,其余10座山脉冰川的优势分布均呈近似正态分布,但不同山脉形态各异。

大高加索山脉冰川反照率时空分布及与物质平衡的关系

利用MOD10A1和MYD10A1冰雪反照率数据,分析了大高加索山脉地区加拉巴西冰川和德扬库特冰川的反照率时空分布特征,并使用五种反照率聚合方法,对这两条冰川2002—2019年夏季反照率与物质平衡关系开展相关性研究.结果表明,加拉巴西冰川和德扬库特冰川反照率随年份增加而明显减小,两条冰川在夏季都出现了最低反照率,加拉巴西冰川在冬季出现最高反照率,而德扬库特冰川则出现在春季;加拉巴西冰川夏季高海拔和低海拔区域的反照率差异较德扬库特冰川更为明显;两条冰川夏季反照率均与夏季物质平衡表现出一定的正相关性,其中加拉巴西冰川的相关性更加显著,使用平均最小反照率方法时两者相关系数最大可达0.874(p<0.05),德扬库特冰川使用加权平均反照率方法时两者相关系数最大为0.765(p<0.05).德扬库特冰川反照率与物质平衡相关性较低的原因可能是坡向和低海拔导致了其更易受暖湿气流影响,冰川消融中短波辐射能占比较低,反照率对其消融的影响小.

喜马拉雅山入湖冰川物质变化研究综述

入湖冰川在喜马拉雅山地区广泛分布,其快速消融和末端崩解,是该地区冰湖溃决洪水最重要的触发因子和影响因素。近年来入湖冰川整体处于物质持续且加速亏损状态,1975—2000年入湖冰川物质平衡为-0.33±0.07 m w.e.·a^(-1),近10 a达到-0.56±0.08 m w.e.·a^(-1),其平均物质损失速率-0.45±0.08 m w.e.·a^(-1)。入湖冰川物质损失速率明显高于其他类型冰川,末端消融及崩解是其主要原因。当前冰川末端水下物质损失仍无法准确估算,广泛应用于入海冰川末端消融模拟的羽流模型,为估算入湖冰川末端湖-冰物/热交换过程研究提供了可行方法,其中冰下融水径流量、冰川末端切面形态、湖水温度和密度是影响羽流模型估算结果的重要参数。基于羽流模型评估冰川末端水下消融特征,为准确评估未来情境下冰川物质变化奠定基础。

青藏高原东南缘折多山石冰川的形成年代及发育特征

探究石冰川的演变历史是揭示冰缘环境响应气候变化的关键,但是由于缺乏适合的测年材料等原因,石冰川年代学研究相对缺少。青藏高原东南缘的折多山广泛发育第四纪冰川作用和冰缘环境,为石冰川形成提供了有利条件。本文通过地貌调查和10Be暴露测年,对折多山一条冰碛型石冰川进行了精准定年,探讨了其形成年代和发育特征。结果表明,该冰碛型石冰川的形成时间约为(11.8±0.3)ka,对应末次冰消期晚期。末次冰消期叠加千年尺度的气候事件导致区域发生多次寒暖气候变化,引发冰川反复进退,大量冰碛物的搬运堆积过程强烈塑造着地貌景观,促进了多年冻土规模不断扩大,为石冰川提供了物质基础和冰缘环境。综合青藏高原与北半球其他地区的石冰川研究,发现末次冰消期的石冰川形成年代与发育特征具有相似性,即冰川大规模消融期间,突发的降温事件导致冰川与冰缘区扩张,气温升高时冰川消退区成为新的冰缘环境,同时产生融水和沉积物,促进了石冰川的发育。气候变化引起冰川反复进退、多年冻土区扩张、石冰川发育等冰川冰缘地貌过程,一定程度上说明了冰期间冰期旋回中冰川冰缘地貌过程的相互作用是理解冰冻圈响应气候变化的关键。

藏东南乌连沟石冰川活动特征与灾变机制

全球气候变暖背景下,青藏高原的石冰川活动性增强,产生灾变的趋势上升。采用遥感影像分析、现场调查及气象和径流监测等方法,获取了藏东南地区乌连沟石冰川的特征数据,分析其灾变形成泥石流的诱发因素及过程。结果显示,乌连沟石冰川2010—2017年平均运动速度为1~3 m·a^(-1),且前缘整体运动速度显著高于中后部。石冰川前缘向前运动进而失稳,可持续为沟道输送松散物源,2013年及2014年约有5600~9000 m^(3)石冰川输送的松散物质被启动。形成泥石流除需要充沛的物源外,还需要足够的水源启动。区内降雨量有限,乌连沟最大径流出现在5—6月,主要由高温引发冰雪消融贡献。分析2013年及2014年两次泥石流事件发现,其主要诱发因素是高温,灾变机制为气温快速升高导致表层冰雪快速消融,融水在石冰川表面凹陷处积聚形成湖塘,湖水泄流启动了石冰川前缘积累的松散物质形成泥石流。未来随着气候变暖加剧,石冰川的活动性进一步增强,在急剧升温或强降雨影响下,形成泥石流的规模及频率可能会增加,需防范石冰川灾变形成泥石流的致灾风险。

基于VIC_glacier模型的拉萨河水文模拟及冰川径流研究

拉萨河作为青藏高原南部雅鲁藏布江最大的支流,冰川融水是其径流的重要组成部分。本文基于VIC模型和度日模型构建的VIC_glacier模型,模拟了1990—2010年拉萨河流域径流过程。结果表明:(1)与VIC模型相比,VIC_glacier模型在研究区的径流模拟效果更好,日径流模拟值与观测值的相关系数接近0.8,纳什效率系数在0.75以上;(2)从上游到下游,冰川融水对径流的贡献率分别为21.4%(旁多站)、17.7%(唐加站)、14.5%(拉萨站),呈逐渐减少趋势;(3)冰川径流和非冰川径流年内变化均呈现“单峰型”形态,且在8月份达到峰值;(4)1990—2010年间,年冰川径流量整体呈现上升趋势,与同期气温上升的变化规律一致;年冰川融水对径流的贡献率与年降水量呈反比关系。研究成果可为拉萨河流域的水资源管理提供参考。

青藏高原现代冰川冰缘区形变研究综述

冰缘区系冻融作用强烈的冻土区,易发生地表隆沉、失稳滑移等形变,是冰川灾害的物源区。系统解析冰缘区活动层水-热-力效应引起形变的作用机制,对研究冰缘区地表形变类型和冰川灾害防治具有重要意义。当前青藏高原发育现代冰川冰缘区面积1.05×10^(6) km^(2),其中在过去几十年由于冰川退缩新增冰缘区面积约0.15×10^(5) km^(2)。冰缘区在气候、地形和现代冰川作用的综合影响下,产生以冻胀融沉为机理的垂直形变和以重力运移为主导的水平形变。未来研究应利用多源数据,结合冰缘区历史地表形变环境及致灾过程,借助人工智能实现现代冰川冰缘区地质灾害高效识别和预测预报,完善现代冰川冰缘区形变的监测-模拟-预测体系,为区域防灾减灾提供基础数据与理论支撑。