青藏科考

藏东南典型河流、湖泊、冰川考察

文章来源 :
2020-09-25 14:51


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科考概况

青藏高原被称为“亚洲水塔”、“地球第三极”,平均海拔超过4000米,是亚洲众多河流 (如印度河、恒河、雅鲁藏布江布拉马普特拉河、怒江萨尔温江、澜沧江‒湄公河、长江和黄河等) 的发源地。该区域受西风‒季风协同影响,河流、湖泊、冰川众多,水资源储量丰富,各流域的水储量变化及水循环过程将直接影响下游的水资源利用和水灾害防治。研究表明:青藏高原是全球范围内对气候变化最敏感的地区之一,近年来该区域有明显的变暖变湿趋势,持续性的冰川融化、湖泊扩张等现象意味着该区域的水储量和水文循环过程将发生深刻改变,进而对青藏高原及下游地区的水资源利用和水灾害防治带来挑战(Han et al. 2019; Li et al. 2019a; Sun et al. 2020)。本次科考旨在考察藏东南地区典型河流、湖泊、冰川的水文情势,支撑第二次青藏高原综合科学考察“西风‒季风协同作用对亚洲水塔变化的影响”专题的相关研究。

清华大学水利系遥感水文课题组组成的科考队于2020年8月11日‒26日在青藏高原雅鲁藏布江(以下简称雅江)及其支流拉萨河、纳木错湖、24K(嘎隆拉)冰川、桃花沟朱西冰川、米堆冰川进行了为期16天的考察,在团队龙笛老师的带领下,黄琦、韩鹏飞、李兴东、李雪莹、赵凡玉、洪仲坤、张才金共8名成员参加了本次科考。科考队员于8月11日‒12日陆续到达拉萨集合,科考途经西藏拉萨、当雄、林芝、米林、波密等县市,行程近3000公里,海拔范围2040 ‒5200米,对不同流域的三台水位计进行了维护,实地考察了三条冰川,探访了纳木错及纳木错多圈层综合研究站,并在重点区域进行采样和量测,积累了宝贵的实测数据,促进了理论与实际相结合,对于推进青藏高原水储量变化相关研究、完善和细化研究思路至关重要,研究成果将为气候变化下亚洲水塔水资源变化的应对决策提供科学依据。

河流考察——调试水位计获取实测径流资料

清华大学水利系遥感水文课题组在国家自然基金委“西南径流重大研究计划”重点项目“西南河流源区关键水文气象变量的多源遥感观测与数据集成”的支持下,于2016‒2019年间在雅江及支流拉萨河、青藏典型湖泊纳木错、羊卓雍错等地陆续完成多台雷达水位计的安装并开展观测任务。本次科考分别对其中三个水位计进行维护及调试,于2020年8月12日维护拉萨河水位计,16日维护雅江奴下水文站下游水位计,25日维护雅江奴下水文站水位计,并沿途对河流进行了考察,从而对雅江干支流的流量、流速和水位等水文要素有了进一步的认识。

8月12日,科考队员首先前往拉萨河进行水位计调试。拉萨河是雅江最重要的支流之一,发源于念青唐古拉山,流域面积约3.1万平方公里,低径流期河宽不足百米。安装的雷达水位计由传感器、终端机(Remote terminal unit,RTU)和支架三部分组成,采用Ku波段进行测量,其工作原理是通过雷达脉冲信号的双程传播时间,计算仪器到水面的距离,最后由水位计到参考基准面的距离减去观测距离,得到水面到参考基准面的距离(即水位)。整个调试过程中科考队员分工明确、高效协作。其中,韩鹏飞、李兴东等人负责连接水位计探头和终端机的接线,黄琦负责水位计终端机的参数设置,其余队员协助固定水位计支架(见图1)。在确认水位计探头可以正常测量并传输数据后,团队成员返回拉萨。至此,拉萨河水位计维护工作顺利完成。

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图 1 拉萨河水位计维护及调试:(1)科考队员对水位计进行设备更换和调试安装;(2)安装完毕后正常工作的水位计

8月16日,科考队对雅江中下游关键断面进行考察。雅江流域水文过程复杂(包括冰川、积雪积累和融化等过程)且对气候变化十分敏感,同时作为国际河流,雅江对我国及下游印度、孟加拉国等国的饮水供给、农业灌溉等具有至关重要的作用。雅江流域相关观测资料匮乏,河道多为辫状且河岸侵蚀严重。本次维护的两处水位计分别位于米林县派镇的上下游。经检查调试,位于派镇上游鲁霞大桥(奴下水文站)的终端机无法显示数据,经初步判断,故障原因可能为终端机损坏、太阳能电池板损坏或太阳能电池板的三孔航空插头损坏三种情况。科考队员在当地购买并更换了太阳能板,保证终端机正常开机,但是在调试参数和传输数据的过程中发现终端机存在故障,无法向安置在清华大学水利系的服务器实时发送数据,需联系厂家配送新的终端机到林芝。8月25日,新的终端机由山东配送至林芝,队员们测试仪器后返回鲁霞大桥更换终端机,最终水位计正常工作,可以实时提供所测断面的水位信息(见图2)。位于派镇下游(奴下水文站下游)的另一处水位计由于配置的手机卡过期无法发送数据,更换手机卡并进行调试后水位计可以正常工作(见图2)。

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图 2 雅江水位计维护及调试:(1)科考队员对派镇上游鲁霞大桥处的水位计情况进行确认;(2)更换终端机后正常工作的上游水位计;(3)科考队员对派镇下游水位计进行手机卡更换和设备调试;(4)调试后正常工作的下游水位计

这次仪器维护工作整体较为顺利,经过科考队员的共同努力,顺利完成了水位计的维护工作,获得的宝贵的实测水位资料可以作为卫星测高水位的补充和验证。清华大学水利系遥感水文课题组利用所安装的水位计观测数据及多源卫星遥感开展高山区窄河道水位、径流量的遥感反演和水文模拟等研究,多项成果发表于遥感和水文领域顶级期刊(如Remote Sensing of Environment、Water Resources Research)上,包括:(1)为克服高海拔地区复杂地形和狭窄河道对星载雷达回波信号的干扰,反演高精度的河流水位,我们基于雷达卫星测高技术(包括Envisat、Jason-2/3、SARAL/AltiKa、Sentinel-3A等数据源)开发了新的波形重定算法(50% Threshold and Ice-1 Combined algorithm,TIC),并基于实测水位数据对其精度进行了严格的检验,该算法有效解决了窄河道(百米级河宽)垂直距离改正的难题(Huang et al. 2019; Huang et al. 2018a);(2)以三种不同的典型断面形态为基础,基于曼宁公式和遥感反演的河宽与水位数据,发展了缺资料地区的河道流量估算方法(Huang et al. 2018b);(3)开展了卫星测高和类SWOT数据(实测水位和Landsat 5/8 观测的河宽)率定水文模型的应用检验,实现了无实测径流条件下日径流量的连续模拟,为未来SWOT卫星数据应用提供了一种水文模型框架(Huang et al. 2020);(4)利用多卫星获取的水库水面高程和水面面积数据估计水库蓄水变化量,并用水位计实测数据加以验证,进一步耦合水文模型及水库调度规则实现缺资料区水库日尺度出流模拟(Han et al. 2020)。

湖泊考察——观测站参观及实地调研

中科院纳木错多圈层综合研究站位于纳木错湖的东南岸,背靠念青唐古拉山脉,属于典型的半干旱高原季风气候区。自建站以来,该研究站对纳木错流域开展多方面的实地监测任务,主要包括:大气物理观测、大气环境观测、水文观测、冰川冻土变化监测、植被物候变化监测等,为水文学及生态环境等领域的研究提供宝贵的资料。8月14日,科考队员前往中科院纳木错多圈层综合观测研究站进行参观,途中最高海拔超过5100米。在工作人员的引导和讲解下(见图3),科考队员了解了多种仪器的用途及观测原理。站内布设的仪器主要包括雨量计、太阳光度计、雪探仪、水面蒸发皿、差分GPS、微生物固碳实验设备、环境观测站等(见图4)。该站测量积雪状态的仪器较多,包括由雪尺和相机组成的自动雪深观测仪(每年11月‒2月中旬雪深可达到50‒60 cm)以及大型雪水当量测量仪。其中,雪水当量观测仪通过内置于雪枕的称重传感器测量雪枕上的积雪重量,即雪水当量,还可以结合雪深传感器测得的积雪厚度得出积雪密度。此外,站内占地面积最大的设备是植被物候的观测系统,用于探索降水的差异对高原植被生长情况的影响。站内最早布设且体量最大的设备是一座高达数十米的大气边界层观测塔,该塔可观测不同高度层的压、温、湿、风等大气状态变量和能量输送状态。除站内观测外,工作人员每年进行纳木错及入湖河流和周边冰川的观测,例如每年进行一次湖冰观测(通常在湖冰最厚的二月份),工作人员会驾驶摩托车前往纳木错中心,并沿途用蒸汽钻打孔,测量冰厚。

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图 3 工作人员向科考队成员介绍站点观测的相关信息

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图 4 中科院纳木错多圈层综合观测研究站的部分仪器设备:(1)大型雨量计(在建);(2)太阳光度计;(3)雪探仪;(4)植被物候观测系统;(5)大气边界层观测塔

此外,科考队员还前往纳木错湖畔进行实地考察。纳木错湖面积约2000平方公里,是西藏第二大湖,其21条主要的入湖河流大多分布在湖泊的南岸,因此队员主要沿南岸进行了考察。过去十几年间,纳木错整体呈现了水量增长和面积扩张的现象,为了探索青藏高原湖泊水储量的变化,团队成员曾结合多源测高卫星和遥感云计算技术研制了青藏高原52个大型湖泊(包括纳木错湖)的高时间分辨率水位和水量变化数据集,研究成果发表于地学领域顶尖期刊Earth System Science Data (Li et al. 2019b)。此次实地考察一部分成员前往维护之前安装的压力式水位计;另一部分成员前往扎西半岛实地参观考察。随后团队成员前往你亚曲参观了安装的气象站及水位计(见图5)。

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图 5 位于你亚曲河畔的气象站及水位计

冰川考察——实地了解冰川结构

藏东南地区位于喜马拉雅山、念青唐古拉山和横断山的交汇处,山高谷深,季风带来的大量降水与藏东南地区特殊的山谷地形相互作用,使得藏东南地区发育了众多规模巨大的海洋型冰川。该地区冰川总面积超过6000平方公里,冰储量巨大,蕴含极为丰富的淡水资源。但是近几十年来,随着气温的上升以及降水的年际波动增大,藏东南地区成为整个青藏高原冰川消退最为明显的地区。剧烈的冰川变化直接影响河流沿岸的农业、经济以及居民生产生活。为了解藏东南地区冰川目前的状况与变化的特点,科考队于8月18日‒20日分别考察了藏东南地区的三条典型海洋型冰川:24K(嘎隆拉)冰川、桃花沟朱西冰川及米堆冰川。

818日,科考队员攀爬了24K冰川的东支(1号冰川)。东支冰川冰舌的表面满是冰碛物,有直径一两米的巨石,也有巴掌大小的碎砾,石体破碎锋利,非常难以攀爬行走。攀爬过程中科考队员遇到多个冰洞以及三条比较大的冰裂缝(见图6)。冰裂缝周围的冰体大多裸露或者覆盖表碛较薄,冰体消融较周围更快,周边碎屑物质不断地向冰裂缝底部滑动。科考队员最终到达海拔4016米的位置,在这里可以看到24K冰川西支(2号冰川)的全貌、东支冰川侧面的小冰川形成的小型瀑布以及两条巨大的冰裂缝。返程途中在冰川末端冰川融水出流的位置(海拔约3850)可以观察到这里冰厚约10米,冰壁宽度约200米,不断有冰碛物及冰块从上方掉落(见图6),冰川融水流量较大,可从侧面反映出冰川的快速消融。根据文献记载,2012年时24K冰川东支末端冰厚为32米,末端有一个直径约为60米的冰川湖,而现在末端厚度仅为10米左右,原来的冰川湖也已经远离末端并已经干涸,考虑冰川的消退以及坡度因素,预计24K东支冰川末端表面高程每年下降超过3米,冰川消融的速度由此可见一斑。这是整个藏东南地区的普遍特征,保护冰川资源已经迫在眉睫。

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图 6 24K冰川实地考察:(1)远眺24K冰川的东支;(2)正在不断融化的冰洞;(3)冰裂缝;(4)冰川末端

8月19日,科考队前往桃花沟朱西冰川(位于波堆藏布左侧)进行考察(见图7)。科考队员途径一片茂密的森林,沿着朱西冰川融水出流的小溪看到了两大块正在消融的冰块,其中体积较大的一块形成了超过3米高的冰洞(见图7),冰洞顶部的冰体正在不断融化形成水滴滴落,这些冰体应当是冬季从高海拔地区滑落形成。之后部分成员继续向上进入森林,准备前往冰川脚下,期间见到了长满青苔的树林以及三人合抱、高七八十米的云杉树,最后小分队趟水过河到达了朱西冰川两侧冰川融水汇流的位置,在这里能够看到左侧较大的冰川以及右侧较小快消融完的冰川,两侧冰川融水水量都很大,且水流湍急。

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图 7 桃花沟冰川实地考察:(1)远眺桃花沟朱西冰川;(2)正在融化的冰洞

8月20日,科考队前往米堆冰川进行考察。米堆冰川离波密县城有约100公里,该冰川已被开发为旅游景区,科考队员在冰前湖——光谢错前面的观景台不同位置拍摄了米堆冰川的照片(见图8)。通过与2019年9月拍摄的米堆冰川进行对比可知,米堆冰川的冰前湖光谢错的水位较去年有小幅上涨,冰舌则后退较多且冰舌厚度明显变薄。光谢错的面积已经由2001年的0.11平方公里扩张为2019年的0.43平方公里,现在的面积已经与1988年发生冰川跃动冰湖溃决前的面积(0.44平方公里)相当,但水位仍与1988年的水平有较大的差距。就水位情况判断,光谢错在近期并不会发生溃决;但若是米堆冰川发生冰川跃动或冰舌断裂,大量冰体涌入湖水中,光谢错仍有很大可能发生溃决进而造成严重的自然灾害。

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图 8 米堆冰川2019年与2020年拍摄照片对比

科考感想

本次科考历时16天,行程近3000公里,科考队员们始终饱含工作热情,克服了高原反应等挑战,圆满完成对藏东南典型河流、湖泊、冰川的科考任务。团队成员通过安装调试野外观测设备,加深了对仪器工作原理的理解,提高了解决实际问题的能力;通过实地参观纳木错多圈层综合观测研究站,进一步掌握了多种水文气象观测仪器的应用情况,更加体会到野外驻站观测工作的艰辛;通过攀爬冰川,了解了冰碛物、冰裂缝、冰洞的构造及形态,深刻理解了藏东南地区的冰川消融状况。本次科考不仅磨砺了队员们的意志,也提高了大家对冰冻圈水文学等学科的认识,激励大家在科学研究中不断积极探索,勇攀高峰。

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图 9 科考队员合照(拉萨河安装水位计处)

参考文献:

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Li, X., Long, D., Han, Z., Scanlon, B.R., Sun, Z., Han, P., & Hou, A. (2019a). Evapotranspiration estimation for Tibetan Plateau headwaters using conjoint terrestrial and atmospheric water balances and multisource remote sensing. Water Resources Research, 55, 8608‒8630

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Sun, Z., Long, D., Yang, W., Li, X., & Pan, Y. (2020). Reconstruction of grace data on changes in total water storage over the global land surface and 60 basins. Water Resources Research, 56, e2019WR026250

致谢:本次科考由“第二次青藏高原综合科学考察研究”项目资助(2019QZKK0105)

报告撰写人:李雪莹、黄琦、赵凡玉、张才金、李兴东、洪仲坤、韩鹏飞、龙笛