青藏科考

藏东南春季野外考察

文章来源 :
2021-05-31 16:23

科考概况

被誉为“亚洲水塔”、“地球第三极”的青藏高原,平均海拔超过4000米,是全球范围内对气候变化最敏感的地区之一。清华大学水利系遥感水文团队长期致力于联合多源卫星遥感反演、数据融合和水文模拟等方法,研究气候变化下青藏高原水文水资源演变机理及其影响,为进一步考察藏东南水塔状态及水文情势,2021年3月21日‒27日,在龙笛老师带领下,黄琦、韩鹏飞、李兴东、李雪莹、赵凡玉、张才金和王一鸣共8名成员组成科考队,在藏东南波密、八宿等地的雅隆冰川及冰前湖、帕隆4号冰川、米堆冰川、易贡湖、然乌湖进行了为期7天的科考。

科考队员于3月21日到达西藏林芝,途经林芝、波密、八宿等县市,行程近1000公里,海拔范围2040‒4750米,利用无人机、GPS、高分辨率相机等设备,实地考察了冰川形态及湖泊岸线,并前往中科院青藏高原研究所藏东南高山环境综合观测研究站进行学术交流,积累了宝贵的观测数据和野外经验(图1)。本次科考支撑第二次青藏高原综合科学考察十大任务之第一任务中第五专题——“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,科考成果将为青藏高原水文过程观测和模拟,尤其是对认识藏东南春季的冰川和积雪特性提供关键支撑,为气候变化下亚洲水塔失稳加剧的适应性对策制定提供科学依据。


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图1 野外考察路线图


1 中科院青藏所藏东南高山环境综合观测研究站交流及易贡湖考察

中科院青藏高原研究所藏东南高山环境综合观测研究站(简称藏东南站),位于西藏自治区林芝县鲁朗镇。藏东南站地处我国海洋性冰川的发育中心,该地区长期的冰川动态观测数据,对开展藏东南地区水量平衡、冰川消融和退化等研究至关重要。此外,藏东南站通过监测水热组分在山地的传输过程以及对地表景观的影响,为变化环境下山地垂直带及其环境效应的研究提供基础观测数据。

3月22日,科考队员驱车前往藏东南站参观。藏东南站是一处开放的野外综合实验平台,驻站工作人员与国内多个科研团队合作,长期开展野外观测和设备维护,通过搭建野外信息化平台,对布设在方圆数百公里内的观测仪器进行联网监控和数据读取。主要观测项目包括:大气物理、大气环境、冰川动态(冰川表面微气象、物质平衡)、河流水文等。该站长期维护运行的仪器包括积雪特性仪、自动气象站、大气边界层塔、多普勒流速仪等。

驻站工作人员拥有丰富的冰川考察和野外采样观测经验,每年6-8月都会进行野外科考,足迹遍访朱西冰川、雅隆冰川、24K冰川等。交流过程中(图2),驻站人员给我们分享了藏东南野外观测的困难,例如24K冰川的降水观测。24K冰川是藏东南地区退化最为严重的冰川之一,近年来平均每年后退接近10 m,且有加速趋势。由于春季固态降水量占总降水量比例极大,普通的降水观测装置(例如翻斗式雨量计)难以获取该区域准确的降水数据。据估测,该区域年总降水量可达2500 mm以上,未来可以考虑使用激光雨滴谱仪来观测总降水量。关于雅隆冰川前的冰湖(贡错)有一个有趣的现象:该湖的深度可能达到200 m,这对一个面积不足3 km²的小湖是难以想象的。之前实验人员携带传统的湖泊深度测量装置前往该湖泊,发现湖泊水深超出了仪器量程,最后只能使用绳索进行大致的估测。此外,科考队员还了解到藏东南地区在每年11月底到12月间会出现大范围的晴空天气,且积雪较少,可用光学影像比较多;朱西冰川冰上的小型冰湖对冰舌的侵蚀情况等。本次交流中科考队员们进一步掌握了水文气象观测仪器的工作原理和实际应用情况,更加体会到野外驻站观测工作的艰辛及实测数据的来之不易。


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图2 科考队员与驻站工作人员进行交流


交流结束后,科考队员前往易贡湖进行无人机试飞(图3)。易贡湖是藏东南地区由于崩塌型泥石流形成堰塞湖的代表,1900年前后一场特大泥石流堵塞易贡藏布河谷,形成了堰塞湖易贡湖。2000年4月9日,易贡地区再次发生特大崩塌型泥石流形成堰塞坝,堵塞易贡藏布河谷63天后溃决,将易贡湖原有的堤坝和湖中的泥沙冲刷而下,泻水后易贡湖已变成畅通的河道。科考队员在这里成功对无人机的各参数进行设置校准,为后续冰川和湖泊考察做好准备。


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图3 科考队员在易贡湖调试无人机(a)及易贡湖航拍图像(b)


2 雅隆冰川及其冰前湖考察

3月23日,科考队从波密出发,驱车3个半小时到达然乌,考察雅隆冰川及其冰前湖(贡错)(图4)。雅隆冰川是藏东南地区目前面积最大的冰川,面积将近180平方公里,长度达32.4公里。它与美西冰川、若骄冰川、东噶冰川、雄加冰川以及牛马冰川组成的来古冰川,是西藏已知面积最大和最宽的冰川,也是世界三大海洋性冰川群之一 (图5)。


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图4 雅隆冰川、贡错及朗错的地理位置和科考队员行进路线俯瞰图

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图5 远眺雅隆冰川全景图


由于雅隆冰川冰面积雪很厚难以攀爬,科考队员在贡错湖边组装、调试并操纵无人机进行航拍(图6),重点关注雅隆冰川冰舌、雅隆冰川全景、贡错湖岸以及其结冰情况(图7)。此外,部分科考队员到达贡错湖岸,近距离感受冰湖以及雅隆冰川的壮观;另有一批科考队员沿着小路到达贡错旁边的山上,拍摄雅隆冰川的冰舌及冰湖。


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图6 科考队员调试无人机

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图7 无人机航拍雅隆冰川冰前湖近景


科考队利用无人机航拍,能够从空中近距离观测冰川,弥补了人员无法到达冰川脚下的缺憾。通过无人机搭载的高分辨率相机拍摄,可获得更全面的冰川和冰湖资料,并发现雅隆冰川冰舌中部有一块深入冰湖,且冰舌前端已经碎裂,即将掉落进入冰湖。冰湖泄水口以及中部均有很多浮冰,推测是不同时段落入冰湖的冰块。此外,科考队员到达贡错湖边,发现3月底湖冰边缘已开始融化,从无人机视角也发现湖中不少地方开始融化(图8),这为更好地掌握该地区湖冰物候变化提供了依据。


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图8 贡错岸边(a)及中部(b)的湖冰已经开始融化(无人机航拍)


3 帕隆4号冰川考察

帕隆4号冰川是藏东南地区一条典型山谷冰川,具有孟加拉湾和印度季风带来的丰沛降水,属于海洋性冰川。冰川面积约11.7平方公里,长度约为8公里,冰川末端延伸至海拔约4630米的位置。冰川积累区相对宽阔而冰舌区域地形狭窄。

3月24日,科考队员从然乌出发,到达帕隆4号冰川消融末端后攀登考察了该冰川(图9)。此次考察活动历时约5个小时,队员们最终到达海拔4750米处(图10、11),攀爬路程超过3公里。


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图9 考察结束后队员们下山场景


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图10 海拔4750米处向上的视角


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图11 海拔4750米处向下的视角


攀登过程中,队员们切身感受了冰川的独特魅力,并记录了帕隆4号冰川的诸多特征。该冰川表面相对平缓,表碛物很少,春季降雪很多,3月份冰川表面大多覆盖二十多厘米的积雪,目前已有冰川融水形成径流,但流量较小(图12)。冰川末端地形起伏明显(图13)。下午2点以后,冰川表面风力渐强,刮起冰面的积雪使其重分布,形成壮观的风吹雪景象(图14)。


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图12 春季冰川融水


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图13 冰川末端起伏的微地貌


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图14 冰川表面风吹雪场景


在海拔4662米的冰川舌处,队员们利用无人机规划航迹拍摄了约230景高清影像。经后期处理可获取的冰舌范围约为0.35平方公里(图15-b),基于此影像队员们生成了分辨率约为3厘米的超高分辨率数字表面模型(DSM,图15-c),并与NASADEM对比得到了2000年2月‒2021年3月间,帕隆4号冰川冰舌前部的表面高程变化(图15-d)。从无人机影像及DSM可以看出,冰舌横截面成波状起伏,这与实地在冰崖处观察到的柱状冰块(宽5‒8米,高4‒5米,呈淡蓝色,图16)向前突出的情况一致。帕隆4号冰川类似冰裂隙的微地貌,与科考队2020年考察的24K冰川以及本次考察的雅隆冰川都有很大不同。我们推测,帕隆4号冰川由于冰舌不同位置的运动速度不同(中部快于两侧),过大的速度差导致冰舌破裂成为条状;由于融水下渗以及冰内水流通道影响等多种原因,裂隙处的消融比其他位置更快,这使得冰川更加破碎,久而久之形成这种现象。从冰舌前端的表面高程变化图(图15-d)中也可看出,目前的冰舌末端自2000年以来已经变薄超过80米,而海拔较高的冰舌处(4700米以上)也已变薄将近50米。与历史卫星影像(图15底图)对比发现,帕隆4号冰川的冰舌近年来已经后退了很多,加之冰舌末端已经出现了冰湖,未来帕隆4号冰川的消融速度可能会进一步加快,保护冰川资源迫在眉睫。


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图15 (a)帕隆4号冰川范围及登山路线;(b) 处理后的无人机影像;(c)利用无人机影像生产的高分辨率DSM;(d)冰舌前端表面高程变化情况(2000‒2021)


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图16 冰舌末端的柱状冰块


4 然乌湖无人机测绘和米堆冰川考察

本次科考利用无人机拍摄湖泊岸线获取实测资料,为卫星遥感的岸线提取方法提供验证数据。3月25日上午,科考队员到达然乌湖畔进行无人机测绘工作,然乌湖是帕隆藏布江由山体滑坡产生的堰塞湖,呈现较为狭长的形状(图17)。


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图17 然乌湖地理位置

虽然当天上午考察区域正在下雪,但科考队员依然成功实现然乌湖北岸无人机测绘,获得一段约1000米长岸线的光学影像(图18)。为验证基于卫星影像的岸线提取方法,通过下载2021年3月26日的Sentinel-2 MSI影像,并采用水体指数阈值法提取该段岸线,结果表明水体阈值法可以很好地区分该区域的水体和陆地,实现较高精度的岸线提取(图19)。

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图18 科考队员在然乌湖边操作无人机


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图19 (a)无人机绘制的然乌湖岸线光学影像;(b)Sentinel-2 MSI 2021/03/26光学影像;(c)由Sentinel-2影像生成的MNDWI分布;(d)MNDWI阈值取0时的水体分类结果


3月25日下午,科考队员到达米堆冰川(图20)。科考队员们曾于2019年9月、2020年8月两次前往米堆冰川进行考察,通过对比这两年夏季的观测情况,发现米堆冰川的冰前湖光谢错的水位有小幅上涨,冰舌则后退较多且冰舌厚度明显变薄。本次科考队于春季到达米堆冰川进行连续观测,发现该冰川积雪覆盖很厚,当天的雪雾天气给无人机观测带来极大困难,获取影像质量较差,随后队员们在不同位置拍摄米堆冰川的照片后返回波密县。


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图20米堆冰川考察


科考总结

本次藏东南春季科考历时7天,行程近1000公里,最高海拔4750米,与夏季科考相比,环境更为恶劣,条件更为艰苦。科考队员们克服了高原反应、寒冷天气和强紫外线辐射等挑战,圆满完成了科考任务。科考队员通过实地参观藏东南站,进一步掌握了多处冰川的近期动态及冰川考察的诸多注意事项,更加体会到野外驻站和实地观测工作的艰辛;通过攀爬冰川和无人机航拍,获取了宝贵的冰川和冰前湖资料,深刻理解了藏东南地区冰川和积雪的春季形态状况;此外,利用无人机在然乌湖获取的实测光学影像,对验证卫星遥感影像水体分类方法提供了有力支撑。

古人云:世之奇伟、瑰怪,非常之观,常在于险远,而人之所罕至焉,故非有志者不能至也。本次科考增加了课题组野外科考经验,完善了相关理论研究的验证部分,进一步提高了对冰冻圈水文学的认识,也让队员们实地感受了藏东南冰川和湖泊的独特魅力。读万卷书,行万里路,本次科考将激励大家在科研工作中继续探索真知,勇攀高峰。


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图21 科考队员合照


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

作者(排名不分先后):龙笛、黄琦、韩鹏飞、李兴东、李雪莹、赵凡玉、张才金、王一鸣