青藏科考

藏东南典型冰川冰湖冬季科学考察

文章来源 :
2021-12-27 17:13

科考概况

藏东南地区是我国海洋性冰川最为集中的区域,同时也是青藏高原冰川消融最为剧烈的地区之一。为深入认识气候变化下该区冰川、湖泊变化规律及对径流形成和演变产生的影响,开展藏东南典型冰川冰湖周期性观测对相关遥感反演算法和结果进行验证,“西风—季风协同作用及其影响”任务“西风-季风协同作用对亚洲水塔变化的影响”专题清华大学水利系遥感水文研究团队再次组队,于2021年11月26日‒12月5日在藏东南波密、八宿等地的24K冰川、米堆冰川、雅隆冰川及易贡湖进行了为期10天的科考。这也是继今年3月份以来的第二次科考,和近年来专门针对藏东南的第四次科考。

本次科考为清华大学水利系遥感水文研究团队首次在冬季进行高原野外作业。科考队员从拉萨出发,途经林芝、波密、八宿等县市,行程超过2000公里,利用无人机进行摄影测量获取高分辨率影像和地形数据,沿途拍摄冰川冰湖实景照,并利用GPS记录坐标,积累了宝贵的观测数据(图1)。科考成果为青藏高原水文过程观测和模拟,尤其是对认识藏东南冬季冰川和积雪特性提供关键信息。


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图1 野外考察路线图

1 24K冰川考察

11月29日天气转晴,科考队员攀爬了24K冰川的东支(1号冰川)。由于路上积雪较厚,且终碛部位碎石不稳固,行进困难,科考队员在冰舌前的平坦地方(海拔约3834米)放飞无人机,先后四次利用无人机进行航迹规划,成功航测了终碛到冰舌部位的区域。科考队员攀爬过程中也利用相机拍摄了24K冰川的地面视角(图2)。


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图2 24K冰川影像(a)从终碛堆看24K冰川                                (b)无人机拍摄的24K冰川冰舌末端

后期对无人机航拍影像进行重建,得到24K冰川冰舌及终碛部位的正射影像和高分辨率数字表面模型(DSM,分辨率约6厘米)(图3)。与RGI 6.0 中的24K冰川边界(获取时间为2005年9月8日)相比,24K冰川后退了大约140米,相当于16年间平均每年后退8.8米,与中科院青藏所藏东南高山环境综合观测研究站的实测结果相近。在冰川厚度方面,对比2000年的NASADEM,24K冰川冰舌末端下降了大约40米,相当于近20年来24K冰川的冰舌在以将近2米/年的速度变薄。从青藏高原和全球同类型高山冰川的角度看,24K冰川消融速率极其显著,其产生的大量融水也会改变下游径流量的年际和年内分布特征,在一定程度使该区地质灾害的发生风险增大。因此,有必要丰富和优化现有的监测手段,获取高时空分辨率的冰川动态变化信息。 

     

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图3 24K冰川航拍二维建模:(a)24K冰川冰舌正射影像;(b)24K冰川DSM

2 米堆冰川考察

此前,科考队员曾于2019年9月、2020年8月和2021年3月三次前往米堆冰川进行科考。11月30日下午,科考队员再次前往米堆冰川(图4)。此时,米堆冰川的冰前湖光谢错已经结冰封冻,但湖冰较薄。通过与此前拍摄的米堆冰川影像对比可以发现,米堆冰川冰舌进一步后退,变薄明显,且冰舌处的表碛也有所增加。


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图4 拍摄到的米堆冰川及已经封冻的冰前湖光谢错

科考队员利用无人机进行航迹规划,拍摄了冰湖及冰舌表碛部位的影像。之后,穿过岸坡上带刺的灌木丛,沿着光谢错湖岸向冰川末端前进,在冰舌前的平地上进行了第二次航拍,拍摄了冰舌部位的影像(图5)。从无人机近处拍摄的冰舌可以看到高海拔地区积雪跌落形成的褶皱形态表面,同时可以听到积雪(冰块)跌落的声音。


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图5 无人机在近处拍摄到的米堆冰川冰舌

无人机影像后期建模结果显示(图6),与RGI 6.0 中的米堆冰川边界(获取时间为2005年9月8日)相比,米堆冰川后退了大约345米,相当于16年间平均每年后退21.6米,冰川消退速度显著大于24K冰川冰舌消退速度,印证了冰湖对冰川消融有促进作用。从正射影像上可以看出,米堆冰川冰舌末端表面有几个小型冰上湖存在,反映出米堆冰川的快速消融。冰川厚度变化方面,对比2000年的NASADEM,米堆冰川冰舌末端下降了大约65米,相当于近20年来米堆冰川的冰舌在以3.1米/年的速度变薄,同样快于24K冰川的变薄速率。


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图6 米堆冰川航拍二维建模:(a)、(c)米堆冰川冰湖、冰舌正射影像;(b)、(d)米堆冰川冰湖、冰舌DSM

3 雅隆冰川及其冰前湖考察

12月1日,科考队员从然乌镇出发,考察雅隆冰川及其冰前湖贡错。沿小路到达冰湖北岸,由于雅隆冰川冰前湖海拔有将近4000米,气温较低,此时湖水已完全冻结,冰厚在5–10 厘米左右,从裂开的冰缝中可以看到一些位置的冰厚已接近20厘米。科考队员沿湖岸向冰舌前进,不时可以听到冰体的破裂和坠落声,在距离冰舌约1 公里处冻结的湖面上放飞了无人机。由于气温已在零下10度左右,无人机电量损失较快,难以通过航迹规划测量方式拍摄到冰舌末端。使用无人机拍摄一段视频和冰舌照片(图7)后原路返回贡错北岸。从近处可以看到超过水面的冰舌有大概50米高。与2021年3月份科考时相比,冰舌末端形状已经发生较大变化,说明继续有大量冰舌断裂消融。


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图7 从冰湖上远眺雅隆冰川

回到贡错北岸后,科考队员重新规划航迹拍摄了冰湖出水口区域,可以看到大量从冰舌上断裂的冰块移动聚集到冰湖出水口(见图8)。通过Planet高分辨率卫星影像(https://www.planet.com/explorer),可测算出这部分冰块聚集的区域已达0.3平方公里,这将在一定程度上壅高冰湖水位,并有可能增加小型滑坡风险。除了断裂冰块聚集的区域,冰湖中还零星分布着近期断裂的冰块(图9)。


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图8 冰湖出水口附近聚集的断裂冰块


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图9 无人机拍摄的冰湖上零星分布的断裂冰块


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图10 科考队员在岸边操作无人机

4 易贡湖考察

      12月3日,科考队员前往易贡湖进行考察。易贡茶厂就坐落于易贡湖畔,两岸地形陡峭,紧邻雪山(图11),气温较低。科考人员分别在易贡湖入水口和出水口处利用无人机进行航拍,两次航拍均成功获取了高质量影像(图12)。易贡湖是1900年的一场泥石流后形成的堰塞湖。该地区于2000年再度发生泥石流灾害,不久后易贡湖溃决成为通畅的河道。高分辨率无人机影像及重建的DSM有助于该地区地质灾害风险识别,并为后续研究中遥感影像水体识别算法的优化提供宝贵的验证数据。


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图11 易贡湖畔


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图12 易贡湖航拍二维建模:(a)入水口航拍正射影像;(b)出水口航拍正射影像


科考总结

“晨兴走马千峰过,阅尽银川万古冰”。本次藏东南冬季科考历时10天,行程超过2000公里,与夏季科考相比,科考条件较为恶劣,尤其是路况不佳,多处路基塌陷且背阴处、高海拔处路面结冰严重。作业环境较为严酷,冰湖前气温低、风力大,导致仪器续航能力减弱、网络信号差、故障率高。科考人员克服了高原反应、寒冷天气、交通不便等挑战,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,加深了对藏东南地区冰川动态变化规律的认识,圆满完成了藏东南地区典型冰川、冰湖的科考任务。无人机摄影测量获取的高精度DSM,为验证卫星遥感影像结果提供了有力支撑。本次科考也暴露了部分仪器设备在低温环境下可靠性降低的问题,为今后的野外科考积累了经验。


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图12 科考拍摄的24K冰川


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

报告撰写人:清华大学水利系遥感水文研究团队赵凡玉、李兴东、李雪莹、韩鹏飞、龙笛等