李青 周春霞 劉芮希 鄭雷

研究論文

東南極極記錄冰川表面冰面湖變化監(jiān)測(cè)

李青1,2周春霞1,2劉芮希1,2鄭雷1,2

(1武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心, 湖北 武漢 430079;2自然資源部極地測(cè)繪科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430079)

南極冰蓋表面冰面湖的形成和變化是衡量南極冰蓋表面融化的重要指示器, 對(duì)研究全球氣候系統(tǒng)具有重要意義。本文利用Landsat和Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)光學(xué)數(shù)據(jù), 對(duì)2000—2017年間的東南極極記錄冰川地區(qū)的冰面湖進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序的變化監(jiān)測(cè), 分析其面積、深度和體積的年際和季節(jié)變化規(guī)律, 并結(jié)合中山站溫度數(shù)據(jù)和Advanced Land Observing Satellite Digital Elevation Model (ALOS DEM)探討冰面湖與氣溫、高程和地形之間的關(guān)系。結(jié)果表明, 極記錄冰川地區(qū)的冰面湖在每年12月前形成, 12月進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段, 其面積、深度和體積在次年1月中下旬均達(dá)到峰值; 冰面湖的面積、深度和體積的變化都呈現(xiàn)較好的一致性, 且冰面湖的變化與正積溫密切相關(guān); 92%的冰面湖分布在高程低于200 m的區(qū)域, 易形成于多條水流路徑匯集處或水流路徑密集處。

冰面湖 極記錄冰川 變化監(jiān)測(cè)

0 引言

南極冰蓋作為地球最大的冷源, 冰儲(chǔ)量約占全球冰川的90%, 占全球淡水資源的70%, 其物質(zhì)平衡的微小變化對(duì)全球海平面變化、氣候變化等都具有重大的影響[1]。冰面湖作為極地一種特殊的水文特征, 其形成和變化是冰蓋響應(yīng)氣候變化的重要指示器, 它是冰蓋表面消融的主要表現(xiàn)方式之一[2-3]。融化季節(jié)初期, 冰雪受到太陽(yáng)輻射后融化形成融水, 融水的出現(xiàn)降低了反照率導(dǎo)致更多熱量被吸收, 進(jìn)而加速周圍冰雪融化, 在冰蓋表面低洼處匯集形成冰面湖[2]。冰面湖湖水吸收的熱量能夠加強(qiáng)與其接觸冰體的消融(特別是湖底冰面), 引起冰面湖的擴(kuò)張[4]。冰面湖作為冰蓋融水的主要儲(chǔ)水容器, 對(duì)融水的輸送和釋放產(chǎn)生影響[5]。而冰蓋表面融水會(huì)從以下兩個(gè)方面影響冰蓋: 部分融水會(huì)沿著冰面水系排入海洋或在融化末期發(fā)生凍結(jié), 排入海洋的融水會(huì)引起冰蓋物質(zhì)損失; 另一部分通過(guò)冰川豎井、冰裂隙等進(jìn)入冰蓋內(nèi)部, 對(duì)冰蓋的運(yùn)動(dòng)速度造成一定的影響, 促進(jìn)溢出冰川的崩解, 并造成冰蓋物質(zhì)損失[6-10]。同時(shí), 在融化季節(jié)中冰面湖發(fā)生的排水事件也能造成冰面水系甚至冰下水系的動(dòng)態(tài)變化[5,11]。因此, 監(jiān)測(cè)冰面湖的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于研究極地冰雪環(huán)境和冰蓋物質(zhì)變化等具有重要意義。

由于極地特殊的地理位置和環(huán)境, 衛(wèi)星遙感技術(shù)是監(jiān)測(cè)冰面湖動(dòng)態(tài)變化的重要手段之一。提取冰面湖本質(zhì)上就是提取冰蓋上的水體, 目前從遙感影像上提取水體的方法分為人工數(shù)字化與自動(dòng)化提取兩大類, 其中人工數(shù)字化主要是基于影像的明亮程度, 人工勾勒出冰面湖輪廓[12-13], 自動(dòng)化提取包括單/多波段閾值分割法、歸一化水體指數(shù)和監(jiān)督分類等。Sundal等[14]基于Moderate- Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)影像的紅、藍(lán)波段, 使用閾值分割的方法有效提取冰面湖信息。隨后Selmes等[15-16]提出可根據(jù)中心像元周圍區(qū)域的光譜特征, 通過(guò)設(shè)定搜索窗口來(lái)獲取動(dòng)態(tài)閾值提取冰面湖, 從而減少單一閾值方法帶來(lái)的誤差。歸一化水體指數(shù)利用水體在近紅外波段反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他地物的特性, 通過(guò)歸一化比值增強(qiáng)水體特征, 有效提高了水體提取的效率和精度?；诒婧潜┉h(huán)境的特殊產(chǎn)物, 楊康等[17-20]提出了適用于冰雪背景水體提取的改進(jìn)的歸一化水體指數(shù), 以此獲得冰面湖的輪廓。冰面湖的深度也是冰蓋表面融化的重要指標(biāo)之一, 遙感反演水深是目前對(duì)多尺度范圍的冰面湖進(jìn)行深度測(cè)量的主要手段。Sneed等[21]最早利用Bouguet-Lambert-Beer定律, 基于入射輻射量穿過(guò)介質(zhì)時(shí)的衰減規(guī)律實(shí)現(xiàn)了利用Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)影像反演冰面湖的深度; Pope等[22]指出了在探測(cè)較深冰面湖時(shí)能力不足(水體對(duì)紅色波段吸收能力強(qiáng)), 認(rèn)為在運(yùn)用此定律時(shí)使用紅色和全色波段分別求解水深再取其平均值作為冰面湖深度精度更高。早期關(guān)于格陵蘭島和南極半島地區(qū)冰面湖的研究已有較多, 現(xiàn)在南極其他地區(qū)的冰面湖也逐步引起關(guān)注。

東南極極記錄冰川靠近我國(guó)中山站, 在每一年的融化季節(jié)里, 冰川上游地區(qū)都存在大量冰面湖。冰面湖的存在對(duì)冰川的冰流速、表面融化和冰川崩解都具有一定的影響, 因此, 研究冰面湖的特征和變化特性具有重要意義。本文利用Landsat和ASTER光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù), 對(duì)極記錄冰川地區(qū)的冰面湖進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序變化監(jiān)測(cè), 分析冰面湖的面積、深度和體積的年際和季節(jié)變化規(guī)律, 并結(jié)合中山站溫度數(shù)據(jù)和Advanced Land Observing Satellite Digital Elevation Model (ALOS DEM)探討冰面湖與溫度、高程和地形之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

極記錄冰川位于我國(guó)南極考察重點(diǎn)區(qū)域普里茲灣-埃默里冰架-冰穹A斷面內(nèi)(圖1), 屬于溢出型冰川, 其長(zhǎng)約3 km, 冰川流向?yàn)槲鞅狈较? 最終注入普里茲灣海域[23]。該冰川曾于20世紀(jì)70年代發(fā)生過(guò)大型崩解, 崩解的冰山在冰川前緣擱淺, 阻礙了冰川的運(yùn)動(dòng), 但仍被冰川不斷向前推動(dòng), 每年以一定速度向前運(yùn)動(dòng)[24]。極記錄冰川運(yùn)動(dòng)速度較快, 在冰川末端可達(dá)到800 m·a?1, 上游速度也大于200 m·a?1[25]。每年融化季節(jié)期間, 溫度升高, 冰川表面形成融水, 融水在表面低洼處匯集形成冰面湖。

圖1 極記錄冰川實(shí)驗(yàn)區(qū)示意圖