東南極極記錄冰川表面冰面湖變化監測

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測

李青1,2周春霞1,2劉芮希1,2鄭雷1,2

(1武漢大學中國南極測繪研究中心, 湖北 武漢 430079;2自然資源部極地測繪科學重點實驗室, 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, 對研究全球氣候系統具有重要意義。本文利用Landsat和Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)光學數據, 對2000—2017年間的東南極極記錄冰川地區的冰面湖進行長時序的變化監測, 分析其面積、深度和體積的年際和季節變化規律, 并結合中山站溫度數據和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系。結果表明, 極記錄冰川地區的冰面湖在每年12月前形成, 12月進入快速增長階段, 其面積、深度和體積在次年1月中下旬均達到峰值; 冰面湖的面積、深度和體積的變化都呈現較好的一致性, 且冰面湖的變化與正積溫密切相關; 92%的冰面湖分布在高程低于200 m的區域, 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 變化監測

0 引言

南極冰蓋作為地球最大的冷源, 冰儲量約占全球冰川的90%, 占全球淡水資源的70%, 其物質平衡的微小變化對全球海平面變化、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氣候變化的重要指示器, 它是冰蓋表面消融的主要表現方式之一[2-3]。融化季節初期, 冰雪受到太陽輻射后融化形成融水, 融水的出現降低了反照率導致更多熱量被吸收, 進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與其接觸冰體的消融(特別是湖底冰面), 引起冰面湖的擴張[4]。冰面湖作為冰蓋融水的主要儲水容器, 對融水的輸送和釋放產生影響[5]。而冰蓋表面融水會從以下兩個方面影響冰蓋: 部分融水會沿著冰面水系排入海洋或在融化末期發生凍結, 排入海洋的融水會引起冰蓋物質損失; 另一部分通過冰川豎井、冰裂隙等進入冰蓋內部, 對冰蓋的運動速度造成一定的影響, 促進溢出冰川的崩解, 并造成冰蓋物質損失[6-10]。同時, 在融化季節中冰面湖發生的排水事件也能造成冰面水系甚至冰下水系的動態變化[5,11]。因此, 監測冰面湖的動態變化對于研究極地冰雪環境和冰蓋物質變化等具有重要意義。

由于極地特殊的地理位置和環境, 衛星遙感技術是監測冰面湖動態變化的重要手段之一。提取冰面湖本質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字化與自動化提取兩大類, 其中人工數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], 自動化提取包括單/多波段閾值分割法、歸一化水體指數和監督分類等。Sundal等[14]基于Moderate- Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)影像的紅、藍波段, 使用閾值分割的方法有效提取冰面湖信息。隨后Selmes等[15-16]提出可根據中心像元周圍區域的光譜特征, 通過設定搜索窗口來獲取動態閾值提取冰面湖, 從而減少單一閾值方法帶來的誤差。歸一化水體指數利用水體在近紅外波段反射率遠遠低于其他地物的特性, 通過歸一化比值增強水體特征, 有效提高了水體提取的效率和精度。基于冰面湖是冰雪環境的特殊產物, 楊康等[17-20]提出了適用于冰雪背景水體提取的改進的歸一化水體指數, 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之一, 遙感反演水深是目前對多尺度范圍的冰面湖進行深度測量的主要手段。Sneed等[21]最早利用Bouguet-Lambert-Beer定律, 基于入射輻射量穿過介質時的衰減規律實現了利用Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)影像反演冰面湖的深度; Pope等[22]指出了在探測較深冰面湖時能力不足(水體對紅色波段吸收能力強), 認為在運用此定律時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。早期關于格陵蘭島和南極半島地區冰面湖的研究已有較多, 現在南極其他地區的冰面湖也逐步引起關注。

東南極極記錄冰川靠近我國中山站, 在每一年的融化季節里, 冰川上游地區都存在大量冰面湖。冰面湖的存在對冰川的冰流速、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光學衛星數據, 對極記錄冰川地區的冰面湖進行長時序變化監測, 分析冰面湖的面積、深度和體積的年際和季節變化規律, 并結合中山站溫度數據和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系。

1 研究區域和數據

極記錄冰川位于我國南極考察重點區域普里茲灣-埃默里冰架-冰穹A斷面內(圖1), 屬于溢出型冰川, 其長約3 km, 冰川流向為西北方向, 最終注入普里茲灣海域[23]。該冰川曾于20世紀70年代發生過大型崩解, 崩解的冰山在冰川前緣擱淺, 阻礙了冰川的運動, 但仍被冰川不斷向前推動, 每年以一定速度向前運動[24]。極記錄冰川運動速度較快, 在冰川末端可達到800 m·a?1, 上游速度也大于200 m·a?1[25]。每年融化季節期間, 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 極記錄冰川實驗區示意圖