藏東南2023年冬季典型冰川湖泊考察
科考概況
抓著2023年的尾巴，清華大學(xué)水利系龍笛教授課題組，第5次組隊前往藏東南地區(qū)進行典型冰川湖泊考察。本次科考旨在深入認識氣候變化下尤其是極端天氣氣候事件對該地區(qū)典型冰川、湖泊造成的影響。同時實地采集數(shù)據(jù)以驗證遙感反演結(jié)果，并進一步建立和優(yōu)化冰川水文模型，提升對“冰川?湖泊?湖冰”耦合系統(tǒng)水文、災(zāi)害和生態(tài)級聯(lián)效應(yīng)的科學(xué)認知。
在為期9天(2023.12.24―2024.1.1)的科考中，科考隊員利用無人機、相機等設(shè)備對24K冰川、米堆冰川、雅隆冰川、帕隆4號冰川等典型海洋型冰川及鄰近湖泊進行了詳盡觀測。并結(jié)合近期中高分辨率遙感影像對比分析了幾條典型冰川的整體消融情況，彌補了實地觀測范圍有限的不足。本次科考是課題組多年來對藏東南典型冰川、湖泊進行系統(tǒng)研究的一部分，科考成果支撐第二次青藏高原綜合科學(xué)考察十大任務(wù)之第一任務(wù)第五專題—“西風(fēng)?季風(fēng)協(xié)同作用對亞洲水塔變化的影響”和基金委杰出青年基金“遙感水文學(xué)”的相關(guān)研究。
1 24K冰川
2023年12月26日，科考隊員前往24K冰川進行考察。時值冬季，氣溫較低，且不久前下過雪，一路上積雪很厚，普遍在20-50 cm之間，一些地方甚至超過100 cm (圖1)。受此影響，科考隊員攀爬速度很慢，多數(shù)時候需沿著積雪較少的山脊和裸露的碎石前進，花費了三個半小時才到達冰舌前的平地。
圖1 積雪覆蓋的24K冰川：(c)圖為科考隊員正在行進。
隨后，科考隊員利用無人機進行航跡規(guī)劃拍攝、利用相機進行固定拍攝，成功獲取了冰舌末端和冰川整體的影像數(shù)據(jù) (圖2)。盡管有厚厚的積雪覆蓋，但冰川快速消融的痕跡清晰可見，尤其是冰舌末端明顯變薄，且有一定消退。末端的斜面可能是由于大塊冰體斷裂脫落形成。融水出流形成的河道位置也與2021年底科考時有所不同。
圖2 24K冰川影像：(a)高處冰舌；(b)冰舌末端
后期對無人機航拍影像進行重建，得到24K冰川冰舌部位的正射影像數(shù)字表面模型(DSM)(圖3)。與2021年底相比，24K冰川在兩年時間里消退了40?50 m，這一速度顯著快于之前的年份 (2005至2021之間平均為8.8 m/yr)。在后退的同時，冰舌末端也變薄了3?5 m，末端斜面位置變薄了12 m左右，這一消融速度同樣明顯快于之前的年份。這種異常消融過程由2022和2023年兩年極端異常的高溫和偏少的降水所造成。
圖3 24K冰川消退對比：(a)2021年11月航拍影像；(b)2023年12月航拍影像；(c)2021―2023年冰川厚度變化
2 米堆冰川
米堆冰川是課題組觀測最久的冰川，自2019年以來已經(jīng)有過5次考察。12月27日天氣晴好，科考隊員很順利地到達了米堆冰川山頂平臺，并沿著冰湖旁小路到達了冰舌側(cè)方向的平地?？瓶缄爢T在平地對米堆冰川冰舌進行了航拍，并在山頂平臺，冰湖旁平地等多個位置，架設(shè)三腳架進行了拍攝(圖4)。與夏季時考察相比，冰湖水位下降很多。冰川消融也比較明顯，近期斷裂的冰體仍漂浮在冰舌附近。冰舌東側(cè)原本是冰體的位置也已經(jīng)完全被湖水替代。在整個過程中，科考隊員能夠持續(xù)聽到山上碎石跌落的聲音和冰體碎裂的聲音，尤其是下午3點左右觀察到冰舌西側(cè)發(fā)出巨響，并冒出大量煙塵(圖4 d)。這應(yīng)該是由碎石跌落入冰舌的裂縫中所造成。
圖4米堆冰川影像：(a)?(c) 不同部位的米堆冰川影像；(d)巨響后冒出的煙塵
無人機影像后期建模結(jié)果顯示(圖5)：米堆冰川自2021年11月以來后退了大約70 m，一些位置甚至消退了80?100 m，冰川消退速度同樣顯著快于之前的年份(2005至2021之間平均為21.6 m/yr)，也顯著快于24K冰川冰舌消退速度。冰舌末端也形成了更多的裂隙。從厚度變化看，兩年間冰舌末端變薄了大約7 m，幾個新形成裂隙處的高程相比2021年甚至下降超過25 m。
圖5 米堆冰川航拍二維建模：(a)2021年11月航拍影像；(b)2023年12月航拍影像；(c)2021―2023年冰川厚度變化
結(jié)合衛(wèi)星影像(圖6)能夠更清楚地看到冰舌的后退以及冰湖的擴張，冰舌末端兩側(cè)近幾年逐漸消融，目前已經(jīng)被湖水包圍，可以預(yù)見，三面被水包圍的米堆冰川冰舌將會以更快的速度消融。同時也可以看到，米堆冰川冰舌在2019年前后由于側(cè)向流水侵蝕(同樣可能是由于該方向高海拔處的小冰川及積雪融化導(dǎo)致融水增多)形成凹陷。在之后的幾年間，凹陷發(fā)展為裂縫并不斷擴大，并在今年導(dǎo)致冰舌完全斷裂開(這個裂隙在2021年時，同樣也被科考隊員利用無人機觀測到)。目前斷裂的這部分冰舌很可能在接下來的幾年間逐漸消融殆盡，光謝錯這個冰湖也會進一步擴張。這個過程中需要采取工程措施加以防范，否則有可能造成嚴重的冰川災(zāi)害。
圖6 衛(wèi)星視角下的2018―2023年間米堆冰川消退及冰湖擴張情況
3 帕隆4號冰川
如果說24K冰川和米堆冰川的消融是可以預(yù)料的，那12月28日和29日考察的帕隆4號冰川的消融，則完全超出了想象。科考隊員在冰川舌前斷裂的冰塊、冰舌上的多個位置用相機進行了拍攝，用GPS記錄了冰舌的裂縫、凹陷、凸起等多個特征位置，并利用無人機規(guī)劃航跡拍攝了冰舌末端。顯著擴張的冰湖，破碎的冰舌，低矮的冰舌末端，漂浮在湖水中的巨大冰體，以及冰舌末端的凹坑和裂縫(圖7)，無一不在表明帕隆4號冰川最近兩年經(jīng)歷了十分嚴重的消融。
圖7 帕隆4號冰川影像：(a)帕隆4號冰川冰舌；(b)冰川上的冰磧物及風(fēng)吹雪；(c)無人機拍攝的冰舌末端及冰湖；(d)東側(cè)破碎的冰舌
2021年3月科考時，帕隆4號冰川末端的藍色冰柱讓科考隊員們印象深刻。但在這次科考中，當(dāng)年的藍色冰柱完全不見蹤影。當(dāng)年科考隊員需通過斜坡爬上冰舌，但現(xiàn)在可以從多個位置直接走上冰舌。無人機影像建模結(jié)果(圖8)顯示，帕隆4號冰川冰舌自2021年3月以來后退了大約120 m，后退的距離遠超24K冰川和米堆冰川。冰舌末端在兩年半多的時間里也變薄了大約20 m，一些凹坑處甚至變薄了將近30 m。除了最近兩年的極端高溫影響，末端快速擴張的冰湖也是帕隆4號冰川快速消融的重要原因。初步估計，在帕隆4號冰川前于2018年前后形成的冰湖，目前其面積已經(jīng)接近0.2 km2，這種擴張速度十分驚人。而且在冰湖的北方海拔稍低的位置，原本河道較寬的位置處也形成了一個較小的湖泊，這同樣說明帕隆4號冰川最近幾年的快速消融。
圖8 帕隆4號冰川航拍二維建模：(a)2021年3月航拍影像；(b)2023年12月航拍影像；(c)2021―2023年冰川厚度變化
在科考過程中科考隊員也注意到，冰舌末端有多個位置的末端斷面上覆蓋有大量沙塵(圖9 b?c)，這是由于一些游客將車輛開到離冰川很近的位置，天氣干燥時卷起大量塵土落到冰舌上。這種人為形成的表磧同樣會吸收大量熱量加速冰川消融。在科考過程中，科考隊員見到有三四輛車越過當(dāng)?shù)卮迕裨O(shè)置的鐵絲網(wǎng)直接將車開到冰舌前，其中一輛甚至在冰舌前幾米才緊急剎車制動，可以想象這如果發(fā)生在沒有雪時會卷起多少沙塵。發(fā)達的交通確實讓我們能夠近距離接觸美麗的冰川，但我們不能讓冰川因為游人的參觀而變得丑陋甚至更快的消失。我們也希望有關(guān)部門能夠規(guī)范冰川旅游、制定管理方案。盡管這些冰川的消融難以逆轉(zhuǎn)，但我們不希望因為更多的人類影響若干年后再也看不到美麗的藍冰！
圖9 帕隆4號冰川冰舌末端裂縫及斷面：(a)裂縫處的美麗藍冰；(b)?(c)覆蓋有大量沙塵的末端斷面
4 雅隆冰川及其冰前湖
12月29日下午，在考察完帕隆4號冰川后，科考隊員繼續(xù)趕往雅隆冰川進行考察。盡管雅隆冰川前的冰湖貢錯已經(jīng)結(jié)冰，且冰上有游客腳印，但持續(xù)的冰裂聲讓科考隊員放棄了從冰湖上直線走到冰舌的方案?？瓶缄爢T隨后在岸邊平坦處放飛無人機進行航拍，但無人機意外撞鳥嚴重損毀。找回?zé)o人機殘骸后，科考隊員進一步用相機在山腰小路拍攝了雅隆冰川冰舌和冰湖的照片，返回公路后到視野更好的村子路口固定相機拍攝了整個冰舌和冰湖(圖10)。
圖10 雅隆冰川冰舌及冰湖：(a)深入冰湖的冰舌；(b)冰湖上漂浮的巨大冰塊；(c)相機照片創(chuàng)建的雅隆冰川及冰湖全景圖
通過遠眺，科考隊員觀察到冰舌南北兩側(cè)后退較多且冰舌末端有所變薄，但受距離和山體遮擋影響難以獲取更多信息。結(jié)合衛(wèi)星影像分析(圖11)，科考隊員發(fā)現(xiàn)北側(cè)的冰舌已經(jīng)退縮到前幾年一個很小的冰上湖的位置，進一步對比Landsat影像發(fā)現(xiàn)，這個變化是今年夏天發(fā)生的。南側(cè)的冰舌也后退了很多，基本上和北側(cè)冰舌后退的距離相當(dāng)，但發(fā)生的時間更早。南側(cè)高海拔處小冰川融水匯入的地方也在2021年前后形成小型冰湖，目前正在迅速擴大，且有可能在未來一兩年內(nèi)和北側(cè)小冰湖一樣和貢錯相接。這些現(xiàn)象說明了雅隆冰川及附近小冰川也在經(jīng)歷著快速的消融。
圖11 衛(wèi)星視角下的2019―2023年間雅隆冰川冰舌消融及冰湖擴張情況
科考總結(jié)
本次藏東南冬季科考期間盡管氣溫較低，但天氣總體較好?？瓶缄爢T抓住機會，順利完成了科考任務(wù)。能夠在2023年這樣一個氣溫極為異常的年份，到極易受氣溫變化影響的藏東南海洋型冰川進行科考，具有重要的科學(xué)意義，給課題組2023年青藏高原第二次綜合科考工作畫上了圓滿的句號。通過近距離觀察接觸冰川，科考隊員更加深刻地認識到近兩年極端高溫對海洋型冰川造成的顯著影響。幾條冰川的后退速度和消融速度都遠超之前的年份，冰舌前冰湖的擴張速度也十分顯著。本次科考期間采集的實測數(shù)據(jù)，對改進相關(guān)遙感反演算法、優(yōu)化冰川水文模型、深化“冰川?湖泊?湖冰”耦合系統(tǒng)研究具有重要科學(xué)價值。
致謝：本次科考由“第二次青藏高原綜合科學(xué)考察”(2019QZKK0105)項目資助。
報告撰寫人：趙凡玉、王一鳴、崔英杰、龍笛
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2. 第二次青藏高原綜合科考——清華大學(xué)水利系遙感水文課題組2021年藏東南第二次科考(https://mp.weixin.qq.com/s/hfYvFch_GU9Sdhd5zFv3MQ)