西藏阿里地區(qū)大、小昂龍冰川變化觀測研究

陳艷輝，田立德，宗繼彪，朱大運，汪誠，靳勝強

（1.中國科學院青藏高原研究所青藏高原環(huán)境變化與地表過程重點實驗室，北京100101；2.中國科學院大學，北京100049；3.中國科學院青藏高原地球科學卓越創(chuàng)新中心，北京100101；4.貴州師范大學喀斯特研究院，貴州貴陽550001；5.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州貴陽550001）

0 引言

冰川融水是青藏高原及其周邊諸多河流的補給來源［1］，同時也是這些地區(qū)的主要淡水資源［2］。氣候變暖導致的冰川加速消融［3-6］對湖泊變化［7-10］、河流水資源［11-12］有著重要影響，并最終會影響海平面變化［13］。據估算，中國冰凍圈對海平面上升的潛在總貢獻量為0.14～0.16 mm·a-1，其中冰川貢獻量約為0.12 mm·a-1［14］，因而青藏高原冰川變化研究一直得到廣泛關注。

近幾十年來，青藏高原冰川面積、長度變化以退縮為主［1，15-19］，且部分冰川退縮幅度在加劇［1，20-23］。從空間變化來看，青藏高原南部冰川退縮較北部、西部強烈［15，24］，其中，喜馬拉雅山地區(qū)是冰川面積和長度退縮最快速的地區(qū)［1，25］。相較于青藏高原外緣冰川，內陸冰川退縮較?。?，24，26］。20世紀70年代至2009年間青藏高原內陸冰川面積減少了9.5%，平均每年減少0.27%［24］。在冰川退縮的同時，冰川冰儲量也在減少。中亞地區(qū)大部分冰川冰體呈虧損狀態(tài)［25，27-31］，喜馬拉雅地區(qū)是冰體虧損最為嚴重的地區(qū)［32］，且部分冰川在加速虧損［33-34］，而在喀喇昆侖山冰川則大致處于平衡狀態(tài)，甚至略有盈余［35］。總體而言，季風氣候區(qū)冰川面積、長度退縮和冰體虧損最為嚴重，而西風帶地區(qū)冰川面積、長度退縮較小，甚至冰川物質平衡為正，這很可能是由于印度季風區(qū)降水的減少和西風帶地區(qū)降水的增加導致的［3］。

阿里地區(qū)正是位于青藏高原西部印度季風與西風帶的交匯區(qū)域，因此阿里地區(qū)的冰川變化監(jiān)測有利于揭示上述青藏高原冰川變化的空間差異及原因。突發(fā)性冰川災害也使得阿里地區(qū)冰川變化備受關注［36］。遙感與野外實地觀測研究表明，青藏高原西部地區(qū)冰川處于較穩(wěn)定或者小幅前進狀態(tài)［3-4，37-38］，然而這一地區(qū)連續(xù)多年的地面觀測很是稀少，特別是針對冰川冰儲量變化的觀測數據仍有限。

從2013年開始，依托中國科學院阿里荒漠環(huán)境綜合研究站（33.39°N，79.70°E，海拔4 260 m），我們對阿里地區(qū)大、小昂龍冰川開展了連續(xù)2年（2014—2016年）的冰川變化觀測，包括冰川表面物質平衡、差分GPS高程變化測量，冰川表面流速和冰川末端變化的監(jiān)測，以及冰川雷達測厚。本文根據前述2014—2016年地面觀測數據，研究了大昂龍冰川的冰厚分布，小昂龍冰川的末端變化，兩個冰川表面流速變化，以及兩個冰川的表面物質平衡和差分GPS冰厚變化，并對比了大、小昂龍冰川物質平衡變化結果與差分GPS冰厚變化結果。

1 研究區(qū)概況

青藏高原西部地區(qū)位于印度河、雅魯藏布江、恒河的上游，該地區(qū)喜馬拉雅山、喀喇昆侖山冰川與高原內陸冰川共存，也是內流區(qū)域與外流區(qū)域的交界區(qū)域。獅泉河國家氣象站（32.50°N，80.10°E，海拔4 279 m）氣象觀測結果顯示，1961—2013年期間，年均溫和降水量分別為0.71℃和70.6 mm［38］，在過去的50年中，當地氣溫增加了1.5℃，降水在近兩年顯著增加［36］。

大、小昂龍冰川位于青藏高原西部阿里地區(qū)日土縣境內（圖1），兩個冰川相毗鄰，且皆呈南北走向。大、小昂龍冰川的中心位置坐標分別為32.84° N，80.92° E和32.85° N，80.90° E。大昂龍冰川整體分布在海拔5 620～6 430 m，冰川表面較平坦，但中間有冰川表面河分布。2015年長度和面積分別為4.7 km和6.66 km2。小昂龍冰川為典型的山谷冰川，整體分布在海拔5 730～6 450 m，海拔6 100 m以上為冰陡壁，表面相對平坦，末端有極少表磧覆蓋，2015年冰川長度和面積分別為2.6 km和1.50 km2。兩個冰川雖然僅僅隔了一個山脊而且走向相同，但冰川融水卻匯入不同的河流最終流入不同的流域：大昂龍冰川最終匯入內流區(qū)域，小昂龍冰川匯入印度河流域。

圖1 大、小昂龍冰川位置、實測數據測點（線）分布Fig.1 Map showing the studied region and the distribution of measured points or lines

2 數據和方法

2014—2016年期間，對大、小昂龍冰川開展了冰川雷達測厚，冰川表面物質平衡觀測，冰川表面差分GPS測量，以及冰川末端和表面流速的觀測。各項實測數據測點（線）分布如圖1所示。

2.1 冰川雷達測厚

2015年8月下旬采用加拿大SSI公司生產的Pulse Ekko 100型探地雷達（GPR）對大昂龍冰川進行了冰厚測量，2016年8月下旬又對其進行了補測，同時對小昂龍冰川中上部進行了測量。測量時選取剖面法，發(fā)射機和接收機同步移動的方式進行測量，其中天線間距和測點間距設定為4 m，天線頻率為100 MHz，雷達波在冰體中的平均波速取值為0.168 m·ns-1。在冰川厚度測量的同時，采用差分GPS對測點進行同步定位。在大昂龍冰川，雷達測厚的縱向測線大致是沿著主流線進行，由于冰川表面河的阻擋，橫向上主要由多段不連續(xù)的測線組成。在小昂龍冰川，測線主要由多段不連續(xù)的橫縱測線組成（圖1）。雷達實測數據的拼接、處理以及地形校正通過EKKO-View Deluxe軟件來完成。

2.2 冰川表面物質平衡觀測

2014—2016年每年8月下旬對大、小昂龍冰川開展了基于花桿法的物質平衡觀測。大昂龍冰川表面共有13根花桿（從低海拔至高海拔依次標記為H1～H13），分布在海拔5 600～6 150 m。小昂龍冰川表面共有7根花桿（從低海拔至高海拔依次標記為h1～h7），分布在海拔5 750～6 000 m。利用2015年9月1日的Landsat 8影像，采用人工矢量化的方法提取了冰川邊界。

對于整個冰川的年度物質平衡（Bn）的計算，采用等高線法。等高線法即將單點的物質平衡值繪制到大比例冰川圖上，繪制出整個冰川的積累和消融的等高線圖，相鄰等高線間的物質平衡值視為固定值，然后利用面積加權來計算整個冰川的物質平衡。其數學表達式如下：

式中：S為冰川面積；si、bi分別為相鄰等高線之間的面積和對應的物質平衡值。

2.3 冰川表面差分GPS測量

冰川表面差分GPS測量與冰川表面物質平衡觀測為同時開展。差分GPS通過在同一地點的重復測量可以準確反映該點的冰川厚度變化情況。冰川物質損失以水當量表示，由冰密度與冰厚變化的乘積確定，本研究中冰密度取0.9 g·cm-3。在2014年、2015年采用Starfire E3050型號差分GPS，2016年采用Starfire E3040型號差分GPS，兩種型號儀器垂直精度都小于0.1 m。經檢驗，將Starfire E3050差分GPS實測數據與拉薩國家標準地理點進行對比，結果誤差為6 cm［39］。兩個冰川表面測點都大致沿冰川主流線和按“之”字形分布（圖1）。

2.4 冰川末端位置和冰川表面流速測量

冰川表面流速和末端位置的觀測通過差分GPS定期對花桿和冰川末端位置進行測量來實現。實際測量情況如表1所示，其中大昂龍冰川末端靠緊鄰冰川湖，末端沒有連續(xù)觀測。

表1 大、小昂龍冰川末端位置和表面流速觀測情況Table 1 The observation of terminal position and surface velocity of the Large and Small Anglong Glaciers

2.5 冰川氣象觀測

氣象數據采用中國科學院阿里荒漠環(huán)境綜合觀測研究站2013年9月—2016年8月期間月均氣溫和月降水量數據。

3 結果與分析

3.1 冰川厚度

冰厚觀測結果顯示，大、小昂龍冰川實測最大冰厚度分別為216 m和190 m。大昂龍冰川雷達縱向測線所在剖面表面比較平緩（圖2），與水平面約呈6°夾角。由圖2可看出，冰下地形有兩個明顯的起伏，較高的一個凸起可能為被冰川作用磨蝕圓滑的冰坎，而且在該凸起高海拔一側出現了縱剖面的最厚點（距離冰川末端約2.47 km處），約195 m。同冰川表面相比，冰床起伏更為明顯。冰床雖然相對起伏，但起伏之間過渡圓滑，這也反映出冰川基巖長久受到冰川的強烈磨蝕和拔蝕等冰川作用。從整體上看，大昂龍冰川表面地形與冰床地形并不呈明顯的對應關系，說明冰下地形起伏對冰層的擾動在接近冰面時被減弱了。

圖2 經過地形校正后的大昂龍冰川GPR縱剖面Fig.2 The flowline profile of the Large Anglong Glacier measured by GPR

根據前述冰厚測量數據，將所有測量點保存為｛X，Y，D｝樣式，其中，X、Y為平面坐標，D為冰川厚度，然后利用ArcGIS 10.3地統(tǒng)計分析模塊對大昂龍冰川的冰厚進行了插值計算（圖3），估算整個冰川平均冰厚度約為67.9 m，冰儲量為0.452 km3。

圖3 大昂龍冰川冰厚分布Fig.3 Ice thickness distribution of the large Anglong Glacier

3.2 冰川表面物質平衡

圖4 為根據大、小昂龍冰川花桿觀測結果計算的冰川單點物質平衡隨海拔變化。大昂龍冰川2014/2015年和2015/2016年零平衡線高度分別約為5 946 m和5 980 m。小昂龍冰川零平衡線高度在2014/2015年為5 944 m。在2014—2016年大昂龍冰川物質平衡梯度有所增加，小昂龍冰川則減小。

在2014/2015年和2015/2016年，大昂龍冰川物質平衡分別為40 mm w.e.和-280 mm w.e.，小昂龍冰川分別為62 mm w.e.和-462 mm w.e.。圖5是兩個冰川物質平衡與平衡年的曲線圖?？梢钥闯?，在2014—2016年大昂龍冰川物質平衡相對變化較小，而小昂龍冰川變化相對較大；在2014/2015年兩個冰川的物質平衡值都較小，都在70 mm w.e.以內，而在2015/2016年兩個冰川物質平衡都發(fā)生了較明顯的下降。

3.3 冰川厚度變化

差分GPS測得的沿大、小昂龍冰川縱剖面的冰川厚度變化如圖6所示。在2014/2015年、2015/2016年大昂龍冰川沿主流線所在剖面冰厚分別平均減薄了0.016 m和0.997 m；小昂龍冰川沿主流線剖面在同期分別增厚0.031 m和減薄0.632 m。在先后兩個平衡年間，大昂龍冰川冰厚減薄趨勢大致相同，都表現為距離末端越遠厚度減薄越少，而小昂龍冰川只在第一個物質平衡年表現為同樣趨勢，在下一年度冰厚減薄則主要發(fā)生在冰川中部。

為了估算兩個冰川冰厚整體變化，我們去掉了冰川末端個別的極端測量值以及所有距離冰川邊界30 m以內的測點觀測值。結果顯示大昂龍冰川在2014/2015年期間平均減薄了24 mm w.e.，在2015/2016年平均減薄了911 mm w.e.；小昂龍冰川在相同的時間內分別平均增厚了28 mm w.e.和減薄了567 mm w.e.。考慮到儀器誤差，并假設冰密度為0.9 g·cm-3，以上計算結果誤差為±90 mm w.e.。

3.4 花桿物質平衡測量與差分GPS測量結果的對比

圖4 大、小昂龍冰川物質平衡隨海拔的變化Fig.4 The mass balances on the Large（left）and Small（right）Anglong Glaciers changing with altitude

圖5 大、小昂龍冰川2014—2016年物質平衡觀測結果Fig.5 The observed mass balances on the Large and Small Anglong Glaciers（2014—2016）

根據以上研究，對花桿測量方法與差分GPS測量方法的結果進行了比對（圖7）。在大、小昂龍冰川，利用差分GPS觀測到的2014—2016年期間物質損失比花桿法觀測的物質損失大，而且大昂龍冰川先后兩個平衡年的差分GPS觀測結果的變化幅度明顯大于花桿法觀測結果的變化幅度，小昂龍冰川二者的變化則較為一致。

表2 為大、小昂龍冰川及青藏高原其他地區(qū)部分冰川物質平衡觀測結果與差分GPS觀測結果的對比。2014—2016年在大、小昂龍冰川利用差分GPS觀測到的平均每年物質損失分別是（442±90）mm w.e.和（265±90）mm w.e.，利用花桿法在同時段觀測到的兩個冰川平均每年物質損失分別是72 mm w.e.和219 mm w.e.。兩個冰川差分GPS觀測結果與花桿物質平衡法觀測結果相比，差分GPS觀測到物質損失速率更大。

圖6 2014/2015年、2015/2016年大、小昂龍冰川厚度變化Fig.6 Glacier thickness changes with distance on Large（left）and Small（right）Anglong Glaciers during 2014/2015 and 2015/2016（The direction is along the flowline from low altitude to high altitude with the lowest point as the starting point）

3.5 冰川面積及末端位置

對比2000年11月2日Landsat 7影像和前述2015年遙感影像，發(fā)現在15年間大昂龍冰川面積由6.92 km2減少到6.66 km2，減少了3.8%，末端總共退縮78 m，平均每年退縮5.2 m；小昂龍冰川面積由1.58 km2減少到1.50 km2，減少了5.1%，末端總共退縮54 m，平均每年3.6 m。

圖7 大、小昂龍冰川表面物質平衡觀測結果與差分GPS冰厚變化觀測結果的對比（2014—2016年）Fig.7 Mass balances on the Large（left）and Small（right）Anglong Glaciers（2014—2016）observed with differential GPS and posts

表2 花桿物質平衡觀測結果與差分GPS觀測結果的對比Table 2 Thinning rates of the five glaciers in the Tibetan Plateau，observed with differential GPS and posts

圖8 為小昂龍冰川2014—2016年期間末端的差分GPS觀測結果，該冰川在2014—2015年前進了11 m，在2015—2016年后退了34 m。為了驗證小昂龍冰川末端位置在短期內發(fā)生大幅度變化是否具有一般性，對比了2015年9月1日和2016年9月3日研究區(qū)的Landsat 8遙感影像，發(fā)現小昂龍冰川末端位置在2015/2016年發(fā)生了肉眼可辨的明顯退縮，而在周圍十余條冰川僅通過遙感影像來判斷并未發(fā)現明顯退縮，甚至無法判斷退縮與否，因此小昂龍冰川末端位置在短期發(fā)生大幅度變化并不具有一般性，應該與其自身特性等因素有關。

3.6 冰川表面流速

花桿點位置的差分GPS重復測量結果顯示（圖9），大、小昂龍冰川在2015/2016年表面平均流速分別為4.4 m·a-1和2.3 m·a-1。冰川表面流速在不同的位置不同，小昂龍冰川流速隨著海拔增高持續(xù)增加，而大昂龍冰川在H6號花桿附近出現流速最大值。在2014/2015年只有大昂龍冰川H4號花桿有差分GPS定位記錄，期間H4號花桿處冰川表面平均流速為3.8 m·a-1。H4號花桿位置處2015/2016年表面流速為4.2 m·a-1，較上一年增加了10.5%。

圖8 2014—2016年小昂龍冰川末端進退變化Fig.8 Terminal of the Small Anglong Glacier in 2014，2015 and 2016

圖9 大、小昂龍冰川表面流速Fig.9 Surface longitudinal flow velocity profiles of the Large and Small Anglong Glaciers

4 討論

西藏阿里地區(qū)大、小昂龍冰川過去連續(xù)2年的花桿物質平衡和差分GPS同步觀測，冰川表面流速觀測，末端變化觀測以及雷達測厚工作，可以為冰川對氣候變化的響應，以及冰川變化的水文效應研究提供基礎數據。

降水和氣溫是影響冰川變化的兩個主要因素［41］。降水的增加有助于冰川的積累，溫度的升高（尤其夏季氣溫的升高）有助于冰川的消融。阿里站氣象數據表明，在2014/2015年當地降水量為114.23 mm，較上一年增加了43.83 mm（62%），而年均氣溫與上一年大致一致，增加了不到0.1℃。2015年夏季（6—8月）平均氣溫為11.92℃，較2014年低了0.86℃。因此可以把2014/2015年大、小昂龍冰川物質平衡為正歸因于該年度當地降水量的增加和夏季氣溫的降低。在2015/2016年當地降水量為137.18 mm，較2014/2015年度增加了23 mm（20%），年均溫較2014/2015年增加了1.0℃。2016年夏季平均氣溫為13.86℃，較2015年升高了1.94℃。研究表明，每年的降水量需要增加25%才能抵消因氣溫升高1℃所造成的冰川消融［41-42］，因此2015/2016年較2014/2015年增加的降水不足以抵消期間氣溫升高所造成的冰川消融，所以認為2015/2016年大、小昂龍冰川的消融主要是該年度夏季氣溫升高導致的。

本研究中由差分GPS觀測到的物質損失速率大于由花桿物質平衡觀測到的結果，在青藏高原其他地區(qū)冰川，比如在古仁河口冰川、抗物熱冰川、納木那尼冰川（北支），也有類似結果［3，39-40］（表2），兩種方法的結果在納木那尼（北支）相差64%，抗物熱僅有15%，而在古仁河口相差342%。極地冰川（冰架）變化研究表明，動力原因會造成冰川冰體的虧損［43-44］，因此由冰川表面物質平衡與差分GPS觀測的原理可知，冰川流動可能在上述差異中扮演了一定角色［39］。此外，由于差分GPS測點未能布滿整個冰川表面，冰川頂部數據稀少，尤其是大昂龍冰川頂部，而一般而言冰川厚度的減薄隨海拔的上升是減少的，因此差分GPS觀測到的冰厚變化對實際冰厚變化可能有一定的高估。

冰川表面流速的增加會導致冰排泄量增加，進而導致冰川快速的減?。?3，45］。2015/2016年小昂龍冰川沿主流線方向的冰厚減薄主要發(fā)生在中部（圖6），可能也正是冰川表面流速增加較大的區(qū)域。2015/2016年大昂龍冰川H4花桿處表面流速相較上一年增加了10.5%，這在一定程度上也反映了整個冰川在2014—2016年間表面流速有所增加，因此我們認為2015/2016年冰川表面流速的增加是該年度在大昂龍冰川表面物質平衡與差分GPS觀測到的物質虧損差異較大的主要原因之一。另外，由于在大昂龍冰川差分GPS測點主要位于冰川的中下部，而且2015/2016年大昂龍冰川消融增強，冰川下部消融強烈，因此在該年度僅通過大昂龍冰川中下部測得的厚度變化很可能高估了實際值。從小昂龍冰川的觀測結果可以看出，由于冰川花桿與差分GPS的觀測點相一致，且基本上覆蓋了整個冰川，冰川表面物質平衡與差分GPS的觀測結果相近。

由于實測資料有限，我們的結果有待后續(xù)更長時間尺度，甚至更具有代表性冰川的實地觀測結果加以檢驗。

5 結論

2014—2016年期間，在西藏阿里地區(qū)大、小昂龍冰川開展了冰川表面物質平衡與差分GPS冰川厚度變化同步測量工作，以及冰川末端、冰川表面流速觀測和冰川雷達測厚工作。取得的觀測結果如下：

（1）大昂龍實測最大厚度為216 m，冰川平均冰厚為67.9 m，根據雷達測厚數據插值計算的冰川儲量為0.452km3，小昂龍冰川實測最大厚度為190 m。2014—2016年間，小昂龍冰川先前進了11 m，之后又退縮了34 m，兩年內平均每年退縮11.5 m。

（2）2015/2016年，大昂龍冰川和小冰川表面平均流速分別為為4.4 m·a-1和2.3 m·a-1，其中昂龍大冰川表面平均流速較上一物質平衡年增加了10.5%。

（3）冰川表面物質平衡結果顯示，2014—2016年間，大昂龍冰川零平衡線由5 946 m上升到5 980 m，且平均以每年72 mm w.e.的速率減?。恍“糊埍ㄔ?014/2015年零平衡線高度為5 944 m，且平均以每年219 mm w.e.的速率減薄。差分GPS觀測結果顯示，2014—2016年大、小昂龍冰川分別以每年（442±90）mm w.e.和（265±90）mm w.e.的速率減薄。在大、小昂龍冰川利用差分GPS觀測到的平均物質損失速率均大于花桿法觀測到的平均物質損失速率。