基于REMA數(shù)據(jù)的東南極達(dá)爾克冰川表面塌陷研究

劉婷婷，丁銳，艾松濤，張保軍，王澤民

中國南極測繪研究中心 武漢大學(xué),武漢 430079

1 引言

在冰川動力學(xué)研究中，冰川表面塌陷是空間尺度較小、突發(fā)性較強(qiáng)的地貌變化過程（張寶鋼等，2019）。塌陷周圍通常發(fā)生表面融水或冰下湖融水的匯聚與排泄，導(dǎo)致冰川受到強(qiáng)烈的彎曲應(yīng)力而塌陷（Mellor，1960；MacAyeal 和Sergienko，2013），這表明塌陷與冰川的水文過程存在密切的聯(lián)系（Moore，1993；Howat 等，2015；Popov 等，2017）。塌陷后形成的冰坑（ice doline）可能成為冰川表面融水快速排入海洋的入口（Fricker 等，2002；Glasser 和Scambos，2008），引起冰流速加快（Tuckett 等，2019）、冰川表面物質(zhì)損失加?。˙evan 等，2015）。因此，監(jiān)測塌陷的形成與演化對于研究冰川物質(zhì)平衡、評估冰川穩(wěn)定性具有重要意義（Warner等，2021）。

自1940 年有文獻(xiàn)詳細(xì)記載南極半島格雷厄姆地的表面塌陷以來（Stephenson 和Fleming，1940；Reynolds，1983），南北極冰蓋均發(fā)生了多次不同程度的表面塌陷，包括拉森冰架（Williams 和Ferrigno，1988；Bindschadler 等，2002）、羅斯冰架（Fricker 等，2007）和埃 默里冰架（Mellor，1960；Warner 等，2021）等。由于塌陷發(fā)生的時間和位置具有不確定性，難以開展塌陷的現(xiàn)場實(shí)時觀測，多數(shù)是在塌陷發(fā)生后觀測。高空間分辨率遙感對地觀測技術(shù)的出現(xiàn)為冰面精細(xì)觀測提供了新的手段（秦大河 等，2017；車濤 等，2020）。Bindschadler 等（2002）采用1 m 分辨率的IKONOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析拉森B冰架表面塌陷的過程與成因。Howat 等（2015）利用Landsat 7、Worldview-1 和ICESat 等數(shù)據(jù)研究格陵蘭冰蓋一處深度70 m、直徑1.5—2 km 的圓形塌陷，并展示了表面融水匯聚后突然排放引起塌陷的觀測證據(jù)。張寶鋼等（2019）和Popov 等（2017）分別利用無人機(jī)影像監(jiān)測東南極達(dá)爾克冰川附近的塌陷和冰面水系，指出冰面和冰下水文過程對塌陷發(fā)生的驅(qū)動作用。近年，Warner 等（2021）利用2 期Worldview 衛(wèi)星數(shù)據(jù)生成的地表數(shù)字高程模型DEM（Digital Elevation Model）和ICESat-2 測高數(shù)據(jù)觀測埃默里冰架一處塌陷，結(jié)果顯示塌陷中央的深度達(dá)80 m，水體損失體積達(dá)600×106m3。這項(xiàng)研究表明，利用DEM 數(shù)據(jù)研究冰表面塌陷的演化過程具有可行性。

高空間分辨率的南極DEM 產(chǎn)品較少，且現(xiàn)有產(chǎn)品的大多數(shù)據(jù)在坡度陡峭區(qū)或冰蓋邊緣區(qū)的精度較低（肖峰 等，2017；陳昊楠 等，2020）。激光測高衛(wèi)星（如ICESat、ICESat-2）和航空平臺（如冰橋計劃）能獲得局部地區(qū)的高精度表面高程數(shù)據(jù)，但無法覆蓋全南極（馮準(zhǔn)準(zhǔn) 等，2013）。南極參考高程模型REMA（The Reference Elevation Model of Antarctica）是基于多種高空間分辨率光學(xué)影像（包括GeoEye-1 和Worldview 系列）采用光學(xué)立體測圖技術(shù)生成的南極地表時序高程模型。REMA 數(shù)據(jù)的時間范圍為2011 年—2017 年，最高空間分辨率為2 m，高程絕對精度優(yōu)于1 m（Howat等，2019）。Dunmire等（2020）利用2期REMA 監(jiān)測毛德皇后地一處冰下湖排水引起的表面高程變化，結(jié)果顯示表面高程平均降低了2.56±0.53 m，與探地雷達(dá)觀測的冰下湖平均水深（2.2 m）一致。Indrigo 等（2021）基于流體靜力學(xué)平衡假設(shè)，利用5期REMA 數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到了羅斯海德里加爾斯基冰舌的冰厚數(shù)據(jù)，并分析冰舌表面裂隙的傳播過程。Cheng 等（2021）利用2 期REMA 監(jiān)測威德爾海布倫特冰架1 號裂隙在2012 年—2017 年的空間結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果顯示1 號裂隙寬度增大了0.25 km但深度僅變化了0.4—0.7 m。因此，以上研究均證明REMA 數(shù)據(jù)不僅可以用于長期精細(xì)化地監(jiān)測南極冰架冰川的表面高程變化，還可以用于觀測冰架冰川的小尺度表面地形特征。

達(dá)爾克冰川是一支位于東南極拉斯曼丘陵附近的溢出冰川，在2000 年—2020 年發(fā)生了多次前緣崩解（Chen 等，2020b），其中2016 年的崩解面積達(dá)到2.19 km2。達(dá)爾克冰川在2013 年和2017 年發(fā)生了兩次表面塌陷，張寶鋼等（2019）和Popov 等（2017）對2017 年的表面塌陷進(jìn)行了監(jiān)測，而2013年的表面塌陷目前還沒有相關(guān)研究。圍繞東南極達(dá)爾克冰川在2013 年發(fā)生的表面塌陷（圖1-Ⅱ區(qū)），利用11 期REMA 數(shù)據(jù)研究塌陷區(qū)域在2011年—2016年的高程變化，并利用Landsat 7/8和Worldview-2 影像分析塌陷區(qū)域的表面特征，最后結(jié)合海水溫度數(shù)據(jù)、自動氣象站觀測資料和南極地表凍融數(shù)據(jù)集對塌陷形成的可能原因進(jìn)行討論和分析。

圖1 研究區(qū)域（底圖為快鳥影像，獲取時間為2011年1月4日。藍(lán)框Ⅰ和Ⅱ分別表示2017年、2013年表面塌陷發(fā)生的位置。紅線為基于MODIS的南極接地線產(chǎn)品（https：//nsidc.org/data/moa/［2021-12-07］））Fig.1 Study area（The blue box Ⅰ and Ⅱ show the locations of surface depression in 2017 and 2013，respectively.The red line denotes the grounding line acquired from the Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）Mosaic of Antarctica 2003-2004（https：//nsidc.org/data/moa/［2021-12-07］））

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域

達(dá)爾克冰川位于東南極拉斯曼丘陵東側(cè)，距離中山站不足5 km，匯入普里茲灣（圖1）。達(dá)爾克冰川是一條典型的溢出冰川，寬約3.3 km，長約15 km，冰川前緣年平均冰流速為150—250 m·a-1（Chen 等，2020b）。達(dá)爾克冰川分別在1988 年、2006年、2009 年、2016 年發(fā)生了大規(guī)模崩解，引起冰川末端冰流速加快約12%（Chen 等，2020b）。2017 年1 月29 日，達(dá)爾克冰川西側(cè)（圖1 中Ⅰ區(qū)）發(fā)生塌陷，塌陷深度達(dá)到43 m，塌陷面積為40260 m2。多次的前緣崩解和表面塌陷表明，達(dá)爾克冰川存在局部不穩(wěn)定性。通過目視判讀達(dá)爾克冰川時序遙感影像，發(fā)現(xiàn)該冰川在2013 年也發(fā)生了一次表面塌陷（圖1 中Ⅱ區(qū)），塌陷區(qū)域位于達(dá)爾克冰川東側(cè)接地線附近，距離冰川前緣約5 km，冰流速約為130 m·a-1，冰厚約為209 m（Fretwell等，2013）。2011年的快鳥影像顯示，該區(qū)域存在橢圓形狀的邊界特征，并且周圍分布著大量的冰裂隙和冰褶皺。

2.2 數(shù)據(jù)

2.2.1 REMA數(shù)據(jù)

REMA 是由美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的極地地球空間中心和俄亥俄州立大學(xué)的伯德極地和氣候研究中心聯(lián)合發(fā)布的全南極DEM。該數(shù)據(jù)主要利用Worldview 和GeoEye 等亞米級分辨率的商業(yè)衛(wèi)星影像作為立體像對，采用光學(xué)立體測圖技術(shù)制成南極DEM（耿通 等，2021）。REMA 可以達(dá)到2 m 或8 m 的空間分辨率，是目前公開發(fā)布的空間分辨率最高的南極DEM 產(chǎn)品。Howat 等（2019）利用冰橋計劃中的高程數(shù)據(jù)驗(yàn)證了REMA 的精度，高差中位數(shù)、68%線性誤差和90%線性誤差分別為-0.16 m、0.77 m和1.25 m。除了全南極DEM 產(chǎn)品，REMA還根據(jù)經(jīng)緯度和成像時間發(fā)布了南極的條帶DEM。由于衛(wèi)星重訪周期、南極極夜和云層遮擋等的影響，REMA 在達(dá)爾克冰川區(qū)域Ⅱ共有11 期可用的條帶DEM（表1），集中在每年的9 月至次年的4月，空間分辨率均為2 m。

表1 覆蓋達(dá)爾克冰川的REMA數(shù)據(jù)（2011年—2016年）Table 1 REMA strip DEMs used on Dalk Glacier surface depression during 2011—2016

由于REMA 的條帶DEM 產(chǎn)品沒有進(jìn)行絕對高程控制（Cheng 等，2021），利用第22 次中國南極考察隊在達(dá)爾克冰川花桿觀測時布設(shè)的控制點(diǎn)，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對高程校正。在18期花桿觀測中，有3 期觀測與REMA 的時間接近，分別相差1 d、5 d、19 d，每期分別有6支花桿的高精度點(diǎn)位數(shù)據(jù)（Ai等，2019）。因此，利用這3期花桿的點(diǎn)位數(shù)據(jù)對部分REMA 在達(dá)爾克冰川的高程精度進(jìn)行評估。表2 顯示REMA 數(shù)據(jù)的絕對高程誤差小于1 m，且標(biāo)準(zhǔn)差在1 m 左右。Zhang 等（2012）和Zhang 等（2020）指出，南極冰流速較快的入海冰川（如松島冰川、托騰冰川和蘭伯特冰川）表面高程變薄速率大于1 m·a-1，表明REMA 具有監(jiān)測南極地表微小起伏變化的能力，可以用于監(jiān)測達(dá)爾克冰川塌陷區(qū)域的演化過程。

表2 基于花桿實(shí)測高程的REMA絕對高程精度Table 2 Accuracy statistics of REMA based on in-situ stakes’ elevations

2.2.2 光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)

利用2013 年—2017 年南半球夏季的11 幅Landsat 系列衛(wèi)星影像（表3），分析達(dá)爾克冰川的表面特征及變化，例如水文特征和邊緣特征等。Landsat 系列衛(wèi)星是由美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)射的對地觀測衛(wèi)星，其中Landsat 7（1999 年4 月15 日發(fā)射）和Landsat 8（2013年2月11日發(fā)射）均可提供30 m空間分辨率的多光譜影像，重訪周期為16 d（Roy等，2014）。Landsat 7 搭載的增強(qiáng)型專題制圖儀ETM+（Enhanced Thematic Mapper）在2003年發(fā)生掃描線校正器故障，之后獲取的光學(xué)影像存在數(shù)據(jù)條帶丟失。受到云影遮擋的影響，部分Landsat影像亮度較暗，但不影響表面特征的識別。綜合利用Landsat 系列衛(wèi)星影像，可以跟蹤研究塌陷區(qū)域的演化、變形以及冰面水系的發(fā)育過程（Warner等，2021）。

表3 光學(xué)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)列表Table 3 Optical satellite images used in this study

此外，選取了表面塌陷發(fā)生前后的2 幅Worldview-2 衛(wèi)星影像，用于塌陷區(qū)域內(nèi)冰面地形的解譯和判讀（表3）。Worldview-2 是由美國DigitalGlobe 公司在2009 年10 月6 日發(fā)射的高空間分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星，提供0.5 m 空間分辨率的全色圖像和2 m空間分辨率的多光譜圖像。將全色波段與多光譜波段進(jìn)行波段融合，可以得到空間分辨率為0.5 m 的真彩色影像。針對Worldview-2 影像存在的色彩失真問題，以2012 年10 月20 日的Worldview-2 影像為參考，對2013 年9 月18 日的Worldview-2 影像進(jìn)行直方圖匹配。利用色彩調(diào)整后的高空間分辨率光學(xué)影像，可以準(zhǔn)確識別冰川表面的地貌特征和邊界范圍。

3 結(jié)果

利用校正后的11 期REMA 數(shù)據(jù)監(jiān)測2011 年—2016 年達(dá)爾克冰川塌陷區(qū)域的表面高程及變化（圖2）。在塌陷發(fā)生前，塌陷區(qū)域中部（圖2（b）的淺綠色區(qū)域）的高程范圍是80—90 m，平均高程為84.69 m。REMA 數(shù)據(jù)顯示中部表面高程比四周低，而且中部沒有等高線，南側(cè)等高線密集，北側(cè)等高線稀疏。這表明相比于四周，中部是底部地形較為平坦的盆地。對比2012 年10 月20 日和2013 年11 月7 日的表面高程可知，表面高程在2012 年—2013 年突然降低，最大降幅為45.29 m，平均降幅為15.09 m。塌陷發(fā)生時，冰坑的高程變化具有較大的空間差異性：冰坑中部（圖2（j）的淺色區(qū)域，平均高程為43.90 m）是高程降幅最大的區(qū)域，平均降幅為38.71 m，高程降幅的標(biāo)準(zhǔn)差為1.49 m，表明冰坑中部在空間上具有均勻的高程變化特征；冰坑南側(cè)和西側(cè)的高程變化呈梯度分布，高程減小值分布在0—35 m，西側(cè)冰面高程的坡度大于南側(cè)；冰坑?xùn)|側(cè)的坡度最大，表面高程由45 m快速增加至90 m。在冰坑外圍，冰川表面高程反而有一定的增加，最大增幅為11.60 m，平均增幅為3.93 m，高程增加區(qū)域圍繞著冰坑呈環(huán)狀分布，這與Warner 等（2021）觀測的埃默里冰架上冰坑外側(cè)的地形隆起特征類似。

圖2 研究區(qū)域（圖1中Ⅱ區(qū)）的表面高程及變化（2011年2月9日—2016年12月21日）Fig.2 Surface elevations and changes in study area from February 9，2011 to December 21，2016

在塌陷發(fā)生前的2011 年—2012 年，表面高程變化很小，而且中部（圖2（d）的淺綠色區(qū)域）較為平坦，中部的地勢低于四周，融水容易在此匯聚。在塌陷發(fā)生后的2013 年—2016 年，冰坑的表面高程不斷增加，但增幅逐年減小，2013 年—2014 年高程最大增幅為40.05 m，高程平均增幅為6.78 m，冰坑外的表面高程的變化幅度很小，高程平均降幅為0.20 m。與塌陷前（時間取2011 年10 月4 日）對比，2016 年9 月14 日的塌陷區(qū)域中部高程的平均降幅為2.21 m，其余區(qū)域高程的平均增幅為2.62 m，整個區(qū)域高程的平均變化僅為0.21 m，表明在2016年冬季表面高程與塌陷前基本一致。

進(jìn)一步分析塌陷區(qū)域沿冰川運(yùn)動方向和垂直運(yùn)動方向（圖2（a）斷面AB 和CD）的高程變化（圖3）。由圖3可知，斷面AB和CD分別有一段“平臺（floor）”區(qū)，平臺區(qū)即冰坑內(nèi)表面坡度較小的區(qū)域。斷面AB的平臺區(qū)距離A點(diǎn)1000—2000 m，平均坡度為0.06°；斷面CD 的平臺區(qū)距離C 點(diǎn)500—700 m，平均坡度為0.17°。表面塌陷發(fā)生后，AB平臺區(qū)的表面坡度變化仍然較小，這表明平臺區(qū)可能發(fā)生了均勻的沉降。2012 年10 月—2013 年11月，塌陷發(fā)生后斷面AB 平臺區(qū)的平均高程減少了39.17 m。隨后，平臺區(qū)的表面高程逐漸回升，分別增加23.98 m（2013 年11 月—2014 年9 月）、7.82 m（2014年9月—2015年4月）、2.35 m（2015年4 月—2015 年10 月）和2.07 m（2015 年10 月—2016 年9 月）。由于缺少REMA 數(shù)據(jù)，2016 年9 月后，該區(qū)域高程的變化情況未知。

圖3 塌陷區(qū)域表面高程剖面圖（灰色表示斷面上的冰坑，粉色表示冰坑內(nèi)的平臺區(qū)，斷面AB和CD的位置見圖2（a））Fig.3 The profiles of surface elevation in the depression（Gray areas represent ice doline in the profiles，and pink areas represent the floor in ice doline.The profiles AB and CD are shown in Fig.2（a））

斷面AB 和CD 在冰坑內(nèi)非平臺區(qū)的表面坡度變化較大，尤其在距離C 點(diǎn)700—800 m，冰川表面在塌陷后形成了高約45 m、最大坡度約53°的冰坡（圖3（c））。塌陷過程中，斷面AB 在冰坑外的高程變化較小，平均增加了0.73 m（圖3（a）），斷面CD 在冰坑外的高程變化較大，平均增加了5.56 m（圖3（c））。綜合上述冰坑平臺區(qū)、冰坑邊緣區(qū)、冰坑外的表面高程變化特征，說明達(dá)爾克冰川表面塌陷的三層嵌套結(jié)構(gòu)：冰坑中部發(fā)生均勻沉降、冰坑邊緣區(qū)形成冰坡，冰坑外東西側(cè)地形隆起大而南北側(cè)地形隆起小。此外，塌陷發(fā)生后，斷面AB 和CD 在冰坑內(nèi)的表面高程不斷增加，但是在冰坑外卻保持穩(wěn)定（圖3（b）、（d））。

4 討論和分析

4.1 塌陷過程分析

利用2013年—2017年南半球夏季的Landsat系列光學(xué)影像展示塌陷過程中的表面特征，如圖4所示。2013 年1 月19 日，西側(cè)和南側(cè)存在表層融水聚集（moat），融水分布范圍比其他年份大，說明2013 年1 月發(fā)生了相對強(qiáng)烈的表面融化。2013 年2月20日，表層融水消失，表面紋理沒有發(fā)生顯著變化，說明此時研究區(qū)域保持穩(wěn)定。2013年11月—2014 年2 月，影像中冰坑的東北側(cè)存在狹長的陰影條帶。該陰影是由東北方向、低太陽高度角的太陽光照射在冰坑?xùn)|側(cè)冰坡形成的（康婧 等，2017），同時證實(shí)了2013年11月冰川表面塌陷已經(jīng)發(fā)生。遙感影像顯示，冰川表面在塌陷發(fā)生后一直存在相似度很高的線狀邊緣特征，直至2016 年1 月線狀邊緣和陰影特征都不明顯，這也再次證明冰坑持續(xù)存在了4年。通過對后續(xù)Landsat 8影像的目視判讀可知，該區(qū)域再未發(fā)生塌陷事件。

圖4 研究區(qū)域的表面特征（2013年—2017年南半球夏季）（Landsat 7影像，白色部分為掃描條帶故障造成的數(shù)據(jù)丟失區(qū)；Landsat 8影像，由于受到了云影的影響而比較暗）Fig.4 Surface features in study area during each austral summer between 2013 and 2017（Landsat 7 images over the depression.The white areas are data gaps due to the Scan Line Corrector failure.Landsat 8 images over the depression.The image is a little dark due to cloud shadows）

2013 年—2016 年，達(dá)爾克冰川冰坑內(nèi)的表面高程逐年增加，并恢復(fù)至塌陷前的高度，表明冰坑在此期間獲得了持續(xù)的物質(zhì)補(bǔ)給。由REMA 數(shù)據(jù)可知，2015 年4 月16 日至10 月6 日冰坑內(nèi)的高程增幅平均為1522.1 mm。根據(jù)沈輝等（2017）的研究，達(dá)爾克冰川同期的降水量約為126.9 mm。利用冰雪熱力學(xué)模式HIGHTSI 中降水量與積雪深度的關(guān)系（尹豪 等，2021），反演出降雪引起的積雪深度為492.8±57 mm。由此可見，降雪僅占冰坑物質(zhì)補(bǔ)給的32.38%。根據(jù)Zwally等（2015）、Engel等（2018）和Mallinson 等（2019）的研究，其余物質(zhì)補(bǔ)給可能來源于冰川表面融水匯聚、風(fēng)吹雪導(dǎo)致的雪遷移和冰下水文過程等。

利用兩景Worldview-2 真彩色合成影像（獲取時間為2012 年10 月20 日和2013 年9 月18 日），分析塌陷發(fā)生前后的冰川表面紋理特征，如圖5 所示。塌陷發(fā)生前，塌陷區(qū)域像元亮度比周圍的冰雪像元偏暗，表明塌陷區(qū)域表面分布著巖石（Burton-Johnson等，2016）。但是塌陷區(qū)域內(nèi)的巖石像元表面有透明的薄冰特征（圖5（a）），不同于常見的裸巖像元（Lu等，2018）。這可能是由于塌陷區(qū)域的融水再次凍結(jié)后形成了一層冰被（ice lid）覆蓋在巖石上（Bindschadler等，2002）。塌陷發(fā)生后，冰坑被積雪和冰體覆蓋，原有的巖石和冰被已經(jīng)不可見（圖5（b））。局部上，冰坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)是冰坡，表面整齊光滑；西側(cè)是冰瀑（icefall），表面紋理破碎不連續(xù)、沿南北方向延伸。這表明，表面塌陷發(fā)生后，東側(cè)和南側(cè)冰體雖然發(fā)生了彎曲但并沒有斷裂，而西側(cè)冰體可能不僅出現(xiàn)斷裂，而且受重力作用剝落、堆積形成了冰瀑（Petlicki，2018）。此外，結(jié)合Landsat 7 影像的融水特征和Worldview-2 影像的陰影條帶可知，冰川表面塌陷是在表面融水消失后發(fā)生的，具體時間在2013 年2月—2013年9月，即南半球的夏季末至冬季。

圖5 研究區(qū)域的表面地形特征（（a）（b）均融合了Worldview-2的全色波段和多光譜波段，空間分辨率為0.5 m）Fig.5 Surface topographic feature in study area（（a）（b）are fusion images of the Worldview-2 multi-spectral data and panchromatic band data with the spatial resolution of 0.5 m）

通過目視判別，識別出兩幅Worldview-2 影像中在形態(tài)特征和空間分布上相似度較高的3處冰坑表面（圖5（a）中A、B和C區(qū)域），如圖6所示。這種相似的形態(tài)和結(jié)構(gòu)再次表明，在表面塌陷過程中冰面沒有發(fā)生明顯的變形，冰表面結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。因此，A、B 和C 所在的冰坑平臺區(qū)在2013 年的南半球夏季沒有發(fā)生劇烈的表面融化，由此推測表面融化并不是塌陷時物質(zhì)損失的主要途徑。

圖6 3處相似的冰坑平臺區(qū)表面特征（（Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ）和（Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ）分別為2012年10月20日、2013年9月18日的Worldview-2影像）Fig.6 Three similar surface feature in ice floor（（Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ）and（Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ）are Worldview-2 images acquired on October 20，2012 and September 18，2013，respectively）

4.2 塌陷原因分析

Howat 等（2015）和Warner 等（2021）認(rèn)為，冰下湖（ice-covered lake）排水形成空腔是塌陷的直接原因。由于目前缺少達(dá)爾克冰川的冰下數(shù)據(jù)，只能從塌陷區(qū)域的表面特征推斷出研究區(qū)域下方存在空腔。Bindschadler 等（2002）認(rèn)為當(dāng)冰下湖排水后仍然有殘留時，冰坑就會漂浮在冰下湖上形成平臺區(qū)。由圖3 可知，在2013 年發(fā)生表面塌陷后始終存在平臺區(qū)，并且平臺區(qū)高程不斷增加，這說明冰坑下方較大可能存在冰下湖，而且可以推測在此次塌陷中冰下湖的水沒有排盡。塌陷發(fā)生前存在明顯的橢圓形邊界特征（圖1），橢圓形區(qū)域的表面紋理與周圍存在較大的差異（圖5），其表面高程低于四周、坡度很?。▓D3（a））。以上特征說明，在2011年2月9日研究區(qū)域也具有平臺區(qū)的特征，而且面積比塌陷后的平臺區(qū)大。

圖7 顯示，在研究區(qū)域北側(cè)1 km 有一處面積較小的塌陷，該塌陷主要存在兩個特征：（1）塌陷區(qū)域表面沒有斷裂和彎曲，表面紋理與周圍一致，具備整體沉降的特征；（2）塌陷區(qū)域邊界存在差異，即塌陷西側(cè)冰體比較破碎，而其余側(cè)塌陷邊界清晰穩(wěn)定。由于該處塌陷的表面紋理沒有發(fā)生巨大變化，沒有冰面湖特征，說明該處小塌陷是整塊冰體向下降落造成的，反映了表面塌陷的主要原因來自達(dá)爾克冰川內(nèi)部。結(jié)合研究區(qū)域類似的塌陷特征可以說明，塌陷前達(dá)爾克冰川內(nèi)部存在冰下湖，冰下湖的深度大于40 m，且冰下湖底部（basin）的高程在40 m 以下。結(jié)合Bedmap2冰厚數(shù)據(jù)（Fretwell等，2013），該冰坑的冰厚約為209 m，表明冰坑底部在海平面以下169 m。普里茲灣的溫鹽深剖面儀CTD（Conductance Temperature Depth）實(shí)測數(shù)據(jù)（圖8）顯示，達(dá)爾克冰川前緣的海水溫度在2013 年2 月7 日超過0 ℃，分別在水深23 m（0.55 ℃）和79 m（0.23 ℃）處。因此，由于普里茲灣在南半球夏季的海水溫度較高，達(dá)爾克冰川前端可能在2013 年的南半球夏季發(fā)生了相比其他年份更為劇烈的內(nèi)部或底部融化，并形成了通往達(dá)爾克冰川底部或普里茲灣的融水通道。在2013 年的南半球夏季末到冬季，冰下湖水沿著通道排水后形成空腔，造成了達(dá)爾克冰川表面塌陷。

圖7 塌陷區(qū)域北側(cè)1 km處的小型塌陷Fig.7 A small depression located 1 km north of study are

圖8 普里茲灣實(shí)測海水溫度（數(shù)據(jù)來源：國家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心）Fig.8 In-situ seawater temperature in Prydz Bay（Data source：National Arctic and Antarctic Data Center）

2013 年的表面塌陷表明，達(dá)爾克冰川以冰川內(nèi)融水排走的方式發(fā)生了較大的物質(zhì)損失。根據(jù)研究區(qū)域在2012 年和2013 年的高程變化，塌陷區(qū)域（subsidence）面積約為1.26 km2，排走的水體積約為19.08×106m3；非塌陷區(qū)域（即隆起區(qū)域，uplift）面積約為2.01 km2，其隆起需要補(bǔ)充體積約為7.21×106m3的水（冰的密度取910 kg/m3）。因此，塌陷共損失了約26.29×106m3的水，是埃默里冰架2019 年6 月塌陷水損失體積的4.38%（Warner等，2021），按照羅斯冰架冰下湖Engelhardt 在2003 年—2005 年排水速度（40 m3/s）需要持續(xù)排放8 d（Fricker等，2007）。

冰蓋（冰架）表面融化引起的融水積累和排放會導(dǎo)致冰川冰架表面發(fā)生彎曲和斷裂，是表面塌陷的可能原因之一（Tedesco 等，2013；Banwell等，2019）。利用1999 年—2019 年南極冰蓋每日凍融數(shù)據(jù)集（劉勇 等，2020）和南極中山站自動氣象站觀測記錄（數(shù)據(jù)來源：國家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心），統(tǒng)計了2012 年—2017 年南半球夏季達(dá)爾克冰川表面融化天數(shù)和日均正積溫（表4）。在2013 年南半球夏季，達(dá)爾克冰川表面融化持續(xù)41 d，氣溫大于0℃有44 d，是2012 年—2016 年融化天數(shù)和正氣溫天數(shù)最多的年份。這說明相比于其他年份，達(dá)爾克冰川在2013 年南半球夏季發(fā)生了較為強(qiáng)烈的表面融化。圖4（a）顯示，塌陷區(qū)域的西南側(cè)存在融水聚集，提高了太陽輻射的吸收效率，從而加快融水附近冰體的融化速率（Leeson等，2015）。此外，塌陷區(qū)域存在巖石（圖5（a）），巖石的比輻射率較冰雪低，使得巖石吸收更多的太陽輻射，進(jìn)一步加劇周圍冰面的融化（Tedesco等，2016）。因此，塌陷區(qū)域在塌陷過程中伴隨著達(dá)爾克冰川相對劇烈的表面融化。Landsat 7 和Worldview-2 光學(xué)影像均顯示，塌陷區(qū)域融水發(fā)生了匯聚，但是在冰坑平臺區(qū)沒有發(fā)生明顯的表面融化。2017 年南半球夏季，達(dá)爾克冰川的融化天數(shù)、正氣溫天數(shù)比2013年南半球夏季多，說明達(dá)爾克冰川的表面融化在2017 年南半球夏季比2013 年南半球夏天劇烈。但是，光學(xué)影像顯示2017 年—2020 年塌陷區(qū)域并沒有再次發(fā)生塌陷，這也表明表面融化并不是達(dá)爾克冰川2013 年塌陷的關(guān)鍵誘因。

表4 達(dá)爾克冰川氣象資料和融化數(shù)據(jù)集統(tǒng)計（2012年—2017年）Table 4 Statistics of meteorological data and freeze thawing data between 2012 and 2017

5 結(jié)論

本文利用11 期REMA 數(shù)據(jù)監(jiān)測了2011 年—2016 年達(dá)爾克冰川表面塌陷的演化過程，并采用花桿實(shí)測高程數(shù)據(jù)對REMA 在達(dá)爾克冰川的高程精度進(jìn)行評估，同時利用Landsat 7 和8 光學(xué)影像分析塌陷過程的陰影和邊緣等特征，利用Worldview-2 高分辨率光學(xué)影像進(jìn)一步分析了塌陷區(qū)域的地形地貌特征，最后結(jié)合普里茲灣CTD 觀測記錄、中山站氣象觀測資料和凍融數(shù)據(jù)集對塌陷的可能原因進(jìn)行了討論，主要結(jié)論如下：

（1）達(dá)爾克冰川在2013 年發(fā)生了嚴(yán)重的表面塌陷，冰坑最大深度達(dá)到45.29 m，造成了約26.29×106m3的水物質(zhì)損失。表面塌陷改變了地表形態(tài)，形成了平臺、冰坡、冰瀑和隆起4 種地形特征。2013 年—2016 年，冰坑獲得了持續(xù)的物質(zhì)補(bǔ)給，冰面高程逐步恢復(fù)至塌陷前的相似水平。冰坑中補(bǔ)給的物質(zhì)32.38%來自降雪，其余物質(zhì)補(bǔ)給的來源有待進(jìn)一步研究。

（2）該表面塌陷很可能與達(dá)爾克冰川內(nèi)部水文狀況存在密切的聯(lián)系。該冰坑下部可能存在冰下湖，在2013年2月至9月間發(fā)生排水事件形成了空腔，進(jìn)而導(dǎo)致冰川表面塌陷。在塌陷發(fā)生前，盡管塌陷區(qū)域存在相對劇烈的表面融化，但是表面融化不是此次塌陷的主要誘因。結(jié)合達(dá)爾克冰川西側(cè)在2017 年也發(fā)生了塌陷，表明目前達(dá)爾克冰川穩(wěn)定性較差，未來可能再次發(fā)生塌陷。

（3）REMA 發(fā)布的條帶DEM 經(jīng)過絕對高程校正后，其高程精度優(yōu)于1 m，而且擁有高空間分辨率和時間屬性的優(yōu)點(diǎn)，適用于長期精細(xì)地監(jiān)測冰川表面的地形特征和時空變化規(guī)律，是研究南極冰蓋/冰架響應(yīng)氣候變化的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)源。

達(dá)爾克冰川活躍的內(nèi)部水文過程可能是觸發(fā)表面塌陷、補(bǔ)給冰坑物質(zhì)的關(guān)鍵性原因。因此，達(dá)爾克冰川是研究冰川水文與穩(wěn)定性關(guān)系的理想?yún)^(qū)域，未來將重點(diǎn)開展達(dá)爾克冰川內(nèi)部水文過程和冰下地形的觀測計劃。

志 謝感謝美國明尼蘇達(dá)大學(xué)極地地理空間中心提供的2 m 分辨率的REMA（FTP：pgc.umn.edu），感謝國家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的普里茲灣CTD 觀測記錄和南極中山站氣象觀測資料（https：//www.chinare.org.cn/［2021-12-07］），感謝全球變化數(shù)據(jù)倉儲電子雜志提供的1999 年—2019 年南極冰蓋凍融數(shù)據(jù)集（https：//doi.org/10.3974/geodb.2020.05.01.V1［2021-12-07］），達(dá)爾克冰川花桿實(shí)測數(shù)據(jù)來自第23 次至28 次中國南極考察隊，在此一并表示感謝。