西北格陵兰冰盖英格尔菲尔德地区冰面-冰前流域水系遥感监测

李雅 陆瑶 陆欣 李满春,2,3 杨康,2,3

(1 南京大学地理与海洋科学学院,江苏 南京 210023;2 江苏省地理信息技术重点实验室,江苏 南京 210023;3 中国南海研究协同创新中心,江苏 南京 210023)

提要 近年来格陵兰冰盖物质损失加速,冰面消融是造成冰盖物质损失的重要原因。每年消融期,西北格陵兰冰盖表面都会形成规模庞大、结构复杂的冰面水系,将大量冰面融水输送至冰盖边缘,汇集至冰前水系并最终进入大洋,显著影响冰盖物质平衡。然而,目前对西北格陵兰冰盖冰面水系与冰前水系的研究很少,冰面水系与冰前水系的形态结构特征尚不清楚。本研究选取2018年7—8月西北格陵兰盖英格尔菲尔德地区(面积4 624 km²)12 景10 m 空间分辨率的Sentinel-2 卫星遥感影像,增强河流横纵剖面特征,提取了西北格陵兰冰盖的冰面水系与冰前水系,并以水系密度与河流宽度为代表性指标,监测冰面水系与冰前水系动态变化。结果表明:在2018年消融期内,西北格陵兰冰盖形成了平行状的冰面水系和树枝状的冰前水系;冰面水系由低高程地区(<800 m)逐步向高高程地区(>1000 m)推进;流域出口附近冰前河河宽与冰面水系密度的变化具有较好的一致性,8月份的冰前水系新发育河宽较窄(10～30 m)的冰前河,反映了冰面水系对冰前水系的供给作用。

0 引言

格陵兰冰盖是仅次于南极冰盖的世界第二大冰盖,如果格陵兰冰盖全部消融,全球海平面将上升约7 m[1-3]。近年来格陵兰冰盖物质损失加速[4-5],预计到21世纪末,格陵兰冰盖对全球海平面上升的贡献约为22 cm[6]。冰面消融是造成格陵兰冰盖物质损失的重要原因[7-8],2005—2008年冰面消融对格陵兰冰盖物质损失的贡献比例约 40%[9],2009年后这一贡献比例大幅上升至84%[10]。因此,冰盖水文是理解格陵兰冰盖物质平衡的关键。

每年消融期,格陵兰冰盖表面都会形成规模庞大、形态复杂的冰面水文系统,包括冰面水系(supraglacial river)、冰面湖(supraglacial lake)、竖井(moulin)与冰裂隙(crevasse)等冰面水文要素[8,11]。冰面水系输送大量冰面融水进入冰面湖或竖井,部分冰面融水还会被输送至冰前区域,供给包含冰前河(proglacial river)与冰前湖(proglacial lake)在内的冰前水文系统[12-14]。已有研究主要聚焦西南格陵兰冰盖水文[13-17],涉及格陵兰冰盖其他地区的水文研究很少。近年来,西北格陵兰冰盖冰面消融逐渐增强,冰面物质损失加速[12,14,18-19]。相比于1958—1990年,1990—2017年西北格陵兰冰盖的冰面消融量增加了69.6%,对格陵兰冰盖物质损失的贡献增加了18%,消融区的扩张速度是格陵兰冰盖西南部的两倍[19]。西北格陵兰冰盖冰面水文系统与冰前水文系统显著发育,已成为研究格陵兰冰盖水文与物质平衡的新兴研究区[12,18]。然而,该区域冰面水系与冰前水系的形态结构特征,以及冰面水系供给冰前水系的水文过程都很少有研究涉及。

本研究选择了一个西北格陵兰冰盖典型冰面-冰前流域作为研究区,选用三期10 m 空间分辨率Sentinel-2 卫星遥感影像,采用基于横纵剖面特征的河流提取方法提取了西北格陵兰冰盖的冰面水系与冰前水系,揭示了西北格陵兰冰盖冰面水系与冰前水系的形态特征与动态变化规律。

1 研究区与数据

1.1 研究区

研究区位于西北格陵兰冰盖英格尔菲尔德地区(Inglefield Land,78°00′N～78°50′N,65°40′W～69°40′W),包括冰面部分和冰前陆地部分,总面积约为4 624 km²(图1)。其中,冰面部分总面积约为3 153 km²,高程范围为500～1 600 m;冰前部分总面积约为1 471 km²,高程范围为10～600 m。研究区冰面物质平衡线高程约为1 200 m[19],1 200 m以下消融区面积为1 167 km2,1 200 m以上积累区面积为1 986 km2。流域最高点距离冰盖边缘约70 km,冰盖边缘距离流域出口约46 km。研究区冰面不存在竖井与冰裂隙,每年消融期(6—9月)冰面水系将大量冰面融水直接输送至冰盖边缘,冰前水系汇集冰面融水,将冰面融水输送至流域出口,最终汇入大洋。

图1 研究区Sentinel-2 卫星遥感影像.拍摄时间:2018年8月25日;RGB:band 8(近红外波段),band 4(红光波段),band 3(绿光波段)Fig.1.Sentinel-2 image of study area.The image was acquired on 25 August 2018;RGB:band 8 (NIR),band 4 (Red),band 3(Green)

1.2 研究数据

Sentinel-2是欧洲航天局“哥白尼计划”的地球观测任务,目标在于实现对全球陆地和海洋的连续、高空间分辨率观测。Sentinel-2 搭载的多光谱影像仪(multi-spectral instrument,MSI)可获取包含可见光(VIS)、近红外(NIR)与短波红外(SWIR)等13个波段的多光谱遥感影像[20]。与其他可免费获取的遥感影像数据相比,Sentinel-2 具有较高的空间分辨率(10 m),能够清晰反映冰面水系[12]。本研究选取研究区2018年消融期内12 景云量小于10%的Sentinel-2 多光谱遥感影像(表1),用于冰面水系与冰前水系提取。研究选取4幅10 m 空间分辨率ArcticDEM 数字高程模型,提取了冰面-冰前流域边界(表1,图1)。此外,区域气候模式(Region Climate Model,RCM)是建模冰面径流量的主要手段[21]。Modele Atmospherique Regional(MAR)是目前常用的一种RCM,通过在7.5 km ×7.5 km的格网中模拟温度、降水、再冻结等变量,建模冰面消融产生的冰面径流量[22],本研究利用MAR v3.8 建模研究区冰面6—9月的冰面径流量[23]。

2 冰面河和冰前河遥感信息提取方法

本研究采用Yang 等[24]提出的基于河流横纵剖面特征河流遥感信息提取方法,提取研究区内冰面水系和冰前水系。首先,利用归一化水体指数(Normalized Difference Water Index,NDWI)增强河流遥感信息[25],初步区分河流与其他地物(图2a、b)。其次,使用1/200～1/40 m–1频率范围的带宽滤波去除遥感影像高频噪声和低频背景[24],进一步增强河流信息(图2c)。再次,利用Gabor滤波增强遥感影像中河流的横剖面特征(图2d),采用形态学滤波路径开(Path Opening)操作定向增强河流纵剖面特征(图2e)。最后,选取全局阈值生成河流-影像背景二值掩膜,并利用ArcGIS中ArcScan 工具矢量化河流掩膜,得到河流中心线(图2f)。

利用Sentinel-2 卫星遥感影像提取的河流存在断裂,连通性较差。DEM 数据能够生成连续的河流网络,但无法反映河流的真实分布[26-27]。研究融合10 m 空间分辨率ArcticDEM 数据,连接Sentinel-2 河流断线。与大部分冰前河不同,冰面河河宽小、分布密集,ArcticDEM 建模冰面水系的能力不足,利用断线连接方法处理冰面河不仅会遗漏许多河流细节,还会错误提取河流。因此,研究仅对遥感影像提取的冰前水系做断线连接处理。对于冰前河,研究首先利用ArcGIS 水文分析模块,填充洼地,计算流向,计算流域汇水面积,再选取较低的汇水面积阈值(0.5 k m2)生成Arctic DEM 冰前水系(图2g)。其次,利用ArcticDEM 冰前水系创建50 m 宽度的缓冲区,作为冰前河感兴趣区,将落在感兴趣区内的Sentinel-2 冰前水系作为正确提取结果。再次,融合Sentinel-2 冰前水系与ArcticDEM 冰前水系,删除不能增强 Sentinel-2 冰前水系连通性的ArcticDEM 河段,得到连续的Sentinel-2 冰前水系(图2h)。最后,截取流域出口附近冰前河河段(图6d、e、f 红色框内)二值化栅格影像,利用RivWidth程序生成河段中心线上每个点的河流宽度。

图2 Sentinel-2 影像冰前水系信息提取.a) Sentinel-2 原始影像;b) NDWI 变换结果;c) 带宽滤波处理结果;d) Gabor 滤波处理结果;e) 路径开操作处理结果;f) 二值化水体掩膜;g) ArcticDEM 河流网络;h) 融合ArcticDEM 连接Sentinel-2 冰前水系断线的最终结果Fig.2.Workflow for proglacial river detection using Sentinel-2.a) original Sentinel-2 image;b) NDWI image;c) image after band-pass processing;d)image after Gabor filtering;e) image after path opening;f) Sentinel-mapped rivers;g) ArcticDEM-modeled rivers;h) the final result of Sentinel-ArcticDEM merging proglacial river network

MAR 利用一个径流延迟函数表示冰面融水从产生到输送至邻近冰面水系的滞时,但是该函数在建模冰面径流量时会产生一定的误差[28]。研究获取了2018年7月25日、8月14日与8月25日去除该函数影响后的冰面径流量输出(径流量=消融量+降水量–再冻结)。该输出代表了每个格网内每天生成的冰面径流总量(单位:mm)。将MAR格网和不同的矢量面要素相裁剪,把矢量面内包含不同格网的冰面径流量按照格网面积加权后相加,计算得到冰面不同区域的冰面径流总量。

3 研究结果

3.1 水系遥感信息提取结果

利用Sentinel-2 卫星遥感影像提取了2018年消融期3 天(7月25日、8月14日、8月25日)的冰面水系与冰前水系(图3a、b、c)。结果表明,研究区发育了平行状冰面水系与树枝状冰前水系。

研究区冰面积累区未发育冰面水系,因此研究仅利用冰面消融区面积计算冰面水系密度,三期影像冰面水系密度分别为2.47、4.91和3.13 km–1。在冰面湿雪区域(7月25日800～900 m、8月14日1 000～1 100 m、8月25日1 000～1 100 m),冰面融水不能进入固定的冰面河道,在冰面形成了大量短小(～10 m)、无规则的冰面融水径流[29]。三期影像冰前水系河流总长分别为660、633和869 km,冰前水系密度分别为0.45、0.43和0.59 km–1,最长冰前河长度为83 km。其中,8月14日的冰前水系河流总长与冰前水系密度均低于其他两期,这是由于获取的8月14日Sentinel-2 卫星遥感影像冰前区域被云遮挡,部分冰前河未被提取。8月份冰面供给冰前区域的融水量增多,靠近冰盖边缘的冰前区域新发育了冰前河,但整体结构保持稳定。

表1 影像数据列表Table1.Sentinel-2 satellite images and ArcticDEM usedin this study

3.2 冰面水系动态变化

在消融期内,冰面水系由低高程地区(<800 m)逐步向高高程地区(>1 000 m)推进。7—8月冰面水系密度峰值对应的高程带由7月25日的700～800 m上移至8月14日的900～1 000 m,再移至8月25日的1 000～1 100 m,峰值向高高程地区移动,接近该区域物质平衡线1 200 m(图4)。峰值与冰面水系密度栅格(图3d、e、f)高密度区域的变化趋势一致。

在700～800 m 高程带,7月25日的冰面水系密度(12.4 km–1)远高于8月14日与8月25日两期冰面水系密度(3.9 km–1、2.6 km–1)。这是由于7月25日冰面消融仅发生在冰盖边缘区域(700～800 m),冰面不仅存在彼此不相连的冰面融水径流,还有稳定的冰面排水通道。在900～1 000 m 高程带,7月25日的冰面水系密度为0.004 km–1,8月14日的冰面水系密度达到峰值8.1 km–1,这是由于7月25日在此高程带的冰面冻结,冰面融水产生较少,而8月14日在此高程带的冰面产生大量融水形成了冰面河。

8月14日与8月25日的冰面水系密度都呈现先升高后降低的趋势(图4)。随着高程的降低,冰面在湿雪区域形成大量无规则、短小的冰面融水径流,导致冰面水系密度逐渐升高至峰值。随着高程持续降低,冰面融水径流的融水量增多至过饱和状态,转化为冰面河[30],冰面融水径流的数量减少,导致冰面水系密度降低。在各个高程带,8月25日的冰面水系密度均低于8月14日的冰面水系密度,这主要是由于随着消融的进行,冰面消融量由8月14日的2.11 mm 降低至8月25日的0.097 mm(图5),冰面消融强度降低,大部分冰面冻结,冰面河数量减少,但在高于1 100 m区域,8月25日的冰面水系密度(0.66 km–1)是8月14日的冰面水系密度(0.17 km–1)的3 倍,冰面水系仍向高高程地区推进。

图3 研究区水系提取结果(a—c)和冰面水系密度图(d—f)Fig.3.Map of river networks on the northwest Greenland ice sheet (a—c) and supraglacial drainage density (d—f)

图4 冰面水系密度动态变化Fig.4.Dynamic variation of supraglacial drainage density

3.3 冰前水系动态变化

图5 2018年研究区冰面消融量变化Fig.5.Dynamic variation of supraglacial runoff in 2018

研究获取了流域出口附近典型冰前河河段的宽度,该河段的宽度变化可以反映整个冰前水系的径流量变化,并与冰面水系密度对比分析,揭示冰面水系对于冰前水系的供给作用(图6)。在2018年7月25日、8月14日和8月25日的3期影像中,冰前河河宽与冰面水系密度的变化具有较好的一致性(图7)。三期影像中冰前河河宽分别为42 m、57 m、49 m。7月25日—8月14日冰前河河宽增加了15 m,期间冰面消融强度增大(图5),冰面水系密度由2.47 km–1增大至4.91 km–1,冰面水系发育显著,冰面供给冰前水系的融水量增加;8月14日—8月25日冰前河河宽减少了8 m,期间冰面消融强度降低,冰面水系密度由4.91 km–1降低至3.13 km–1,大部分冰面冻结,冰面供给冰前水系的融水量减少。

图6 流域出口冰前河NDWI 影像(a—c)和冰前水系河流掩膜(d—f)Fig.6.NDWI image of basin outlet (a—c) and river mask of proglacial river network(d—f)

图7 流域出口冰前河河宽随冰面水系密度的变化Fig.7.Response of proglacial river width near the basin outlet to supraglacial drainage density

在7月25日与8月25日两期冰前水系中,大多数冰前河的河宽位于10～30 m 范围(图8)。其中,8月25日的冰前水系新发育了河宽较窄(10～30 m)的冰前河,河宽位于10～30 m的河流总长增加了29%。这是由于8月25日的冰面水系密度增大,冰面供给冰前区域的冰面融水增多;河宽较宽(>30 m)的冰前河保持稳定,受冰面水系影响较小,这是由于该区域的河道为基岩河道,抗侵蚀能力强,河道主要通过增加深度与流速的方式适应径流量增大,因此河流宽度并未发生较大变化[31]。

图8 冰前水系河宽分布图Fig.8.River width histogram of proglacial rivers

4 结论

研究选用2018年7—8月3期12 景10 m 空间分辨率的Sentinel-2 卫星遥感影像,增强河流横纵剖面特征,提取了西北格陵兰冰盖冰面水系与冰前水系,并监测了冰面水系与冰前水系的形态特征与动态变化。主要研究结论如下。

1.在2018年消融期内,冰面融水在西北格陵兰冰盖表面形成平行状冰面水系,冰面水系将冰面融水输送至冰前区域,在冰前区域形成树枝状冰前水系。

2.冰面水系由低高程地区(<800 m)逐步向高高程地区(>1 000 m)推进。7月25日—8月14日,冰面水系发育旺盛,冰面水系密度增大。8月14日—8月25日,冰面水系部分冻结,冰面水系密度减小,但冰面水系仍向高高程地区推进。

3.流域出口冰前河河宽与冰面水系密度的变化具有较好的一致性。8月份的冰前水系新发育了河宽较窄(10～30 m)的冰前河。