东南极极记录冰川表面冰面湖变化监测

李青 周春霞 刘芮希 郑雷

研究论文

东南极极记录冰川表面冰面湖变化监测

李青1,2周春霞1,2刘芮希1,2郑雷1,2

(1武汉大学中国南极测绘研究中心, 湖北 武汉 430079;2自然资源部极地测绘科学重点实验室, 湖北 武汉 430079)

南极冰盖表面冰面湖的形成和变化是衡量南极冰盖表面融化的重要指示器, 对研究全球气候系统具有重要意义。本文利用Landsat和Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)光学数据, 对2000—2017年间的东南极极记录冰川地区的冰面湖进行长时序的变化监测, 分析其面积、深度和体积的年际和季节变化规律, 并结合中山站温度数据和Advanced Land Observing Satellite Digital Elevation Model (ALOS DEM)探讨冰面湖与气温、高程和地形之间的关系。结果表明, 极记录冰川地区的冰面湖在每年12月前形成, 12月进入快速增长阶段, 其面积、深度和体积在次年1月中下旬均达到峰值; 冰面湖的面积、深度和体积的变化都呈现较好的一致性, 且冰面湖的变化与正积温密切相关; 92%的冰面湖分布在高程低于200 m的区域, 易形成于多条水流路径汇集处或水流路径密集处。

冰面湖 极记录冰川 变化监测

0 引言

南极冰盖作为地球最大的冷源, 冰储量约占全球冰川的90%, 占全球淡水资源的70%, 其物质平衡的微小变化对全球海平面变化、气候变化等都具有重大的影响[1]。冰面湖作为极地一种特殊的水文特征, 其形成和变化是冰盖响应气候变化的重要指示器, 它是冰盖表面消融的主要表现方式之一[2-3]。融化季节初期, 冰雪受到太阳辐射后融化形成融水, 融水的出现降低了反照率导致更多热量被吸收, 进而加速周围冰雪融化, 在冰盖表面低洼处汇集形成冰面湖[2]。冰面湖湖水吸收的热量能够加强与其接触冰体的消融(特别是湖底冰面), 引起冰面湖的扩张[4]。冰面湖作为冰盖融水的主要储水容器, 对融水的输送和释放产生影响[5]。而冰盖表面融水会从以下两个方面影响冰盖: 部分融水会沿着冰面水系排入海洋或在融化末期发生冻结, 排入海洋的融水会引起冰盖物质损失; 另一部分通过冰川竖井、冰裂隙等进入冰盖内部, 对冰盖的运动速度造成一定的影响, 促进溢出冰川的崩解, 并造成冰盖物质损失[6-10]。同时, 在融化季节中冰面湖发生的排水事件也能造成冰面水系甚至冰下水系的动态变化[5,11]。因此, 监测冰面湖的动态变化对于研究极地冰雪环境和冰盖物质变化等具有重要意义。

由于极地特殊的地理位置和环境, 卫星遥感技术是监测冰面湖动态变化的重要手段之一。提取冰面湖本质上就是提取冰盖上的水体, 目前从遥感影像上提取水体的方法分为人工数字化与自动化提取两大类, 其中人工数字化主要是基于影像的明亮程度, 人工勾勒出冰面湖轮廓[12-13], 自动化提取包括单/多波段阈值分割法、归一化水体指数和监督分类等。Sundal等[14]基于Moderate- Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)影像的红、蓝波段, 使用阈值分割的方法有效提取冰面湖信息。随后Selmes等[15-16]提出可根据中心像元周围区域的光谱特征, 通过设定搜索窗口来获取动态阈值提取冰面湖, 从而减少单一阈值方法带来的误差。归一化水体指数利用水体在近红外波段反射率远远低于其他地物的特性, 通过归一化比值增强水体特征, 有效提高了水体提取的效率和精度。基于冰面湖是冰雪环境的特殊产物, 杨康等[17-20]提出了适用于冰雪背景水体提取的改进的归一化水体指数, 以此获得冰面湖的轮廓。冰面湖的深度也是冰盖表面融化的重要指标之一, 遥感反演水深是目前对多尺度范围的冰面湖进行深度测量的主要手段。Sneed等[21]最早利用Bouguet-Lambert-Beer定律, 基于入射辐射量穿过介质时的衰减规律实现了利用Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)影像反演冰面湖的深度; Pope等[22]指出了在探测较深冰面湖时能力不足(水体对红色波段吸收能力强), 认为在运用此定律时使用红色和全色波段分别求解水深再取其平均值作为冰面湖深度精度更高。早期关于格陵兰岛和南极半岛地区冰面湖的研究已有较多, 现在南极其他地区的冰面湖也逐步引起关注。

东南极极记录冰川靠近我国中山站, 在每一年的融化季节里, 冰川上游地区都存在大量冰面湖。冰面湖的存在对冰川的冰流速、表面融化和冰川崩解都具有一定的影响, 因此, 研究冰面湖的特征和变化特性具有重要意义。本文利用Landsat和ASTER光学卫星数据, 对极记录冰川地区的冰面湖进行长时序变化监测, 分析冰面湖的面积、深度和体积的年际和季节变化规律, 并结合中山站温度数据和Advanced Land Observing Satellite Digital Elevation Model (ALOS DEM)探讨冰面湖与温度、高程和地形之间的关系。

1 研究区域和数据

极记录冰川位于我国南极考察重点区域普里兹湾-埃默里冰架-冰穹A断面内(图1), 属于溢出型冰川, 其长约3 km, 冰川流向为西北方向, 最终注入普里兹湾海域[23]。该冰川曾于20世纪70年代发生过大型崩解, 崩解的冰山在冰川前缘搁浅, 阻碍了冰川的运动, 但仍被冰川不断向前推动, 每年以一定速度向前运动[24]。极记录冰川运动速度较快, 在冰川末端可达到800 m·a−1, 上游速度也大于200 m·a−1[25]。每年融化季节期间, 温度升高, 冰川表面形成融水, 融水在表面低洼处汇集形成冰面湖。

图1 极记录冰川实验区示意图