西藏阿里地区大、小昂龙冰川变化观测研究

陈艳辉，田立德，宗继彪，朱大运，汪诚，靳胜强

（1.中国科学院青藏高原研究所青藏高原环境变化与地表过程重点实验室，北京100101；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心，北京100101；4.贵州师范大学喀斯特研究院，贵州贵阳550001；5.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳550001）

0 引言

冰川融水是青藏高原及其周边诸多河流的补给来源［1］，同时也是这些地区的主要淡水资源［2］。气候变暖导致的冰川加速消融［3-6］对湖泊变化［7-10］、河流水资源［11-12］有着重要影响，并最终会影响海平面变化［13］。据估算，中国冰冻圈对海平面上升的潜在总贡献量为0.14～0.16 mm·a-1，其中冰川贡献量约为0.12 mm·a-1［14］，因而青藏高原冰川变化研究一直得到广泛关注。

近几十年来，青藏高原冰川面积、长度变化以退缩为主［1，15-19］，且部分冰川退缩幅度在加剧［1，20-23］。从空间变化来看，青藏高原南部冰川退缩较北部、西部强烈［15，24］，其中，喜马拉雅山地区是冰川面积和长度退缩最快速的地区［1，25］。相较于青藏高原外缘冰川，内陆冰川退缩较小［8，24，26］。20世纪70年代至2009年间青藏高原内陆冰川面积减少了9.5%，平均每年减少0.27%［24］。在冰川退缩的同时，冰川冰储量也在减少。中亚地区大部分冰川冰体呈亏损状态［25，27-31］，喜马拉雅地区是冰体亏损最为严重的地区［32］，且部分冰川在加速亏损［33-34］，而在喀喇昆仑山冰川则大致处于平衡状态，甚至略有盈余［35］。总体而言，季风气候区冰川面积、长度退缩和冰体亏损最为严重，而西风带地区冰川面积、长度退缩较小，甚至冰川物质平衡为正，这很可能是由于印度季风区降水的减少和西风带地区降水的增加导致的［3］。

阿里地区正是位于青藏高原西部印度季风与西风带的交汇区域，因此阿里地区的冰川变化监测有利于揭示上述青藏高原冰川变化的空间差异及原因。突发性冰川灾害也使得阿里地区冰川变化备受关注［36］。遥感与野外实地观测研究表明，青藏高原西部地区冰川处于较稳定或者小幅前进状态［3-4，37-38］，然而这一地区连续多年的地面观测很是稀少，特别是针对冰川冰储量变化的观测数据仍有限。

从2013年开始，依托中国科学院阿里荒漠环境综合研究站（33.39°N，79.70°E，海拔4 260 m），我们对阿里地区大、小昂龙冰川开展了连续2年（2014—2016年）的冰川变化观测，包括冰川表面物质平衡、差分GPS高程变化测量，冰川表面流速和冰川末端变化的监测，以及冰川雷达测厚。本文根据前述2014—2016年地面观测数据，研究了大昂龙冰川的冰厚分布，小昂龙冰川的末端变化，两个冰川表面流速变化，以及两个冰川的表面物质平衡和差分GPS冰厚变化，并对比了大、小昂龙冰川物质平衡变化结果与差分GPS冰厚变化结果。

1 研究区概况

青藏高原西部地区位于印度河、雅鲁藏布江、恒河的上游，该地区喜马拉雅山、喀喇昆仑山冰川与高原内陆冰川共存，也是内流区域与外流区域的交界区域。狮泉河国家气象站（32.50°N，80.10°E，海拔4 279 m）气象观测结果显示，1961—2013年期间，年均温和降水量分别为0.71℃和70.6 mm［38］，在过去的50年中，当地气温增加了1.5℃，降水在近两年显著增加［36］。

大、小昂龙冰川位于青藏高原西部阿里地区日土县境内（图1），两个冰川相毗邻，且皆呈南北走向。大、小昂龙冰川的中心位置坐标分别为32.84° N，80.92° E和32.85° N，80.90° E。大昂龙冰川整体分布在海拔5 620～6 430 m，冰川表面较平坦，但中间有冰川表面河分布。2015年长度和面积分别为4.7 km和6.66 km2。小昂龙冰川为典型的山谷冰川，整体分布在海拔5 730～6 450 m，海拔6 100 m以上为冰陡壁，表面相对平坦，末端有极少表碛覆盖，2015年冰川长度和面积分别为2.6 km和1.50 km2。两个冰川虽然仅仅隔了一个山脊而且走向相同，但冰川融水却汇入不同的河流最终流入不同的流域：大昂龙冰川最终汇入内流区域，小昂龙冰川汇入印度河流域。

图1 大、小昂龙冰川位置、实测数据测点（线）分布Fig.1 Map showing the studied region and the distribution of measured points or lines

2 数据和方法

2014—2016年期间，对大、小昂龙冰川开展了冰川雷达测厚，冰川表面物质平衡观测，冰川表面差分GPS测量，以及冰川末端和表面流速的观测。各项实测数据测点（线）分布如图1所示。

2.1 冰川雷达测厚

2015年8月下旬采用加拿大SSI公司生产的Pulse Ekko 100型探地雷达（GPR）对大昂龙冰川进行了冰厚测量，2016年8月下旬又对其进行了补测，同时对小昂龙冰川中上部进行了测量。测量时选取剖面法，发射机和接收机同步移动的方式进行测量，其中天线间距和测点间距设定为4 m，天线频率为100 MHz，雷达波在冰体中的平均波速取值为0.168 m·ns-1。在冰川厚度测量的同时，采用差分GPS对测点进行同步定位。在大昂龙冰川，雷达测厚的纵向测线大致是沿着主流线进行，由于冰川表面河的阻挡，横向上主要由多段不连续的测线组成。在小昂龙冰川，测线主要由多段不连续的横纵测线组成（图1）。雷达实测数据的拼接、处理以及地形校正通过EKKO-View Deluxe软件来完成。

2.2 冰川表面物质平衡观测

2014—2016年每年8月下旬对大、小昂龙冰川开展了基于花杆法的物质平衡观测。大昂龙冰川表面共有13根花杆（从低海拔至高海拔依次标记为H1～H13），分布在海拔5 600～6 150 m。小昂龙冰川表面共有7根花杆（从低海拔至高海拔依次标记为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边界。

对于整个冰川的年度物质平衡（Bn）的计算，采用等高线法。等高线法即将单点的物质平衡值绘制到大比例冰川图上，绘制出整个冰川的积累和消融的等高线图，相邻等高线间的物质平衡值视为固定值，然后利用面积加权来计算整个冰川的物质平衡。其数学表达式如下：

式中：S为冰川面积；si、bi分别为相邻等高线之间的面积和对应的物质平衡值。

2.3 冰川表面差分GPS测量

冰川表面差分GPS测量与冰川表面物质平衡观测为同时开展。差分GPS通过在同一地点的重复测量可以准确反映该点的冰川厚度变化情况。冰川物质损失以水当量表示，由冰密度与冰厚变化的乘积确定，本研究中冰密度取0.9 g·cm-3。在2014年、2015年采用Starfire E3050型号差分GPS，2016年采用Starfire E3040型号差分GPS，两种型号仪器垂直精度都小于0.1 m。经检验，将Starfire E3050差分GPS实测数据与拉萨国家标准地理点进行对比，结果误差为6 cm［39］。两个冰川表面测点都大致沿冰川主流线和按“之”字形分布（图1）。

2.4 冰川末端位置和冰川表面流速测量

冰川表面流速和末端位置的观测通过差分GPS定期对花杆和冰川末端位置进行测量来实现。实际测量情况如表1所示，其中大昂龙冰川末端靠紧邻冰川湖，末端没有连续观测。

表1 大、小昂龙冰川末端位置和表面流速观测情况Table 1 The observation of terminal position and surface velocity of the Large and Small Anglong Glaciers

2.5 冰川气象观测

气象数据采用中国科学院阿里荒漠环境综合观测研究站2013年9月—2016年8月期间月均气温和月降水量数据。

3 结果与分析

3.1 冰川厚度

冰厚观测结果显示，大、小昂龙冰川实测最大冰厚度分别为216 m和190 m。大昂龙冰川雷达纵向测线所在剖面表面比较平缓（图2），与水平面约呈6°夹角。由图2可看出，冰下地形有两个明显的起伏，较高的一个凸起可能为被冰川作用磨蚀圆滑的冰坎，而且在该凸起高海拔一侧出现了纵剖面的最厚点（距离冰川末端约2.47 km处），约195 m。同冰川表面相比，冰床起伏更为明显。冰床虽然相对起伏，但起伏之间过渡圆滑，这也反映出冰川基岩长久受到冰川的强烈磨蚀和拔蚀等冰川作用。从整体上看，大昂龙冰川表面地形与冰床地形并不呈明显的对应关系，说明冰下地形起伏对冰层的扰动在接近冰面时被减弱了。

图2 经过地形校正后的大昂龙冰川GPR纵剖面Fig.2 The flowline profile of the Large Anglong Glacier measured by GPR

根据前述冰厚测量数据，将所有测量点保存为｛X，Y，D｝样式，其中，X、Y为平面坐标，D为冰川厚度，然后利用ArcGIS 10.3地统计分析模块对大昂龙冰川的冰厚进行了插值计算（图3），估算整个冰川平均冰厚度约为67.9 m，冰储量为0.452 km3。

图3 大昂龙冰川冰厚分布Fig.3 Ice thickness distribution of the large Anglong Glacier

3.2 冰川表面物质平衡

图4 为根据大、小昂龙冰川花杆观测结果计算的冰川单点物质平衡随海拔变化。大昂龙冰川2014/2015年和2015/2016年零平衡线高度分别约为5 946 m和5 980 m。小昂龙冰川零平衡线高度在2014/2015年为5 944 m。在2014—2016年大昂龙冰川物质平衡梯度有所增加，小昂龙冰川则减小。

在2014/2015年和2015/2016年，大昂龙冰川物质平衡分别为40 mm w.e.和-280 mm w.e.，小昂龙冰川分别为62 mm w.e.和-462 mm w.e.。图5是两个冰川物质平衡与平衡年的曲线图。可以看出，在2014—2016年大昂龙冰川物质平衡相对变化较小，而小昂龙冰川变化相对较大；在2014/2015年两个冰川的物质平衡值都较小，都在70 mm w.e.以内，而在2015/2016年两个冰川物质平衡都发生了较明显的下降。

3.3 冰川厚度变化

差分GPS测得的沿大、小昂龙冰川纵剖面的冰川厚度变化如图6所示。在2014/2015年、2015/2016年大昂龙冰川沿主流线所在剖面冰厚分别平均减薄了0.016 m和0.997 m；小昂龙冰川沿主流线剖面在同期分别增厚0.031 m和减薄0.632 m。在先后两个平衡年间，大昂龙冰川冰厚减薄趋势大致相同，都表现为距离末端越远厚度减薄越少，而小昂龙冰川只在第一个物质平衡年表现为同样趋势，在下一年度冰厚减薄则主要发生在冰川中部。

为了估算两个冰川冰厚整体变化，我们去掉了冰川末端个别的极端测量值以及所有距离冰川边界30 m以内的测点观测值。结果显示大昂龙冰川在2014/2015年期间平均减薄了24 mm w.e.，在2015/2016年平均减薄了911 mm w.e.；小昂龙冰川在相同的时间内分别平均增厚了28 mm w.e.和减薄了567 mm w.e.。考虑到仪器误差，并假设冰密度为0.9 g·cm-3，以上计算结果误差为±90 mm w.e.。

3.4 花杆物质平衡测量与差分GPS测量结果的对比

图4 大、小昂龙冰川物质平衡随海拔的变化Fig.4 The mass balances on the Large（left）and Small（right）Anglong Glaciers changing with altitude

图5 大、小昂龙冰川2014—2016年物质平衡观测结果Fig.5 The observed mass balances on the Large and Small Anglong Glaciers（2014—2016）

根据以上研究，对花杆测量方法与差分GPS测量方法的结果进行了比对（图7）。在大、小昂龙冰川，利用差分GPS观测到的2014—2016年期间物质损失比花杆法观测的物质损失大，而且大昂龙冰川先后两个平衡年的差分GPS观测结果的变化幅度明显大于花杆法观测结果的变化幅度，小昂龙冰川二者的变化则较为一致。

表2 为大、小昂龙冰川及青藏高原其他地区部分冰川物质平衡观测结果与差分GPS观测结果的对比。2014—2016年在大、小昂龙冰川利用差分GPS观测到的平均每年物质损失分别是（442±90）mm w.e.和（265±90）mm w.e.，利用花杆法在同时段观测到的两个冰川平均每年物质损失分别是72 mm w.e.和219 mm w.e.。两个冰川差分GPS观测结果与花杆物质平衡法观测结果相比，差分GPS观测到物质损失速率更大。

图6 2014/2015年、2015/2016年大、小昂龙冰川厚度变化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 冰川面积及末端位置

对比2000年11月2日Landsat 7影像和前述2015年遥感影像，发现在15年间大昂龙冰川面积由6.92 km2减少到6.66 km2，减少了3.8%，末端总共退缩78 m，平均每年退缩5.2 m；小昂龙冰川面积由1.58 km2减少到1.50 km2，减少了5.1%，末端总共退缩54 m，平均每年3.6 m。

图7 大、小昂龙冰川表面物质平衡观测结果与差分GPS冰厚变化观测结果的对比（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 花杆物质平衡观测结果与差分GPS观测结果的对比Table 2 Thinning rates of the five glaciers in the Tibetan Plateau，observed with differential GPS and posts

图8 为小昂龙冰川2014—2016年期间末端的差分GPS观测结果，该冰川在2014—2015年前进了11 m，在2015—2016年后退了34 m。为了验证小昂龙冰川末端位置在短期内发生大幅度变化是否具有一般性，对比了2015年9月1日和2016年9月3日研究区的Landsat 8遥感影像，发现小昂龙冰川末端位置在2015/2016年发生了肉眼可辨的明显退缩，而在周围十余条冰川仅通过遥感影像来判断并未发现明显退缩，甚至无法判断退缩与否，因此小昂龙冰川末端位置在短期发生大幅度变化并不具有一般性，应该与其自身特性等因素有关。

3.6 冰川表面流速

花杆点位置的差分GPS重复测量结果显示（图9），大、小昂龙冰川在2015/2016年表面平均流速分别为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，小昂龙冰川流速随着海拔增高持续增加，而大昂龙冰川在H6号花杆附近出现流速最大值。在2014/2015年只有大昂龙冰川H4号花杆有差分GPS定位记录，期间H4号花杆处冰川表面平均流速为3.8 m·a-1。H4号花杆位置处2015/2016年表面流速为4.2 m·a-1，较上一年增加了10.5%。

图8 2014—2016年小昂龙冰川末端进退变化Fig.8 Terminal of the Small Anglong Glacier in 2014，2015 and 2016

图9 大、小昂龙冰川表面流速Fig.9 Surface longitudinal flow velocity profiles of the Large and Small Anglong Glaciers

4 讨论

西藏阿里地区大、小昂龙冰川过去连续2年的花杆物质平衡和差分GPS同步观测，冰川表面流速观测，末端变化观测以及雷达测厚工作，可以为冰川对气候变化的响应，以及冰川变化的水文效应研究提供基础数据。

降水和气温是影响冰川变化的两个主要因素［41］。降水的增加有助于冰川的积累，温度的升高（尤其夏季气温的升高）有助于冰川的消融。阿里站气象数据表明，在2014/2015年当地降水量为114.23 mm，较上一年增加了43.83 mm（62%），而年均气温与上一年大致一致，增加了不到0.1℃。2015年夏季（6—8月）平均气温为11.92℃，较2014年低了0.86℃。因此可以把2014/2015年大、小昂龙冰川物质平衡为正归因于该年度当地降水量的增加和夏季气温的降低。在2015/2016年当地降水量为137.18 mm，较2014/2015年度增加了23 mm（20%），年均温较2014/2015年增加了1.0℃。2016年夏季平均气温为13.86℃，较2015年升高了1.94℃。研究表明，每年的降水量需要增加25%才能抵消因气温升高1℃所造成的冰川消融［41-42］，因此2015/2016年较2014/2015年增加的降水不足以抵消期间气温升高所造成的冰川消融，所以认为2015/2016年大、小昂龙冰川的消融主要是该年度夏季气温升高导致的。

本研究中由差分GPS观测到的物质损失速率大于由花杆物质平衡观测到的结果，在青藏高原其他地区冰川，比如在古仁河口冰川、抗物热冰川、纳木那尼冰川（北支），也有类似结果［3，39-40］（表2），两种方法的结果在纳木那尼（北支）相差64%，抗物热仅有15%，而在古仁河口相差342%。极地冰川（冰架）变化研究表明，动力原因会造成冰川冰体的亏损［43-44］，因此由冰川表面物质平衡与差分GPS观测的原理可知，冰川流动可能在上述差异中扮演了一定角色［39］。此外，由于差分GPS测点未能布满整个冰川表面，冰川顶部数据稀少，尤其是大昂龙冰川顶部，而一般而言冰川厚度的减薄随海拔的上升是减少的，因此差分GPS观测到的冰厚变化对实际冰厚变化可能有一定的高估。

冰川表面流速的增加会导致冰排泄量增加，进而导致冰川快速的减薄［43，45］。2015/2016年小昂龙冰川沿主流线方向的冰厚减薄主要发生在中部（图6），可能也正是冰川表面流速增加较大的区域。2015/2016年大昂龙冰川H4花杆处表面流速相较上一年增加了10.5%，这在一定程度上也反映了整个冰川在2014—2016年间表面流速有所增加，因此我们认为2015/2016年冰川表面流速的增加是该年度在大昂龙冰川表面物质平衡与差分GPS观测到的物质亏损差异较大的主要原因之一。另外，由于在大昂龙冰川差分GPS测点主要位于冰川的中下部，而且2015/2016年大昂龙冰川消融增强，冰川下部消融强烈，因此在该年度仅通过大昂龙冰川中下部测得的厚度变化很可能高估了实际值。从小昂龙冰川的观测结果可以看出，由于冰川花杆与差分GPS的观测点相一致，且基本上覆盖了整个冰川，冰川表面物质平衡与差分GPS的观测结果相近。

由于实测资料有限，我们的结果有待后续更长时间尺度，甚至更具有代表性冰川的实地观测结果加以检验。

5 结论

2014—2016年期间，在西藏阿里地区大、小昂龙冰川开展了冰川表面物质平衡与差分GPS冰川厚度变化同步测量工作，以及冰川末端、冰川表面流速观测和冰川雷达测厚工作。取得的观测结果如下：

（1）大昂龙实测最大厚度为216 m，冰川平均冰厚为67.9 m，根据雷达测厚数据插值计算的冰川储量为0.452km3，小昂龙冰川实测最大厚度为190 m。2014—2016年间，小昂龙冰川先前进了11 m，之后又退缩了34 m，两年内平均每年退缩11.5 m。

（2）2015/2016年，大昂龙冰川和小冰川表面平均流速分别为为4.4 m·a-1和2.3 m·a-1，其中昂龙大冰川表面平均流速较上一物质平衡年增加了10.5%。

（3）冰川表面物质平衡结果显示，2014—2016年间，大昂龙冰川零平衡线由5 946 m上升到5 980 m，且平均以每年72 mm w.e.的速率减薄；小昂龙冰川在2014/2015年零平衡线高度为5 944 m，且平均以每年219 mm w.e.的速率减薄。差分GPS观测结果显示，2014—2016年大、小昂龙冰川分别以每年（442±90）mm w.e.和（265±90）mm w.e.的速率减薄。在大、小昂龙冰川利用差分GPS观测到的平均物质损失速率均大于花杆法观测到的平均物质损失速率。