藏東南典型冰川冰湖冬季科學考察
科考概況
藏東南地區是我國海洋性冰川最為集中的區域，同時也是青藏高原冰川消融最為劇烈的地區之一。為深入認識氣候變化下該區冰川、湖泊變化規律及對徑流形成和演變產生的影響，開展藏東南典型冰川冰湖周期性觀測對相關遙感反演算法和結果進行驗證，“西風—季風協同作用及其影響”任務“西風-季風協同作用對亞洲水塔變化的影響”專題清華大學水利系遙感水文研究團隊再次組隊，于2021年11月26日?12月5日在藏東南波密、八宿等地的24K冰川、米堆冰川、雅隆冰川及易貢湖進行了為期10天的科考。這也是繼今年3月份以來的第二次科考，和近年來專門針對藏東南的第四次科考。
本次科考為清華大學水利系遙感水文研究團隊首次在冬季進行高原野外作業。科考隊員從拉薩出發，途經林芝、波密、八宿等縣市，行程超過2000公里，利用無人機進行攝影測量獲取高分辨率影像和地形數據，沿途拍攝冰川冰湖實景照，并利用GPS記錄坐標，積累了寶貴的觀測數據(圖1)。科考成果為青藏高原水文過程觀測和模擬，尤其是對認識藏東南冬季冰川和積雪特性提供關鍵信息。
圖1 野外考察路線圖
1 24K冰川考察
11月29日天氣轉晴，科考隊員攀爬了24K冰川的東支(1號冰川)。由于路上積雪較厚，且終磧部位碎石不穩固，行進困難，科考隊員在冰舌前的平坦地方(海拔約3834米)放飛無人機，先后四次利用無人機進行航跡規劃，成功航測了終磧到冰舌部位的區域。科考隊員攀爬過程中也利用相機拍攝了24K冰川的地面視角(圖2)。
圖2 24K冰川影像(a)從終磧堆看24K冰川 (b)無人機拍攝的24K冰川冰舌末端
后期對無人機航拍影像進行重建，得到24K冰川冰舌及終磧部位的正射影像和高分辨率數字表面模型(DSM，分辨率約6厘米)(圖3)。與RGI 6.0 中的24K冰川邊界(獲取時間為2005年9月8日)相比，24K冰川后退了大約140米，相當于16年間平均每年后退8.8米，與中科院青藏所藏東南高山環境綜合觀測研究站的實測結果相近。在冰川厚度方面，對比2000年的NASADEM，24K冰川冰舌末端下降了大約40米，相當于近20年來24K冰川的冰舌在以將近2米/年的速度變薄。從青藏高原和全球同類型高山冰川的角度看，24K冰川消融速率極其顯著，其產生的大量融水也會改變下游徑流量的年際和年內分布特征，在一定程度使該區地質災害的發生風險增大。因此，有必要豐富和優化現有的監測手段，獲取高時空分辨率的冰川動態變化信息。
圖3 24K冰川航拍二維建模：(a)24K冰川冰舌正射影像；(b)24K冰川DSM
2 米堆冰川考察
此前，科考隊員曾于2019年9月、2020年8月和2021年3月三次前往米堆冰川進行科考。11月30日下午，科考隊員再次前往米堆冰川(圖4)。此時，米堆冰川的冰前湖光謝錯已經結冰封凍，但湖冰較薄。通過與此前拍攝的米堆冰川影像對比可以發現，米堆冰川冰舌進一步后退，變薄明顯，且冰舌處的表磧也有所增加。
圖4 拍攝到的米堆冰川及已經封凍的冰前湖光謝錯
科考隊員利用無人機進行航跡規劃，拍攝了冰湖及冰舌表磧部位的影像。之后，穿過岸坡上帶刺的灌木叢，沿著光謝錯湖岸向冰川末端前進，在冰舌前的平地上進行了第二次航拍，拍攝了冰舌部位的影像(圖5)。從無人機近處拍攝的冰舌可以看到高海拔地區積雪跌落形成的褶皺形態表面，同時可以聽到積雪(冰塊)跌落的聲音。
圖5 無人機在近處拍攝到的米堆冰川冰舌
無人機影像后期建模結果顯示(圖6)，與RGI 6.0 中的米堆冰川邊界(獲取時間為2005年9月8日)相比，米堆冰川后退了大約345米，相當于16年間平均每年后退21.6米，冰川消退速度顯著大于24K冰川冰舌消退速度，印證了冰湖對冰川消融有促進作用。從正射影像上可以看出，米堆冰川冰舌末端表面有幾個小型冰上湖存在，反映出米堆冰川的快速消融。冰川厚度變化方面，對比2000年的NASADEM，米堆冰川冰舌末端下降了大約65米，相當于近20年來米堆冰川的冰舌在以3.1米/年的速度變薄，同樣快于24K冰川的變薄速率。
圖6 米堆冰川航拍二維建模：(a)、(c)米堆冰川冰湖、冰舌正射影像；(b)、(d)米堆冰川冰湖、冰舌DSM
3 雅隆冰川及其冰前湖考察
12月1日，科考隊員從然烏鎮出發，考察雅隆冰川及其冰前湖貢錯。沿小路到達冰湖北岸，由于雅隆冰川冰前湖海拔有將近4000米，氣溫較低，此時湖水已完全凍結，冰厚在5–10 厘米左右，從裂開的冰縫中可以看到一些位置的冰厚已接近20厘米。科考隊員沿湖岸向冰舌前進，不時可以聽到冰體的破裂和墜落聲，在距離冰舌約1 公里處凍結的湖面上放飛了無人機。由于氣溫已在零下10度左右，無人機電量損失較快，難以通過航跡規劃測量方式拍攝到冰舌末端。使用無人機拍攝一段視頻和冰舌照片(圖7)后原路返回貢錯北岸。從近處可以看到超過水面的冰舌有大概50米高。與2021年3月份科考時相比，冰舌末端形狀已經發生較大變化，說明繼續有大量冰舌斷裂消融。
圖7 從冰湖上遠眺雅隆冰川
回到貢錯北岸后，科考隊員重新規劃航跡拍攝了冰湖出水口區域，可以看到大量從冰舌上斷裂的冰塊移動聚集到冰湖出水口(見圖8)。通過Planet高分辨率衛星影像(https://www.planet.com/explorer)，可測算出這部分冰塊聚集的區域已達0.3平方公里，這將在一定程度上壅高冰湖水位，并有可能增加小型滑坡風險。除了斷裂冰塊聚集的區域，冰湖中還零星分布著近期斷裂的冰塊(圖9)。
圖8 冰湖出水口附近聚集的斷裂冰塊
圖9 無人機拍攝的冰湖上零星分布的斷裂冰塊
圖10 科考隊員在岸邊操作無人機
4 易貢湖考察
12月3日，科考隊員前往易貢湖進行考察。易貢茶廠就坐落于易貢湖畔，兩岸地形陡峭，緊鄰雪山(圖11)，氣溫較低。科考人員分別在易貢湖入水口和出水口處利用無人機進行航拍，兩次航拍均成功獲取了高質量影像(圖12)。易貢湖是1900年的一場泥石流后形成的堰塞湖。該地區于2000年再度發生泥石流災害，不久后易貢湖潰決成為通暢的河道。高分辨率無人機影像及重建的DSM有助于該地區地質災害風險識別，并為后續研究中遙感影像水體識別算法的優化提供寶貴的驗證數據。
圖11 易貢湖畔
圖12 易貢湖航拍二維建模：(a)入水口航拍正射影像；(b)出水口航拍正射影像
科考總結
“晨興走馬千峰過，閱盡銀川萬古冰”。本次藏東南冬季科考歷時10天，行程超過2000公里，與夏季科考相比，科考條件較為惡劣，尤其是路況不佳，多處路基塌陷且背陰處、高海拔處路面結冰嚴重。作業環境較為嚴酷，冰湖前氣溫低、風力大，導致儀器續航能力減弱、網絡信號差、故障率高。科考人員克服了高原反應、寒冷天氣、交通不便等挑戰，通過攀爬冰川和無人機航拍，獲取了寶貴的冰川和冰前湖資料，加深了對藏東南地區冰川動態變化規律的認識，圓滿完成了藏東南地區典型冰川、冰湖的科考任務。無人機攝影測量獲取的高精度DSM，為驗證衛星遙感影像結果提供了有力支撐。本次科考也暴露了部分儀器設備在低溫環境下可靠性降低的問題，為今后的野外科考積累了經驗。
圖12 科考拍攝的24K冰川
致謝：本次科考由“第二次青藏高原綜合科學考察”(2019QZKK0105)。
報告撰寫人：清華大學水利系遙感水文研究團隊趙凡玉、李興東、李雪瑩、韓鵬飛、龍笛等