2020年科研工作重要进展系列成果专题四——青藏高原冰雪变化研究

编者按：2020年研究院31名科研教学人员团结一致、攻坚克难、整合力量，打造特色研究方向，取得了丰硕成果：获云南省科技进步一等奖一项，入选云南省野外观测科研站一个；国家自然科学基金立项14项（立项率58%，全院师均获资助0.45项，含重点级项目2项），目前研究院在研纵向科研项目总计48项；2020年研究院在Nature Reviews Earth & Environment、Earth and Planetary Science Letters、Geophysical Research Letters、Remote Sensing of Environment等地学主流杂志发表（含合作发表）学术论文183篇，其中SCI/SSCI/EI收录121篇（一作及通讯76篇，人均2.45篇/年），授权专利（含实用新型）13项，以下将分八个专题对代表性的亮点成果进行介绍。

专题四：青藏高原冰雪变化研究

刘时银研究员团队2020年度在高亚洲冰川、积雪、冰湖及区域地表储水量变化等方面取得了新认识，成果发表在Journal of Hydrology、Frontiers in Earth Science、Atmospheric Research、Hydrology Research, Remote Sensing和《山地学报》等期刊。

4.1“喀喇昆仑山冰川异常”仍处于发展状态

受全球气候变暖影响，高亚洲地区冰川普遍退缩，但喀喇昆仑山、西昆仑、帕米尔等地区冰川呈现出所谓的“喀喇昆仑冰川异常”，主要表现为为数较多的冰川出现前进（甚至跃动），围绕此问题，我们针对喀喇昆仑山地区冰川和积雪动态开展了研究。利用2000年SRTM和2014年TerraSAR影像，基于合成孔径雷达干涉测量方法，获取了2000-2014年中国-巴基斯坦国际公路洪扎河流域区冰川表面高程变化；利用Landsat遥感影像，获取了研究区1990-2018年冰川表面运动速度。研究发现，2000-2014年洪扎河流域冰川经历了微弱了负平衡；洪扎河流域7条发生了22次跃动事件和前进（图4-1）。冰川底部压力增加导致底部冰处于压融与表面融水渗入冰川底部，使得冰川运动加快是本地区冰川异常的主要原因。

图4-1喀喇昆仑山洪扎河流域2000-2013年冰川表面高程变化及1990-2018年平均冰川表面运动速度（Wu et al. 2020, Remote sensing）

表碛的时空分布对了解物质平衡过程、冰湖溃决洪水、水文预报以及冰川波动等具有重要意义。然而，由于表碛与周围的岩壁具有相似的光谱反射率，基于遥感的表碛覆盖制图仍然具有挑战性。针对喀喇昆仑山腹内的洪扎河谷我们在GEE空间大数据处理分析平台上筛选了1990~2019年间的32景Landsat TM/ETM+/OLI影像，基于波段比值分割方法(归一化积雪指数[NDSI] < 0.4)、大津阈值优化法和机器学习算法（随机森林（RF），支持向量机（SVM）和分类树回归（CART）），绘制了喀喇昆仑山洪扎河谷的表碛覆盖图。结果表明：1990-2019年间研究区冰川表碛覆盖总面积扩大了21.31%（图4-2）。表碛扩大可总体减弱冰川消融，因而也可能是“喀喇昆仑山冰川异常”形成原因之一。

图4-2洪扎河流域区五条典型冰川的表碛覆盖及其变化（Xie et al. 2020, Frontiers in Earth Science）

本研究进一步检测了积雪变化对“喀喇昆仑山冰川异常”的可能影响，利用2020-2018年MODIS积雪产品对喀喇昆仑山主要区域的积雪分布进行了分析。结果表明，喀喇昆仑和帕米尔东部部分地区的积雪面积比例表现出增加趋势、积雪出现时间提前，积雪开始融化时间推迟，总体上表现出有利于冰川物质增加的变化，这一结果表明，西风加强带来冬春季降水增加、气温下降，主导了该地区积雪变化，进而影响冰川异常变化。

4.2青藏高原东南部的冰川强烈萎缩，冰湖突发洪水灾害风险增加

利用基于时序Landsat数据、开源冰川厚度估算结果，以及冰川储量估算方法等，对青藏高原东南部易贡藏布流域的冰川进行了研究。结果显示该流域冰川2000-2013年厚度年均减薄0.62%，冰川呈现出快速消融、退缩和运动速度减缓。在海拔4600米以下，冰川运动减速年均减缓5.26 m（每10年减缓19.8%）（图4-3）。毗邻的岗日嘎布山冰川运动分析表明，该区最大的雅弄冰川，最大运动速度可达690±25 m a^-1，研究区冰川平均运动速度为70±28 m a^-1，表明西藏东南部地区的季风海洋型冰川活跃的物质交换和对气候变化反应敏感的特征，与念青唐古拉山易贡藏布流域冰川类似，1990-2018年岗日嘎布地区的冰川运动速度总体减慢，海拔4900米以下区域冰川显著减速是主导趋势。

图4-3 1990-2018年藏东南地区易贡藏布流域（左图）和岗日嘎布山（右图）冰川表面运动速度变化趋势（Wu et al. 2020, Journal of Hydrology; Wu et al. 2020, Journal of Glaciology）

念青唐古拉山地区南北坡分别发育了怒江和雅鲁藏布江支流尼洋河和帕隆藏布江，冰川活动孕育了本地区洪水和泥石流灾害，冰湖溃决突发洪水是冰川灾害类型之一。团队在关注冰川变化的基础上，也注意研究其诱发的各类灾害。利用1976-2016年历史地形图、Landsat卫星影像对尼洋河流域的冰湖变化进行了研究（图4-4），结果表明研究区海拔4500m以上区域有318个湖泊受冰川融水补给（包括冰面湖、冰碛湖、冰川侵蚀湖等），进一步分析发现有14个冰湖具有溃决风险，其中7个风险等级中、高以上。这些结果预示着川藏公路/铁路建设、地方经济活动要密切关注本地区冰湖突发洪水可能造成的灾害。

图4-4.尼洋曲位置及冰川冰湖分布概况（Qi et al. 2020, Journal of Mountain Science）

青藏高原东南部和东部区域的冰川萎缩是气候变暖影响的直接证据，包括青藏高原东南部和东部的金沙江、澜沧江、怒江上游区，在经历气候变暖和冰川萎缩影响的同时，水系统也表现出遭受其影响的强烈信号。分析三个流域上游区2002-2016年重力卫星GRACE Level 2 Release 6（RL06）产品可知，地表水储量呈现小幅减少变化，且具有明显的空间异质性（图4-5），其减少约59%可归因于地表蒸散量增加，尤以与夏季蒸散发加强有关，其次是念青唐古拉山地区的冰川萎缩；金沙江源区内流湖盆降水增加可能是水储量增加的原因。

图4-5金沙江、澜沧江、怒江上游区水储量变化（Zhu et al. 2020, Hydrology Research）

4.3青海湖动态变化遥感监测

本研究关注青海湖湖冰物候和湖岸线动态变化的监测和研究。利用1973~2018年Landsat MSS/TM/OLI遥感影像和1961~2017年实测水位资料，研究青海湖湖岸线动态变化及对鸟类栖息地的影响。结果指出，近45年来青海湖岸线发生变化最大的区域是东岸的沙岛，以及西岸的鸟岛、铁布卡湾和北岸沙柳河入口区域（图4-6），自2004年以来，鸟岛地区岸线后退距离最大（5.52 km），鸟类栖息地扩张约97.94 km²，为鸟类提供了较好的栖息环境。综合调查研究表明1973~2004年间青海湖水位下降和土地沙漠化是造成湖岸变化的直接原因，人类活动及草场退化加速了湖泊岸线的变迁。2004年之后，随着青海湖水位回升与面积扩张，岸线逐渐抬升，2017~2018年岸线抬升最大，已对沿岸和鸟岛等环境造成影响。

图4-6青海湖鸟岛岸线的演变过程（祁苗苗等，2020，湖泊科学）

湖冰变化（封冻和解冻、湖冰范围等）也是青海湖水体物理性质、水生生物与候鸟栖息环境等有较大影响。利用NOAA AVHRR、Terra MODIS和Landsat MSS/TM/OLI遥感影像，基于冰、水在可见光—红外波段上反射率差异，识别出青海湖湖冰年际波动，结果可知，1980~2018年青海湖湖冰物候特征变化呈现较大差异，开始冻结和完全冻结年均推迟0.16和0.19天；开始消融和完全消融日期年均提前0.36和0.42天。青海湖湖冰存在时间、封冻期、完全封冻时间累积缩短了22.04d、22.81d和9.76天。青海湖湖冰变化受冬半年负积温变化、辐射和气压变化的影响。

图4-7野外科考情况