祁连山老虎沟12号冰川运动特征分析
【类型】期刊
【作者】刘宇硕，秦翔，杜文涛，孙维君，侯典炯（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室祁连山冰川与生态环境综合观测研究站）
【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室祁连山冰川与生态环境综合观测研究站
【刊名】冰川冻土
【关键词】 老虎沟12号冰川；GPS；冰川运动；表面速度
【资助项】...（2006FY110200）；冰冻圈科学国家重点实验室自主课题；国家自然科学基金委基础人才培养基金冰川学冻土学特殊学科点 （J0630966/J0109）
【ISSN号】1000-0240
【页码】P475-479
【年份】2019
【期号】第3期
【期刊卷】1;|7;|8;|2
【摘要】以南方灵锐S82 GPS接收机为数据获取平台,借助RTK测量技术对均匀布设在祁连山老虎沟12号冰川表面的花杆网阵进行表面运动速度观测.2008年6—8月和2008—2009年整年的观测资料显示:2008—2009年间该条冰川表面流速最大值出现在海拔4 750~4 850 m,其中西支表面流速达到32.6 m.a-1,出现在海拔4830 m附近,东支表面流速达到32.4 m.a-1,出现在海拔4770 m附近.相比1959年的观测结果,该条冰川流速减慢了11%.
【全文】 文献传递
祁连山老虎沟12号冰川运动特征分析
摘 要：以南方灵锐S82 GPS接收机为数据获取平台,借助RTK测量技术对均匀布设在祁连山老虎沟12号冰川表面的花杆网阵进行表面运动速度观测.2008年6—8月和2008—2009年整年的观测资料显示:2008—2009年间该条冰川表面流速最大值出现在海拔4 750～4 850 m,其中西支表面流速达到32.6 m·a-1,出现在海拔4 830 m附近,东支表面流速达到32.4 m·a-1,出现在海拔4 770 m附近.相比1959年的观测结果,该条冰川流速减慢了11%.
关键词：老虎沟12号冰川;GPS;冰川运动;表面速度
0 引言
运动是冰川的基本特征,是区别于其它自然冰体的重要标志,运动使冰川具有生命力.冰川是气候的产物,其运动与变化特征直接反映气候变化信息,为其它冰川研究提供参数和佐证[1].冰川运动研究也可为水资源、公路建设及冰川灾害预防等方面提供科学依据.因此,冰川运动监测研究一直是冰川学关注的热点问题,具有非常重要的科学意义与社会价值.20世纪80年代以来,伴随着中国冰川学的诞生,冰川运动研究有了长足发展,分别在祁连山、天山、喜马拉雅山、昆仑山、横断山等各主要山脉典型区域,不同类型的冰川展开了相应的监测研究,取得了丰富的成果[2-6].全球变暖背景下,我国82.2%冰川都不同程度呈现出退缩事实,少数冰川呈现前进状态[7].表面运动速度作为冰川运动研究重要的指标之一,在全球变暖大背景下就成为冰川运动研究的关注问题.
位于西部戈壁荒漠中的祁连山,发育着大量的冰川,成为孕育河西走廊生命绿洲的源头.作为祁连山区最大的山谷冰川,老虎沟12号冰川就显得尤为重要,它是我国最早展开定位监测的极大陆型冷性复式山谷冰川,该冰川独具的物理特性及形态特征一直为众多学者所关注.老虎沟12号冰川长时间序列的资料积累及定位监测,对于认知内陆区代表性冰川运动特征、深刻理解冰川水资源变化都具有积极意义.基于上述背景,对自2008年6月中旬以来获取的两期夏季表面运动速度观测资料以及2008—2009年整年冰川流速资料展开分析,从而认知此类冰川运动的基本特征.
1 研究区概况
老虎沟12号冰川(冰川编号:5Y448D0012)位于青藏高原北部,祁连山西段北坡冰川发育最盛的大雪山地区(图1).该冰川长9.85 km,面积20.4 km2[8],是祁连山最大的山谷冰川,末端海拔4 260 m,汇合处海拔4 550 m,最高海拔5 481 m,高差达1 200多米.积累区为北朝向,消融区为北西朝向[9],平衡线海拔4 830 m[10].东支整体平缓,西支起伏较大且发育有较多冰裂隙.该区受亚洲中部荒漠影响,具有典型的大陆性气候特征,夏季平均气温超过0℃,冬季严寒,且低温持续时间长.本区降水主要受西风作用,多以局地降水为主,降水主要集中在5—9月[11].新近研究表明,该区气温呈升高趋势,气候呈现暖湿特征[8].
图1 研究区示意图
Fig.1 Map of the study area
2 研究方法
冰川运动研究主要以实地测量和遥感手段来实施监测[12-14],前者在冰川外围建立控制网,在冰川表面布设测速断面并建立观测标志,使用经纬仪对冰川上的标志点进行重复前方交汇观测,测得不同时段内标志点的相对位移,进而求得运动速度.遥感手段是利用重轨干涉测量原理提取冰川表面运动信息,即雷达天线一定时间间隔内在同一轨道上飞过同一地区,这期间,冰川表面发生一定量的变化,从而引起相位“失真”,产生去相关问题,进而通过差分干涉测量,得到冰川表面运动信息.
使用测量方法进行冰川运动与变化观测可获得较高精度的结果,但该项工作人力、物力消耗较大,监测难度大,只能在少数典型冰川上展开.利用遥感图像可以从整体上把握冰川变化特征,使得监测一些无法通过测量方法取得变化信息的冰川成为可能.但遥感技术有很大的局限性,比如常用的TM图像标称分辨率为30 m,ASTER可见光-近红外子系统标称分辨率为15 m,经过处理后的遥感数据误差都在几十米量级,通常天气情况、地表状况等多种因素都会影响遥感数据获取的质量,使用遥感手段测算精度要低于实地测量[15-17].
为获取高精度冰川运动资料,祁连山站使用南方测绘灵锐S82接收机和天宝5700接收机做为数据获取平台,利用RTK技术,借助于物质平衡花杆点对冰川表面流速进行观测.两种仪器的精度指标见表1.
表1 使用仪器精度一览表
Table 1 Precision of the two receptors
南方灵锐S82 天宝5700静态平面精度 3mm+1ppm 静态平面精度 5mm+0.5ppm静态高程精度 5mm+1ppm RTK平面精度 1cm+1ppm RTK平面精度 10mm+1ppm RTK高程精度 2cm+1ppm
表面流速观测开始于2008年6月,在冰川表面布设了39根标志杆,汇合口以下共有标志杆9根,3个横剖面,分布在海拔4 400～4 500 m之间.其中,东支共有9个横剖面,标志杆20根,分布在海拔4 600～5 000 m之间;西支共有6个横剖面,标志杆10根,分布在海拔4 700～4 850 m之间.于2008年6月17日和8月19日测量花杆点位,获取了一期老虎沟12号冰川夏季表面流速资料.由于消融强烈,到2009年花杆网阵仅留存17根,东支剩7个横剖面14根标志杆,西支剩2个横剖面3根标志杆,于2009年8月再次测量剩余的标志杆,获取部分点位全年的流速资料.2009年7月重新布设标志杆,分别于8月初和9月初各观测一次,获取了一个月的流速资料.
3 数据分析
3.1 夏季表面流速特征
分析2008年6月17日至8月19日末端、东支及西支主流线附近的一期测点资料(图2),结果显示:老虎沟12号冰川流速呈现出随海拔变化的规律性特征,在冰川的不同部位出现了流速增大区域,并且各观测点均是沿着冰川主流线方向运动(图1).汇合处以下是冰塔区,冰面形态较复杂,冰丘、冰面河众多.夏季,这一区域表面融水较多,增加冰内水压力,促进冰川运动,因此,在海拔4 400 m附近出现了较大流速,而海拔4 500 m处流速相对较小.测点a与测点b之间海拔每升高100 m流速变化率为 -5.2 cm·d-1.海拔4 500～4 600 m是东西两支冰体汇合区域,由于受到东西两支冰体的共同挤压,冰体较厚,流速呈现出急剧增大的事态,海拔每升高100 m流速变化率为:汇合口下部测点b与测点x之间为+2.5 cm·d-1,汇合口测点x与测点c之间为+4.0 cm·d-1.进入东支部分,随着海拔的升高,流速呈现增大的趋势,在海拔4 750～4 800 m上达到最大,流速为10.3 cm·d-1,随后流速开始减小,出现拐点.在海拔4 600～4 800 m每升高100 m流速变化率分别为:测点e-d与测点e-e之间为+2.5 cm·d-1,测点e-e与测点e-f之间为+4.5 cm·d-1;海拔4 800～4 900 m间,海拔每升高100 m流速变化率为:测点e-f与测点e-g之间为-4.6 cm·d-1,测点eg与测点e-h之间为-5.6 cm·d-1.西支方面,根据已有观测数据,呈现出与东支相似的运动特征,流速最大值出现在海拔4 850 m附近,达到12.4 cm ·d-1.
图2 2008年6—8月老虎沟12号冰川表面流速沿海拔分布
Fig.2 The surface velocities of the Laohugou Glacier No.12 changing with elevations during the period of June—August,2008
比较1960年、1961年与2008年消融季不同海拔上表面流速(表2),显示出末端海拔4 400 m与汇合口下部海拔4 500 m表面流速变化剧烈,海拔4 500 m高度上1961年消融季表面流速观测值高出1960年消融季表面流速观测值的一倍,1961年消融季3个高度上表面流速普遍较高,都在10 cm· d-1以上.海拔4 400 m和4 500 m高度上,2008年消融季的观测值远低于1961年消融季的观测值,表面流速分别降低了57%、72.8%;相比1960年消融季海拔4 500 m高度表面流速,2008年消融季流速降低了45.2%.东支海拔4 800 m上2008年消融季与1961年消融季流速基本保持稳定,未发生大的变化,表面流速保持在10 cm·d-1.
2010年1月2日,测量汇合口以下3个剖面, 6个杆点,解算后与2009年9月测量结果比较,获得消融季末至入冬后老虎沟12号冰川汇合口以下部分表面流速资料,相比8—9月份流速资料(图3),除a1和b1测点流速与2009年8—9月份流速相差不大外,其余测点流速均有明显下降,最大减小幅度达75%.
表2 不同年份、不同海拔老虎沟12号冰川表面流速
Table 2 The surface velocities of the Laohugou Glacier No.12 at different elevations in 1960,1961 and 2008
时间4400 m流速/(cm ·d-1) 4500 m流速/(cm ·d-1)东支4800 m流速/ (cm·d-1)数据来源1960年6—7月 6.2 文献[18] 1961年6—月 12.1 12.5 10 文献[18] 2008年6—8月 5.2 3.4 10.3 本研究
图3 老虎沟12号冰川汇合口以下夏季与秋冬季表面流速
Fig.3 The summer and autumn/winter surface velocities under the confluence of the Laohugou Glacier No.12
3.2 2008/2009年度表面流速特征
求算2008年8月中旬到2009年8月中旬间各标志点的运动速度,结果显示:整年间东支最大流速出现在海拔4 750～4 800 m,达到32.4 m·a-1;海拔4 800 m以上到粒雪盆之间表面流速开始减小,处在23～26 m·a-1范围内,变化不大;进入粒雪盆,流速减小为12 m·a-1左右.在西支仅剩的两个横剖面中,流速最大出现在海拔4 800～4 850 m,达到32.6 m·a-1,海拔升高10 m,表面流速则降为29 m ·a-1.与东支相比,西支海拔4 800 m附近流速高出约16.6%.相比1959年[18]使用后方交会法观测到平衡线附近的运动速度为36m·a-1,2008—2009年间老虎沟12号冰川运动有所减缓,减缓幅度在11%左右.井哲帆[19]2006年对该条冰川表面流速观测结果也显示出这一趋势.将2008年6—8月间平衡线附近表面流速换算到整年尺度,流速达到45 m·a-1,比年平均流速高出约38%.
4 结论
冰川运动受地形、气候等多种要素影响.冰川运动可直接反映出气候变化信息,气温与降水的变化势必引起冰川表面消融状况的改变,不同时节甚至昼夜间融水下渗量不同,冰川表面流速也会有不同的表现[12].黄茂桓等[20]总结了1980年以前中国冰川运动观测资料,得出一般规律为:温冰川比冷冰川运动速度大;地理位置相同且形态相同的冰川,大冰川比小冰川运动速度大;在横剖面上,冰川中心比冰川边缘运动速度大.气温、降水、冰川厚度、冰面坡度等因素的变化都会引起冰川运动状况的改变,某些大冰川,由于槽谷形态和坡度的变化,支冰川汇入等因素,将出现复杂的运动场,若断面变窄,纵坡变陡,会使冰川运动加速[18].通过研究分析,主要结论如下:
(1)老虎沟12号冰川2008—2009年间运动速度最大值出现在海拔4 750～4 850 m高度带内.其中,东支最大流速为32.4 m·a-1,出现在海拔4 770 m附近;西支最大流速达32.6 m·a-1,出现在海拔4 830 m附近.
(2)2008年6—8月夏季表面流速资料显示:海拔4 800 m高度带附近是冰川运动最快的区域,汇合口处由于受到东、西两支冰体挤压,也出现一个流速大值区域.
(3)老虎沟12号冰川夏季运动速度最大,高出年平均速度38%左右,汇合口以下秋冬季节表面运动速度明显低于夏季,流速最大减缓75%左右;相比1959年观测结果,老虎沟12号冰川年运动速度减缓11%左右.
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Analysis of the Movement Features of the Laohugou Glacier No.12 in the Qilian Mountains
Abstract:The Laohugou Glacier No.12 is the largest valley glacier in the Qilian Mountains,located in northern Tibetan Plateau.Movement is the basic characteristics of glaciers and an important symbol different from other natural ice.Glacier change not only reflects the climate change,but also has important significance to humanity society.In the arid regions of West China,glaciers become the important water resources.GPS receivers(South-Lingrui S82 type)as data catching platform were used to survey the surface velocities of the Laohugou Glacier No.12 through RTK measurement. It is found that the maximum velocity appeared at the altitude of 4 750～4 850 m during the period of 2008—2009,when in the west branch the maximum surface velocity reached 32.6 m·a-1,appeared at the altitude near 4 830 m,and in the east branch the maximum surface velocity reached 32.4 m·a-1,appeared at the altitude near 4 770 m.The glacier velocity slowed down about 11%as compared with the surveying in 1959.
Key words:Laohugou Glacier No.12;GPS;glacier movement;surface velocityty
中图分类号：P343.6
文献标识码：A
文章编号：1000-0240(2010)03-0475-05
收稿日期：2010-01-06;
修订日期：2010-03-29
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2007CB411501);科技部科技基础性专项项目(2006FY110200);冰冻圈科学国家重点实验室自主课题;国家自然科学基金委基础人才培养基金冰川学冻土学特殊学科点(J0630966/J0109)资助