【类型】期刊

【作者】张震，刘时银，魏俊锋，蒋宗立，许君利，郭万钦（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；中国科学院大学；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；湖南科技大学 建筑与城乡规划学院；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；湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室）

【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；中国科学院大学；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；湖南科技大学 建筑与城乡规划学院；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；湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室

【刊名】冰川冻土

【关键词】 帕米尔；冰川跃动；遥感监测；运动特征；高程变化

【资助项】国家科技基础性工作专项(2013fy111400)；中国科学院重点部署项目(kzz d-ew-12-1)；国家“十二五”科技支撑计划项目(2012bac19b07)；国家自然科学基金项目...

【ISSN号】1000-0240

【页码】P11-20

【年份】2019

【期号】第1期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】2015年5月,新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县公格尔九别峰北坡克拉牙依拉克冰川发生跃动,造成草场和部分房屋被冰体淹没,本文针对这一冰川跃动事件的发生过程进行研究.利用2013-2015年间ASTER立体像对数据监测了克拉牙依拉克冰川的冰川表面高程的变化,并利用2015年4月13日至2015年7月11日期间的Landsat OLI数据监测了冰川的表面运动速度变化.监测发现,克拉牙依拉克冰川从2015年4月13号开始活动强烈,表面运动速度呈加快趋势,2015年5月8-15日期间冰川表面运动速度达到最高水平,其最大运动速度在西支中部达到了(20.40±0.42)m·d-1,冰川跃动达到顶峰.冰川跃动“积蓄区”位于西支冰川平衡线以下区域,跃动向下游接收区输送冰体体积约为2.4×108m3,大量冰体堆积在东西支汇合口地段(海拔3 100~3 500 m),造成了该处冰面隆起,其中最大隆起高度为(130.58±0.70)m.本文获得了西支冰川由静止期、跃动状态、恢复到稳定状态期间的冰面高程和表面运动速度变化,为本地区冰川跃动机理的研究奠定了基础.

【全文】 文献传递



新疆帕米尔跃动冰川遥感监测研究

张 震1,2，刘时银1*，魏俊锋3，蒋宗立1,4，许君利1,2，郭万钦1

(1.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，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.湖南科技大学 建筑与城乡规划学院，湖南 湘潭 411201；4.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

摘 要：2015年5月，新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县公格尔九别峰北坡克拉牙依拉克冰川发生跃动，造成草场和部分房屋被冰体淹没，本文针对这一冰川跃动事件的发生过程进行研究.利用2013-2015年间ASTER立体像对数据监测了克拉牙依拉克冰川的冰川表面高程的变化，并利用2015年4月13日至2015年7月11日期间的Landsat OLI数据监测了冰川的表面运动速度变化.监测发现，克拉牙依拉克冰川从2015年4月13号开始活动强烈，表面运动速度呈加快趋势，2015年5月8-15日期间冰川表面运动速度达到最高水平，其最大运动速度在西支中部达到了(20.40±0.42) m·d-1，冰川跃动达到顶峰.冰川跃动“积蓄区”位于西支冰川平衡线以下区域，跃动向下游接收区输送冰体体积约为2.4×108 m3，大量冰体堆积在东西支汇合口地段(海拔3 100～3 500 m)，造成了该处冰面隆起，其中最大隆起高度为(130.58±0.70) m.本文获得了西支冰川由静止期、跃动状态、恢复到稳定状态期间的冰面高程和表面运动速度变化，为本地区冰川跃动机理的研究奠定了基础.

关键词：帕米尔；冰川跃动；遥感监测；运动特征；高程变化

0　引言

2015年5月，新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县公格尔九别峰北坡克拉牙依拉克冰川西支发生快速下滑移动，导致周围草场和部分房屋被冰体淹没.发生跃动的西支冰川长度超过12 km，面积40 km2.冰川跃动是一种特殊的冰川现象，在人类活动临近地区可带来河道阻塞及冰湖溃决洪水、泥石流等灾害，威胁生命和财产安全.冰川跃动通常是指冰川周期性地在较短时间(2～3 a)内发生快速运动的现象[1].跃动冰川在跃动期间运动速度突然加快并且引起冰川物质快速转移和冰体的重新分布，但其总质量保持不变，并具有很明显的表面特征，比如冰面明显的中碛褶皱、冰面的破碎以及冰川末端的突然前进等等[1].世界主要冰川作用区均有跃动冰川现象的报道，且大多数跃动型冰川集中在阿拉斯加-育空、加拿大北极、格陵兰岛西部(Disko Island,Nuusuaq Peninsula)、东部(Blosseville Kyst and Stauning Alper)、冰岛、Svalbard和新地岛，以及中亚的部分山系(包括喀喇昆仑山、帕米尔和西天山)[2-13].其他地区跃动冰川事件也零星报道，比如俄罗斯的高加索山脉、安第斯山脉、新西伯利亚群岛、堪察加半岛和西藏地区等等[13-18].中国学者对中国境内跃动冰川也开展了研究,比如张文敬[17]发现西藏东南部南迦巴瓦峰西坡的则隆弄冰川曾经发生过跃动.杨建平等[18]根据遥感资料分析冰川末端变化发现唐古拉山的5K451F12冰川和阿尼玛卿的哈龙1号冰川是跃动冰川.上官冬辉等[19]根据Landsat影像发现喀喇昆仑山北坡克勒青河的5Y654D48、5Y654D97曾发生过冰川跃动，刘景时等[20]利用环境减灾卫星(HJ-1A/1B)数据监测到克勒青河谷克亚吉尔冰川的跃动，指出该冰川跃动并阻塞河道，是引发了突发洪水的根源[21].郭万钦等[22]基于Landsat遥感数据监测到木孜塔格峰西北坡鱼鳞冰川中支在2007-2011年间发生了跃动，冰川北侧末端在几年内前进了(548±34) m.

不同地区不同冰川的跃动周期有着很大的差异，但是对同一条冰川来说跃动期和平静期时间长度是相对恒定的[23].比如Svalbard的跃动冰川跃动期持续了4～10 a[23]，但是阿拉斯加的西北部、冰岛和帕米尔地区，其跃动期只有1～3 a.不过，Svalbard的最大运动速度相对较低，只有1.3～16 m·d-1，而阿拉斯加的花冰川最大运动速度达到了50 m·d-1.因此，Svalbard的冰川在跃动期间迁移物质的速率低于阿拉斯加.Svalbard平静期的时间也相对较长(50～500 a，其他地区只有20～40 a).对于一些冰川来说，跃动周期的长度取决于积雪重新填满积蓄区所需要的时间[24]，而阿拉斯加的沿海区域比Svalbard等干旱区有着很高的降雪率，所以其跃动周期也相对较短.然后在冰岛的一些冰川，跃动周期的时间却呈现不规则的间隔，表明气候也不是唯一的控制因素.有学者认为，在气候变化的背景下，如果没有足够的物质积累去重新填充积蓄区，那么跃动型冰川可能逐渐转变为非跃动型[25].Dowdeswel等[25]在Svalbard发现1936-1938年有18条跃动冰川，而1990年只有5条，并认为这一趋势反映了该地区冰川20世纪末期持续的物质负平衡.当然这一结论还有待检验，但是一些以前发生跃动的小冰川正在呈现很强的负平衡，似乎失去了再次跃动的条件.类似的还有奥地利的阿尔卑斯山的冰川[26]，在小冰期时代经历过四次跃动或者极速前进，但是现在却没有跃动型冰川.另一方面，气候变化可能会增加跃动的频率，比如喀喇昆仑山的冰川[27].这些观测表明一些冰川在短暂的气候周期内发生一次跃动是合乎逻辑的.

虽然在东帕米尔地区，首次发现冰川跃动现象，但与本地区毗邻的帕米尔西部和喀喇昆仑山地区多有冰川跃动现象的报道[27-28].其中帕米尔西部的熊冰川(Medvezhiy)是一条有系统观测和研究的跃动冰川，该冰川每隔10～14 a发生一次跃动，跃动记录最早可追溯到1937年、1951年，1963年、1973年、1988-1989年、2001年和2011年的跃动事件均有较详细的研究[28].喀喇昆仑山是跃动型冰川较为集中发育的地区之一，近年来跃动频率有增加趋势.研究指出喀喇昆仑山有90条属跃动型冰川，其中有26条冰川自1990年以后出现过跃动，跃动冰川数量是1990年以前14年间的两倍，与喀喇昆仑山地区的降水增多和物质正平衡现象一致[29].喀喇昆仑山最著名的一次冰川跃动是Kutiàh Glacier，该冰川在1953年3-5月的3个月里前进了12 km，平均速度113 m·d-1，冰体淹埋了附近村庄、农田和森林[30].报道中跃动冰川运动速度最快的是Yengutz Har Glacier，在1902-1903年8天里前进了3.2 km[31].现有研究对喀喇昆仑山冰川跃动的原因有不同看法[32-34]，一种观点认为喀喇昆仑山冰川跃动受热力学影响[33]，认为高海拔地区积累增加导致冰川底部处于压融状态.也有对单个跃动事件的观测和建模表明[34]，水文条件的改变是引起冰川跃动的主要原因.

遥感技术由于快捷性和时效性，为跃动冰川的监测提供了重要技术手段[35-38].目前，在冰川表面特征和运动速度的监测方面，遥感技术发挥着越来越重要的角色.Dowdeswell等[35]利用ASTER影像提取了Perseibreen冰川前进速度和运动速度，冰川末端由退缩转换为快速前进，跃动期间末端前进速度达750 m·a-1，表面运动速度达到2～2.5 m·d-1.Fatland等[36]利用InSAR对阿拉斯加的Bering 冰川跃动期间和跃动前后的运动速度进行了监测，发现1994年1-3月期间冰川运动平均速度达到1 m·d-1.多源遥感立体像对数据可获得的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)，在冰川学上得到了很广泛的应用[37-41]，同时在跃动冰川表面高程变化的监测方面也发挥着重要作用.Pritchard等[37-38]根据跃动前的地形图和European Remote-sensing Satellite (ERS)影像详细分析了东格陵兰岛的一条入海冰川Sortebrae冰川1992-1995年跃动期间运动速度和高程的变化.跃动从1992年11月至1993年1月的中部开始迅速扩张到上游，跃动阶持续了28～32个月，运动速度高达24 m·d-1，跃动总计从积蓄区运移(24.3±9.5) km3的冰体，平均高程降低了180 m，相比之下下游冰川厚度几乎没有增加，从而导致末端前进了10 km，并估计有12.1 km3的冰体发生崩解.

本研究收集了冰川跃动期间Landsat 8卫星数据，基于遥感影像特征匹配法提取了克拉牙依拉克冰川表面运动速度，分析了跃动冰川的运动特征，此外，根据跃动前后的2013年和2015年两期质量较好的ASTER影像，对比由立体像对提取的DEM数据，分析了克拉牙依拉克冰川高程变化以及物质迁移情况.

1 研究区概况

帕米尔高原地处位于青藏高原西北部，天山南支的北部，分属塔吉克斯坦、中国和阿富汗三国，其中中国部分被称为中国帕米尔高原或东帕米尔高原，昆盖山、公格尔峰(海拔7 719 m)和慕士塔格峰(7 546 m)等构成的宽大山体，大致呈北西-东南走向，属极大陆性高山气候区，冬季漫长(10月至翌年4月)，在海拔3 090 m的塔什库尔干，近50年来年均温6 ℃，其中一月最为寒冷，平均气温可达-18 ℃，年降水量75.76 mm，且集中在夏季.围绕各高大山地主峰和山脊两侧发育了数量较多、规模巨大的山地冰川.东帕米尔地区冰川共有1 265 条，总面积为2 054 km2，其中公格尔峰和慕士塔格峰分布434条冰川，面积998 km2[42]，这些冰川主要分布于塔里木水系的喀什噶尔河的库山河、盖孜河、阿依噶尔特河、塔什库尔干河等[43].

本研究区有3条面积大于50 km2的冰川，包括克拉牙依拉克冰川(冰川编号5Y663B0025，38°37.41′ N、75°17.16′ E).该冰川位于公格尔九别峰(海拔7 530 m)北坡，盖孜河流域，是典型的树枝状山谷冰川，最大汇合口位于海拔3 300 m处，总长度约20.3 km，根据中国第二次冰川编目资料该冰川面积115.16 km2，是东帕米尔地区最大的冰川[42].末端海拔2 817.6 m，平均海拔4 837.9 m，中值高度海拔4 558.6 m，冰川雪线高度4 220 m.该冰川分布着大量表碛，表碛覆盖率约为22.3%.

2 数据和方法

2.1 数字高程模型(DEM)提取和误差评估

本研究采用了2013年6月11日和17日拍摄的ASTER L1A立体像对数据.ASTER数据包括3个15 m分辨率的可见光、近红外波段数据(VNIR,0.5～1.0 μm)，6个30 m分辨率的短波红外波段(SWIR,1.0～2.5 μm)和5个90 m分辨率的热红外波段(TIR,8～12 μm).其中3N和3B波段(VNIR)具有同轨立体观测能力，基高比(B/H)约为0.6，可以用来提取数字高程模型(DEM).由于存档数据较多和成本低廉等优势，ASTER提取的DEM在冰川体积变化或者物质变化中得到了广泛的应用[41,44].研究显示，采用ASTER立体像对提取的DEM数据可获得7～20 m的垂直精度[44].

利用ENVI软件可以生成DEM，该软件DEM Extraction模块直接利用ASTER数据源中的辐射校正参数对立体像对进行校正，从而消除ASTER影像中的条带效应，确保提取DEM的稳定性和可靠性，处理时DEM输出分辨率设为30 m.虽然可以通过无控制点模式，利用ASTER像对提取相对高程，从而研究冰川表面高程变化.但本研究采用控制点模式提取绝对高程，以确保提取的DEM与第二次冰川编目数据以及经过正射校正处理的Landsat影像精确匹配.控制点平面坐标来源于经过正射纠正的Landsat影像，高程坐标来源于与Landsat影像精确匹配具有相同坐标系(WGS1984和EGM96高程)的地形图DEM(Xu等[40]).

在DEM提取过程中，不同时期ASTER DEM仍存在一定程度的平面和垂直扭曲，从而产生空间匹配误差[45-47].大量实验表明，不同DEM数据间的高程差异与坡度、坡向、最大曲率等地形因子间存在相关关系，因而，可以采用三角函数和回归分析的方法，对不同数据源间的空间匹配误差和空间分辨率相关误差进行校正[47-49].以2013年ASTER DEM为基准，利用三角函数(图2a)对空间匹配误差校正后，两期ASTER DEM平面相对偏移X为40.20 m，Y为-0.10 m.匹配后的高程残差与DEM提取过程中引入的误差相关，其与最大曲率存在着较好的相关关系(图2b)，因此本研究最后利用最大曲率对垂直偏移做进一步校正.

对于不同DEM校正后的高程残差带来的不确定性(σ)可以根据无冰区的平均高程差值(Mean Elevation Difference,MED)和标准差(STDV)进行评估[50]：

(1)

σ=MED2+SE2

(2)

式中：N为包含的像元数.为了消除空间自相关影响，笔者采用Bolch等[50]针对30 m空间分辨率的DEM取去空间自相关距离为600 m.结果显示，经过误差校正后，无冰区残差平均值MED减少到0.39 m，趋近于0，两期DEM的误差为0.70 m.

本研究采用第一次冰川编目获取的克拉牙依拉克冰川物质平衡线海拔高度4 220 m，将该冰川分为积累区和消融区.由于冰川积累区受积雪的影响造成大量高程变化噪声，而且冰川跃动主要发生在消融区，因此本研究只考虑消融区部分.

2.2　冰川表面运动速度的提取

冰川表面运动速度通过不同时间获得了两期或多期影像之间的冰川表面特征的位移量计算获得.其中位移量可以通过加州理工学院开发的COSI-CORR(Co-registration of Optically Sensed Images and Correlation)软件包获取，COSI-CORR基于IDL开发并集成于ENVI软件中，在ENVI5.0版本中支持ENVI class，本研究采用的是最新COSI-CORR版本，为2014年10月更新的.COSI-CORR根据光学遥感图像的特征匹配及互相关计算位移信息，许君利[51]等利用ASTER影像对天山托木尔峰科其喀尔巴西冰川通过COSI-CORR软件反演了该冰川表面运动速度，并与花杆测量数据进行对比，反演冰川表面运动速度平均绝对误差为3.1 m·a-1，相对误差为11.9%，二者在空间分布上基本一致.

表1　研究所用数据列表

Table 1　List of the data used in this study

本研究采用的Landsat数据均从美国地质调查局(USGS)获取(数据见表1)，所有数据均由USGS采用的GLS2005全球陆地控制点系统进行了正射校正.郭万钦等[22]对其校正精度进行了验证，结果显示USGS提供的正射校正后的Landsat遥感影像具有相当高的校正精度，大部分影像校正精度都在半个像元左右，部分影像甚至达到1/6～1/10左右的精度.因此，认为Landsat影像的正射校正精度满足表面运动速度分析.本研究采用Landsat OLI第8波段(全色波段，空间分辨率为15 m)，在COSI-CORR计算相关系数时采用频率域算法，参考窗口设为128，搜索窗口设为32，获得的位移数据有3个图像组成：东西向位移、南北向位移以及信噪比(SNR)，本研究采用SNR≥0.9部分并剔除云和阴影覆盖部分，最后即可得到冰川表面运动场的信息.表面运动速度不确定性可用式(3)和(4)评估：

(3)

Ev=Ed/d

(4)

式中：Ed和Ev分别为两日期间特征点位移与运动速度的误差；E1和E2分别为东西向位移和南北向位移误差；d为两日期相隔的天数.根据前人的研究结果[52]，Landsat匹配误差约为1/7像元，即±2.1 m，本研究将匹配误差输入公式(3)计算位移误差.

3　克拉牙依拉克冰川跃动及其特征

3.1　冰川运动特征

根据1987年的本研究区实地考察结果表明该区域冰川运动速度缓慢，年际变化不大，并且多数冰川运动速度稍有减缓的趋势[53]；蒋宗立等[54]利用合成孔径雷达数据(ALOS/PALSAR、ENVISAT/ASAR)干涉测量及特征匹配方法获取公格尔山区冰川的表面流速，表明克拉牙依拉克冰川自2007-2011年冰川表面流速几乎没有变化，运动速度超过0.6 m·d-1的区域很少.本研究对2015年4月13日-7月11日表面运动速度计算结果来看(图3)，克拉牙依拉克冰川西支从4月13日表面运动速度开始增加，并在5月8-15日达到最高水平，西支跃动段平均运动速度达(5.06±0.42) m·d-1，其最大可视运动速率在冰川西支中部达到了(20.40±0.42) m·d-1.5月15日-7月11日期间，冰川运动明显降低，西支跃动段平均运动速率降到(0.63±0.05) m·d-1，除了汇合口B处到末端有一小段运动较大外，其他部分均恢复到了正常水平.此外，东支中段冰川运动速率呈下降趋势，从4月13-29日的(0.88±0.19) m·d-1降到5月15日-7月11日的(0.11±0.05) m·d-1.

根据前人的研究[55]，一条冰川的跃动过程包括两个阶段，即平静期及跃动期.在跃动期，冰川发生运动松弛性动力卸荷，冰流速度急剧增大，往往是常态运动冰川的1～2个数量级，使大量冰体从上游向下游转移，冰川上部表面急剧下降，而冰川中下部则急剧升高；跃动过后的恢复阶段则发生相反的过程，即冰川上游冰量重新增多，运动速度恢复常态，冰体运动的前峰向下游推进，而下游被抬高的冰体在消融作用下不断减薄，冰舌末端逐渐退缩，这个过程一直持续到下一次跃动.本研究中积蓄区与接收区之间冰川表面运动速度从2015年4月13日-5月15日急剧增大，从5月15日-7月11日这段时间积蓄区与接收区之间表面运动速度开始恢复正常.

3.2　冰川高程变化

冰川的快速运动带动大量物质的迁移，通过ASTER立体像对数据监测表明2013-2015年间，克拉牙依拉克东西支冰川消融区平均升高了(0.45±0.70) m.考虑到本研究跃动前采用的数据时间是2013年，根据近些年的观测和研究，该地区冰川物质呈轻微的正平衡[29]，因此我们可以推测本次跃动前后冰川体积基本保持不变.根据前人的研究[52]，在冰川跃动期时，积蓄区发生冰川底部应力达到临界状态，冰面下降；而接收区冰量增加，冰面上升.从图4可以看出，克拉牙依拉克西支第一个汇合口A处(海拔3 600～4 100 m)冰面高程相对2013年平均下降了(-47.82±0.70) m，最大凹陷(178.38±0.70) m；大量的冰川物质迁移到克拉牙依拉克冰川东西支汇合口B(海拔3 100～3 500 m)，从而造成了B处冰面高程平均增加了(40.20±0.70) m，最高隆起(130.58±0.70) m，A为跃动的主要积蓄区，B处为跃动的主要接收区.根据两期DEM相减的结果得到主要积蓄区A处冰川体积损失2.4×108 m3，主要接收区B处体积增加2.2×108 m3.

4 讨论

冰川跃动的机理比较复杂.温性冰川的跃动可以用水文机制模型解释，该模型是在阿拉斯加花冰川1982-1983年跃动研究的基础上发展起来的.对温性冰川来说，每年夏季有大量融水进入冰内和冰下.冰下有效应力与冰下水压力有关，水压力与冰下排水量有关，排水量大小与冰下排水通道连接的缝洞系统和冰下通道之间的转换有关[56].连接的缝洞系统处于冰体高速运动状态，具有较高的水压力[57].当冰川底部有效应力达到某一临界值时，储水洞穴打开，转换为冰下通道排水状态，通道排水系统进而塌陷，从而导致冰体快速运动(触发跃动).因此温性冰川跃动的开始和结束是受有效的管道系统和无效连接的缝洞系统之间的相互转换控制的.

多温型冰川可以用热力机制模型解释,最新的热力机制模型是由Murray等[58]和Fowler等[59]发展起来的.多温型冰川积蓄区冰的不断积累，应力不断增加，从而导致冰的蠕变速率增加，产生热量，并启动冰体快速运动和应变加热之间的正反馈.最终，冰川底床部位达到压力熔点，并在冰川底部产生融水.冰川下游处于冻结状态的冰体和冻土阻碍了冰川融水的流失，冰川底部水上升的压力导致底部拖动和快速滑动.当底部的水全部流失后，冰川跃动结束[60].跃动前锋运移速率快慢取决于冻结部分的融化速率[59]，Fowler等[59]认为该类跃动冰川以跃动前锋运移缓慢为特征，Fowler等[59]的模型可以解释Svalbard地区的冰川跃动现象[61].

根据本研究，克拉牙依拉克冰川西支发生跃动积蓄区在积累区中下部.据我国第一次冰川编目资料[43]，克拉牙依拉克冰川冰川作用正差为3 310 m，积累区面积比率(积累区面积除以冰川总面积)为0.7，则冰川作用系数(积累区与消融区面积之比)为2.26，表明冰川不稳定[19].克拉牙依拉克冰川自2007-2011年冰川表面流速几乎没有变化，很少的区域超过0.6 m·d-1[54].2015年4月以来，冰川表面活动强烈，运动速率加快，导致跃动的发生.通常气温升高是冰川跃动的诱因，不过最近的研究表明帕米尔地区气温呈下降趋势，降水反而增多[29].公格尔山阻挡了高空西风环流带来的水汽导致高山地带降水增多，而克拉牙依拉克冰川作用正差(冰川最大高程-物质平衡线高度)极大，积累区较为陡峭，在降水增多的趋势下，容易发生雪崩.大量的积雪通过风吹雪、雪崩的再分配使得物质平衡线高度附近的积雪大量堆积，导致冰体下覆压力增加，冰川内部应力平衡受到破坏，从而导致冰体快速向下运动.在与帕米尔邻近的喀喇昆仑山地区，跃动冰川数量较多[30-34,62].比如Panmah Glacier的支流突然跃动，Hewit[27]将其归因为冰川对显著区域气候变化的热复杂反应，尤其是在高海拔和高峻地形条件下，高海拔气温的升高影响雪或者冰川的热状况；并且推测冬季温度的升高和夏季降雪的增多会导致积累区温度的升高，很有可能使零下的冰体发生移动.所有已知的喀喇昆仑山跃动冰川都是部分雪崩补给型或者完全雪崩补给型，冰川规模较大、冰舌较长和表碛覆盖[62]，并且有学者认为最近喀喇昆仑山冰川跃动受热状况影响所控制，长时间的降水和积累导致积累区温度的升高[33]，不过也有学者认为一些冰川的跃动是受水文条件控制[34].根据本研究的特点与Hewit[27]进行对比，克拉牙依拉克冰川可能也是受热力学影响.而本研究的克拉牙依拉克冰川跃动发生在4-5月，冰川是否有融水参与或者储存了前一年夏季融水，值得未来进一步研究.

5 结论

本研究采用ASTER立体像对数据监测了克拉牙依拉克冰川2013-2015年间的冰川表面高程的变化，并利用Landsat OLI数据监测了2015年4月13日-7月11日期间的表面运动速度的变化.通过监测我们发现，冰川跃动是从西支物质平衡线附近开始向下游输送物质，输送物质约为2.4×108 m3，大量的物质堆积在东西支最大的汇合口处，造成了该处的隆起，其中最大隆起高度为(130.58±0.70) m.克拉牙依拉克冰川从2015年4月13日开始活动强烈，表面运动速度呈加快趋势，2015年5月8-15日期间冰川表面运动速率达到最高水平，其最大可视运动速率在西支中部达到了(20.40±0.42) m·d-1.冰川高程的变化和表面运动速度的变化反映了克拉牙依拉克冰川西支从物质平衡线附近的突然下泄，导致了汇合口处出现隆起现象，西支各部位的运动速度都发生波动.之后表面运动速率趋缓，冰川逐渐进入稳定状态.

参考文献(References):

[1]　Meier M F,Post A S.What are glacier surges?[J].Canadian Journal of Earth Sciences,1969,6(4): 807-817.

[2]　Post A.Distribution of surging glaciers in western North America[J].Journal of Glaciology,1969,8(53): 229-240.

[3]　Jiskoot H,Murray T,Luckman A.Surge potential and drainage-basin characteristics in East Greenland[J].Annals of Glaciology,2003,36(1): 142-148.

[4]　Copland L,Sharp M J,Dowdeswell J A.The distribution and flow characteristics of surge-type glaciers in the Canadian High Arctic[J].Annals of Glaciology,2003,36(1): 73-81.

[5]　Fischer A,Rott H,Bj rnsson H.Observation of recent surges of Vatnaj kull,Iceland,by means of ERS SAR interferometry[J].Annals of Glaciology,2003,37(1): 69-76.

[6]　Yde J C,Knudsen N T.20th-century glacier fluctuations on Disko Island (Qeqertarsuaq),Greenland[J].Annals of Glaciology,2007,46(1): 209-214.

[7]　Citterio M,Paul F,Ahlstr m A P,et al.Remote sensing of glacier change in West Greenland: accounting for the occurrence of surge-type glaciers[J].Annals of Glaciology,2010,50(53): 70-80.

[8]　Grant K L,Stokes C R,Evans I S.Identification and characteristics of surge-type glaciers on Novaya Zemlya,Russian Arctic[J].Journal of Glaciology,2009,55(194): 960-972.

[9]　Hewitt K.Glacier surges in the Karakoram Himalaya (central Asia)[J].Canadian Journal of Earth Sciences,1969,6(4): 1009-1018.

[10] Kotlyakov V M,Osipova G B,Tsvetkov D G.Monitoring surging glaciers of the Pamirs,central Asia,from space[J].Annals of Glaciology,2008,48(1): 125-134.

[11] Copland L,Pope S,Bishop M P,et al.Glacier velocities across the central Karakoram[J].Annals of Glaciology,2009,50(52): 41-49.

[12] Copland L,Sylvestre T,Bishop M P,et al.Expanded and recently increased glacier surging in the Karakoram[J].Arctic,Antarctic,and Alpine Research,2011,43(4): 503-516.

[13] Sevestre H,Benn D I.Climatic and geometric controls on the global distribution of surge-type glaciers: implications for a unifying model of surging[J].Journal of Glaciology,2015,61(228): 646-662.

[14] Espiz a L E.Fluctuations of the Rio del Plomo glaciers[J].Geografiska Annaler (Series A: Physical Geography),1986: 317-327.

[15] Dowdeswell J A,Williams M.Surge-type glaciers in the Russian High Arctic identified from digital satellite imagery[J].Journal of Glaciology,1997,43(145): 489-494.

[16] Kotlyakov V M,Rototaeva O V,Nosenko G A.The September 2002 Kolka glacier catastrophe in North Ossetia,Russian Federation: evidence and analysis[J].Mountain Research and Development,2004,24(1): 78-83.

[17] Zhang Wenjing.A surging glacier in the Nanjiabawa Peak Area,Himalayas[J].Journal of Glaciology and Geocryology,1983,5(4): 75-76.[张文敬.南迦巴瓦峰的跃动冰川[J].冰川冻土,1983,5(4): 75-76.]

[18] Yang Jianping,Ding Yongjian,Liu Shiyin,et al.Glacier change and its effect on surface runoff in the source regions of the Yangtze and Yellow rivers[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2003,18(5): 595-602.[杨建平,丁永建,刘时银,等,长江黄河源区冰川变化及其对河川径流的影响[J].自然资源学报,2003,18(5): 595-602.]

[19] Shangguan Donghui,Liu Shiyin,Ding Yongjian,et al.Surging glacier found in Shaksgam River,Karakorum Mountains[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2005,27(5): 641-644.[上官冬辉,刘时银,丁永建,等.喀喇昆仑山克勒青河谷近年来发现有跃动冰川[J].冰川冻土,2005,27(5): 641-644.]

[20] Liu Jingshi,Wang Di.A glacier surge found in the upstream area of Yarkant River,Karokorum Mountain,summer 2009[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2009,31(5): 992.[刘景时,王迪.2009年夏季喀喇昆仑山叶尔羌河上游发生冰川跃动[J].冰川冻土,2009,31(5): 992.]

[21] Niu Jingfei,Liu Jingshi,Wang Di,et al. Monitoring on ice-dammed lake and related surging glaciers in Yarkant River,Karakirum in 2009[J].Journal of Mountain Science,2011,29(3): 276-282.[牛竞飞,刘景时,王迪,等.2009年喀喇昆仑山叶尔羌河冰川阻塞湖及冰川跃动监测[J].山地学报,2011,29(3): 276-282.]

[22] Guo Wanqin,Liu Shiyin,Xu Junli,et al.Monitoring recent surging of the Yulinchuan Glacier on north slopes of Muztag Rang by remote sensing[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2012,34(4): 765-774.[郭万钦,刘时银,许君利,等.木孜塔格西北坡鱼鳞川冰川跃动遥感监测[J].冰川冻土,2012,34(4): 765-774.]

[23] Björnsson H,Pálsson F,Sigur sson O,et al.Surges of glaciers in Iceland[J].Annals of Glaciology,2003,36(1): 82-90.

[24] Eisen O,Harrison W D,Raymond C F.The surges of Variegated Glacier,Alaska,USA,and their connection to climate and mass balance[J].Journal of Glaciology,2001,47(158): 351-358.

[25] Dowdeswell J A,Hodgkins R,Nuttall A M,et al.Mass balance change as a control on the frequency and occurrence of glacier surges in Svalbard,Norwegian High Arctic[J].Geophysical Research Letters,1995,22(21): 2909-2912.

[26] Hoinkes H C.Surges of the Vernagtferner in the Ötztal Alps since 1599[J].Canadian Journal of Earth Sciences,1969,6(4): 853-861.

[27] Hewitt K.Tributary glacier surges: an exceptional concentration at Panmah Glacier,Karakoram Himalaya[J].Journal of Glaciology,2007,53(181): 181-188.

[28] Muzińska A.Transport conditions of mountain-surging glaciers as recorded in the micromorphology of quartz grains (Medvezhiy Glacier,West Pamir)[J].Geologos,2015,21(2): 127-138.

[29] Yao T,Thompson L,Yang W,et al.Different glacier status with atmospheric circulations in Tibetan Plateau and surroundings[J].Nature Climate Change,2012,2(9): 663-667.

[30] Desio A.An exceptional glacier advance in the KarakoramLadakh region[J].Journal of Glaciology,1954,2: 383-385.

[31] Hayden H H.Notes on certain glaciers in Northwest Kashmir[J].Records of the Geological Survey of India,1907,35: 127-137.

[32] Quincey D J,Glasser N F,Cook S J,et al.Heterogeneity in Karakoram glacier surges[J].Journal of Geophysical Research: Earth Surface,2015,120(7): 1288-1300.

[33] Quincey D J,Braun M,Glasser N F,et al.Karakoram glacier surge dynamics[J].Geophysical Research Letters,2011,38.doi:10.1029/2011GL049004.

[34] Mayer C,Fowler A C,Lambrecht A,et al.A surge of North Gasherbrum Glacier,Karakoram,China[J].Journal of Glaciology,2011,57(205): 904-916.

[35] Dowdeswell J A,Benham T J.A surge of Perseibreen,Svalbard,examined using aerial photography and ASTER high resolution satellite imagery[J].Polar Research,2003,22(2): 373-383.

[36] Fatland D R,Lingle C S.InSAR observations of the 1993-95 Bering Glacier (Alaska,USA) surge and a surge hypothesis[J].Journal of Glaciology,2002,48(162): 439-451.

[37] Pritchard H,Murray T,Strozzi T,et al.Surge-related topographic change of the glacier Sortebr ,East Greenland,derived from synthetic aperture radar interferometry[J].Journal of Glaciology,2003,49(166): 381-390.

[38] Pritchard H,Murray T,Luckman A,et al.Glacier surge dynamics of Sortebr ,east Greenland,from synthetic aperture radar feature tracking[J].Journal of Geophysical Research: Earth Surface,2005,110(F3).doi:10.1029/2004JF000233.

[39] Bamber J L,Rivera A.A Review of remote sensing methods for glacier mass balance determination[J].Global and Planetary Change,2007,59: 138-148.

[40] Xu J,Liu S,Zhang S,et al.Recent changes in glacial area and volume on Tuanjiefeng Peak Region of Qilian Mountains,China[J].PloS One,2013,8(8).doi:10.1371/journal.pone.0070574.

[41] Wei Junfeng,Liu Shiyin,Xu Junli,et al. Mass loss from glaciers in the Chinese Altai Mountains between 1959 and 2008 revealed based on historical maps,SRTM,and ASTER images[J].Journal of Mountain Science,2015,12(2): 330-343.

[42] Guo Wanqin,Liu Shiyin,Yao Xiaojun,et al.The second glacier inventory dataset of China (version 1.0)[Z].Lanzhou: Cold and Arid Regions Science Data Center,2014.

[43] Liu Chaohai,Wang Zongtai,Ding Liangfu.Glacier inventory of China Ⅳ: Pamirs (Drainage basins of Kaxgar river and others[M].Rev.ed.Lanzhou: Gansu Culture Publishing House,2001: 2.[刘潮海,王宗太,丁良福,等.中国冰川目录Ⅳ: 帕米尔山区(喀什噶尔河等流域)[M].修订本.兰州: 甘肃文化出版社,2001: 2.]

[44] Toutin T.ASTER DEMs for geomatic and geoscientific applications: a review[J].International Journal of Remote Sensing,2008,29(7): 1855-1875.

[45] Berthier E,Vadon H,Baratoux D,et al.Surface motion of mountain glaciers derived from satellite optical imagery[J].Remote Sensing of Environment,2005,95: 14-28.

[46] Paul F.Calculation of glacier elevation changes with SRTM: is there an elevation-dependent bias?[J].Journal of Glaciology,2008,54(188): 945-946.

[47] Nuth C,Kääb A.Co-registration and bias corrections of satellite elevation datasets for quantifying glacier thickness change[J].The Cryosphere,2011,5: 271-290.

[48] Gardelle J,Berthier E,Arnaud Y.Impact of resolution and radar penetration on glacier elevation changes computed from DEM differencing[J].Journal of Glaciology,2012,58(208): 419-422.

[49] Wei Junfeng,Liu Shiyin,Guo Wanqin,et al.Changes in glacier volume in the north bank of the Bangong Co basin from 1968 to 2007 based on Historical Topographic Maps,SRTM,and ASTER stereo images[J].Arctic,Antarctic,and Alpine Research,2015,47(2): 301-311.

[50] Bolch T,Pieczonka T,Benn D I.Multi-decadal mass loss of glaciers in the Everest area (Nepal Himalaya) derived from stereo imagery[J].The Cryosphere,2011,5: 349-358.

[51] Xu Junli,Zhang Shiqiang,Han Haidong,et al.Change of the surface velocity of Koxkar Baxi Glacier interpreted from remote sensing data,Tianshan Mountains[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2011,33(2): 268-275.[许君利,张世强,韩海东,等.天山托木尔峰科其喀尔巴西冰川表面运动速度特征分析[J].冰川冻土,2011,33(2): 268-275.]

[52] Shangguan D H,Bolch T,Ding Y J,et al. Mass changes of Southern and Northern Inylchek Glacier,Central Tian Shan,Kyrgyzstan,during 1975 and 2007 derived from remote sensing data[J].The Cryosphere,2015,9(2): 703-717.

[53] Su Zhen,Liu Shiyin,Wang Zhichao.Modern glacier of Mt.Muztag and Mt.Kongur[J].Journal of Natural Resources,1989,4(3): 241-246.[苏珍,刘时银,王志超.慕士塔格山和公格尔山的现代冰川[J].自然资源学报,1989,4(3): 241-246.]

[54] Jiang Zongli,Liu Shiyin,Long Sichun,et al.Analysis of the glacier dynamics features in Kongur Mountain based on SAR technology and DEMs[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2014,36(2): 286-295.[蒋宗立,刘时银,龙四春,等.基于合成孔径雷达技术及DEM的公格尔山冰川动力特征分析[J].冰川冻土,2014,36(2): 286-295.]

[55] Xie Zichu,Liu Chaohai.Introduction to glaciology[M].Shanghai: Shanghai Popular Science Press,2010: 270-272.[谢自楚,刘潮海.冰川学导论[M].上海: 上海科学普及出版社,2010: 270-272.]

[56] Kamb B.Glacier surge mechanism based on linked cavity configuration of the basal water conduit system[J].Journal of Geophysical Research,1987,92(B9): 9083-9100.

[57] Fowler A C.A theory of glacier surges[J].Journal of Geophysical Research,1987,92(B9): 9111-9120.

[58] Murray T,Stuart G W,Miller P J,et al.Glacier surge propagation by thermal evolution at the bed[J].Journal of Geophysical Research,2000,105(B6): 13491-13507.

[59] Fowler A C,Murray T,Ng F S L.Thermally controlled glacier surging[J].Journal of Glaciology,2001,47(159): 527-538.

[60] Benn D,Evans D J A.Glaciers and glaciation[M].Abingdon,Oxford,UK: Routledge,2010.

[61] Murray T,Strozzi T,Luckman A,et al.Is there a single surge mechanism? Contrasts in dynamics between glacier surges in Svalbard and other regions[J].Journal of Geophysical Research,2003,108(B5): 1-15.

[62] Barrand N E,Murray T.Multivariate controls on the incidence of glacier surging in the Karakoram Himalaya[J].Arctic,Antarctic,and Alpine Research,2006,38(4): 489-498.

Monitoring recent surging of the Karayaylak Glacier in Pamir by remote sensing

ZHANG Zhen1,2,LIU Shiyin1,WEI Junfeng3,JIANG Zongli1，4,XU Junli1,2,GUO Wanqin1

(1.State Key Laboratory of Cryospheric Sciences,Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 3.School of Architecture and Urban Planning,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Hunan,China;4.Hunan Province Key Laboratory of Coal Resources Clean-Utilization and Mine Environment Protection,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Hunan,China)

Abstract：Karayaylak Glacier,located in the northern slope of Kongur Mountains,eastern Paimr,surged in May 2015.The fast moving glacier ice destroyed pasture and killed many livestock.In this paper,the process of the glacier surge was studied using Remote Sensing technologies.ASTER stereopair data (2013-2015) were employed to monitor the change of surface elevation of Karayaylak Glacier,and Landsat OLI image on April 13,2015 to July 11,2015 were employed to monitor the change of glacier surface velocities.The distributions and changes of the Glacier surface velocities indicated that the western tributary of Karayaylak Glacier moved more fast than any other tributaries and the glacier trunk,which was accelerating on May 8,2015 to May 15,2015,and the maximum velocity reached up to (20.40±0.42) m·d-1.The total volume of glacier ice about 2.4×108 m3 were transferred from the upstream which is below of equilibrium line of the west branch of Karayaylak Glacier to the downstream which is located on the confluence of the west and the glacier trunk (3 100-3 500 m a.s.l.).This lead to increase of the surface maximum thickness (130.58±0.70) m on the confluence.The changes of surface elevation and velocity from quiescent phase to the surging or active phase were obtained in this study,which will be the basis of further research in mechanism of the glacier surge.

Key words：Pamir; glacier surging; remote sensing monitoring; glacier surface flow velocity; glacier elevation change

doi：10.7522/j.isnn.1000-0240.2016.0002

Zhang Zhen,Liu Shiyin,Wei Junfeng,et al.Monitoring recent surging of the Karayaylak Glacier in Pamir by remote sensing[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2016,38(1): 11-20.[张震,刘时银,魏俊锋,等.新疆帕米尔跃动冰川遥感监测研究[J].冰川冻土,2016,38(1): 11-20.]

收稿日期：2015-11-29;

修订日期：2015-12-30

基金项目：国家科技基础性工作专项(2013FY111400)；中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-12-1)；国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAC19B07)；国家自然科学基金项目(41471067)资助

作者简介：张震(1988-)，男，安徽太和人，2013年在中国海洋大学获硕士学位，现为在读博士研究生，从事冰冻圈遥感及冰川变化研究.E-mail: zhangzh@lzb.ac.cn

*通讯作者：刘时银，E-mail: liusy@lzb.ac.cn.

中图分类号：P343.6+2

文献标志码：A

文章编号：1000-0240(2016)01-0011-10