【类型】期刊

【作者】吴利华，李忠勤，王璞玉，李慧林，王飞腾（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/天山冰川站；中国科学院研究生院；西北师范大学地理与环境科学学院）

【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/天山冰川站；中国科学院研究生院；西北师范大学地理与环境科学学院

【刊名】冰川冻土

【关键词】 探地雷达(GPR)；博格达峰；四工河4号冰川；冰川厚度；冰储量

【资助项】中国科学院知识创新工程重要方向项目　　（KZCX2-EW-311）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目　　（2007CB411501）；国家自然科学基金项目　　（1141001040...

【ISSN号】1000-0240

【页码】P276-282

【年份】2019

【期号】第2期

【期刊卷】1;|7;|8;|2

【摘要】2009年7月对天山博格达峰地区的四工河4号冰川进行了雷达测厚工作,获取了该冰川的厚度分布状况.基于该冰川的厚度数据,在GIS技术的支持下,采用Co-Kriging插值方法结合理想塑性体理论对冰川非测厚区域的厚度进行了重建,绘制出了冰川厚度等值线图并对冰川冰储量进行了计算.结果表明:冰体最大厚度出现于海拔3 775m趋于主流线位置,冰川平均厚度为27.6m;四工河4号冰川的冰储量为0.076 km3.将2009年四工河4号冰川表面地形图与冰川厚度分布图相结合,绘制出了该冰川的冰床地形图.结果显示,在冰体厚度最大的区域,冰床地形呈现凹陷状,这与其相对平缓的冰面地形形成明显对比.

【全文】 文献传递

天山博格达峰地区四工河4号冰川雷达测厚与冰储量估算

吴利华1，2， 李忠勤1，3， 王璞玉1，2， 李慧林1， 王飞腾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／天山冰川站，甘肃兰州 730000；2．中国科学院研究生院，北京 100049；3．西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州 730070）

摘 要：2009年7月对天山博格达峰地区的四工河4号冰川进行了雷达测厚工作，获取了该冰川的厚度分布状况．基于该冰川的厚度数据，在GIS技术的支持下，采用Co-Kriging插值方法结合理想塑性体理论对冰川非测厚区域的厚度进行了重建，绘制出了冰川厚度等值线图并对冰川冰储量进行了计算．结果表明：冰体最大厚度出现于海拔3 775m趋于主流线位置，冰川平均厚度为27．6m；四工河4号冰川的冰储量为0．076km3．将2009年四工河4号冰川表面地形图与冰川厚度分布图相结合，绘制出了该冰川的冰床地形图．结果显示，在冰体厚度最大的区域，冰床地形呈现凹陷状，这与其相对平缓的冰面地形形成明显对比．

关键词：探地雷达（GPR）；博格达峰；四工河4号冰川；冰川厚度；冰储量

0 引言

山岳冰川是气候变化的指示器，是最为敏感的气候变化响应指标［1］．目前，在全球气温升高的背景下，山岳冰川处于强烈的退缩状态，其退缩方式主要是以“变薄缩短”的基本模式进行的［2］，体现了冰川厚度对气候变化的敏感性．因此，研究冰川的厚度及其变化，能够为冰川变化响应气候变化提供定量化的科学依据，同时根据测厚结果不仅可以获得基本的冰下地形信息，为各种冰川水文模型提供重要的输入参数，而且又可估算出冰川的冰储量，为区域水资源的调查评估提供研究基础和科学依据［3］．

冰川厚度的测量是研究冰川厚度和冰储量的基础，雷达探测技术的引入使冰川厚度的测量成为可能，从Waite等［4］和Evans［5］应用这种技术测量南极和格陵兰冰盖厚度以来，已有将近50a的历史．目前，在冰川和冰盖研究方面，探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）已经成为了最为广泛的决定冰川及冰盖厚度的工具．我国对探地雷达在冰川上的应用研究起步相对较晚，20世纪80年代初，中国科学院兰州冰川冻土研究所（现中国科学院寒区旱区环境与工程研究所）研制了B-1型冰川测厚雷达，分别在天山乌鲁木齐河源1号冰川［6］、南极半岛的纳尔逊冰帽和柯林斯冰帽［7］以及天山庙尔沟平顶冰川［8］上成功地进行了冰川厚度测量．近10a来，随着高分辨率雷达测厚技术的发展［9］，以及雷达冰川学研究成果的不断丰富［10-11］，21世纪初我国研究者陆续开始使用新型的雷达设备进行冰川厚度测量及其应用研究［3，12-15］，这为我们采用新型的雷达设备对四工河4号冰川的厚度测量和冰储量估算的研究提供了基础．

四工河4号冰川位于天山博格达峰冰川区，是四工河源头一条较大的冰斗型冰川．20世纪80年代初，中日联合考察队对博格达峰地区的冰川开展了考察研究工作，其中对四工河4号冰川进行了详细的考察研究［16-22］．然而对于该冰川的厚度，尚未进行过测量与研究．为了获得该冰川的厚度数据并计算其冰储量，2009年7月我们对四工河4号冰川开展了雷达测厚工作，同时还进行了差分GPS的精确定位．本文依据所获得的雷达测厚结果，在GIS技术的支持下，分析该冰川的厚度状况、冰储量以及冰下地形状况．

1 冰川概况

四工河4号冰川（冰川编号为5Y725D0004，43°48．92′N，88°20．65′E）位于天山博格达峰地区北坡，该地区内博格达峰主峰海拔5 445m，雄踞于群峰之上，是东部天山最高峰和最大的冰川作用中心．博格达峰地区北坡高山冰雪带（海拔3 500 m以上），地表多被冰雪覆盖，冰川蚀积作用强烈，雪崩频繁，刀脊、角峰等冰川地貌广泛发育．年平均气温低于-6℃，雪线（海拔3 800m）以上低于-9℃，年降水量在600～700mm之间［23］．四工河4号冰川是博格达峰地区北坡高山冰雪带四工河源头一条较大的冰斗型冰川，根据中国冰川编目的数据［24］，四工河4号冰川长度为3．2km，冰川面积为2．96km2，冰储量为0．1 835km3，朝向W，冰川最高海拔为4 350m，冰舌末端海拔为3 600 m，雪线海拔为3 880m．该冰川形态单一，冰面冰碛少且相对较平坦，属于典型的“洁净型”冰川［17］．四工河4号冰川位置如图1中所示．

2 实地测量

为了获得四工河4号冰川可靠的厚度数据，采用具有优良穿透与探深能力［3］的加拿大SSI（Sensors＆Software Inc．）公司生产的pulse EKKO PRO 100A增强型探地雷达对冰川进行测厚工作．选用中心频率为100MHz的天线，测量方式采取剖面法，即探地雷达的发射天线和接收天线以固定的距离（即天线距）沿测线同步移动的测量方式，测量点位于两个天线的中间位置［3］．本次测量中天线距和测量点间距均采用4m，因雷达电磁波在冰川中的传播速度在0．167～0．171m·ns-1范围内［25-29］，此次测量中取其平均值0．169m·ns-1，这样雷达测厚的相对误差为1．18%［3，12，30］．本次探地雷达测厚路线示意图如图1所示，雷达测线在充分考虑冰川表面形态、冰川运动和物质平衡［17］状况的基础上，在冰面上共布设了1条纵测线和5条横测线，其中纵测线A1A3的布设靠近冰川主流线，方向为由低海拔向高海拔测量，横测线B1B2、C1C2、D1D2、E1E2和F1F2分别在5个海拔（3 650m、3 700m、3 750m、3 800m和3 875m）区域布设，方向由西南向东北．雷达测线没有到达的冰川边缘区，主要是由于这些区域冰面裂隙较多以及冰面陡峭致使雷达测量工作难以到达该区域．在用探地雷达测量冰川厚度时，同步利用差分GPS对探地雷达测量点进行精确定位．差分GPS为北京合众思壮E650型，其动态RTK高程测量相对精度为±2cm．

3 结果与讨论

3．1 冰川纵测线厚度与纵剖面形态特征

由于本次雷达测厚中冰川纵测线A1A3的测量（因仪器故障）不连续（即在A2处断开），考虑到断开距离大于测量点间距，纵测线A2A3段不能与纵测线A1A2段合并显示，在此，只给出纵测线A1A2段的雷达测厚结果，如图2所示．其中图2（a）为纵测线A1A2的雷达测厚图像，左面的纵坐标为雷达电磁波在冰川中的双程走时，右边的纵坐标为冰川的厚度，横坐标为实地测量时的位置和测线长度．由图2（a）可知，冰川纵测线A1A2冰体平均厚度为70．8m，最大冰体厚度为104．9m，位于四工河4号冰川海拔3 775m位置处．

将GPS所测冰川表面海拔数据引入图2（a）的雷达测厚结果进行雷达测线地形数据校正，可以得出显示冰川表面与冰床剖面地形特征的直观雷达图，如图2（b）所示，其中该图右边的纵坐标为冰面海拔，左面的纵坐标和横坐标表示的量与图2（a）中相同．从图2（b）中发现，冰川下伏地形及冰川与基岩的界面清晰可见，冰川自末端向上，冰厚由薄变厚再变薄，其中在中间部位冰床地形呈凹陷状，该处冰体厚度最大．

3．2 横剖面形态特征

在四工河4号冰川获得的5条雷达测厚横向剖面图中，由于B1B2剖面处于冰川末端区域，冰川消融强烈并且含水量大，致使雷达剖面无法完整表现该位置槽谷地形的变化特征，在此不予以考虑．图3显示了四工河4号冰川C1C2、D1D2、E1E2和F1F2四条横测线的雷达测厚结果．在图3中，C1C2剖面表示冰川下游海拔3 700m区域，该剖面显示冰川槽谷扁平，冰川冰厚度较薄，这与其位置处在冰川下游坡度陡峻有关，并且与理想塑性体理论有较好的符合，即在冰面坡度陡峻处，冰川厚度较薄，相反，坡度较小则冰体较厚［31］；D1D2剖面表示冰川海拔3 750m区域，在该剖面中，冰川槽谷在D1端呈凹陷状，即D1D2剖面在西南部位槽谷呈凹陷状；E1E2剖面表示冰川海拔3 800m区域，该剖面最深为103．9m，冰川槽谷呈现对称的凹陷状，这与其位置处在冰川冰体厚度最大区域相一致，可能是冰川热力与动力作用的结果［3］；F1F2剖面表示冰川上部海拔3 875m区域，该处冰川槽谷平缓、宽阔．

3．3 冰川厚度等值线图的绘制、冰储量的计算和冰床地形图的绘制

根据在四工河4号冰川获得的1条纵剖面和5条横剖面雷达测厚数据，利用2009年野外测量得到的四工河4号冰川表面地形图得出冰川边界线位置并设边界处的冰川厚度为0m，结合雷达测线GPS定位数据，在ArcGIS软件下，采用Kriging插值法生成网格文件数据，绘制出冰川厚度等值线图，如图4所示．从该图可以看出，用Kriging插值法得到的网格数据做出的等值线图在雷达测厚区域线条粗糙并且存在噪声点，在非测厚区域（海拔4 000m以上区域），厚度信息缺失．为解决这些问题，提出以下方法：在雷达测厚区域，厚度数据采用实测值；在冰川上游非雷达测厚区域（海拔4 000 m以上区域），厚度数据依据雷达测厚区域的实测厚度数据结合如下理想塑性体理论中山地冰川厚度h的模拟公式［31］得到：

式中：f为只与冰川横剖面最大厚度和冰川宽度有关的剖面形状因子；τ0＝100kPa为冰体屈服应力；ρ为冰密度；g为重力加速度；α为冰面坡度（从2009年四工河4号冰川表面地形图中量算得到）．基于雷达测厚区域的实测厚度数据和非测厚区域的模拟厚度数据（冰川边界冰体厚度设为0m），在ArcGIS软件下，采用Co-Kriging插值法（将冰川表面坡度作为辅助因子）生成网格文件数据，绘制出冰川厚度等值线图．图5给出了用此方法绘制出的四工河4号冰川厚度等值线分布图，从该图可以看出，与Kriging插值法相比，该方法所得结果厚度图层较为平滑，消除了一些噪声点，优化了插值结果，并且解决了非测厚区域厚度分布信息缺失的问题．图5表明，四工河4号冰川厚度分布总体呈现冰舌中部深厚、上下两端浅薄的格局，冰体厚度从边缘到冰川主流线方向逐渐增厚，这与冰川动力学理论是一致的［3］．从图5冰川厚度等值线图分析可得，从冰川末端沿主流线向上，等值线在趋于主流线位置海拔3 775m位置处形成一个深色闭合区域，说明在这个部位存在凹陷地形，这是由于冰川强烈的下蚀作用造成的，这与上面的雷达测厚纵剖面A1A2中间部位冰床地形呈现的凹陷形态对应，并且与雷达测厚横剖面D1D2和E1E2的凹陷状槽谷对应．基于以上Co-Kriging插值法生成的网格化冰川厚度数据，利用ARCGIS软件计算得到该冰川的平均厚度为27．6m，并且通过积分得到四工河4号冰川的冰储量为0．076km3．由2009年雷达测厚数据算出的冰储量为我国第一次冰川编目［24］的冰储量（0．1835km3）的41%，这二者的差异一方面是由于本文所得冰储量与第一次冰川编目所得冰储量在获取时间上有差异，气候变化导致的冰川变化所引起的；另一方面，不同方法的估计误差不同也会引起差异［14］．在我国已完成的第一次冰川编目资料中，冰川冰储量是根据冰川面积和冰川平均厚度计算的，而冰川平均厚度是根据27条冰川的测厚结果所建立的经验公式估算的［32］，这与我国46 377条冰川的总量相比，建立该经验公式的样本量太小，这样计算得到的冰储量不够精确［3，14］．相比之下，本文所采用的冰储量计算方法，即首先由最新的冰川表面地形图获得冰川表面边界，然后在ArcGIS软件下，结合雷达测线的GPS定位数据，采用Co-Kriging插值法将雷达测厚区域的实测厚度数据和非测厚区域的模拟厚度数据网格化处理生成网格数据后计算得到，计算方法更具科学性和合理性．因此，本文冰储量的估算误差小于我国第一次冰川编目的冰储量的估算误差．此外，将2009年四工河4号冰川表面地形图与冰川厚度分布图相结合，绘制出了该冰川的冰床地形图，如图6所示．由图6可以看出，在冰体厚度最大值区域，冰床地形呈凹陷状，这与其相对平缓的冰川表面地形（图1）形成了明显对比．

4 结论

对天山博格达峰地区的四工河4号冰川进行了探地雷达测厚工作，获得了该冰川的厚度数据，基于该冰川的厚度数据，在GIS技术的支持下，采用Co-Kriging插值方法结合理想塑性体理论对冰川非测厚区域的厚度进行了重建，绘制出了冰川厚度等值线图并对冰川冰储量进行了计算，将2009年四工河4号冰川表面地形图与厚度分布图相结合，绘制出了该冰川的冰床地形图，主要得出如下结论：

（1）根据四工河4号冰川雷达测厚结果，纵剖面A1A2段冰体平均厚度为70．8m，冰体厚度最大值出现于海拔3 775m趋于主流线位置，并且在冰体厚度最大值区域，雷达测厚纵剖面冰下地形呈现凹陷状，冰下槽谷横剖面也呈凹陷状，冰床地形在此处呈凹陷状与冰川表面相对平缓的地形形成明显的对比．

（2）基于探地雷达所测冰川厚度数据和雷达测线差分GPS定位数据，在ArcGIS软件下，采用Co-Kriging插值法与冰川理想塑性体理论相结合的方法实现了非测厚区域厚度的重建，并且计算得到四工河4号冰川的平均厚度为27．6m，冰储量为0．076km3．

（3）从冰川厚度等值线图的绘制得出，与Kriging插值法相比，Co-Kriging插值法更能优化插值结果，消除厚度图层的一些噪声点，解决了雷达测厚区域冰厚图层分布的粗糙问题．

致谢：雷达测厚和GPS定位得到了西北师范大学地理与环境科学学院王鹏、金爽、周平、曹敏和颜东海同学以及天山冰川站马启宾师傅的协助；野外考察得到了新疆天池自然保护区管理委员会的大力支持与帮助；各项任务的完成是博格达峰冰川考察队全体队员艰辛工作的结果；本文在写作过程中得到了中国科学院寒区旱区环境与工程研究所董志文同学的帮助，在此一并表示感谢．

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Sounding the Sigong River Glacier No．4in Mt．Bogda Area，the Tianshan Mountains by Using Ground Penetrating Radar and Estimating the Ice Volume

WU Li-hua1，2， LI Zhong-qin1，3， WANG Pu-yu1，2， LI Hui-lin1， WANG Fei-teng1
（1．State Key Laboratory of Cryospheric Sciences／Tianshan Glaciological Station，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China；2．Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China；3．College of Geography and Environment Science，Northwest Normal University，Lanzhou Gansu 730070，China）

Abstract：In July 2009，the Sigong River Glacier No．4in Mt．Bogda of the Tianshan Mountains was sounded by Ground Penetrating Radar for searching the ice thickness of the glacier．It is found that the maximum ice thickness of the glacier was 104．9m．According to the positioning data of GPS，the thickest part of the glacier was found at the location near the main flow line of the glacier at about 3 775ma．s．l．Based on the sounding，the ice thicknesses in other places without directly sounding can be estimated by using the Co-Kriging interpolation method，combining with the theory of the perfect plastic material，under the techno-logical support of Geographic Information System．Thus the ice thickness isoline map of the glacier was obtained and the average ice thickness was calculated to be about 27．6m．The ice volume of the glacier was estimated to be about 0．076km3．Furthermore，the topography of the glacier bed was mapped by using the topography map of the glacier surface in 2009and the ice thickness isoline map．From the topography map of the glacier bed one can see that the bed topography has a depressed zone in the thickest part of the glacier，different to the topography of the glacier surface．

Key words：ground penetrating radar；Mt．Bogda；Sigong River Glacier No．4；ice thickness；ice volume

中图分类号：P343．6

文献标识码：A

文章编号：1000-0240（2011）02-0276-07

收稿日期：2010-09-25；

修订日期：2010-12-06

基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2-EW-311）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2007CB411501）；国家自然科学基金项目（1141001040）资助

作者简介：吴利华（1981-），男，甘肃泾川人，2008年在西北师范大学获硕士学位，现为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所在读博士研究生，主要从事冰川物理和模型研究．E-mail：wulhmail＠163．com