基于多时相DEM的贡嘎山冰川近50年表面高程与物质平衡变化分析

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山地冰川对于我国而言,不仅能够提供丰富的淡水资源,而且能够为绿洲经济发展和寒旱区环境稳定提供重要保障,具有十分重要的价值。但是近年来随着全球气候持续变暖以及人类活动的影响,我国大部分冰川都处于减薄和负物质平衡状态,引发淡水资源短缺、气候变化以及冰湖溃决、泥石流等一系列突发性冰川灾害,给人们的生产生活带来巨大影响。因此,研究山地冰川的表面高程及物质平衡变化,可以为淡水资源的评估和气候变化分析提供理论和数据支撑,为冰湖溃决等冰川灾害提供预警防范作用。为此,本文做了以下工作:首先,本文详细梳理了目前研究冰川表面高程及物质平衡变化常用的方法,综合考虑各方法的优缺点和山地冰川的地形特点,最终本文选择多时相DEM差分法估算冰川的表面高程变化,选择大地测量法估算冰川的物质平衡变化。然而由于常用的DEM数据主要集中在2000年以后,利用这些数据难以进行较长时序的变化监测,无法得到冰川早期的表面高程变化情况。为了解决这一问题,本文利用美国CORONA计划系列分辨率最高的KH-4B立体影像提取了研究区1968年的DEM数据。其次,由于不同卫星传感器在运行期间的稳定度存在差异以及地面观测环境在不同时段内也不完全相同,使得不同源的DEM之间无法进行精确对齐,所以多时相DEM在进行差分前,必须要进行精确的配准。当前常用的配准方法是先判断两景DEM间的高程差值与稳定区域坡度正切值的比值和坡向之间是否存在明显的余弦关系,如果存在,则利用最小二乘方法求出相对偏移量,然后在Arcgis中实现两景DEM的配准。但是由于最小二乘法对粗差很敏感,不具有抗差稳定性,对配准精确度存在一定影响,所以本文将利用具有稳健性的IGGⅢ抗差函数来对偏移量进行求解,提高多时相DEM配准精度。第三,基于立体影像提取的KH-4B DEM数据和SRTM、AW3D、Tan DEM数据,利用多时相DEM差分法和大地测量法估算出贡嘎山在1968~2013年近50年的冰川表面高程和物质平衡变化,并结合九龙、康定气象站的降水和温度数据分析了冰川变化对气候的响应。最后对比了东西坡冰川的变化异同,并结合朝向、坡度、表碛覆盖等影响因素进行了分析。研究表明:(1)从冰川表面高程变化情况来看,冰川整体处于减薄状态,冰川冰舌末端厚度减薄严重,随着海拔不断上升,厚度减薄现象逐渐趋于稳定,变化程度较小。在1968~2013年间,冰川表面平均厚度变化为-26.89±3.20m,年均变化为-0.58±0.07m/a;且在不同时段内的平均厚度变化速率有所不同,近年来呈现加速状态。(2)从冰川物质平衡变化情况来看,冰川整体处于物质亏损状态,在1968~2013年间,冰川平均物质平衡为-22.50±1.80m w.e.,年均变化为-0.50±0.04m w.e./a,同厚度变化速率一样,近年来呈现明显的加速亏损状态。引起该变化的主要原因是气温持续升高使得冰川的消融量逐年增高,而相对稳定的降水量使得冰川的积累量基本保持不变,从而使得冰川消融量逐渐大于积累量。这一变化正是山地冰川对气候变化响应所呈现出的状态。(3)东西坡冰川的物质亏损程度有所不同,位于东坡的海螺沟一号冰川和海螺沟二号冰川物质亏损显著高于位于西坡的大贡巴冰川和小贡巴冰川,且海螺沟一号冰川的物质亏损最为严重。位于东坡的冰川物质亏损更严重是由于其稍大于西坡的平均坡度和促使消融加速的表碛覆盖物,而海螺沟一号冰川的亏损最为严重,是由于其冰舌末端下降至2990m左右,使得末端冰面温度高于其他冰川,加速其消融速率。
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