藏東南典型河流、湖泊、冰川考察
科考概況
青藏高原被稱為“亞洲水塔”、“地球第三極”，平均海拔超過4000米，是亞洲眾多河流 (如印度河、恒河、雅魯藏布江?布拉馬普特拉河、怒江?薩爾溫江、瀾滄江?湄公河、長江和黃河等) 的發源地。該區域受西風?季風協同影響，河流、湖泊、冰川眾多，水資源儲量豐富，各流域的水儲量變化及水循環過程將直接影響下游的水資源利用和水災害防治。研究表明：青藏高原是全球范圍內對氣候變化最敏感的地區之一，近年來該區域有明顯的變暖變濕趨勢，持續性的冰川融化、湖泊擴張等現象意味著該區域的水儲量和水文循環過程將發生深刻改變，進而對青藏高原及下游地區的水資源利用和水災害防治帶來挑戰(Han et al. 2019; Li et al. 2019a; Sun et al. 2020)。本次科考旨在考察藏東南地區典型河流、湖泊、冰川的水文情勢，支撐第二次青藏高原綜合科學考察“西風?季風協同作用對亞洲水塔變化的影響”專題的相關研究。
清華大學水利系遙感水文課題組組成的科考隊于2020年8月11日?26日在青藏高原雅魯藏布江(以下簡稱雅江)及其支流拉薩河、納木錯湖、24K(嘎隆拉)冰川、桃花溝朱西冰川、米堆冰川進行了為期16天的考察，在團隊龍笛老師的帶領下，黃琦、韓鵬飛、李興東、李雪瑩、趙凡玉、洪仲坤、張才金共8名成員參加了本次科考。科考隊員于8月11日?12日陸續到達拉薩集合，科考途經西藏拉薩、當雄、林芝、米林、波密等縣市，行程近3000公里，海拔范圍2040 ?5200米，對不同流域的三臺水位計進行了維護，實地考察了三條冰川，探訪了納木錯及納木錯多圈層綜合研究站，并在重點區域進行采樣和量測，積累了寶貴的實測數據，促進了理論與實際相結合，對于推進青藏高原水儲量變化相關研究、完善和細化研究思路至關重要，研究成果將為氣候變化下亞洲水塔水資源變化的應對決策提供科學依據。
河流考察——調試水位計獲取實測徑流資料
清華大學水利系遙感水文課題組在國家自然基金委“西南徑流重大研究計劃”重點項目“西南河流源區關鍵水文氣象變量的多源遙感觀測與數據集成”的支持下，于2016?2019年間在雅江及支流拉薩河、青藏典型湖泊納木錯、羊卓雍錯等地陸續完成多臺雷達水位計的安裝并開展觀測任務。本次科考分別對其中三個水位計進行維護及調試，于2020年8月12日維護拉薩河水位計，16日維護雅江奴下水文站下游水位計，25日維護雅江奴下水文站水位計，并沿途對河流進行了考察，從而對雅江干支流的流量、流速和水位等水文要素有了進一步的認識。
8月12日，科考隊員首先前往拉薩河進行水位計調試。拉薩河是雅江最重要的支流之一，發源于念青唐古拉山，流域面積約3.1萬平方公里，低徑流期河寬不足百米。安裝的雷達水位計由傳感器、終端機(Remote terminal unit，RTU)和支架三部分組成，采用Ku波段進行測量，其工作原理是通過雷達脈沖信號的雙程傳播時間，計算儀器到水面的距離，最后由水位計到參考基準面的距離減去觀測距離，得到水面到參考基準面的距離(即水位)。整個調試過程中科考隊員分工明確、高效協作。其中，韓鵬飛、李興東等人負責連接水位計探頭和終端機的接線，黃琦負責水位計終端機的參數設置，其余隊員協助固定水位計支架(見圖1)。在確認水位計探頭可以正常測量并傳輸數據后，團隊成員返回拉薩。至此，拉薩河水位計維護工作順利完成。
圖 1 拉薩河水位計維護及調試：(1)科考隊員對水位計進行設備更換和調試安裝；(2)安裝完畢后正常工作的水位計
8月16日，科考隊對雅江中下游關鍵斷面進行考察。雅江流域水文過程復雜(包括冰川、積雪積累和融化等過程)且對氣候變化十分敏感，同時作為國際河流，雅江對我國及下游印度、孟加拉國等國的飲水供給、農業灌溉等具有至關重要的作用。雅江流域相關觀測資料匱乏，河道多為辮狀且河岸侵蝕嚴重。本次維護的兩處水位計分別位于米林縣派鎮的上下游。經檢查調試，位于派鎮上游魯霞大橋(奴下水文站)的終端機無法顯示數據，經初步判斷，故障原因可能為終端機損壞、太陽能電池板損壞或太陽能電池板的三孔航空插頭損壞三種情況。科考隊員在當地購買并更換了太陽能板，保證終端機正常開機，但是在調試參數和傳輸數據的過程中發現終端機存在故障，無法向安置在清華大學水利系的服務器實時發送數據，需聯系廠家配送新的終端機到林芝。8月25日，新的終端機由山東配送至林芝，隊員們測試儀器后返回魯霞大橋更換終端機，最終水位計正常工作，可以實時提供所測斷面的水位信息(見圖2)。位于派鎮下游(奴下水文站下游)的另一處水位計由于配置的手機卡過期無法發送數據，更換手機卡并進行調試后水位計可以正常工作(見圖2)。
圖 2 雅江水位計維護及調試：(1)科考隊員對派鎮上游魯霞大橋處的水位計情況進行確認；(2)更換終端機后正常工作的上游水位計；(3)科考隊員對派鎮下游水位計進行手機卡更換和設備調試；(4)調試后正常工作的下游水位計
這次儀器維護工作整體較為順利，經過科考隊員的共同努力，順利完成了水位計的維護工作，獲得的寶貴的實測水位資料可以作為衛星測高水位的補充和驗證。清華大學水利系遙感水文課題組利用所安裝的水位計觀測數據及多源衛星遙感開展高山區窄河道水位、徑流量的遙感反演和水文模擬等研究，多項成果發表于遙感和水文領域頂級期刊(如Remote Sensing of Environment、Water Resources Research)上，包括：(1)為克服高海拔地區復雜地形和狹窄河道對星載雷達回波信號的干擾，反演高精度的河流水位，我們基于雷達衛星測高技術(包括Envisat、Jason-2/3、SARAL/AltiKa、Sentinel-3A等數據源)開發了新的波形重定算法(50% Threshold and Ice-1 Combined algorithm，TIC)，并基于實測水位數據對其精度進行了嚴格的檢驗，該算法有效解決了窄河道(百米級河寬)垂直距離改正的難題(Huang et al. 2019; Huang et al. 2018a)；(2)以三種不同的典型斷面形態為基礎，基于曼寧公式和遙感反演的河寬與水位數據，發展了缺資料地區的河道流量估算方法(Huang et al. 2018b)；(3)開展了衛星測高和類SWOT數據(實測水位和Landsat 5/8 觀測的河寬)率定水文模型的應用檢驗，實現了無實測徑流條件下日徑流量的連續模擬，為未來SWOT衛星數據應用提供了一種水文模型框架(Huang et al. 2020)；(4)利用多衛星獲取的水庫水面高程和水面面積數據估計水庫蓄水變化量，并用水位計實測數據加以驗證，進一步耦合水文模型及水庫調度規則實現缺資料區水庫日尺度出流模擬(Han et al. 2020)。
湖泊考察——觀測站參觀及實地調研
中科院納木錯多圈層綜合研究站位于納木錯湖的東南岸，背靠念青唐古拉山脈，屬于典型的半干旱高原季風氣候區。自建站以來，該研究站對納木錯流域開展多方面的實地監測任務，主要包括：大氣物理觀測、大氣環境觀測、水文觀測、冰川凍土變化監測、植被物候變化監測等，為水文學及生態環境等領域的研究提供寶貴的資料。8月14日，科考隊員前往中科院納木錯多圈層綜合觀測研究站進行參觀，途中最高海拔超過5100米。在工作人員的引導和講解下(見圖3)，科考隊員了解了多種儀器的用途及觀測原理。站內布設的儀器主要包括雨量計、太陽光度計、雪探儀、水面蒸發皿、差分GPS、微生物固碳實驗設備、環境觀測站等(見圖4)。該站測量積雪狀態的儀器較多，包括由雪尺和相機組成的自動雪深觀測儀(每年11月?2月中旬雪深可達到50?60 cm)以及大型雪水當量測量儀。其中，雪水當量觀測儀通過內置于雪枕的稱重傳感器測量雪枕上的積雪重量，即雪水當量，還可以結合雪深傳感器測得的積雪厚度得出積雪密度。此外，站內占地面積最大的設備是植被物候的觀測系統，用于探索降水的差異對高原植被生長情況的影響。站內最早布設且體量最大的設備是一座高達數十米的大氣邊界層觀測塔，該塔可觀測不同高度層的壓、溫、濕、風等大氣狀態變量和能量輸送狀態。除站內觀測外，工作人員每年進行納木錯及入湖河流和周邊冰川的觀測，例如每年進行一次湖冰觀測(通常在湖冰最厚的二月份)，工作人員會駕駛摩托車前往納木錯中心，并沿途用蒸汽鉆打孔，測量冰厚。
圖 3 工作人員向科考隊成員介紹站點觀測的相關信息
圖 4 中科院納木錯多圈層綜合觀測研究站的部分儀器設備：(1)大型雨量計(在建)；(2)太陽光度計；(3)雪探儀；(4)植被物候觀測系統；(5)大氣邊界層觀測塔
此外，科考隊員還前往納木錯湖畔進行實地考察。納木錯湖面積約2000平方公里，是西藏第二大湖，其21條主要的入湖河流大多分布在湖泊的南岸，因此隊員主要沿南岸進行了考察。過去十幾年間，納木錯整體呈現了水量增長和面積擴張的現象，為了探索青藏高原湖泊水儲量的變化，團隊成員曾結合多源測高衛星和遙感云計算技術研制了青藏高原52個大型湖泊(包括納木錯湖)的高時間分辨率水位和水量變化數據集，研究成果發表于地學領域頂尖期刊Earth System Science Data (Li et al. 2019b)。此次實地考察一部分成員前往維護之前安裝的壓力式水位計；另一部分成員前往扎西半島實地參觀考察。隨后團隊成員前往你亞曲參觀了安裝的氣象站及水位計(見圖5)。
圖 5 位于你亞曲河畔的氣象站及水位計
冰川考察——實地了解冰川結構
藏東南地區位于喜馬拉雅山、念青唐古拉山和橫斷山的交匯處，山高谷深，季風帶來的大量降水與藏東南地區特殊的山谷地形相互作用，使得藏東南地區發育了眾多規模巨大的海洋型冰川。該地區冰川總面積超過6000平方公里，冰儲量巨大，蘊含極為豐富的淡水資源。但是近幾十年來，隨著氣溫的上升以及降水的年際波動增大，藏東南地區成為整個青藏高原冰川消退最為明顯的地區。劇烈的冰川變化直接影響河流沿岸的農業、經濟以及居民生產生活。為了解藏東南地區冰川目前的狀況與變化的特點，科考隊于8月18日?20日分別考察了藏東南地區的三條典型海洋型冰川：24K(嘎隆拉)冰川、桃花溝朱西冰川及米堆冰川。
8月18日，科考隊員攀爬了24K冰川的東支(1號冰川)。東支冰川冰舌的表面滿是冰磧物，有直徑一兩米的巨石，也有巴掌大小的碎礫，石體破碎鋒利，非常難以攀爬行走。攀爬過程中科考隊員遇到多個冰洞以及三條比較大的冰裂縫(見圖6)。冰裂縫周圍的冰體大多裸露或者覆蓋表磧較薄，冰體消融較周圍更快，周邊碎屑物質不斷地向冰裂縫底部滑動?？瓶缄爢T最終到達海拔4016米的位置，在這里可以看到24K冰川西支(2號冰川)的全貌、東支冰川側面的小冰川形成的小型瀑布以及兩條巨大的冰裂縫。返程途中在冰川末端冰川融水出流的位置(海拔約3850米)可以觀察到這里冰厚約10米，冰壁寬度約200米，不斷有冰磧物及冰塊從上方掉落(見圖6)，冰川融水流量較大，可從側面反映出冰川的快速消融。根據文獻記載，2012年時24K冰川東支末端冰厚為32米，末端有一個直徑約為60米的冰川湖，而現在末端厚度僅為10米左右，原來的冰川湖也已經遠離末端并已經干涸，考慮冰川的消退以及坡度因素，預計24K東支冰川末端表面高程每年下降超過3米，冰川消融的速度由此可見一斑。這是整個藏東南地區的普遍特征，保護冰川資源已經迫在眉睫。
圖 6 24K冰川實地考察：(1)遠眺24K冰川的東支；(2)正在不斷融化的冰洞；(3)冰裂縫；(4)冰川末端
8月19日，科考隊前往桃花溝朱西冰川(位于波堆藏布左側)進行考察(見圖7)?？瓶缄爢T途徑一片茂密的森林，沿著朱西冰川融水出流的小溪看到了兩大塊正在消融的冰塊，其中體積較大的一塊形成了超過3米高的冰洞(見圖7)，冰洞頂部的冰體正在不斷融化形成水滴滴落，這些冰體應當是冬季從高海拔地區滑落形成。之后部分成員繼續向上進入森林，準備前往冰川腳下，期間見到了長滿青苔的樹林以及三人合抱、高七八十米的云杉樹，最后小分隊趟水過河到達了朱西冰川兩側冰川融水匯流的位置，在這里能夠看到左側較大的冰川以及右側較小快消融完的冰川，兩側冰川融水水量都很大，且水流湍急。
圖 7 桃花溝冰川實地考察：(1)遠眺桃花溝朱西冰川；(2)正在融化的冰洞
8月20日，科考隊前往米堆冰川進行考察。米堆冰川離波密縣城有約100公里，該冰川已被開發為旅游景區，科考隊員在冰前湖——光謝錯前面的觀景臺不同位置拍攝了米堆冰川的照片(見圖8)。通過與2019年9月拍攝的米堆冰川進行對比可知，米堆冰川的冰前湖光謝錯的水位較去年有小幅上漲，冰舌則后退較多且冰舌厚度明顯變薄。光謝錯的面積已經由2001年的0.11平方公里擴張為2019年的0.43平方公里，現在的面積已經與1988年發生冰川躍動冰湖潰決前的面積(0.44平方公里)相當，但水位仍與1988年的水平有較大的差距。就水位情況判斷，光謝錯在近期并不會發生潰決；但若是米堆冰川發生冰川躍動或冰舌斷裂，大量冰體涌入湖水中，光謝錯仍有很大可能發生潰決進而造成嚴重的自然災害。
圖 8 米堆冰川2019年與2020年拍攝照片對比
科考感想
本次科考歷時16天，行程近3000公里，科考隊員們始終飽含工作熱情，克服了高原反應等挑戰，圓滿完成對藏東南典型河流、湖泊、冰川的科考任務。團隊成員通過安裝調試野外觀測設備，加深了對儀器工作原理的理解，提高了解決實際問題的能力；通過實地參觀納木錯多圈層綜合觀測研究站，進一步掌握了多種水文氣象觀測儀器的應用情況，更加體會到野外駐站觀測工作的艱辛；通過攀爬冰川，了解了冰磧物、冰裂縫、冰洞的構造及形態，深刻理解了藏東南地區的冰川消融狀況。本次科考不僅磨礪了隊員們的意志，也提高了大家對冰凍圈水文學等學科的認識，激勵大家在科學研究中不斷積極探索，勇攀高峰。
圖 9 科考隊員合照(拉薩河安裝水位計處)
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致謝：本次科考由“第二次青藏高原綜合科學考察研究”項目資助(2019QZKK0105)
報告撰寫人：李雪瑩、黃琦、趙凡玉、張才金、李興東、洪仲坤、韓鵬飛、龍笛