藏東南春季野外考察
科考概況
被譽為“亞洲水塔”、“地球第三極”的青藏高原，平均海拔超過4000米，是全球范圍內對氣候變化最敏感的地區之一。清華大學水利系遙感水文團隊長期致力于聯合多源衛星遙感反演、數據融合和水文模擬等方法，研究氣候變化下青藏高原水文水資源演變機理及其影響，為進一步考察藏東南水塔狀態及水文情勢，2021年3月21日?27日，在龍笛老師帶領下，黃琦、韓鵬飛、李興東、李雪瑩、趙凡玉、張才金和王一鳴共8名成員組成科考隊，在藏東南波密、八宿等地的雅隆冰川及冰前湖、帕隆4號冰川、米堆冰川、易貢湖、然烏湖進行了為期7天的科考。
科考隊員于3月21日到達西藏林芝，途經林芝、波密、八宿等縣市，行程近1000公里，海拔范圍2040?4750米，利用無人機、GPS、高分辨率相機等設備，實地考察了冰川形態及湖泊岸線，并前往中科院青藏高原研究所藏東南高山環境綜合觀測研究站進行學術交流，積累了寶貴的觀測數據和野外經驗(圖1)。本次科考支撐第二次青藏高原綜合科學考察十大任務之第一任務中第五專題——“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，科考成果將為青藏高原水文過程觀測和模擬，尤其是對認識藏東南春季的冰川和積雪特性提供關鍵支撐，為氣候變化下亞洲水塔失穩加劇的適應性對策制定提供科學依據。
圖1 野外考察路線圖
1 中科院青藏所藏東南高山環境綜合觀測研究站交流及易貢湖考察
中科院青藏高原研究所藏東南高山環境綜合觀測研究站(簡稱藏東南站)，位于西藏自治區林芝縣魯朗鎮。藏東南站地處我國海洋性冰川的發育中心，該地區長期的冰川動態觀測數據，對開展藏東南地區水量平衡、冰川消融和退化等研究至關重要。此外，藏東南站通過監測水熱組分在山地的傳輸過程以及對地表景觀的影響，為變化環境下山地垂直帶及其環境效應的研究提供基礎觀測數據。
3月22日，科考隊員驅車前往藏東南站參觀。藏東南站是一處開放的野外綜合實驗平臺，駐站工作人員與國內多個科研團隊合作，長期開展野外觀測和設備維護，通過搭建野外信息化平臺，對布設在方圓數百公里內的觀測儀器進行聯網監控和數據讀取。主要觀測項目包括：大氣物理、大氣環境、冰川動態(冰川表面微氣象、物質平衡)、河流水文等。該站長期維護運行的儀器包括積雪特性儀、自動氣象站、大氣邊界層塔、多普勒流速儀等。
駐站工作人員擁有豐富的冰川考察和野外采樣觀測經驗，每年6－8月都會進行野外科考，足跡遍訪朱西冰川、雅隆冰川、24K冰川等。交流過程中(圖2)，駐站人員給我們分享了藏東南野外觀測的困難，例如24K冰川的降水觀測。24K冰川是藏東南地區退化最為嚴重的冰川之一，近年來平均每年后退接近10 m，且有加速趨勢。由于春季固態降水量占總降水量比例極大，普通的降水觀測裝置(例如翻斗式雨量計)難以獲取該區域準確的降水數據。據估測，該區域年總降水量可達2500 mm以上，未來可以考慮使用激光雨滴譜儀來觀測總降水量。關于雅隆冰川前的冰湖(貢錯)有一個有趣的現象：該湖的深度可能達到200 m，這對一個面積不足3 km2的小湖是難以想象的。之前實驗人員攜帶傳統的湖泊深度測量裝置前往該湖泊，發現湖泊水深超出了儀器量程，最后只能使用繩索進行大致的估測。此外，科考隊員還了解到藏東南地區在每年11月底到12月間會出現大范圍的晴空天氣，且積雪較少，可用光學影像比較多；朱西冰川冰上的小型冰湖對冰舌的侵蝕情況等。本次交流中科考隊員們進一步掌握了水文氣象觀測儀器的工作原理和實際應用情況，更加體會到野外駐站觀測工作的艱辛及實測數據的來之不易。
圖2 科考隊員與駐站工作人員進行交流
交流結束后，科考隊員前往易貢湖進行無人機試飛(圖3)。易貢湖是藏東南地區由于崩塌型泥石流形成堰塞湖的代表，1900年前后一場特大泥石流堵塞易貢藏布河谷，形成了堰塞湖易貢湖。2000年4月9日，易貢地區再次發生特大崩塌型泥石流形成堰塞壩，堵塞易貢藏布河谷63天后潰決，將易貢湖原有的堤壩和湖中的泥沙沖刷而下，瀉水后易貢湖已變成暢通的河道。科考隊員在這里成功對無人機的各參數進行設置校準，為后續冰川和湖泊考察做好準備。
圖3 科考隊員在易貢湖調試無人機(a)及易貢湖航拍圖像(b)
2 雅隆冰川及其冰前湖考察
3月23日，科考隊從波密出發，驅車3個半小時到達然烏，考察雅隆冰川及其冰前湖(貢錯)(圖4)。雅隆冰川是藏東南地區目前面積最大的冰川，面積將近180平方公里，長度達32.4公里。它與美西冰川、若驕冰川、東噶冰川、雄加冰川以及牛馬冰川組成的來古冰川，是西藏已知面積最大和最寬的冰川，也是世界三大海洋性冰川群之一 (圖5)。
圖4 雅隆冰川、貢錯及朗錯的地理位置和科考隊員行進路線俯瞰圖
圖5 遠眺雅隆冰川全景圖
由于雅隆冰川冰面積雪很厚難以攀爬，科考隊員在貢錯湖邊組裝、調試并操縱無人機進行航拍(圖6)，重點關注雅隆冰川冰舌、雅隆冰川全景、貢錯湖岸以及其結冰情況(圖7)。此外，部分科考隊員到達貢錯湖岸，近距離感受冰湖以及雅隆冰川的壯觀；另有一批科考隊員沿著小路到達貢錯旁邊的山上，拍攝雅隆冰川的冰舌及冰湖。
圖6 科考隊員調試無人機
圖7 無人機航拍雅隆冰川冰前湖近景
科考隊利用無人機航拍，能夠從空中近距離觀測冰川，彌補了人員無法到達冰川腳下的缺憾。通過無人機搭載的高分辨率相機拍攝，可獲得更全面的冰川和冰湖資料，并發現雅隆冰川冰舌中部有一塊深入冰湖，且冰舌前端已經碎裂，即將掉落進入冰湖。冰湖泄水口以及中部均有很多浮冰，推測是不同時段落入冰湖的冰塊。此外，科考隊員到達貢錯湖邊，發現3月底湖冰邊緣已開始融化，從無人機視角也發現湖中不少地方開始融化(圖8)，這為更好地掌握該地區湖冰物候變化提供了依據。
圖8 貢錯岸邊(a)及中部(b)的湖冰已經開始融化(無人機航拍)
3 帕隆4號冰川考察
帕隆4號冰川是藏東南地區一條典型山谷冰川，具有孟加拉灣和印度季風帶來的豐沛降水，屬于海洋性冰川。冰川面積約11.7平方公里，長度約為8公里，冰川末端延伸至海拔約4630米的位置。冰川積累區相對寬闊而冰舌區域地形狹窄。
3月24日，科考隊員從然烏出發，到達帕隆4號冰川消融末端后攀登考察了該冰川(圖9)。此次考察活動歷時約5個小時，隊員們最終到達海拔4750米處(圖10、11)，攀爬路程超過3公里。
圖9 考察結束后隊員們下山場景
圖10 海拔4750米處向上的視角
圖11 海拔4750米處向下的視角
攀登過程中，隊員們切身感受了冰川的獨特魅力，并記錄了帕隆4號冰川的諸多特征。該冰川表面相對平緩，表磧物很少，春季降雪很多，3月份冰川表面大多覆蓋二十多厘米的積雪，目前已有冰川融水形成徑流，但流量較小(圖12)。冰川末端地形起伏明顯(圖13)。下午2點以后，冰川表面風力漸強，刮起冰面的積雪使其重分布，形成壯觀的風吹雪景象(圖14)。
圖12 春季冰川融水
圖13 冰川末端起伏的微地貌
圖14 冰川表面風吹雪場景
在海拔4662米的冰川舌處，隊員們利用無人機規劃航跡拍攝了約230景高清影像。經后期處理可獲取的冰舌范圍約為0.35平方公里(圖15-b)，基于此影像隊員們生成了分辨率約為3厘米的超高分辨率數字表面模型(DSM，圖15-c)，并與NASADEM對比得到了2000年2月?2021年3月間，帕隆4號冰川冰舌前部的表面高程變化(圖15-d)。從無人機影像及DSM可以看出，冰舌橫截面成波狀起伏，這與實地在冰崖處觀察到的柱狀冰塊(寬5?8米，高4?5米，呈淡藍色，圖16)向前突出的情況一致。帕隆4號冰川類似冰裂隙的微地貌，與科考隊2020年考察的24K冰川以及本次考察的雅隆冰川都有很大不同。我們推測，帕隆4號冰川由于冰舌不同位置的運動速度不同(中部快于兩側)，過大的速度差導致冰舌破裂成為條狀；由于融水下滲以及冰內水流通道影響等多種原因，裂隙處的消融比其他位置更快，這使得冰川更加破碎，久而久之形成這種現象。從冰舌前端的表面高程變化圖(圖15-d)中也可看出，目前的冰舌末端自2000年以來已經變薄超過80米，而海拔較高的冰舌處(4700米以上)也已變薄將近50米。與歷史衛星影像(圖15底圖)對比發現，帕隆4號冰川的冰舌近年來已經后退了很多，加之冰舌末端已經出現了冰湖，未來帕隆4號冰川的消融速度可能會進一步加快，保護冰川資源迫在眉睫。
圖15 (a)帕隆4號冰川范圍及登山路線；(b) 處理后的無人機影像；(c)利用無人機影像生產的高分辨率DSM；(d)冰舌前端表面高程變化情況(2000?2021)
圖16 冰舌末端的柱狀冰塊
4 然烏湖無人機測繪和米堆冰川考察
本次科考利用無人機拍攝湖泊岸線獲取實測資料，為衛星遙感的岸線提取方法提供驗證數據。3月25日上午，科考隊員到達然烏湖畔進行無人機測繪工作，然烏湖是帕隆藏布江由山體滑坡產生的堰塞湖，呈現較為狹長的形狀(圖17)。
圖17 然烏湖地理位置
雖然當天上午考察區域正在下雪，但科考隊員依然成功實現然烏湖北岸無人機測繪，獲得一段約1000米長岸線的光學影像(圖18)。為驗證基于衛星影像的岸線提取方法，通過下載2021年3月26日的Sentinel-2 MSI影像，并采用水體指數閾值法提取該段岸線，結果表明水體閾值法可以很好地區分該區域的水體和陸地，實現較高精度的岸線提取(圖19)。
圖18 科考隊員在然烏湖邊操作無人機
圖19 (a)無人機繪制的然烏湖岸線光學影像；(b)Sentinel-2 MSI 2021/03/26光學影像；(c)由Sentinel-2影像生成的MNDWI分布；(d)MNDWI閾值取0時的水體分類結果
3月25日下午，科考隊員到達米堆冰川(圖20)。科考隊員們曾于2019年9月、2020年8月兩次前往米堆冰川進行考察，通過對比這兩年夏季的觀測情況，發現米堆冰川的冰前湖光謝錯的水位有小幅上漲，冰舌則后退較多且冰舌厚度明顯變薄。本次科考隊于春季到達米堆冰川進行連續觀測，發現該冰川積雪覆蓋很厚，當天的雪霧天氣給無人機觀測帶來極大困難，獲取影像質量較差，隨后隊員們在不同位置拍攝米堆冰川的照片后返回波密縣。
圖20米堆冰川考察
科考總結
本次藏東南春季科考歷時7天，行程近1000公里，最高海拔4750米，與夏季科考相比，環境更為惡劣，條件更為艱苦。科考隊員們克服了高原反應、寒冷天氣和強紫外線輻射等挑戰，圓滿完成了科考任務。科考隊員通過實地參觀藏東南站，進一步掌握了多處冰川的近期動態及冰川考察的諸多注意事項，更加體會到野外駐站和實地觀測工作的艱辛；通過攀爬冰川和無人機航拍，獲取了寶貴的冰川和冰前湖資料，深刻理解了藏東南地區冰川和積雪的春季形態狀況；此外，利用無人機在然烏湖獲取的實測光學影像，對驗證衛星遙感影像水體分類方法提供了有力支撐。
古人云：世之奇偉、瑰怪，非常之觀，常在于險遠，而人之所罕至焉，故非有志者不能至也。本次科考增加了課題組野外科考經驗，完善了相關理論研究的驗證部分，進一步提高了對冰凍圈水文學的認識，也讓隊員們實地感受了藏東南冰川和湖泊的獨特魅力。讀萬卷書，行萬里路，本次科考將激勵大家在科研工作中繼續探索真知，勇攀高峰。
圖21 科考隊員合照
致謝：本次科考受到“第二次青藏高原綜合科學考察研究”(2019QZKK0105)資助。
作者(排名不分先后)：龍笛、黃琦、韓鵬飛、李興東、李雪瑩、趙凡玉、張才金、王一鳴