陈俊霖, 周春霞, 赵秋阳. 2003—2018年 Byrd 冰川流域冰下湖活动及水文联系——多源卫星测高数据监测结果分析[J]. 测绘学报，2020，49(5)：547-556. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190209 CHEN Junlin, ZHOU Chunxia, ZHAO Qiuyang. Subglacial lake activity and hydrological connection in the Byrd glacier basin during 2003—2018: analysis of multimission satellite altimetry monitoring results[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2020, 49(5): 547-556. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190209 摘要 ：南极冰盖下流动水、活跃冰下湖的活动对冰动力学、接地线稳定性和冰盖物质平衡都有重要影响。本文结合ICESat和CryoSat-2测高卫星数据集，分别运用重复轨道法和差分DEM法，对Byrd冰川流域17个活跃冰下湖进行长达16年的监测，并计算其平均高程和平均水量变化，总结活跃冰下湖的水文特征。根据水势方程获取了此区域的冰下排水路径图，结合冰下湖的位置和活动情况分析其相互间的水文联系。结果表明Byrd冰川流域多个活跃冰下湖间存在明显的水文联系：Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖具有以2~3年为周期的储排水活动规律，并且Byrd ₁ 冰下湖主要受到上游Byrd ₂ 冰下湖活动的影响；Byrd _s9 和Byrd _s14 分别受到上游Byrd _s11 和Byrd _s15 冰下湖排水的补充，使湖水水量持续上升。 Subglacial lake activity and hydrological connection in the Byrd glacier basin during 2003—2018: analysis of multimission satellite altimetry monitoring results 1. Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
2. Optics Valley BeiDou International School, Hubei Polytechnic University, Huangshi 435003, China

Key words : altimetry subglacial lakes height change drainage pathways Byrd glacier basin

文献[ 3 ]在1963年首次提出南极冰盖底部有融化的可能.文献[ 4 ]利用无线电回波探测技术(radio echo sounding, RES), 在东南极俄罗斯东方站附近发现迄今最大的Vostok冰下湖, 首次证实冰下湖的存在.之后几十年随着RES技术在极地的广泛应用, 南极冰下地形资料日渐丰富, 更多冰下湖被研究者发现.最初受到探测技术限制, 研究者认为冰下湖是分布于冰盖内部的缓慢移动、底部地形平坦和水势较低区域的相互独立且稳定的封闭系统 ^{[ 5 - 7 ]} .直到2005年, 文献[ 8 ]利用雷达干涉测量发现冰下湖的活动修正了以前的观点, 发现冰下湖水会向外流动并使冰面高程产生变化 ^{[ 9 - 10 ]} .文献[ 11 ]利用ICESat最初4.5年的数据获取了活跃冰下湖地表异常记录, 列出南极124个活跃冰下湖.随着技术手段的进步, 更多的活跃冰下湖被发现, 其目录不断扩展 ^{[ 12 ]} .文献[ 13 ]基于CryoSat-2数据在Kamb冰流下游新发现两个较小的活跃冰下湖, 监测到文献[ 11 ]冰下湖目录中一个湖泊的持续活动, 并推测这些湖泊的活动是接地线附近溢出冰川补给系统的重要组成部分.文献[ 14 ]同样使用CryoSat-2数据, 在Thwaites冰川探测到4个冰下湖在2013年6月至2014年1月同时排水的现象。

Byrd冰川是源于东南极流入Ross冰架中最大的冰川, 在此区域已经探测到17个活跃冰下湖( 图 1 ).文献[ 11 ]利用ICESat卫星对冰盖表面高程的观测发现了Byrd冰川流域17个活跃冰下湖并计算其2003-2008年的平均高程和体积变化, 文献[ 18 ]发现Byrd冰川的冰流速在2005年12月至2007年2月间增加~10%, 与上游Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖同时期的排水有明显联系.文献[ 22 ]利用新的RES数据在Byrd冰川流域上游又发现了3个较大的稳定冰下湖 ^{[ 22 ]} .目前对Byrd冰川流域活跃冰下湖长时间序列监测和水文联系的相关研究仍然较少.本文结合ICESat和CryoSat-2测高数据, 分别使用重复轨道法和差分DEM (digital elevation model)法对17个活跃冰下湖的高程和水量进行长时间序列监测, 并结合BEDMAP2数据集获取Byrd冰川流域的冰下排水路径图对这些冰下湖间的活动进一步分析, 了解其水文联系。

本文使用了美国冰雪数据中心提供的ICESat_L2级南北极冰盖高程数据产品GLA12从2A到2E任务期(2003年10月到2009年4月)的激光测高数据和欧空局提供的CryoSat-2低分辨率模式下的基线C版本的SIR_LRM_L2数据产品从2010年7月到2018年12月的雷达测高数据, 数据范围为78.5°S-82.5°S, 137°E- 153°E.Byrd冰川流域冰下湖的边界采用文献[ 11 ]确定的边界, 用于冰下排水路径预测使用的英国南极局在2013年推出的, 包括1 km分辨率的南极冰盖表面高程和冰下基岩高程产品的BEDMAP2数据集, 以及作为参考DEM的日本航天局提供的ALOS 30 m分辨率的冰面高程产品AW3D30。

ICESat卫星是美国国家航天局在2003年1月12日发射的首颗激光雷达测高卫星, 搭载能发射40 Hz脉冲频率激光的地球科学激光测高系统, 并在地面形成直径70 m、沿轨道方向间距170 m的脚点.该卫星每年重复对地观测2~ 3次, 重复轨道精度约150 m, 在南极冰盖测高精度最高可达3cm以内, 较平坦区域高程变化率精度能达到0.02 m/a ^{[ 23 - 24 ]} , 足以满足高程变化监测的精度要求.ICESat测高数据存在由云、大气和地表反射等影响造成的误差 ^{[ 25 ]} .为了保证获得的地表高程的准确性, 对测高数据进行如下预处理:首先根据返回的波形特征进行数据筛选, 剔除不合格的数据, 再对数据进行饱和度改正 ^{[ 26 ]} , 最后利用文献[ 27 ]提供的偏差值对ICESat各任务期间的高程偏差进行改正.主要使用两个参数作为数据筛选标准:①表面反射率>0.1;②波形失配率 < 0.035V。

CryoSat-2是欧空局在2010年4月8日发射的雷达测高卫星, 担任冰川监测任务.主要目的是观测地球和海洋冰层厚度变化, 尤其是对极地冰盖和海洋浮冰的精确监测, 其92°的近极地轨道设计使数据覆盖范围达±88°.该卫星搭载的合成孔径干涉雷达测高仪具有3种测量模式:低分辨率模式(lowresolution mode, LRM)、合成孔径雷达模式(synthetic aperture radar mode, SAR)和合成孔径雷达干涉测量模式(SAR interferometric mode, SARIn), 分别满足对内陆冰盖、海冰和冰盖边缘的测量 ^{[ 28 ]} .CryoSat-2在南极冰盖上高程测量精度最高可达到2.6 cm ^{[ 29 ]} , LRM模式的高程变化精度可达0.18 m ^{[ 30 ]} , 能满足冰下湖高程变化监测所需要的精度.在使用CryoSat-2数据进行高程变化值计算前需对所有数据进行预处理, 包括剔除高后向散射( σ > 30 dB)数据以及系统偏差改正.系统偏差为CryoSat-2卫星因内部仪器路径延迟处理不当(-0.77 m)以及卫星质心和天线参考点之间的偏移(+0.10 m)导致的与ICESat测高数据间的-0.67 m的偏差 ^{[ 31 ]} .CryoSat-2搭载的雷达测高仪具有穿透积雪的特征, 但穿透深度受到积雪密度、表面温度和粒径大小等物理性质的影响.由于缺少实测数据, 无法准确计算穿透深度, 故本文未直接计算积雪穿透深度。

1.2 高程和体积变化

冰下湖处于数千米厚的冰盖和基岩之间, 利用现有技术无法直接探测.许多研究已经证明活跃冰下湖的储排水会使上覆冰盖受到的浮力产生相应变化, 从而造成冰盖表面高程变化 ^{[ 32 ]} .基于此特征, 可将卫星探测到的冰盖表面高程变化减去冰流速、潮汐和积雪等影响造成的冰盖表面高程变化后的结果, 视为活跃冰下湖的高程变化 ^{[ 21 ]} 。

经过Byrd冰川流域的CryoSat-2卫星采用LRM模式进行观测, 较ICESat卫星测高数据分布更密集和均匀, 但其轨迹点并非严格意义上的重复轨迹, 经典的重复轨迹法不再适用.因此对CryoSat-2测高数据采用差分DEM法计算冰盖表面的高程变化, 以监测活跃冰下湖的高程变化 ^{[ 31 , 35 ]} .具体计算方法为:将经过预处理后的CryoSat-2脚点按照一定的时间间隔划分为 n 个时间序列窗口 T ( i )( i =1, 2, ···, n ), 引入AW3D30 DEM作为冰盖表面高程变化计算的参考DEM并提取 T ( i )窗口内所有脚点( x , y )的高程值 h _{T ( i )} ^ext ( x , y ), 然后与CryoSat-2脚点高程实测值 h _{T ( i )} ^cs ( x , y )作差得到单个脚点高程变化值Δ h _{T ( i )} ( x , y ), 再利用3 σ 剔除 T ( i )窗口内高差异常的脚点, 最后取 T ( i )窗口内所有Δ h _{T ( i )} ( x , y )的平均值表示冰盖表面相对于参考表面的平均高程变化值 。

考虑到南极冰盖表面积雪、冰流速和潮汐等也会引起冰盖表面高程变化, 本文以各活跃冰下湖范围最大的长宽值的两倍的矩形范围构建计算区域, 将冰下湖边界以外、矩形范围以内的冰盖表面平均高程变化值视为由这些因素引起的冰盖表面平均高程变化量 ^{[ 11 , 21 ]} , 最后将冰下湖内外的冰盖表面平均高程变化值作差得到仅由冰下湖活动引起的冰盖表面平均高程变化值.并且针对CryoSat-2卫星具有积雪穿透的特性, 假设包括冰下湖范围及以外部分区域具有相同的积雪穿透深度, 通过湖内外平均高程变化值作差亦可剔除其对冰下湖活动高程变化值计算的影响.由于ICESat和CryoSat-2的测高数据时间上并不连续, 为了保证不同测高数据的一致性以获取活跃冰下湖活动的长时间序列, 本文进行了如下处理:以ALOS的AW3D30产品作为参考DEM, 内插ICESat在任务期2A时的脚点高程并与实际测量值作差, 将差值取平均后作为偏差值, 用以改正CryoSat-2与ICESat计算的冰下湖平均高程变化间的偏差, 最终将所有平均高程变化值计算结果统一到起算时间2003年10月。

将数据质量筛选和改正后的ICESat测高数据, 利用式(1)与式(2)计算了每条经过Byrd ₁ 与Byrd ₂ 冰下湖的轨迹从2003年10月至2009年4月的高程变化, 结果显示这些轨迹都呈现出复杂的高程变化现象.同时经过Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖的Track 263的高程变化如 图 3 所示, 其中Track 263经过Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖的长度分别为25.5km和35km.在Byrd ₁ 冰下湖范围内, 高程变化为先上升后下降, 首先持续增加并于2006年6月达最大上升约8 m, 然后转为持续下降.而在Bryd ₂ 冰下湖范围内的高程经历先上升后下降再上升的变化, 从初始持续上升至2005年11月达最大上升约9 m, 然后经历1年的快速下降过程, 到2006年11月最大降至比2003年10月低约4.5 m, 最后又转为上升状态, 到2009年3月相比最初最大上升约13.5 m. 图 3 中Byrd ₁ 冰下湖外左侧最大高程变化达数米且变化无规律, 大于ICESat卫星的测量误差.分析发现此区域的冰盖表面地形坡度和起伏较大, 可能导致不同任务时期ICESat测量足迹的地理定位不准确而引起这种高程异常变化 ^{[ 11 ]} .

随后根据式(3)与式(4)计算两冰下湖2003年10月至2009年4月的平均高程和体积变化, 然后将2010年7月至2018年12月的CryoSat-2测高数据以6个月作为时间间隔, 按差分DEM法计算两冰下湖的平均高程和体积变化, 最后改正系统偏差和统一起算时间得到Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖2003-2018年平均高程和体积变化, 如 图 4 所示.两冰下湖利用ICESat 2003-2008年数据计算结果与文献[ 11 ]结果对比变化一致.根据 图 4(a) 中两冰下湖平均高程变化结果可知, 在2003-2018年整个监测期内, Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖高程变化均呈现出周期特征, 循环周期约2~ 3年、循环变化6次.与最初相比, Byrd ₁ 冰下湖高程最大上升约4.9 m、最大下降约2.2 m, Byrd ₂ 冰下湖高程最大上升约2.7 m、最大下降约0.6 m. ICESat监测期内, Byrd ₁ 冰下湖平均高程最初略有下降, 然后从2004年3月至2006年5月持续上升约4.8 m, 随后到2007年3月持续下降约3.3 m, 最后到2009年4月两年内又出现一个上升和下降的过程, 高程变化量均约为1 m; 而Byrd ₂ 冰下湖从2003年3月至2005年11月直接上升约1.8 m, 之后转为下降, 至2007年3月恢复到与初始相当的高程水平, 最后高程持续上升约2.8 m.CyroSatG2监测期内, Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖均表现出高程上升下降交替的状态, 但变化量有所差别, Byrd ₁ 冰下湖最大高程变化约7 m, Byrd ₂ 冰下湖最大高程变化约3 m.分析 图 4(b) 中两个冰下湖的平均体积变化结果, Byrd ₁ 冰下湖在2011年至2012年有最大排水2.5 km ³ , 在2014年至2015年有最大储水2.6 km ³ .Byrd ₂ 冰下湖在2007年至2009年有最大储水1.9 km ³ , 在2017年至2018年有最大排水1.9 km ³ .在2003-2009年间, 起初, Byrd ₁ 相较Byrd ₂ 冰下湖升降变化的时间节点延迟约0.5年, 后变为一致.而从2011年起, 两湖升降变化趋近相反状态.两湖活动状态在整个时间序列上并不一直相同, 但整个时序内, Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖都表现出周期相近的储排水活动规律.两冰下湖的长时间活动特征表明其极可能存在水文联系。

CryoSat-2卫星在Byrd冰川流域为LRM测高模式, 在Byrd冰川流域内其他面积较小的15个活跃冰下湖内高程数据量少, 使用差分DEM计算高程变化误差大, 所以仅使用ICESat测高数据计算了2003年10月至2009年4月的平均高程和体积变化, 结果如 图 5 所示. Byrd _s1 -Byrd _s15 各个冰下湖在此期间呈现单一变化趋势, Byrd _s1 、Byrd _s8 、Byrd _s9 、Byrd _s10 、Byrd _s13 和Byrd _s14 冰下湖保持上升趋势; Byrd _s2 、Byrd _s3 、Byrd _s4 、Byrd _s5 、Byrd _s6 、Byrd _s7 、Byrd _s11 和Byrd _s15 冰下湖保持下降趋势.15个冰下湖的高程变化结果和文献[ 11 ]计算的结果一致.大部分冰下湖的平均高程变化量都在1.5 m以下, 仅Byrd _s8 平均高程上升约3.5 m.Byrd _s1 -Byrd _s15 15个冰下湖的体积变化量相近且较小, 其中Byrd _s8 增加量最大, 约0.3 km ³ , Byrd _s2 减少量最大, 约0.12 km ³ . 15个冰下湖的排水率和高程变化率见 表 1 , 分析发现除Byrd _s8 冰下湖排水率和高程变化率分别为-0.056 km ³ /a和0.65 m/a以外, 其他冰下湖的排水率绝对值都在0.02 km ³ /a以内, 高程变化率绝对值在0.3 m/a以内. 图 5(b) 中, Byrd _s9 体积增加与Byrd _s11 体积减少相近, 约0.05 km ³ , Byrd _s14 体积增加与Byrd _s15 体积减少相近, 约0.06 km ³ , 而 表 1 中Byrd _s9 和Byrd _s11 、Byrd _s14 和Byrd _s15 的排水率和高程变化率基本相同且符号相反, 并且Byrd _s9 和Byrd _s11 , Byrd _s14 和Byrd _s15 位置相邻, 推测可能存在湖水供给的联系.而地理位置距离较远的Byrd _s1 与Byrd _s2 冰下湖间也具有相反的储排水状态, 排水率绝对值基本相等, 推测两湖间可能也存在水文联系.15个活跃冰下湖中, Byrd _s12 冰下湖的平均高程变化最大约0.5 m, 但其平均体积变化却与平均高程变化超过1 m的Byrd _s10 冰下湖相当, 原因是Byrd _s12 冰下湖的面积达到240 km ² , 是其他14个冰下湖面积的1.5~3.5倍。

Byrd冰川流域冰下排水路径的存在提供了有利于冰下湖形成以及湖水积累的环境, 并且可能为活跃冰下湖湖水的流动提供通道.分析 图 6 中的排水路径, 冰下水的流动方向主要是从西部和南部流向东北部的Byrd冰川并继续向外汇入海洋.17个活跃冰下湖较均匀分布在各支流, 其中较小的活跃冰下湖主要分布在靠近内陆的支流上, 而较大的Byrd ₂ 冰下湖独处在多条向主干流汇聚的支流交汇处, Byrd ₁ 冰下湖处于西部和南部众多支流汇聚的下游主干流处.根据各冰下湖在冰下排水路径的位置推测Byrd ₁ 冰下湖的活动受上游众多支流中的冰下水以及支流上冰下湖活动的综合影响.Byrd ₁ 冰下湖上游南部的支流经过的冰下湖数量多, 但面积小、湖水体积变化较小, 且位置较远, 综合而言对Byrd ₁ 冰下湖的影响小.而面积大、湖水体积变化大的Byrd ₂ 冰下湖处于离其较近的上游多条支流交汇处, 结合Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖在2003-2018年的平均高程和体积变化活动规律( 图 4 ), 可以推断Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖具有相似的周期性储排水活动特征, 且Byrd ₁ 冰下湖活动主要受到上游Byrd ₂ 冰下湖活动的影响, 两者间存在明显的水文联系。

文中对Byrd _s1 -Byrd _s15 的平均高程和体积变化结果的分析推测Byrd _s1 和Byrd _s2 冰下湖、Byrd _s9 和Byrd _s11 冰下湖以及Byrd _s14 和Byrd _s15 冰下湖可能存在水文联系.结合 图 6 的冰下排水路径预测图进一步分析:Byrd _s2 冰下湖在Byrd _s1 冰下湖上游, 但它们分处不同的排水路径支流且距离远, 两湖间基本不可能存在水文联系.Byrd _s9 冰下湖经过一条长约67 km的排水路径与上游Byrd _s10 冰下湖相连, 但 表 1 和 图 5 结果表明两冰下湖在2003-2009年期间水量均持续增加.研究表明只有当冰下湖水位上升到足以克服水势屏障时, 排水通道才会存在并开始向外排水, 而Byrd _s10 水位仍在持续稳步上升, 表明其还不足以克服水势屏障形成排水通道向Byrd _s9 冰下湖补给足够多的水使其水量增加.相反, 位于Byrd _s9 冰下湖上游另一条支流的Byrd _s11 冰下湖已经克服水势屏障, 并以0.010 km ³ /a的速率持续向外排水, 而下游Byrd _s9 冰下湖湖水则以0.010 km ³ /a的速率持续增加.同样, Byrd冰川流域西北方向位置相邻的Byrd _s14 和Byrd _s15 冰下湖, 其排水速率分别为-0.011 km ³ /a和0.007 km ³ /a, 下游的Byrd _s14 冰下湖水量持续上升, 上游的Byrd _s15 冰下湖水量持续下降, 且在冰下排水路径预测图中, Byrd _s14 和Byrd _s15 冰下湖通过排水路径相连.可以推断Byrd _s9 和Byrd _s11 冰下湖, Byrd _s14 和Byrd _s15 冰下湖间通过相连的排水通道, 使Byrd _s11 和Byrd _s15 的湖水分别持续流向Byrd _s9 和Byrd _s14 冰下湖, 存在明显的水文联系. 图 6 中, 虽然Byrd _s4 -Byrd _s7 冰下湖处在同一条排水路径上, 但 表 1 结果显示2003-2009年间4个冰下湖分别以0.014 km ³ /a、0.004 km ³ /a、0.013km ³ /a和0.007km ³ /a的排水速率持续排水, 4个冰下湖间的水文联系尚无法判断.而Byrd _s8 、Byrd _s12 和Byrd _s13 冰下湖则仍处于储水状态, 同样无法判断和其他冰下湖是否存在水文联系.虽然冰下排水路径图对判断活跃冰下湖间的水文联系提供了证据, 但利用水压势能方程获取冰下排水路径的预测结果也存在误差, 主要因为在计算水压势能时, 假定了水压力等于上覆冰层压力, 与实际水压力不符.而本文研究的Byrd冰川流域冰盖表面地形坡度和起伏大, 所使用的冰底地形数据和冰盖表面高程必然存在误差, 所以冰下排水路径预测结果在局部可能存在不准确, 未来需要结合更多的实测数据以及采取更精确的模型进行深入分析。

3 结束语

结合ICESat与CryoSat-2测高数据, 本文利用重复轨道法和差分DEM法对Byrd冰川流域的17个活跃冰下湖的平均高程和体积变化进行了长达16a的监测, 并使用BEDMAP2数据集根据水压势能方程生成的冰下排水路径图分析了各冰下湖间的水文联系.分析表明Byrd冰川流域的活跃冰下湖具有各不相同的活动规律, 以及一些活跃冰下湖间存在明显的水文联系.Byrd ₁ 和Byrd ₂ 冰下湖具有2~3年为周期的储排水活动规律, 并且Byrd ₁ 冰下湖主要受到上游Byrd ₂ 冰下湖活动的影响; Byrd _s9 和Byrd _s14 冰下湖分别受到上游Byrd _s11 和Byrd _s15 冰下湖排水的补充使湖水水量持续上升.活跃冰下湖的活动可能还受到其他因素的影响, 更丰富和更高精度的测量数据以及更准确的监测方法是未来深入研究必不可少的.ICESat-2测高卫星已成功发射, 笔者将继续利用其获取的高精度数据分析Byrd冰川流域活跃冰下湖的活动规律及其水文联系。

感谢美国国家冰雪数据中心提供的MODIS影像镶嵌图和ICESat测高数据; 感谢欧空局提供的CryoSat-2测高数据; 感谢英国南极局提供的BEDMAP2数据集; 感谢日本航天局提供的AW3D30高程产品。

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2003—2018年 Byrd 冰川流域冰下湖活动及水文联系——多源卫星测高数据监测结果分析

Subglacial lake activity and hydrological connection in the Byrd glacier basin during 2003—2018: analysis of multimission satellite altimetry monitoring results

测绘学报，2020，49(5)：547-556

Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2020, 49(5): 547-556

http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2020.20190209