北极 Svalbard群岛 Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面运动特征

李鹏 闫明 艾松涛 徐跃通 刘雷保 孙维君

(1中国极地研究中心,国家海洋局极地科学重点实验室,上海200136;2山东师范大学人口资源与环境学院,山东济南250014;3武汉大学中国南极测绘研究中心,湖北武汉430079;4天津市环境监测中心,天津300191)

0 引言

冰川是气候的产物,其存在与变化不仅对气候变化具有明显的反馈、调节和指示作用,而且对生态、水资源变化具有重要影响[1-4]。冰川运动是冰川区别于其它自然冰体的主要标志之一[5-6],是冰川学研究的重要内容[7-11]。冰川运动速度与气候条件、冰川形态、物质平衡、冰下地形、冰川融水、冰内应力等密切相关[10,12],不仅是冰川动力学模型和冰川水文模型必不可少的参数,也是进行冰川相关灾害模拟和预测的重要参数[13-15]。

北极Svalbard群岛约59%的地表被冰川(帽)覆盖,冰川总数超过2 100条,普遍发育山谷或冰斗冰川[16]。该群岛地处挪威暖流海热传输通道的最北端,冰川对其波动及相应的气候变化十分敏感,是国际上冰川监测研究的重点区域[17-25]。2004年7—8月,中国北极黄河站科学考察队首次在Svalbard群岛新奥尔松地区开展了多学科联合考察,通过对冰川进行实地勘测和调查比较,选定 Austre Lovénbreen和Pedersenbreen两条冰川作为长期监测和研究的对象,开展冰川物质平衡、冰川运动及其对气候变化响应的研究[8,26]。

1 研究区概况

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川位于北极Svalbard群岛新奥尔松地区,距北极黄河站的直线距离分别为6.2和10 km(图1)。两条冰川彼此相邻,均为多温型山谷冰川,周围山峰的最高海拔分别为880和1 017 m[8]。依据挪威极地所2008年出版Svalbard群岛大比例尺地形图A7量算,Austre Lovénbreen 冰川几何中心在东经 12°9′44.4″,北纬78°52′17.3″,面积为 5.69 km2,海拔分布范围为 75—600 m,Pedersenbreen 冰川几何中心在12°17′10.1″E,78°51′25.0″N,面积为 6.59 km2,海拔分布范围为100—700 m。

图1 Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川位置示意图Fig.1.A sketch map showing the location of galciers Austre Lovénbreen and Pedersenbreen

2 数据处理

北 极 Svalbard群 岛 Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面运动监测始于2005年7月,在Austre Lovénbreen冰川由A至E断面布设16根花杆,在Pedersenbreen冰川沿冰川主流线布设5根花杆,2007年7月在Austre Lovénbreen冰川增设F点花杆。2005—2008年,每年7—8月测量花杆位置以获得冰川表面年度运动速度;2009—2011年的每年4—5月和9月分别测量花杆位置以获得冰川表面季节性运动速度。2005—2008年的每年7—8月份、2009—2011年的每年9月份获取的是两条冰川花杆与冰面(很少情况下是雪面)交汇处高程信息,2009—2011年的每年4—5月份获取的是两条冰川花杆与雪面交汇处高程信息。由于冰川消融等因素影响,部分年度会有花杆倒伏且找不到原钻孔位置,导致冰川运动数据缺失(表1)。本文统计2005年7月至2011年9月Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面运动速度,其中 Austre Lovénbreen冰川各观测点共有69个年度数据,35个夏季数据和32个冬季数据;Pedersenbreen冰川各观测点共有18个年度数据,5个夏季数据和7个冬季数据。

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川到黄河站GPS跟踪站的距离均在10 km以内,可视为短距离差分计算,建立地方独立坐标系统[27-29]:以黄河站GPS跟踪站为坐标原点,其正东方为X轴、正北方为Y轴,Z轴垂直于XY平面。每根花杆位置采用Leica 1230 GPS接收机静态测量50 min以上,测量精度达到水平方向优于1 cm、高程方向优于2 cm的水平。GPS数据获取及处理[27]和冰川表面运动速度计算方法[29]详见文献[27,29]。本文规定一个年度数据时间跨度开始于夏季或夏季末测量时,截止到来年相同月份。冰川表面水平或垂直运动速度平均值为统计时段内所有观测点年度平均运动速度值的平均值,冰川表面夏季(或冬季)水平或者垂直运动速度平均值为统计时段内所有观测点相应季节内水平或者垂直运动速度值的平均值。冰川表面应变率的计算如下:假设冰川表面有两个点A2和B2,在t年A2到B2点的水平距离为A2B2(t),在t+1年为 A2B2(t+1),则该时段内 A2到 B2的应变率ε(A2B2,t)为[30]:

表1 2005—2011年冰川表面运动数据缺失情况统计表Table 1.The data missing points of glacial surface movement from 2005 to 2011

3 结果与讨论

3.1 水平运动速度特征

Austre Lovénbreen冰川表面水平运动速度平均为2.14 m·a-1,最大值5.17 m·a-1位于2007/2008年D3,最小值0.27 m·a-1位于2007/2008年A1。相比之下,Pedersenbreen冰川表面水平运动速度较大,平均为6.28 m·a-1,最大值8.63 m·a-1位于2010/2011年 P4,最小值3.82 m·a-1位于2009/2010年P2。与新奥尔松地区的潮水冰川Kronebreen(其冰川下游表面运动速度大约在600 m·a-1[22])相比,这两条山谷冰川表面水平运动速度很小。如图2所示,Austre Lovénbreen冰川2007/2008年水平运动速度略高于其他年度,2010/2011年水平运动速度最小,其余四个年度水平运动速度相近,其曲线相互交织在一起。Pedersenbreen冰川2005/2006年水平运动速度略高于其他年度,2008/2009年水平运动速度最小。相邻两条冰川表面水平运动速度相差较大的原因可能在于冰川形态(包括表面坡度)、基底地形和冰下融水状况等方面的不同,而不同年度之间冰川表面运动速度的差异则可能与气温、物质平衡和冰下融水状况有关。

图2 冰川表面水平运动速度分布Fig.2.The distribution of horizontal velocities on glacial surface

Austre Lovénbreen冰川表面各观测点水平运动速度的变差系数平均为0.24,最大0.44位于D4,最小0.03位于C2;Pedersenbreen冰川的变差系数平均为0.14,最大0.28位于 P2,最小0.09位于P5。Austre Lovénbreen冰川表面水平运动速度变化大于Pedersenbreen冰川,原因可能在于Austre Lovénbreen冰川面积和冰储量相对较小——Pedersenbreen冰川面积、冰储量分别比 Austre Lovénbreen冰川大15.8%和18.6%[31-32]。

从2009年4月至2011年9月,共积累两条冰川表面三期夏季水平运动速度和两期冬季水平运动速度(图3)。Austre Lovénbreen冰川表面夏季水平运动速度平均为0.24 m·mon-1(米/月),最大值0.38 m·mon-1位于2009年夏D2和2011年夏D1,最小值0.02 m·mon-1位于2009年夏D5;冬季水平运动速度平均为0.22 m·mon-1,最大值0.36 m·mon-1位于2010年冬 D1,最小值 0.02 m·mon-1位于2010年冬A1。Pedersenbreen冰川表面夏季水平运动速度平均为0.69 m·mon-1,最大值0.82m·mon-1位于2009年夏P4,最小值0.50 m·mon-1位于2009年夏P5;冬季水平运动速度平均为0.55 m·mon-1,最大值0.67 m·mon-1位于2010年冬P4,最小值0.45 m·mon-1位于2010年冬P1。两条冰川表面夏季水平运动速度均略高于冬季值并且变化也强于冬季。Austre Lovénbreen冰川表面夏季水平运动速度比冬季快9.1%,其极差是冬季值的1.77倍,Pedersenbreen冰川表面夏季水平运动速度比冬季快25.5%,其极差是冬季值的2.17倍。

图3 冰川表面夏季和冬季水平运动速度分布Fig.3.The distribution of horizontal velocities in summer and in winter on glacial surface

冰川表面水平运动速度分布与海拔高度有较好的相关性(图4)。Austre Lovénbreen冰川主流线表面水平运动速度[y/(m·a-1)]与海拔高度(x/hm)有关系式:

其相关系数rAL为0.9372,满足显著性水平0.10。Pedersenbreen冰川主流线表面水平运动速度[y/(m·a-1)]与海拔高度(x/hm)有关系式:

其相关系数rPD0.854 0,满足显著性水平0.20。

Austre Lovénbreen冰川主流线表面水平运动速度表现为随海拔高度升高先增加后减少再增加的趋势,应与冰厚、冰下地形和冰面形态有关系:雷达测厚数据显示[31]E-F断面冰厚大幅减小,但冰下地形陡升;且E-F断面在冰面形态上表现为巨大的陡坡。与Austre Lovénbreen冰川不同,Pedersenbreen冰川主流线表面水平运动速度表现为随海拔高度升高先增加后减少的趋势,雷达测厚数据显示其底部为发育较为成熟的U型谷,且冰下地形抬升较为平缓[32]。

图4 冰川主流线表面水平运动速度与海拔高度关系Fig.4.The relationship between horizontal velocity on glacial surface and its elevation along themainsteam line

Austre Lovénbreen冰川表面各观测点平均水平运动速度矢量空间分布(图5)表现出:冰川主流线水平运动速度高于两侧,并且冰川两侧水平运动速度不对称,C断面及其以下主流线东侧水平运动速度高于西侧,而在D断面主流线东侧水平运动速度明显较低。

图5 冰川表面各观测点平均水平和垂直运动速度矢量图Fig.5.A vectorgraph showing the distribution of average horizontal and vertical velocities on glacial surface

将分布在冰川中央的花杆称为主流线花杆,其平均水平运动速度称为主流线速度;将分布在Austre Lovénbreen冰川测量断面上各花杆的平均水平运动速度再求平均值,称其为断面速度。两条冰川表面均以(在冰川纵剖面上,冰川主流线为一曲线,用L表示,并假设原点在冰川源头,以Uxy表示冰川表面水平运动速度)为界形成了两种具有不同运动状态的运动区:为运动拉伸区和＜0为运动压缩区。Austre Lovénbreen冰川从上游至下游依次表现为压缩、拉伸和压缩,而Pedersenbreen冰川从上游至下游依次表现为拉伸和压缩,两者有所不同。如图6所示,Austre Lovénbreen冰川主流线速度与断面速度分布不尽一致,表现为D断面速度明显小于C、E断面,使Austre Lovénbreen冰川E断面到D断面表现为运动压缩区,原因在于D断面含盖Austre Lovénbreen冰川两个支流,并且两个支流表面水平运动速度差异悬殊,导致断面速度值变小。在Austre Lovénbreen冰川 D断面,D2、D3平均水平速度高于E断面且低于C断面。

图6 冰川表面主流线速度和断面速度Fig.6.Meanmainstream line and sectional velocities on glacial surface of Austre Lovénbreen and Pedersenbreen

3.2 垂直运动速度特征

Austre Lovénbreen冰川表面垂直运动速度平均为0.76 m·a-1,运动方向垂直向下,最大值1.82 m·a-1位于2008/2009年D1,最小值0.03 m·a-1位于2005/2006年E1。Pedersenbreen冰川表面垂直运动速度平均为0.90 m·a-1,运动方向垂直向下,最大值1.77 m·a-1位于2008/2009年P3,最小值0.01 m·a-1位于2007/2008年P5。如图7所示,两条冰川均表现出2008/2009年冰川表面垂直运动速度最大,2010/2011年次之,2007/2008年冰川表面垂直运动速度最小,2005/2006年、2006/2007年和2009/2010年与六年平均冰川表面垂直运动速度很接近。冰川表面各观测点的年际变化趋势基本一致,但各观测点极差不尽相同,Austre Lovénbreen冰川A断面观测点极差明显较小。两条冰川表面垂直运动速度空间分布最突出的特征是其沿冰川主流线方向逐渐增加(图5),并且在Austre Lovénbreen冰川两侧分布不对称,东支冰川表面垂直运动速度明显小于西支。

图7 冰川表面垂直运动速度分布Fig.7.The distribution of vertical velocities on glacial surface

Austre Lovénbreen冰川表面各观测点垂直运动速度的变差系数平均为0.81,最大1.69位于F,最小0.06位于A3;E2和E1变差系数也较大,分别为1.61和1.59。Pedersenbreen冰川的变差系数平均为0.59,最大0.89位于P5,最小0.35位于P3。

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面夏季垂直运动速度平均分别为0.14 m·mon-1和0.13 m·mon-1,运动方向均为垂直向下;冬季垂直运动速度平均分别为0.13 m·mon-1和0.09 m·mon-1,运动方向均为垂直向上。两条冰川表面夏季垂直运动速度分别高于冬季值7.69%和44.44%,但夏季垂直运动速度变差系数分别低于冬季值23.53%和46.67%。

Austre Lovénbreen冰川主流线表面垂直运动速度[y/(m·a-1)]与海拔高度(x/hm)有关系式:

其相关系数rAL为0.962 7,满足显著性水平0.01。Pedersenbreen冰川主流线表面垂直运动速度[y/(m·a-1)]与海拔高度(x/hm)有关系式:

其相关系数为rPD为0.924 8,满足显著性水平0.05。

冰川表面垂直运动速度(Uz)有三个方面的来源[33-34]:一是水平运动速度在垂直方向上的分量Uxy×tga,a为冰川表面坡度,简称为水平分量(H);二为冰川表面物质平衡引起的高程变化,简称为物变高程(ΔB);三是冰川冰体内部的补偿流(V),其运动方向为垂直向上或向下。它们之间有关系式:

对于Austre Lovénbreen冰川表面垂直运动速度,物变高程占有主导地位,其贡献率为64%,其次为补偿流,贡献率为19%,最后是水平分量,贡献率为16%(表2)。对于Pedersenbreen表面垂直运动速度,物变高程贡献率最大,其值为40%,其次为水平分量,贡献率为35%,最后为补偿流,贡献率为25%。

3.3 表面应变率分析

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川沿主流线的表面应变率ε可分为三个区域(图8):(1)ε＞0,分布在冰川上游,为冰川受张力拉伸区,E2F段表面应变率平均为0.001 5,D3E2段为0.000 2,P4P5段为0.003 0,冰川上游表面应变率具有沿着主流线向下减少的趋势,表明冰体所受的张力在减少;(2)ε=0,分布在冰川中游,冰川冰既不受挤压力也不受张力的影响;(3)ε＜0,分布在冰川下游地区,为冰川受挤压力的压缩区,Austre Lovénbreen冰川A2D3段表面应变率平均为-0.001 5,其中A2B2段为-0.002 2,B2C2段为-0.001 7,C2D3段为-0.000 6,Pedersenbreen冰川P1P4段表面应变率平均为-0.001 4,其中P1P2段为-0.002 3,P2P3段为-0.001 8,P3P4段为-0.000 2,冰川下游表面应变率表现出沿着主流线向下逐渐增加的趋势,表明冰体所受的挤压力在增强。

表2 冰川表面垂直运动速度分量所占比例表Table 2.The percentage of each component of vertical velocity on glacial surface

图8 沿冰川主流线表面应变率分布Fig.8.The distribution of surface strain rate along glacialmainstream line

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川各段表面应变率的变差系数平均分别为0.19和0.15(表3),其变化量可达到该段表面应变率平均值的15%—19%。表面应变率的变差系数表现出沿冰川主流线向下先增加后减少再增加的趋势;表面应变率极差表现为沿冰川主流线向下先减少后增加的趋势。

表3 冰川主流线表面应变率变化统计表Table 3.The variation statistics of surface strain rate along galcialmainstream line

4 结论

本文分析北极Svalbard地区Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面运动特征,主要结论如下:

(1)Austre Lovénbreen和 Pedersenbreen冰川表面水平运动速度平均分别为2.14 m·a-1和6.28 m·a-1,变差系数平均分别为0.24和0.14。两条冰川表面夏季水平运动速度均略高于冬季并且变化也强于冬季,Pedersenbreen冰川表面水平运动速度的季节性变化比Austre Lovénbreen更大。冰川主流线表面水平运动速度与所处海拔高度具有多项式型相关性。冰川横断面上,Austre Lovénbreen冰川主流线表面水平运动速度最大,两侧速度小且不对称;冰川纵剖面上,Austre Lovénbreen冰川从源头至末端表现为运动的压缩区、拉伸区和压缩区,而Pedersenbreen冰川从源头至末端表现为运动的拉伸区和压缩区,两者有所不同。

(2)Austre Lovénbreen和 Pedersenbreen冰川表面垂直运动速度平均分别为0.76 m·a-1和0.90 m·a-1,运动方向均为垂直向下,变差系数平均分别为0.81和0.59。冰川表面垂直运动速度年际变化较大且变化趋势基本一致。两条冰川表面夏季垂直运动速度均大于冬季,且夏季变差系数比冬季小。冰川主流线表面垂直运动速度与所处海拔高度具有一元线性相关性。对 Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面垂直运动速度构成贡献率最大的因素分别依次为物变高程(64%)、补偿流(19%)、水平分量(16%)和物变高程(40%)、水平分量(35%)、补偿流(25%)。

(3)Austre Lovénbreen和 Pedersenbreen冰川由上游至下游,表面应变率表现为从大于0逐步减小到0,然后再负向增加,表明冰川上游为受张力拉伸区,逐步过渡到冰川下游受挤压力的压缩区,且冰川下游冰体所受的挤压力沿着主流线向下逐渐增强。两条冰川各段表面应变率的变差系数平均分别为0.19和0.15,其变化量可达该段表面应变率平均值的15%—19%。表面应变率变差系数表现出沿冰川主流线向下先增加后减少再增加的趋势;其极差表现为沿冰川主流线向下先减少后增加的趋势。

致谢本文所使用Austre Lovénbreen 和Pedersenbreen冰川运动及物质平衡数据是北极黄河站冰川考察队全体队员艰辛工作的结果,谨此对参加该工作的所有人员深表谢意。

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