北極 Svalbard群島 Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面運動特征

李鵬 閆明 艾松濤 徐躍通 劉雷保 孫維君

(1中國極地研究中心,國家海洋局極地科學重點實驗室,上海200136;2山東師范大學人口資源與環境學院,山東濟南250014;3武漢大學中國南極測繪研究中心,湖北武漢430079;4天津市環境監測中心,天津300191)

0 引言

冰川是氣候的產物,其存在與變化不僅對氣候變化具有明顯的反饋、調節和指示作用,而且對生態、水資源變化具有重要影響[1-4]。冰川運動是冰川區別于其它自然冰體的主要標志之一[5-6],是冰川學研究的重要內容[7-11]。冰川運動速度與氣候條件、冰川形態、物質平衡、冰下地形、冰川融水、冰內應力等密切相關[10,12],不僅是冰川動力學模型和冰川水文模型必不可少的參數,也是進行冰川相關災害模擬和預測的重要參數[13-15]。

北極Svalbard群島約59%的地表被冰川(帽)覆蓋,冰川總數超過2 100條,普遍發育山谷或冰斗冰川[16]。該群島地處挪威暖流海熱傳輸通道的最北端,冰川對其波動及相應的氣候變化十分敏感,是國際上冰川監測研究的重點區域[17-25]。2004年7—8月,中國北極黃河站科學考察隊首次在Svalbard群島新奧爾松地區開展了多學科聯合考察,通過對冰川進行實地勘測和調查比較,選定 Austre Lovénbreen和Pedersenbreen兩條冰川作為長期監測和研究的對象,開展冰川物質平衡、冰川運動及其對氣候變化響應的研究[8,26]。

1 研究區概況

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川位于北極Svalbard群島新奧爾松地區,距北極黃河站的直線距離分別為6.2和10 km(圖1)。兩條冰川彼此相鄰,均為多溫型山谷冰川,周圍山峰的最高海拔分別為880和1 017 m[8]。依據挪威極地所2008年出版Svalbard群島大比例尺地形圖A7量算,Austre Lovénbreen 冰川幾何中心在東經 12°9′44.4″,北緯78°52′17.3″,面積為 5.69 km2,海拔分布范圍為 75—600 m,Pedersenbreen 冰川幾何中心在12°17′10.1″E,78°51′25.0″N,面積為 6.59 km2,海拔分布范圍為100—700 m。

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

2 數據處理

北 極 Svalbard群 島 Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面運動監測始于2005年7月,在Austre Lovénbreen冰川由A至E斷面布設16根花桿,在Pedersenbreen冰川沿冰川主流線布設5根花桿,2007年7月在Austre Lovénbreen冰川增設F點花桿。2005—2008年,每年7—8月測量花桿位置以獲得冰川表面年度運動速度;2009—2011年的每年4—5月和9月分別測量花桿位置以獲得冰川表面季節性運動速度。2005—2008年的每年7—8月份、2009—2011年的每年9月份獲取的是兩條冰川花桿與冰面(很少情況下是雪面)交匯處高程信息,2009—2011年的每年4—5月份獲取的是兩條冰川花桿與雪面交匯處高程信息。由于冰川消融等因素影響,部分年度會有花桿倒伏且找不到原鉆孔位置,導致冰川運動數據缺失(表1)。本文統計2005年7月至2011年9月Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面運動速度,其中 Austre Lovénbreen冰川各觀測點共有69個年度數據,35個夏季數據和32個冬季數據;Pedersenbreen冰川各觀測點共有18個年度數據,5個夏季數據和7個冬季數據。

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川到黃河站GPS跟蹤站的距離均在10 km以內,可視為短距離差分計算,建立地方獨立坐標系統[27-29]:以黃河站GPS跟蹤站為坐標原點,其正東方為X軸、正北方為Y軸,Z軸垂直于XY平面。每根花桿位置采用Leica 1230 GPS接收機靜態測量50 min以上,測量精度達到水平方向優于1 cm、高程方向優于2 cm的水平。GPS數據獲取及處理[27]和冰川表面運動速度計算方法[29]詳見文獻[27,29]。本文規定一個年度數據時間跨度開始于夏季或夏季末測量時,截止到來年相同月份。冰川表面水平或垂直運動速度平均值為統計時段內所有觀測點年度平均運動速度值的平均值,冰川表面夏季(或冬季)水平或者垂直運動速度平均值為統計時段內所有觀測點相應季節內水平或者垂直運動速度值的平均值。冰川表面應變率的計算如下:假設冰川表面有兩個點A2和B2,在t年A2到B2點的水平距離為A2B2(t),在t+1年為 A2B2(t+1),則該時段內 A2到 B2的應變率ε(A2B2,t)為[30]:

表1 2005—2011年冰川表面運動數據缺失情況統計表Table 1.The data missing points of glacial surface movement from 2005 to 2011

3 結果與討論

3.1 水平運動速度特征

Austre Lovénbreen冰川表面水平運動速度平均為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冰川表面水平運動速度較大,平均為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。與新奧爾松地區的潮水冰川Kronebreen(其冰川下游表面運動速度大約在600 m·a-1[22])相比,這兩條山谷冰川表面水平運動速度很小。如圖2所示,Austre Lovénbreen冰川2007/2008年水平運動速度略高于其他年度,2010/2011年水平運動速度最小,其余四個年度水平運動速度相近,其曲線相互交織在一起。Pedersenbreen冰川2005/2006年水平運動速度略高于其他年度,2008/2009年水平運動速度最小。相鄰兩條冰川表面水平運動速度相差較大的原因可能在于冰川形態(包括表面坡度)、基底地形和冰下融水狀況等方面的不同,而不同年度之間冰川表面運動速度的差異則可能與氣溫、物質平衡和冰下融水狀況有關。

圖2 冰川表面水平運動速度分布Fig.2.The distribution of horizontal velocities on glacial surface

Austre Lovénbreen冰川表面各觀測點水平運動速度的變差系數平均為0.24,最大0.44位于D4,最小0.03位于C2;Pedersenbreen冰川的變差系數平均為0.14,最大0.28位于 P2,最小0.09位于P5。Austre Lovénbreen冰川表面水平運動速度變化大于Pedersenbreen冰川,原因可能在于Austre Lovénbreen冰川面積和冰儲量相對較小——Pedersenbreen冰川面積、冰儲量分別比 Austre Lovénbreen冰川大15.8%和18.6%[31-32]。

從2009年4月至2011年9月,共積累兩條冰川表面三期夏季水平運動速度和兩期冬季水平運動速度(圖3)。Austre Lovénbreen冰川表面夏季水平運動速度平均為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;冬季水平運動速度平均為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冰川表面夏季水平運動速度平均為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;冬季水平運動速度平均為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。兩條冰川表面夏季水平運動速度均略高于冬季值并且變化也強于冬季。Austre Lovénbreen冰川表面夏季水平運動速度比冬季快9.1%,其極差是冬季值的1.77倍,Pedersenbreen冰川表面夏季水平運動速度比冬季快25.5%,其極差是冬季值的2.17倍。

圖3 冰川表面夏季和冬季水平運動速度分布Fig.3.The distribution of horizontal velocities in summer and in winter on glacial surface

冰川表面水平運動速度分布與海拔高度有較好的相關性(圖4)。Austre Lovénbreen冰川主流線表面水平運動速度[y/(m·a-1)]與海拔高度(x/hm)有關系式:

其相關系數rAL為0.9372,滿足顯著性水平0.10。Pedersenbreen冰川主流線表面水平運動速度[y/(m·a-1)]與海拔高度(x/hm)有關系式:

其相關系數rPD0.854 0,滿足顯著性水平0.20。

Austre Lovénbreen冰川主流線表面水平運動速度表現為隨海拔高度升高先增加后減少再增加的趨勢,應與冰厚、冰下地形和冰面形態有關系:雷達測厚數據顯示[31]E-F斷面冰厚大幅減小,但冰下地形陡升;且E-F斷面在冰面形態上表現為巨大的陡坡。與Austre Lovénbreen冰川不同,Pedersenbreen冰川主流線表面水平運動速度表現為隨海拔高度升高先增加后減少的趨勢,雷達測厚數據顯示其底部為發育較為成熟的U型谷,且冰下地形抬升較為平緩[32]。

圖4 冰川主流線表面水平運動速度與海拔高度關系Fig.4.The relationship between horizontal velocity on glacial surface and its elevation along themainsteam line

Austre Lovénbreen冰川表面各觀測點平均水平運動速度矢量空間分布(圖5)表現出:冰川主流線水平運動速度高于兩側,并且冰川兩側水平運動速度不對稱,C斷面及其以下主流線東側水平運動速度高于西側,而在D斷面主流線東側水平運動速度明顯較低。

圖5 冰川表面各觀測點平均水平和垂直運動速度矢量圖Fig.5.A vectorgraph showing the distribution of average horizontal and vertical velocities on glacial surface

將分布在冰川中央的花桿稱為主流線花桿,其平均水平運動速度稱為主流線速度;將分布在Austre Lovénbreen冰川測量斷面上各花桿的平均水平運動速度再求平均值,稱其為斷面速度。兩條冰川表面均以(在冰川縱剖面上,冰川主流線為一曲線,用L表示,并假設原點在冰川源頭,以Uxy表示冰川表面水平運動速度)為界形成了兩種具有不同運動狀態的運動區:為運動拉伸區和＜0為運動壓縮區。Austre Lovénbreen冰川從上游至下游依次表現為壓縮、拉伸和壓縮,而Pedersenbreen冰川從上游至下游依次表現為拉伸和壓縮,兩者有所不同。如圖6所示,Austre Lovénbreen冰川主流線速度與斷面速度分布不盡一致,表現為D斷面速度明顯小于C、E斷面,使Austre Lovénbreen冰川E斷面到D斷面表現為運動壓縮區,原因在于D斷面含蓋Austre Lovénbreen冰川兩個支流,并且兩個支流表面水平運動速度差異懸殊,導致斷面速度值變小。在Austre Lovénbreen冰川 D斷面,D2、D3平均水平速度高于E斷面且低于C斷面。

圖6 冰川表面主流線速度和斷面速度Fig.6.Meanmainstream line and sectional velocities on glacial surface of Austre Lovénbreen and Pedersenbreen

3.2 垂直運動速度特征

Austre Lovénbreen冰川表面垂直運動速度平均為0.76 m·a-1,運動方向垂直向下,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冰川表面垂直運動速度平均為0.90 m·a-1,運動方向垂直向下,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。如圖7所示,兩條冰川均表現出2008/2009年冰川表面垂直運動速度最大,2010/2011年次之,2007/2008年冰川表面垂直運動速度最小,2005/2006年、2006/2007年和2009/2010年與六年平均冰川表面垂直運動速度很接近。冰川表面各觀測點的年際變化趨勢基本一致,但各觀測點極差不盡相同,Austre Lovénbreen冰川A斷面觀測點極差明顯較小。兩條冰川表面垂直運動速度空間分布最突出的特征是其沿冰川主流線方向逐漸增加(圖5),并且在Austre Lovénbreen冰川兩側分布不對稱,東支冰川表面垂直運動速度明顯小于西支。

圖7 冰川表面垂直運動速度分布Fig.7.The distribution of vertical velocities on glacial surface

Austre Lovénbreen冰川表面各觀測點垂直運動速度的變差系數平均為0.81,最大1.69位于F,最小0.06位于A3;E2和E1變差系數也較大,分別為1.61和1.59。Pedersenbreen冰川的變差系數平均為0.59,最大0.89位于P5,最小0.35位于P3。

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面夏季垂直運動速度平均分別為0.14 m·mon-1和0.13 m·mon-1,運動方向均為垂直向下;冬季垂直運動速度平均分別為0.13 m·mon-1和0.09 m·mon-1,運動方向均為垂直向上。兩條冰川表面夏季垂直運動速度分別高于冬季值7.69%和44.44%,但夏季垂直運動速度變差系數分別低于冬季值23.53%和46.67%。

Austre Lovénbreen冰川主流線表面垂直運動速度[y/(m·a-1)]與海拔高度(x/hm)有關系式:

其相關系數rAL為0.962 7,滿足顯著性水平0.01。Pedersenbreen冰川主流線表面垂直運動速度[y/(m·a-1)]與海拔高度(x/hm)有關系式:

其相關系數為rPD為0.924 8,滿足顯著性水平0.05。

冰川表面垂直運動速度(Uz)有三個方面的來源[33-34]:一是水平運動速度在垂直方向上的分量Uxy×tga,a為冰川表面坡度,簡稱為水平分量(H);二為冰川表面物質平衡引起的高程變化,簡稱為物變高程(ΔB);三是冰川冰體內部的補償流(V),其運動方向為垂直向上或向下。它們之間有關系式:

對于Austre Lovénbreen冰川表面垂直運動速度,物變高程占有主導地位,其貢獻率為64%,其次為補償流,貢獻率為19%,最后是水平分量,貢獻率為16%(表2)。對于Pedersenbreen表面垂直運動速度,物變高程貢獻率最大,其值為40%,其次為水平分量,貢獻率為35%,最后為補償流,貢獻率為25%。

3.3 表面應變率分析

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川沿主流線的表面應變率ε可分為三個區域(圖8):(1)ε＞0,分布在冰川上游,為冰川受張力拉伸區,E2F段表面應變率平均為0.001 5,D3E2段為0.000 2,P4P5段為0.003 0,冰川上游表面應變率具有沿著主流線向下減少的趨勢,表明冰體所受的張力在減少;(2)ε=0,分布在冰川中游,冰川冰既不受擠壓力也不受張力的影響;(3)ε＜0,分布在冰川下游地區,為冰川受擠壓力的壓縮區,Austre Lovénbreen冰川A2D3段表面應變率平均為-0.001 5,其中A2B2段為-0.002 2,B2C2段為-0.001 7,C2D3段為-0.000 6,Pedersenbreen冰川P1P4段表面應變率平均為-0.001 4,其中P1P2段為-0.002 3,P2P3段為-0.001 8,P3P4段為-0.000 2,冰川下游表面應變率表現出沿著主流線向下逐漸增加的趨勢,表明冰體所受的擠壓力在增強。

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

圖8 沿冰川主流線表面應變率分布Fig.8.The distribution of surface strain rate along glacialmainstream line

Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川各段表面應變率的變差系數平均分別為0.19和0.15(表3),其變化量可達到該段表面應變率平均值的15%—19%。表面應變率的變差系數表現出沿冰川主流線向下先增加后減少再增加的趨勢;表面應變率極差表現為沿冰川主流線向下先減少后增加的趨勢。

表3 冰川主流線表面應變率變化統計表Table 3.The variation statistics of surface strain rate along galcialmainstream line

4 結論

本文分析北極Svalbard地區Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面運動特征,主要結論如下:

(1)Austre Lovénbreen和 Pedersenbreen冰川表面水平運動速度平均分別為2.14 m·a-1和6.28 m·a-1,變差系數平均分別為0.24和0.14。兩條冰川表面夏季水平運動速度均略高于冬季并且變化也強于冬季,Pedersenbreen冰川表面水平運動速度的季節性變化比Austre Lovénbreen更大。冰川主流線表面水平運動速度與所處海拔高度具有多項式型相關性。冰川橫斷面上,Austre Lovénbreen冰川主流線表面水平運動速度最大,兩側速度小且不對稱;冰川縱剖面上,Austre Lovénbreen冰川從源頭至末端表現為運動的壓縮區、拉伸區和壓縮區,而Pedersenbreen冰川從源頭至末端表現為運動的拉伸區和壓縮區,兩者有所不同。

(2)Austre Lovénbreen和 Pedersenbreen冰川表面垂直運動速度平均分別為0.76 m·a-1和0.90 m·a-1,運動方向均為垂直向下,變差系數平均分別為0.81和0.59。冰川表面垂直運動速度年際變化較大且變化趨勢基本一致。兩條冰川表面夏季垂直運動速度均大于冬季,且夏季變差系數比冬季小。冰川主流線表面垂直運動速度與所處海拔高度具有一元線性相關性。對 Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面垂直運動速度構成貢獻率最大的因素分別依次為物變高程(64%)、補償流(19%)、水平分量(16%)和物變高程(40%)、水平分量(35%)、補償流(25%)。

(3)Austre Lovénbreen和 Pedersenbreen冰川由上游至下游,表面應變率表現為從大于0逐步減小到0,然后再負向增加,表明冰川上游為受張力拉伸區,逐步過渡到冰川下游受擠壓力的壓縮區,且冰川下游冰體所受的擠壓力沿著主流線向下逐漸增強。兩條冰川各段表面應變率的變差系數平均分別為0.19和0.15,其變化量可達該段表面應變率平均值的15%—19%。表面應變率變差系數表現出沿冰川主流線向下先增加后減少再增加的趨勢;其極差表現為沿冰川主流線向下先減少后增加的趨勢。

致謝本文所使用Austre Lovénbreen 和Pedersenbreen冰川運動及物質平衡數據是北極黃河站冰川考察隊全體隊員艱辛工作的結果,謹此對參加該工作的所有人員深表謝意。

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