西北格陵蘭冰蓋英格爾菲爾德地區(qū)冰面-冰前流域水系遙感監(jiān)測(cè)

李雅 陸瑤 陸欣 李滿春,2,3 楊康,2,3

(1 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210023;2 江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023;3 中國(guó)南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210023)

提要 近年來(lái)格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失加速,冰面消融是造成冰蓋物質(zhì)損失的重要原因。每年消融期,西北格陵蘭冰蓋表面都會(huì)形成規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冰面水系,將大量冰面融水輸送至冰蓋邊緣,匯集至冰前水系并最終進(jìn)入大洋,顯著影響冰蓋物質(zhì)平衡。然而,目前對(duì)西北格陵蘭冰蓋冰面水系與冰前水系的研究很少,冰面水系與冰前水系的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征尚不清楚。本研究選取2018年7—8月西北格陵蘭蓋英格爾菲爾德地區(qū)(面積4 624 km2)12 景10 m 空間分辨率的Sentinel-2 衛(wèi)星遙感影像,增強(qiáng)河流橫縱剖面特征,提取了西北格陵蘭冰蓋的冰面水系與冰前水系,并以水系密度與河流寬度為代表性指標(biāo),監(jiān)測(cè)冰面水系與冰前水系動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明:在2018年消融期內(nèi),西北格陵蘭冰蓋形成了平行狀的冰面水系和樹(shù)枝狀的冰前水系;冰面水系由低高程地區(qū)(<800 m)逐步向高高程地區(qū)(>1000 m)推進(jìn);流域出口附近冰前河河寬與冰面水系密度的變化具有較好的一致性,8月份的冰前水系新發(fā)育河寬較窄(10～30 m)的冰前河,反映了冰面水系對(duì)冰前水系的供給作用。

0 引言

格陵蘭冰蓋是僅次于南極冰蓋的世界第二大冰蓋,如果格陵蘭冰蓋全部消融,全球海平面將上升約7 m[1-3]。近年來(lái)格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失加速[4-5],預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末,格陵蘭冰蓋對(duì)全球海平面上升的貢獻(xiàn)約為22 cm[6]。冰面消融是造成格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失的重要原因[7-8],2005—2008年冰面消融對(duì)格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失的貢獻(xiàn)比例約 40%[9],2009年后這一貢獻(xiàn)比例大幅上升至84%[10]。因此,冰蓋水文是理解格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡的關(guān)鍵。

每年消融期,格陵蘭冰蓋表面都會(huì)形成規(guī)模龐大、形態(tài)復(fù)雜的冰面水文系統(tǒng),包括冰面水系(supraglacial river)、冰面湖(supraglacial lake)、豎井(moulin)與冰裂隙(crevasse)等冰面水文要素[8,11]。冰面水系輸送大量冰面融水進(jìn)入冰面湖或豎井,部分冰面融水還會(huì)被輸送至冰前區(qū)域,供給包含冰前河(proglacial river)與冰前湖(proglacial lake)在內(nèi)的冰前水文系統(tǒng)[12-14]。已有研究主要聚焦西南格陵蘭冰蓋水文[13-17],涉及格陵蘭冰蓋其他地區(qū)的水文研究很少。近年來(lái),西北格陵蘭冰蓋冰面消融逐漸增強(qiáng),冰面物質(zhì)損失加速[12,14,18-19]。相比于1958—1990年,1990—2017年西北格陵蘭冰蓋的冰面消融量增加了69.6%,對(duì)格陵蘭冰蓋物質(zhì)損失的貢獻(xiàn)增加了18%,消融區(qū)的擴(kuò)張速度是格陵蘭冰蓋西南部的兩倍[19]。西北格陵蘭冰蓋冰面水文系統(tǒng)與冰前水文系統(tǒng)顯著發(fā)育,已成為研究格陵蘭冰蓋水文與物質(zhì)平衡的新興研究區(qū)[12,18]。然而,該區(qū)域冰面水系與冰前水系的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征,以及冰面水系供給冰前水系的水文過(guò)程都很少有研究涉及。

本研究選擇了一個(gè)西北格陵蘭冰蓋典型冰面-冰前流域作為研究區(qū),選用三期10 m 空間分辨率Sentinel-2 衛(wèi)星遙感影像,采用基于橫縱剖面特征的河流提取方法提取了西北格陵蘭冰蓋的冰面水系與冰前水系,揭示了西北格陵蘭冰蓋冰面水系與冰前水系的形態(tài)特征與動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)位于西北格陵蘭冰蓋英格爾菲爾德地區(qū)(Inglefield Land,78°00′N～78°50′N,65°40′W～69°40′W),包括冰面部分和冰前陸地部分,總面積約為4 624 km2(圖1)。其中,冰面部分總面積約為3 153 km2,高程范圍為500～1 600 m;冰前部分總面積約為1 471 km2,高程范圍為10～600 m。研究區(qū)冰面物質(zhì)平衡線高程約為1 200 m[19],1 200 m以下消融區(qū)面積為1 167 km2,1 200 m以上積累區(qū)面積為1 986 km2。流域最高點(diǎn)距離冰蓋邊緣約70 km,冰蓋邊緣距離流域出口約46 km。研究區(qū)冰面不存在豎井與冰裂隙,每年消融期(6—9月)冰面水系將大量冰面融水直接輸送至冰蓋邊緣,冰前水系匯集冰面融水,將冰面融水輸送至流域出口,最終匯入大洋。

圖1 研究區(qū)Sentinel-2 衛(wèi)星遙感影像.拍攝時(shí)間:2018年8月25日;RGB:band 8(近紅外波段),band 4(紅光波段),band 3(綠光波段)Fig.1.Sentinel-2 image of study area.The image was acquired on 25 August 2018;RGB:band 8 (NIR),band 4 (Red),band 3(Green)

1.2 研究數(shù)據(jù)

Sentinel-2是歐洲航天局“哥白尼計(jì)劃”的地球觀測(cè)任務(wù),目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)對(duì)全球陸地和海洋的連續(xù)、高空間分辨率觀測(cè)。Sentinel-2 搭載的多光譜影像儀(multi-spectral instrument,MSI)可獲取包含可見(jiàn)光(VIS)、近紅外(NIR)與短波紅外(SWIR)等13個(gè)波段的多光譜遙感影像[20]。與其他可免費(fèi)獲取的遙感影像數(shù)據(jù)相比,Sentinel-2 具有較高的空間分辨率(10 m),能夠清晰反映冰面水系[12]。本研究選取研究區(qū)2018年消融期內(nèi)12 景云量小于10%的Sentinel-2 多光譜遙感影像(表1),用于冰面水系與冰前水系提取。研究選取4幅10 m 空間分辨率ArcticDEM 數(shù)字高程模型,提取了冰面-冰前流域邊界(表1,圖1)。此外,區(qū)域氣候模式(Region Climate Model,RCM)是建模冰面徑流量的主要手段[21]。Modele Atmospherique Regional(MAR)是目前常用的一種RCM,通過(guò)在7.5 km ×7.5 km的格網(wǎng)中模擬溫度、降水、再凍結(jié)等變量,建模冰面消融產(chǎn)生的冰面徑流量[22],本研究利用MAR v3.8 建模研究區(qū)冰面6—9月的冰面徑流量[23]。

2 冰面河和冰前河遙感信息提取方法

本研究采用Yang 等[24]提出的基于河流橫縱剖面特征河流遙感信息提取方法,提取研究區(qū)內(nèi)冰面水系和冰前水系。首先,利用歸一化水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index,NDWI)增強(qiáng)河流遙感信息[25],初步區(qū)分河流與其他地物(圖2a、b)。其次,使用1/200～1/40 m–1頻率范圍的帶寬濾波去除遙感影像高頻噪聲和低頻背景[24],進(jìn)一步增強(qiáng)河流信息(圖2c)。再次,利用Gabor濾波增強(qiáng)遙感影像中河流的橫剖面特征(圖2d),采用形態(tài)學(xué)濾波路徑開(kāi)(Path Opening)操作定向增強(qiáng)河流縱剖面特征(圖2e)。最后,選取全局閾值生成河流-影像背景二值掩膜,并利用ArcGIS中ArcScan 工具矢量化河流掩膜,得到河流中心線(圖2f)。

利用Sentinel-2 衛(wèi)星遙感影像提取的河流存在斷裂,連通性較差。DEM 數(shù)據(jù)能夠生成連續(xù)的河流網(wǎng)絡(luò),但無(wú)法反映河流的真實(shí)分布[26-27]。研究融合10 m 空間分辨率ArcticDEM 數(shù)據(jù),連接Sentinel-2 河流斷線。與大部分冰前河不同,冰面河河寬小、分布密集,ArcticDEM 建模冰面水系的能力不足,利用斷線連接方法處理冰面河不僅會(huì)遺漏許多河流細(xì)節(jié),還會(huì)錯(cuò)誤提取河流。因此,研究?jī)H對(duì)遙感影像提取的冰前水系做斷線連接處理。對(duì)于冰前河,研究首先利用ArcGIS 水文分析模塊,填充洼地,計(jì)算流向,計(jì)算流域匯水面積,再選取較低的匯水面積閾值(0.5 k m2)生成Arctic DEM 冰前水系(圖2g)。其次,利用ArcticDEM 冰前水系創(chuàng)建50 m 寬度的緩沖區(qū),作為冰前河感興趣區(qū),將落在感興趣區(qū)內(nèi)的Sentinel-2 冰前水系作為正確提取結(jié)果。再次,融合Sentinel-2 冰前水系與ArcticDEM 冰前水系,刪除不能增強(qiáng) Sentinel-2 冰前水系連通性的ArcticDEM 河段,得到連續(xù)的Sentinel-2 冰前水系(圖2h)。最后,截取流域出口附近冰前河河段(圖6d、e、f 紅色框內(nèi))二值化柵格影像,利用RivWidth程序生成河段中心線上每個(gè)點(diǎn)的河流寬度。

圖2 Sentinel-2 影像冰前水系信息提取.a) Sentinel-2 原始影像;b) NDWI 變換結(jié)果;c) 帶寬濾波處理結(jié)果;d) Gabor 濾波處理結(jié)果;e) 路徑開(kāi)操作處理結(jié)果;f) 二值化水體掩膜;g) ArcticDEM 河流網(wǎng)絡(luò);h) 融合ArcticDEM 連接Sentinel-2 冰前水系斷線的最終結(jié)果Fig.2.Workflow for proglacial river detection using Sentinel-2.a) original Sentinel-2 image;b) NDWI image;c) image after band-pass processing;d)image after Gabor filtering;e) image after path opening;f) Sentinel-mapped rivers;g) ArcticDEM-modeled rivers;h) the final result of Sentinel-ArcticDEM merging proglacial river network

MAR 利用一個(gè)徑流延遲函數(shù)表示冰面融水從產(chǎn)生到輸送至鄰近冰面水系的滯時(shí),但是該函數(shù)在建模冰面徑流量時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差[28]。研究獲取了2018年7月25日、8月14日與8月25日去除該函數(shù)影響后的冰面徑流量輸出(徑流量=消融量+降水量–再凍結(jié))。該輸出代表了每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)每天生成的冰面徑流總量(單位:mm)。將MAR格網(wǎng)和不同的矢量面要素相裁剪,把矢量面內(nèi)包含不同格網(wǎng)的冰面徑流量按照格網(wǎng)面積加權(quán)后相加,計(jì)算得到冰面不同區(qū)域的冰面徑流總量。

3 研究結(jié)果

3.1 水系遙感信息提取結(jié)果

利用Sentinel-2 衛(wèi)星遙感影像提取了2018年消融期3 天(7月25日、8月14日、8月25日)的冰面水系與冰前水系(圖3a、b、c)。結(jié)果表明,研究區(qū)發(fā)育了平行狀冰面水系與樹(shù)枝狀冰前水系。

研究區(qū)冰面積累區(qū)未發(fā)育冰面水系,因此研究?jī)H利用冰面消融區(qū)面積計(jì)算冰面水系密度,三期影像冰面水系密度分別為2.47、4.91和3.13 km–1。在冰面濕雪區(qū)域(7月25日800～900 m、8月14日1 000～1 100 m、8月25日1 000～1 100 m),冰面融水不能進(jìn)入固定的冰面河道,在冰面形成了大量短小(～10 m)、無(wú)規(guī)則的冰面融水徑流[29]。三期影像冰前水系河流總長(zhǎng)分別為660、633和869 km,冰前水系密度分別為0.45、0.43和0.59 km–1,最長(zhǎng)冰前河長(zhǎng)度為83 km。其中,8月14日的冰前水系河流總長(zhǎng)與冰前水系密度均低于其他兩期,這是由于獲取的8月14日Sentinel-2 衛(wèi)星遙感影像冰前區(qū)域被云遮擋,部分冰前河未被提取。8月份冰面供給冰前區(qū)域的融水量增多,靠近冰蓋邊緣的冰前區(qū)域新發(fā)育了冰前河,但整體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

表1 影像數(shù)據(jù)列表Table1.Sentinel-2 satellite images and ArcticDEM usedin this study

3.2 冰面水系動(dòng)態(tài)變化

在消融期內(nèi),冰面水系由低高程地區(qū)(<800 m)逐步向高高程地區(qū)(>1 000 m)推進(jìn)。7—8月冰面水系密度峰值對(duì)應(yīng)的高程帶由7月25日的700～800 m上移至8月14日的900～1 000 m,再移至8月25日的1 000～1 100 m,峰值向高高程地區(qū)移動(dòng),接近該區(qū)域物質(zhì)平衡線1 200 m(圖4)。峰值與冰面水系密度柵格(圖3d、e、f)高密度區(qū)域的變化趨勢(shì)一致。

在700～800 m 高程帶,7月25日的冰面水系密度(12.4 km–1)遠(yuǎn)高于8月14日與8月25日兩期冰面水系密度(3.9 km–1、2.6 km–1)。這是由于7月25日冰面消融僅發(fā)生在冰蓋邊緣區(qū)域(700～800 m),冰面不僅存在彼此不相連的冰面融水徑流,還有穩(wěn)定的冰面排水通道。在900～1 000 m 高程帶,7月25日的冰面水系密度為0.004 km–1,8月14日的冰面水系密度達(dá)到峰值8.1 km–1,這是由于7月25日在此高程帶的冰面凍結(jié),冰面融水產(chǎn)生較少,而8月14日在此高程帶的冰面產(chǎn)生大量融水形成了冰面河。

8月14日與8月25日的冰面水系密度都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)(圖4)。隨著高程的降低,冰面在濕雪區(qū)域形成大量無(wú)規(guī)則、短小的冰面融水徑流,導(dǎo)致冰面水系密度逐漸升高至峰值。隨著高程持續(xù)降低,冰面融水徑流的融水量增多至過(guò)飽和狀態(tài),轉(zhuǎn)化為冰面河[30],冰面融水徑流的數(shù)量減少,導(dǎo)致冰面水系密度降低。在各個(gè)高程帶,8月25日的冰面水系密度均低于8月14日的冰面水系密度,這主要是由于隨著消融的進(jìn)行,冰面消融量由8月14日的2.11 mm 降低至8月25日的0.097 mm(圖5),冰面消融強(qiáng)度降低,大部分冰面凍結(jié),冰面河數(shù)量減少,但在高于1 100 m區(qū)域,8月25日的冰面水系密度(0.66 km–1)是8月14日的冰面水系密度(0.17 km–1)的3 倍,冰面水系仍向高高程地區(qū)推進(jìn)。

圖3 研究區(qū)水系提取結(jié)果(a—c)和冰面水系密度圖(d—f)Fig.3.Map of river networks on the northwest Greenland ice sheet (a—c) and supraglacial drainage density (d—f)

圖4 冰面水系密度動(dòng)態(tài)變化Fig.4.Dynamic variation of supraglacial drainage density

3.3 冰前水系動(dòng)態(tài)變化

圖5 2018年研究區(qū)冰面消融量變化Fig.5.Dynamic variation of supraglacial runoff in 2018

研究獲取了流域出口附近典型冰前河河段的寬度,該河段的寬度變化可以反映整個(gè)冰前水系的徑流量變化,并與冰面水系密度對(duì)比分析,揭示冰面水系對(duì)于冰前水系的供給作用(圖6)。在2018年7月25日、8月14日和8月25日的3期影像中,冰前河河寬與冰面水系密度的變化具有較好的一致性(圖7)。三期影像中冰前河河寬分別為42 m、57 m、49 m。7月25日—8月14日冰前河河寬增加了15 m,期間冰面消融強(qiáng)度增大(圖5),冰面水系密度由2.47 km–1增大至4.91 km–1,冰面水系發(fā)育顯著,冰面供給冰前水系的融水量增加;8月14日—8月25日冰前河河寬減少了8 m,期間冰面消融強(qiáng)度降低,冰面水系密度由4.91 km–1降低至3.13 km–1,大部分冰面凍結(jié),冰面供給冰前水系的融水量減少。

圖6 流域出口冰前河NDWI 影像(a—c)和冰前水系河流掩膜(d—f)Fig.6.NDWI image of basin outlet (a—c) and river mask of proglacial river network(d—f)

圖7 流域出口冰前河河寬隨冰面水系密度的變化Fig.7.Response of proglacial river width near the basin outlet to supraglacial drainage density

在7月25日與8月25日兩期冰前水系中,大多數(shù)冰前河的河寬位于10～30 m 范圍(圖8)。其中,8月25日的冰前水系新發(fā)育了河寬較窄(10～30 m)的冰前河,河寬位于10～30 m的河流總長(zhǎng)增加了29%。這是由于8月25日的冰面水系密度增大,冰面供給冰前區(qū)域的冰面融水增多;河寬較寬(>30 m)的冰前河保持穩(wěn)定,受冰面水系影響較小,這是由于該區(qū)域的河道為基巖河道,抗侵蝕能力強(qiáng),河道主要通過(guò)增加深度與流速的方式適應(yīng)徑流量增大,因此河流寬度并未發(fā)生較大變化[31]。

圖8 冰前水系河寬分布圖Fig.8.River width histogram of proglacial rivers

4 結(jié)論

研究選用2018年7—8月3期12 景10 m 空間分辨率的Sentinel-2 衛(wèi)星遙感影像,增強(qiáng)河流橫縱剖面特征,提取了西北格陵蘭冰蓋冰面水系與冰前水系,并監(jiān)測(cè)了冰面水系與冰前水系的形態(tài)特征與動(dòng)態(tài)變化。主要研究結(jié)論如下。

1.在2018年消融期內(nèi),冰面融水在西北格陵蘭冰蓋表面形成平行狀冰面水系,冰面水系將冰面融水輸送至冰前區(qū)域,在冰前區(qū)域形成樹(shù)枝狀冰前水系。

2.冰面水系由低高程地區(qū)(<800 m)逐步向高高程地區(qū)(>1 000 m)推進(jìn)。7月25日—8月14日,冰面水系發(fā)育旺盛,冰面水系密度增大。8月14日—8月25日,冰面水系部分凍結(jié),冰面水系密度減小,但冰面水系仍向高高程地區(qū)推進(jìn)。

3.流域出口冰前河河寬與冰面水系密度的變化具有較好的一致性。8月份的冰前水系新發(fā)育了河寬較窄(10～30 m)的冰前河。