【编辑推荐】羌塘高原极大陆型冰川厚度分布模拟与冰储量估算

科技   2024-08-22 17:53   甘肃  


位于青藏高原腹地的羌塘高原,被誉为“亚洲水塔”。这里的冰川变化直接关系到中国乃至周边国家的水资源安全。然而,全球变暖的影响下,这片古老的冰川正在发生剧烈的变化。
青海理工学院梁鹏斌等研究人员基于我国西部31条冰川实测探地雷达厚度数据,对GlabTop2冰厚模型进行参数校正和优化,模拟了羌塘高原冰川厚度分布并评估冰川水资源总量。

数据与方法

(1)GPR数据。本文共使用31条有厚度观测资料的冰川数据。

31条厚度监测冰川的地理位置分布

(2)ASTER(the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)Level 1A(AST_L1A)数据。


GlabTop2模型模拟的31条冰川厚度空间分布


GlabTop2模型是在GlabTop模型基础上开发的。相比GlabTop模型,GlabTop2模型有2个主要变化:不再使用冰川中流线,表面坡度也不是沿冰川中流线估算,而是采用一定缓冲区内所有冰川网格的平均表面坡度。使用GlabTop2模拟冰厚分布,需要校正的参数包括τ、f、hmin(缓冲区内最小高程差)、r(随机网格与冰川边缘网格的比值)和n(模拟次数)。GlabTop2模型的不确定性取决于模型结构的不确定性和模型的参数化方案。考虑到GlabTop2模型在其他区域取得的良好效果,本文并未考虑模型结构的不确定性,仅考虑了模型参数化的不确定性。

结果与分析

利用31条冰川GPR厚度数据对GlabTop2模型参数进行校正和优化,得到基于这些最优参数模拟得到的31条冰川厚度分布。

 GlabTop2模型模拟的31条冰川厚度空间分布


对31条校正冰川的形状因子f进行平均,作为羌塘高原冰川的形状因子,利用GlabTop2模型模拟羌塘高原冰川厚度分布并进行储量估算。得到基于GlabTop2模型模拟得到的羌塘高原冰川厚度空间分布。总体上,羌塘高原冰川厚度在0(冰川边界)到463.9 m之间,最大冰川厚度集中在冰川表面相对平坦区域,冰川末端和较高海拔的陡峭地形区冰川厚度较薄。羌塘高原不同区域/山系和海拔带之间冰川储量分布不均,差异显著,冰川储量集中在小型冰帽,山谷冰川储量相对匮乏。

基于GlabTop2模型的羌塘高原冰川厚度空间分布



 基于GlabTop2模型的羌塘高原冰川厚度与体积分布特征


为了评估GlabTop2冰厚模型的性能,对比31条校正冰川实测与模型模拟平均厚度后发现,GlabTop2模型模拟的冰川平均厚度与实测平均厚度较为接近,二者相关性为0.87,均方根误差(RMSE)为18.2 m。大部分冰川模拟厚度与实测厚度十分接近,个别冰川的模拟值和实测值差异较大。

31条冰川实测与GlabTop2模型模拟的平均冰川厚度对比


为了进一步评估模型模拟得到的冰川底部基岩地形是否接近实际,分别沿着冰川表面提取1条横剖面和1条纵剖面。下图是基于GlabTop2模型得到的31条校正冰川剖面基岩地形、实测底部剖面基岩地形和表面高程分布。总体而言,绝大多数冰川模拟得到的剖面基岩地形和GPR实测剖面基岩地形比较吻合。

GlabTop2模型模拟的冰川剖面形状与GPR实测结果对比


通过对比GlabTop2模型模拟的31条冰川中流线剖面与实测中流线剖面(七一冰川和水管河3号冰川在中流线处无GPR测点,无法验证模拟结果是否符合实际,故这2条冰川不参与验证),总体来看,GlabTop2模型模拟的中流线剖面和实测中流线剖面十分匹配,部分区域存在微小差异,模型性能整体表现良好。

 GlabTop2模型模拟的冰川中流线形状与GPR实测结果对比

敏感性分析

GlabTop2模型敏感性分析

结 论

(1)GlabTop2模型模拟的冰川剖面和中流线基岩形状与实测匹配度较好,模拟冰川中流线基岩地形形状的能力优于剖面基岩形状。整体上,模拟与实测厚度相关性为0.87,RMSE为18.2 m,GlabTop2模型对冰川厚度的高估和低估分别为9%和-17%,均在可接受的误差范围内。
(2)羌塘高原不同区域/山系/海拔带之间冰川储量分布不均,冰川水资源稀少。GlabTop2模型估算得到2022年羌塘高原冰川储量为(177.6±26.6)km3平均冰川厚度为(88.2±12.3) m。冰川储量集中分布在5 600~6 200 m,为(148.28±22.24)km3其余高程带冰川储量分布相对较少。精确的冰川厚度分布与体积估算有助于应对羌塘高原气候变化及其带来的多种挑战,如未来冰川动态演变、区域水文变化预估、生态系统稳定性维系及自然灾害预防等。

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《地球科学进展》是由中国科学院西北生态环境资源研究院和国家自然科学基金委员会地球科学部联合主办的综合性、学术性刊物,主编傅伯杰院士。期刊多年被国家科技部评为中国精品科技期刊,2023年入选中国地学领域高质量科技分级目录T1区,被《中文核心期刊要目总览》《中国科学引文数据库核心版》(CSCD)、Scopus、GEOBASE、EBSCO、美国化学文摘(CA)等国内外重要数据库收录。发文领域涉及:地质科学、大气科学、海洋科学、地理科学、环境科学、地球化学、地球物理学和空间科学等。


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