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“问诊”冰川——浅谈冰川的观测
简介:
冰川作为全球气候系统的重要组成部分，由于其高度的温度敏感性，故可以最直观的反应气候变化。在中国西部巍峨绵延的群山之间分布着近5万条冰川，是全球中纬度地区最大、最集中的冰川群。这些远在山巅之上的冰川变化是如何被观测到的呢？ 日益加剧...
冰川作为全球气候系统的重要组成部分，由于其高度的温度敏感性，故可以最直观的反应气候变化。在中国西部巍峨绵延的群山之间分布着近5万条冰川，是全球中纬度地区最大、最集中的冰川群。这些远在山巅之上的冰川变化是如何被观测到的呢？
日益加剧的全球气候变暖，让人们一次次地在新闻中听到“冰川”这个曾经陌生的名词。随着中国经济的飞速发展，喜欢探险的游客人数也与日俱增，近距离一览冰川鬼斧神工般的神奇面 貌成为越来越多游客的心之所向。人们除了在壮丽的冰川面前大受震撼外，还能直观感受到冰川不断融化的现状。人们也愈来愈关心这些冰川的命运。有些小伙伴还会好奇，这些远在山巅之上的冰川变化是如何被观测的呢？
作为一名常年奔走在冰川上，与冰川相伴、认识冰川、了解冰川、保护冰川的冰川人，笔者 认为冰川的观测属于一项系统工程，需要综合使用不同的方法，扬长避短，更需要观测者的坚持，甚至是面对大自然时无畏的勇气。这些方法主要包括历史记录法、摄影法、地面测量法、物质平衡观测法、航空及无人机摄影测量法和卫星遥感技术。它们各有优劣，在冰川研究中发挥着重大的作用。
查阅历史记录可以追溯到较早的冰川变化，这些记录既可以是文献，也可以是摄影照片。中 国有着约5000年悠久的历史和灿烂的文化，贯穿东西方的“丝绸之路”上就有不少路线途经冰川。从古至今，无数的商人、僧侣和军人等无不对冰川有着深刻的印象，他们留下的文献记录浩如烟海。如根据唐朝著名高僧玄奘真实经历撰写的《大慈恩寺三藏法师传》，是迄今为止关于冰川最早的记录之一。这本书由他的弟子慧立所著，书中对中国慕士塔格地区的冰川作了极为生动的描述，“其山险削，峻极于天，自开辟以来，冰雪所聚， 积而为凌，春夏不解，凝冱汗漫，与天连属，仰之皑然，莫睹其际，其凌峰摧落，横路侧者，或高百尺，或广数百丈”。
根据历史文献记录研究冰川，只需要从中提取关键的地理坐标信息，再与现代冰川位置对比后并进行测量，就可以很容易地得出冰川在一段时间内的变化。如19世纪初，清朝地理学家徐松撰著的《西域水道记》一书记录到，木扎尔特冰川末端“西行里许至塔木格塔什军台”。而根据1970年版的地形图测算，该冰川当时的末端距离塔木格塔什约为1.5千米。这说明从1816年至1970年约150年间，木扎尔特冰川的平均年退缩速度约为6.6米。
历史记录法虽然有着上述优点，但相关文献较少，而且文献中多为对冰川笼统的描述，极少 有对冰川准确位置信息的记录。因此，这种方法对于整理分析历史文献，寻找和提取冰川位置信息有着较大的挑战。
摄影法与历史记录法类似，也是冰川观测早期的传统方法。其优点是可以形象地了解在两次 摄影期间，冰川末端相当大范围内的形态变化，但必须注意摄影位置和角度应与前一次保持一致照片。如1921年，著名的英国登山家乔治·马洛里（George Mallory）拍摄了一张珍贵的珠峰北坡的绒布冰川照片；2007年，美国摄影师大卫·布里薛斯（David Breashears）特意找到了与马洛里当年大致一样的位置和角度，重新拍摄了一张照片，由此可判断绒布冰川在80多年间的变化情况。随着现在登山活动的普及，野外摄影很普遍，如果冰川观测者与登山爱好者合作，可以通过这个途径获得大量珍贵的野外资料。
1921年（上）与2007年（下）的绒布冰川对比图（图片来自网络）
也有部分研究者开始大量使用自动相机观测冰川。这种方法常见于动物学、生态学及环境相 关专业的研究，自动相机可以在任何光照条件下，以广角获得高品质的图片或是录像。例如，科研人员将相机和三脚架固定在冰川前的某个位置，对相机参数进行设置后，便可定期拍摄冰川，然后通过卫星信号将照片和视频传输到研究人员的电脑或网页上，极大地扩展了野外观测的手段。
研究人员在架设自动相机
应用大地测量和地面立体摄影测量可以得到整个冰川的规模及形态变化的准确数据。这种方 法适合于针对某些重点区域，对冰川区提取大比例尺地形图和确切的冰川规模的变化资料。一些重点监测冰川在不同时期的大比例尺地形图或数字高程模型（即地形表面形态的数字化表达）都是通过这种方式获得的，如2021年对珠峰地区使用的地面三维激光扫描仪测绘，测程长达6000米，通过采用近红外波段，很好地获取了数据。该方法能够提供高解析度和高精度的冰川区数字高程模型，实现基于地面三维激光扫描的大地测量，从而计算出冰川体积变化。
对珠峰东绒布冰川进行3D激光扫描
地面测量法存在的问题是专业性较强、测量及成图比较复杂、费用较高且无法对冰川地区进行大面积的作业。另外，对于一些地面起伏较大的冰川，如在喜马拉雅山脉分布较多的冰塔林（冰塔林曾经是冰川的一部分，因为消融强烈与冰川主体分离，多出现在中低纬度的冰川地区）中，该方法的激光信号容易被地形阻挡，很难获得冰川内部的准确信息。
物质平衡是指单位时间内冰川上以固态降水形式为主的物质收入（积累）和以冰川消融为主的物质支出（消融）的代数和。这种方法是直接在冰川上布设测点，进行系统的定期观测，然后根据各测点的测量结果计算出整个冰川在全年或某一时段的物质平衡。物质平衡观测侧重的是冰川本身高程的变化，而不仅仅是面积的变化。由于冰川在不同位置的厚度差异较大，物质平衡观测在传统观测手段中是最为精确的一种方法。
由于冰川上遍布危险的裂隙和陡坡，冬季还有雪崩的危险，物质平衡观测方式对于野外观测 人员来说较为辛苦和危险。研究人员每年夏天在观测的同时，需要使用专门的仪器如蒸汽钻对插在冰川上的花杆重新进行扦插。在消融特别强烈的冰川下部区域，年纯冰消融深度可达10米多，如果错过夏天对花杆的维护，花杆可能会因为冰川消融而倾倒，这意味着一整年的数据就此缺失。因此，冰川的物质平衡观测需要每年不止一次地观测和维护，野外工作量极为艰巨且危险。部分观测站还需要有人员整个夏季都驻守，他们不但要忍受恶劣的天气条件和强烈的高原反应，还经常要面对来自野生动物的威胁。是的，冰川上也有野生动物。我们在中国科学院唐古拉冰冻圈与环境观测研究站工作的同事比较烦恼的是，在夏季，一到晚上就有棕熊跑到站上，闯进室内四处翻找一番后扬长而去。这也从一个侧面说明我们的环境保护卓有成效，棕熊的数量变多了。
研究人员对唐古拉山大冬克玛底冰川进行物质平衡观测
遗憾的是，这种方法无法应用到冰川表碛较为发育的冰川，因为冰川表面都是大石头，花杆 插不进去，如珠峰的绒布冰川。同时，由于冰川不同海拔和坡向的积累和消融差异很大，物质平衡观测需要在冰川上合理布 设较多的测点，所以此方法只适合于中小型冰川。
由于上述原因，全球能够坚持长时间且持续开展物质平衡观测的冰川少之又少，在中国，有连续10年以上持续观测记录的冰川不超过10条。不少冰川物质平衡观测项目在持续几年后，往往因为后续资助中断等原因而被废弃。现今，在中国西部，仅有数个野外观测站的科研坚守者持续记录着冰川的变化，如天山的乌鲁木齐河源1号冰川、祁连山的老虎沟12号冰川和唐古拉山的冬克玛底冰川等。这里让我们向他们致以最崇高的敬意。
祁连山冰川观测站
航空摄影测量指的是在飞机上用航摄仪器对地面连续拍摄照片，结合地面控制点测量、调绘 和立体测绘等步骤，绘制出地形图的作业。20世纪90年代，中国学者曾成功地将此方法应用在天山山脉等几个代表性流域的测量中。但是，冰川区的海拔很高，气流不稳定，会对航拍飞机造成很大的影响。2022年，在第二次青藏科考的“巅峰使命2022”珠峰科考期间，科考队曾尝试使用直升机对海拔6500米处的前进营地投放人员和物资，但即便是天气晴朗的时候，由于高海拔的大气湍流，飞机始终无法降落。
直升机在东绒布冰川垭口盘旋，由于高海拔大气湍流的影响，飞机始终无法降落
近几年，随着无人机摄影测量技术的发展，研究人员开始使用无人机观测冰川。无人机摄影 测量是指无人机搭载实时动态差分（RTK）平台，同时使用无人机搭载云台的镜头生成正射影像，也可以通过调整云台角度达到倾斜摄影测量的效果。对比航拍观测，它具有成本小、精度高和使用灵活的优势。无人机摄影测量的准确性在于对海拔高度的准确定位，在这方面国产无人机走在了全球前列，如大疆精灵4RTK无人机的垂直分辨率高达0.1米。同时，由于电池技术的迅速提升，大大延长了无人机每次升空的作业时间。在“巅峰使命2022”珠峰科考中，无人机摄影测量大放异彩，以笔者为主的科考小组使用无人机克服了珠峰地区低温和大风等严酷的气象条件，成功获取了大量珍贵的中绒布冰川和东绒布冰川的观测数据，生成了国内第一个珠峰绒布冰川3D模型， 为珠峰地区冰川变化的研究奠定了扎实的数据基础。目前，基于无人机摄影测量技术的观测方法，已逐渐成为观测冰川变化的主流手段。
在绒布冰川垭口开展无人机观测
目前，卫星遥感技术已经深入和普及到地球科学的各个领域。遥感影像的应用已成为冰川研 究的主要技术手段之一。21世纪10年代开展的中国冰川第二次编目工作就是通过遥感影像来完成的。遥感技术的优点在于可以获得大范围的冰川分布和变化的信息；监测的精度可达1米以内，卫星可以在一定的时间间隔范围内，重复扫描获取冰川面积的变化情况。目前，全球常用于冰川变化研究的高分辨率卫星有ASTER、IKONOS、QuickBird、GeoEye、WolrdView 和资源三号等。
部分卫星甚至可以在校准后进行冰川物质平衡的观测，较为有名的卫星是由美国国家航空航 天局（NASA）于2003年发射的“冰、云和陆地高程卫星”（ICESat）。它是全球首颗对地观测 激光测高卫星，主要任务是测量南北两极的冰盖高度和海冰变化。2018年9月15日，NASA发射了第二代对地观测激光雷达卫星ICESat-2。与上一代相比，新卫星采用了量身定制的光子计数激光雷达探测系统，也就是人们常说的单光子激光雷达，一举步入光量子探测时代，让我们可以更加精确且高效地观测极地冰盖变化和全球海平面上升等全球气候变化现象。
冰岛“Ok”冰川近30年遥感影像对比（ NASA Earth Observatory 供图）
重力恢复与气候实验卫星（GRACE）是观测冰川的另一颗重要的卫星，由NASA和德国宇航 中心（DLR）联合研制，于2002年3月17日发射。由于激光雷达技术只能测量冰的表面特征，甚至一些人工操作的地面雷达也仅仅能够获得冰层间特征，都无法测出冰下水量等特征，而GRACE卫星可以利用水比岩石质量轻且具有较低的引力特征，从而揭示并估算冰下水量等特征。同时，GRACE等重力卫星数据还可以对同一地区进行重复观测，求得重力异常差异，通过积分法可以直接获取该区域冰雪物质平衡数据。
可以说，卫星遥感技术为人类认知地球打开了一扇崭新的窗户。但是这扇窗户并不是万能 的，卫星遥感技术仍然存在着较大的误差，如ICESat卫星在山地冰川测量方面并不“友好”， 而GRACE卫星的图像分辨率极低，仅为300千米。因此，对于冰川变化的观测仍需结合传统的台站观测和无人机摄影测绘等野外实地观测进行校准。
全球冰川正在经历快速而剧烈的变化，过去50年间，随着气候变暖的加剧，我国青藏高原的冰川也随之加速退缩，储量减少了约15%，面积由近5.3万平方千米缩减为4.5万平方千米左右。其中，喜马拉雅山、横断山、念青唐古拉山和祁连山的冰川面积缩小了20%～30%。
冰川作为全球气候系统的重要组成部分，由于其对温度的敏感性可以最直观地反映出气候变化，故对于冰川的诊断需要持续且更加精确的观测。另一方面，现有的冰川观测向我们展示了一个残酷的结果，即随着气候变暖的加剧，冰川正在逐渐消亡。这对于每一位目睹该过程的冰川观测者而言都是一种痛苦的煎熬。
2019年，地处北欧的冰岛为一条冰川举行了一场独特的葬礼，以纪念该国一条叫作“Ok”的冰川的消亡。本文谨将“Ok”冰川的墓志铭作为结尾：“在接下来的200年里，我们所有的冰川都将遵循同样的灭亡之路，这座纪念碑是为了承认我们知道正在发生的事情和需要做的事情。只 有你知道我们做了什么。”
