黄河源区阿尼玛卿山典型冰川表面高程近期变化

0 引言

冰川是气候变化的敏感指示器[1]，冰川融水是干旱区域河流重要的补给源、 是干旱区域不可或缺的淡水资源[2]。冰川总量的变化研究是评估干旱区域水资源能否满足区域经济发展需求的重要内容[3]。冰川退缩导致西部干旱区域水资源减少逐渐受到人们的关注[4-8]。评估冰川总量的变化时，冰川物质平衡观测是最直接的手段，需要多年连续的观测，然而很难大范围进行。大地测量方法是目前使用较为广泛的方法，近些年，应用光学遥感的立体像对DEM及历史地形图或SRTM DEM的差分方法成功地对世界范围内许多人力难以开展工作的区域冰川多年物质平衡进行了估算[9-11]； 合成孔径雷达干涉测量是获取全球数字高程模型的重要手段，欧洲资源卫星ERS-1/2间隔1天的串行模式在冰面表面高程估计研究中发挥了重要作用[12]，但由于冰川运动导致的干涉相位需要去除[13]，在山区运动较快冰川应用中受到限制。TanDEM-X是德国空间局实施的全球数字高程模型获取计划，双基站模式(bi-static)运行由TerraSAR-X(TSX，2007年发射)及TanDEM-X(TDX，2010年发射)组成，获得的数字高程模型的相对垂直精度在1～2 m[14-16]，能比较精确地用于冰川多年物质平衡估计[17-18]。

阿尼玛卿山是黄河源区冰川分布比较集中的区域，其变化对黄河流域的水资源变化具有重要影响，杨建平等[19]依据历史地形图、 遥感图像对该区域冰川变化及其水资源变化研究发现： 退缩幅度最大的是耶和龙冰川，在1966-2000年的34 a间退缩了1 950 m，冰川退缩使黄河源区年均损失冰川水资源约0.7×108 m3。

催化油浆是催化裂化反应过程的副产品，因原料、工艺条件的差异，各炼厂所产催化油浆的组成和性质也各不相同，但其化学组成具有密度大，稠环芳烃含量高，氢碳原子比低等特点，是一种低附加值的副产品。根据催化油浆的性质，利用其所含优质碳资源的特性，可将其作为原料生产不同需求的新型碳材料和多种化工产品。但催化油浆中包裹的催化剂和焦粉粉末等机械杂质严重影响深加工产品的质量，因此，进一步开发利用催化油浆就必须采取科学合理的方法有效地脱除油浆的催化剂粉末，以满足后续加工单元的需求。

那段时间，陈清经常给我打电话，询问身体反应情况。起先我没有一点生理反应，也没有恶心、嗜酸等早孕反应。幸运的是，手术二十多天后，妊娠反应出现了，而且反应非常强烈。恶心，呕吐，吃下的都被吐了出来，一点胃口都没有。但为了给胎儿增加营养，又不得不吃，这样吃了吐、吐了吃，痛苦不堪。

本文采用TerraSAR-X/TanDEM-X的双基站模式数据干涉测量方法获取阿尼玛卿山区的的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，与SRTM(Shuttle Radar Topographical Mission)DEM进行差分获得该区域冰川表面高程变化，并探讨该区域典型冰川近13 a来的表面高程变化特征，以期获得对该区域冰川变化的进一步认识。

1 研究区域

阿尼玛卿山位于青海省东南部，山体呈北西走向，与区域构造线方向一致，长约120 km，宽约40 km，属昆仑山脉东段，主峰阿尼玛卿峰高6 282 m，是东昆仑的最高所在。该地区受西南季风的影响，降水量比较丰富，是具代表性的半潮湿高寒山地景观区，在阿尼玛卿峰及周围发育有现代冰川40余条[20]，其中哈龙冰川、 唯格勒当雄冰川、 耶和龙冰川是其中3条面积较大的多分支复合型冰川(图1)。因这3条冰川的总面积为50.77 km2，占该区域第二次冰川编目总面积的一半，选择这3条面积超过10 km2的冰川作为典型对象进行分析。

2 数据和方法

差分干涉测量方法及相关技术获取的阿尼玛卿山区的干涉相干图，叠掩，阴影图、 数字高程模型及冰川区高度变化图(像素大小： 10 m)，见图4。TanDEM-X采用双基站串行模式获取数据，TSX/TDX双星以双螺旋形式间隔一定距离同时飞行，不存在时间去相干，大气影响也可以忽略。低相干区域主要受地形坡度的影响。例如使用降轨数据会在阿尼玛卿山东侧产生一些低相干区域，这主要是因为坡度较大且迎着雷达波束产生叠掩所致[图4(a)、 图4(b)]。相干系数低于0.3的区域不参与相位解缠，最终的DEM经过插值，所以无空洞区域，而高程变化的计算剔除了叠掩和阴影区域。

高度模糊数(hambiguity)是干涉测量获取DEM质量衡量的一个重要指标，也是二轨道差分的重要影响因素，其决定因子是垂直基线(B⊥)的长度，根据式(2)计算使用的TSX/TDX数据的平均高度模糊数是50.5 m，垂直基线为182.6 m。对于二轨道差分干涉而言，地形变化值为半波长(0.015 m)，这会在差分干涉条纹上引起一个周期的相位变化。文章中差分干涉使用的DEM为SRTM DEM，会导致异常残地形差相位。对于冰川区域的二轨差分干涉相位的异常地形残差相位，并非完全是相对于SRTM DEM的高程变化值贡献。还包含由于参考DEM的误差导致的残余相位，通常这部分区域是由于SRTM DEM是空值区域插值所导致的，可由DEM和SAR图像参数生成叠掩、 阴影图[图4(b)]对这些不可靠区域予以掩膜。基线误差导致的差分干涉不确定性可作为系统误差，可用非冰川平地区域的点双线性插值面予以整体改正。

hambiguity=λ·r·sinθ/B⊥

图1 阿尼玛卿山区冰川分布 Fig.1 Map showing the distribution of glaciers in the nyêmaqên Mountains and the three representative glaciers

表1 TerraSAR-X/TanDEM-X数据 Table 1 Information of the TerraSAR-X/TanDEM-X data

日期主影像从影像基线/m轨道2013-10-31TSXTDX-182.59降轨

3 结果及分析

图2 差分干涉DEM及高度变化图获取流程 Fig.2 Flowchart showing how to retrieve DEM

图3 非冰川区高程变化 Fig.3 Elevation change in non-glacier region

TanDEM-X/TerraSAR-X双基站数据由德国空间局(DLR)提供，是经过配准的干涉对，基本信息见表1。使用SRTM DEM 30 m作为参考DEM进行差分干涉及数字高程模型提取。其基本流程如图2。

图4 TerraSAR-X/TanDEM-X差分干涉测量方法及相关技术获得的阿尼玛卿山区(a)相干图、(b)叠掩图、 阴影图、 (c)DEM和(d)表面高程变化图 Fig.4 Maps of the nyêmaqên Mountains retrieved from TerraSAR-X/TanDEM-X Differential-InSAR: coherence map (a),layover and shadow map (b), DEM map (c) and surface elevation map (d) with the three glacier main flow lines (F1/2/3)

在非冰川区域出现的表面高程变化残差主要是由于SRTM DEM本身的精度、 基线误差以及SAR图像与DEM配准的误差所致[22-23]。

把获取的典型冰川区域数字高程模型差分栅格图像转换成矢量点数据，在ArcGIS软件中对高程变化值进行统计分析，结果如表2所示。

Δhbaseline=hambiguity/λ·ΔBP=ΔBP/B⊥·s

(1)

调查还发现，弯道在较低一侧的路面开裂比较高一侧严重，如表2所示，且较高一侧的部分裂缝是由较低一侧的裂缝延伸过去形成的，可见，较低一侧的开裂行为对整个路面开裂的影响不容忽视。

(2)

基于20世纪60年代至80年代地形图及航片的中国冰川第一次编目统计发现，阿尼玛卿山发育现代冰川共有61条，面积124.03 km2。 基于2009年ASTER 及Landsat系列遥感图像的2014年完成的第二次冰川编目统计发现该区冰川数量增加到74条，面积减少到102.68 km2[24]。 由于第一次编目采用的数据是航空摄影测量的航片，可能受冬季积雪覆盖的影响而没有把本来独立的冰川分割出来，此外冰川退缩导致多分支复合型冰川演变为独立的小冰川，因此数量增加，但面积减少。选取该区域3条大冰川进行分析发现，第一次冰川编目统计3条大冰川面积为58.7 km2，第二次编目统计该3条大冰川面积为50.77 km2，3条大冰川分别占相应时期冰川面积的一半左右，即3条面积分别超过10 km2的大冰川变化特征与该区域的冰川整体变化特征一致。

因大范围实地观测难以进行，获取的数字高程模型垂直误差评价参考相关文献[15,18]，垂直误差为±2 m，因研究区地形比较复杂，本文选取非冰川区点进行统计，以标准偏差作为误差，即(0.3±3.70) m，见图3； 使用的参考DEM为2000年2月的SRTM C-band DEM，C波段雷达波对雪、 冰的穿透深度比X波段的TerraSAR-X/TanDEM-X(2013年10月31日)要深，根据文献[10]可知，其穿透深度差异约为0.3 m。因2000年2月的SRTM DEM可被近似认为是1999年消融期末的表面高程[21]，所以高程变化值实际上是14 a期间的。因SRTM DEM与合成孔径雷达图像是精确配准的，水平偏移标准偏差小于 0.2像素，约2 m， 因此水平偏移对基于DEM的表面高程差分结果造成的影响可以忽略。

联合会等美国各大评估协会同加拿大评估协会联合起来成立了统一准则特别委员会，紧接着制定了《不动产评估改革》，这是美国以国家政府的名义所颁布的最具权威性的法律文件。自此以后，美国资产评估行业开始走向正轨。

表2 典型冰川平均冰面高程变化 Table 2 Average surface elevation changes of the three representative glaciers

冰川名称数据点数量高程变化/mSd.(标准偏差)唯格勒当雄141 124-4.16±3.7019.03哈龙214 103-8.73±3.7015.05耶和龙185 792-13.00±3.7024.42

根据图4(d)、 图5及表2可知： 与2000年2月的SRTM DEM比较，近13 a来，该区域三条大冰川表面高程整体均有一定程度的下降，西北角的唯格勒当雄冰川整体下降(4.16±3.70) m，末端区域消融比较强烈，2011年7月的实地考察发现，该冰川末端陡峭，末端以上有下陷区段，而距离末端2 km至4 km区段冰面高程有所上升； 哈龙冰川平均下降了(8.73±3.70) m，由末端向上有递减趋势； 相对于2000年表面高程，耶和龙冰川末端往上1 km多区段表面高程明显增加，而该冰川冰舌中部表面高程下降明显。

图5 选择的典型冰川冰面高程沿主流线变化

Fig.5 Variations of the glacier surface elevation profile along the main flow of Weigele Dangxiong Glacier (a), Halong Glacier (b) and Yehelong Glacier (c)

4 讨论

式中：Δhbaseline为基线导致的高程误差(单位，m)； hambiguity为高度模糊数(单位，m)； B⊥为垂直基线(单位，m)； ΔBP为平行基线误差(单位，m)； s为地距(单位，m)； r为斜距(单位，m)； λ为波长(单位，m)； θ为雷达波入射角，(单位，°)。

由图6可知，相对于第一次冰川编目，第二次冰川编目的阿尼玛卿山区冰川边界几乎都退缩了一定距离，耶和龙冰川退幅最大，但耶和龙冰川第二次编目边界相对于2000年的Landsat TM图像显示，末端边界却前进了一定距离。对比图6中三个时期的末端位置，2000年8月26日的Landsat7 TM图像显示，其末端位置比冰川编目(2009年ASTER数据)位置往冰川积累区方向后退500 m左右，而2014年6月6日的Landsat8 TM图像中该冰川末端位置与冰川编目位置相近。表明该冰川在2000年至2009年间发生过跃动现象，这与图5(c)高程变化有相似之处，末端以上500 m左右增加了约 60 m。冰川跃动是冰川对气候变化的复杂响应，哈龙冰川在20世纪60年代可能有过跃动现象[20]，但近十几年表面高程表现出整体的减薄； 唯格勒当雄冰川末端区域消融强烈但冰舌下部高程有所增加，且冰川末端的表碛覆盖范围有所增加，这有可能会导致该冰川的前进。

刘时银等[25]对阿尼玛卿山末次冰盛期以来的气候与冰川波动进行了研究，发现现代冰川的雪线比末次冰盛期的雪线高420 m左右，温度比末次冰盛期高1.9 ℃左右，而且自1966年至2000年，该区域冰川普遍呈加速退缩状态。近13 a表面高程变化表明该区域冰川仍处于整体物质亏损状态，冰川局部区域的前进现象可能是由于气温升高、 冰川底部融水增加所导致的整体滑动。后续工作可收集更多的资料，或结合动力学模型，对该区冰川波动与气候变化进行深入分析。

许诺见过前女友的事，并没有瞒丁小慧，她对许诺的行为挑不出错，却忍不住揣测他们见面聊了什么，他看向她的眼神，是不是一如几年前那样的炽热，只不过是在这样的想象里，丁小慧就伤了心。

5 结论

图6 冰川末端位置变化 Fig.6 Variation of the Yehelong Glacier terminus, compared with outlines from the two Chinese Glacier Inventorys and Lansat TM 2000 image; top right showing the comparison between the outlines from the Second Glacier Inventory and Lansat8 TM 2014 image for Yehelong Glacier

本文使用2013年10月31日的TSX/TDX双基站模式数据的差分干涉方法获得了阿尼玛卿山区的水平像素大小10 m、 相对垂直误差为3.70 m的数字高程模型，使用大地测量方法与2000年的SRTM DEM进行了差分比较，对该区域三条典型大冰川的表面高程变化进行分析，发现该区域典型大冰川整体呈物质亏损状态。耶和龙冰川末端在2000-2009年间发生过前进现象，唯格勒当雄冰川末端附近减薄强烈，表碛覆盖区域有增加趋势，而向积累区方向局部区段表面高程有所上升，未来可能会有局部的前进。已有研究中提及哈龙冰川1966-1981年间可能发生过快速前进，但近13 a来，该冰川整体呈减薄趋势。总体来说，近13 a来阿尼玛卿山区冰川仍处于整体物质亏损状态。

致谢： 感谢DLR的TanDEM-X AO项目(syl_cas_XTI_LAND6642，ahsszqb_NTI_BIST3395)提供的TerraSAR-X/TanDEM-X数据； 感谢地理空间数据云平台提供的Landsat图像。

参考文献(References)：

[1] Harrison W D. How do glaciers respond to climate? Perspectives from the simplest models[J]. Journal of Glaciology, 2013, 59(217): 949-960.

[2] Riedel J L, Wilson S, Baccus W, et al. Glacier status and contribution to streamflow in the Olympic Mountains, Washington, USA[J]. Journal of Glaciology, 2015, 61(225): 8-16.

[3] Ding Yongjian, Mu Mu, Zhang Jianyun, et al. Impacts of climate change on the environment, economy, and society of China[M]//Climate and environmental change in China: 1951-2012. Berlin, Heidelberg: Springer, 2016: 69-92.

[4] Ren Binghui. Existing glacier fluctuation and its relation to the climatical changes in China[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 1988, 10(3): 244-249. [任炳辉. 我国现代冰川变化及其与气候变化的关系[J]. 冰川冻土, 1998, 10(3): 244-249.]

[5] Li Zhongqin, Li Kaiming, Wang Lin. Study on recent glacier changes and their impact on water resources in Xinjiang, northwestern China[J]. Quaternary Sciences, 2010, 30(1): 96-106. [李忠勤, 李开明, 王林. 新疆冰川近期变化及其对水资源的影响研究[J]. 第四纪研究, 2010, 30(1): 96-106.]

[6] Pu Hongzheng, Han Tianding, Li Xiangying, et al. Characteristics of the altitude-dependent mass balance and their impact on runoff of the Glacier No.1 at the headwaters of the Ürümqi River, Tianshan Mountains[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2014, 36(5): 1251-1259. [蒲红铮, 韩添丁, 李向应, 等. 天山乌鲁木齐河源1号冰川物质平衡高度变化特征及其对径流的影响[J]. 冰川冻土, 2014, 36(5): 1251-1259.]

[7] Yang Yuan, Yang Jianping, Li Man, et al. Public perception and selections of adaptation measures against glacier change and its impacts: taking the Hexi inland river basin as an example[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2015, 37(1): 70-79. [杨圆, 杨建平, 李曼, 等. 冰川变化及其影响的公众感知与适应措施分析: 以甘肃河西内陆河流域为例[J]. 冰川冻土, 2015, 37(1): 70-79.]

[8] Fan Xiaobing, Yan Lili, Xu Jinghua, et al. Analysis of glacier change in Manas River basin in the last 50 years based on multi-source data[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2015, 37(5): 1188-1198. [樊晓兵, 彦立利, 徐京华, 等. 基于多源数据的近50 a玛纳斯河流域冰川变化分析[J]. 冰川冻土, 2015, 37(5): 1188-1198.]

[9] Wei Junfeng, Liu Shiyin, Guo Wanqin, et al. Changes in glacier volume in the north bank of the Bangong Co Basin from 1968 to 2007 based on historical topographic maps, SRTM, and ASTER stereo images[J]. Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 2015, 47(2): 301-311.

[10] Pieczonka T, Bolch T, Wei Junfeng, et al. Heterogeneous mass loss of glaciers in the Aksu-Tarim Catchment (Central Tien Shan) revealed by 1976 KH-9 Hexagon and 2009 SPOT-5 stereo imagery[J]. Remote Sensing of Environment, 2013, 130: 233-244.

[11] Wang Puyu, Li Zhongqin, Wang Wenbin, et al. Changes of six selected glaciers in the Tomor region, Tian Shan, Central Asia, over the past 50 years, using high-resolution remote sensing images and field surveying[J]. Quaternary International, 2013, 311: 123-131.

[12] Kwok R, Fahnestock M A. Ice sheet motion and topography from radar interferometry[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1996, 34(1): 189-200.

[13] Wan Lei, Zhou Chunxia, E Dongchen, et al. Dem generation and precision analysis of antarctic ice sheet based on InSAR and ICESat data[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2015, 37(5): 1160-1167. [万雷, 周春霞, 鄂栋臣, 等. 基于InSAR和ICESat的南极冰盖地区DEM提取和精度分析[J]. 冰川冻土, 2015, 37(5): 1160-1167.]

[14] Rizzoli P, Bräutigam B, Kraus T, et al. Relative height error analysis of TanDEM-X elevation data[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2012, 73: 30-38.

[15] Gruber A, Wessel B, Huber M, et al. Operational TanDEM-X DEM calibration and first validation results[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2012, 73: 39-49.

[16] Eldhuset K, Weydahl D J. Using stereo SAR and InSAR by combining the COSMO-SkyMed and the TanDEM-X mission satellites for estimation of absolute height[J]. International Journal of Remote Sensing, 2013, 34(23): 8463-8474.

[17] Rankl M, Braun M. Glacier elevation and mass changes over the central Karakoram region estimated from TanDEM-X and SRTM/X-SAR digital elevation models[J]. Annals of Glaciology, 2016, 57(71): 273-281.

[18] Neckel N, Braun A, Kropcek J, et al. Recent mass balance of the Purogangri Ice Cap, central Tibetan Plateau, by means of differential X-band SAR interferometry[J]. The Cryosphere, 2013, 7(5): 1623.

[19] Yang Jianping, Ding Yongjian, Liu Shiyin, et al. Glacier change and its effect on surface runoff in the source regions of Yangtze and Yellow rivers[J]. Journal of Natural Resources, 2003, 18(5): 595-602. [杨建平, 丁永建, 刘时银, 等. 长江黄河源区冰川变化及其对河川径流的影响[J]. 自然资源学报, 2003, 18(5): 595-602.]

[20] Wang Jingtai. Climatic geomorphology of the Anyêmaqên Mountains[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 1988, 10(2): 161-171. [王靖泰. 阿尼玛卿山气候地貌[J]. 冰川冻土, 1988, 10(2): 161-171.]

[21] Gardelle J, Berthier E, Arnaud Y. Slight mass gain of Karakoram glaciers in the early twenty-first century[J]. Nature Geoscience, 2012, 5(5): 322.

[22] Pipaud I, Loibl D, Lehmkuhl F. Evaluation of TanDEM-X elevation data for geomorphological mapping and interpretation in high mountain environments: a case study from SE Tibet, China[J]. Geomorphology, 2015, 246: 232-254.

[23] Avtar R, Yunus A P, Kraines S, et al. Evaluation of DEM generation based on interferometric SAR using TanDEM-X data in Tokyo[J]. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 2015, 83: 166-177.

[24] Guo Wanqin, Liu Shiyin, Xu Junli, et al. The second Chinese glacier inventory: data, methods and results[J]. Journal of Glaciology, 2015, 61(226): 357-372.

[25] Liu Shiyin, Lu Anxin, Ding Yongjian, et al. Glacier fluctuations and the inferred climate changes in the nyêmaqên Mountains in the source area of the Yellow River[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2002, 24(6): 701-707. [刘时银, 鲁安新, 丁永建, 等. 黄河上游阿尼玛卿山区冰川波动与气候变化[J]. 冰川冻土, 2002, 24(6): 701-707.]