李志杰， 王寧練，3， 侯?yuàn)檴?/p>

（1.陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710127； 2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地表系統(tǒng)與災(zāi)害研究院，陜西西安 710127； 3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101）

0 引言

躍動(dòng)冰川指周期性發(fā)生快速運(yùn)動(dòng)的冰川，當(dāng)冰川發(fā)生躍動(dòng)時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到平時(shí)的數(shù)倍乃至上百倍，進(jìn)而引起冰川物質(zhì)的快速轉(zhuǎn)移和重新分布［1-2］。盡管躍動(dòng)冰川數(shù)量?jī)H占全球冰川的約1%，但其重要影響卻不可忽視［3］。一方面，探究冰川發(fā)生躍動(dòng)的原因機(jī)制有助于拓展當(dāng)前對(duì)于冰川變化的認(rèn)識(shí)；另一方面，監(jiān)測(cè)躍動(dòng)冰川可為防災(zāi)減災(zāi)提供重要支撐［4］。冰川躍動(dòng)可能直接導(dǎo)致冰湖潰決洪水、冰川融水泥石流、高山堰塞湖等一系列自然災(zāi)害，對(duì)下游地區(qū)產(chǎn)生重大威脅［5］。例如，2015 年5 月新疆公格爾九別峰北坡的克拉牙依拉克冰川發(fā)生躍動(dòng)，造成部分草場(chǎng)和房屋被冰體淹沒(méi)沖毀［6］。因此，關(guān)注和監(jiān)測(cè)躍動(dòng)冰川具有十分重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)“帕米爾-喀喇昆侖異?！爆F(xiàn)象受到了廣泛關(guān)注，多項(xiàng)研究表明自1970s 以來(lái)，帕米爾、喀喇昆侖、西昆侖等地區(qū)的冰川接近或處于正平衡狀態(tài)，基本保持穩(wěn)定甚至有擴(kuò)張現(xiàn)象［7-9］。躍動(dòng)冰川的大量存在是“帕米爾-喀喇昆侖異常”現(xiàn)象的突出特征，由此蘊(yùn)含的冰川災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增大［4］。帕米爾躍動(dòng)冰川主要分布在高原西北部和東部，Goerlich 等［10］利用多源DEM 和Landsat 影像對(duì)帕米爾躍動(dòng)冰川進(jìn)行了編目，認(rèn)為該地區(qū)有多達(dá)186 條冰川發(fā)生過(guò)躍動(dòng)現(xiàn)象，其中也包括本研究中的North Kyzkurgan冰川，但Goerlich等未深入分析這些冰川的躍動(dòng)過(guò)程，其編目結(jié)果也存在一定的不確定性。Kotlyakov 等［11］利用多源影像和實(shí)地調(diào)查資料對(duì)西帕米爾冰川進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)1960—2003 年有19 條冰川發(fā)生躍動(dòng)。Lü 等［12］利用Landsat ETM+/OLI、ASTER 影像對(duì)東帕米爾昆蓋山冰川進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)1999—2016 年有9 條冰川發(fā)生躍動(dòng)。此外，Wendt等［13］、張震等［14］還分別報(bào)道了Fedchenko 冰川的Bivachny 支冰川、昆蓋山5Y663L0023 冰川的躍動(dòng)現(xiàn)象，深入分析了冰川躍動(dòng)的過(guò)程與機(jī)理。關(guān)于2015年5 月的東帕米爾克拉牙依拉克冰川躍動(dòng)事件，Shangguan 等［15］、張震等［6］、馮力力等［16］分別進(jìn)行了報(bào)道。因此在總體上，當(dāng)前對(duì)于帕米爾躍動(dòng)冰川的認(rèn)識(shí)多集中在局部區(qū)域或特定冰川，而對(duì)多數(shù)躍動(dòng)冰川缺乏深入研究，對(duì)其躍動(dòng)時(shí)間、過(guò)程、周期以及最新的動(dòng)態(tài)變化等尚缺乏基本了解。

躍動(dòng)冰川具有明顯的表面特征，如末端在數(shù)月或數(shù)年內(nèi)突然前進(jìn)、冰面裂隙發(fā)育和破碎化、積蓄區(qū)和接收區(qū)高程的劇烈波動(dòng)、冰流速突然加快至平時(shí)的數(shù)倍到數(shù)十倍等，通過(guò)這些特征可有效的識(shí)別和監(jiān)測(cè)躍動(dòng)冰川［1，17］。遙感和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，為山地冰川的監(jiān)測(cè)研究提供了有效的技術(shù)手段。通過(guò)多源遙感影像和DEM 等對(duì)山地冰川開展聯(lián)合監(jiān)測(cè)，可有效識(shí)別出冰川躍動(dòng)導(dǎo)致的面積、高程、流速變化［18］。本文以帕米爾中部近50 年來(lái)面積、高程、流速變化極為顯著的North Kyzkurgan 冰川為研究對(duì)象，利用1973 年以來(lái)的Landsat 影像、ASTER立體像對(duì)和ITS_LIVE 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，揭示了該冰川的完整躍動(dòng)發(fā)生過(guò)程，并對(duì)躍動(dòng)周期、躍動(dòng)原因等進(jìn)行了探討，以深化對(duì)于帕米爾躍動(dòng)冰川的認(rèn)識(shí)。

1 研究區(qū)概況

帕米爾高原指位于高亞洲西部，阿賴山以南，興都庫(kù)什山以北的廣闊高原山地，面積超過(guò)12×104km2（圖1）。帕米爾高原地形高峻，西部發(fā)育了一系列呈西南—東北走向的平行山脈和山間河谷，使得濕潤(rùn)的西風(fēng)氣流可以順坡爬升，帶來(lái)豐富的降水，因此發(fā)育了面積廣闊的山地冰川［19］。North Kyzkurgan 冰川（G072447E38852N）位于帕米爾高原中部，是一條典型的復(fù)式山谷冰川，末端有少量表磧覆蓋。 2020 年時(shí)冰川面積為（26.27±0.50）km2，最大長(zhǎng)度約9.4 km，平均高程4 960 m，平均坡度約16°。若以雪線高度（4 700 m）劃分［20］，該冰川的積累區(qū)面積比率超過(guò)0.8，冰川作用正差約1 000 m。Fedchenko氣象站位于研究冰川以西約20 km，該站的觀測(cè)資料表明1935—1990 年該地區(qū)年均氣溫約為-6.9 ℃，年均降水量約為1 200 mm且以降雪為主，極低的氣溫和豐富的降雪為該冰川提供了充足的物質(zhì)補(bǔ)給。

圖1 North Kyzkurgan冰川的地理位置Fig. 1 Geographic location of the North Kyzkurgan Glacier

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1 遙感影像

本研究使用了1973—2020 年的20 景Landsat MSSTMETM+OLI 影像，這些影像均為L(zhǎng)1T 級(jí)產(chǎn)品，由USGS（United States Geological Survey）進(jìn)行了系統(tǒng)輻射校正和幾何校正，并結(jié)合DEM 進(jìn)行了地形校正（表1）。由于Landsat 系列影像有相當(dāng)高的正射校正精度，達(dá)到1/2 像元左右，因此本研究直接利用Landsat 影像開展冰川變化研究［17，21］。本研究還選用了獲取于2002 年、2009 年、2014 年、2020年的4 對(duì)ASTER 立體像對(duì)，以提取不同時(shí)期的DEM，探究冰川躍動(dòng)前、躍動(dòng)中和躍動(dòng)后的表面高程變化（表1）。為避免季節(jié)性積雪、云、山地陰影的影響，本研究盡可能選取了消融季末期，冰川區(qū)無(wú)云、陰影覆蓋的影像。Landsat 影像來(lái)源于USGS（http：//glovis. usgs. gov），ASTER 立體像對(duì)來(lái)源于NASA（https：//search.earthdata.nasa.gov/）。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列表Table 1 List of the satellite data used in this study

2.1.2 冰川流速數(shù)據(jù)

ITS_LIVE（Inter-mission time series of land ice velocity and elevation）產(chǎn)品包含了1985—2018 年高亞洲主要冰川的流速數(shù)據(jù)，來(lái)源于NASA 的MEa-SUREs 項(xiàng)目（https：//its-live. jpl. nasa. gov/）。該產(chǎn)品基于Landsat 4、5（1～4 波段）和7、8（全色波段）影像，采用Gardner 等［22］提出的自動(dòng)裂縫特征跟蹤處理鏈方法，通過(guò)進(jìn)行局部歸一化、過(guò)采樣、特征跟蹤等提取冰川運(yùn)動(dòng)速度。該數(shù)據(jù)具有良好的魯棒性，減少了因圖像匹配、冰川躍動(dòng)等因素引起的誤差，由于Landsat 8 空間分辨率和波譜分辨率的提高，2013 年以后該產(chǎn)品的誤差顯著降低，數(shù)據(jù)質(zhì)量得到進(jìn)一步提升［23-24］。ITS_LIVE 產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于高亞洲冰川運(yùn)動(dòng)的相關(guān)研究中，充分驗(yàn)證了其可靠性和準(zhǔn)確性［24-25］。本研究中選用了2000—2018 年的單年流速及誤差數(shù)據(jù)，空間分辨率為240 m，數(shù)據(jù)版本為最新的V01。

2.1.3 氣象數(shù)據(jù)

本研究使用了塔吉克斯坦Fedchenko 氣象站1935—1990 年的氣溫和降水觀測(cè)數(shù)據(jù)（https：//nsidc. org/data/G02174），該氣象站位于Fedchenko冰川中游海拔4 179 m 處（38.83° N，72.22° E），距North Kyzkurgan冰川中心僅約20 km（圖1）。

2.2 方法

2.2.1 冰川邊界解譯

本研究采用目視解譯方法提取冰川邊界。由于North Kyzkurgan 冰川末端僅存在少量表磧，因此本研究直接在Landsat假彩色合成影像中，根據(jù)冰川區(qū)與非冰川區(qū)顯著的色彩差異進(jìn)行冰川邊界的數(shù)字化［26-27］。在實(shí)際解譯過(guò)程中，本研究首先完成2020 年的冰川邊界提取，在此基礎(chǔ)上結(jié)合其他年份的Landsat 影像，保持冰川上部積累區(qū)不變，只修改冰川末端發(fā)生變化的部分，從而獲取其他年份的冰川邊界。

2.2.2 DEM空間匹配

本研究基于ENVI 軟件中的“DEM Extraction”模塊利用ASTER 立體像對(duì)提取DEM。我們采用相對(duì)定向法提取DEM，在每對(duì)立體像對(duì)中自動(dòng)生成連接點(diǎn)并進(jìn)行修正，確保每對(duì)影像中連接點(diǎn)不少于80個(gè)且均勻分布，最終連接點(diǎn)的Y方向最大視差控制在一個(gè)像元以內(nèi)［28］。為保證DEM 提取的精度，將提取的ASTER DEM 空間分辨率設(shè)置為30 m 并全部投影到WGS84 UTM zone 43 N坐標(biāo)系下。

我們采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)DEM 空間匹配誤差進(jìn)行校正，但多源DEM 之間的高程差是數(shù)據(jù)匹配偏差與冰川變化共同作用的結(jié)果，因此在非冰川區(qū)開展校正工作以排除冰川變化的影響。本研究基于DEM 的空間匹配偏差與坡向、坡度等地形因子的相關(guān)關(guān)系，對(duì)不同時(shí)期ASTER DEM 之間的空間匹配偏差進(jìn)行了計(jì)算和校正（表2）［29］。在校正過(guò)程中我們采用±100 m 作為剔除非冰川區(qū)高程差中異常值的閾值，還剔除了地面坡度小于5°的區(qū)域，以提高匹配精度［30］。

表2 不同DEM之間的空間偏移量Table 2 The X-Y-Z shift vector between two DEMs

2.3 不確定性分析

2.3.1 冰川邊界提取的不確定性

本研究采用統(tǒng)計(jì)冰川輪廓線經(jīng)過(guò)的像元數(shù)量的方法，評(píng)價(jià)目視解譯提取冰川邊界的不確定性［31］。如公式（1）：

式中：EA為解譯結(jié)果的不確定性，N為冰川輪廓線經(jīng)過(guò)的像元數(shù)量，λ為像元面積（MSS影像為3 600 m2，TM為900 m2，ETM+/OLI為225 m2）。

冰川面積變化的不確定性（EAC）由公式（2）計(jì)算得出：

式中：EA1和EA2分別為兩個(gè)時(shí)期冰川邊界提取的不確定性。

2.3.2 冰面高程變化的不確定性

經(jīng)過(guò)空間匹配后，盡管DEM 之間在非冰川區(qū)的高程差已趨近于0，但仍會(huì)存在一定的高程殘差，因此必須對(duì)DEM 的空間匹配精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。如公式（3）、（4）所示［30］：

式中：SE 和STDV 為非冰川區(qū)DEM 高程差的均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)差；n為去空間自相關(guān)處理后的像元數(shù)量（本研究采用600 m作為去空間自相關(guān)距離）；σ為DEM 間的高程變化誤差；MED 為非冰川區(qū)DEM間的平均高程差。表3 為不同時(shí)期DEM 空間匹配校正前后的誤差特征分布，可見校正后DEM 間在非冰川區(qū)的高程差明顯減小，匹配精度顯著提高。

表3 DEM高程差不確定性Table 3 The uncertainties of DEM differences

3 結(jié)果

3.1 冰川面積和長(zhǎng)度變化

基于Landsat 影像的冰川邊界解譯結(jié)果表明（圖2），1973—2020 年North Kyzkurgan 冰川的面積和長(zhǎng)度都經(jīng)歷了顯著變化。1973—2006 年，North Kyzkurgan 冰川處于退縮狀態(tài)，末端累計(jì)退縮約1.31 km，冰川面積也由（26.63±2.00）km2減少為（24.27±0.48）km2。2006—2011 年，North Kyzkurgan 冰川整體處于退縮狀態(tài)，面積減少至（24.01±0.93）km2，但值得注意的是在此期間，在冰川末端退縮的同時(shí)還發(fā)生了膨脹變寬的現(xiàn)象［圖3（a），黑色箭頭處］?？傮w上，1973—2011 年North Kyzkurgan 冰川處于退縮狀態(tài)且退縮速率較為穩(wěn)定，冰川面積累計(jì)減少（2.62±0.41）km2（9.84%±1.54%）。2011—2016 年，North Kyzkurgan 冰川末端突然大幅度前進(jìn)了1.17 km，冰川面積也急劇擴(kuò)張了（2.49±0.14） km2（10.37%±0.58%），達(dá)到了（26.50±0.50）km2。這6 年內(nèi)North Kyzkurgan 冰川的長(zhǎng)度和面積變化極為顯著，幾乎相當(dāng)于該冰川自1973—2011 年來(lái)近40 年的長(zhǎng)度和面積退縮量。2016 年，North Kyzkurgan 冰川面積和長(zhǎng)度達(dá)到了1970s以來(lái)的最大值，此后又開始退縮。

圖2 1973—2020年North Kyzkurgan冰川面積和長(zhǎng)度變化Fig. 2 Glacier area and length change for North Kyzkurgan Glacier during 1973—2020

本研究進(jìn)一步分析了2011—2016 年，North Kyzkurgan 冰川末端的前進(jìn)和表面特征變化過(guò)程。如圖3 所示，2006 年8 月—2011 年10 月North Kyzkurgan 冰川末端出現(xiàn)了膨脹變寬現(xiàn)象［圖3（a），黑色箭頭處］，但冰川表面依然平整，表明冰川物質(zhì)已開始擠壓轉(zhuǎn)移，但規(guī)模較為有限。2011 年10 月—2013 年10 月，冰川面積發(fā)生了迅速擴(kuò)張，末端累計(jì)前進(jìn)1.08 km，冰川表面裂隙廣泛發(fā)育，劇烈破碎化，表明冰川物質(zhì)由積蓄區(qū)向接收區(qū)迅速轉(zhuǎn)移［圖3（b）和3（c）］。2013年10月—2016年9月，冰川面積進(jìn)一步擴(kuò)張，末端繼續(xù)前進(jìn)，但前進(jìn)的幅度已明顯減弱，在2016 年9 月后末端前進(jìn)停滯，表明冰川物質(zhì)的轉(zhuǎn)移過(guò)程逐漸減弱直至結(jié)束［圖3（d）］。

3.2 冰面高程變化

本研究選擇影像質(zhì)量較優(yōu)的2002 年、2009 年、2014 年和2020 年4 期ASTER 立體像對(duì)提取DEM，對(duì)North Kyzkurgan 冰川的表面高程變化狀況進(jìn)行了計(jì)算和分析。計(jì)算結(jié)果表明：2002—2009 年冰川躍動(dòng)發(fā)生前［圖4（a）］，North Kyzkurgan 冰川積蓄區(qū)上部表面高程基本保持穩(wěn)定，末端表面高程降低，積蓄區(qū)下部高程卻略有升高。同時(shí)期冰川的相應(yīng)位置也發(fā)生了膨脹變寬，但冰川表面仍基本保持平整［圖3（a）］，表明積蓄區(qū)下部冰體因受到了強(qiáng)烈擠壓而膨脹變形［2］。2009—2014 年躍動(dòng)發(fā)生期間［圖4（b）］，North Kyzkurgan 冰川表面高程變化非常顯著，冰川末端高程明顯升高，最大升高幅度達(dá)到了近180 m，冰川中游高程則明顯降低，表明在躍動(dòng)過(guò)程中大量物質(zhì)由積蓄區(qū)轉(zhuǎn)移到了接收區(qū)，因此也導(dǎo)致了冰川末端的大幅度前進(jìn)。2014—2020 年冰川躍動(dòng)結(jié)束后［圖4（c）］，North Kyzkurgan 冰川的表面高程普遍降低，表明由于躍動(dòng)造成的冰面劇烈破碎化，導(dǎo)致冰川末端處于強(qiáng)烈消融狀態(tài)。

圖3 2011—2016年North Kyzkurgan冰川末端位置變化Fig. 3 Terminus positions at different time spans for North Kyzkurgan Glacier during 2011—2016

圖4 2002—2009年、2009—2014年以及2014—2020年North Kyzkurgan冰川表面高程變化Fig. 4 Elevation difference of the North Kyzkurgan Glacier during 2002—2009，2009—2014 and 2014—2020

此外，Zhou 等［20］利用KH-9 DEM 和SRTM DEM 計(jì)算帕米爾中部冰川表面高程變化的結(jié)果表明，1975—1999年North Kyzkurgan冰川積蓄區(qū)增厚速率為（0.50±0.31）m·a-1，接收區(qū)減薄速率高達(dá)（1.87±0.31）m·a-1，而同時(shí)期帕米爾中部冰川的整體物質(zhì)平衡水平卻僅為（0.03±0.24）m w. e. ·a-1。這表明1975—1999 年在帕米爾中部冰川基本保持穩(wěn)定的同時(shí)，North Kyzkurgan 冰川的表面高程卻發(fā)生了顯著變化，冰川末端處于強(qiáng)烈退縮狀態(tài)。

3.3 冰面流速變化

本研究基于ITS_LIVE 產(chǎn)品計(jì)算和分析了2000—2018 年North Kyzkurgan 冰川表面的年平均［圖5（a）］和年最大流速［圖5（b）］變化。如圖5 所示，在2000—2011 年，North Kyzkurgan 冰川運(yùn)動(dòng)速度十分緩慢且穩(wěn)定，年平均流速介于7.38～15.47 m·a-1，年最大流速介于34.37～105.12 m·a-1。即便是冰川下游發(fā)生膨脹變寬的2006—2011 年，冰川流速也僅有微弱的增加。2011年之后伴隨著冰川末端的快速前進(jìn)，冰川流速也顯著加快，2013年冰川表面最大流速達(dá)到最高約（400.60±1.91）m·a-1，2014 年平均流速達(dá)到最高約（39.39±0.54）m·a-1，是躍動(dòng)發(fā)生前的數(shù)十倍。冰川最大流速出現(xiàn)的位置集中在中下游，并伴隨著流速的增加向下游轉(zhuǎn)移?？傮w上，North Kyzkurgan冰川表面流速在2013年前后達(dá)到頂峰，此后迅速減緩，在2016年基本恢復(fù)到了躍動(dòng)發(fā)生前的水平。

圖5 2000—2018年North Kyzkurgan冰川的年平均流速（a）和年最大流速（b）Fig. 5 Annual average and maximum surface flow velocities of the North Kyzkurgan Glacier from 2000 to 2018

4 討論

4.1 冰川躍動(dòng)過(guò)程

冰川躍動(dòng)的發(fā)生具有周期性，從十幾年到上百年不等，通常根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)劃分躍動(dòng)周期內(nèi)的恢復(fù)階和躍動(dòng)階［1，32］。由于冰川躍動(dòng)會(huì)引發(fā)面積、長(zhǎng)度、高程、流速等一系列的變化，因此可以根據(jù)這些變化識(shí)別躍動(dòng)冰川的恢復(fù)階和躍動(dòng)階［10］。就North Kyzkurgan 冰川而言，2011 年以前，在整體上冰川面積持續(xù)退縮，表面高程緩慢降低，運(yùn)動(dòng)速度基本穩(wěn)定；2011—2016 年，冰川末端迅速前進(jìn)，面積大幅度擴(kuò)張，積蓄區(qū)和接收區(qū)高程劇烈波動(dòng)，冰川流速也顯著加快，同時(shí)冰川表面裂隙廣泛發(fā)育，劇烈破碎化；2016 年之后，冰川末端前進(jìn)停滯，表面高程降低，流速也恢復(fù)到躍動(dòng)發(fā)生前的水平。這些綜合變化表明，North Kyzkurgan 冰川是一條典型的躍動(dòng)冰川，1973—2011 年處于恢復(fù)階，2011—2016 年處于躍動(dòng)階，2016 年之后重新進(jìn)入了恢復(fù)階，因此該冰川的躍動(dòng)周期至少在40年以上。

此外，值得注意的是2006—2011 年North Kyzkurgan 冰川下游出現(xiàn)了膨脹變寬的現(xiàn)象［圖3（a）］，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要與冰川躍動(dòng)的發(fā)生過(guò)程有關(guān)。冰川躍動(dòng)是冰體內(nèi)部應(yīng)力集中釋放的結(jié)果，由于積蓄區(qū)不斷增厚，下部冰體受到的應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)達(dá)到冰體所能承受的極限時(shí)，應(yīng)力獲得集中釋放，即引發(fā)冰川躍動(dòng)［33-34］。因此躍動(dòng)過(guò)程先是冰川積蓄區(qū)下部擠壓冰體產(chǎn)生緩慢變形，然后才引起上下游的快速運(yùn)動(dòng)［2，17，32］。圖3和圖4顯示冰川膨脹變寬的位置出現(xiàn)在積蓄區(qū)下部向接收區(qū)的過(guò)渡處，且此時(shí)冰川表面仍基本保持平整，即表明這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是上游物質(zhì)積累擠壓所致。在高亞洲其他冰川躍動(dòng)事件中也觀察到了同類現(xiàn)象，如喀喇昆侖山的Balt Bare 冰川和木孜塔格的魚鱗川冰川［2，10，17］。在2006—2011 年North Kyzkurgan 冰川下游膨脹變寬的同時(shí)，冰川流速卻基本保持穩(wěn)定，同樣表明此時(shí)尚處于快速躍動(dòng)前。

帕米爾是全球躍動(dòng)冰川集中分布的地區(qū)之一，現(xiàn)有的躍動(dòng)冰川編目和相關(guān)研究表明，帕米爾躍動(dòng)冰川存在較大的異質(zhì)性，躍動(dòng)階從數(shù)月到十幾年不等，躍動(dòng)周期則從十幾年到數(shù)十年不等［10-11］?？傮w而言，西帕米爾和東帕米爾躍動(dòng)冰川的躍動(dòng)階和躍動(dòng)周期相對(duì)較短，分別集中在數(shù)年和十幾年，而帕米爾中部躍動(dòng)冰川的躍動(dòng)階和躍動(dòng)周期相對(duì)較長(zhǎng)。西帕米爾的Medvezhy冰川分別在1937年、1951年、1963 年、1973 年、1989 年、2001 年、2011 年發(fā)生躍動(dòng)，每次躍動(dòng)階長(zhǎng)度不到1 年，躍動(dòng)周期在10～14 年左右［35］。Oshanina 冰川分別在1961—1962 年、1983—1984 年、2010—2011 年發(fā)生躍動(dòng)，其躍動(dòng)周期穩(wěn)定在25 年左右［10-11］。東帕米爾昆蓋山的G074348E 39282N 冰川躍動(dòng)階為3 年左右，兩次躍動(dòng)的間隔也僅為10 年［12］，5Y663L0023 冰川躍動(dòng)階為4 年，恢復(fù)階最短為15 年左右［14］。本研究中位于帕米爾中部的North Kyzkurgan 冰川躍動(dòng)階為6 年，躍動(dòng)周期則達(dá)到了40 年以上，而同樣位于帕米爾中部的Bivachny冰川分別于1975—1978年、2011—2014年發(fā)生躍動(dòng)，兩次躍動(dòng)間隔也在35 年左右［11，13］，因此從東、西帕米爾向帕米爾中部，躍動(dòng)冰川的躍動(dòng)周期呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。這種現(xiàn)象在一定程度上與地形因素有關(guān)，東、西帕米爾山地，如科學(xué)院山脈、昆蓋山等地區(qū)的躍動(dòng)冰川上游往往存在大面積的積雪陡壁，在積蓄區(qū)接受降雪直接補(bǔ)給的同時(shí)也接受雪崩補(bǔ)給，因此物質(zhì)積累過(guò)程迅速，躍動(dòng)周期相對(duì)較短［4，36］。而研究冰川所在的帕米爾中部腹地，地形平緩，缺乏雪崩補(bǔ)給（圖1），只能依賴降雪的緩慢積累，因此躍動(dòng)周期較長(zhǎng)。

4.2 躍動(dòng)發(fā)生的潛在因素

冰川躍動(dòng)的發(fā)生機(jī)理較為復(fù)雜，可以將躍動(dòng)冰川分為溫冰川和多溫型冰川［37］。溫冰川的躍動(dòng)機(jī)制主要由水文模型解釋，夏季冰川消融產(chǎn)生的大量融水進(jìn)入冰體和冰下，水量增加導(dǎo)致靜水壓力增加，排水系統(tǒng)發(fā)生擴(kuò)張，當(dāng)融水減少、靜水壓力下降時(shí)引發(fā)排水通道坍塌，在冰川底部融水的潤(rùn)滑作用下觸發(fā)冰川躍動(dòng)，因此溫冰川的躍動(dòng)周期短、運(yùn)動(dòng)速度快、通常在冬季開始夏季結(jié)束［38-39］。多溫型冰川的躍動(dòng)機(jī)制主要由熱力模型解釋，冰川上部物質(zhì)不斷積累、應(yīng)力不斷增加，導(dǎo)致底部達(dá)到壓力熔點(diǎn)，產(chǎn)生大量融水，而冰川下游的冰體和凍土阻礙了融水流失，使融水在冰床不斷蓄積，在融水的潤(rùn)滑和頂托作用下，冰川發(fā)生快速滑動(dòng)即冰川躍動(dòng)，因此多溫型冰川的躍動(dòng)周期長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)速度慢，在任何季節(jié)都可開始與結(jié)束［40］。

North Kyzkurgan 冰川所在的帕米爾中部地區(qū)氣候寒冷，降水量豐富且以降雪為主，F(xiàn)edchenko 氣象站1935—1990年的氣象觀測(cè)資料顯示，該地區(qū)年平均氣溫為-6.9 ℃［圖6（a）］，年均降水量高達(dá)1 200 mm［圖6（b）］。而近三十年來(lái)的氣象觀測(cè)資料以及CRU 再分析資料都表明，帕米爾中部氣溫呈上升趨勢(shì)［0.1 ℃·（10a）-1］，降水量則基本保持穩(wěn)定［41-42］。與此同時(shí)，North Kyzkurgan 冰川的積累區(qū)面積比率超過(guò)0.8，冰川作用正差達(dá)到1 000 m，因此極低的氣溫和豐富的降雪為該冰川提供了充足的物質(zhì)補(bǔ)給。躍動(dòng)冰川的恢復(fù)階長(zhǎng)短一般取決于降雪填平積蓄區(qū)所需的時(shí)間［43］，而North Kyzkurgan冰川缺乏雪崩補(bǔ)給，物質(zhì)積累幾乎完全依賴降雪直接補(bǔ)給，因此躍動(dòng)周期漫長(zhǎng)。基于DEM 和遙感影像的觀測(cè)結(jié)果顯示，在1973—2011 年長(zhǎng)達(dá)近40 年的時(shí)間里，North Kyzkurgan 冰川積蓄區(qū)表面高程不斷升高，表明這一時(shí)期該冰川獲取了充分的物質(zhì)積累。在積蓄區(qū)物質(zhì)不斷增多，冰川底部受到的應(yīng)力不斷增大以及近幾十年氣溫升高的共同影響下，冰川底部達(dá)到了壓力熔點(diǎn)，融水不斷增加，最終觸發(fā)了冰川躍動(dòng)。綜上所述，North Kyzkurgan 冰川躍動(dòng)的發(fā)生是物質(zhì)長(zhǎng)期積累的結(jié)果，主要由熱力學(xué)因素所致。

圖6 1935—1990年研究區(qū)年平均氣溫（a）和年降水量變化（b）Fig. 6 Mean annual air temperature and precipitation for 1935—1990 in study region

5 結(jié)論

本文利用1973 年以來(lái)Landsat 影像、ASTER 立體像對(duì)和ITS_LIVE 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對(duì)帕米爾中部North Kyzkurgan 冰川開展聯(lián)合監(jiān)測(cè)，從冰川面積、高程、流速等方面分析了該冰川躍動(dòng)前、躍動(dòng)中和躍動(dòng)后的變化特征，揭示了該冰川的完整躍動(dòng)過(guò)程。研究結(jié)果表明：

North Kyzkurgan 冰川是一條典型的躍動(dòng)冰川，在1973—2011年處于恢復(fù)階，2011—2016年處于躍動(dòng)階，2016 年之后重新進(jìn)入恢復(fù)階。North Kyzkurgan 冰川所在的帕米爾中部地區(qū)氣候寒冷，降雪量豐富，同時(shí)該冰川的積累區(qū)面積比率超過(guò)0.8，冰川作用正差近1 000 m，因此冰川補(bǔ)給物質(zhì)充足。隨著積蓄區(qū)不斷增厚，冰川底部達(dá)到壓力熔點(diǎn)，融水不斷增多，在融水的潤(rùn)滑和頂托作用下，最終導(dǎo)致冰川發(fā)生躍動(dòng)。因此，North Kyzkurgan 冰川躍動(dòng)的發(fā)生主要與熱力學(xué)因素有關(guān)。