基于REMA数据的东南极达尔克冰川表面塌陷事件研究

基于REMA数据的东南极达尔克冰川表面塌陷事件研究 Monitoring and analyzing of the depression on Dalk Glacier， East Antarctica by REMA first-author 刘婷婷， 研究方向为极地遥感应用、遥感图像处理。E-mail： ttliu23@whu.edu.cn 刘婷婷， 研究方向为极地遥感应用、遥感图像处理。E-mail： ttliu23@whu.edu.cn ttliu23@whu.edu.cn corresp 丁锐，研究方向为冰川动力学。E-mail： dingruilxm@whu.edu.cn 丁锐，研究方向为冰川动力学。E-mail： dingruilxm@whu.edu.cn dingruilxm@whu.edu.cn 中国南极测绘研究中心 武汉大学 湖北武汉,430079 中国南极测绘研究中心 武汉大学 湖北武汉,430079 Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan University, Wuhan, 430079, China Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan University, Wuhan, 430079, China 全球气候变暖严重影响冰川的稳定性，南极多条冰川表面发生塌陷。由于缺少高空间和高时间分辨率的南极地表高程模型（Digital Elevation Model，DEM），目前单支冰川表面时空变化的研究不充分。利用2011至2016年间11期南极参考高程模型（The Reference Elevation Model of Antarctica， REMA）数据，开展东南极达尔克冰川表面塌陷区域的高程变化监测，并利用Landsat 7、8和Worldview-2光学影像等数据分析塌陷过程和原因。结果表明，达尔克冰川在2013年发生了一起严重的塌陷事件，塌陷深度最大约45.29 m，造成了约26.29×10 6 m 3 的水体损失；塌陷发生后，该区表面高程不断增加，于2016年恢复至塌陷前的高程。塌陷区具有明显的整体性沉降特征，并存在融水聚集，推测塌陷和达尔克冰川冰下湖的排水过程存在密切的联系。本研究证明达尔克冰川存在较大的不稳定性，同时验证了REMA数据监测冰川表面塌陷的可行性，为未来精细化监测南极冰盖/冰架响应气候变化提供技术参考。 With global warming, glacier surface depressions are frequently occurring in Antarctica, which is challenging for stability evaluation of glaciers. However, the shortage of high spatial and temporal resolution digital elevation model, researches on single glacier surface variations remain rather limited. 11-period REMA during 2011-2016 were used to measure surface sudden depression on Dalk Glaicer, East Antarctica. Landsat 7, 8 Wordlview-2 satellite images and so on were utilized to analyze the process and reason of the glacier surface evolution. The results show that: a serious surface depression occurred on Dalk Glacier in 2013 with maximum depression depth of 45.29 m and caused the englacially stored meltwater loss of 26.29×10 6 m 3 ; then the elevation were increasing until that the elevation achieved the pre-depression level in 2016.The depression was typical of uniform settlement and intense surface melting. And the depression was closely interconnected with active ice-covered lakes drainage inside Dalk Glacier. Thus, Dalk glacier has been in a dangerous and unstable position due to melting and depressions. In addition, REMA was verified to monitor glacier surface depression, which was valuable for refine monitoring ice shelf and glacier response to climate change. 达尔克冰川 REMA 表面塌陷 DEM Dalk Glacier REMA surface depression DEM 1　引 言 1 在冰川动力学研究中，冰川表面塌陷是空间尺度较小、突发性较强的地貌变化过程（ Zhang等， 2019 Zhang等， 2019 ）。塌陷周围通常发生表面融水或冰下湖融水的汇聚与排泄，导致冰川受到强烈的弯曲应力而塌陷（ Mellor， 1960 Mellor， 1960 ； MacAyeal和Sergienko， 2013），这表明塌陷与冰川的水文过程存在密切的联系（ Moore， 1993 Moore， 1993 ； Howat等， 2015 Howat等， 2015 ； Popov等， 2017）。塌陷后形成的冰坑（ice doline）可能成为冰川表面融水快速排入海洋的入口（ Fricker等， 2002 Fricker等， 2002 ； Glasser和Scambos， 2008），引起冰流速加快（ Tuckett等， 2019 Tuckett等， 2019 ）、冰川表面物质损失加剧（ Bevan等， 2015 Bevan等， 2015 ）。因此，监测塌陷的形成与演化对于研究冰川物质平衡、评估冰川稳定性具有重要意义（ Warner等， 2021 Warner等， 2021 ）。 自1940年有文献详细记载南极半岛格雷厄姆地的表面塌陷以来（Stephenson和Fleming， 1940； Reynolds， 1983 Reynolds， 1983 ），南北极冰盖均发生了多次不同程度的表面塌陷，包括拉森冰架（ Swithinbank， 1988 Swithinbank， 1988 ； Bindschadler等， 2002 Bindschadler等， 2002 ）、罗斯冰架（ Fricker等， 2007 Fricker等， 2007 ）和埃默里冰架（ Mellor， 1960 Mellor， 1960 ； Warner等， 2021 Warner等， 2021 ）等。由于塌陷发生的时间和位置具有不确定性，难以开展塌陷的现场实时观测，多数是在塌陷发生后观测。高空间分辨率遥感对地观测技术的出现为冰面精细观测提供了新的手段（ Qin等， 2017 Qin等， 2017 ； Che等， 2020 Che等， 2020 ）。 Bindschadler等（2002） Bindschadler等（2002） 采用1 m分辨率的IKONOS卫星数据和现场观测数据分析拉森B冰架表面塌陷的过程与成因。 Howat等（2015） Howat等（2015） 利用Landsat 7、Worldview-1和ICESat等数据研究格陵兰冰盖一处深度70 m、直径1.5~2 km的圆形塌陷，并展示了表面融水汇聚后突然排放引起塌陷的观测证据。 Zhang等（2019） Zhang等（2019） 和Popov等（2017）分别利用无人机影像监测东南极达尔克冰川附近的塌陷和冰面水系，指出冰面和冰下水文过程对塌陷发生的驱动作用。近年， Warner等（2021） Warner等（2021） 利用2期Worldview卫星数据生成的地表数字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）和ICESat-2测高数据观测埃默里冰架一处塌陷，结果显示塌陷中央的深度达80 m，水体损失体积达~600×10 6 m 3 。这项研究表明，利用DEM数据研究冰表面塌陷的演化过程具有可行性。 高空间分辨率的南极DEM产品较少，且现有产品的大多数据在坡度陡峭区或冰盖边缘区的精度较低（ Xiao等， 2017 Xiao等， 2017 ； Chen等， 2020 Chen等， 2020 ）。激光测高卫星（如ICESat、ICESat-2）和航空平台（如冰桥计划）能获得局部地区的高精度表面高程数据，但无法覆盖全南极（ Feng等， 2013 Feng等， 2013 ）。南极参考高程模型（The Reference Elevation Model of Antarctica，REMA）是基于多种高空间分辨率光学影像（包括GeoEye-1和Worldview系列）采用光学立体测图技术生成的南极地表时序高程模型。REMA数据的时间范围为2011年至2017年，最高空间分辨率为2m，高程绝对精度优于1 m（ Howat等， 2019 Howat等， 2019 ）。 Dunmire等（2020） Dunmire等（2020） 利用2期REMA监测毛德皇后地一处冰下湖排水引起的表面高程变化，结果显示表面高程平均降低了2.56 m±0.53 m，与探地雷达观测的冰下湖平均水深（2.2 m）一致。 Indrigo等（2021） Indrigo等（2021） 基于流体静力学平衡假设，利用5期REMA数据推导得到了罗斯海德里加尔斯基冰舌的冰厚数据，并分析冰舌表面裂隙的传播过程。 Cheng等（2021） Cheng等（2021） 利用2期REMA监测威德尔海布伦特冰架1号裂隙在2012至2017年的空间结构特征，结果显示1号裂隙宽度增大了0.25 km但深度仅变化了0.4~0.7 m。因此，以上研究均证明REMA数据不仅可以用于长期精细化地监测南极冰架冰川的表面高程变化，还可以用于观测冰架冰川的小尺度表面地形特征。 达尔克冰川是一支位于东南极拉斯曼丘陵附近的溢出冰川，在2000年至2020年发生了多次前缘崩解（ Chen等， 2020 Chen等， 2020 ），其中2016年的崩解面积达到2.19 km 2 。达尔克冰川在2013年和2017年发生了两次表面塌陷， Zhang等（2019） Zhang等（2019） 和Popov等（2017）对2017年的表面塌陷进行了监测，而2013年的表面塌陷目前还没有相关研究。围绕东南极达尔克冰川在2013年发生的表面塌陷（ 图1 图1 -Ⅱ），利用11期REMA数据研究塌陷区域在2011年至2016年的高程变化，并利用Landsat 7、8和Worldview-2影像分析塌陷区域的表面特征，最后结合海水温度数据、自动气象站观测资料和南极地表冻融数据集对塌陷形成的可能原因进行讨论和分析。 2　研究区域与数据 1 2.1　研究区域 2 达尔克冰川位于东南极拉斯曼丘陵东侧，距离中山站不足5 km，汇入普里兹湾（ 图1 图1 ）。达尔克冰川是一条典型的溢出冰川，宽约3.3 km，长约15 km，冰川前缘年平均冰流速为150~250 m·a -1 （ Chen等， 2020 Chen等， 2020 ）。达尔克冰川分别在1988、2006、2009、2016年发生了大规模崩解，引起冰川末端冰流速加快约12%（ Chen等， 2020 Chen等， 2020 ）。2017年1月29日，达尔克冰川西侧（ 图1 图1 -Ⅰ区）发生塌陷，塌陷深度达到43 m，塌陷面积为40， 260 m 2 。多次的前缘崩解和表面塌陷表明，达尔克冰川存在局部不稳定性。通过目视判读达尔克冰川时序遥感影像，发现该冰川在2013年也发生了一次表面塌陷（ 图1 图1 -Ⅱ区），塌陷区域位于达尔克冰川东侧接地线附近，距离冰川前缘约5 km，冰流速约为130 m·a -1 ，冰厚约为209 m（ Fretwell等， 2013 Fretwell等， 2013 ）。2011年的快鸟影像显示，该区域存在椭圆形状的边界特征，并且周围分布着大量的冰裂隙和冰褶皱。 2.2　数据 2 2.2.1　REMA数据 3 REMA是由美国明尼苏达大学的极地地球空间中心和俄亥俄州立大学的伯德极地和气候研究中心联合发布的全南极DEM。该数据主要利用Worldview和GeoEye等亚米级分辨率的商业卫星影像作为立体像对，采用光学立体测图技术制成南极DEM（ Geng等， 2021 Geng等， 2021 ）。REMA可以达到2m或8m的空间分辨率，是目前公开发布的空间分辨率最高的南极DEM产品。 Howat等（2019） Howat等（2019） 利用冰桥计划中的高程数据验证了REMA的精度，高差中位数、68%线性误差和90%线性误差分别为-0.16 m、0.77 m和1.25 m。除了全南极DEM产品，REMA还根据经纬度和成像时间发布了南极的条带DEM。由于卫星重访周期、南极极夜和云层遮挡等的影响，REMA在达尔克冰川区域Ⅱ共有11期可用的条带DEM（ 表1 表1 ），集中在每年的9月至次年的4月，空间分辨率均为2 m。 期数 时间 （年月日） 立体像对数据源 空间分辨率 1 20110209 Worldview-2 11 2 m 2 20111004 Worldview-1 3 20120101 Worldview-1 4 20121020 Worldview-2 5 20131107 Worldview-1 6 20131115 Worldview-1 7 20131222 Worldview-2 8 20140914 Worldview-2 9 20150416 Worldview-1 10 20151006 Worldview-1 11 20160914 Worldview-1 由于REMA的条带DEM产品没有进行绝对高程控制（ Cheng等， 2021 Cheng等， 2021 ），利用第22次中国南极考察队在达尔克冰川花杆观测时布设的控制点，对该数据进行绝对高程校正。在18期花杆观测中，有三期观测与REMA的时间接近，分别相差1天、5天、19天，每期分别有6支花杆的高精度点位数据（ Ai等， 2019 Ai等， 2019 ）。因此，利用这三期花杆的点位数据对部分REMA在达尔克冰川的高程精度进行评估。 表2 表2 显示REMA数据的绝对高程误差小于1 m，且标准差在1 m左右。Zhang等（2012）和 Zhang等（2020） Zhang等（2020） 指出，南极冰流速较快的入海冰川（如松岛冰川、托腾冰川和兰伯特冰川）表面高程变薄速率大于1 m·a -1 ，表明REMA具有监测南极地表微小起伏变化的能力，可以用于监测达尔克冰川塌陷区域的演化过程。 注： T REMA 是REMA数据时间，T Stake 是花杆观测时间，A和±σ分别表示误差的均值和标准差。 序号 T REMA （年月日） T Stake （年月日） A/m ±σ/m 1 20110209 20110210 0.001 0.82 2 20120101 20111226 0.487 0.77 3 20120101 20120120 0.767 1.12 2.2.2　光学遥感影像数据 3 利用2013-2017年南半球夏季的11幅Landsat系列卫星影像（ 表3 表3 ），分析达尔克冰川的表面特征及变化，例如水文特征和边缘特征等。Landsat系列卫星是由美国地质调查局发射的对地观测卫星，其中Landsat 7（1999年4月15日发射）和Landsat 8（2013年2月11日发射）均可提供30m空间分辨率的多光谱影像，重访周期为16天（ Roy等， 2014 Roy等， 2014 ）。Landsat 7搭载的增强型专题制图仪（Enhanced Thematic Mapper， ETM+）在2003年发生扫描线校正器故障，之后获取的光学影像存在数据条带丢失。受到云影遮挡的影响，部分Landsat影像亮度较暗，但不影响表面特征的识别。综合利用Landsat系列卫星影像，可以跟踪研究塌陷区域的演化、变形以及冰面水系的发育过程（ Warner等， 2021 Warner等， 2021 ）。 卫星 影像标识号 观测时间 （年月日） 空间分辨率 2 Landsat 7 LE07_L1GT_124109_20130119_01_T2 20130119 2 30 m LE07_L1GT_124109_20130220_01_T2 20130220 9 Landsat 8 LC08_L1GT_125109_20131102_01_T2 20131102 9 30 m LC08_L1GT_124109_20140114_01_T2 20140114 LC08_L1GT_124109_20140215_01_T2 20140215 LC08_L1GT_126109_20150131_01_T2 20150131 LC08_L1GT_124109_20150306_01_T2 20150306 LC08_L1GT_126109_20160106_01_T2 20160106 LC08_L1GT_126109_20160203_01_T2 20160203 LC08_L1GT_126109_20170104_01_T2 20170104 LC08_L1GT_125109_20170129_01_T2 20170129 2 Worldview-2 12OCT20034504-P2AS 20121020 2 0.5 m 13SEP18041333-P2AS 20130918 此外，选取了表面塌陷发生前后的2幅Worldview-2卫星影像，用于塌陷区域内冰面地形的解译和判读（ 表3 表3 ）。Worldview-2是由美国DigitalGlobe公司在2009年10月6日发射的高空间分辨率商业遥感卫星，提供0.5 m空间分辨率的全色图像和2 m空间分辨率的多光谱图像。将全色波段与多光谱波段进行波段融合，可以得到空间分辨率为0.5 m的真彩色影像。针对Worldview-2影像存在的色彩失真问题，以2012年10月20日的Worldview-2影像为参考，对2013年9月18日的Worldview-2影像进行直方图匹配。利用色彩调整后的高空间分辨率光学影像，可以准确识别冰川表面的地貌特征和边界范围。 3　结果 1 利用校正后的11期REMA数据监测2011-2016年达尔克冰川塌陷区域的表面高程及变化（ 图2 图2 ）。在塌陷发生前，塌陷区域中部（ 图2 图2 -b的浅绿色区域）的高程范围是80~90 m，平均高程为84.69 m。REMA数据显示中部表面高程比四周低，而且中部没有等高线，南侧等高线密集，北侧等高线稀疏。这表明相比于四周，中部是底部地形较为平坦的盆地。对比2012年10月20日和2013年11月7日的表面高程可知，表面高程在2012至2013年突然降低，最大降幅为45.29 m，平均降幅为15.09 m。塌陷发生时，冰坑的高程变化具有较大的空间差异性：冰坑中部（ 图2 图2 -j的浅色区域，平均高程为43.90 m）是高程降幅最大的区域，平均降幅为38.71 m，高程降幅的标准差为1.49 m，表明冰坑中部在空间上具有均匀的高程变化特征；冰坑南侧和西侧的高程变化呈梯度分布，高程减小值分布在0~35 m，西侧冰面高程的坡度大于南侧；冰坑东侧的坡度最大，表面高程由~45 m快速增加至~90 m。在冰坑外围，冰川表面高程反而有一定的增加，最大增幅为11.60 m，平均增幅为3.93 m，高程增加区域围绕着冰坑呈环状分布，这与 Warner等（2021） Warner等（2021） 观测的埃默里冰架上冰坑外侧的地形隆起特征类似。 在塌陷发生前的2011年至2012年，表面高程变化很小，而且中部（ 图2 图2 -d的浅绿色区域）较为平坦，中部的地势低于四周，融水容易在此汇聚。在塌陷发生后的2013年至2016年，冰坑的表面高程不断增加，但增幅逐年减小，2013-2014年高程最大增幅为40.05 m，高程平均增幅为6.78 m，冰坑外的表面高程的变化幅度很小，高程平均降幅为0.20 m。与塌陷前（时间取2011年10月4日）对比，2016年9月14日的塌陷区域中部高程的平均降幅为2.21 m，其余区域高程的平均增幅为2.62 m，整个区域高程的平均变化仅为0.21 m，表明在2016年冬季表面高程与塌陷前基本一致。 进一步分析塌陷区域沿冰川运动方向和垂直运动方向（ 图2 图2 -a断面AB和CD）的高程变化（ 图3 图3 ）。由 图3 图3 可知，断面AB和CD分别有一段“平台（floor）”区，平台区即冰坑内表面坡度较小的区域。断面AB的平台区距离A点1000~2000 m，平均坡度为0.06°；断面CD的平台区距离C点500~700 m，平均坡度为0.17°。表面塌陷发生后，AB平台区的表面坡度变化仍然较小，这表明平台区可能发生了均匀的沉降。2012年10月至2013年11月，塌陷发生后断面AB平台区的平均高程减少了39.17 m。随后，平台区的表面高程逐渐回升，分别增加23.98 m（2013年11月-2014年9月）、7.82 m（2014年9月-2015年4月）、2.35 m（2015年4月-2015年10月）和2.07 m（2015年10月-2016年9月）。由于缺少REMA数据，2016年9月后，该区域高程的变化情况未知。 断面AB和CD在冰坑内非平台区的表面坡度变化较大，尤其在距离C点700~800 m，冰川表面在塌陷后形成了高约45 m、最大坡度约53°的冰坡（ 图3 图3 -c）。塌陷过程中，断面AB在冰坑外的高程变化较小，平均增加了0.73 m（ 图3 图3 -a），断面CD在冰坑外的高程变化较大，平均增加了5.56 m（ 图3 图3 -c）。综合上述冰坑平台区、冰坑边缘区、冰坑外的表面高程变化特征，说明达尔克冰川表面塌陷的三层嵌套结构：冰坑中部发生均匀沉降、冰坑边缘区形成冰坡，冰坑外东西侧地形隆起大而南北侧地形隆起小。此外，塌陷发生后，断面AB和CD在冰坑内的表面高程不断增加，但是在冰坑外却保持稳定（ 图3 图3 -b、d）。 4　讨论和分析 1 4.1　塌陷过程分析 2 利用2013年到2017年南半球夏季的Landsat系列光学影像展示塌陷过程中的表面特征，如 图4 图4 所示。2013年1月19日，西侧和南侧存在表层融水聚集（moat），融水分布范围比其他年份大，说明2013年1月发生了相对强烈的表面融化。2013年2月20日，表层融水消失，表面纹理没有发生显著变化，说明此时研究区域保持稳定。2013年11月至2014年2月间，影像中冰坑的东北侧存在狭长的阴影条带。该阴影是由东北方向、低太阳高度角的太阳光照射在冰坑东侧冰坡形成的（ Kang等， 2017 Kang等， 2017 ），同时证实了2013年11月冰川表面塌陷已经发生。遥感影像显示，冰川表面在塌陷发生后一直存在相似度很高的线状边缘特征，直至2016年1月线状边缘和阴影特征都不明显，这也再次证明冰坑持续存在了4年。通过对后续Landsat 8影像的目视判读可知，该区域再未发生塌陷事件。 2013至2016年间，达尔克冰川冰坑内的表面高程逐年增加，并恢复至塌陷前的高度，表明冰坑在此期间获得了持续的物质补给。由REMA数据可知，2015年4月16日至10月6日冰坑内的高程增幅平均为1522.1 mm。根据 Shen等（2017） Shen等（2017） 的研究，达尔克冰川同期的降水量约为126.9 mm。利用冰雪热力学模式HIGHTSI中降水量与积雪深度的关系（ Yin等， 2021 Yin等， 2021 ），反演出降雪引起的积雪深度为492.8±57 mm。由此可见，降雪仅占冰坑物质补给的32.38%。根据 Zwally等（2015） Zwally等（2015） 、 Engel等（2018） Engel等（2018） 和 Laura等（2019） Laura等（2019） 的研究，其余物质补给可能来源于冰川表面融水汇聚、风吹雪导致的雪迁移和冰下水文过程等。 利用两景Worldview-2真彩色合成影像（获取时间为2012年10月20日和2013年9月18日），分析塌陷发生前后的冰川表面纹理特征，如 图5 图5 所示。塌陷发生前，塌陷区域像元亮度比周围的冰雪像元偏暗，表明塌陷区域表面分布着岩石（ Burton-Johnson等， 2016 Burton-Johnson等， 2016 ）。但是塌陷区域内的岩石像元表面有透明的薄冰特征（ 图5 图5 -a），不同于常见的裸岩像元（ Lu等， 2018 Lu等， 2018 ）。这可能是由于塌陷区域的融水再次冻结后形成了一层冰被（ice lid）覆盖在岩石上（ Bindschadler等， 2002 Bindschadler等， 2002 ）。塌陷发生后，冰坑被积雪和冰体覆盖，原有的岩石和冰被已经不可见（ 图5 图5 -b）。局部上，冰坑东侧和南侧是冰坡，表面整齐光滑；西侧是冰瀑（icefall），表面纹理破碎不连续、沿南北方向延伸。这表明，表面塌陷发生后，东侧和南侧冰体虽然发生了弯曲但并没有断裂，而西侧冰体可能不仅出现断裂，而且受重力作用剥落、堆积形成了冰瀑（ Petlicki， 2018 Petlicki， 2018 ）。此外，结合Landsat 7影像的融水特征和Worldview-2影像的阴影条带可知，冰川表面塌陷是在表面融水消失后发生的，具体时间在2013年2月至2013年9月，即南半球的夏季末至冬季。 通过目视判别，识别出两幅Worldview-2影像中在形态特征和空间分布上相似度较高的三处冰坑表面（ 图5 图5 -a中A、B和C区域），如 图6 图6 所示。这种相似的形态和结构再次表明，在表面塌陷过程中冰面没有发生明显的变形，冰表面结构保持稳定。因此，A、B和C所在的冰坑平台区在2013年的南半球夏季没有发生剧烈的表面融化，由此推测表面融化并不是塌陷时物质损失的主要途径。 4.2　塌陷原因分析 2 Howat等（2015） Howat等（2015） 和 Warner等（2021） Warner等（2021） 认为，冰下湖（ice-covered lake）排水形成空腔是塌陷的直接原因。由于目前缺少达尔克冰川的冰下数据，只能从塌陷区域的表面特征推断出研究区域下方存在空腔。 Bindschadler等（2002） Bindschadler等（2002） 认为当冰下湖排水后仍然有残留时，冰坑就会漂浮在冰下湖上形成平台区。由 图3 图3 可知，在2013年发生表面塌陷后始终存在平台区，并且平台区高程不断增加，这说明冰坑下方较大可能存在冰下湖，而且可以推测在此次塌陷中冰下湖的水没有排尽。塌陷发生前存在明显的椭圆形边界特征（ 图1 图1 ），椭圆形区域的表面纹理与周围存在较大的差异（ 图5 图5 ），其表面高程低于四周、坡度很小（ 图3 图3 -a）。以上特征说明，在2011年2月9日研究区域也具有平台区的特征，而且面积比塌陷后的平台区大。 图7 图7 显示，在研究区域北侧1 km有一处面积较小的塌陷，该塌陷主要存在两个特征：（1）塌陷区域表面没有断裂和弯曲，表面纹理与周围一致，具备整体沉降的特征；（2）塌陷区域边界存在差异，即塌陷西侧冰体比较破碎，而其余侧塌陷边界清晰稳定。由于该处塌陷的表面纹理没有发生巨大变化，没有冰面湖特征，说明该处小塌陷是整块冰体向下降落造成的，反映了表面塌陷的主要原因来自达尔克冰川内部。结合研究区域类似的塌陷特征可以说明，塌陷前达尔克冰川内部存在冰下湖，冰下湖的深度大于40 m，且冰下湖底部（basin）的高程在40 m以下。结合Bedmap2冰厚数据 （ Fretwell等， 2013 Fretwell等， 2013 ），该冰坑的冰厚约为209 m，表明冰坑底部在海平面以下169 m。普里兹湾的温盐深剖面仪（Conductance temperature depth， CTD）实测数据（ 图8 图8 ）显示，达尔克冰川前缘的海水温度在2013年2月7日超过0℃，分别在水深23 m（0.55℃）和79 m（0.23℃）处。因此，由于普里兹湾在南半球夏季的海水温度较高，达尔克冰川前端可能在2013年的南半球夏季发生了相比其他年份更为剧烈的内部或底部融化，并形成了通往达尔克冰川底部或普里兹湾的融水通道。在2013年的南半球夏季末到冬季，冰下湖水沿着通道排水后形成空腔，造成了达尔克冰川表面塌陷。 2013年的表面塌陷表明，达尔克冰川以冰川内融水排走的方式发生了较大的物质损失。根据研究区域在2012年和2013年的高程变化，塌陷区域（subsidence）面积约为1.26 km 2 ，排走的水体积约为19.08×10 6 m 3 ；非塌陷区域（即隆起区域，uplift）面积约为2.01 km 2 ，其隆起需要补充体积约为7.21×10 6 m 3 的水（冰的密度取910 kg/m 3 ）。因此，塌陷共损失了约26.29×10 6 m 3 的水，是埃默里冰架2019年6月塌陷水损失体积的4.38%（ Warner等， 2021 Warner等， 2021 ），按照罗斯冰架冰下湖Engelhardt在2003年至2005年排水速度（40 m 3 /s）需要持续排放8天（ Fricker等， 2007 Fricker等， 2007 ）。 冰盖（冰架）表面融化引起的融水积累和排放会导致冰川冰架表面发生弯曲和断裂，是表面塌陷的可能原因之一（ Tedesco等， 2013 Tedesco等， 2013 ； Banwell等， 2019 Banwell等， 2019 ）。利用1999年至2019年南极冰盖每日冻融数据集（ Liu等， 2020 Liu等， 2020 ）和南极中山站自动气象站观测记录（数据来源：国家极地科学数据中心），统计了2012年至2017年南半球夏季达尔克冰川表面融化天数和日均正积温（ 表4 表4 ）。在2013年南半球夏季，达尔克冰川表面融化持续41天，气温大于0℃有44天，是2012年至2016年间融化天数和正气温天数最多的年份。这说明相比于其他年份，达尔克冰川在2013年南半球夏季发生了较为强烈的表面融化。 图4 图4 -a显示，塌陷区域的西南侧存在融水聚集，提高了太阳辐射的吸收效率，从而加快融水附近冰体的融化速率（ Leeson等， 2015 Leeson等， 2015 ）。此外，塌陷区域存在岩石（ 图5 图5 -a），岩石的比辐射率较冰雪低，使得岩石吸收更多的太阳辐射，进一步加剧周围冰面的融化（ Tedesco等， 2016 Tedesco等， 2016 ）。因此，塌陷区域在塌陷过程中伴随着达尔克冰川相对剧烈的表面融化。Landsat 7和Worldview-2光学影像均显示，塌陷区域融水发生了汇聚，但是在冰坑平台区没有发生明显的表面融化。2017年南半球夏季，达尔克冰川的融化天数、正气温天数比2013年南半球夏季多，说明达尔克冰川的表面融化在2017年南半球夏季比2013年南半球夏天剧烈。但是，光学影像显示2017年到2020年塌陷区域并没有再次发生塌陷，这也表明表面融化并不是达尔克冰川2013年塌陷的关键诱因。 注： 正积温是指日平均温度高于0 ℃的气温总和；日均正积温是正积温除以日平均温度高于0 ℃的天数。 年份 2012 2013 2014 2015 2016 2017 融化天数 1 41 31 21 13 44 天数（气温>0℃） 17 44 32 41 35 63 正积温（℃） 17.538 50.679 65.576 56.938 36.879 97.463 日均正积温（℃） 1.032 1.152 2.049 1.389 1.053 1.547 5　结 论 1 本文利用11期REMA数据监测了2011年至2016年达尔克冰川表面塌陷的演化过程，并采用花杆实测高程数据对REMA在达尔克冰川的高程精度进行评估，同时利用Landsat 7和8光学影像分析塌陷过程的阴影和边缘等特征，利用Worldview-2高分辨率光学影像进一步分析了塌陷区域的地形地貌特征，最后结合普里兹湾CTD观测记录、中山站气象观测资料和冻融数据集对塌陷的可能原因进行了讨论，主要结论如下： （1）达尔克冰川在2013年发生了严重的表面塌陷，冰坑最大深度达到45.29 m，造成了约26.29×10 6 m 3 的水物质损失。表面塌陷改变了地表形态，形成了平台、冰坡、冰瀑和隆起四种地形特征。2013年至2016年期间，冰坑获得了持续的物质补给，冰面高程逐步恢复至塌陷前的相似水平。冰坑中补给的物质32.38%来自降雪，其余物质补给的来源有待进一步研究。 （2）该表面塌陷很可能与达尔克冰川内部水文状况存在密切的联系。该冰坑下部可能存在冰下湖，在2013年2月至9月间发生排水事件形成了空腔，进而导致冰川表面塌陷。在塌陷发生前，尽管塌陷区域存在相对剧烈的表面融化，但是表面融化不是此次塌陷的主要诱因。结合达尔克冰川西侧在2017年也发生了塌陷，表明目前达尔克冰川稳定性较差，未来可能再次发生塌陷。 （3）REMA发布的条带DEM经过绝对高程校正后，其高程精度优于1 m，而且拥有高空间分辨率和时间属性的优点，适用于长期精细地监测冰川表面的地形特征和时空变化规律，是研究南极冰盖/冰架响应气候变化的优质数据源。 达尔克冰川活跃的内部水文过程可能是触发表面塌陷、补给冰坑物质的关键性原因。因此，达尔克冰川是研究冰川水文与稳定性关系的理想区域，未来将重点开展达尔克冰川内部水文过程和冰下地形的观测计划。 参考文献（References） Ai S. , Wang S. , Li Y. , Moholdt G. , Zhou C. , Liu L. and Yang Y . 2019 . 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National Remote Sensing Bulletin， XX（XX）：1-12 国家自然科学基金专项项目（编号：41941010） Supported by Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41941010) 2021-12-04 2022-05-07 2022-01-12 遥感学报