埃尔斯米尔岛冰川表面水文网络60年演化：气候变暖驱动下冰上排水系统的扩张与转型

《Journal of Glaciology》：Decades of supraglacial hydrological network evolution on Ellesmere Island’s glaciers

本研究针对加拿大北极群岛冰川物质损失加剧的背景下，对埃尔斯米尔岛冰川表面水文网络的长期演化（1959–2020）进行了首次多年代际的详细分析。研究人员利用多源遥感数据，揭示了随着均衡线海拔（ELA）上升，冰上排水系统向上游扩张、渠道密度（Dd）增加、且季节性河道向永久性河道（深切河、峡谷）转变的趋势。南部冰川水文系统演化更剧烈，与冰下系统连通性更强；北部冰川则维持更稳定的高密度冰上排水网络。该研究为理解北极变暖背景下冰川水文响应及其对冰动力学的影响提供了关键见解。

　　

在北极快速变暖的背景下，冰川正以前所未有的速度消融。位于加拿大北极群岛的埃尔斯米尔岛，其冰川物质损失尤为显著，而表面融化是导致这一损失的主要驱动力。在这些冰川的表面，纵横交错的融水河道如同冰川的“血管”，负责输送融水，其形态和分布的变化直接影响冰川的物质平衡，甚至通过冰裂隙和冰臼（Moulin）将水输送到冰川底部，影响冰川的滑动速度。然而，尽管冰川表面水文系统如此重要，科学界对它们如何响应长期气候变化的了解却相当有限，尤其是在加拿大北极地区。

为了填补这一空白，一组国际研究团队将目光投向了埃尔斯米尔岛。他们想知道，在过去约60年的时间里，随着气候变暖加剧，这些冰川表面的河流网络究竟发生了怎样的变化？是变得更加密集了，还是形态发生了根本性的改变？不同地理位置（从南到北）的冰川，其响应方式有何不同？为了回答这些问题，研究人员进行了一项雄心勃勃的回顾性研究，论文发表在《Journal of Glaciology》上。

研究人员综合运用了历史航空照片（1959年）以及多时期的卫星影像（如SPOT、ASTER、Sentinel-2、PlanetScope），对埃尔斯米尔岛沿岸五个冰川的表面水文网络进行了详细的手动解译和定量分析。他们重点追踪了两种主要的变化：一是空间上的变化，即排水密度（D_d，单位面积内的河道长度）和不同类型河道（地表溪流、深切河、峡谷）的分布海拔如何随时间改变；二是形态上的变化，例如河道的蜿蜒度。同时，他们利用区域气候模型（RACMO2.3）数据分析了同期冰川表面物质平衡（SMB）的变化，以建立水文系统演化与气候驱动因素之间的联系。

主要技术方法概述

研究的关键在于对多源、多时相遥感数据的处理与分析。核心数据包括1959年的高分辨率（约0.6米）历史航空照片和2020年的高分辨率（3米）PlanetScope卫星影像，用于精确刻画河道。同时，辅以SPOT、ASTER、Sentinel-2等中等分辨率影像进行定性时间序列分析。利用ArcticDEM（2米分辨率）生成山体阴影图，辅助在影像阴影或低对比度区域识别河道。冰川边界和均衡线海拔（ELA）通过遥感解译和区域重建获得。表面物质平衡（SMB）数据来源于经过统计降尺度的RACMO2.3区域气候模型。所有河道均依据形态学标准（如曲率、纹理、色调、岸壁清晰度）进行人工识别和分类（地表溪流、深切河、峡谷），确保了不同时期数据解译的一致性。

4.1 当代排水模式

研究发现，埃尔斯米尔岛冰川的冰上排水系统通常呈现类似的模式。在积累区等高地形变化大的区域，河道不明显，而是形成宽阔的树枝状排水网络。随着融水向下游流动，较小的溪流汇合形成更大的、 entrenched（嵌入冰体的）深切河，最终发展成与冰川流向平行的峡谷。在Unnamed 2和John Evans冰川的消融区，显著的汇点（冰臼和大型裂隙）区域拦截了主要冰上河流的径流，阻碍了融水从上游到下游消融区的连续输送。

4.2 定性多年代际变化

时间序列分析表明，在过去60年中，所研究的冰川表面水文网络发生了显著变化，趋势显示近期正向更稳定的永久性排水系统转变。这些变化体现在河道数量、长度、宽度、下切深度和蜿蜒度等方面。例如，在John Evans冰川上，1959年至1987年间在消融区北部形成了一条新的永久性河流，并且有河道向上游延伸，连接了上游和下游的排水系统。河岸和谷壁也随时间加宽。在更北的Unnamed 2冰川，河道蜿蜒度发生变化，出现了裁弯取直现象。Henrietta-Nesmith冰川上，大型永久性峡谷向上游扩展， terminus（冰川末端）区域也出现了许多新的永久性河道。相比之下，Sydkap冰川的 terminus 区域被一个大型裂隙场主导，抑制了永久性水文系统的形成。

4.3 1959年至2020年间排水系统的定量演化

自1959年以来，所有冰川的总河道长度和排水密度（D_d）均有所增加。到2020年，Unnamed 2和John Evans冰川的总河道长度分别增加了35.8%和39.4%，而最北端的Unnamed 1冰川仅增加了7.1%。更重要的是，河道类型的相对贡献发生了转变，从以地表溪流为主转向以深切河为主。峡谷的长度在所有冰川上都有所增加，但其相对贡献因冰川而异。

4.3.1 冰上河道的时空变异性

排水密度（D_d）的增加在所有冰川的所有海拔带都有发生，但最显著的变化发生在靠近冰川末端的海拔带以及1959年均衡线海拔（ELA）之上的区域。这种变化主要是由永久性（深切）河道的发展和扩张驱动的，而地表溪流的D_d在所有冰川表面都有所下降。峡谷的分布海拔范围变广，现在主导着较低的消融区；而深切河在更高海拔地区变得更加普遍，其峰值D_d已向更高海拔转移。

4.3.2 蜿蜒度的变化

1959年，大多数冰川的河道蜿蜒度值普遍高于2020年，尤其是Unnamed 1冰川。然而，统计检验表明，1959年和2020年之间的蜿蜒度分布变化并不显著。这反映了这些河道的动态性质：持续的河岸侵蚀导致裁弯取直和河道变直，之后河道为调整其坡度又会开始形成新的曲流。

4.4 表面物质平衡的变化

模型结果表明，自20世纪60年代中期以来，所有研究冰川的消融区和积累区的净年物质平衡（SMB）均呈现显著的负趋势（物质损失增加）。这种质量损失主要由夏季融化加剧驱动。损失的幅度和速率存在纬度差异，最南端的Sydkap冰川损失最高，最北端的Unnamed 1冰川损失最低。特别值得注意的是，积累区的物质损失相对增加速度远快于消融区，表明高海拔地区对气候变暖的脆弱性在增加。与此相一致，所有冰川的均衡线海拔（ELA）自1959年以来均有所上升，其中Unnamed 1冰川的ELA已上升到超过其最高点，意味着其积累区已完全消失。

研究结论与意义

这项研究首次对埃尔斯米尔岛冰川表面排水系统进行了跨越60年的详细分析，揭示了在气候变暖驱动下，冰上水文网络发生了系统性重组。核心结论是，冰川表面排水系统正变得更为发达、更趋向永久性，并且向更高海拔扩张。这种转变与均衡线海拔（ELA）的上升和表面融化的增加直接相关。

研究揭示了明显的南北梯度差异。南部冰川（如Sydkap, John Evans, Unnamed 2）由于表面融化更强，其水文系统演化更为迅速，冰上河道与冰下系统的连通性（通过汇点体现）更强。而北部冰川（如Unnamed 1, Henrietta-Nesmith）则因温度更低、冰体更冷，表面排水系统虽然密度更高，但相对稳定，与冰下系统的连通性较弱。Sydkap冰川因其强烈的消融和广泛的裂隙场，未能形成永久的排水系统，是个例外。

研究的深刻意义在于，它表明冰川表面水文系统不仅是气候变暖的被动指标，其自身的演化（如河道深切、向上游扩展）也会反饋于冰川本身。更发达的排水系统能更有效地输送融水，可能增加融水通过汇点进入冰川底部的机会，从而潜在影响基底水压和冰川运动。此外，积累区物质损失的加速和高海拔地区河道网络的扩张，预示着即使过去相对稳定的高海拔冰体也对未来变暖极为敏感。

总之，这项研究为了解北极快速变化环境下冰川水文过程及其对海平面上升的贡献提供了关键的基础数据和新见解。随着变暖持续，拥有大量中海拔冰体的冰川（如Unnamed 2）可能面临更快速的水文重组和物质损失，这需要持续的关注和研究。