斯瓦尔巴汉斯冰川高频影像分析：揭示冰川崩解活动时空变化与驱动机制

《Journal of Glaciology》：High-frequency image analysis of calving activity and styles at Hansbreen, Svalbard

本研究针对冰川崩解（calving）过程时空变异性及其环境驱动机制认知不足的问题，利用2016年消融期获取的高频（15分钟间隔）延时摄影影像，对斯瓦尔巴汉斯冰川（Hansbreen）的崩解活动进行了人工识别与分析。研究发现该冰川崩解频率平均为30次/天，峰值达60次/天，且崩解活动与海、气温在季节尺度上密切相关，部分峰值与模拟融水径流和降雨增加相对应。研究还揭示了崩解样式（水线崩解、片状崩塌等）的空间分异及其与潮汐相位、冰洞形成等的关联。该数据集为训练冰川崩解自动识别算法提供了宝贵资源，深化了对冰-海相互作用复杂性的理解。

　　

在全球气候变暖的背景下，冰川，特别是海洋型冰川（marine-terminating glaciers）的消融与退缩，已成为全球海平面上升的重要因素。其中，冰川崩解（calving）作为冰川前端冰体断裂入海的过程，是导致冰川物质损失的关键机制之一。然而，由于冰川前缘冰-海交界处环境的极端复杂性以及观测手段的限制，我们对冰川崩解的高频时空变化规律及其与环境驱动因子（如海洋温度、融水径流、潮汐等）之间的具体联系，仍缺乏深入的理解。位于斯瓦尔巴群岛霍恩斯湾（Hornsund Fjord）的汉斯冰川（Hansbreen），作为一个典型的接地型潮水冰川（grounded tidewater glacier），为研究这一过程提供了理想的天然实验室。为了填补这一知识空白，研究人员开展了一项基于高频延时摄影影像的长期观测研究，相关成果发表于《Journal of Glaciology》。

本研究主要依赖于2016年5月至10月期间在汉斯冰川前端约1.4公里处布设的相机所获取的10,765张高频（15分钟间隔）延时摄影图像。通过对这些图像进行人工逐对比对，研究人员识别并分类了近3300次崩解事件，记录了其发生时间、在冰川前缘五个分区中的位置、崩解冰体大小（按相对于冰川前缘水上高度的比例分为1-4级）以及崩解样式（水线崩解waterline、冰崩icefall、片状崩塌sheet collapse、水下崩解submarine）。此外，研究还结合了卫星影像（Sentinel-2）用于确定冰川前缘位置和分区宽度的月际变化，并整合了来自波兰极地站霍恩斯堡（PPS）的海洋温度（CTD剖面和锚系观测）、气象数据（气温、降水）、模拟融水径流数据以及潮汐压力传感器数据，以探究环境因子对崩解活动的影响。

4.1 崩解活动与环境条件的关系：概述

研究发现，汉斯冰川在2016年消融期的平均崩解频率约为30次/天，峰值可达60次/天。崩解频率在季节尺度上与空气和海洋温度的变化趋势基本一致，特别是在7月中旬之后，海洋温度升高与崩解活动增强密切相关。从崩解规模来看，规模最小（1级）和最大（4级）的事件最为常见。尽管小型事件频发，但大型事件（3级和4级）对崩解总量的贡献占主导地位。融水径流和降雨的短期峰值也与某些崩解频率的增加相对应，但这种关系并不稳定，反映了驱动因素的复杂性。

4.2 崩解活动的时空变异性

崩解活动在冰川前缘的不同区域表现出显著的空间差异。位于中部的II、III、IV区崩解活动最为活跃，而两侧的I区和V区活动相对较弱。这种空间分异可能与海底地形（中部水深较大）、冰流速分布以及可能的冰下排泄流（subglacial discharge）位置有关。在崩解样式方面，水线崩解和片状崩塌是主要的崩解方式。水线崩解的比例从I区向V区增加，而片状崩塌则在中部区域（II-IV区）更为频繁。水下崩解事件的探测在远离相机的区域可能存在低估。

4.3 驱动因素

崩解活动受到多种环境因素的共同影响。研究表明，表面融水通过进入冰裂隙和增加冰川底部滑动速度，间接促进了崩解。冰下排泄流形成的羽状流（plume）会加剧冰川前缘的水下融化（submarine melting），形成热侵蚀凹槽（thermo-erosional notch）或冰洞（ice cave），从而削弱冰崖稳定性，引发崩解，尤其是在退潮（ebb tide）期间，水线崩解事件更为频繁。在汉斯冰川的III区和V区，超过60%的水线崩解事件发生在退潮期，且这些区域观测到规律的冰洞形成，暗示了冰下排泄流的存在和潮汐的共同作用。此外，冰川前缘的水深（bathymetry）也可能通过影响冰崖的力学稳定性来调控崩解活动。

结论与讨论

本研究通过手动分析超过一万张高频延时影像，详细刻画了汉斯冰川崩解活动的时空变异特征，并探讨了其与多种环境驱动因子的关联。主要结论包括：

1. 1.
   汉斯冰川的崩解活动具有高度的时空异质性，平均频率为30次/天，受海、气温季节性变化的显著影响。
2. 2.
   崩解样式（水线崩解、片状崩塌等）的分布沿冰川前缘呈现规律性变化，与局地因素（如海底地形、潜在冰下排泄流）密切相关。
3. 3.
   潮汐周期，特别是退潮阶段，对水线崩解事件有显著调制作用，且这种效应在空间上并非均一，可能与冰下排泄流的位置有关。
4. 4.
   研究产生的高质量、人工分类的崩解事件数据集，为未来开发基于时间序列影像的冰川崩解自动识别算法提供了宝贵的训练数据。

尽管高频延时摄影是研究冰川崩解的有力工具，但仍面临恶劣天气导致图像缺失、图像间隔限制（可能将多个小事件合并记录为一个大事件）、难以探测水下崩解等挑战。未来研究需要将延时摄影与水下声学监测、卫星遥感、无人机测绘以及更精细的海洋和气象原位观测相结合，以更全面地揭示冰-海相互作用的复杂过程。本研究深化了对北极典型潮水冰川崩解动力学及其环境驱动的认识，为改进冰川变化模型和预测未来冰盖物质损失提供了重要的观测依据。