基于TanDEM-X InSAR的大地测量冰川物质平衡研究：揭示喀喇昆仑异常（2011–2019）的空间异质性

本研究利用TanDEM-X干涉合成孔径雷达（InSAR）数据，构建了一个创新的DEM差分框架，以解决喀喇昆仑地区冰川物质平衡时空异质性认知不足的问题。研究人员通过对681条冰川（总面积>10,000 km2）的高精度高程变化分析，发现2011–2019年间区域平均高程变化率为0.0038±0.0042 m yr?1，比物质平衡为0.0032±0.0052 m w.e. yr?1，整体呈现微弱增厚趋势。该研究揭示了跃动冰川与非跃动冰川的显著差异，证明了TanDEM-X InSAR DEM在复杂山地环境下进行精确大地测量物质平衡分析的能力，为未来大尺度冰川研究提供了可扩展的方法论。

　　

在全球冰川普遍退缩的背景下，喀喇昆仑地区却展现出独特的稳定性甚至轻微增厚现象，这一现象被称为“喀喇昆仑异常”（Karakoram Anomaly）。冰川作为气候变化的敏感指示器，不仅影响区域水资源供应，还关系到全球海平面上升。然而，由于传统测量方法的局限性，人们对喀喇昆仑地区冰川物质平衡异常的空间变异性和驱动机制仍知之甚少。以往研究多依赖光学立体影像或结合不同传感器数据，存在穿透性偏差（penetration bias）和时间模糊性问题，难以获得高分辨率、同时代的精确高程变化测量结果。为了填补这一空白，苏黎世联邦理工学院环境工程研究所的Shiyi Li和Irena Hajnsek在《Remote Sensing of Environment》上发表了一项研究，他们利用TanDEM-X任务的干涉合成孔径雷达（InSAR）数据，对喀喇昆仑中东部地区2011–2019年间的冰川高程变化进行了全面的大地测量分析。

本研究采用了三个核心模块组成的框架：首先，通过迭代方法生成高质量的InSAR DEM，解决山地地形对InSAR处理的挑战；其次，采用高斯过程回归（Gaussian Process Regression, GPR）的创新空隙填充方法，实现稳健的高程变化制图；最后，引入非平稳不确定性分析，进行严格的不确定性量化。所有分析基于2011–2012年和2019–2020年两个冬季的TanDEM-X CoSSC（Co-registered Single-look Slant-range Complex）数据产品，研究区域覆盖74.25°E至78.95°E和34.10°N至36.53°N的喀喇昆仑中东部地区，共涉及681条面积大于1 km2的冰川，总面积达10,963.29 km2。冰川边界来自Randolph Glacier Inventory（RGI）v7.0数据库，参考DEM采用Copernicus Global 1-arc-second（COP-30）DEM。

研究结果显示，喀喇昆仑地区冰川高程变化呈现高度空间异质性。区域平均高程变化率为0.0038±0.0042 m yr?1，比物质平衡为0.0032±0.0052 m w.e. yr?1，表明研究期间整体呈微弱增厚趋势。然而，这种平均趋势背后隐藏着巨大的空间变异：最大增厚速率达21.44 m yr?1（出现在Hispar冰川），而最大减薄速率为-10.27 m yr?1（出现在Panmah冰川）。

跃动冰川与非跃动冰川表现出明显不同的变化模式。跃动冰川（占研究区域冰川面积的75.63%）的平均高程变化率为0.019±0.0052 m yr?1，比物质平衡为0.0161±0.0063 m w.e. yr?1；而非跃动冰川（占面积的19.70%）的平均高程变化率为-0.0058±0.0044 m yr?1，比物质平衡为-0.049±0.0067 m w.e. yr?1。跃动冰川的过渡海拔（物质平衡接近零的海拔高度）位于4700–4800 m a.s.l.，明显高于非跃动冰川的4200–4300 m a.s.l.。

研究还发现物质平衡的东西梯度：东经77.1°以东地区冰川普遍呈现负物质平衡，而中部和西北部地区则以正物质平衡为主。此外，表碛覆盖冰川的物质平衡模式也明显不同于洁净冰川，表碛覆盖区域的高程变化分布更分散，平均变化率为0.01 m yr?1（标准差2.47 m yr?1），中值为-0.20 m yr?1（NMAD为0.90 m yr?1）；而非表碛覆盖区域的平均变化率为0.00 m yr?1（标准差0.89 m yr?1），中值为0.05 m yr?1（NMAD为0.43 m yr?1）。

在方法论方面，研究团队开发的GPR空隙填充方法表现出色，验证均方根误差（RMSE）随冰川规模增大而略有增加，但决定系数（R2）在中小冰川中保持在0.8以上。不确定性分析显示，高程变化测量的分散度与地形坡度呈指数关系，空间误差相关模型结合了短程高斯成分（范围204.53 m，部分基台值0.76）和长程球状成分（范围1590.40 m，部分基台值0.28）。

研究结论强调，喀喇昆仑地区在2011–2019年间整体呈现近平衡状态，但具有强烈的空间异质性。跃动冰川的动态过程是造成这种异质性的主要因素，而表碛覆盖、地形梯度等因素进一步增加了物质平衡模式的复杂性。与Hugonnet等（2021）基于ASTER数据的全球冰川质量变化研究相比，本研究发现的近平衡状态形成了鲜明对比，这种差异可能源于数据源和处理方法的不同：TanDEM-X InSAR数据具有更强的云层穿透能力和更高的空间分辨率，能够更准确地捕捉积累区的细微变化。

该研究的重要意义在于：首先，提出了一个完整的高精度InSAR DEM差分框架，为复杂山地环境下的冰川监测提供了可扩展的方法论；其次，提供了喀喇昆仑地区最新、最详细的冰川变化评估，增进了对“喀喇昆仑异常”的理解；最后，研究结果对区域水资源管理和气候变化适应策略具有重要参考价值。通过精确量化冰川变化及其不确定性，本研究为理解冰川对气候变化的响应机制提供了重要科学依据，也为未来全球冰川监测项目提供了技术参考。