《Journal of Hydrology: Regional Studies》:Remotely sensed annual glacier mass balance in the China-Pakistan Economic Corridor during 2000–2020: Widespread mass loss and regional contrasts
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基于多源遥感,研究人员估算了2000—2020年中国—巴基斯坦经济走廊(China–Pakistan Economic Corridor, CPEC)1849条冰川的年物质平衡(annual mass balance, AMB)。2000—2020年多数年份冰
基于多源遥感,研究人员估算了2000—2020年中国—巴基斯坦经济走廊(China–Pakistan Economic Corridor, CPEC)1849条冰川的年物质平衡(annual mass balance, AMB)。2000—2020年多数年份冰川发生质量亏损,2010年出现异常正AMB。2000—2010年至2011—2020年,印度库什(Hindu Kush)中部物质平衡略有增加,而喀喇昆仑(Karakoram)和帕米尔(Pamir)物质平衡下降。最大过量融水来自印度河(Indus)流域冰川,其次为阿姆河(Amu Darya)和塔里木(Tarim)流域。
论文主体解读:中国—巴基斯坦经济走廊(China–Pakistan Economic Corridor, CPEC)是“一带一路”的重要组成部分,沿线基础设施密集,喀喇昆仑公路是连接中国和巴基斯坦的唯一公路。北部CPEC约3万条冰川,为印度河、阿姆河和塔里木河等提供径流,冰川融水支撑农业灌溉并调节区域气候,冰川相关灾害也威胁下游人口和基础设施。物质平衡直接反映冰川健康及其对区域供水的贡献,年物质平衡(annual mass balance, AMB)更适合表征冰川和融水径流的快速变化。现有问题是CPEC原位AMB观测极少且难以获得,限制区域和流域尺度评估;DEM差分虽可估计物质平衡,但受InSAR DEM时间分辨率低和光学立体像对DEM云覆盖影响,已有结果多为5—10年或更长间隔,难以解析年际变率。消融季地表反照率与物质平衡关系强,反照率方法已广泛应用;近期遥感反照率与差分DEM结合的方法可在无原位观测下估算AMB,均方根误差约0.495 m w.e.。因此,研究人员重建CPEC 1849条冰川2000—2020年AMB,分析时空变率、识别主导气候控制并量化主要流域年过量融水。该研究提高年际尺度冰川变化评估能力,并为大尺度AMB估算和水文应用提供框架。
关键技术方法(约250字):研究人员采用Diff-DEM-ABM方法(结合遥感反照率与差分DEM估算AMB),所需参数包括消融季平均反照率、反照率—海拔梯度、物质平衡—海拔梯度和长期平均物质平衡。数据包括中分辨率成像光谱仪(MODIS)雪/冰反照率MOD10A1与MYD10A1融合产品MO&YD10A1、Landsat TM/ETM+/OLI和Sentinel-2影像反演的高分辨率反照率、Hugonnet等基于ASTER DEM的冰川厚度变化与物质平衡产品、ERA5-Land再分析气候资料,以及SRTM DEM和RGI 6.0冰川编目。样本为CPEC研究区内经筛选的1849条冰川(23,606.11 km
2),时间范围为2000—2020年。
4.1 消融季反照率:通过MO&YD10A1反照率制图和相关性分析,2000—2020年平均消融季反照率为0.3—0.6,空间上自西向东降低;东喀喇昆仑多>0.5,西帕米尔和印度库什较低,为0.3—0.42。区域平均AMB为东喀喇昆仑?0.05±0.01 m w.e.、帕米尔?0.08±0.01 m w.e.、印度库什?0.14±0.02 m w.e.、西喜马拉雅?0.26±0.04 m w.e.;反照率与平均AMB正相关(R=0.51,P<0.05)。
4.2 年物质平衡:通过面积加权区域AMB,多数年份亏损且常低于?0.25 m w.e.;2010年区域峰值0.05±0.31 m w.e.,且三子区均为正,Karakoram、Pamir和Hindu Kush分别为0.007±0.23、0.084±0.19和0.132±0.29 m w.e.。2011年后转负并持续至2020;2010年后负线性斜率约?0.004 m w.e. decade
?1,不显著(P>0.05)。三子区年际变化大体一致,Hindu Kush波动更大。5年平均上Karakoram较稳定(?0.1至?0.075 m w.e.),Hindu Kush最低在2000—2004年(?0.23±0.26 m w.e.),最高在2010—2014年(?0.09±0.23 m w.e.);Karakoram和Pamir在2010—2014年最高,分别为?0.082±0.18和?0.076±0.2 m w.e.。
4.3 物质平衡海拔分布:通过分海拔箱面积加权相关,Karakoram平均AMB与海拔负相关(R=?0.15,P<0.05),即随海拔升高而降低;Pamir和Hindu Kush随海拔升高AMB趋增,Hindu Kush更明显。Karakoram多数年份呈负相关,2010年R=?0.48;2003、2005、2014和2016年呈先增后减,峰值约5000 m。
4.4 两个十年差异:通过比较2000—2010与2011—2020平均AMB,2011—2020在Hindu Kush中部和西喜马拉雅略增(0—0.1 m w.e.),在Karakoram和Pamir下降<0.1 m w.e.;两时期不同海拔总体为负;>5400 m冰川在2011—2020更负,4600—5000 m差异较小。既往研究提示高原高海拔增温更快可致高海拔更强亏损。
5.1 与既往研究比较:本研究长期平均AMB与独立DEM差分和卫星测高一致,三子区平均差仅0.03 m w.e. yr
?1;与消融季末雪线高度(snow line altitude, SLA)变化呈年际反向,Hindu Kush负相关最强(?0.88,P<0.05),Karakoram和Pamir为?0.83和?0.77(P<0.05)。与Hugonnet等DEM插值结果相比,后者线性趋势更明显,本研究年际波动更明显,最大差在2001年约?0.2 m w.e.;DEM插值未捕捉Hindu Kush 2010极高值,且仅在Karakoram与SLA接近,Pamir和Hindu Kush相关不显著(P>0.05),反映DEM样本有限区捕获年际信号困难。
5.2 气候对AMB影响:用ERA5-Land分析,质量平衡年10月—次年9月,暖季5—9月、冷季上年10月—次年4月。5.2.1 年际变化上,三子区AMB与平均暖季温度和年总降雪量相关强于其他因子,平均R=?0.83和0.74(P<0.001),暖季温度更显著;降雨除Hindu Kush外无显著相关。Karakoram暖季温度?4至?1 °C,累积质量损失最少;Hindu Kush 12—16 °C,变化率?0.01 °C yr
?1,累积损失最重;Pamir 3—5.5 °C,变化率0.02 °C yr
?1。三区2009和2010年暖季温度极低;年总降雪均>250 mm,Karakoram最高;除Pamir外,Karakoram和Hindu Kush年总降雪增加,速率1.71和2.46 mm yr
?1,三区最大年降雪均在2010年。因此2010年正AMB与低暖季温度和高年降雪强相关。5.2.2 区域差异上,2000—2020年CPEC北部温度增、降雪减;Karakoram南部和Hindu Kush相反,西喜马拉雅降雪增加。较冷且降雪更多与Hindu Kush和西喜马拉雅AMB增加一致;较少降雪和更暖与Pamir AMB下降一致。Karakoram高海拔AMB低于低海拔,暖季温度和年降雪均随海拔增加而降低;高海拔降雪减少造成的质量供应减少不能由低温补偿,导致更低物质平衡,机制仍需研究。
5.3 年过量融水径流:通过按流域聚合AMB并结合冰川面积,CPEC冰川占Indus、Tarim和Amu Darya流域冰川总数82%、36%、77%,面积69%、36%、73%。2000—2020年负AMB多数年份产生过量融水,2010年三流域为正故为0;Tarim在2004和2005年质量积累,过量融水也为0 Gt。Indus年过量融水0.18—4.4 Gt,最高;Amu Darya 0.53—2.37 Gt;Tarim最低,多不超过1 Gt。Amu Darya平均过量融水1.2 Gt(2000—2016)和1.25 Gt(2000—2018),与既往估计差≤0.2 Gt;Indus估计2.55 Gt(2000—2016),低于Brun等和Shean等的4.0和4.6 Gt,差异来自流域尺度物质平衡估计、聚合方法和计算冰川面积差异;Amu Darya物质平衡更一致,差异较小。
讨论部分总结:Diff-DEM-ABM可重建区域尺度年际AMB,且与独立估计和SLA相互支持;气候驱动以暖季温度和年降雪为主,区域差异明显;过量融水集中于Indus流域。
研究结论部分翻译:研究人员利用多源遥感重建CPEC约1800条冰川2000—2020年AMB;这些冰川是适用于Diff-DEM-ABM方法的CPEC子集。研究识别AMB时空格局及其与气候驱动关系,并量化三大流域年过量冰川融水。CPEC冰川在2000—2020多数年份持续亏损,最高AMB为2010年0.05 m w.e.,最低为2008年?0.24 m w.e.。AMB年际变率与平均暖季温度和年总降雪量相关。Karakoram AMB随海拔降低,因高海拔降雪减少;Pamir和Hindu Kush海拔与物质平衡正相关。与21世纪第一个十年相比,2011—2020年平均AMB在Hindu Kush中部略增,Karakoram和Pamir质量损失增强,两时期平均AMB差在0.1 m w.e.以内。Indus流域年过量冰川融水为0.18—4.4 Gt,其次Amu Darya(0.53—2.37 Gt),Tarim最低(<1 Gt)。通过估算大量冰川AMB,研究改进了CPEC年际尺度冰川变化过程评估;该框架为大尺度AMB估计和水文应用提供新机会。