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其他野外工作

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2017年其他野外工作进展

时间:  2018-02-13 10:00  点击:   次
1. 第二次青藏高原综合科考江湖源冰川及其变化考察
第二次青藏高原综合科考期间,江湖源综合科考选择了各拉丹冬峰地区岗陇加玛冰川(冰川编目:5k444b0080)作为参考冰川,是探究全球气候变暖背景下,江湖源区冰川的特殊变化。主要目的是基于传统方法,在遥感、无人机、三维激光地形扫描等最新设备等技术,通过对江湖源冰川动力学参数、水文气象的系统对比观测,了解江湖源区冰川变化特征及其对气候的响应过程。
具体野外工作如下:

图39 各拉丹冬峰地区冰川分布示意图

图40 岗陇加玛冰川
(1)浅冰芯的钻取
在钻取浅冰芯的基础上开展室内分析获取近百年来的该地区气温和降水的变化过程。

图41 浅冰芯钻取现场
(2)冰川雷达测厚
  利用电磁法获取冰川厚度,为深冰芯钻取及冰川动力学模拟做准备。
(3)冰川物质平衡观测系统布设
通过花杆雪坑法的直接观测、结合水文法(水文气象监测)、重复测量法(无人机摄影、三维激光地形扫描)对比观测参考冰川的物质收支情况;按预定的计划,物质平衡组在冰面上总共插了10根花杆,分别位于海拔5750m(2根)、5700m(2根)、5650m(1根)、5600m(2根)、5550m(1根)、5500m(2根),并且对花杆进行编号,量取并记录了露出冰面的花杆高度。此外,在每一处花杆旁挖了一个雪坑,测量了雪坑深度和层位厚度,使用采样筒采雪样并称重,计算积雪密度(详细数据见下文)。而后使用gps对花杆位置进行定位和拍照。

  
图42 花杆布设及雪坑测量
(4)冰面自动气象站安装

图43自动气象站(海拔5800m)
(5)末端水文断面建设

图44 冰舌末端水文气象观测
野外工作所取得的初步成果如下:
首次在长江源头各拉丹冬峰开展系统的冰川变化监测、获取了岗陇加玛冰川的高清影像和dem、开展冰川水文气象的常规监测。
(1)通过遥感卫星数据初步获取了近30年来岗陇加玛冰川的面积变化

图45 姜根迪如冰川(5k45f0001)与岗陇加玛冰川(5k444b0080)变化统计

图46 岗陇加玛冰川面积变化示意图
利用多期遥感影像分析冰川面积和长度的变化序列,总结冰川变化的时间差异;多期面积变化结果显示,1989~2016年,各拉丹冬峰地区岗陇加玛冰川面积一直处于萎缩状态(图46),其萎缩速率为0.02km2·a-1,冰川面积随时间成对数衰减,1998~2007年,萎缩速率总体上有所减弱,2007~2016年增强。
(2)得到精度更高的冰川区域影像
航空摄影测量是一种行之有效的数据获取手段,具有快速、准确、高精度等优势。但由于冰川多处于地形复杂、交通不便、后勤保障困难的区域,若传统的有人驾驶飞机或固定翼无人机在此类区域执行相关拍摄任务,较为困难,具体表现在成本较高、携带不便、维修困难、缺少适宜的起飞跑道等方面。而近年来发展势头正猛的民用轻小型旋翼无人机在这种区域优势明显,便携、易维护、起飞不受地形限制。
作为第二次青藏高原综合科考江湖源冰川与环境变化考察的一部分,井哲帆、李晨毓等分别于2017年6月26日至7月16日、9月20日至9月24日在各拉丹冬岗陇加玛冰川开展外业工作,对冰川冰舌部分及下游河谷使用无人机进行了航空摄影测量。
表1 外业工作概况
拍摄日期 拍摄区域 无人机机型
6.30 河谷 dji phantom 4 pro
7.6 冰川 dji phantom 4
7.11 河谷 dji phantom 4
7.12 冰川 dji phantom 4
9.21 冰川 dji phantom 4
9.22 河谷 dji phantom 4
9.23 冰川 dji phantom 4
 
 



图47 无人机正射影像及dem(数字高程模型)
由7月至9月间,可以看出冰川表面污化减轻,末端河冰完全消融,坡面积雪明显减少,植被由青边黄。北侧(图像上方)坡面径流较多,南侧坡面无明显水流。



图48  7月12日、9月24日冰川区正射影像




图49 冰面踩踏痕迹、帐篷及工作人员
两期影像地面分辨率均维持在10cm左右,可完全保证后期高空间精度分析要求。
以7月12日及9月24日对各拉丹冬岗陇加玛冰川的拍摄结果为例,总体来说,由于时间间隔较短,冰川边界并未发生剧烈变化。北部由于为阳面,且北坡表面径流较多,在温度、径流冲蚀的作用下消融较南部严重。末端冰舌部分变化较其余部分明显,但其中较剧烈部分多处于凸出且单薄状态,若排除此类特殊形态,冰川边界整体变化幅度类似。

图50 冰舌细部变化
以上两次拍摄均尝试了不设像控点直接后期处理,两期影像配准后重合状态较好,说明无像控点拍摄可运用于冰川变化监测。且由于在冰川区域布设像控点难度较大,无像控点航测更有助于提高此区域外业工作效率。
岗陇加玛冰川流域航测内业工作仍在进行之中,后期将进一步对冰川末端体积变化及河谷地表覆盖变化进行分析,以期得出本流域在2017年7月至9月间地表变化形势,为更长期的监测工作打下基础。
(3)获取了岗陇加玛冰川的厚度数据
2017年6-7月,对各拉丹冬岗陇加玛冰川粒雪盆进行了冰雷达探测,所使用的雷达为加拿大产pulse ekko。探测过程中,所选用的天线频率为100 mhz,天线间距与步幅均为4 m,时窗1500-2000 ns。
2017年6-7月及9月,青藏高原第二次综合考察江湖源冰川与环境变化考察队对各拉丹冬岗龙加玛冰川粒雪盆进行了冰雷达探测,所使用的雷达为加拿大产pulse ekko。根据考察队的统筹安排,工作分两部分进行。前期主要把冰雷达天线、外部支架等物资运送至近垭口位置,随后将中心控制单元(dvl)、电池及以上物资一并运送至垭口。探测过程中,所选用的天线频率为100 mhz,时窗1500-2000 ns,发射天线和接收天线以固定距离沿测线方向移动,天线间距及步距均为4 m。
2017年6-7月,在各拉丹冬岗龙加玛冰川完成了5条测线的冰雷达探测,如图11a。但是由于复杂的气候条件、仪器设备故障等原因导致数据质量较差,获取的有效数据非常少,因此在2017年9月对各拉丹冬岗龙加玛冰川进行了重新探测。
目前已完成了冰雷达数据的处理。结果显示,各拉丹冬岗龙加玛冰川第二次冰雷达探测数据质量较好,能够清晰的识别出冰-岩界面。岗龙加玛冰川粒雪盆区域平均冰厚约为142 m,最大冰厚约为169 m,最大冰厚出现在line 3测线。此外,从观测结果可以看出,岗龙加玛冰川粒雪盆区域存在着较大范围的暖冰层。
(4)获得了冰川融水流量、水化学参数和径流含沙量的日内变化过程
观测期内水位在上午8-10时最低,在晚上8-11时前后最大;ec、tds、salt在上午9-10时水位最低时最高,在晚上10时水位最高时最低;水温在下午16-17时前后达到最高值,在夜里11时至凌晨7时较低;ph(图中值为0.5*ph)前期受降雨影响值较高,后期变化较为平缓。
(5)获取了大量积雪样品
本次野外在不同海拔高度共采集雪坑13个,雪坑总体较干净,污化层较少,有较多的附加冰层;共采集72个雪密度样品,47个黑碳和汞样品,92个doc样品,18个18o、孢粉和微生物的样品。

2.新疆积雪观测
2017年度新疆野外主要分“环北疆采样”和“库威站固定点采样”两种类型:“环北疆采样”共进行了3次,分别为2016年11月下旬、2017年1月上旬和3月中下旬;“库威站固定点采样”自2016年11月开始至2017年4月结束。“库威站固定点采样”还包括库威站常规样品采集,包括河水、降水和地下水,测试指标为同位素和离子,自2017年4月开始加入新指标hg的样品采集。共获取积雪样品249个,其中积雪稳定期采集雪样40个,消融期采集雪样 209个。主要用以测试积雪表面及雪坑剖面的黑碳、有机碳和粉尘指标,分析北疆积雪吸旋光性杂质的分布和沉积过程。
总体上,新疆的样品采集包括了天山北坡、准葛尔盆地和阿尔泰山中段南坡的大部分区域,时间涵盖了积雪初期、积雪稳定期和积雪消融期三个主要时间节点。库威站的采样顺利完成,包含了2016-2017年完整的积雪季,样品类型涵盖了降雪(较少)、分层积雪样品、表层积雪样品、积雪融水样品(融雪径流场)、固态积雪样品和河水。上述样品测试指标包括了hg、doc、bc、离子、同位素、光谱和积雪特性等。

图51 采样点分布图

图52 北疆积雪剖面理化特征观测

3中国冰冻圈服务功能形成机理与综合区划野外考察
2017年7月08日至7月19日实验室组织了河西走廊联合科学考察。考察队伍由王晓明研究员、黄金川副研究员带领,队伍来自中国科学院西北生态环境资源研究院、中国科学院地理科学与资源研究所、北京师范大学及国家气候中心等单位,一行12人于2017年7月08日从兰州出发,并于7月19日返回。
考察路线途经石羊河流域、黑河流域与疏勒河流域,考察了沿途地区水资源开发利用、当地生态及社会经济等情况,重点调研了武威市民勤县、张掖市和敦煌市。考察队伍与民勤县政府、敦煌市政府展开了座谈会,王晓明研究员分别向当地政府与会人员介绍了“中国冰冻圈服务功能形成机理与综合区划研究”项目及其相应课题,同时听取了水务局、科技局、发改局、旅游局、林业局、环保局和气象局等政府部门工作人员就水资源开发利用基本情况、水资源管理措施、产业结构改革、生态环境建设、生态移民和引水工程建设等方面的情况介绍,并展开提问。双方各自选出一位联络人,建立长效的沟通和合作机制,并就潜在数据资料共享问题达成一致。途中同时对河西走廊农户用水、生活生产、收入情况及地区旅游开展了问卷调查。同时参观考察了中科院黑河遥感试验研究站与黑河上游生态水文试验研究站。考察最后,第一课题与第五课题就“冰冻圈水资源服务功能区划”进行了详细的讨论,并达成合作意向。

图53 敦煌市部分座谈人员合影
9月1日至25日,根据实验室主持的基金委重大项目“中国冰冻圈服务功能形成机理与综合区划研究”总体要求和进度安排,效存德研究员、博士生刘世伟、杨洋及张晓鹏参与了新疆维吾尔自治区科学考察。 
在额尔齐斯河流域,科考人员沿着额尔齐斯河从河源区的阿尔泰山卡依尔特斯河流域一直到流域下游哈的巴河县,详细了解额尔齐斯河流域的水系水文、水资源、地貌特征、水利设施和社会经济状况。在北疆考察期间,与阿勒泰市政府,包括市发改委、水利局、林业局、农业局和旅游局等相关部门进行了专题座谈,详细调研阿勒泰市的水资源利用现状和可能存在的风险,及阿勒泰地区冰雪旅游发展现状和远景规划。会后,科考队在副市长甘敬义陪同下,参观了阿勒泰市政府污水处理厂和中水湿地公园。 
在伊犁河流域考察期间,考察人员重点调研了伊犁河河谷的农业生产及水资源消耗情况。通过走访当地农户,详细了解当地的农业生产结构、农民收入水平、农业灌溉方式以及农业生产活动存在的问题。期间,科考队重点考察了丝绸之路经济带上的最大口岸—霍尔果斯口岸,深入了解“一带一路”战略对该地区带来的巨大变化。 
在塔里木河流域考察期间,科考队对塔里木河的主要支流(阿克苏河、喀什噶尔河、叶尔羌河和和田河)进行分要素和服务功能的冰冻圈科学考察。通过实地踏勘,详细调研了不同支流水资源利用和调配的现状和存在的问题,如何保证充足社会用水需求的同时寻求更多的生态用水是水资源可持续发展的重点。同时,喀什市是中巴经济走廊的关键城市,通过与地区行署、水文、气象、农业、发改、水务等相关部门进行座谈,从地区层面上详细调研冰冻圈对喀什地区经济社会发展和城镇化的影响。 
本次野外考察行程上万公里,考察路线涉及新疆额尔齐斯河、伊犁河和塔里木河三大流域以及“一带一路”中丝绸之路经济带上的重要地区和节点城市。旨在调研我国西北干旱区水资源、冰雪旅游、城镇化和社会经济可持续发展及气候变化情景下冰冻圈对其影响和适应策略。通过此次科学考察,考察人员基本摸清了新疆水资源的“家底”,掌握了水资源开发利用存在的主要问题,厘清了南北疆在水资源利用、生态服务和冰雪旅游开发方面存在的差异,为下一步分区、分流与研究中国冰冻圈水资源与服务功能间的关系奠定了基础。科考队与当地政府各相关职能部门建立了沟通机制,为项目后续研究奠定了良好基础。

图54 考察人员与喀什地区行署相关部门举行座谈会

4.青藏高原野外生态航拍工作、定点观测
2017年7月15日—8月8日,由实验室宜树华研究员带队,中科院寒旱所、兰州理工大学、南通大学、兰州大学、中科院遥感所、中科院城环所等单位参与,一行19人在青藏高原开展了大范围生态航拍工作(图55)。

图55 2017年青藏高原草地考察全体成员
此次考察共分三队,宜树华研究员带队前往那曲进行热红外及多光谱无人机航拍;张建国副教授、邓晓峰副研究员带领另一队在青藏高原进行了大范围草地生态系统航拍;周兆叶副教授带领第三支队伍沿黄河顺流而下进行灌丛航拍。历时25天、行程9000公里、途径3个省区,在500多个样点执行了多种模式的航拍采样,采集了遍布青藏高原的各类草地的格网摄影、样带摄影、垂直点摄影及录像数据。此外,在那曲站开展多光谱及热红外的定点航拍工作并对黄河源区进行了灌丛调查。
分别于2017年8月14日—8月19日和2017年9月07日—9月13日,在海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站进行高寒草甸的热红外及多光谱航拍工作(图56)。主要以涡动塔为中心,划定周围约400m×400m范围为研究区域,通过航拍手段获取植被及地表温度信息。除特殊天气外,每天观测8-9次。此次野外工作连续观测了5天,共获取1000余张航拍照片。

图56 2017年海北草甸无人机航拍
2017年8月14日—8月23日,由宜树华研究员带队前往青海省河南县进行生态航拍(图56)。主要目的是利用无人机对当地鼠兔灾害情况进行分析。所选研究区均为河南县鼠害较重的区域,基本上覆盖了全县各个方向,共设立50余个工作点,每个工作点拍摄16张照片(共拍摄800余张照片)。在航拍的同时,也记录了工作点附近的放牧情况及招鹰架的布置情况,并用于确定该区域是冬/夏季牧场。

图57 野外工作现场
 
在甘肃省甘南藏族自治州玛曲县阿孜畜牧科技示范园区试验站,孙义博士后开展了有关青藏高原高寒草甸家庭牧场草地退化分异特征及驱动机制等方面的研究,该工作的目的是将无人机技术应用于草地植被调查中(图58)。主要工作有: 4-10月,完成4个典型家庭牧场家畜、草地斑块变化和啮齿类动物活动监测。方法为按照牧户出牧和归牧时间,每小时拍摄畜群在草地上的位置和分布格局(9-13次/天);6-9月,完成典型牧场草地破碎化及啮齿类动物活动监测,有效图片约6000张;分别使用样方法和无人机航拍的方法对目标家庭牧场植物群落的物种组成及地上生物量进行调查(后者已完成15组案例);7-8月,在目标牧场采集土壤样品180个。2)4-5月和7-8月,分两次对玛曲县域范围内9个乡镇(厂)的家畜空间分布进行调研;并于7-8月,利用无人机航拍完成玛曲县域的草地植被盖度、斑块及啮齿类动物活动范围调查,分别耗时8天和12天,行程3500多公里,获得有效图片近2000张。
历经7个月的野外定点测,获取了大量有关高寒草甸家庭牧场家畜行为和家畜对草地利用强度的时空分布特征,以及相应植被、土壤动态变化的第一手资料,为进一步揭示该区草地退化分异特征及驱动机制提供了基础数据。此外,以试验站为中心进行的玛曲县域草地、斑块等的调查不但为团队的大范围调查提供必要的数据支持,也有助于本研究结果的实地验证。

图58 下雪天牦牛采食空间分布特征航拍图
由秦彧助理研究员带队于2017年6月28日—8月23日,在青海省天峻县苏里乡展开斑块破碎化对高寒草地稳定性的影响以及生境破碎化和鼠兔对高寒草地生态水文过程的影响研究(图59、图60)。具体工作包括:完成草地、鼠洞、鼠丘、灌木的植被呼吸观测并进行增温实验,每隔一个完整的24小时进行不同位置的重复性实验3次;探地雷达针对不同类型高寒草地的鼠兔洞道特征的测量:在退化沼泽草甸(3个)、高寒草甸(6个)、退化高寒草甸(3个)和高寒草原(9个)地区进行雷达探测,同时记录样地内鼠兔洞口的位置及数量,并在不同类型高寒草地的鼠兔洞道进行实地调查,并记录鼠兔洞道的特征。共采集近20条鼠兔洞道的剖面图和84张探地雷达探测数据。

图59 苏里乡野外工作照


图60 苏里乡野外工作照
 
5.青藏高原以及周边大气环境观测
本研究关注第三极地区污染物跨境传输以及环境效应,2017年度继续完善已有和更新的大气tsp采样点(如图61所示),进行连续的大气tsp样品采集,获得气溶胶样品数百个,用于oc/ec, 常规化学离子,微量元素,有机污染物,颗粒态汞等的研究。并在珠峰站继续进行大气黑碳在线监测,在纳木错站继续进行大气hg、以及臭氧的在线监测。

图61 第三极地区大气污染物及其冰冻圈变化观测网络图

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