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题目

Altimetry-based ice-marginal lake water level changes in Greenland

作者与单位信息

  • 第一作者：Mads Dømgaard
  • 通讯作者：Mads Dømgaard (mld@ign.ku.dk)
  • 单位：
  1. Department of Geoscience and Natural Resource Management, University of Copenhagen, 1350 Copenhagen K, Denmark
  2. Geological Survey of Denmark and Greenland (GEUS), 1350 Copenhagen, Denmark

第一作者其他三篇代表著作

  1. Dømgaard, M. et al. (2023) Recent changes in drainage route and outburst magnitude of the Russell Glacier ice-dammed lake, West Greenland. Cryosphere 17, 1373–1387.
  2. Carrivick, J. L. & Dømgaard, M. (2019) A review of glacier outburst floods in Iceland and Greenland with a megafloods perspective. Earth-Science Reviews 196, 102876.
  3. Dømgaard, M. et al. (2023) Ice-dammed lake drainage cools and raises surface salinities in a tidewater outlet glacier fjord, west Greenland. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 119, 1310–1321.

摘要

格陵兰拥有超过3300个冰缘湖，是融水流入海洋的天然水库。水的突然释放可能极大影响生态系统、地貌形态、冰动力学并引发洪水灾害。尽管在许多冰川地区已进行了大规模的冰川湖溃决洪水(GLOFs)研究，但格陵兰仍未得到充分研究。本文利用高度计数据提供了首个格陵兰全境范围的冰缘湖水位变化清单，研究了2003-2023年间1100多个湖泊，揭示了多种湖泊行为模式。约60%的湖泊波动极小，而326个湖泊已排干，共同导致2008-2022年间观测到541次GLOFs。这些GLOFs在规模和频率上差异显著，北区和东北区观测到最高浓度。我们的结果显示GLOF数量存在显著的年度差异，2019年出现明显峰值，与极端径流年份相吻合。与现有历史数据库相比，本文的方法检测到的排干湖泊数量增加了1200%。这表明GLOF事件被严重低估，并强调了深入理解这些戏剧性事件背后的机制及其后果的迫切需求。

相关研究的重要性

  1. 水资源管理：格陵兰冰缘湖储存了约0.43毫米海平面当量的水，对理解全球水循环和海平面上升至关重要。
  2. 冰川动力学影响：终止于湖泊的冰川边缘冰速比陆地终止的冰川高约25%，冰缘湖显著影响冰川质量损失和末端退缩。
  3. 生态系统影响：GLOFs会改变峡湾环流、下游地貌形态、局部冰动力学和基岩位移，对生态系统产生深远影响。
  4. 灾害风险评估：虽然格陵兰人口稀少，GLOFs的社会影响较小，但在其他地区(如喜马拉雅山和瑞士阿尔卑斯山)这些事件对人类生命和基础设施构成严重威胁。
  5. 气候变化指标：冰缘湖的变化反映了冰盖表面融化和冰缘退缩，是气候变化的重要指标。

前人研究及不足

前人相关研究：

  1. 全球冰川湖增长研究：Shugar et al. (2020)揭示了1990年以来全球冰川湖的快速扩张。
  2. 格陵兰冰缘湖清单：How et al. (2021)和Carrivick & Quincey (2014)利用光学和SAR卫星图像创建了格陵兰冰缘湖清单。
  3. 区域GLOF研究：Kjeldsen et al. (2017)、Grinsted et al. (2017)和Russell et al. (2011)对格陵兰特定地区的冰缘湖排水模式进行了详细研究。
  4. 历史GLOF数据库：Lützow et al. (2023)创建了全球历史冰川湖溃决洪水数据库，但格陵兰仅记录153个事件，25个GLOF位置。
  5. 长期变化研究：Veh et al. (2023)研究了1900年以来冰缘湖溃决洪水的变化，发现洪水事件变得较少极端且发生时间提前。

前人研究不足：

  1. 格陵兰研究严重不足：历史数据库仅记录153个GLOF事件，而格陵兰拥有3300多个冰缘湖，表明大量事件未被记录。
  2. 方法局限性：以往研究主要依赖光学和SAR卫星图像，受云层、积雪、冰覆盖和湖水浊度限制，尤其在北部地区。
  3. 规模不匹配：大规模研究未能捕捉到格陵兰GLOF的细节，而详细研究仅限于个别湖泊或小区域。
  4. 驱动机制不明确：对GLOF事件与气候变量(如径流)之间的关系理解不足，缺乏区域差异性分析。
  5. 长期趋势数据缺乏：观测时间序列短，难以确定GLOF频率和规模的长期变化趋势。

本文使用数据与方法

数据：

  1. 湖泊轮廓数据：来自丹麦数据供应和基础设施局(SDFI)的格陵兰测绘数据(2018-2022年)，包含150,000多个湖泊，其中10,073个被识别为冰缘湖。
  2. 高度计数据：四个不同时期和类型的卫星和机载高度计数据：
    ICESat/GLAS GLAH06 (2003-2009年)
    IceBridge ATM ILATM1B V1 (2009-2012年)和V2 (2013-2019年)
    ICESat-2 ATL06 (2018-2023年)

方法：

  1. 数据筛选：选择面积大于0.2 km²的1387个冰缘湖进行分析。
  2. 水位时间序列构建：将高度计测量值与湖泊轮廓结合，应用统计异常值检测框架去除误差测量。
  3. 水位变化计算：计算每个湖泊观察期间最大水位差(dWL)。
  4. 湖泊分类：手动检查dWL超过4m的湖泊，分为三类：
    有GLOF行为的湖泊(水位突然下降)
    无GLOF行为但水位总体下降的湖泊
    无GLOF行为但水位总体上升的湖泊
  5. 光学验证：使用Planet Scope、Sentinel-2和Landsat 8-9的光学卫星图像验证95%的GLOF事件。
  6. 径流分析：使用区域大气气候模型(RACMO2.3p2)的1km分辨率数据分析径流与GLOF频率的关系。

研究结果

  1. 湖泊行为多样性：1152个有足够观测的湖泊中，687个(约60%)水位波动在0-4m之间，表明有稳定水流出。
  2. GLOF事件广泛存在：326个湖泊展现出GLOF行为，记录了541次排水事件，45%的湖泊多次排水。
  3. 历史记录严重低估：检测到的排水湖数量比历史数据库多1200%，表明GLOF事件被大幅低估。
  4. 年度变化显著：2019年观测到178次GLOF事件(占总数的三分之一)，与极端径流年份吻合；2020-2023年GLOF数量和平均径流显著降低。
  5. 区域分布不均：东北区(NE)、北区(NO)和西南区(SW)GLOF事件数量最多，分别为101、78和58个湖泊；中央东区(CE)相对浓度最高(43%)。
  6. 排水规模差异：除东南区(SE)外，所有区域都有排水规模超过50m的湖泊；西南区(SW)有11个湖泊(19%的该区域湖泊)排水规模超过50m。
  7. 径流与GLOF关系复杂：虽然2019年极端径流与GLOF峰值吻合，但区域尺度上径流与GLOF数量的相关性差异很大(R²=0.37)，表明其他因素也起重要作用。

创新之处

  1. 首次全境研究：首次进行格陵兰全境范围的冰缘湖水位变化综合研究，覆盖1100多个湖泊。
  2. 方法创新：使用高度计数据而非传统光学/SAR图像，克服了云层、积雪、冰覆盖和湖水浊度的限制，特别是在北部地区。
  3. 事件检测突破：检测到541次GLOF事件，比历史记录多1200%，揭示了格陵兰GLOF事件的广泛存在。
  4. 多源数据融合：整合了2003-2023年间四种不同类型的高度计数据，创建了长期水位时间序列。
  5. 区域模式识别：识别出GLOF事件的区域分布模式和与径流的复杂关系，为理解区域差异提供了基础。

研究贡献

  1. 填补知识空白：填补了格陵兰GLOF研究的空白，提供了全面的水位变化清单。
  2. 方法学贡献：证明了高度计数据在监测冰缘湖变化方面的价值，特别是在光学方法受限的区域。
  3. 环境影响评估：量化了GLOF事件的规模、频率和空间分布，为评估其对生态系统、地貌和冰动力学的影响提供了基础。
  4. 气候变化关联：将GLOF事件与极端径流事件(2019年)相关联，为理解气候变化如何影响冰川水文系统提供了证据。
  5. 数据共享：公开了格陵兰冰缘湖水位变化数据集，为未来研究提供基础。

研究不足

  1. 时空分辨率限制：高度计数据的时间分辨率不足以确定所有GLOF事件的确切持续时间(几小时到几个月)。
  2. 因果关系不确定：无法准确确定GLOF事件与潜在驱动因素(如径流、冰坝变薄)之间的因果关系。
  3. 观测周期较短：观测时间段(2003-2023年)较短，难以确定长期趋势和变化模式。
  4. 排水量估算不精确：仅测量水位变化，无法直接计算排水体积，因为这取决于湖泊的水深地形。
  5. 区域差异理解不足：虽然识别了区域模式，但对不同区域GLOF触发机制的具体差异理解有限。

后续改进与跟进

  1. 延长观测序列：随着ICESat-2持续收集数据，将扩展观测时间，以确定GLOF频率和规模的长期趋势。
  2. 多方法整合：结合光学图像、高度计数据和水文模型，提高GLOF事件检测和特征描述的准确性。
  3. 机制深入研究：针对特定区域(如西南区)开展详细研究，了解为什么在极端径流年份GLOF数量不一定增加。
  4. 冰坝动态分析：更详细地研究冰坝变薄与GLOF频率和规模之间的关系，特别是在北部地区。
  5. 影响评估：评估GLOFs对下游生态系统、峡湾环流和冰川动力学的具体影响，量化这些事件的环境和社会经济后果。
  6. 预测模型开发：开发预测GLOF事件的模型，结合气候预测，评估未来冰川湖溃决洪水的风险变化。
  7. 全球比较研究：将格陵兰GLOF特征与其他冰川地区(如喜马拉雅山、安第斯山脉)进行比较，识别共同模式和区域特殊性。