近期，云南大学国际河流与生态安全研究院刘时银研究员课题组在《环境遥感》（Remote Sensing of Environment）期刊上发表了一项研究成果，通过融合多源卫星数据和机器学习技术，探讨了1990年以来喀喇昆仑山冰川表面反照率的时空变化特征，为解析喀喇昆仑山冰川异常（Karakoram Anomaly）发展过程提供了新的科学视角。
喀喇昆仑山冰川异常是指在全球变暖、冰川普遍退缩的背景下，该地区的冰川在1990年代中期出现前进或稳定的现象，因为其带来的冰川跃动和冰湖突发洪水灾害等现实问题而广受关注。受研究手段和观测数据限制，喀喇昆仑山冰川异常在时间和空间上的变化特征、发展趋势等仍属空白。针对这一问题，本研究基于Landsat卫星反射率数据和MODIS MCD43A3反照率产品，开发了随机森林回归（RFR）和反向传播神经网络回归（BPNNR）模型，利用谷歌地球引擎（Google Earth Engine）云平台及其计算能力，生成了1990年至2021年间夏季喀喇昆仑山冰川表面高分辨率反照率数据集（30米）。冰川表面反照率受积雪融化、粉尘与碳黑污染物以及表面碎屑物分布影响，控制着冰川表面对太阳辐射的吸收量及供给冰雪融化的能量通量，反照率高，说明有较多的太阳辐射被反射到太空，反照率低则说明冰川吸收了较多的太阳能，冰川融化加剧，因而是反映冰川变化的重要指标。利用巴托拉(Batura)、穆伦古蒂(Mulungutti)和亚拉(Yala)三条冰川地面观测数据进行验证，证实该数据产品精度高，是评估喀喇昆仑山地区冰川表面状态变化的高质量数据产品。
图1. 基于卫星遥感图像和机器学习算法的高分辨率反照率制图及粒雪线高度估算流程。
结果表明，喀喇昆仑山冰川表面反照率在过去30年间持续下降，冰川变暗，但表现出显著的空间异质性。喀喇昆仑山中西部冰川表面反照率年均变化率整体变化较小，而东部则表现出显著的反照率减小，年均减小率为−0.006至−0.01。这种空间异质性可能与各区域冰川的表碛覆盖、雪崩补给及冰川类型的差异密切相关。进一步的分析表明，表碛覆盖严重的冰川、受雪崩影响较大的冰川以及面积较大的冰川，其反照率的下降速率明显低于面积较小的洁净冰川。
图2. 1990-2021 年间喀喇昆仑东部（EK）、中部（CK）和西部（WK）各区域夏季冰川表面反照率变化趋势空间分布。
基于反照率产品提取的冰川粒雪线高度（Firn-line Altitude, FLA）反映出，自1995年至2010年喀喇昆仑山冰川普遍表现出粒雪线高度的下降，特别是在2003年下降到最低位置，这一现象反映出冰川在此期间存在融化减弱和物质增加的趋势。自2010年起，冰川的粒雪线逐步上升，标志着喀喇昆仑冰川异常向常态的逐渐转变，冰川进入退缩阶段。这一现象说明，两极地区之外最大的冰冻圈分布区——亚洲高山区的冰川总体上转向了普遍退缩的趋势，未来冰雪融水供水量、河流水量季节分配都将经历巨大的改变，下游水资源利用、防灾减灾应对都需要进行适用性调整。
图3. 喀喇昆仑山冰川粒雪线高度指示冰川异常变化。（a）1990年至2022年间，470条大冰川的粒雪线高度随冰川位置（质心纬度）的变化。（b）冰川平均粒雪线高度的时序变化。蓝色虚线表示多年平均粒雪线高度（海拔5,536米）。
研究还发现洁净型冰川表面反照率减小速率随海拔升高而增加，在接近平衡线高度处达到最大值，换言之，海拔更高的区域变暗加快；表碛覆盖型冰川各海拔高度反照率变化速率相对稳定，冰川变化也相对稳定。这一结果表明表面洁净的冰川经历了高海拔地区融化加剧和退缩加快的变化，在未来气候持续变暖影响下，表面反照率加速减小的区域是否继续向高海拔地区发展值得密切关注。
喀喇昆仑山的冰川和积雪融水是下游印度河和塔里木河重要的补给来源，估计冰雪融水占河川径流总量的60-80%，冰雪融水对于雨量丰沛和干旱年份的河川径流具有削峰填谷的作用，对下游水资源利用和管理影响巨大，本研究建立的冰川表面反照率数据对于进一步优化高海拔地区冰雪融水变化预测精度有重要价值。
图4. 亚洲高山区气温变化。（a）和（b）分别表示喀喇昆仑地区气象站记录的最高和最低温度异常。数据来源于巴基斯坦气象局和安装在穆隆古蒂冰川及巴图拉冰川上的两个自动气象站。粗黑线代表基于ERA5统计数据的喀喇昆仑地区年平均最高和最低温度。（c）和（d）分别展示了亚洲高山区夏季和年平均温度的变化趋势。灰色加号标志表示在0.5度网格尺度上通过Mann-Kendall检验的温度显著（p<0.05）变化区域。
研究团队通过融合机器学习与遥感数据，精细刻画了喀喇昆仑山冰川表面反照率及其动态变化，为未来山地冰川变化研究提供了新的数据和方法参考。未来的研究将继续关注喀喇昆仑山冰川的动态演变，尤其是冰川从异常到退缩的过程及其驱动机制，以进一步揭示气候变化对山地冰川系统的影响。
《环境遥感》（Remote Sensing of Environment）杂志于2024年9月22日在线发表了这一研究成果。论文的第一作者为云南大学国际河流与生态安全研究院博士后谢福明，通讯作者为研究院刘时银研究员和地球科学学院谈树成教授。国际河流与生态安全研究院博士后朱钰、硕士生青鑫沂，云南师范大学博士后高永鹏等参与该项研究。该研究得到国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(42361144874)、国家自然科学基金面上项目(42171129)、第二次青藏高原综合科学考察研究专题项目(2019QZKK0208)和云南省彩云博士后创新项目等项目资助。
论文信息：
标题：Retrieval of high-resolution melting-season albedo and its implications for the Karakoram Anomaly,
作者：Fuming Xie, Shiyin Liu, Yu Zhu, Xinyi Qing, Shucheng Tan, Yongpeng Gao, Miaomiao Qi, Ying Yi, Hui Ye, Muhammad Mannan Afzal, Xianhe Zhang, Jun Zhou
期刊：Remote Sensing of Environment
链接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114438
来源：国际河流与生态安全研究院
编辑：李哲 责任编辑：陈涛
