美国犹他州拉萨尔山脉0°C年平均气温等温线以上的活动性和过渡性石冰川

《Arctic, Antarctic, and Alpine Research》：Active and transitional rock glaciers above the 0°C mean annual air temperature isotherm in the La Sal Mountains, Utah, USA

　　

石冰川是高寒环境中的常见地貌，在水文和景观演化中发挥重要作用。研究人员利用卫星雷达干涉测量（InSAR）、地形数据和光学影像，识别并表征了2016–2024年美国犹他州拉萨尔山脉的石冰川运动。该编录包括41个活动性和过渡性石冰川以及20个残留体。活动性和过渡性石冰川的平均海拔为3266 ± 192 m，在该海拔处，1991–2020年PRISM模型气候常态的平均气温（MAAT）估计为1.99 ± 1.46°C。平均下坡速度为6.8 ± 2.7 cm yr^–1，单个速度范围为2.7至12.8 cm yr^–1。来自20个代表性石冰川的位移时间序列揭示了强烈的季节性变化，在液态水可用性最大的夏末，速率最高达到87.6 cm yr^–1。值得注意的是，尽管这些石冰川位于1991–2020年气候常态的0°C MAAT等温线以上，它们仍保持活动或过渡状态，表明对气温上升具有韧性。研究人员的成果为石冰川运动学的环境控制因素提供了见解，并展示了一种建立编录的方法，这对于改进高山储水量的估算至关重要。

石冰川是高山环境中常见的地貌，对水文过程和景观演化具有重要影响。然而，传统基于光学影像的编录方法难以区分活动态与残留态石冰川，且受云雾、积雪等限制，导致对石冰川运动学特征及其气候响应机制的认识不足。美国犹他州拉萨尔山脉是科罗拉多河及周边社区的重要水源地，但该区域缺乏基于合成孔径雷达干涉测量（InSAR）的运动学编录，制约了对区域永久冻土状况、水文储量的评估。为填补这一空白，研究人员利用2016–2024年的Sentinel-1卫星InSAR数据、地形数据和光学影像，构建了首个基于InSAR的拉萨尔山脉石冰川编录，旨在量化石冰川的运动速率、空间分布及其与环境因素的关系，为理解过去、现在和未来的高山水文与永久冻土演变提供关键数据。该研究论文发表在《Arctic, Antarctic, and Alpine Research》。

研究人员开展研究使用的主要关键技术方法包括：1）基于欧洲航天局哥白尼Sentinel-1卫星的C波段合成孔径雷达（SAR）数据（拍摄于2016–2024年雪季间，共118景），利用喷气推进实验室InSAR科学计算环境（ISCE）处理生成干涉图，并通过迈阿密InSAR时间序列软件（MintPy）进行网络反演，得到平均年速度图和位移时间序列；2）结合哥白尼30米数字高程模型（DEM）和Google Earth光学影像，依据国际永久冻土协会（IPA）石冰川编录与运动学工作组标准，手动勾勒石冰川边界和运动区域；3）采用参数-高程回归独立坡度模型（PRISM）的1991–2020年30年气候常态数据（800米网格）和美国农业部雪量遥测（SNOTEL）站数据获取温度与降水信息；4）将视线向（LOS）速度投影至下坡方向，并利用非参数Kruskal-Wallis检验分析组间差异；5）对20个代表性石冰川进行位移时间序列分析，对比雪季与非雪季的运动速率。

研究结果具体如下：

**Inventory physical characteristics**：基于InSAR变形信号识别出41个活动性和过渡性石冰川（7个活动、34个过渡），以及20个残留石冰川（基于光学编录）。活动与过渡石冰川平均海拔3266 ± 192 m，平均面积0.092 ± 0.095 km²，平均坡度25.8° ± 6.2°，主要朝北（56.1%）和西北（31.7%）。形态上舌状（25个）与叶状（16个）无显著海拔差异；岩屑堆连接型石冰川（28个）海拔显著高于覆岩坡连接型（13个）（p=0.0009），且前者降水更多；单元型石冰川（33个）海拔和面积均显著高于系统型（8个）（p=0.0448和0.0275）。

**Rock glacier climate envelope**：基于PRISM模型，活动与过渡石冰川的MAAT为1.99 ± 1.46°C，其中3个低于0°C，8个高于3°C。舌状石冰川MAAT（1.62 ± 1.06°C）略低于叶状（2.55 ± 1.83°C，p=0.1002）；岩屑堆连接型MAAT（1.48 ± 1.07°C）显著低于覆岩坡连接型（3.08 ± 1.62°C，p=0.0023）。年降水量（MAP）为1051 ± 139 mm，其中约70%为降雪。

**Relict rock glaciers**：20个残留石冰川平均海拔2946 ± 299 m，显著低于活动与过渡石冰川（p=0.0001）；MAAT为4.33 ± 2.04°C，MAP为884 ± 174 mm，均显著更高（p<0.000）。残留体主要朝北和西北（65%）。

**Active and transitional rock glacier velocity**：2016–2024年平均下坡速度为6.8 ± 2.7 cm yr^–1，活动石冰川（11.5 ± 0.9 cm yr^–1）快于过渡型（5.9 ± 1.7 cm yr^–1）。运动区平均面积0.025 km²，仅占石冰川总面积的32.9%。速度与面积、海拔、坡度、朝向、MAAT、MAP等均无显著相关性，但舌状石冰川速度略高于叶状（p=0.1088）。

**Time-dependent deformation**：20个代表性石冰川在2016–2024年非雪季（7–10月）的平均速度（30.2 ± 20.7 cm yr^–1）显著高于雪季（7.5 ± 8.1 cm yr^–1，p<0.000），其中45%的石冰川非雪季峰值超过50 cm yr^–1。夏季降水增多趋向于提高速度（R²=0.40，p=0.068），但温度与最大雪水当量相关性不显著。整体非雪季速度在9年间呈显著下降趋势（R²=0.50，p=0.032）。

讨论部分指出：拉萨尔山脉石冰川以过渡性为主（83%），平均速度（6.8 cm yr^–1）低于多数基于InSAR的编录（如新西兰南阿尔卑斯、挪威、欧洲阿尔卑斯等地）。这可能源于较低的内冰含量（运动区仅占32.9%），且以冰胶结型为主（非冰核型），导致变形速率较低。石冰川位于0°C MAAT等温线以上仍保持活动，表明其内部热状态与大气温度解耦（由粗粒表层隔热、通风效应等引起），内冰可在正温条件下持续数十年至数百年。季节性加速主要发生在夏末，与液态水向剪切带的高效输送有关。研究还验证了InSAR速度与现场差分GPS测量结果一致（绝对平均差异5.8 cm yr^–1）。InSAR方法存在视线向低估、相位解缠误差等局限，但整体能有效捕捉季节节奏。

研究结论翻译如下：研究人员利用哥白尼Sentinel-1卫星的InSAR、Google Earth影像、哥白尼DEM以及PRISM和SNOTEL气候数据，编制了美国犹他州拉萨尔山脉的41个活动性和过渡性石冰川编录。该编录遵循国际永久冻土协会（IPA）石冰川编录与运动学工作组指南，将有助于建立全球首个石冰川编录。拉萨尔山脉的活动与过渡石冰川平均面积为0.09 km²，平均海拔3266 m，年平均气温和降水量分别为1.99°C和1.051 m。InSAR衍生的下坡速度范围为2.7 cm yr^–1至12.8 cm yr^–1，平均为6.8 ± 2.7 cm yr^–1。对20个代表性石冰川的时间序列分析显示，非雪季存在季节性加速，可能与剪切带内液态水的可用性有关。拉萨尔山脉石冰川的低速度可能归因于低内冰含量；但至少在短期内，这些石冰川在0°C等温线以上仍保持活动性和过渡性形态。