高分辨率地形激光扫描测量揭示东科马迪冰川冰碛柱监测网络的局限性（2017–2023）

冰川末端附近的质量变化在空间上具有高度异质性，然而传统冰碛柱监测网络仅能稀疏采样这种变异性的一部分。本研究利用2017至2023年间重复进行的高分辨率地面三维激光扫描（Terrestrial Laser Scanning, TLS）测量，对东科马迪冰川两个分支——大东科马迪冰川（DD）和小东科马迪冰川（XD）——的表面高程变化进行了量化，并评估了基于冰碛柱监测的代表性。两个分支在研究期间均经历了显著的质量损失（DD：−0.679 m w.e.·a⁻¹；XD：−0.599 m w.e.·a⁻¹），但其行为在2021年后出现明显分异：DD的减薄速率减缓，而坡度更陡的XD分支则加速消融，在2022/2023年达到极端情况，当时XD的平衡线海拔（Equilibrium-Line Altitude, ELA）上升至超过该分支的最大海拔。TLS进一步揭示了清洁冰川表面持续存在的空间消融热点，这些热点被冰碛柱系统性地低估。截至2023年，相对于同期的冰碛柱估算结果，这一累积偏差在XD上造成了约1.88 m w.e.的未计入质量损失。上述发现凸显了几何形态复杂的冰川末端区域稀疏冰碛柱网络在代表性方面的局限，并证明了定期高分辨率大地测量监测对于降低监测伪影的价值。

东科马迪冰川位于青藏高原腹地唐古拉山脉中心区域（33°04′N, 92°03′E），是长江的重要源头之一，由大东科马迪冰川（DD）和小东科马迪冰川（XD）两个主要分支组成。该冰川系统自1989年起开展长期监测，是冰川变化研究领域的重要参照站点。本研究依托2017至2023年间开展的十次高分辨率TLS测量与同步野外实地观测，系统评估了传统冰碛柱监测网络在冰川末端复杂地形条件下的代表性局限，相关成果发表于《Advances in Climate Change Research》。

当前冰川质量平衡监测面临的核心挑战在于：消融区受表碛覆盖、冰崖、冰面湖等复杂下垫面特征影响，消融过程呈现显著的空间异质性；而传统的冰碛柱-雪坑法仅能提供点尺度观测，难以充分捕捉这种非均质性格局。尽管卫星遥感技术已广泛应用于区域尺度的冰川范围制图与表面流速反演，但其时空分辨率仍远不足以解析由地形、表面特征与气象条件复杂交互作用驱动的精细尺度过程。近年来，长距离TLS技术的突破为冰川学野外观测带来了前所未有的时空分辨率，但现有研究多集中于一至两年的短期应用，关于点测量在多大程度上代表整个冰川表面消融模式、以及这种代表性如何随时间演化等基本问题，因多年度、高频率TLS数据集的匮乏而长期悬而未决，制约了对历史质量平衡记录不确定性的约束和未来气候影响预测中数据融合模型的构建。

为应对上述不足，研究人员以东科马迪冰川2017–2023年数据集为基础，追求三个目标：量化冰川表面变化的精细时空格局；多年度评估传统冰碛柱测量的点尺度精度与空间代表性；开发冰川整体质量平衡重建的数据融合方法。该研究既记录了近期的冰川变化，又量化了传统监测的不确定性，为优化未来监测策略、提升区域冰川预测可靠性提供了路径。

研究样本队列来源于东科马迪冰川的冰碛柱网络，包括DD分支的18根冰碛柱和XD分支的36根冰碛柱。主要关键技术方法包括：采用RIEGL VZ-6000超长距扫描仪（1064 nm，10 mm标称单点精度）进行TLS数据采集，实施两阶段扫描策略——快速全景扫描与靶向高分辨率扫描相结合；基于多尺度模型到模型的点云比较算法（Multiscale Model-to-Model Cloud Comparison, M3C2）进行表面变化检测，核心参数经过敏感性分析优化（法向尺度D=5 m，投影尺度d=3 m）；利用迭代最近点算法（Iterative Closest Point, ICP）对多时相点云进行三维刚性配准；通过蒙特卡罗模拟（1000次迭代）进行冰川整体质量平衡的不确定性量化；构建基于海拔依赖的冰碛柱剖面与TLS衍生估算值进行对比，评估点尺度和面积尺度的代表性差异。

**TLS衍生冰川表面变化的不确定性评估**

研究人员基于稳定非冰川区M3C2距离分布量化TLS衍生表面高程变化的不确定性。结果显示系统偏差极小，最大绝对值不超过0.091 m；随机不确定性（标准差）介于0.063–0.164 m之间，其变异主要与调查特定的数据质量和配准策略相关。2021年9月调查因天气突变导致数据噪声增大、点密度显著降低，从而产生最大的系统偏差；而2022年6月至2023年7月直接与参考扫描比较的时期则表现出极低的偏差。研究采用逐期随机不确定性作为后续冰川变化分析的保守估计。

**冰川表面变化的时空格局**

高分辨率TLS监测揭示了东科马迪冰川末端复杂的时空变化格局，DD与XD分支呈现明显分异。

**海拔依赖性消融模式**

整体变化呈现一致的海拔依赖模式。冬季，DD分支在5350–5400 m附近、XD分支在更高海拔处出现由消融向积累的过渡；夏季则所有监测海拔均发生广泛减薄，且低海拔减薄率更强，形成陡峭的消融梯度。DD分支夏季表面下降从5550–5600 m带的−0.8 m增至5250–5300 m带的−2.5 m，消融梯度约−0.57 m/100 m。三年期尺度上，XD分支在5350–5500 m范围内的消融梯度（−3.5 m/100 m）较DD分支（−2.8 m/100 m）更陡，与其末端更陡的地表坡度相对应。DD分支最低海拔带（5250–5300 m）的三年期表面下降为−9.5 m，较5300–5350 m带的−10.3 m有所反转。

**消融热点与异常**

系统性梯度之上叠加了高强度的消融热点。DD末端东缘存在持续性消融热点，该处具有较暗的冰面和融水通道汇流特征。研究量化了与明显凹陷（2023年7月至10月下降−4.1 m）和塌陷冰洞（2022年6月至2023年7月下降−11.5 m）相关的极端表面下降，其值分别达到相应海拔带同期平均消融量的1.9倍和3.3倍。相反，冬季观测到局部表面抬升，如XD分支一条主要表冰渠道在2021–2022年冬季增厚达0.9 m，可能源于蓄水再冻结或风吹雪堆积等过程。

**时间演化与分支响应分异**

面积加权平均表面高程变化揭示了冰川质量损失主要集中在夏季。DD分支夏季消融平均为冬季的11.7倍，占年质量损失的92.1%；XD分支该比例为7.4倍和88.1%。2020年夏季（7–10月）记录了研究期间最强烈的消融。多年度尺度上，DD分支累积质量损失大于XD分支。值得注意的是，2021年后两个分支行为出现 striking divergence：DD末端减薄略有减缓，而XD末端则加速，其减薄率从第一时段的DD的62%升至第二时段的96%。

**冰碛柱与TLS测量的差异**

以TLS数据为独立基准，研究人员量化了冰碛柱-TLS在冰碛柱位置的分歧及其外推至末端尺度时的变化。点尺度差异在幅度和符号上高度可变，最大绝对偏差可达单个冰碛柱约1.2 m，且方向非稳态。DD冰川夏季平均偏差从2020年的低估（+0.40±0.52 cm/d）转变为2023年的高估（−0.45±0.54 cm/d）。某些位置的偏差在连续调查中持续存在，导致多年累积差异显著（如DD #11号桩三年累积约2.1 m）。

分歧向面积尺度的传递依赖于观测时间尺度。季节至年际尺度，点尺度和面积尺度差异幅度相当，部分情况下面积差异更小，源于空间聚合时的正负偏差部分抵消。相反，多年度估算显示放大效应，在DD冰川最为一致：两年和三年平均点偏差（33.47 cm和39.5 cm）分别增至面积偏差56.46 cm和82.23 cm，2021–2023年点偏差44.3 cm放大至面积偏差140.6 cm（放大因子3.2）。XD因冰碛柱覆盖相对较密，多数情况下面积偏差较小。总体而言，冰碛柱-TLS分歧并非简单的时间不变偏移，而是时空可变的，且稀疏点测量外推至末端多年度估算时会不成比例地增大。

**冰川整体质量平衡重建**

重建结果显示2017至2023年两个分支均持续大量冰量损失。DD累积质量损失−4.072±0.156 m w.e.，年均−0.679±0.026 m w.e.·a⁻¹；XD累积−3.595±0.116 m w.e.，年均−0.599±0.019 m w.e.·a⁻¹。持续负平衡与高平衡线海拔物理一致——多数年份ELA位于5750–5800 m，意味着超过80%的冰川面积处于消融区。年际变化呈现先缓和后急剧加速的模式：2021/2022年异常温和，随后2022/2023年出现极强消融，XD的ELA首次升至最大海拔以上，意味着整个冰川表面均处于消融状态。

研究讨论部分首先分析了气候驱动因素与分支响应分异。2017–2023年气象观测表明，消融季热力强迫是年际消融强度的主控因子，降水变率起次要调节作用。2022年较2021年同样温暖但显著更干燥的条件，可能促成了2022/2023年的极端质量损失。这一异常与北半球从瑞士阿尔卑斯到高亚洲创纪录的冰川质量损失相一致，均与异常温暖的夏季和广泛热浪相关。在共同气候 forcing 下，DD和XD分支仍出现分异，凸显了局地地形和冰川几何形态的过滤作用：较小较陡的XD分支响应时间更短，2021年后加速减薄，ELA在2022/2023年升至最高海拔以上；较大较缓的DD分支则表现出更为缓冲的面积平均响应。

其次，讨论聚焦高分辨率视角下的冰川消融过程与异质性。TLS监测记录了DD末端极端且高度局域化的消融异质性，包括单个夏季下降4.1 m的表面凹陷和一年内下沉11.5 m的塌陷冰洞等多时相TLS产品反复捕捉同一区域的集中表面下降，表明这些特征在空间上锚定于冰川东缘。无人机正射影像和野外观测证据表明，这些持续性热点与耦合水文过程和下垫面反照率反馈相关：完善的表冰排水网络促进深切和热侵蚀下切，为顶板塌陷和深凹陷形成创造条件；同时该走廊与毗邻冰碛垄的暗冰斑块重合，可能通过降低反照率而增强融能吸收。这些结果表明，消融热点——通常在表碛覆盖冰川中受到强调——也可在"清洁冰川"上构成有意义的质量损失组成部分，而末端或海拔带平均值整合了高度异质的消融，若局地极值被系统低采样则可能产生偏差。

第三，讨论重新评估了冰碛柱测量的可靠性。聚焦XD冰川，TLS衍生累积质量平衡（−3.60 m w.e.）揭示的负轨迹显著大于Wei等（2025）报告的冰碛柱估算值（−1.73 m w.e.）。这一分歧在2019–2021年最为突出，当时冰碛柱记录显示近平衡状态——这与乌鲁木齐河源1号冰川和LHG-12等长期参照点持续负质量平衡的趋势形成对比。点尺度分析将TLS-冰碛柱分歧与消融季作业约束及冰碛柱网络在高海拔季风影响消融区空间代表性的渐进丧失联系起来。夏季的大偏差聚集表明，即使月度野外访视也可能错过短暂而强烈的消融脉冲；快速消融、频繁的夏季降雪和强烈的表面不稳定性促进冰碛柱倾斜、掩埋和融化脱出，导致动态区域冰碛柱在实际操作中或物理丢失，或因不稳定性相关伪影而在后处理质量控制中被排除。因此，剩余冰碛柱网络越来越多地采样更稳定、融化更慢的表面，而最强消融被系统低采样，这一过滤效应在多年期累积，产生相对于TLS捕获的分支尺度损失人为减弱的面积平均质量平衡估算。

最后，讨论指出了研究局限：TLS覆盖集中于消融区，需向积累区外推；深切表冰渠道内（尤其DD分支）的遮挡可能导致质量损失轻微低估；冰碛柱衍生表面质量平衡与TLS衍生大地测量高程变化之间的差异，以及点观测与格网化TLS产品之间的尺度失配，也可能贡献残余差异。未来进展将依赖于跨尺度互补观测系统的集成，如将无人机摄影测量或卫星测高扩展至高分辨率调查，增加时间采样频率以更好地解析事件尺度变率，以及系统性的多平台集成以实现物理一致的质量平衡归因。

**研究结论**

重复TLS测量为东科马迪冰川系统（DD和XD）的冰川变化提供了高分辨率基准，并实现了对高度异质末端环境中基于冰碛柱监测的定量评估。TLS约束的质量平衡重建表明，研究期间持续质量损失（DD：−4.072±0.156 m w.e.；XD：−3.595±0.116 m w.e.），变率由消融季主导，且2022/2023年出现极端强消融，此时XD的ELA升至冰川最高海拔以上，意味着近乎全冰川消融。尽管受共同气候 forcing，相邻分支在2021年后表现出 contrasting behavior，凸显了几何形态和地形对质量损失轨迹的强烈调制。重要的是，即使在大陆型"清洁冰川"上也观测到显著且持续的消融热点——这一现象远较表碛覆盖冰川记载为少——表明局地过程可对末端区域质量损失产生不成比例的贡献。

这些特征对解释和监测具有直接启示。冰碛柱-TLS分歧是时空非稳态的而非简单的系统偏移，静态校正难以稳健。点尺度差异向末端估算（<5600 m）外推时可能非线性放大：季节-年际窗口部分抵消，但多年期强烈放大；DD上2021–2023年平均点偏差约44 cm增至面积偏差约141 cm（放大因子3.2）。同一冰川的直接比较显示，本重建与Wei等（2025）的冰碛柱估算差异显著，截至2023年达约1.88 m w.e.，凸显了当最动态区域采样不足时稀疏冰碛柱网络可能严重误报复杂末端的净质量损失。因此，建议整合定期高分辨率大地测量调查，为冰川变化提供稳健约束，并减少异质冰川末端的监测伪影。