阿拉斯加北坡積雪雷射雷達測量活動:SnowSTAR-2012

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2012年4月8日:我不知怎麼的錯過了我們在復活節星期天出發的訊息……但在一個完美的日子裡,穿越阿拉斯加和布魯克斯山脈的北部,晴朗的藍天,原始的白色雪地和雄偉的山脈,足以補償在假日離開城鎮,我的四個同伴(圖1)似乎並不介意。

我們五人是阿拉斯加北坡積雪覆蓋測量活動的前遣隊。這裡的積雪覆蓋(圖2)持續一年中的8個月,這很重要,原因有幾個。首先,阿拉斯加這一地區河流的徑流中,有50%到80%來自融雪。其次,積雪是一種有效的絕緣體,即使在冬季,它也能阻止地面凍得更深。沒有積雪,這裡的永久凍土可能會更厚,夏季解凍的活動層會更薄,植物生命會更不茂盛。第三,積雪是太陽能的極佳反射體(它具有很高的反照率,可以反射約85%的入射光),這有效地使阿拉斯加北部在冬季和早春比其他情況下更涼爽。如果感覺後兩點是矛盾的,那麼你是對的。積雪的絕緣效果和太陽反射效果之間存在著微妙的平衡,這種平衡不僅在北極的氣候中起著至關重要的作用,而且在整個地球的氣候中也起著至關重要的作用。簡而言之,在像阿拉斯加北部這樣的地方,積雪至關重要,而我們來這裡是為了測量它的特性。

更準確地說,我們來這裡是為了研究是否可以開發一種更有效的測量積雪深度的方法。可以透過將尺子向下推入雪中來輕鬆測量積雪深度,如果積雪覆蓋是平滑均勻的,那麼此處和彼處的幾次測量就足以告訴我們有關區域積雪覆蓋的情況,但是北坡的積雪覆蓋卻並非均勻平滑。風不斷地吹動積雪,形成雪堆和沖刷區。在100米的範圍內,人們可以測量到從10釐米到500釐米的深度。即使使用具有 GPS 功能的特殊尺子探頭(在以後的部落格中會詳細介紹),也不可能手工繪製出雪的分佈圖。


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人們已經嘗試了許多其他測量積雪深度的方法:雪橇和直升機上的單脈衝和 FM-CW 雷達,雪橇、飛機和衛星上的被動和主動微波發射器/接收器,飛機上的伽馬射線探測器,甚至衛星上的重力儀。

到目前為止,已經取得了一些成功,但實際上還沒有出現適用於所有型別積雪的操作質量方法,而且對於像阿拉斯加北坡這樣的往往很薄的積雪(通常<100釐米)來說,問題尤其嚴重。

然而,最近開發的掃描雷射雷達(光探測和測距)裝置可能是改變遊戲規則的工具。這些掃描裝置安裝在向下看的飛機上,可以建立具有近釐米精度的雪麵條帶圖。如果在沒有雪的情況下獲取同一區域的第二張地圖,則可以將兩個表面進行差分,以生成積雪深度圖。DGPS(差分全球定位系統)使這種精確的共同配準成為可能。

原則上,所有這些都可以以足夠的精度完成,以生成有用且可靠的雪圖,但這在實踐中是否可行?這就是我們為什麼在復活節星期天開車向北行駛的原因。並且,這種積雪深度問題不僅僅是學術性的。阿拉斯加州和聯邦政府管理著北坡數千平方公里的土地,並且必須決定何時何地允許石油、天然氣和採礦公司在苔原上通行。在積雪覆蓋太少的情況下過早地開放苔原,會損壞苔原;開放得太晚,公司可能無法有效地勘探或開發戰略礦藏(圖3)。

我們已經為這次活動準備了幾個月,並且一直在打包行李。除了我們的先遣隊之外,本週末還將有另外 7 人加入,以幫助進行數千次的地面測量,我們需要這些地面測量來檢查機載雷射雷達產品的準確性。飛機將在一個星期後到達。

今天,我們正在駕駛兩輛車向北行駛,牽引著雪地摩托拖車。我們的皮卡車和 SUV 都裝滿了東西,拖車上裝有三輛雪地摩托、四個塑膠雪橇和一個用於地面雷射雷達的特殊雪橇(稍後也會詳細介紹)。一切都被覆蓋起來,因為我們預計這是一次泥濘的旅程。

我們於上午 8:30 從費爾班克斯出發。從費爾班克斯出發,旅程的第一部分(245 公里)是沿著埃利奧特高速公路穿過育空塔納高地的雲杉和樺樹覆蓋的山丘。接下來,它沿著道爾頓高速公路行駛,該高速公路穿過布魯克斯山脈的阿蒂根山口(圖4)。

後者也被稱為運輸公路,因為它是在修建跨阿拉斯加管道時為了將材料運往北方而建造的。道爾頓高速公路比普通高速公路更陡峭,大部分是泥土路(或者曾經是),主要由前往普拉德霍灣油田的卡車司機通行。

對於那些觀看冰路卡車司機(第 3 季)的人來說,它詳細介紹了卡車司機在這段路上的磨難……並大大誇大了它們。就我個人而言,我想我冬天已經開車越過阿蒂根山口 40 多次了,雖然需要小心,但它比危險更美麗。

幾個小時的車程將我們帶到了育空河。在克朗代克(1898 年)淘金熱期間以及隨後的 40 年裡,這條偉大的河流是阿拉斯加和育空地區的交通要道,由明輪蒸汽船航行。

現在,它由一座在管道建設期間建造的向下傾斜的特殊橋樑(圖 5)連線起來,而且它非常安靜。在九月,駝鹿獵人將來到這裡發射他們的船隻,但一年中的其他時間,乘船旅行者將獨自擁有這條偉大的河流。

當布魯克斯山脈映入眼簾時,旅程開始變得更加激動人心。我們總是在科爾德富特(圖 6)加油,在我看來,這標誌著這座大山脈的南緣。科爾德富特大約於 1902 年被建立為一個金礦小鎮。傳說中,滲透到這麼遠的礦工“膽怯”了,然後向南返回,害怕即將到來的冬天和緩慢的飢餓。

多年以後,著名的艾迪塔羅德雪橇犬賽手迪克·麥基創立了今天仍然存在的卡車停靠站/咖啡館/旅遊景點。許多遊客在夏天來這裡,因為這裡是前往布魯克斯山脈的旅行的起點。不遠處是另一個古老的金礦小鎮懷斯曼,因鮑勃·馬歇爾的著作而出名(圖7)。馬歇爾於 1929 年來到這個國家,並在布魯克斯山脈進行了多次長途露營和探險之旅(夏季和冬季)。

當時,懷斯曼幾乎是世界上最偏遠的地方。他對“荒野”的想法很感興趣,並且對他在懷斯曼周圍發現的白人礦工和因紐皮亞特居民和諧相處的社會感到非常著迷。他的兩本書……都是非常好的讀物……分別是《阿拉斯加荒野》和《北極村》。他對荒野的概念以及荒野在社會中的地位今天仍然具有影響力。

從科爾德富特出發,我們蜿蜒穿過布魯克斯山脈,沿著科育庫克河的流域向上遊方向行駛,經過蘇卡帕克(圖8)和斯諾登山,並爬上昌德勒地帶。

這裡的野生動物變得壯觀……數百隻馴鹿(圖9)在路邊吃草,全身雪白的雷鳥(圖10)在苔原上享受晴朗的一天,甚至還有一些戴爾綿羊。從地帶出發,我們繼續向上攀登至 4739 英尺(1444 米)的山口。當我還是一名學生剛開始在北坡研究積雪時,我的導師和朋友卡爾·本森博士總是在峰頂這裡停下來,談論布魯克斯山脈如何成為世界偉大的氣候分界線之一,將針葉林與寒冷的北方苔原分隔開來。

今天,山口名副其實:在南部,道路泥濘不堪,氣溫在零度以上。在北部,氣溫遠低於冰點,道路被雪覆蓋,並且颳著強風。

感受到本森博士的教誨的分量,我簡短地向我的同伴宣佈這是一個“偉大的氣候分界線”,然後我們回到車上,小心翼翼地沿著山口陡峭的北側下降。再開車 45 分鐘,我們到達了圖利克湖野外站。

營地很安靜,而且一如既往,我們受到了熱烈的歡迎。我們卸下裝備,在宿舍裡鋪開睡袋,並開始考慮即將到來的活動。

明天:在北極苔原上建立一個控制網路。

About the Author: Matthew Sturm first came to Arctic in 1973 aboard the U.S. Coast Guard Icebreaker Northwind. He is now the Senior Scientist at the U.S. Army Cold Regions Laboratory-Alaska where he studies snow and climate. He is the author of Apun: The Arctic Snow (University of Alaska Press), A Teachers Guide to Arctic Snow (University of Alaska Press), and Finding the Arctic, a science adventure travel book available in June from the University of Chicago Press. He can be reached at matthew.sturm@usace.army.mil.

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