天山南坡科契卡爾巴西冰雪物質平衡的指數(shù)模型

天山南坡科契卡爾巴西冰雪物質平衡的指數(shù)模型

1冰液物質平衡變化冰川是冷凍圈系統(tǒng)的三個組成部分之一。作為氣候系統(tǒng)的一個特殊而重要的組成部分，它在全球氣候變化中發(fā)揮著重要作用。冰川變化不僅嚴重影響了當?shù)貧夂颉⑸鷳B(tài)、水和海洋的變化以及海拔高度的上升。同時，也是由于氣候變化引起的冰湖崩潰和冰川災害的原因。隨著天氣的變化，冰川的物質和形狀（長度、厚度、面積等）發(fā)生了變化。例如，由于氣候變化最敏感的指標之一是冰川作用區(qū)的能量交換。這是導致規(guī)模和河流變化的物質基礎。它是世界氣候系統(tǒng)中重要的監(jiān)測和研究對象。因此，正確理解和研究冰川的物質平衡及其變化對研究世界和區(qū)域氣候的變化、川河水資源的變化和四川災害具有十分重要的科學意義。塔里木河流域是中國最大的內陸河流域,在該流域集中了中國冰川面積的33.5%、冰川儲量的41.3%,內流區(qū)冰川面積的56%和儲量的65%,同時,中國面積>100km2的33條冰川有22條位于該流域.20世紀80年代中后期以來,中國西北地區(qū)氣候出現(xiàn)了由暖干向暖濕轉變的現(xiàn)象,1987\_2000年與1961\_1986年相比,西北地區(qū)128個氣象站的平均氣溫升高了0.7℃.同期塔里木河流域所屬的南疆地區(qū)1986\_2000年的平均年降水量較1956-1986年的平均年降水量偏多32%,且有逐年遞增的趨勢.在降水增加和持續(xù)升溫的背景下,塔里木河流域冰川的物質平衡變化及其對水資源的影響鮮有文章涉及,其原因在于塔里木河流域有長期物質平衡監(jiān)測的冰川較少,尤其是面積較大的冰川.因此,無法正確評價塔里木河流域冰川在暖濕氣候背景下的物質變化狀況及對流域水資源的影響.針對這一事實,本文選擇塔里木河流域的天山南坡科契卡爾巴西冰川作為典型研究區(qū)(圖1).該地區(qū)曾在1977\_1978年間進行過短期考察,從2003年6月開始,在國家自然科學基金的資助下中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所對該冰川進行定位監(jiān)測,獲得了冰川、氣象、水文等方面的觀測資料.本研究基于科契卡爾巴西冰川2003\_2005年野外監(jiān)測數(shù)據(jù),運用度日物質平衡模型模擬了該冰川近期的物質平衡變化狀況,旨在尋求一個相對簡單且易推廣的冰川物質平衡模型,彌補塔里木河流域冰川物質平衡監(jiān)測資料較少的缺陷,為正確評價暖濕氣候背景下塔里木河流域冰川物質變化狀況及對流域水資源的影響奠定基礎.2研究區(qū)域和數(shù)據(jù)2.1冰流速、消融區(qū)科契卡爾巴西冰川(5Y674A5;41°48.77′N,80°10.20′E),位于天山托木爾峰山匯南坡,是典型的土耳其斯坦型冰川(圖1),隸屬于阿克蘇河流域.阿克蘇河是目前向塔里木河輸水量最大的一條源流河,也是一條冰川覆蓋率較高的河流,冰川融水對該河徑流的補給作用非常顯著.該冰川全長26.0km,平均寬度3.3km,總面積約83.6km2,呈S狀流出山谷,末端海拔3020m.冰川消融區(qū)面積為30.6km2,長度約為19.0km.科契卡爾巴西冰川突出的特征之一是冰川消融區(qū)表面覆蓋了一層厚度不一的灰色表磧,厚度介于0～250cm之間,其表磧面積約占消融區(qū)總面積的60%左右(圖2).冰川區(qū)降水主要來自大西洋和北冰洋的潮濕氣流補給,降水主要集中在春季和夏季,秋冬兩季降水量相對較少.由于局地水循環(huán)作用,冰川區(qū)對流型降水時有發(fā)生,且降水多出現(xiàn)在白天的午后.根據(jù)2003\_2005年間的氣象觀測,冰川末端年平均溫度為0.7℃,年降水量為652.2mm.2.2數(shù)據(jù)和觀測系統(tǒng)本研究使用的主要數(shù)據(jù)包括:2003\_2005年考察期間觀測的氣溫、降水和物質平衡數(shù)據(jù)以及90m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM).冰川區(qū)氣溫是通過自動氣象站(AutomaticWeatherStation,AWS)進行自動觀測(圖1).自動氣象站(AWS)的溫度測量傳感器(MP101ATP)分別架設在地表以上0.5m、1.0m和2.0m的高度,并與數(shù)據(jù)采集器(HL20)連接進行同步采集,數(shù)據(jù)采集器每隔10s采樣一次,每1h記錄一次采樣均值.本研究采用的是距冰面2.0m處的氣溫值.冰川區(qū)降水是通過布設在不同海拔高度的總雨量筒測量獲取的,在冰川區(qū)共布設了5個降水觀測點(圖1),從2003年7月至2005年9月每隔25～30d觀測一次,取得冰川區(qū)不同海拔的降水數(shù)據(jù).同時,在冰川上布設了一個縱向物質平衡觀測剖面(圖1),從2003年7月至2005年9月每隔20～25d對物質平衡觀測點進行觀測,獲取冰川不同高度的物質平衡數(shù)據(jù).此外,為了便于計算,按100m高度間隔把科契卡爾巴西冰川劃分為不同高度帶,不同高度帶的面積由90m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)生成的.3冰面能量平衡模型模擬建立了長期冰面救助冰川表面的物質平衡變化是十分復雜的過程,這一過程的模擬需要大量的模型參數(shù),如長、短波輻射、風速和風向、氣溫、濕度、降水等,這些參數(shù)必須通過綜合的、長期的冰川監(jiān)測才能獲取.然而,在塔里木河流域有長期監(jiān)測的冰川數(shù)量較少,導致基于冰面能量平衡模型模擬塔里木河流域冰川物質平衡時往往會遇到輸入?yún)?shù)的多變性以及輸入變量外推困難等問題,難以廣泛應用.此外,現(xiàn)在的氣候情景多以氣溫和降水的形式表達,用氣溫和降水來描述物質平衡的形式可以很方便的模擬物質平衡對氣候變化的響應.因此,本研究選擇了廣泛應用于北歐、格陵蘭冰蓋、阿爾卑斯山、青藏高原等地區(qū)冰川物質平衡研究的度日物質平衡模型模擬科契卡爾巴西冰川物質平衡變化狀況.3.1正容積對于冰川與積雪消融來說,其計算方法如下式所示:m=DDF?PDD(1)m=DDF?ΡDD(1)式中:m是某時段內冰川與積雪的消融水當量(mmw.e.);DDF是冰川冰/雪的度日因子(mm·d-1·℃-1);PDD是某時段內的正積溫,一般由下式獲取:PDD=∑i=1nHt?Tt(2)ΡDD=∑i=1nΗt?Τt(2)式中:Tt為某天(t)的日平均氣溫(℃);Ht是邏輯變量,當Tt≥0℃時,Ht=1.0;當Tt<0℃時,Ht=0.0.模型中不同高度帶的氣溫是采用氣溫遞減率(rt)從冰川末端的自動氣象站(A)推求獲取的(圖1).科契卡爾巴西冰川區(qū)的冰面狀況較為復雜,主要存在表磧覆蓋冰川冰、裸露冰川冰和積雪3種類型,由于這3種地表類型的物理特征不同,尤其是表磧覆蓋區(qū),導致裸露冰川冰、表磧覆蓋冰川冰和積雪的度日因子不同.張勇等研究表明,科契卡爾巴西冰川區(qū)雪的度日因子比裸露冰川冰和表磧覆蓋冰川冰的小,且度日因子的季節(jié)變化不明顯.因此,假定每一高度帶的度日因子不隨空間和時間的變化.3.2u3000降水參數(shù)科契卡爾巴西冰川區(qū)布設了5個降水觀測點(圖1),然而,對于整個冰川區(qū)來說,降水觀測分布相對較少,并且不同觀測點的監(jiān)測時段不同,僅冰川末端大本營(海拔2950m)和自動氣象站(B)處的降水觀測時段較長.因此,冰川區(qū)不同高度帶的降水采用海拔梯度法求取.對于格陵蘭、兩極地區(qū)的冰川來說,通常冰川表面積累以降水代替,且假定所有降水均以固態(tài)形式降落在冰川上,但對科契卡爾巴西冰川來說,這一假設并不適合.鑒于冰川區(qū)降水觀測點分布較少,無法在每個高度帶上觀測降水的液態(tài)和固態(tài)情況,因此,一般采用臨界氣溫法,公式如下:PS=???????PTL?TTL?TSP0T≤TSTS<T<TLT≥TL(3)PL=P?PS(4)ΡS={ΡΤL-ΤΤL-ΤSΡ0Τ≤ΤSΤS<Τ<ΤLΤ≥ΤL(3)ΡL=Ρ-ΡS(4)式中:PS和PL分別為月固態(tài)和月液態(tài)降水量(mm);P為月降水量(mm);T為月平均氣溫(℃);TS和TL分別為固態(tài)和液態(tài)降水的臨界氣溫(℃).此外,受動力損失、蒸發(fā)損失和濕潤損失的影響,冰川區(qū)總雨量筒降水觀測比實際降水量少,必須分別對液態(tài)降水和固態(tài)降水進行校正.根據(jù)在烏魯木齊河源和黑河流域的研究工作,液態(tài)降水校正系數(shù)(CfL)大約為1.1,固態(tài)降水校正系數(shù)(CfS)為1.3.3.3融水滲浸凍結率按100m高度間隔把科契卡爾巴西冰川劃分為不同高度帶(i),每一高度帶中值高度上的物質平衡值為該高度帶的平均物質平衡(bˉbˉi):bˉi=∫year{(1?f)?mi+Pi}dt(5)bˉi=∫year{(1-f)?mi+Ρi}dt(5)式中:f為融水滲浸凍結率;P為冰川表面積累量,即固態(tài)降水量(mm).那么,科契卡爾巴西冰川的平均物質平衡(bˉbˉn):bˉn=1ST∑i=1i=nbˉi?si(6)bˉn=1SΤ∑i=1i=nbˉi?si(6)式中:ST為冰川區(qū)總面積(km2);si為不同高度帶的冰川面積(km2).4模型參數(shù)4.1降水臨界溫度及降水校正系數(shù)在模型計算過程中,氣溫遞減率(ri)和降水梯度(rp)是根據(jù)實測結果獲取的;固、液態(tài)降水臨界溫度(T)及固、液態(tài)降水校正系數(shù)(Cf)是根據(jù)在烏魯木齊河源和祁連山的觀測結果及相關研究確定的;融水滲浸凍結率(f)是根據(jù)天山烏魯木齊河源1號冰川的研究確定的;冰川區(qū)總面積(ST)則由冰川編目數(shù)據(jù)獲取(表1).4.2效率系數(shù)nse評價模型基于2003年實測的冰川物質平衡數(shù)據(jù),對模型中的裸露冰川冰、表磧覆蓋冰川冰和雪的度日因子值進行優(yōu)化,同時使用2004\_2005年考察期間的實測數(shù)據(jù)對優(yōu)化的度日因子值進行驗證.在度日因子值優(yōu)化與驗證的過程中,使用效率系數(shù)(NSE)評價模型模擬的好壞,其形式如下:NSE=1?∑i=1N(TCiobs?TCisim)2∑i=1N(TCiobs?TCobs)2(7)ΝSE=1-∑i=1Ν(ΤCiobs-ΤCisim)2∑i=1Ν(ΤCiobs-ΤCobs)2(7)式中:TCiobs是i時刻實測數(shù)據(jù)序列;TCisim是i時刻模擬數(shù)據(jù)序列;TCobsˉˉˉˉˉˉˉˉˉΤCobsˉ為i時刻實測數(shù)據(jù)序列平均值;N為時間序列長度.當效率系數(shù)(NSE)越接近1,模型模擬效果越好.在優(yōu)化過程中,通過冰川物質平衡模擬值與實測值對比分析,選擇效率系數(shù)(NSE)較大的度日因子值.表3是優(yōu)化后的裸露冰川冰、表磧覆蓋冰川冰和雪的度日因子值.5模擬效率及年平衡值對比基于2003\_2005年考察期間冰川區(qū)氣溫和降水的觀測數(shù)據(jù),模擬了科契卡爾巴西冰川近期的物質平衡變化狀況.圖3(a～e)分別是科契卡爾巴西冰川2003年、2004年、2005年夏平衡與2003\_2004、2004\_2005兩個物質平衡年的物質平衡隨海拔高度的變化趨勢,圖3(f)是2003\_2004和2004\_2005兩個物質平衡年的年平均物質平衡值.從圖3不難看出,運用度日物質平衡模型模擬的物質平衡量隨海拔高度的變化趨勢與實測值基本一致,盡管有些點存在較大差異,其原因一方面在于冰川區(qū)降水在空間上差別較大,而以冰川末端的監(jiān)測點為基準,向冰川區(qū)推求降水時所采用的海拔梯度法可能并不能真實地反映冰川區(qū)的降水空間分布狀況;另一方面冰川消融區(qū)冰面覆蓋了一層厚度不一的表磧,導致海拔4000m以下區(qū)域的物質平衡空間差異較大.圖4是科契卡爾巴西冰川夏平衡與年平衡的實測值與模擬值對比,可以看出,冰川物質平衡模擬值與實測值比較接近,夏平衡與年平衡的模擬效率系數(shù)(NSE)分別達到了0.9和0.8.總的來說,運用度日物質平衡模型模擬科契卡爾巴西冰川2003\_2005年的物質平衡取得了較為理想的結果.由模型計算可知,2003\_2005年科契卡爾巴西冰川的夏平衡值分別為-640、-847和-925mm,2003\_2004和2004\_2005兩個物質平衡年的物質平衡分別為-494和-384mm,年平均物質平衡值為-439mm.研究表明,冰川年平衡線(ELAt)與該年份的冰面凈平衡(bˉbˉn)之間存在著簡單的線性關系,可用下式表示:bˉn=α(ELA0?ELAt)(8)bˉn=α(ELA0-ELAt)(8)式中:ELA0為平衡態(tài)的平衡線高度,其值為4350m;α為有效平衡梯度,是冰川不同高度及年份的物質平衡梯度的平均值.根據(jù)式(8)和度日物質平衡模型模擬的冰面物質平衡,可以計算出科契卡爾巴西冰川2003\_2004年和2004\_2005年兩個物質平衡年的平衡線高度,其值分別為海拔4550m和海拔4713m.20世紀80年代中后期以來,科契卡爾巴西冰川區(qū)氣溫持續(xù)上升,1987\_2000年與1954\_1986年相比,冰川區(qū)平均氣溫升高了1.0℃.同時,天山山區(qū)1987\_2000年與1961\_1986年相比年平均降水量增加了近40mm,偏多12%,而科契卡爾巴西冰川所在的托木爾峰南部地區(qū)平均年降水量增加了29.3%.在降水增加與持續(xù)升溫的氣候背景下,與其它典型冰川近期物質平衡對比發(fā)現(xiàn)(表3),科契卡爾巴西冰川處于強烈的物質虧損狀態(tài),尤其是在夏半年,其平均物質平衡量達-804mm;同時,冰川平衡線高度逐年升高,2003\_2005年的平均平衡線高度(ELA)比20世紀70年代上升了300m左右.這意味著,在科契卡爾巴西冰川區(qū),盡管降水增加顯著,但冰川區(qū)升溫起主導作用,強烈的升溫導致冰川物質虧損加快,平衡線高度升高.另一方面,與烏魯木齊河源1號冰川、七一冰川相比,科契卡爾巴西冰川近期物質虧損相對較小,而與海螺溝冰川物質平衡值相差不大(表3),這可能是由于科契卡爾巴西冰川消融區(qū)覆蓋的厚層表磧的保護作用所致.研究表明,表磧覆蓋對冰面融化有較大的影響,當表磧厚度小于某一臨界厚度(約3cm)時,表磧的存在促進了冰面的消融;而當表磧厚度超過臨界值時,隨著厚度的增加,表磧則會抑制冰川消融.根據(jù)野外