青藏高原扎當(dāng)冰雪日際變化及影響因素分析

0冰的物質(zhì)平衡青藏高原在全球水循環(huán)和環(huán)境變化方面的回歸作用非常明顯。冰川變化研究是全球變化研究的重要組成部分?，F(xiàn)代青藏高原河流總數(shù)為中國冷杉總數(shù)的79.5%，占中國冷杉總面積的84.0%，冰儲量占中國冷杉儲量的81.6%。這是中國重要的淡水資源。根據(jù)以往的研究，世界氣候總體上持續(xù)了很大的變化（0.74.18）。特別是北半球的平均和高緯度地區(qū)。在全球變化的背景下，中國西部近50年來的82.2%河流正在減少。冰川物質(zhì)平衡是聯(lián)系氣候和冰川變化的橋梁,主要由冰川的消融量和積累量決定,其中冰川的消融量更能反映出冰川對氣候變化的響應(yīng).在氣候要素中,氣溫和降水與冰川進(jìn)退變化的關(guān)系最為密切,而且氣溫是關(guān)鍵要素.在眾多關(guān)于冰川物質(zhì)平衡的研究中,度日模型是應(yīng)用最為廣泛的冰川物質(zhì)平衡模型.度日模型將冰面復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化過程簡化,并將正積溫與冰川消融聯(lián)系起來,是基于冰川消融和正積溫之間的線性關(guān)系而建立,其中度日因子是該模型的關(guān)鍵因子.度日模型自1887年被應(yīng)用于阿爾卑斯山區(qū)后,被廣泛應(yīng)用于世界各地計算冰川物質(zhì)平衡變化和各種冰、雪的水文模型中.國內(nèi)對此的研究起步較晚,劉時銀等利用度日模型對天山烏魯木齊河源1號冰川1953\_1993年間的物質(zhì)平衡進(jìn)行了研究,并計算出了其物質(zhì)平衡的序列;張勇等利用度日模型對中國西南天山科其卡爾巴契冰川融水徑流觀測值與模擬值進(jìn)行了比較.1西南方冰流速扎當(dāng)冰川(冰川編號:5Z225D0017;30°28.57′N,90°38.71′E)位于青藏高原念青唐古拉山主峰的東北坡,納木錯湖的西南方,冰川朝向NNW(圖1).根據(jù)2007年遙感監(jiān)測,該冰川最大長度1.4km,面積2.0km2,呈扇形流出山谷,最高海拔6090m;冰舌前端較為平坦,末端海拔約5515m,冰面潔凈,沒有表磧物覆蓋;按冰川的物理特性分類,屬于大陸型冰川.冰川區(qū)降水主要來自南亞季風(fēng)和局地對流云系,根據(jù)中國科學(xué)院納木錯多圈層綜合觀測研究站觀測,該區(qū)降水主要集中在夏、秋季,冬、春季兩季降水量相對較少.2觀測數(shù)據(jù)和方法自2005年中國科學(xué)院納木錯多圈層綜合觀測研究站建立以來,對扎當(dāng)冰川開展了物質(zhì)平衡觀測.扎當(dāng)冰川物質(zhì)平衡觀測采用以測桿法和雪坑雪層剖面相結(jié)合的方法.2005年8月30日初次在扎當(dāng)冰川表面布設(shè)了8根花桿,并于2006年在其兩側(cè)補(bǔ)插了14根花桿;由于2006年觀測期間花桿陸續(xù)倒伏,2007年在上一年度的基礎(chǔ)上補(bǔ)插了10根花桿,使得花桿總數(shù)達(dá)到18根.2008年9月在原有的花桿基礎(chǔ)上對進(jìn)行了調(diào)整并重新編號,花桿布設(shè)的位置如圖1所示.本文選取了海拔在5580～5660m的5根花桿的物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)用于計算度日因子值.在扎當(dāng)冰川消融期,每隔25～35d對花桿進(jìn)行觀測,觀測的內(nèi)容有測桿高度、積雪厚度和積雪密度、附加冰厚度和污化層厚度等,根據(jù)各花桿觀測點的積雪和冰面消融數(shù)據(jù)計算出冰川上各花桿點的消融水當(dāng)量,冰的密度取0.916g·cm-3.2005年8月和2005年9月分別于扎當(dāng)冰川末端附近海拔5400m處和埡口5800m各架設(shè)了一臺自動氣象站(AutomaticWeatherStation,AWS)(圖1).兩臺自動氣象站在距離地表1.5m和2m的高度上安裝有溫度傳感器,進(jìn)行氣溫的自動記錄.本文選取的是1.5m的氣溫數(shù)據(jù)資料,冰川上其它海拔高度的氣溫是根據(jù)兩個自動氣象站的氣溫進(jìn)行插值計算得到.由于降雪量大的時候積雪可能會把溫度傳感器埋在雪里,因此計算的時候剔除了氣溫梯度的異常值,而使用該自然月的平均氣溫梯度代替異常日的氣溫梯度.2007年5月18日開始在扎當(dāng)冰川末端處架設(shè)了HOBORG3-M型自記式雨量筒,用于采集降水量數(shù)據(jù).自2005年開始,在扎當(dāng)冰川末端附近5400m處與冰川消融觀測相對應(yīng)地進(jìn)行了水文觀測.2007年分別在曲嘎切流域上游(海拔5400m,接近扎當(dāng)冰川末端)和下游(海拔4780m,靠近河流的出山口)設(shè)立了水文觀測斷面,上游水文觀測斷面控制面積為7.66km2,冰川覆蓋度較大.流速儀使用水利部南京水利水文自動化研究所LS1206B旋槳式流速儀.水文觀測與花桿觀測同時進(jìn)行.3日標(biāo)因子值和影響因素3.1冰的粒度和日度因子值度日因子是指一定時期內(nèi)的冰川冰或積雪的消融量與同一時期內(nèi)正積溫的比值[8,9,10,11,17,18,19],其形式一般為:DDF=MPDD(1)DDF=ΜΡDD(1)式中:DDF為冰川冰或雪的度日因子(mm·d-1·℃-1);M為一定時期內(nèi)冰川冰或雪消融量(mmw.e.);PDD為同一時期內(nèi)的正積溫,其一般由以下公式獲取:PDD=∑t=1nHtTt(2)ΡDD=∑t=1nΗtΤt(2)式中:Tt為某天t的日平均氣溫(℃);Ht為邏輯變量:當(dāng)Tt≥0℃時,Ht=1;當(dāng)Tt<0℃時,Ht=0.由于在每兩次觀測期間均有降水發(fā)生,且無法確定冰川消融區(qū)積雪和冰川冰分別的消融時間,因此無法根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料直接計算出雪和冰川冰的度日因子值.為了計算出冰川冰和雪的度日因子值,本文采取先確定雪的度日因子值,再根據(jù)二者的消融先后關(guān)系計算出冰川冰的度日因子值的方法.根據(jù)冰川冰的消融量與正積溫的線性關(guān)系,冰川冰的度日因子值的具體計算方法如下:假設(shè)當(dāng)冰川上有積雪的情況下,則積雪先消融,直到積雪消融結(jié)束后才開始消融冰川冰.因此,在忽略冰雪面蒸發(fā)的前提下,該平衡月的正積溫一部分用于消融積雪,一部分用于消融冰川冰.因此,有以下公式:MiDi+MsDs=PDD(3)ΜiDi+ΜsDs=ΡDD(3)式中:Mi和Ms分別為該平衡月冰川冰和雪的消融量;Di和Ds分別為冰川冰和雪的度日因子值(mm·d-1·℃-1);PDD為該平衡月的正積溫.Ms可以由以下公式得出:Ms=Ms1+Ps?Ms2(4)Μs=Μs1+Ρs-Μs2(4)式中:Ms1和Ms2分別為第一次和第二次觀測時的冰川表面積雪量(mmw.e.);Ps為該平衡月內(nèi)的降水量(mm),由于雨量筒無法區(qū)分降雪和降雨,這里采用臨界氣溫法判別降水的形式,即當(dāng)日平均氣溫≥臨界氣溫時為降雨,而日平均氣溫<臨界氣溫為降雪.根據(jù)納木錯多圈層綜合觀測研究站2006\_2008年3a的氣象數(shù)據(jù)資料整理,可將納木錯地區(qū)臨界氣溫取為2℃.3.2物質(zhì)平衡選取2007年9\_10月和2008年6\_7月兩次觀測期間冰川冰無消融的物質(zhì)平衡月來計算雪的度日因子值(即兩個時期內(nèi)冰川表面積雪未完全消融),根據(jù)式(1)、(2)得到雪的度日因子值見表1,其平均值為5.3mm·d-1·℃-1.冰川冰的度日因子值則是通過式(3)和(4),根據(jù)每個物質(zhì)平衡月的物質(zhì)平衡觀測數(shù)據(jù)、降水量數(shù)據(jù)和雪的度日因子值計算得到.由式(1)～(4)得到各海拔帶上的冰川冰度日因子值介于4.0～14.0mm·d-1·℃-1之間,平均值為9.2mm·d-1·℃-1.表2為扎當(dāng)冰川2007年和2008年各月冰川冰和雪的度日因子值.表3為扎當(dāng)冰川與其它冰川的度日因子值比較,從表3中可以看出,根據(jù)已有的研究,冰川冰和雪的度日因子值介于2.6～16.9mm·d-1·℃-1和3.1～11.6mm·d-1·℃-1之間.而扎當(dāng)冰川冰的度日因子值為9.2mm·d-1·℃-1,雪的度日因子值為5.3mm·d-1·℃-1,與表3的數(shù)據(jù)相比,該結(jié)果較為合理.此外,研究表明[8,9,10,11,17,18,19],冰川區(qū)的冰川消融與正積溫之間存在較好的線性關(guān)系.我們計算了不同時間段不同海拔的正積溫并與同期的物質(zhì)平衡進(jìn)行比較(圖2),可以看出不同海拔扎當(dāng)冰川消融與正積溫之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,這與前人的工作一致.3.3冰的粒度對冰的能量生長的影響根據(jù)Arendt等在北極的研究,度日因子的變化依賴于冰面反射率的變化,這也是雪的度日因子值小于冰的原因.在格陵蘭冰川的研究表明,雪的度日因子值要比冰的小40%～70%,類似的結(jié)果從表3中也可以看出.最近一些水文模型的研究中,度日因子不是常數(shù),而是根據(jù)不同的海拔、季節(jié)等進(jìn)行調(diào)整.度日因子反映了冰川消融對正積溫變化的依賴程度,由于冰川海拔、氣溫、冰面狀況、反照率、人為測量誤差以及遮擋、坡度等地形因素的影響,即度日因子反映了冰川上各觀測點的能量狀況,但度日因子本身也受到冰川能量收支狀況的影響.扎當(dāng)冰川2007年和2008年冰川冰的度日因子值有明顯的差異,2007年平均為11.8mm·d-1·℃-1;而2008年則為7.6mm·d-1·℃-1.根據(jù)研究得知,雖然2007年消融期的平均氣溫和正積溫大于2008年,但2008年的度日因子平均值卻比2007年小了約1/3,這主要由于2007年和2008年的降水在總量和時間分布上存在較大差異.根據(jù)觀測的物質(zhì)平衡資料看來,2007年在研究的海拔帶上冰川消融比2008年大了近58%,而這兩年的正積溫差異僅為34%.根據(jù)扎當(dāng)冰川區(qū)海拔5400m的降水觀測資料得知,2007年的總降水量為408.4mm;而2008年為481.4mm,比2007年增加了17.9%.2007年每個月的降雪量均比2008年小,而2008年的總降雪量是2007年的近3倍.在冰川表面有積雪的情況下,反射率增加,冰川吸收的太陽輻射能減少,進(jìn)而影響到冰川的消融過程.另一方面,2008年降水量增大的時間比2007年提前了約一個月.2007年降水直到7月才開始增加,而氣溫自6月開始就已經(jīng)升高,這期間雖有一些較小的降水過程發(fā)生,但是積雪很快消融,冰川冰在較高的氣溫下消融強(qiáng)烈,導(dǎo)致了較大的度日因子值.而2008年的降水在6月就達(dá)到了110mm(冰川區(qū)海拔5400m的觀測數(shù)據(jù)),致使夏初氣溫的回升對冰川消融的影響減弱.此外,冰面狀況、坡度及人為誤差等對度日因子的影響也有待進(jìn)一步研究探討.4冰的消解和積累量目前,度日模型被廣泛使用的形式是根據(jù)冰和雪的消融量與正積溫的線性關(guān)系建立的簡單度日模型,其基本公式如下:式中:M為冰或雪的消融量(mmw.e.);DDF為冰或雪的度日因子值(mm·d-1·℃-1);PDD為該時期內(nèi)的正積溫,其具體計算方法見式(2).該公式計算簡便,需要的資料較易獲得,因此,本文采用此方法計算扎當(dāng)冰川的消融量.但是該方法過于簡便,忽略了其它因素對冰川消融的影響,例如太陽輻射等.因此,還有另外兩種形式,加入了輻射系數(shù)和太陽總輻射,但由于扎當(dāng)冰川觀測的數(shù)據(jù)較少,故未采用.本文利用度日模型,結(jié)合氣象、水文數(shù)據(jù)對扎當(dāng)冰川2006/2007年度和2007/2008年度的物質(zhì)平衡進(jìn)行了模擬.模擬的過程是逐月進(jìn)行的,采用的數(shù)據(jù)是每日總降水量、日平均氣溫、每月的物質(zhì)平衡觀測數(shù)據(jù),包括積雪深度的變化和冰川冰面高度的變化以及由式(5)計算出的兩次觀測日期之間的冰川冰和雪的消融量.積雪和冰川冰總消融量的計算是根據(jù)假設(shè),在兩次觀測間期,若冰川上有積雪,則正積溫最先消融積雪,然后消融冰川冰.將兩次觀測期間的消融和積累的過程劃分為以下4種情形:1)連續(xù)兩次觀測時冰川上均無積雪;2)連續(xù)兩次觀測期間均有積雪;3)第1次觀測時有積雪,但第2次沒有;4)第1次觀測時無積雪,但第2次有.然后,針對以上不同的情形采取不同的計算方法.每個觀測期間消融積雪和冰川冰的正積溫之和等于該時間段內(nèi)的正積溫.根據(jù)先消融雪后消融冰的原則,則冰川表面有積雪是冰川冰停止消融,需采用雪的度日因子來計算消融量,反之積雪完全消融后采用冰川冰的度日因子來計算;每個觀測期間內(nèi)積雪和冰川冰的消融根據(jù)降雪和積雪全部消融完畢的日期交替進(jìn)行,直至將該時段內(nèi)的正積溫消耗殆盡.而觀測期間的積累量只計算了降水量的大小,忽略了冰下再凍結(jié)過程和風(fēng)吹雪等過程.物質(zhì)平衡量為積累量值減去消融量值.模擬結(jié)果為2006/2007年度該冰川物質(zhì)平衡為-534mmw.e.,而2007/2008年度為247mmw.e..兩個年度物質(zhì)平衡的觀測值分別為-783mmw.e.和223mmw.e..由此,該度日模型對2007/2008年度的模擬結(jié)果更接近于觀測站值,但是對2006/2007年度的模擬結(jié)果不理想.對2007、2008年兩年模擬結(jié)果的誤差,可能由以下幾個原因造成:1)首先在消融量的模擬上,如前述,度日模型的精度受到時間分辨率的影響,而由于本文應(yīng)用的度日模型在時間上的分辨率為1d,正積溫的計算采用的是日平均氣溫,因此存在一天中某個時刻氣溫>0℃,而日平均氣溫卻<0℃的情況,這樣就會忽略過一些消融量的計算,使模擬的總消融量減少,使得物質(zhì)平衡增大;2)另外,模擬中忽略了冰下消融和冰面的蒸發(fā),也會使消融量的模擬不夠準(zhǔn)確;3)而在積累量的模擬中,在實際觀測中未進(jìn)行降水梯度的觀測,因而在計算中只能對不同海拔高度的降水量進(jìn)行假設(shè),即假設(shè)降水量隨著海拔高度無變化、且降水形態(tài)不變.而2007年的模擬結(jié)果相對于2008年較不理想,其原因可能為:1)由于2007年降雨量為292.2mm,而2008年為148.0mm,即2007年的降雨量是2008年的約2倍,而降雨的過程是潛熱釋放的過程,降雨落在溫度較低的冰川表面會釋放出潛熱,增加冰川的消融,而由于度日模型其本身形式的限制,無法對該部分進(jìn)行模擬計算;2)降雨會使冰川表面積雪變濕、雪粒變粗,從而降低冰川表面的反照率,使冰川表面吸收更多的熱量,增加了冰川的消融,而對于這部分的模擬,簡單的度日模型是無法準(zhǔn)確地模擬出的.5建立在冰的+海拔高度不高時的物質(zhì)平衡利用度日模型的方法進(jìn)行冰川消融的研究有如下方面的優(yōu)勢:1)氣象數(shù)據(jù)容易獲得;2)氣溫的預(yù)測相對容易;3)雖然度日模型形式簡單,但對于模擬消融量來說普遍較為準(zhǔn)確;4)計算簡便.因此,利用度日模型的方法來分析冰川物質(zhì)平衡變化具有其它方法不可比擬的優(yōu)勢.但由于惡劣的環(huán)境,使得觀測資料的獲得十分不易,雖然中國西部冰川眾多,其中大部分冰川并沒有長期的野外觀測資料.本文利用納木錯站對扎當(dāng)冰川進(jìn)行連續(xù)觀測的物質(zhì)平衡數(shù)據(jù),計算了扎當(dāng)冰川的度日因子值,并分析了度日因子值時空分布特征,這對進(jìn)一步研究扎當(dāng)冰川的物質(zhì)平衡和徑流等有著重要的意義,并有利于進(jìn)一步認(rèn)識扎當(dāng)冰川對氣候變化的敏感性.綜上所述,