單次冰雪消融量的時空變化特征及其影響因素烏魯木齊河源1號冰川度日因子時空變化特征

單次冰雪消融量的時空變化特征及其影響因素烏魯木齊河源1號冰川度日因子時空變化特征

0冰雪融冰粒度模型山地和冰川是氣候和地形共同作用的產(chǎn)物，其形成和發(fā)展記錄了氣候環(huán)境的變化和變化。物質(zhì)平衡是反映氣候變化最敏感的指標(biāo)之一。動態(tài)變化是導(dǎo)致冰川變化和徑向流變化的物質(zhì)基礎(chǔ)。冰川學(xué)家非常重視物質(zhì)平衡的估計和恢復(fù)。在當(dāng)前的物質(zhì)平衡計算方法中，基于冰雪平衡和正積積之間的線性關(guān)系的日常模型最為廣泛。雖然日常模型是簡單的，但可以在流域規(guī)模上給出類似于能量平衡模型的輸出結(jié)果。作為一個重要的參數(shù)，日常角色是切割和描述川面能量變化的復(fù)雜過程[2、3、7、8、9、10、11、12]。度日的概念是Finsterwalder和Schunk(1887)在阿爾卑斯山冰川變化研究中首次引入的,Braithwaite等將其應(yīng)用于格陵蘭冰蓋消融過程的研究中,得出冰川冰的度日因子要大于雪的度日因子,冰川冰和雪的度日因子之間的差別取決于其所處的氣候條件.隨著度日模型的發(fā)展,為了提高模擬精度,度日因子不再被看作常數(shù),并引入了其它變量,如風(fēng)速、相對濕度、太陽輻射和水氣壓等,模擬精度明顯提高.由于坡度、坡向、遮蔽等地形條件的影響,冰雪消融速率在空間上存在較大的差異.考慮到這些因素的影響,國外一些學(xué)者在模型中引入空間分布式度日模型的概念,使得模擬精度大大提高.張勇等也在對中國西部冰川和科其卡爾巴契冰川度日因子的研究中,發(fā)現(xiàn)度日因子存在較大的時空變化特征,受到氣溫、海拔、冰面狀況等因子影響.Braithwaite等用能量平衡模型計算度日因子,得出度日因子與冰面反射率有一定相關(guān)性,在低溫情況下,反射率越低,對應(yīng)度日因子越高.此外,融雪融冰度日因子因所處的氣候條件不同而存在較大差異.Singh等根據(jù)冰川融水徑流實驗方法得出,清潔雪和污化雪融雪度日因子分別為5.7和6.4mm·°C-1·d-1,清潔冰和污化冰融冰度日因子分別為7.4和8.0mm·°C-1·d-1;劉時銀等在烏魯木齊河源1號冰川研究中得出1號冰川融雪度日因子為3.1mm·°C-1·d-1,融冰度日因子介于5.1～10.1mm·°C-1·d-1之間.由于融雪融冰度日因子的差異和冰面特性的不同,同一條冰川上度日因子也存在明顯的時空差異.本文選擇已有近50a物質(zhì)平衡觀測資料的天山烏魯木齊河源l號冰川(以下簡稱l號冰川)作為研究冰川,利用1983-2004年間(1983年之前逐月物質(zhì)平衡資料不全)詳細(xì)的逐月物質(zhì)平衡花桿觀測資料和大西溝氣象站逐日氣溫、降水資料,深入分析1號冰川度日因子時空變化特征,為冰川物質(zhì)平衡模型的建立提供精確參數(shù).1號冰的時空差異烏魯木齊河源1號冰川是在中國乃至世界冰川監(jiān)測中觀測資料較為完整的觀測冰川之一,位于天山中段天格爾山脈北坡烏魯木齊河源區(qū),為雙支冰斗-山谷冰川,由東、西兩支冰川組成,1962年統(tǒng)計面積分別為1.163km2和0.677km2,長度分別為2.12km和1.96km,海拔分別介于4269～3740m和4486～3810m之間.東、西支冰川有著各自的補給區(qū)并占據(jù)著不同的高度區(qū)間,雖然在其末端匯流形成統(tǒng)一冰舌,但由于其強烈退縮,于1994年前后分離為兩支獨立的冰川.自1959年進行系統(tǒng)觀測以來,1號冰川東、西支分別布設(shè)了8條橫斷面和1條縱剖面,共計69根測桿.除正常進行冬、夏和年平衡觀測外,夏季每10～30d還進行一次瞬時物質(zhì)平衡和相應(yīng)平衡線高度的測量,積累了詳細(xì)的冰川物質(zhì)平衡、平衡線高度與冰川末端位置變化的逐年觀測結(jié)果.1959-2004年均物質(zhì)平衡是-233.6mm,累積物質(zhì)平衡量增至-10746.5mm,表明l號冰川平均厚度已變薄了12m,損失的體積為2062×104m3.本研究選擇1號冰川東、西兩支資料較全的27個花桿點的物質(zhì)平衡資料(各花桿點位置見圖1),根據(jù)大西溝氣象站逐日氣溫、降水資料,推求各花桿點度日因子,并分析其時空變化特征.2不同下墊面點的選擇本研究以1號冰川為研究區(qū),選取1983-2004年6-8月近于按月觀測的花桿點的物質(zhì)平衡資料作為分析基礎(chǔ),共選擇了27個花桿點(其中東支15根,西支12根),所選花桿點能大致反映不同下墊面差異對冰面消融的影響.各花桿點的逐日氣溫根據(jù)大西溝氣象站(距1號冰川末端2.5km左右,海拔3539m)逐日氣溫數(shù)據(jù)、不同月份的溫度梯度(見表1)推求;降水資料以葉柏生等觀測誤差修正后的大西溝氣象站觀測降水資料為基礎(chǔ),采用楊大慶等在對大西溝氣象站和1號冰川末端降水資料分析中得出的降水梯度值(即22mm·(100m)-1)推求各花桿點對應(yīng)高度帶的逐月降水量.3日航因子及其時空分布3.1日變化的風(fēng)速、正體積、粒度因子以1983-2004年6-8月份近于按月觀測的花桿點的物質(zhì)平衡資料,大西溝逐日氣溫、月降水資料為基礎(chǔ),由式(1)、(2)和(3)求得1號冰川各花桿點處夏季各月的降水、正積溫和度日因子(見圖2).總體上看,無論是在時間上還是空間上,度日因子都不是恒定值.在空間上,由于不同花桿點所處的冰面特性、海拔、坡度坡向等條件不同,度日因子存在差異;在時間上,隨著年際變化,度日因子亦存在明顯波動,東、西支各花桿點度日因子分別介于0.68～17.73mm·℃-1·d-1和1.91～22.32mm·℃-1·d-1之間,東支度日因子較為穩(wěn)定,西支波動較大,這可能跟坡度、坡向,反射率變化等因素有關(guān).圖中部分花桿點有負(fù)值出現(xiàn),可能是測量誤差、雪崩或風(fēng)吹雪等造成.3.2日因子時間變化的自適應(yīng)分析3.2.1夏季消滅量和粒度因子的年際變化以1983-2004年5-8月份近于按月觀測的花桿點的物質(zhì)平衡資料推求各花桿點夏季物質(zhì)平衡值,用大西溝逐日氣溫、月降水資料和溫度梯度、降水梯度推求各花桿點夏季正積溫和降水量,由式(1)、(2)推求1號冰川各花桿點上夏季消融量和度日因子.從1號冰川東、西兩支夏季度日因子年際變化(見圖3)上看,從1983-2004年,東、西支度日因子分別介于3.27～10.66mm·℃-1·d-1和3.08～14.25mm·℃-1·d-1之間,東支在冰川中下部度日因子有增加趨勢,中上部以融雪為主的度日因子有波動,但幾乎沒有變化趨勢;而西支在整個冰川上度日因子均有上升趨勢.總體上冰川下部的度日因子大于上部,這可能主要是融冰和融雪的差異.為此,下面將冰、雪度日因子分開來考慮.3.2.2日變化的日變化選擇離雪線最近的東支H2′花桿點的度日因子來研究雪線處度日因子的年際變化(圖4),從圖中可以看出:雪線附近度日因子年際波動不大,介于3.12～7.71mm·℃-1·d-1之間,且沒有明顯的變化趨勢.其原因是:H2′點位于雪線附近,以融雪為主,冰面特性變化不大,度日因子較恒定.3.2.3夏季融冰粒度因子從雪線附近度日因子的年際變化中可以看出,融雪的度日因子年際變化不大.除個別年度外,東支H2′點均在零平衡線之上,可認(rèn)為其消融均為積雪消融,本文選取該點計算1983-1996年融雪度日因子(見圖5),其均值為5.19mm·℃-1·d-1.與劉時銀的計算結(jié)果(3.1mm·℃-1·d-1)差異較大,可能是計算正積溫方法差異引起的.在融冰度日因子計算中,假定冰川消融是先消融積雪,若積雪完全融化并有剩余正積溫時,則剩余正積溫用于消融冰川冰,進而計算各花桿點融冰度日因子,結(jié)果如圖6所示.從1983-2004年東、西支各花桿點夏季融冰度日因子年際變化上看,度日因子波動明顯,且隨年際變化有明顯增加的趨勢,而在冰川中下部這種增加趨勢要比冰川上部明顯,其原因可能是冰川退縮過程中冰川中下部冰面污化程度逐步加重,冰川表面反射率下降,導(dǎo)致度日因子增大.這與低溫情況下反射率越低對應(yīng)度日因子越高結(jié)果相一致.3.3冰面特性差異在圖6的計算結(jié)果上,取夏季融冰度日因子的年平均值并將其等距劃分為5級,做出度日因子空間分布圖(圖7).由圖7可以看出,度日因子存在明顯的空間變化特征:度日因子在冰川中下部明顯大于上部,這種變化可能是由于冰川冰面特性差異引起的.隨著氣候變暖,冰川加速退縮過程中,冰川中下部冰面污化程度較重,冰川表面反射率低,對應(yīng)的度日因子較大;上部冰面污化程度相對不大,冰面反射率高,對應(yīng)度日因子較小;西支度日因子整體上大于東支,這可能和山體遮蔽有關(guān);最大度日因子值都出現(xiàn)在西支末端的C1點處.由圖8可以看出,度日因子隨海拔升高呈明顯下降的趨勢,這與張勇等在科其卡爾巴契冰川中的研究結(jié)果相反,也與不同海拔的冰面特性差異對度日因子的影響有關(guān).其原因是科其卡爾巴契冰川表面有大量厚層冰磧物覆蓋,隨著海拔升高冰磧物厚度逐漸減薄,度日因子也隨之增大;而1號冰川表面冰磧物很少,度日因子隨海拔升高具有明顯下降的趨勢,主要是冰面特性變化引起的.4冰面特性對冰面消消率的影響由于DDF的變化,使得冰川物質(zhì)平衡的變化可以分解為由氣候變暖直接影響和冰川特性變化導(dǎo)致的物質(zhì)平衡變化兩部分組成,其中假設(shè)1980年代冰面特性和氣候狀況為初始值,由公式(1)可推導(dǎo)出:式(4)中第一項為DDF變化引起的消融變化量,可看作冰面特性變化(主要是冰面污化程度改變)引起的消融變化量;第二項是PDD變化的結(jié)果,看作氣候變化(氣溫升高)引起的消融變化量.本文選擇2000-2004年和1983-1989年(以下簡稱2000年以后和1980年代)1號冰川各高度帶中值高度處的年平均度日因子、正積溫和降水,研究了冰面特性改變和氣候變化分別對冰川消融的貢獻,計算中平衡線(1號冰川東、西支平衡線高度見圖9所示)以上為純消融積雪,物質(zhì)平衡線以下既有積雪消融又有冰川冰的消融,由此確定各高度帶度日因子的值(不同高度帶年均度日因子值見表2).將1980年代的平均DDF看作初值DDF0,2000年以后的平均DDF看作冰面特性變化后的DDF;1980年代的PDD和降水看作氣候變化前的PDD0和降水,2000年以后的PDD和降水看作氣候變化后的PDD和降水,分別計算了冰面特性不變時的冰川消融量、冰面特性改變后的冰川消融量、冰川消融的變化量和氣候變化引起的冰川消融的變化量(見圖10).計算結(jié)果表明(圖10),隨著海拔升高,冰川消融變化量呈下降趨勢.其中,氣候變化引起的消融變化量波動不大,且略有下降趨勢,冰面特性改變引起的消融變化量逐漸減小至零,這一結(jié)論也可以從冰面特性改變間接引起的消融變化量和氣候變化直接引起消融變化量占總消融變化量的百分?jǐn)?shù)隨海拔的變化圖中(圖11)明顯看出.這說明,冰川消融變化量是氣候變化和冰面特性改變引起的,且氣候變化對消融的影響在整個冰川上表現(xiàn)較一致,而冰面特性改變間接引起的消融變化量主要在冰川中下部.主要原因可能是高海拔地區(qū)幾乎為積雪覆蓋,冰面特性幾乎沒有變化,消融變化只取決于氣候條件;而低海拔區(qū)消融量變化是氣候和冰面特性變化共同作用的結(jié)果,由于冰面污化等原因使得冰面特性變化的影響顯著的.5夏季物質(zhì)平衡值的計算按50m間距將冰川劃分為不同高度帶,通過空間插值計算各高度帶中值高度上1983-1989年和2000-2004年的夏季平均物質(zhì)平衡值(B0和B).其中,用雪線高度劃分積累區(qū)和消融區(qū);通過融雪度日因子計算的消融量、大西溝氣象站降水資料和降水梯度空間插值的積累區(qū)降水量來計算積累區(qū)物質(zhì)平衡值;用1983-1989年的夏季平均度日因子(即DDF0)、2000-2004年的夏季平均正積溫(即PDD)計算氣候變化后的夏季物質(zhì)平衡值(Bt);用融雪度日因子、2000-2004年的夏季平均度日因子(即PDD)、降水量計算積累區(qū)氣候變化后的物質(zhì)平衡值;與各高度帶的面積(分別用1983-1989年和2000-2004年的平均值),計算不同高度帶夏季物質(zhì)平衡量(見圖12,1983-1989年、2000-2004年和氣候變化后的物質(zhì)平衡總量分別用Bz0,Bz和Bzt表示).由圖12可看出,2000-2004年與1983-1989年相比,1號冰川東、西支夏季物質(zhì)平衡變化量分別為-240mm和-290mm,其中氣候變化直接引起的變化量為-206mm和-175mm,其對冰川加速消融的貢獻率分別為86%和60%,通過冰面特性變化間接引起的貢獻率分別為14%和40%.由此可見,在全球氣候變暖的背景下,1號冰川加速退縮主要是氣候變化引起的,但在退縮過程中引起的冰面特性變化對消融的影響也是一個不容視的因素.6日變化的冰面特性對冰面溫度及雙程序率的影響20世紀(jì)80年代中后期,中國西北地區(qū)氣候特征向暖濕轉(zhuǎn)變,冰川消融、物質(zhì)平衡及其對氣候變化敏感性的響應(yīng)研究顯得尤為重要.本文以烏魯木齊河源1號冰川22a實測物質(zhì)平衡資料反演各個花桿點處的度日因子,通過分析其時空變化特征得出以下結(jié)論:融雪度日因子年際變化不大,而融冰度日因子隨年際變化均有增加趨勢,且在冰川中下部這種增加趨勢要比冰川上部明顯;雪線附近度日因子年際波動不大;空間上,隨海拔升高,度日因子具有明顯的下降趨勢;2000-2004年與1983-1989年相比,1號冰川東、西支夏季物質(zhì)平衡變化量分別為-240mm和-290mm,其中氣候變化直接引起的變化量為-206mm和-175mm,其對冰川加速消融的貢獻率分別為86%和60%;冰面特性改變間接引起的變化量分別為-34mm和-115mm,貢獻率分別為14%和40%.因此,在物質(zhì)平衡計算中有必要考慮冰川特性變化對冰川消融的影響.然而,度日因子也有不足之處,不僅與海拔、下墊面等因素有關(guān),同時也受遮擋、坡度等地形因素的影響.此外.在度日因子的計算過程中存在3個主要的誤差來源:1)冰川區(qū)