冰雪消融與氣溫的關(guān)系

冰雪消融與氣溫的關(guān)系

1日度標(biāo)準(zhǔn)在冰雪消融研究中的應(yīng)用中國(guó)西部山區(qū)廣泛分布的現(xiàn)代河流和湖泊，其融化水流是干旱內(nèi)陸河流域的寶貴淡水資源。不同時(shí)期的變化對(duì)該地區(qū)的河流直徑變化有顯著影響。這是綠洲經(jīng)濟(jì)的生命線。據(jù)近期完成的中國(guó)冰川編目結(jié)果和基于新冰川編目資料進(jìn)行的冰川融水對(duì)河流補(bǔ)給作用的計(jì)算表明,冰川融水補(bǔ)給在中國(guó)西部省區(qū)河流徑流中所占比例分別為:新疆25.4%、西藏8.6%、青海3.8%、甘肅3.6%,由此不難看出冰川融水在中國(guó)西部干旱區(qū)水資源形成與變化中的作用和地位是十分明顯的。因此,冰川融水的模擬是評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)中國(guó)西部干旱區(qū)水資源變化的重要組成部分之一。目前,在計(jì)算冰川融水的眾多方法中,基于冰川消融與氣溫之間線性關(guān)系的度日模型是最為簡(jiǎn)單、應(yīng)用最為廣泛的方法。度日模型雖然相對(duì)簡(jiǎn)單,但在流域尺度上可以給出類(lèi)似于能量平衡模型的輸出結(jié)果。在度日模型中,度日因子是其的重要參數(shù),其是冰川表面能量傳遞與轉(zhuǎn)化這一復(fù)雜過(guò)程的簡(jiǎn)化描述,也就是說(shuō)度日因子本身也依賴(lài)于冰川表面的能量收支狀況。FinsterwalderandSchunk(1887)首次在阿爾卑斯山冰川變化研究中引入了“度日因子”的概念。隨后,這一概念被廣泛應(yīng)用于挪威、冰島、格陵蘭、阿爾卑斯山、喜馬拉雅山等地區(qū)的冰川與積雪變化的研究中[6,12,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26]。研究表明[22,27,28,29,30,31,32,33,34,35],對(duì)于大多數(shù)融水徑流模型來(lái)說(shuō),如HBV-model、SRM-model、UBC-model、SHE-model、HYMET-model,這些模型的模擬精度在一定程度上取決于度日模型對(duì)冰川與積雪消融過(guò)程的模擬。然而,度日因子的空間和時(shí)間變化特征對(duì)模型模擬冰川與積雪消融過(guò)程的精度又有較大影響。因此,在使用度日模型模擬冰川與積雪消融的過(guò)程中,度日因子的時(shí)空變化特征是值得關(guān)注的。雖然度日因子的時(shí)間和空間變化特征引起了眾多國(guó)外學(xué)者的注意,但在中國(guó)的冰雪消融研究中鮮有學(xué)者涉及。因此,本研究以中國(guó)西部不同山區(qū)數(shù)十條冰川的短期考察和觀測(cè)資料為基礎(chǔ),獲取了中國(guó)西部不同冰川的度日因子,通過(guò)分析西部不同山區(qū)冰川度日因子的空間變化特征,為中國(guó)西部無(wú)觀測(cè)冰川區(qū)網(wǎng)格化消融模型的建立及其在冰川消融研究的應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。2冰雪參數(shù)計(jì)算2.1數(shù)據(jù)來(lái)源中國(guó)有長(zhǎng)期觀測(cè)的冰川數(shù)量較少,除烏魯木齊河源1號(hào)冰川外,其他冰川監(jiān)測(cè)多不超過(guò)10年,且冰川規(guī)模普遍較小。本研究所使用的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于過(guò)去50年來(lái)不同時(shí)期的冰川考察和觀測(cè)的數(shù)據(jù)[38,39,40,41,42,43],共15條冰川(圖1),包括消融和氣象數(shù)據(jù)。冰川消融數(shù)據(jù)主要是通過(guò)花桿測(cè)量獲取的,大部分冰川消融觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1個(gè)月(表1)。幸運(yùn)的是,大部分冰川同期觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)也存在。對(duì)沒(méi)有同期觀測(cè)氣象資料的4條冰川(包括煤礦冰川、哈龍冰川、洋布拉克冰川和切爾布拉克冰川),采用李新等(2003)計(jì)算的青藏高原不同緯度和不同高度帶上的氣溫直減率(r)從冰川周邊最近的國(guó)家氣象站插值獲取,氣溫直減率(r)介于0.0054～0.006oCm-1之間。此外,15條冰川的平衡線高度(ELA)介于4000～7000m之間。2.2度日因子的計(jì)算方法度日因子是度日模型的重要參數(shù),一般來(lái)說(shuō),度日因子可以用溶度計(jì)或消融花桿直接測(cè)量獲取,也可以運(yùn)用能量平衡模型計(jì)算冰雪消融量獲取。本研究中,度日因子是運(yùn)用消融花桿測(cè)量獲取的,其計(jì)算公式如下:式中:DDF為冰川或雪的度日因子(mmd-1oC-1);M為某時(shí)段內(nèi)冰川或雪的消融水當(dāng)量(mmw.e.);PDD是同一時(shí)段內(nèi)的正積溫,一般由下式獲取:式中:Tt為某天(t)的日平均氣溫;Ht是邏輯變量,當(dāng)Tt≥0oC時(shí),Ht=1.0;當(dāng)Tt<0oC時(shí),Ht=0.0。根據(jù)中國(guó)西部不同山區(qū)數(shù)十條冰川的野外考察和觀測(cè)資料,運(yùn)用公式(1)和(2)獲取了中國(guó)西部不同冰川及雪的度日因子。表1是本研究計(jì)算獲取以及部分研究中給出的中國(guó)西部地區(qū)冰川冰與雪的度日因子值,其中的度日因子值來(lái)源于不同地區(qū)不同冰川不同觀測(cè)時(shí)段,雖然計(jì)算的方法相同,但其計(jì)算周期有所不同,有的僅為幾天而已(如大貢巴冰川),有些則長(zhǎng)達(dá)幾年(如烏魯木齊河源1號(hào)冰川),因此,這些度日因子的值僅限于直接比較。3日度因子的季節(jié)變化中國(guó)西部冰川度日因子的變化較大,介于2.6～13.8mmd-1oC-1之間(表1)。由于冰川冰與雪的反射率不同,一般來(lái)說(shuō),與冰川冰的度日因子相比,雪的度日因子值較小。在中國(guó)西部冰川區(qū),冰川冰的度日因子平均值為7.1mmd-1oC-1,雪的平均值為4.1mmd-1oC-1,僅為冰川冰度日因子的58%,而在格陵蘭地區(qū)和斯堪的納維亞半島地區(qū)的冰川上,雪的度日因子分別是冰川冰的40%和70%。3.1度日因子的季節(jié)變化研究表明,度日因子是冰川表面消融能量平衡組成特征的綜合反映。因此,度日因子隨著冰川表面能量平衡各組分在季節(jié)和空間上的變化而變化。然而,BraithwaiteandOlesen(1993)、Hock(2003)等認(rèn)為冰川冰度日因子的季節(jié)變化特征不明顯。從西南天山科其卡爾巴契冰川4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)不同月份的度日因子變化可以看出(表2),度日因子的逐月變化較小,例如,在海拔3742m處,度日因子的變化介于4.9～5.1mmd-1oC-1之間。從西南天山瓊臺(tái)蘭冰川不同年份的度日因子變化可以看出(表3),度日因子不同季節(jié)的變化也較小,其變化量?jī)H介于-8%～12%之間。由此可見(jiàn),中國(guó)西部冰川度日因子的時(shí)間變化特征不明顯。雪的度日因子季節(jié)變化與冰川冰的不同,雪具有明顯的變質(zhì)過(guò)程,其反射率的季節(jié)變化相對(duì)較大,從而導(dǎo)致積雪表面的能量平衡各組分的季節(jié)波動(dòng)較大,因此,雪的度日因子季節(jié)變化較為顯著。但是,由于受觀測(cè)條件的限制,中國(guó)西部積雪消融觀測(cè)較少,因而本研究無(wú)法詳細(xì)討論積雪度日因子的季節(jié)變化。3.2度日因子的空間變化由于海拔高度、下墊面以及遮擋、坡度等地形因素的影響,冰川度日因子在空間上波動(dòng)較為明顯,也就是說(shuō)度日因子反映了不同影響因素下冰川表面的熱量收支狀況?；谥袊?guó)西部冰川度日因子時(shí)間變化特征不顯著這一特點(diǎn),度日因子的空間變化特征分析如下。(1)度日因子的高程差異在同一冰川,度日因子的空間波動(dòng)較為顯著,例如,在西南天山科其卡爾巴契冰川上,對(duì)比幾個(gè)相距較近觀測(cè)點(diǎn)的度日因子值發(fā)現(xiàn),其變化介于±20%之間。從不同冰川度日因子及其觀測(cè)點(diǎn)距冰川ELA的高度分布可以看出(圖2),隨著距冰川ELA高度的減小,度日因子逐漸增大,較大的度日因子基本集中在距冰川ELA大約500m這一范圍之內(nèi)。這一趨勢(shì)表明:較大的度日因子值一般出現(xiàn)在海拔較高的冰川區(qū),尤其是冰川ELA附近。出現(xiàn)這一趨勢(shì)的主要原因在于冰川消融的主要能量來(lái)源于太陽(yáng)輻射,而研究表明,在冰川ELA附近太陽(yáng)輻射比較強(qiáng)烈,導(dǎo)致冰川消融增大;同時(shí),冰川ELA附近的平均氣溫相對(duì)較低,導(dǎo)致冰川ELA附近正積溫的量值較小,即所謂的“低溫效應(yīng)”12]。為了更好的說(shuō)明這一現(xiàn)象,本研究以西南天山科其卡爾巴契冰川為例。科其卡爾巴契冰川度日因子隨著海拔高度的增加而增大(圖2),也就是說(shuō)在科其卡爾巴契冰川區(qū),較大的度日因子值出現(xiàn)在海拔較高的區(qū)域,尤其在冰川ELA附近,而不是在低海拔冰川區(qū)?？破淇柊推醣‥LA大約在4400m左右,其附近的度日因子約為7.0mmd-1oC-1,而冰川末端的度日因子為3.7mmd-1oC-1。張勇等(2004)在分析科其卡爾巴契冰川消融期的氣候變化特征時(shí)發(fā)現(xiàn),該冰川ELA附近的太陽(yáng)輻射十分強(qiáng)烈,且日平均氣溫與冰川末端相比低了大約7.0oC。研究表明,強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射有利于冰川表面的消融,而平均氣溫較低則導(dǎo)致正積溫的量值較小,因此,冰川ELA附近的度日因子比冰川末端的大,即所謂的“低溫效應(yīng)”。同樣,這一趨勢(shì)在研究尼泊爾境內(nèi)的Yala冰川、AX010冰川以及小冬克瑪?shù)妆?、七一冰川的度日因子變化中也曾被發(fā)現(xiàn)。然而,并不是所有冰川的度日因子都具有如此的規(guī)律(圖3),部分冰川的度日因子則隨著距冰川ELA高度的減小而減小。這些冰川多分布在青藏高原中部及喜馬拉雅山區(qū),其平衡線高度基本都在4000m以上,有的甚至達(dá)到了6000m左右。研究表明,這些冰川基本位于干冷冰川氣候區(qū),隨著海拔高度的增加,尤其是在冰川ELA附近,氣候極為干燥,輻射非常強(qiáng)烈,太陽(yáng)輻射占冰川消融總收入能量的90～93%之間,其熱量平衡類(lèi)型屬于蒸發(fā)型。在這樣極其寒冷干燥的氣候環(huán)境下,冰面蒸發(fā)(主要是升華作用)耗熱較大,抑制了冰川消融,導(dǎo)致冰川ELA附近的度日因子較小。(2)不同冰川類(lèi)型度日因子的差異依據(jù)冰川發(fā)育條件及其物理性質(zhì),中國(guó)西部冰川可分為海洋型冰川、亞大陸型冰川和極大陸型冰川三種類(lèi)型。這三種類(lèi)型冰川的度日因子平均值分別為10.9mmd-1oC-1、7.2mmd-1oC-1和4.3mmd-1oC-1。由此可見(jiàn),中國(guó)西部海洋型冰川的度日因子比亞大陸型與極大陸型冰川的值大。這一趨勢(shì)與Hock(2003)的研究不同,她認(rèn)為與大陸型冰川相比,由于海洋型冰川的湍流通量在冰川表面熱量平衡中所占比例相對(duì)較大(包括冷凝作用),導(dǎo)致海洋型度日因子較小。在中國(guó)西部海洋型冰川的熱量平衡組成中,湍流通量在消融期熱量平衡組成中超過(guò)了60%,然而,海洋型冰川的度日因子仍然比亞大陸型和極大陸型冰川的度日因子大,這可能與中國(guó)西部海洋型冰川表面覆蓋的薄層表磧有關(guān)。表磧的熱力過(guò)程與裸冰或雪的完全不同,對(duì)于冰川表面的能量平衡及表磧下冰川消融的影響是非常顯著的。相關(guān)研究表明,薄層表磧?cè)诒嫦跁r(shí)常處于濕潤(rùn)或被融水浸泡的狀態(tài),水把表磧層表面獲得的熱量帶到冰面,從而大大促進(jìn)了冰川表面的消融。(3)度日因子的區(qū)域差異從中國(guó)西部冰川度日因子變化趨勢(shì)可以看出(圖4),度日因子的變化具有明顯的區(qū)域特征,即從西北向東南逐漸增大。根據(jù)冰川度日因子的均值,可將西部冰川區(qū)分為三個(gè)區(qū)域:DDF高值區(qū)(≥9.0mmd-1oC-1)、DDF中值區(qū)(6.0～9.0mmd-1oC-1)和DDF低值區(qū)(≤6.0mmd-1oC-1)(圖4)。國(guó)外的相關(guān)研究表明,度日因子的區(qū)域特征并不十分明顯。而中國(guó)西部冰川的度日因子之所以出現(xiàn)這種明顯的區(qū)域變化規(guī)律可能與青藏高原及周邊地區(qū)獨(dú)特的氣候環(huán)境和熱量條件有關(guān)。據(jù)白重瑗研究,中國(guó)西部冰川的氣候環(huán)境從西北向東南逐漸由干冷向溫濕轉(zhuǎn)變,同時(shí),熱量平衡組成類(lèi)型則由蒸發(fā)型向凝結(jié)-蒸發(fā)型轉(zhuǎn)變。這與度日因子的變化趨勢(shì)是一致的?？偟膩?lái)說(shuō),在干冷的氣候條件下,冰面蒸發(fā)(主要是升華作用)耗熱較大,抑制了冰川消融,度日因子較小;而在暖濕的氣候條件下,用于冰川消融的能量在熱量平衡中所占比例較大,促進(jìn)了冰川消融,度日因子較大。4日度因子的空間變化特征及改進(jìn)的必要性對(duì)于日中國(guó)是世界上冰川分布最廣泛、與人類(lèi)生活關(guān)系最密切的國(guó)家之一。據(jù)已完成的中國(guó)冰川目錄統(tǒng)計(jì),中國(guó)有冰川46298條。然而,中國(guó)有長(zhǎng)期觀測(cè)的冰川數(shù)量較少,并且在今后的研究中也無(wú)法對(duì)西部地區(qū)每一條冰川都進(jìn)行考察和觀測(cè)。因此,根據(jù)現(xiàn)有的觀測(cè)和研究基礎(chǔ),無(wú)法定量分析中國(guó)西部冰川融水變化對(duì)西部干旱區(qū)水資源未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)影響的程度?；谥袊?guó)西部不同山區(qū)數(shù)十條典型冰川的野外考察和觀測(cè)資料,本研究獲取了西部不同冰川的度日因子。在分析中國(guó)西部冰川度日因子空間和時(shí)間變化特征的基礎(chǔ),通過(guò)參數(shù)優(yōu)化,建立流域尺度網(wǎng)格化的冰川消融模型,分析無(wú)觀測(cè)資料冰川區(qū)的冰川消融狀況,為正確評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)中國(guó)西部冰川變化對(duì)西部干旱區(qū)水資源的影響奠定基礎(chǔ)。然而,度日因子也有其不足之處,其不僅隨著海拔高度、下墊面等的不同變化較為明顯,同時(shí)也受遮擋、坡度等地形因素的影響。此外,在度日因子的計(jì)算過(guò)程中存在兩個(gè)主要的誤差來(lái)源。(1)在使用消融花桿測(cè)量冰川或雪消融的過(guò)程中存在測(cè)量誤差;(2)采用氣溫直減率(r)從冰川周邊的國(guó)家氣象站插值獲取無(wú)氣象資料冰川區(qū)氣溫的過(guò)程中存在不確定性。因此,為了滿(mǎn)足消融模擬過(guò)程中高空間、高時(shí)間分辨率的要求,度日因子及其模型還需進(jìn)一步的改進(jìn)。通過(guò)對(duì)中國(guó)西部冰川度日因子的空間變化特征分析可得出以下結(jié)論。(1)通過(guò)分析度日因子及其觀測(cè)點(diǎn)距冰川ELA的高度發(fā)現(xiàn),在同一冰川上,較大的度日因子一般分布在高海拔冰川區(qū),即隨著海拔高度的增加,