近50年氣候變化背景下中國冰雪面積變化的空間分布特征

近50年氣候變化背景下中國冰雪面積變化的空間分布特征

1中國冰川變化中國是中國的一個小氣候最發(fā)達的國家。據(jù)中國冷氣候總統(tǒng)計，共有46777條河流，總面積592.05公里，冰儲能力5600公里。近幾十年來,中國冰川普遍呈現(xiàn)出加速退縮的狀態(tài)。冰川的消融與積累有其氣候背景,氣溫與降水量及其組合是影響冰川發(fā)育的主要氣候因子。對亞洲內(nèi)陸典型冰川的研究表明,夏季氣溫升高1oC會引起冰川平衡線海拔高度升高52~152m,年降水量增加100mm會引起平衡線海拔降低9~85m。但是,隨著中國西部氣溫的持續(xù)升高,降水量變化對冰川的影響可能遠不如氣溫顯著升高帶來的效應(yīng)強烈。施雅風(fēng)等綜合考慮21世紀中國冰川對全球變暖響應(yīng),預(yù)計到2100年中國冰川面積和體積的減小率在30%到67%之間。謝自楚等假設(shè)升溫率保持0.01K·a-1、0.03K·a-1與0.05K·a-1時,到21世紀末中國冰川面積將分別減少14%、40%與60%。隨著LandsatTM/ETM+、ASTER、SPOT等遙感影像的廣泛應(yīng)用,加之中國長期氣象觀測記錄的建立,針對小區(qū)域內(nèi)冰川變化與氣候變化之間關(guān)系的研究越來越多。在小區(qū)域研究的基礎(chǔ)上,一些學(xué)者開始進行總結(jié),進而評估更大空間尺度上的冰川變化及其氣候背景,如塔里木河流域、喜馬拉雅山區(qū)、天山山區(qū)等。與此同時,針對整個中國冰川變化及其氣候背景的評估也逐漸開展起來。有學(xué)者統(tǒng)計了20世紀60年代以后近30~40年內(nèi)中國不同區(qū)域5020條冰川的面積變化,研究表明其面積由(14424.4±679)km2縮小了(654.3±27.2)km2,退縮率為4.5%。然而,之前的綜合性討論多側(cè)重于冰川變化的事實對比,定量研究的采樣區(qū)仍十分有限,且對近年的研究成果涉及較少。因此,本研究基于近50年來不同區(qū)域冰川變化情況評估中國冰川面積變化現(xiàn)狀,并結(jié)合氣象資料探討其與氣候的關(guān)系。2數(shù)據(jù)和方法2.1冰川變化率的計算冰川面積作為冰川的基本屬性之一,在一定程度上可以反映出局地乃至較大區(qū)域的氣候變化。本研究收集了2002年以后,特別是近年發(fā)表的有關(guān)中國冰川面積變化的相關(guān)文獻,以反映自20世紀60-70年代至21世紀初中國冰川面積的變化情況(表1)。研究涉及冰川面積總計2.4×104km2,占中國冰川總面積的40.4%。參照中國冰川編目與各區(qū)域研究文獻的豐富程度,將中國冰川大致劃分為3個大區(qū)(即西北干旱區(qū)、青藏內(nèi)流區(qū)與青藏外流區(qū)),共10個統(tǒng)計單元。其名稱及冰川編目編碼分別為中亞內(nèi)陸流域(5X)、河西內(nèi)流水系與柴達木內(nèi)流水系(5Y4、5Y5)、塔里木內(nèi)流水系(5Y6)、準噶爾內(nèi)流水系與科布多河流域(5Y7、5Y1)、吐魯番—哈密盆地內(nèi)流水系(5Y8)、鄂畢河流域(5A)、青藏高原內(nèi)流水系(5Z)、黃河流域(5J)、長江、湄公河與薩爾溫江流域(5K、5L、5N)、恒河與印度河流域(5O、5Q)。冰川面積的年均變化率(annualpercentagesofareachanges,簡稱APAC)已被廣泛運用于不同時空尺度下冰川變化程度的比較。由于變化率多為負值,以下冰川面積年均變化率一般指年均退縮率。設(shè)本研究涉及i個統(tǒng)計單元,每個統(tǒng)計單元下分別有j項研究文獻,該研究文獻內(nèi)初始冰川面積為S0ij,冰川變化量為ΔSij,研究時段為Δtij,初始時間為t0ij,各統(tǒng)計單元內(nèi)冰川的面積為Si,其中i,j=1,2,3,…。根據(jù)在天山地區(qū)的初步研究,本研究確定了如下的計算流程。在不考慮文獻間研究時段差異的情況下,整個中國冰川面積退縮比例為:利用插補的方法可以得到1960年以來各統(tǒng)計單元內(nèi)冰川面積年均變化率為整個中國冰川面積年均變化率為2.2主要氣候指標的變化情況本研究使用的氣候變化資料由中國氣象局國家氣象信息中心提供。為了反映中國冰川區(qū)1960-2009年間主要氣候指標的變化情況,本研究選取地面站139個,探空站28個。地面站資料為夏季(6-8月)的氣溫、降水量與降水日數(shù),探空站資料為夏季(6-8月)北京時間8時大氣0oC層高度。氣溫、降水量、降水日數(shù)與0oC層高度的年際變化趨勢利用一元回歸分析法進行分析。3近50年中國冰川變化趨勢及其氣候背景3.1中國冰流速對于典型冰川的變化情況一般可以通過長期的定位或半定位觀測獲知,而對于大區(qū)域的冰川變化則需要借助遙感等技術(shù)手段才能完成。根據(jù)本研究整理的冰川面積遙感監(jiān)測結(jié)果,研究區(qū)冰川面積從20世紀60-70年代的23982km2減小到21世紀初的21893km2。按照中國冰川編目對各統(tǒng)計單元的冰川面積進行加權(quán),結(jié)果表明自20世紀60-70年代至21世紀初中國冰川面積減小了10.1%。為使得結(jié)果具有較好的可比性,并進一步對中國冰川面積年均變化程度進行評估,本研究對不同文獻間的時間差異進行了插補,于是得到1960年以來的中國冰川面積年均變化率為0.3%a-1。與之前有關(guān)中國大范圍冰川面積變化的研究(研究時段的下界大多在2000年附近)對比,這一變化率要高于之前的報道。3.2夏季氣候突變特征氣溫決定冰川的消融,降水量決定冰川的積累,它們的組合共同決定著冰川的性質(zhì)、發(fā)育和演化。與歐洲以冬季補給為主的冰川不同,中國大多數(shù)山地冰川積累和消融同時發(fā)生在夏季,夏季的氣候變化情況對冰川面積具有決定性的影響。因此,本研究著重討論夏季氣候與冰川變化的關(guān)系。1960-2009年夏季的氣象資料表明,中國冰川區(qū)總體呈暖濕化趨勢(圖1a、圖1b)。139個地面站的平均氣溫傾向率為0.22oC·(10a)-1,相當于近50年夏季氣溫升高了1.1oC;平均降水量傾向率為1.1mm·(10a)-1,相當于近50年增加了5.7mm。氣溫在20世紀80年代之后處于持續(xù)的增加狀態(tài),1960年以來的氣溫年代際平均值分別為16oC(1960-1969年)、16oC(1970-1979年)、16.1oC(1980-1989年)、16.4oC(1990-1999年)與16.9oC(2000-2009年)。與之對應(yīng),降水量的年代際平均值分別為214.6mm、203.6mm、210.1mm、217.4mm與213.9mm,呈現(xiàn)出較為微弱的波動。冰川的進退對氣溫與降水量變化的響應(yīng)是有差異的(圖2)。以天山烏魯木齊河源1號冰川為例,如果氣溫升高0.5oC,平衡線將從4019m上升到4059m,若以降水量的增加來使平衡線恢復(fù)至原海拔位置則需要增加25%的降水量;當氣溫升高1oC時,對應(yīng)的降水量則需要增加47%。若以物質(zhì)平衡代替平衡線海拔計算,其結(jié)果類似,氣溫升高0.5oC對應(yīng)降水量增加25%,氣溫升高1oC對應(yīng)著降水量增加56%。在中國西部,近50年氣溫增長1oC的區(qū)域十分常見,而降水量升高50%以上的站點卻相對很少。盡管這樣的估算僅根據(jù)單條冰川進行,但參考中國冰凍圈其他幾條冰川的類似研究來看,這一趨勢是必然的。就本研究中的139個地面氣象站而言,中國冰川區(qū)的夏季氣溫上升明顯,而降水量的增幅輕微。在如此的氣候背景下,冰川的退縮是難免的。大氣0oC層受到觀測場環(huán)境影響較少,其變化能較好地反映該區(qū)域氣候變化特征。28個探空站的資料表明(圖1c),1960-2009年間0oC層高度總體呈現(xiàn)出上升趨勢,傾向率為8.3m·(10a)-1。具體說來,20世紀60-70年代大致呈下降趨勢,其中,60年代平均值為4880m,70年代則降低至4838.4m。20世紀80年代以后0oC層高度開始持續(xù)回升,80年代為4852.1m,90年代為4887.7m,2000年以后則上升至4898.8m。若以1960-1989年的30年作為基準,1990-2009年間0oC層高度比基準值升高了36.4m。這與之前在新疆的研究結(jié)果是類似的。0oC層高度的變化強烈地影響著中低緯高海拔地區(qū)冰川。在天山烏魯木齊河源1號冰川開展的研究表明,夏季0oC層高度與冰川的零平衡海拔、消融區(qū)面積、純物質(zhì)消融量和融水徑流深正相關(guān),而與積累區(qū)面積、純積累量、純物質(zhì)平衡總量、純物質(zhì)平衡值負相關(guān)。在祁連山七一冰川開展的研究也表明,夏季0oC層高度與冰舌末端溫度的相關(guān)系數(shù)為0.927,與冰舌消融量相關(guān)系數(shù)為0.771,即夏季0oC層高度越高,冰舌消融量越大。1960-2009年間夏季0oC層平均高度為4871.4m,近10年來這一高度在4805m與4993.4m之間波動。實際上,中國有不少冰川區(qū)(特別是西北干旱區(qū))的雪線都在這一平均值以下。4中國冰川變化的空間差異和氣候背景4.1區(qū)域地質(zhì)及地質(zhì)條件近年來運用遙感技術(shù)監(jiān)測冰川變化已經(jīng)普及,在中國冰川區(qū)開展了大量研究。這里按照西北干旱區(qū)、青藏內(nèi)流區(qū)與青藏外流區(qū),分別對近年冰川變化遙感監(jiān)測的現(xiàn)狀做一概述。本研究中的西北干旱區(qū)大致包括冰川編目中的中亞內(nèi)陸流域、東亞內(nèi)陸流域和鄂畢河流域,其中,東亞內(nèi)陸流域又被劃分為河西內(nèi)流水系與柴達木內(nèi)流水系、塔里木內(nèi)流水系、準噶爾內(nèi)流水系與科布多河流域、吐魯番—哈密盆地內(nèi)流水系等統(tǒng)計單元。由于冰川水資源在中國西北干旱區(qū)具有重要的現(xiàn)實意義,因此冰川與氣候變化一直以來都是這一區(qū)域的研究熱點。根據(jù)冰川編目,該區(qū)域分布有冰川22086條,面積27922km2,冰儲量2814km3,分別占到全國總量的48%、47%和50%,冰川平均面積1.3km2,大多屬于亞大陸型冰川,極大陸型冰川也有分布。中亞內(nèi)陸流域冰川在中國境內(nèi)主要分布于伊犁河上游,近年來在其所屬的喀什河流域與庫克蘇河流域先后進行過研究。河西內(nèi)流水系與柴達木內(nèi)流水系位于青藏高原東北部,區(qū)域北部的祁連山區(qū)研究較為豐富[21,22,23,24,25,56],流域南部的新青峰冰帽、馬蘭冰帽(部分屬青藏高原內(nèi)流區(qū))也有少量報道。塔里木內(nèi)流水系的研究也一直較多[20,26,27,28,29,30],塔里木盆地周邊各區(qū)域都有覆蓋。準噶爾內(nèi)流水系南部(即天山北坡)近年來出現(xiàn)了不少研究,水系北部以及科布多河流域冰川規(guī)模很小,個別研究也有涉及。吐魯番—哈密盆地內(nèi)流水系位于天山東段南坡,相關(guān)研究在博格達峰南坡、哈爾里克山南坡都有所開展。鄂畢河流域在中國境內(nèi)即為額爾齊斯河流域,近期有學(xué)者對該區(qū)域的冰川變化作了較為全面的研究。西北干旱區(qū)65個地面站與15個探空站1960-2009年間的氣象資料表明,氣溫傾向率平均值為0.22oC·(10a)-1,0oC層高度傾向率平均值為7.5m·(10a)-1,降水量傾向率平均值為3.7mm·(10a)-1,降水日數(shù)傾向率平均值為0.3d·(10a)-1。青藏高原內(nèi)流區(qū)北起昆侖山,南至岡底斯山,分布有冰川5341條,面積7836km2,冰儲量777km3,分別占到全國的12%、13%和14%,冰川平均面積1.5km2,以極大陸型冰川為主,也包括部分亞大陸型冰川。目前的冰川變化研究主要集中于2個地區(qū),即念青唐古拉山西北坡的納木錯流域與西喜馬拉雅山北坡的瑪旁雍錯流域。根據(jù)這一區(qū)域4個地面站1960-2009年間的氣象資料分析可得,氣溫傾向率平均值為0.14oC·(10a)-1,降水量傾向率平均值為8.6mm·(10a)-1,降水日數(shù)傾向率平均值為1.2d·(10a)-1。本研究中的青藏高原外流區(qū)大致包括黃河、長江、湄公河、薩爾溫江、恒河與印度河流域,分布有冰川18950條,面積23667km2,冰儲量2009km3,分別占到全國的41%、40%和36%,冰川平均面積1.2km2,海洋型、亞大陸型、極大陸型冰川均有分布。目前,冰川變化遙感監(jiān)測研究在黃河、長江與恒河流域開展較多。其中,黃河流域的研究主要分布于黃河源區(qū)阿尼瑪卿山與祁連山東段冷龍嶺南坡;在長江流域的各拉丹冬地區(qū)、冬克瑪?shù)椎貐^(qū)、玉龍雪山和貢嘎山地區(qū)都有相關(guān)研究;恒河流域冰川變化的遙感監(jiān)測多出現(xiàn)在珠峰周邊地區(qū)[15,41,42,43,62,63]、納木那尼峰地區(qū)(北坡為青藏高原內(nèi)流區(qū)的瑪旁雍錯流域)以及雅魯藏布江流域等。根據(jù)這一區(qū)域70個地面站與13個探空站1960-2009年間的氣象資料可得,氣溫傾向率平均值為0.21oC·(10a)-1,0oC層高度傾向率平均值為9.2m·(10a)-1,降水量傾向率平均值為-1.7mm·(10a)-1,降水日數(shù)傾向率平均值為-0.6d·(10a)-1。盡管上述各研究區(qū)的氣候條件與冰川屬性不盡相同,但將冰川變化記錄與器測氣象資料進行對比分析后,大多數(shù)研究都將冰川面積的縮小歸因于近幾十年來明顯升高的氣溫以及增長相對緩慢或略微下降的降水量。4.2中國冰酒氣候突變傾向率根據(jù)上述不同統(tǒng)計單元冰川變化的事實,可以得到統(tǒng)計單元尺度下冰川面積年均變化率的空間分布情況(圖3a)。天山的伊犁河流域、準噶爾水系、阿爾泰山的鄂畢河流域、祁連山的河西內(nèi)流水系等都是冰川退縮程度相對較高的區(qū)域。總體來講,青藏高原內(nèi)部冰川變化程度處于中低水平,而周邊山地的冰川變化幅度則相對較大。王欣等曾將中國冰川系統(tǒng)對氣候變暖的響應(yīng)依敏感程度進行過劃分。綜合考慮統(tǒng)計單元設(shè)置的差異與文獻源的代表性,我們得到的這一分布情況與之前的研究是基本符合的。中國冰川臨近區(qū)139個氣象站1960-2009年夏季氣溫僅在極個別站點的傾向率為負,絕大多數(shù)站點氣溫表現(xiàn)出升高的趨勢且傾向率大于0.15oC·(10a)-1(圖3b)。在139個氣象站點中,氣溫變化傾向率低于-0.15oC·(10a)-1的僅有3個。夏季0oC層高度降低的區(qū)域比地面氣溫降低的區(qū)域略有擴大(特別是在塔里木盆地西部),但是升溫仍是大多數(shù)站點的變化趨勢(圖3c)。顯然,夏季大氣0oC層高度升高后,冰川環(huán)境溫度上升,冰川消融加快,積累將會減少。大多數(shù)站點夏季降水量呈現(xiàn)出增多的趨勢,但在青藏高原南部出現(xiàn)了變干區(qū)域與變濕區(qū)域交錯的現(xiàn)象(圖3d)?？紤]到青藏高原西南部海洋型冰川較多,而海洋型冰川對于氣候變化較為敏感,因此從長遠而言該區(qū)域冰川消融將較為顯著。4.3氣象站參數(shù)分布的影響就氣溫與0oC層高度(圖4b)而言,中國冰川區(qū)的升溫是較為普遍的。所有的統(tǒng)計單元在1960-2009年間夏季氣溫都呈現(xiàn)出增長趨勢,增長幅度最低的吐魯番—哈密盆地內(nèi)流水系也為0.11oC·(10a)-1,中亞內(nèi)陸流域甚至可達0.31oC·(10a)-1。在大多數(shù)統(tǒng)計單元,夏季0oC層高度都處在增長趨勢中,這與冰川面積年均變化率的排序(圖4a)也存在一定的相似性。當然,氣象站數(shù)量與分布對這一結(jié)果也有影響,例如青藏高原內(nèi)流水系就缺乏探空站的長期記錄。就降水情況(圖4c)而言,青藏高原內(nèi)流水系降水量與降水日數(shù)均增長較快,西北干旱區(qū)各統(tǒng)計單元也多處于氣候暖濕化的區(qū)域內(nèi),降水量傾向率大多在2mm·(10a)-1以上。然而,西南地區(qū)降水量略有減少,長江、湄公