青藏高原中部扎当冰川物质平衡研究

文章编号:100020240(2007)0320360206青藏高原中部扎当冰川物质平衡研究 收稿日期:2006212212;修订日期:2007203220 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2005CB422004);国家自然科学基金项目(40401054;40121101);中国科学院知识创新工程项目(KZCX32SW 2339);中国科学院“百人计划”项目资助 作者简介:周广鹏(1981—),男,山东菏泽人,2004年毕业于青岛大学,现为中国科学院青藏高原研究所在读硕士生,主要从事冰川和全球变化研究.E 2mail :zhougp04@周广鹏1,　姚檀栋1,2,　康世昌1,2,　蒲健辰2,1,　田立德1,2,　杨　威1(1.中国科学院青藏高原研究所,北京100085;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃兰州730000)摘　要:最新观测表明,青藏高原扎当冰川2005/2006年度物质平衡量为-306.42×104m 3,相当于-1547.57mm 水当量,冰面出现显著的减薄.扎当冰川出现如此大的负平衡在青藏高原中部地区实属罕见,这可能与影响冰川物质平衡过程的区域气候状况和局地气候因素的差异有关系.物质平衡出现较大的负值和零平衡线位置升高的状况,强烈反映了扎当冰川对气候变暖过程的响应.关键词:扎当冰川;物质平衡;零平衡线;全球变暖中图分类号:P343.6文献标识码:A0　前言冰川的物质平衡状况与冰川表面的热量平衡、冰内和冰下的水文状态、成冰作用、活动层的温度状况以及冰川运动速度等密切联系,它直接反映冰川的进退和冰川作用区气候的变化.冰川物质平衡是冰川学研究的重要内容之一,冰川物质平衡的监测研究是全球环境、气候变化监测的重要项目之一,尤其是处于人口分布稠密的中低纬度、被誉为世界“第三极”的青藏高原地区冰川的物质平衡尤其受到关注.在青藏高原及周边地区,冰川物质平衡多年连续监测点有乌鲁木齐河源1号冰川(1956—2007年)、唐古拉山小冬克玛底冰川(1990—2006年)和煤矿冰川(1990—2001年).根据姚檀栋等[1]研究,这几条冰川近年来的物质平衡状态表现出强烈的负平衡;结合青藏高原其它地区冰川物质平衡的研究认为,20世纪90年代中期开始,青藏高原冰川出现普遍的强烈退缩现象,近年退缩幅度呈逐渐加剧的趋势[2].但是,高原上能够连续长期系统观测的冰川为数不多,尤其青藏高原内部冰川的物质平衡研究相对较少,更缺乏连续观测的资料,甚至一些地区的冰川物质平衡观测资料至今尚是空白,大多数冰川的变化仍然是利用航片、地形图和文献记录与实地考察对比观测获得的一定时段内或两次考察时段内的总变化.在全球变暖的大背景下,青藏高原山地冰川的物质平衡对于全球变暖的响应和反馈[3],成为研究的热点.因此,需要在青藏高原典型性地区进行定点、连续和长期的物质平衡观测.以中国科学院青藏高原研究所建立的“纳木错圈层相互作用综合观测研究站”为基地,在2005年8月开始在青藏高原念青唐古拉山峰东北坡纳木错流域的扎当冰川进行冰川物质平衡的观测.本文重点分析该冰川2005/2006年度物质平衡特征.1　研究区域扎当冰川(冰川编号:5Z225D0017;30°28.57′N ,90°38.71′E )位于青藏高原念青唐古拉山主峰的东北坡,纳木错湖的WS 方向,冰川朝向NNW.冰川最大长度215km ,面积1198km 2,呈扇形流出山谷,最高海拔6090m ;冰舌前端较为平坦,末端海拔约5515m ,冰面洁净,没有表碛物覆盖;按第29卷　第3期2007年6月冰　川　冻　土J OU RNAL OF G L ACIOLO GY AND GEOCR YOLO GYVol.29　No.3J un.2007冰川的物理特性分类,扎当冰川属于大陆型冰川[4].冰川区降水主要来自西南季风和局地对流云系,根据纳木错圈层相互作用综合观测研究站观测,该区降水主要集中在夏、秋季,冬、春季两季降水量相对较少.图1　扎当冰川及物质平衡观测花杆的布设位置图Fig.1　Map of the Zhadang G lacier and sites of stakesfor measuring mass balance2　冰川物质平衡的观测和计算2.1　观测点的布设和观测扎当冰川物质平衡观测以测杆法和雪坑雪层剖面相结合.2005年8月30日,在扎当冰川表面布设了8个物质平衡观测横剖面,共设置8根花杆(图1);并在每根测杆或主流线上的测杆附近挖取雪坑,利用雪坑观测.于2006年6月5日进行了花杆的补插和测量花杆工作(图1),以2005年布设的8根花杆为主流线,在其两侧又补插了14根花杆,共9个物质平衡观测剖面;在2006年的暖季进行了加密观测,于6月17日、7月26日、8月10日和9月15日进行了物质平衡的观测,在观测期间,由于补插的花杆陆续倒伏,到9月15日只剩下主流线上的8根花杆.测杆布设之后,扎当冰川进行了消融季节冰川消融的现代过程研究和年物质平衡的观测,观测内容包括测杆高度、积雪厚度和积雪密度、附加冰厚度和污化层深度等.并在冰川末端和垭口处设立两个自动气象站(Automatic Weat her Station ,AWS )进行自动观测(图1中M ,N ).自动气象站(AWS )的温度测量传感器(M P101A TP )分别架设在地面或冰面以上115m 和210m 的高度,并与数据采集器(HL20)连接进行同步采集,数据采集器每隔30s 采样一次.本研究采用的是210m处的气温值.截至2006年9月,我们获取了扎当冰川2005/2006年一个完整物质平衡年的数据,这一工作仍在持续观测.2.2　物质平衡的计算物质平衡是冰川表面积累量与消融量的代数和[5],反映了冰川表面单位面积上相对于上一个冰川物质平衡年末冰面的平均升降变化状况.根据野外观测资料,分别计算各测点的净积累量和净消融量[6],将计算结果标在大比例尺的冰川图上,绘制冰川积累和消融等值线图或用等高线法,从图上确定出冰川零平衡线高度,分别量测出每相邻两等值线或等高线间的积累和消融面积,然后逐步计算出整个冰川的纯积累量和纯消融量以及物质平衡.蒲健辰等[7-8]1989年利用上述两种方法对唐古拉山小冬克玛底冰川和1993年对冬克玛底冰川和煤矿冰川物质平衡的计算表明,用等值线法和等高线法计算出的结果很接近,而且后者较前者更简便;刘潮海等[9]在天山乌鲁木齐河源1号冰川和蒲健辰等[10]在祁连山七一冰川也做过计算,其结果也很接近,因此,扎当冰川的物质平衡也采用较为简便的等高线法计算.整个冰川的物质平衡(B )为:B =C +A =∑Scn c n+∑Sana n (1)式中:C 为纯积累量;A 为纯消融量;S cn 和S an 分别为积累区和消融区相邻两等值线或等高线间的投影面积;c n 和a n 分别为平均积累深度和平均消融深度.利用以下公式可以得到冰川物质平衡更为直观的水当量表示法(mm w.e.):h =BS×1000(2)式中:h 为水当量高度(mm w.e );B 为冰川的物质平衡(m 3);S 为冰川的总面积(m 2).2.3　物质平衡的计算结果根据扎当冰川物质平衡的实际观测数据,计算出该冰川的物质平衡梯度[11-13]为4138mm ・m.近似的计算出扎当冰川零平衡线高度(EL A ),其结果见表1. 零平衡线波动是冰川响应气候变化最敏感的指标,在这个高度上冰川的年积累量等于年消融量,即物质平衡等于零.冰川消融量和积累量的大小,决定冰川消融区和积累区面积的扩大和缩小,从而影响冰川零平衡线位置的升降变化.在降水变化不大的情况下,当年平均气温高时不仅使冰川消融强度增大,而且使冰面消融时间延长、消融区面积扩1633期周广鹏等:青藏高原中部扎当冰川物质平衡研究表1　扎当冰川2005/2006年冰川物质平衡、零平衡线高度和冰川面积Table 1　Mass balance ,EL A and total area of the Zhadang G lacier in 2005/2006冰川名称冰川面积/km 2零平衡线高度/m 物质平衡总量/104m 3平衡值/mm观测年度扎当冰川1.986024-306.42-1547.572005/2006展,零平衡线升高,反之则降低.扎当冰川物质平衡计算得出,在该物质平衡年的零平衡线海拔为6024m ,与《中国冰川目录》[4]上给出的海拔5800m 相比升高了224m.这说明20世纪90年代以来气候的持续变暖,强烈影响到扎当冰川消融的加剧和消融区面积的扩大,从而造成冰川物质平衡较大负值,零平衡线位置的快速上升.3　冰川物质平衡过程及空间分布3.1　物质平衡空间分布分析冰川物质平衡过程可以发现,同一时期不同海拔、物质平衡过程有很大的差异,明显反映出随海拔升高,消融期开始的日期推迟,而结束的日期提前.利用上述计算得出的冰川物质平衡梯度,计算出不同海拔高度、不同时段内和一个完整观测年的冰川单点平均物质平衡.根据扎当冰川的实测物质平衡数据,得出物质平衡随海拔的变化规律(图2).图2　扎当冰川物质平衡随海拔高度的变化Fig.2　Mass balance of the Zhadang G lacierchanging with altitude 观测结果显示,扎当冰川随海拔的上升,气温逐渐降低,冰面积雪也不断增厚,其消融速率较下部大为减小,物质平衡向负平衡方向发展的变化趋势迅速减缓.扎当冰川表面的花杆观测结果,在空间上显示出有规律性的变化.从海拔5600m 的冰舌前端至海拔5800m 的山脊附近的花杆观测范围内,冰川消融深度随海拔的升高而逐渐减小(图2).然而也存在着差异,在空间上,沉积在冰川表面的降雪,如果不受外力的搬运移动,仅受热力消融的影响,物质平衡的分布应该是随海拔上升呈直线变化.但青藏高原的风很频繁,扎当冰川5800m 垭口处夏季(也是降水的主要时段)平均风速达4125m ・s -1,冰面积雪常受到风力搬运迁移,重新分配,也受冰面坡度、地形变化的影响,扰乱了雪的自然分布状况,引起冰川物质平衡的不均匀分布,出现随海拔升高呈波动增大趋势.表明了冰川本身的特征、地理位置特征和其所处的局地气候,以及全球变暖的大背景对于冰川物质平衡的影响都是很显著的.3.2　物质平衡过程气候的波动变化会引起冰雪物质的积累和消融,直接影响冰川表面的升高或降低.根据气象观测资料(海拔5800m 和5400m 处气象资料分别来源于游庆龙和田克明的观测),扎当冰川流域海拔5400m 处从4月9日开始,白天气温出现不连续的>0℃的天气,冰川会出现不同强度的阵性消融现象;与此同时纳木错湖区也出现断续的降水天气(主要以降雪为主),由于新雪较强的反射作用,使得冰川的总体消融强度不大,消融范围有限,难以形成冰川融水径流,其融水大多渗入冰面雪层中.由于此时的积雪温度低,很快被再冻结而形成冰面附加冰,对冰川起到补给作用.自5月2日到5月20日前后,出现强降水事件,扎当冰川垭口出约有1m 左右的降雪,在这期间垭口(海拔5800m 气象站M )处平均日气温为-6.1℃,冰川末端(海拔5400m 气象站N )日平均气温-3.6℃.到5月下旬,由于日平均气温(冰川末端的气温)急剧升高(图3),出现连续的>0℃的天气,缩短了冰面积雪的时间,不仅使新雪很快消融,而且使老冰消融,冰川进入消融期.随着气温的继续升高,冰川消融逐渐增强,9月中旬或之后气温很快降至0℃以下,冰川消融基本结束,而降落在冰面的雪开始积累.冬季,降雪量少,积累量不大.扎当冰川的物质平衡过程为:冰川区冷季(9月中旬至翌年5月)漫长,气温低、降水量不足全年的20%,冰川积累和消融过程微弱;暖季(5月中下旬至9月初)短暂,日平均气温>0℃,总降水量占全年的80%以上263 冰 川 冻 土 29卷　(降水观测资料来源于纳木错圈层相互作用综合观测研究站),冰川的积累和消融及物质平衡过程主要发生在暖季.图3　冰川末端(a )和垭口(b )5～10月的气温对比Fig.3　Variation of the air temperature on Zhadang G lacier f rom May to October 如果将冰川末端气温连续>0℃的时间作为冰川消融期的开始,≤0℃的时间作为冰川消融期的结束,根据扎当冰川区的自动气象站温度记录推测(日平均气温值),2005年冰川消融结束期结束于10月4日;2006年冰川消融期开始于5月28日,冰川消融期结束于9月14日,消融期约为109d ,这与蒲健辰等[10]在祁连山七一冰川2001—2003年出现大的物质负平衡的观测结果相类似.从观测结果可以看出,扎当冰川冰面消融强度远大于天山地区和青藏高原内部其它地区的冰川,出现这一结果的可能原因:1)冰川的规模.扎当冰川面积1198km 2,最大长度215km ,根据有关研究[14-17],冰川规模越小,长度≤5km 的冰川,对于气候的响应越敏感,在全球普遍升温的大背景下,冰川的消融也将加剧;2)扎当冰川分布在海拔5515～6090m 之间,主体分布在海拔5800m 以下(占80164%),高于海拔5800m 的冰川面积仅仅占整个冰川面积的19136%,即冰川的粒雪盆面积较小,冰川来自粒雪盆的物质补给就少,又由于冰川海拔分布也相对较低,不利于冰面积雪的保存;3)气温和降水量的影响.根据对当雄气象站(距离扎当冰川最近的气象站)近40a 来气象资料研究表明[18-20],当雄气象站年平均气温的年代平均显示,扎当冰川区气候变暖是显著的,其增温速率012～013℃・(10a )-1,40a 来气温升高达110℃以上.近期康世昌等[21]利用拉弄冰川(距扎当冰川5km 左右)冰芯恢复该地区冰川积累量的研究发现,念青唐古拉冰川区20世纪80年代以来降水量增多的趋势,所以冰川区气候有向暖湿发展的趋势.根据高晓清等[22]和Ding Y ongjian [17]研究,全球范围的升温对冰川物质平衡的影响要比降水显著得多,所以综合考虑冰川的消融,这可能与影响冰川物质平衡过程的区域气候状况和局地气候因素的差异有较明显关系[23].但是由于缺乏详尽的资料,具体的原因还需要进一步的研究.4　结论根据在青藏高原中部扎当冰川进行的2005/2006年度的一个完整物质平衡年和2006年6～9月消融期的实际观测结果,分析了该冰川在一个物质平衡年期间的物质平衡变化的初步结果.研究结果说明,扎当冰川物质平衡出现较大的负平衡和零平衡线上升过程,物质平衡纯平衡量为-306.42×104m 3,相当于-1547.57mm 水当量.该冰川在2005/2006年出现如此大的负平衡,在大陆性冰川中较为罕见,由于该冰川的物质平衡观测刚刚开始,仅有1a 的数据,这种变化的具体原因,有待于进一步长期观测得到解释.该冰川物质消融随海拔的升高,有逐渐降低的趋势,但又存在着差异,特别是在海拔5700～5800m 出现较大异常(图2),可能是由于该处强降水时期较大的风速,引起的风吹雪的缘故.但是,由于缺乏详尽的资料,具体的原因还有待进一步的研究. 致谢:扎当冰川的野外观测资料的采集过程中,得到了中国科学院纳木错圈层相互作用综合观测研究站的大力支持和帮助,特此致谢!参考文献(R eferences):[1]Yao Tandong ,Liu Shiyin ,Pu Jianchen ,et al .Impact of t he recently glacier retreat on water resources in High Asia [J ].Science in China (Series D ),2004,34(6):535-543.[姚檀栋,刘时银,蒲健辰,等.高亚洲冰川的近期退缩及其对西北水资源的影响[J ].中国科学(D 辑),2004,34(6):535-543.][2]Pu Jianchen.Yao Tandong ,Wang Ninglian ,et a 1.Fluctua 23633期周广鹏等:青藏高原中部扎当冰川物质平衡研究tions of t he glaciers on t he Qinghai-Tibetan Plateau during t he past century[J].Journal of G laciology and Geocryology, 2004,26(5):517-522.[蒲健辰,姚檀栋,王宁练,等.近百年来青藏高原冰川的进退变化[J].冰川冻土,2004,26(5):517-522.][3]Shi Yafeng,Liu Shiyin.The forecast of glacier fluctuations inChina responding to t he21st Century global warming[J].Chinese Science 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ords:Zhadang Glacier;mass balance;ELA;global warming 5633期周广鹏等:青藏高原中部扎当冰川物质平衡研究　。