1 引言

地处中低纬地区的山岳冰川不仅对河川径流有直接影响,而且还可以揭示气候波动的响应特征。山地冰川储量虽不及南极和格陵兰冰盖,但由于其对气候变化敏感性更高,因此过去一世纪山地冰川对海平面的上升有显著的作用^[1]。中国第二次冰川编目结果显示,20世纪50年代中期以来,中国冰川总体呈现萎缩态势,面积缩小了18%左右^[2]。冰川负物质平衡是导致冰川面积退缩的主要原因,而气温与降水是影响冰川物质平衡的主要因素。冰川物质平衡不仅是冰川与气候环境相互作用的关键链条,同时也是冰川动力学及冰川径流模型重要的参数,是反映气候变化最为敏感的指标。

根据中国冰川类型的三分法,海洋型冰川占中国现代冰川总面积的22%,主要分布于西藏东南部和川西滇西北地区。目前,中国海洋型冰川的研究主要集中于贡嘎山、玉龙雪山和帕隆藏布流域等冰川区,研究方法以3S技术和短期的非定位观测为主,研究内容主要集中于冰川面积变化、末端变化或冰川表面消融特征的分析等^[3-8],长期定位的物质平衡观测仅有玉龙雪山白水1号冰川及帕隆流域的几条冰川^[9-12]。玉龙雪山冰川是亚欧大陆距赤道最近的冰川区,白水1号冰川是其最大的冰川。2008年以来玉龙雪山冰川与环境观测研究站对白水1号冰川进行了连续的冰川物质平衡、冰川气象观测。本文基于2008-2013年的观测数据,对白水1号冰川物质平衡特征进行了分析。

2 研究区概况

玉龙雪山（26°59′~27°17′N,100°04′~100°15′E）位于横断山南端,南北长35 km,东西宽18 km。本区主要受高空西风环流和西南季风环流的影响,其气候属低纬度高原季风气候。每年11月至次年4月主要受西风环流南支控制,使北方强寒潮难以入侵,成为晴朗少云、湿度小、降雨少的干季;5-6月,湿热的西南季风进入本区,5-10月为雨季。玉龙雪山现在分布有15条现代冰川,东坡14条,西坡1条,总面积7.65 km²。白水1号冰川位于其东坡,长2.26 km,面积1.32 km²,冰川末端海拔4365 m^[12]（图1）。

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图1   a. 研究区位置;b. 玉龙雪山冰川分布;c. 白水1号冰川观测点分布(底图为2010年地形图)

Fig. 1   Location of Mt. Yulong (a); distribution of glaciers in Mt. Yulong (b); distribution of observation points on Baishui Glacier No.1 (The base map is 2010's topographic map) (c)

近年来的观测发现,处于低海拔的丽江盆地与高海拔的冰川分布区冬季降水量相差悬殊。海拔4500 m以上的冰川区,春季月降水量甚至大于雨季月降水量。杨威等^[10]研究认为雅鲁藏布江沿岸及附近区域存在大量的“春季积累型”冰川,玉龙雪山位于其东部边缘,区域大气环流及地形因素是造成玉龙雪山春季降水量较大的主要原因。

3 数据与方法

物质平衡观测主要采取传统的花杆与雪坑观测相结合的方法。物质平衡观测网的布设为横断面测杆相距约100 m,纵断面测杆亦相距约100 m,在冰川表面布置花杆共15根。测杆布设以后,夏季消融期每周测量一次,冬季每半月测量一次,如遇到特殊天气,观测日期相应延迟。冬季花杆被雪掩埋后每月开挖雪坑进行连续观测,观测内容包括测杆的高度、附加冰厚度、积雪剖面和污化层深度等,这些测点基本控制了冰川区可观测的区域。2009年5月中旬,对倒伏和缺失的花杆进行了补插。2010年在原有花杆基础上,对白水1号冰川观测花杆进行了补插,共3列,13根花杆（图1c）。2011至2013年对白水1号冰川进行了连续系统的观测,2013-2014年度受冰裂隙影响观测范围受限。本文集中分析2008-2013年共5个物质平衡年的观测数据。冰川区气象数据主要来自于冰川边缘3台自动气象站记录数据,冬季降水数据来自于雪坑与新降雪实测数据。丽江市与维西县气象数据来自于中国气象数据共享网。

本研究物质平衡的计算采用等值线与等高线相结合的方法。根据野外观测资料,分别计算出各测点不同时段的纯积累量和纯消融量,得出单点物质平衡,无法观测的区域采用物质平衡梯度的方法进行插值,以实现对整个冰川物质平衡的计算。物质平衡年采用的是10月至次年的9月,包括完整的积累与消融季。除2010/2011年度外,其他几个物质平衡年花杆观测区占冰川总面积的70%,物质平衡计算结果具有较高的可信度。2010/2011年物质平衡花杆剩余7根,集中位于海拔4740~4900 m,其观测控制面积占冰川总面积的53%,物质平衡计算结果与其他几个年度相比误差较大,但仍具有一定可信度。

4 结果与分析

4.1 物质平衡、平衡线高度和积累区面积比率

白水1号冰川处于负物质平衡状态,物质平衡最大值仅为-907 mm w.e.,最小值则达到-1872 mm w.e.（表1）,2008-2013年累积物质平衡达到-6972 mm w.e.,相当于整条冰川减薄7.75 m。此外,由于冰川最高海拔仅为5030 m,若不考虑扇子陡等高处的冰雪崩落补给,2009-2010年开始冰川积累区就完全消失,即积累区面积比率变为0,冰川处于极度不稳定状态,若继续维持现有气候变化趋势,未来白水1号冰川将消失。

4.2 物质平衡过程

冰川物质平衡与气温呈明显负相关,冬季物质平衡与降水具有较好的正相关关系,而夏季关系不明显。2008-2009年和2009-2010年10月至次年5月海拔4700 m冰川区冬季降水量分别为1724 mm和1465 mm（图2a、2b）,物质平衡值分别为1383 mm w.e.和416 mm w.e.,冰川处于积累期。2008-2009和2009-2010年6-9月平均气温分别为4.20 ℃和4.23 ℃,物质平衡值分别为-3528 mm w.e.和-3638 mm w.e.,冰川处于强消融期。2011-2012年10月至次年6月海拔4700 m冰川区物质平衡值为10 mm w.e（图2c、2d）,7-9月份物质平衡值达到-2626 mm w.e.;2012/2013年度10-12月物质平衡值为-16 mm w.e.,1-6月物质平衡值为146.5 mm w.e.,7-9月份物质平衡值为-3099 mm w.e.。因此,白水1号冰川积累期主要集中于10月至次年5月,6-9月为主要的消融期,其属于冬春季积累型冰川。

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图2   白水1号冰川海拔4700 m月均温、月降水量与冰川物质平衡的关系

Fig. 2   Correlations of monthly temperature, precipitation and mass balance of Baishui Glacier No. 1 at elevation of 4700 m

夏半年气温是影响冰川物质平衡水平的主要因素,气温的高低决定冰川区固、液态降水所占比例。以海拔4700 m为例,2009-2013年6-9月降水量分别为1426 mm、1601 m、1279 mm、1099 mm和1088 mm,其中固态降水量可按临界温度法计算^[14]：

PS=P T≤TSTL-TTL-TSPTS<T<TL0T≥TL（1）

PL=P-PS（2）

式中： PS和 PL分别为月固态和液态降水量（mm）; P为月总降水量; T是月平均气温（℃）; TS和 TL分别为固态及液态降水的临界温度（℃）,其中 TS为-0.5 ℃, TL为2.3 ℃^[10]。

通过以上方法计算,6-9月海拔4700 m冰川区固态降水为0。因此,夏半年白水1号冰川区降水以液态降水为主,即使粒雪盆出现固态降水,也不能形成有效的积累。

4.3 物质平衡梯度

物质平衡梯度的研究主要包括2008-2009、2011-2012和2012-2013年的花杆观测值（图3a）。2009-2010年和2010-2011年剩余花杆较少,不能很好的表现出冰川物质平衡梯度的变化,本研究中未对其进行讨论。2008-2009年对海拔4400~4600 m的冰川区进行了观测,随海拔的升高物质平衡值增大,其物质平衡梯度为460 mm w.e.（100 m）^-1。由于冰川表面裂隙增多,观测难度增大,2009年以后未再对其进行观测。4372~4600 m冰川区由于两侧山体遮挡,日照时间短,云雾笼罩时间长,消融量较小,物质平衡梯度也较小。海拔4600~4900 m冰川范围内,物质平衡梯度最小值出现在2008-2009年为870 mm w.e.（100 m）^-1,最大值出现在2012/2013年为1450 mm w.e.（100 m）^-1。冬季降雪量的不同是引起物质平衡梯度年际波动较大的主要原因。2008-2009、2011-2012和2012-2013年4600~4900 m范围内平均物质平衡梯度为1230 mm w.e.（100 m）^-1。相似的物质平衡梯度变化也出现在喜马拉雅山、藏东南及中纬度冰川^{[10, 15]}。

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图3   白水1号冰川物质平衡随高度变化散点图

Fig. 3   Variations of annual mass balance of Baishui Glacier No. 1

对比分析2013年7-9月物质平衡与2012-2013年度物质平衡随高度的变化（图3b）可以看出,物质平衡值随海拔的上升而增大,7-9月强消融期物质平衡梯度为721 mm w.e.（100 m）^-1,小于年物质平衡梯度1450 mm w.e.（100 m）^-1。5月中旬至6月中旬,由于冰川表面覆盖积雪,冰川反射率相差不大,物质平衡梯度较小（图3c）,仅为43 mm w.e.（100 m）^-1。由于冰川表面反射率随积雪的消融而减小,最终在9月达到一个相对恒定值,在9月底10月初物质平衡梯度较小仅为68 mm w.e.（100 m）^-1（图3d）,因此在消融期初和消融期末物质平衡梯度均较小。

5 讨论

5.1 物质平衡空间差异

中国监测序列最长的天山乌鲁木齐河源1号冰川,自20世纪90年代中期进入负平衡阶段,1959-2009年的51年间,年平均物质平衡值为-267 mm w.e.,2009-2010年冰川物质平衡最小值达到-1327 mm w.e.^[16]。唐古拉山的小冬克玛底冰川,自20世纪90年代中期转入负平衡,1989-2012年平均物质平衡约为-230 mm w.e.,2008-2012年平均物质平衡约为-314 mm w.e.^[17]。祁连山“七一”冰川,20世纪60年代末至80年代中期主要以积累为主,2001-2003年的观测发现,“七一”冰川出现了较大负物质平衡,年平均物质平衡值可达-563 mm w.e.^[18]。念青唐古拉山的扎当冰川2005-2008年平均物质平衡量为-553 mm w.e.^[19]。位于中国横断山的海螺沟冰川自20世纪80年代中期开始加速消融,1959-1985年平均物质平衡值为-18 mm w.e.,1985-2004年平均物质平衡为-531 mm w.e.,1999-2004年平均物质平衡达到-1032 mm w.e.,冰川消融速度进一步加快^[20]。杨威等^[9]在2006年5月至次年5月期间对藏东南岗日嘎布北坡四条海洋型冰川的物质平衡进行了观测,其中与白水1号冰川面积最为接近的No.12冰川净平衡值可达-1580 mm w.e.。白水1号冰川与海螺沟冰川相比,纬度更低,规模更小,2008-2013年平均物质平衡为-1394 mm w.e.,累积物质平衡量为-6972 mm w.e.。20世纪80年代以后中国冰川进入全面退缩状态,90年代中期开始冰川进入加速退缩状态。与大陆型冰川相比,海洋型冰川退缩速度更快,尤其是纬度低,规模小的冰川,对气候变化的响应更为敏感。

5.2 冰川物质平衡过程变化原因探讨

传统观点认为白水1号冰川属于夏季积累型冰川^[21],冰川区海拔4900 m天然冰剖面记录的1991至2003年冰川平均净积累量约1000 mm w.e.^[22],1999年6月在海拔4955 m采集的冰芯记录的1994至1998年冰川平均净积累量约为914 mm w.e.^[23],因此白水1号冰川至2003年其物质平衡线高度低于4900 m。2008年消融期末粒雪盆区季节性雪线分布在海拔4900 m以上,而近年来的观测发现,消融期末冰川区几乎无积雪覆盖,夏季冰川处于负平衡状态。白水1号冰川粒雪盆海拔较低是出现此变化的原因之一。

此外,气温是影响冰川物质平衡变化的主导因子。冰川区气象数据序列较短,位于玉龙雪山东西两侧距离较近的丽江市和维西县气象站气温数据一定程度上能反映出玉龙雪山地区气温的变化趋势。分别对丽江市和维西县年平均气温变化进行分析发现（图4）,丽江市1951至2014年气温呈现显著的上升趋势,气温上升倾向率达到0.17 ℃/10 a,近64年来气温上升了1.1 ℃。维西县气温也呈现出显著的上升趋势,气温上升倾向率为0.16 ℃/10 a,近60年来气温上升了0.95 ℃。据此推断玉龙雪山地区气温近几十年来呈现出显著上升的趋势,与此相应的是玉龙雪山冰川面积由1957的11.61 km²减小为2009年的4.42 km^2[12]。冰川区降水受区域大气环流及局地地形因素影响其变化趋势难以预测,但随着气温的上升,冰川区固态降水占总降水比例下降,积雪面积减小,雪线高度上升。可以断定,气温上升是导致白水1号冰川物质平衡过程变化的主要原因。

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图4   a. 1951-2014年丽江市年平均气温变化;b. 1955-2014年维西县年平均气温变化

Fig.4   Variation of annual average temperature in 1951-2014 of Lijiang City (a), and variation of annual average temperature in 1955-2014 of Weixi County (b)

6 结论

白水1号冰川目前正处于负平衡状态,2008年物质平衡线高度为4972 m,自2009年开始冰川积累区几乎消失。2008-2013年平均物质平衡量为-1394 mm w.e,累积物质平衡量达到-6972 mm w.e.,相当于整条冰川减薄7.8 m。在绝对量上,白水1号冰川年物质亏损量位于中国已有报道冰川的前列。2008-2009年海拔4400~4600 m的冰川区物质平衡梯度为460 mm w.e.（100 m）^-1。海拔4600~4900 m冰川范围内,物质平衡梯度最小值出现在2008/2009年,为870 mm w.e.（100 m）^-1;最大值出现在2012-2013年,为1450 mm w.e.（100 m）^-1。2008-2009、2011-2012和2012/-2013年4600~4900 m范围内平均物质平衡梯度为1230 mm w.e.（100 m）^-1,冬季降雪量的不同是导致物质平衡梯度年际变化较大的主要原因。消融期物质平衡梯度小于年物质平衡梯度,消融期初与消融期末物质平衡梯度小于100 mm w.e.（100 m）^-1。受气温上升的影响,白水1号冰川夏季冰雪积累量较小,其积累期主要集中于10月至次年5月,6-9月为强消融期,属冬春季积累型冰川。

The authors have declared that no competing interests exist.

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