基于度值法的红川物质平衡模拟研究

基于度值法的红川物质平衡模拟研究

0冰川作用区及全球气候变化研究由于寒冷天气的产物，其积累和分解强度受季节和降水的控制。冷气候平衡反映了冷气候收入和支出之间的关系。它是冷气候发育条件的综合反映。这是反映气候变化最敏感的指标之一。冷气候的平衡与冷气候表面的热量平衡、冰内和冰下之间的水文状态、冰的作用、活动层的温度和冷气候的速度密切相关。因此，对冷气候平衡的科学研究对于研究冷川作用区和世界气候变化具有重要的科学意义。冰川物质平衡是联结冰川波动与气候变化的关键因子.自20世纪50年代世界范围内开展冰川监测以来,冰川物质平衡就是一项非常重要的研究内容,随着国际社会对全球变化的广泛关注,冰川物质平衡研究在全球气候变化研究中扮演的角色越来越重要.在国内外众多的冰川物质平衡相关研究中,大多采用对冰川物质平衡的年际和多年[10,11,12,13,14,15,16,17]变化研究,对一个物质平衡年内时段特征的变化过程研究较少.本文依据2010年6月30日-9月5日获得的七一冰川物质平衡和相关气象资料,对冰川物质平衡及其对气候变化的敏感性进行了分析研究.1研究区域的概况和数据来源1.1地质平衡线七一冰川(39.5°N,97.5°E)位于祁连山中段托赖山北坡,冰川融水流入北大河支流柳沟泉河.根据1975年地形图量算,该冰川面积为2.87km2,末端海拔4304m,冰川最高峰海拔5158.8m.依据本次考察期间用GPS实测冰川边界测算,冰川最新面积为2.76km2,比1975年时减小3.8%.物质平衡采用最新冰川面积计算.七一冰川规模较小,按冰川物理特性分类,属亚大陆性冰川.最近的研究表明:七一冰川的平衡线高度在1958-2008年呈上升趋势,并在2006年达到最高值(海拔5131m),近50a来该冰川的平衡线高度上升了约230m.1.2观测方法及数据本研究数据主要包括:2010年6月30日-9月5日七一冰川考察期间的物质平衡、气温和降水观测资料以及冰川区详细的数字高程(DEM)数据.物质平衡观测采用传统的测杆法进行.观测网的布设为横断面测杆相距约100m,纵断面测杆为相对高度相距约50m.在冰面布设有11个物质平衡观测横断面,共计26根测杆(图1).测杆主要集中于冰舌下部和粒雪盆中部.物质平衡观测从6月30日开始,每5d观测1次,最后一次观测时间为9月5日.观测内容包括测杆高度(即冰川的积累和消融深度)和雪坑剖面以及相应的雪层密度.冰川及附近区域气温和降水资料是通过布设在不同海拔高度的温湿度计(HOBO),自动气象站(AWS)和雨量筒观测获得.自大本营(海拔约3700m)至冰川区垭口(海拔约4900m),高度每隔200m(海拔4700m处未设)架设有6个(包括AWS)温度观测点和6个降水观测点.温湿度计(HOBO)数据采集器每隔10min自动采集一次数据.自动气象站(AWS)的温度传感器分别架设在距离冰面1.5m和3.5m高度,本研究采用1.5m处(与HOBO温度传感器距冰面高度相同)的数据,降水观测间隔为每月一次.冰川区详细的数字高程(DEM)数据是以航测地形图为基础,以2010年8月22日-8月25日利用高精度手持GPS(测量精度为1m)对七一冰川边界及冰川表面测量的7542个控制点,通过ArcGIS软件空间插值生成.2学习方法2.1利用单次线法进行物质平衡的计算物质平衡是冰川表面积累量和消融量的代数和,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.其传统的计算方法主要有等值线法和等高线法两种,刘潮海等在天山乌鲁木齐河源1号冰川和蒲健辰等在小冬克玛底冰川都曾利用这两种方法进行过物质平衡计算和对比,其结果较为一致.本研究采用等值线法,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,并通过ArcGIS软件利用空间差值方法绘制积消等值线图,实现对整个冰川纯积累量,纯消融量以及物质平衡的计算.2.2冰、雪消化剂模型国内外在冰川物质平衡的模拟研究中,主要有两种模型:一种是物质平衡关于气温的经验公式,目前,应用最广泛的是度日因子模型[7,23,24,25,26,27];另一种是详细描述冰川表面物理过程的能量平衡模型.能量平衡模型计算需要的参数较多且不易得到,应用并不广泛.度日因子模型相对比较简单,所需参数相对容易获取,在流域尺度上可以给出类似于能量平衡模型的输出结果,得到了比能量平衡模型更为广泛的应用.本研究以度日因子模型为基础,将最为重要的参数度日因子作为一个随海拔高度变化的变量引入模型,以实现对冰川物质平衡空间分布特征的模拟.以bs表示冰川的物质平衡(mmw.e.),该模型描述如下:bs=as+cs=∫t[(1−f)⋅m+P]dt(1)bs=as+cs=∫t[(1-f)⋅m+Ρ]dt(1)式中:as和cs分别为冰川消融量和积累量(mmw.e.);f为融水渗浸冻结率,取0.1;t为选取的时段,本研究为2010年6月30日—9月5日考察观测期间;m为冰川与积雪的消融水当量(mmw.e.);P为冰川表面固态降水(mmw.e.).对于冰川与积雪消融量m的模拟,采用的度日模型为:m=DDF×PDD(2)m=DDF×ΡDD(2)式中:DDF为冰川冰/雪的度日因子(mm·d-1·℃-1);PDD为某时段内的正积温,由下式获取:PDD=∑i=1nHt⋅Tt(3)ΡDD=∑i=1nΗt⋅Τt(3)式中:Tt为某天(t)的日平均气温(℃);Ht为逻辑变量,当Tt≥0℃时,Ht=1;当Tt<0℃时,Ht=0.即仅对时段内的正积温做累加.依据2010年考察期间6个气温观测点的资料计算,七一冰川的气温递减率为0.68℃·(100m)-1,冰川区不同海拔处的气温资料用该递减率插值得到.在度日模型中,度日因子DDF是最重要的参数.以往的研究表明,2002年夏季七一冰川海拔4305,4483和4619m处的度日因子分别为5.5,7.2和8.8mm·d-1·℃-1,度日因子随海拔的递增率为0.0105mm·d-1·℃-1·m-1.依据2010年考察期间实测的冰川消融量和正积温资料,得出海拔4310,4510,4670和4900m的度日因子分别为4.8,5.6,7.5和8.8mm·d-1·℃-1,度日因子随海拔的递增率为0.0072mm·d-1·℃-1·m-1.相同海拔处的度日因子明显低于2002年,且随海拔的递增率也较2002年为小.模拟过程中采用本次野外实验获得的0.0072mm·d-1·℃-1·m-1的递增率计算不同海拔的度日因子.考察观测期间,七一冰川区气温相对较高,冰川区多为液态降水,尤其是冰舌段液态降水频率更高.实际观测发现,液态降水不但不能增加冰川的积累量反而可以促进冰川的消融,只有固态降水才能产生积累效应.因此,在冰川积累量c的模拟中,某一海拔的固态降水量,采用临界气温法计算.ch=Ps=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪PTl−TTl−TsP0T<TsTs≤T≤TlT>Tl(4)ch=Ρs={ΡΤl-ΤΤl-ΤsΡ0Τ<ΤsΤs≤Τ≤ΤlΤ>Τl(4)式中:ch为h海拔处的冰川积累量(mmw.e.);Ps和P分别为固态降水量和降水总量(mm);Ts和Tl为固态和液态降水的临界气温,分别取0℃和2℃.根据2010年考察期间实际观测资料计算,冰川区降水梯度为10.1mm·(100m)-1,不同海拔的降水总量按此梯度推算.3结果与讨论3.1物质平衡与正容积和降水量的关系依据七一冰川表面花杆观测资料计算结果,绘制出整个冰川表面物质平衡过程和时段物质平衡变化曲线(图2).从图2可以看出,考察期间七一冰川物质平衡过程以7月20日和8月15日为时间节点,明显分为“微弱积累-强烈消融-微弱消融”3个阶段:7月初至7月中旬冰川略有积累,物质平衡为正平衡状态;7月下旬到8月中旬,随着气温的升高并达到全年的最暖期,冰川进入强烈消融期,其消融强度达到全年的最大值,平均每天超过了32mmw.e.;8月下旬至9月初,随着气温的下降,冰川消融逐渐减弱,整个冰川呈现微弱的负平衡状态.冰川物质平衡作为反映气候变化最敏感的指标之一,其变化过程受到气候因素的强烈影响.为确定冰川物质平衡与气温降水等主要气候因子的相互关系,选取时段观测的冰川物质平衡(mmw.e.)分别与大本营(图1)处相同时段的正积温(℃)和降水量(mm)进行了线性相关分析.图3和图4是以5d为时段间隔的冰川物质平衡与同时段内正积温和降水量之间关系的散点图.从图3中可以看出,当正积温小于50℃时,物质平衡基本处于±50mm之间波动变化,而随着正积温的增加冰川物质平衡逐渐减小,正积温值越大冰川物质平衡的变化越显著.冰川物质平衡与正积温相关的变化趋势呈现出较好的负相关,相关系数达到0.88.在图4中,整体来看点的分布非常分散,物质平衡与降水量之间似乎没有明显的相关性.进一步分析发现,在物质平衡过程的不同阶段,物质平衡对降水量的响应是不同的.在消融初期,物质平衡随降水量的增加而增大,这一时期气温相对较低,降水量对冰川积累的补给作用明显,物质平衡和降水量之间为正相关关系;强消融期,物质平衡随降水量的增加而减小,实际观测结果显示,这一时期气温高,冰川消融随气温的升高而不断增强,即使降水量有所增加也难以弥补强消融形成的物质亏损而使物质平衡减小.同时,高温季节降水多为液态,降水量对冰川消融的促进作用明显.这一时期冰川物质平衡过程显示出明显的温度效应.因此,物质平衡和降水量之间出现负相关关系;消融后期,降水量与强消融期基本接近,但物质平衡明显大于强消融期,显然这是气温和降水综合影响的结果.这一时期气温逐渐降低,冰川消融减弱,又有比较稳定的降水及时补给,使冰川有所积累,因此物质平衡处于较小负平衡状态.由此可见,气温和降水等气候因子共同影响七一冰川的物质平衡过程,而在夏季强消融期,气温起主导作用,是影响冰川物质平衡的关键因子.以往的物质平衡观测结果表明,七一冰川1974-1977年3个物质平衡年的平衡值分别为35\,384和350mmw.e.,1983-1988年5个物质平衡年的平衡值分别为226\,-31\,-165\,38和-49mmw.e.,到2001/2002年度和2002/2003年度出现强烈亏损,冰川物质平衡分别为-810mmw.e.和-316mmw.e..可以看出,七一冰川物质平衡自20世纪70年代至21世纪初经历了从正平衡-零平衡-较大负平衡的变化过程,冰储量也从较大积累逐渐过渡为强烈亏损.2001-2003年这两个物质平衡年内的夏季平均消融深度分别是-951mmw.e.和-542mmw.e.,而2009/2010年度的夏平衡为-856.2mmw.e.,高于2003年的-951mmw.e.,而低于2002年的-542mmw.e.,说明冰川的物质亏损仍在继续,冰川仍处于较大负平衡状态.3.2冰流速区域模拟结果利用2010年考察期间七一冰川气温降水实测资料,基于度日因子模型,对七一冰川物质平衡随海拔的分布进行了模拟(图5).分析模拟和观测结果(图6)发现:(1)模拟结果整体反映了冰川物质平衡随海拔上升而增大的空间分布特征,代表了冰川物质平衡随海拔分布的平均状态.模拟结果与冰川主流线附近的花杆观测点的实测物质平衡很吻合,仅在海拔4767m处模拟值明显偏小.其原因很可能是该点处于粒雪盆中,受到风吹雪的影响,模拟过程对固态降水量估计偏小;而积雪反照率大于冰川冰反照率,从而对正积温估计偏高所造成.(2)主流线两侧的实测物质平衡值在模拟曲线附近上下波动,且主流线东侧花杆点实测的物质平衡多位于曲线上方,模拟结果偏小;相反,主流线西侧的花杆点实测的物质平衡多位于曲线下方,模拟结果偏大.这种现象主要与冰川两侧地形和太阳辐射强度有关.在1975年地面立体摄影成图的七一冰川地形图上,冰舌两侧山脊的海拔高度东侧明显高于西侧,最高点东侧为海拔5062m,而西侧只有海拔4892m.受地形遮蔽作用的影响,冰川主流线西侧受太阳辐射时间长于东侧;七一冰川区太阳辐射强度的日变化过程显示,从日出至日落,太阳净辐射呈现出迅速增加至最大值,然后是缓慢降低的变化趋势,最大值出现在13:00-14:00.因此冰川主流线西侧比东侧接受到更多的太阳辐射量.从而造成物质平衡的区位差异,出现模拟结果的上述特点.3.3冰的敏感性试验结果出现以气溶剂为基础,出现在地层基础和单20世纪80年代以来,我国西北受西风环流影响为主体的地区气候正在发生由暖干向暖湿的转型,降水和冰川融水增加显著.七一冰川所在的祁连