羌塘高原东部冰川发育的水汽来源探讨
【类型】期刊
【作者】陈丽佳，易朝路，董国成（中国科学院青藏高原研究所青藏高原环境变化与地表过程重点实验室；中国科学院研究生院）
【作者单位】中国科学院青藏高原研究所青藏高原环境变化与地表过程重点实验室；中国科学院研究生院
【刊名】冰川冻土
【关键词】 水汽；羌塘高原；地貌学；ArcGIS
【资助项】国家自然科学基金项目 （40730101）
【ISSN号】1000-0240
【页码】P348-356
【年份】2019
【期号】第2期
【期刊卷】1;|7;|8;|2
【摘要】选取4座地处青藏高原腹地羌塘高原东部的雪山,其中山脊线呈南北走向者,东坡冰川较西坡更为发育;山脊线呈东西走向者,南坡冰川面积大于北坡.雪山各朝向冰川面积的统计数值也表现为:南向及东南向冰川最为发育.统计坐落于羌塘高原的11座雪山的平均雪线,其高度变化表现为:纬线方向上,88°E以西的同纬度雪山的雪线高度基本相同,88°E以东雪线高度快速下降;经线方向上,雪线从南到北先略微升高后又降低.这些地形学信息表明,羌塘高原东部地区冰川发育的水汽来源于东南方向,即西南季风穿过横断山脉为羌塘高原东部冰川的发育提供降水.
【全文】 文献传递
羌塘高原东部冰川发育的水汽来源探讨
摘 要：选取4座地处青藏高原腹地羌塘高原东部的雪山，其中山脊线呈南北走向者，东坡冰川较西坡更为发育；山脊线呈东西走向者，南坡冰川面积大于北坡.雪山各朝向冰川面积的统计数值也表现为：南向及东南向冰川最为发育.统计坐落于羌塘高原的11座雪山的平均雪线，其高度变化表现为：纬线方向上，88°E以西的同纬度雪山的雪线高度基本相同，88°E以东雪线高度快速下降；经线方向上，雪线从南到北先略微升高后又降低.这些地形学信息表明，羌塘高原东部地区冰川发育的水汽来源于东南方向，即西南季风穿过横断山脉为羌塘高原东部冰川的发育提供降水.
关键词：水汽；羌塘高原；地貌学；ArcGIS
0 引言
中国是世界上中低纬度冰川最为发育的国家，具有世界第三极之称的青藏高原在其内部和周围高山发育有现代冰川，位于其内部的羌塘高原发育有冰川958条，冰川面积1 802km2，占中国冰川总面积的3.03%，冰储量162km3，占中国冰储量的2.9%［1－3］.羌塘高原地处青藏高原腹地，气候寒冷，大气降水主要以固体的形式存在，为腹地冰川的发育提供了良好的条件.此研究区域山地海拔很少超过7 000m，相对起伏一般为200～500m，断块山可达1 000～2 000m，地形较为和缓，保留着大面积的夷平面，从而利于冰川在横向和水平方向上扩展，冰川多以平顶冰川或冰原的形式发育，以高峰为中心，呈放射状向四周延伸［4－7］.
冰川的积累与发育来源于大气降水，大气降水又受大气环流控制，不同地区的大气降水来源不同.在以往的研究中，研究者多是利用冰芯或者降水中稳定氧同位素作为对象，对冰川发育的水汽来源进行研究［8－17］.其中，Tian Lide等［16－17］沿南北路径对青藏高原河水以及降水中18 O进行研究认为：喜马拉雅山以南，水汽由西南季风环印度半岛带来；在喜马拉雅山和唐古拉山之间，水汽来自孟加拉湾；而在唐古拉山以北，水汽不是由西南季风带来，而是以大陆性气团水汽为主［17－18］.也有人利用NCEP/NCAR再分析资料分析水汽传输路径来对冰川水汽来源进行研究，并且认为：青藏高原腹地——羌塘高原冰川发育的水汽来源主要由西风带控制［19］.
羌塘高原以高海拔而广阔的高原面构成青藏高原的主体，其范围为昆仑山以南，冈底斯山以北，喀喇昆仑山以东，三江源以西广袤的高原内流区.因此从地理位置和大气环流角度考虑，控制羌塘高原气候条件的应该主要是西风环流和南亚季风环流［20］.有学者认为：在每年夏季，南亚季风环流带来印度洋水汽，但被周围高山所阻隔，到达唐古拉山脉末端时，已经不能够为羌塘高原带来太多的水汽补给［21］.而9月底10月初西风环流的南支在羌塘高原建立，使整个羌塘高原处于西风带控制之下，成为羌塘高原的干季，因此在冬季，此地也不会得到太多的降水补给.也有学者通过卫星云图进行研究［22］认为：青藏高原中部地区水汽来自海洋占43%左右，57%的降水过程可能是由局地对流、东部水汽输送或其他原因造成；林振耀等［23］认为：青藏高原水汽主要来源于印度洋，其水汽输送路径可分为东西两条，东线为印度洋暖湿气流自孟加拉湾沿布拉马普特河、雅鲁藏布江（或横断山三江河谷）伸入高原北部边缘地带，为念青唐古拉山冰川发育提供物质基础；另一支西线来自印度洋阿拉伯海，其输送路线因季节不同而有差异，云团或自印度洋搬到腾空跨入高原，或自印巴次大陆经帕米尔高原南疆盆地南麓进入西藏阿里，为喜马拉雅山、喀喇昆仑山和昆仑山丰厚的冰川积累起着重要作用.综上所述，羌塘高原的降水补给并不是非常充沛，而在此却发育了青藏高原最大的冰原，因此，研究羌塘高原冰川发育具有特殊的科学意义，可以判断高原内部的水汽来源特征.我们对地处羌塘高原的阿乌雪山（33°17′～33°22′N，88°40′～88°47′E）即阿鄂日岗日和阿木岗日两座雪山进行考查时发现，其现代冰川东南坡最为发育，东坡、南坡均有发育，但西坡与北坡基本不发育有现代冰川.因此，对冰川发育的研究要考虑地形的影响因素，要综合考虑坡向、坡度等对冰川发育造成的影响，以及冰川的雪线高度.本文就这几个要素，对羌塘高原地区冰川发育的水汽来源进行讨论.
1 研究方法
无论现代冰川还是古冰川，即使在其最盛时期，无论规模大小，其发源地仍然是山地.因此，山脉（冰川）走向、坡向、形态（坡度等）等地形要素，通过影响降水、积雪再分配和热量条件而决定冰川类型、规模和活动性［4］.由此，本文主要对羌塘高原冰川发育的各种地形学要素进行统计分析.
本文选取位于羌塘高原东部的4座雪山（图1作为研究对象，分别是：普若岗日、阿乌雪山（由阿鄂日岗日和阿木岗日组成）、西雅雪山、诺拉岗日.利用1974年航摄，1976年绘制的地形图（1∶100 000）作为原始资料，利用ArcGIS作为工具对地形图进行数字化处理，并利用数字化所得的资料生成DEM数据.利用DEM数据以及ArcGIS软件来计算冰川的面积，以及各坡度、朝向的冰川面积占总冰川面积的比例；对各雪山山脊两侧冰川面积进行对比，作为判断水汽来源方向的重要参数之一.其中，山脊线的确定是利用ArcMap所得冰川朝向图进行分析和对地形图进行人工判读，综合两种结果确定山脊线.分别选择羌塘高原处于同一纬度和同一经度的雪山（11座），统计雪线高度沿南北和东西方向的变化.这些雪线高度值来自中国冰川编目.
图1 雪山位置图
Fig.1 Map showing the location of mountains in the Qangtang Plateau
2 结果分析
2.1 雪山各坡向冰川面积统计比较
面积是冰川系统的重要指标［24］，表1中列出了所选取雪山所处的地理位置、雪山总面积及山脊两侧冰川面积等.其中，亚洲中低纬度最大冰原普若岗日的面积为428.92km2.位于唐古拉山山脉西侧的普若岗日冰原山脊线大致呈南北向，主山脊西侧的冰川面积与东侧冰川的面积比约为0.48，东侧冰川明显比西侧要更为发育.位于普若岗日东侧的诺拉岗日，现代冰川面积14.86km2，主山脊线大致呈东西走向，山脊北侧冰川面积与山脊南侧冰川面积比约为0.95，两侧冰川面积大致相当.位于西藏双湖特别区西北的阿乌雪山，现代冰川总面积为28.43km2，山脊线近南北走向，主山脊线西侧的冰川面积明显小于山脊东侧的面积，面积比约为0.38.从地形图和遥感图上观察，阿乌雪山西北侧冰川明显不如东南侧冰川发育.由于阿乌雪山由阿鄂日岗日和阿木岗日两座雪山组成，因此分别考虑这两座雪山的冰川发育情况.其中，阿鄂日岗日冰川总面积为14.25km2，山脊线呈南北方向，位于主山脊线西侧的冰川面积明显小于山脊东侧冰川面积，面积比约为0.25，东侧冰川明显更为发育；阿木岗日冰川总面积为14.18km2，主山脊线呈南北方向，主山脊线西侧的冰川面积与东侧的冰川面积比约为0.54，东侧冰川较西侧冰川更为发育.东西走向的西雅雪山冰川总面积为15.55km2，山脊线北侧冰川面积小于南侧冰川面积，面积比约为0.52，南侧冰川明显较北侧更为发育.
表1 各雪山冰川面积统计表
Table 1 Glacierized areas on some mountains
雪山 雪山范围 冰川总面积/km2 山脊线方向 山脊线两侧冰川面积/km2山脊两侧冰川面积比阿木岗日 33°19′～33°22′N 88°43′～88°47′E 14.18 南北 4.96（西）， 9.22（东）0.54阿鄂日岗日 33°17′～33°20′N 88°40′～88°45′E 14.25 南北 2.89（西）， 11.36（东） 0.25阿乌雪山 33°17′～33°22′N 88°40′～88°47′E 28.43 南北 7.85（西）， 20.58（东） 0.38普若岗日 33°44′～34°04′N 89°20′～89°50′E 428.92 南北 138.90（西），290.02（东） 0.48西雅雪山 33°03′～33°05′N 88°32′～88°37′E 15.55 东西 5.29（北）， 10.26（南） 0.52诺拉岗日 33°55′～33°05′N 89°28′～89°31′E 14.86 东西 7.24（北）， 7.62（南）0.95
综合上述结果，在羌塘高原东部，现代冰川发育情况为：当山脊线为东西向时，山脊南侧的冰川较山脊北侧冰川更为发育，冰川面积占更大比例；山脊线呈现南北向时，东坡冰川面积则明显大于西坡冰川面积.
2.2 雪山各朝向冰川统计与分析
利用ArcMap和DEM数据得到了冰川朝向图中各朝向冰川的像元数目.由于每个像元的大小相同，因此，各朝向冰川的像元数目与冰川总像元数目的比值在数值上就等于各朝向冰川的面积与冰川总面积的比值.为了更加直观的反映冰川变化和寻找规律，我们做出了各朝向冰川面积比例的雷达图（图2）.
由于水热条件和地形要素的不同组合，每座雪山不同坡的冰川分布可能会呈现不同的分布图式.朝向不同于按山脊线划分的坡向观念，朝向在山脊线两侧均可出现，是指冰川面对的方向［4］.图2中，分别列出在羌塘高原所选4座雪山各朝向冰川所占冰川面积比例的统计结果.统计是按 N（0°～22.5°，337.5°～360°），NE（22.5°～67.5°），E（67.5°～112.5°），SE（112.5°～157.5°），S（157.5°～202.5°），SW（202.5°～247.5°），W（247.5°～292.5°），NW（292.5°～337.5°）8个方位进行.
图2（a）为普若岗日数据，朝向为西（247.5°～292.5°）的冰川占据最大比例；而朝向在东南（112.5～157.5°）之间的冰川所占比例为第二位；朝向为西北向（292.5°～337.5°）的冰川所占比例最低.各朝向所占比例比较平均，并没有极高或者极低值出现.
图2（b）为阿乌雪山数据，朝向为东南方向（112.5°～157.5°）及朝向南（157.5°～202.5°）的冰川最为发育，这与野外实际考察相符.各朝向所占比例较为平均，比例差距并不是太大.
图2（c）为西雅雪山数据，朝向在157.5°～202.5°之间（南）以及0°～22.5°和337.5°～360°之间（北）的冰川所占比例明显比大于其他朝向的冰川.其中，朝向为南的冰川要大于朝向为北的冰川.而朝向为西（247.5°～292.5°）的冰川所占比例最小，且与最大值差距较大，明显少于朝向为南或北的冰川.
图2 各朝向冰川占冰川比例雷达图
Fig.2 Radar maps showing the proportion of different aspect glaciers
图2（d）为诺拉岗日数据，在所有朝向的冰川中，朝向在112.5°～157.5°之间（东南）以及朝向在292.5°～337.5°之间（西北）的冰川所占比例相当，并且占据相当大的比例.朝向在157.5°～202.5°之间（南）的冰川所占比例最小.各朝向冰川的分布并不均匀，存在一定的差距.
2.3 雪山各坡度冰川所占比例统计与分析
同样地，利用ArcMap和DEM数据，我们可以得到各坡度冰川的统计数据，并通过直方图反映出各雪山的情况（图3）.数据具体获取方法同图2.
图3（a）中可见，普若岗日坡度在2°～23°之间的冰川面积占整个冰原的大部分，达到77%，因此可以看出整个冰原表面是比较平缓的，这与普若岗日冰原发育于古夷平面的断块山地上的事实是相符的.并且从此图中可以看出，各坡度的冰川从低到高所占冰川总面积的比例呈逐级递减趋势.
图3（b）中可见，阿乌雪山在4°～26°之间的冰川面积占所有冰川的约70%，但与普若岗日不同的是，在此区间内大致每隔5°，每个区间段所占总冰川的面积大致相当，在16%～18%之间.
图3（c）中可见，西雅雪山的冰川坡度在20°～29°之间的占据总冰川的44%，其中坡度在20°～24°之间的冰川占有最大比例.
图3（d）中可见，坡度在8°～16°之间的冰川大约占诺拉岗日总冰川面积的50%，坡度大于20°的冰川所占比例急剧减少.
图3 各坡度冰川统计柱状图
Fig.3 Gradient histograms of some glaciers acquired with ArcMap
由上可知，羌塘高原上的冰川发育坡度普遍较低且较为集中，坡度20°左右的冰川所占冰川总面积的比例达到最大，坡度大于30°后所有雪山的冰川所占比例都开始急剧减少.其中，普若岗日冰原坡度较小的冰川（＜10°）占据了整个冰川面积的大部分，随着坡度的增加，冰川所占比例呈递减趋势，这说明普若岗日冰原表面比较平坦，有利于在冰原表面降雪的积累，从而为冰川的发育提供较好的条件.此外，较高的整体地势也为截获水汽提供了条件.
2.4 雪山各朝向冰川平均坡度统计与分析
在对雪山各坡度冰川所占比例进行统计之后，为了便于探讨地形因素在冰川发育中的影响及水汽来源，我们利用ArcMap和DEM数据，对各个雪山不同朝向的平均坡度进行了统计（图4）.
统计结果表明，西雅雪山不同朝向的平均坡度差异最大，其中朝向为东、朝向为西的冰川平均坡度相差10°左右，朝向为南、朝向为北的冰川平均坡度差异在7.3°左右.结合图2（c）可见，最为发育的朝向为南的冰川平均坡度最小，所占比例最小的朝向为西的冰川平均坡度最大.这一结果体现了地形对冰川发育的影响.普若岗日东、西朝向上冰川平均坡度均在10°左右，南、北朝向上平均坡度差异仅为3.5°.结合图2（a）可见，平均坡度较大的朝向为东、朝向为东北的冰川较为发育，而平均坡度最低的朝向为北的冰川所占比例较低.阿乌雪山东、西朝向上冰川平均坡度相差不到1°，南北朝向上差异也仅为1.1°.结合图2（b）可见，平均坡度较大的朝向为南的冰川较为发育，而平均坡度较小的朝向为西的冰川所占比例最小.诺拉岗日东、西朝向上冰川平均坡度相差为4°左右，南、北朝向上差异为2.7°.结合图2（d）可见，冰川最为发育的朝向东南、朝向西北的平均坡度都较大.
图4 雪山各朝向平均坡度统计图
Fig.4 Average slopes of different aspects of some high mountains
2.5 羌塘高原雪山雪线分析
雪线，即平衡线，是冰川积累区和消融区的界线.雪线高度综合反映水热条件对冰川发育的影响，与气温和降水有密切的关系，同时又受冰川性质和冰川方位的影响［4］.
本文中所有雪线数据均来自中国冰川编目（表2），并按纬线和经线方向作出雪线高度变化图（图4、5）.其中，图4为羌塘高原基本处于同一纬度的雪山雪线变化趋势，图中88°E以东的雪山雪线高度从西向东逐渐降低.图5为羌塘高原东部雪线沿经线方向的变化趋势图，雪线从南向北呈现降低的趋势.
表2 羌塘高原雪山雪线统计
Table 2 Information of snowline in the Qangtang Plateau
雪山名称 雪线高度/m 地理位置普若岗日 5750 33°44′～34°04′N，89°20′～89°50′E阿乌雪山 5880 33°17′～33°22′N，88°40′～88°47′E诺拉岗日 5580 33°55′～34°05′N，89°28′～89°31′E岗盖日 5540 34°53′～34°58′N，89°33′～89°40′E玉带山 5480 34°37′～34°40′N，89°45′～89°48′E木噶岗日 5875 32°15′～32°19′N，87°21′～89°25′E申扎杰岗 5820 30°29′～30°52′N，88°24′～88°41′E土则岗日 5850 34°39′～34°51′N，82°17′～82°28′E布诺岗日 5840 34°23′～34°33′N，85°27′～85°41′E阿里喀喇昆仑山 5870 33°58′～34°37′N，81°53′～82°19′E藏色岗日 5840 34°16′～34°33′N，85°48′～86°00′E
图5 羌塘高原东部雪线沿纬线方向变化
Fig.5 Snowline changing with latitude in the eastern Qangtang Plateau
图6 羌塘高原雪线沿经线方向变化
Fig.6 Snowline changing with longitude in the Qangtang Plateau
3 讨论
3.1 西风带和南亚季风对青藏高原及其周边冰川发育的影响
青藏高原现代冰川的发育主要受中纬度西风带、南亚季风（东南季风、西南季风）控制［26－28］，局地环流在某些地区也会对冰川发育有一定的影响.西风环流为青藏高原所带来的水汽主要来自于阿拉伯海、黑海；西南季风所带来的水汽主要来自于印度洋，东南季风为青藏高原冰川发育带来的水汽主要来自于中国南海［28］.
西风带在冬季为青藏高原带来水汽，但此时期降水较少，对此地冰川积累贡献较小［19］.西风带被喜马拉雅山分为两支，范围几乎覆盖整个青藏高原，其北支进入青藏高原内部，主要影响羌塘高原；另一支在南下过程中到达印度次大陆过程中逐渐减弱［25］.北支在到达中国西北部，像天山东部地区时，水汽含量已经很少［26］，只能为青藏高原的西北部地区（喀喇昆仑山）在冬季带来降水［27］.
西南季风在北进过程中，遇到巨大山体喜马拉雅山的阻挡，分为东西两线.东线为藏东南地区、念青唐古拉山、喜马拉雅山东段以及横断山脉的冰川发育带来水汽；西线为喀喇昆仑山、昆仑山、喜马拉雅山的冰川发育提供物质基础［23］.
3.2 通过冰川面积判断羌塘高原水汽来源
通过对山脊线两侧冰川面积进行比较发现：东坡南坡的冰川面积更大，冰川更为发育.冰川的发育主要是由降水和温度以及冰川发育的地形因素所控制的［23］，同一座雪山各坡向冰川的发育，温度的影响可以排除，那么降水和地形便成为影响冰川发育的主要因素.由于南北走向的山脉，东坡冰川面积均大于西坡；而东西走向的山脉，接受太阳照射更多的南坡，其冰川面积反而大于北坡的冰川面积，因此我们能够判断出：羌塘高原东部冰川发育的水汽主要来源于东南方向.
3.3 通过各朝向和各坡度冰川讨论
虽历经晚新生代多次构造运动，羌塘高原高原面保存较为完好，相对高差较小，有利于冰川大规模发育，冰川坡度普遍较低，以冰帽冰川为主.由上述可知，除西雅雪山冰川发育可能受到地形的较大影响外，其他雪山各个朝向上的冰川分布差异可以忽略地形因素（坡度）的影响.但地形因素（山脊线走向）仍对冰川朝向的分布有较大影响，表现在山脊线为南北走向时，对东西朝向的冰川有较大影响；山脊线东西走向时，则主要影响南、北朝向的冰川.因此，为排除地形的影响，当山脊线走向为南北时我们不讨论东西朝向的冰川；山脊线东西走向时，我们不讨论南北朝向的冰川.
那么，参考以上所述，影响其他朝向冰川分布的主要因素应为冰川发育所需的水汽.这样，本文中所研究的雪山均表现出相同的现象，朝向为东南和南的冰川所占比例最大.这与山脊线两侧冰川面积比较所得结论一致，同样反映出羌塘高原东部冰川发育的水汽来源于东南方.
3.4 雪线变化对水汽来源方向的反映
在羌塘高原东部，沿经线方向从南向北，雪线在33°N以南呈缓慢增高趋势，33°N以北下降趋势显著（图5）.按纬度地带性规律，越往高纬度地区，气温越低，冰川应该越容易发育，从而雪线也应相对较低.而在33°N以南表现出的异常，究其原因，应是冰川发育的水汽从南向北传输过程中，水汽逐渐损耗，从而导致雪线呈略微升高趋势.而33°N一线大致为羌塘高原南北分界线——黑阿公路沿线，以北地区气候寒冷而干旱，无论是西风环流还是南亚季风环流所带来的水汽都极其稀少，因而温度成为冰川发育的主导因子，导致雪线随纬度升高而下降.沿纬线方向大致在88°E以东，雪线高度下降迅速（图4）.地处青藏高原腹地的羌塘高原起伏不大，因而处在同一纬度的地区温度不会相差太大，气温不是引起雪线高度变化的主要原因，而应是降水的不同驱使雪线高度存在此变化趋势.雪线变化的趋势是从东向西逐渐升高，即可认为是水汽在自东向西传输过程中不断形成降水而逐渐减少，从而使得冰川发育所需的降水从东向西逐渐减少.
4 结论
对此地区冰川发育的地形学信息进行研究表明，羌塘高原东部冰川的发育不是由西风带所控制.冰川发育的水汽来源方向为东南方向，因此应该由从东南方向带来水汽的西南季风所控制，即主要为南亚季风所控制.而在羌塘高原中西部，由于地形图和DEM数据的限制，还不能得到所需要的地形学要素信息，而仅仅从雪线变化来看，不能确定其冰川发育的水汽来源方向.因此，中西部冰川发育是受西风带控制还是受南亚季风控制，或者二者同时带来冰川发育的水汽还需要进一步的研究.
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Discussing Sources of Moisture Feeding the Glaciers on the Eastern Qangtang Plateau
Abstract：In this paper，four mountains in the interior of the Tibetan Plateau were researched with geomorphological methods.Among the four mountains，those with ridges from south to north have glaciers well developed on the east slopes，and those with ridges from west to east have glaciers well developed on the south slopes.Furthermore，glaciers with south and east aspects occupy much more area.Along the latitudinal direction，altitude of snowline is almost the same in the west of 88°E，but decreases sharply from west to east in the east of 88°E.Along the longitudinal direction，altitude of snowline first increases and then decreases from south to north.All the information indicates that moisture feeding the glaciers in the east of Qangtang Plateau comes from the southeast by the Indian monsoon.
Key words：moisture；Qangtang Plateau；geomorphology；ArcGIS
中图分类号：P343.6
文献标识码：A
文章编号：1000-0240（2012）02-0348-09
收稿日期：2011-09-16；
修订日期：2011-12-28
基金项目：国家自然科学基金项目（40730101）资助