冰川平衡线高度(equilibrium-line altitude, ELA)是冰川年物质积累量与年物质损耗量相等处的海拔高度[1–2]。温度和降水是决定冰川 ELA 的两个主要气候因素, 冰川 ELA 的变化是气候变化最直接的反映, 因此, 古冰川 ELA 成为重建区域古气候的特征性指标[3–4]。影响冰川发育的其他非气候因素还有地形、表碛覆盖程度和雪崩等, 特别是在青藏高原周缘海洋型冰川和亚大陆型冰川发育区, 非气候因素对冰川 ELA 的影响很大, 需要做细致的研究才能给出可靠(可对比)的冰川 ELA[1,5–6]。

作为确定现代冰川 ELA 最直接的方法, 物质平衡观测法广泛应用于天山[7–9]、祁连山[2,10]、唐古拉山[11–12]、念青唐古拉山[13]、贡嘎山[14]和玉龙雪山[15]等地区的研究中。物质平衡观测数据成为揭示区域冰川气候特征和类型的重要依据, 同时为间接确定冰川 ELA 的方法提供重要参照(由于对冰川的直接观测非常困难, 因此在缺少直接观测数据的冰川地貌研究中, 必须使用间接方法来确定冰川ELA)。目前, 间接方法主要有赫斯法(Hess)[16–17]、积累区面积比率法(accumulation area ratio, AAR)[18]、消融-积累平衡比率法(area altitude balance ratio,AABR)[19]、侧碛最大高度法(maximum elevation of lateral moraine, MELM)[20]、冰斗底部高度法(cirquefloor altitudes, CF)[19]、冰斗末端至后壁比率法(toeto-headwall altitude ratio, THAR)[21]、终碛至山脊比率法(toe-to-ridge altitude method, TRAM)[22]以及冰川作用上限法(height of glaciation limit, HGL)[23]等。同样的方法也广泛地应用于古冰川 ELA 的恢复[24–25]。Benn 等[5–6]对上述方法的应用做过经典的评述, 指出在中低纬地区使用时存在的问题。

青藏高原是世界上最大的高原, 面积为 250 万km2, 平均海拔高度为 4500 m, 自形成以来即通过地形(阻挡)效应和下界面热力效应, 对东亚环境以至北半球气候产生重大影响, 通过改变外动力组合与强度, 体现岩石圈-大气圈-水圈相互作用的过程与机制[26–31]。由于海拔高、面积大, 以及独特的地理位置, 青藏高原成为除两极地区外冰冻圈的最大分布区。青藏高原冰冻圈的变化对区域生态环境、水资源和工程建设等产生重大影响[32–33], 因此, 研究青藏高原冰冻圈的变化及影响因素具有重要的科学意义和实际意义。

本文选择喜马拉雅山脉亚东-康马段, 对现代冰川 ELA 的分布特征及影响因素进行研讨, 探讨气候、地形对冰川发育的影响机制(图1)。

1 研究区概况

喜马拉雅山是世界上最高大的山系, 发育在中国境内的现代冰川就有6000多条, 面积达到6820 km2[34], 南亚季风和西风是补给冰川的主要水汽来源[35]。本研究区位于青藏高原南部, 中国-印度-不丹王国交界的喜马拉雅山区(图1)。著名的山峰有中国-不丹王国边境的库拉岗日峰(7530 m)、中国-印度边境的泡罕里峰(7128m)和中国-不丹王国边境的卓木拉日峰(7350 m), 分水岭海拔在 6000 m 以上。中国境内冰川分布在西藏亚东县、康马县、浪卡子县和洛扎县。

亚东县境内的泡罕里、卓木拉日地区, 冰川融水进入康木麻曲, 向南入贾木纳河, 流入孟加拉湾。康马县境内的大部分冰川进入年楚河, 入雅鲁藏布江。浪卡子县境内的冰川融水进入普莫雍错。洛扎县境内的冰川融水进入洛扎雄曲, 入不丹王国国鲁河, 流入孟加拉湾。研究区内较大的冰川融水补给湖有多庆错、嘎拉错、冲巴雍错、什娥错和普莫雍错等。

亚东县下司马镇(27.49ºN, 88.91ºE, 海拔 2950 m)年均气温为0ºC, 年均降水量为410 mm; 帕里镇(27.72ºN, 89.15ºE, 海拔 4300 m)年均气温为−0.2ºC,年均降水量约为 380 mm (数据来自亚东县政府网)。康马县(28.56ºN, 89.68ºE, 海拔 4300 m)年均气温为4ºC, 年均降水量为380 mm (数据来自康马县政府网)。

为方便研究和讨论, 我们根据地理位置和特征,将研究区划分为泡罕里、卓木拉日、冲巴雍、查拉岗日、白马林岗日和库拉岗日 6 个分区(图 1)。

2 基础数据来源和研究方法

依据《中国第二次中国冰川编目》[36]的现代冰川数据, 提取冰川地貌特征参数。同时参考 1:5 万地形图和 30 m分辨率的 DEM 卫星影像, 对单体面积较大, 或表碛覆盖严重, 或雪崩补给影响较大的冰川进行分析, 对冰川ELA值进行校正。

首先使用 THAR 法[6,20](也称为中值高度法(median elevation of glaciers, MEG))计算初始ELA值。据 Manley[37]的研究, 对现代冰川的 THAR 值通常取 0.5 进行 ELA 估算。在 THAR 法估算的基础上,用 Hess 法对 ELA 值进行校正[16,38]。根据校正后的ELA 值计算 AAR 值 [17–18], 并对 THAR 和 TRAM 值进行反演。

除温度和降水外, 地形、喜马拉雅山地区表碛和雪崩对冰川 ELA 的影响不容忽视。因此, 在分析计算过程中对规模和形态特殊的冰川进行了甄别。为了减小误差, 采用多种方法相互验证[5–6]。

研究区有现代冰川 227 条, 总面积为 793.8 km2,平均面积为 3.56 km2, 大约 50%的冰川面积小于 1 km2。大于 10 km2的冰川有 16 条, 总面积为 396 km2,占冰川总面积的 50%。最大的“增冰川”位于查拉岗日区, 面积为86.3 km2[36]。

3 冰川ELA特征计算结果

图1中, 泡罕里、卓木拉日、康车达、康普岗日、白马林岗日和库拉岗日 6 个分区从西到东依次排列。根据《中国第二次冰川编目》、野外实地考察和卫星影像, 将地形、表碛和雪崩严重影响 ELA的冰川逐一甄别和剔除后, 获得200条冰川的 ELA,AAR, THAR 和 TRAM 等特征值。6 个分区的冰川综合参数见表 1。查拉岗日区域的冰川全部位于分水岭北侧, 但其中少数冰川朝南, 为了方便计算平均坡向, 计算坡向时将朝南的冰川剔除。

从表 1 看出, 冰川末端海拔大多高于4500 m,平均海拔大于5000 m, 各分区内冰川末端海拔高度相差1000 m 左右。冰川面积与冰川的分布情况及地理环境有密不可分的关系, 因此, 不同区域的冰川面积相差较大。多数地区的平均坡度较稳定, 只有卓木拉日地区地形最陡峭, 另外在库拉岗日地区出现 40º 的陡坡。由于气候环境与地理位置等因素的影响, 各分区的ELA变化范围较大, 难寻其变化规律。研究区内大多数冰川朝北, 但在白马林岗日和库拉岗日两个分区中, 有部分冰川朝向南西。泡罕里地区的冰川平均朝向北东东, 整体上位于亚东县的北部, 冰川面积偏大, 其中包括整个研究区内面积最大(18.92 km2)的冰川。卓木拉日地区的冰川平均朝向北北西, 冰川方向总体上比较一致, 坡向差值仅53º。冲巴雍地区的冰川因分布范围较小,与卓木拉日地区距离较近, 两地的山地走向也颇为一致, 因此平均朝向相差不大。查拉岗日地区冰川平均朝向北北东, 该区冰川数目最多, 分布范围也最广, 冰川大小不一, 发育多个大面积的冰舌。白马林岗日地区的冰川为南、北坡分布, 北坡的冰川平均坡向为 7.55º, 近似朝向正北; 南坡的冰川数量少于北坡, 平均朝向南西。库拉岗日地区的冰川同样在分水岭的南北坡均有分布, 虽然北坡冰川平均朝向近正北, 但地形复杂, 朝向较杂乱; 南坡冰川平均朝向南西西, 有大冰舌发育。冰川的 THAR,TRAM 和 AAR 值通过上述直观特征计算得到, 将在后面讨论。

3.1 THAR, TRAM和AAR值

表1 中各分区 THAR 和 TRAM 值波动幅度最大的是白马林岗日地区北坡的冰川, 最大值与最小值分别相差 0.66 和 0.76。从地形图(图 1)可以看出,白马林岗日的南坡地区地形复杂, 冰川形态多变,对冰川平衡线的控制因素较多, 因此不能简单、笼统地依据 THAR 和TRAM值分析该区冰川的特征。

THAR 值根据冰川的高度差和 ELA 值计算得出, 直接反映 ELA 与冰川顶点以及末端间高度差的关系。研究区 THAR 值整体上的变化幅度很小,为 0.5±0.06。THAR 值变化最小的是泡罕里地区,最大值与最小值仅相差 0.27。可以看出, 白马林岗日南坡和库拉岗日南坡的 THAR 值均比分水岭北坡其他冰川的 THAR 值低, 这也说明 THAR 值与冰川的朝向关系紧密。

TRAM 值是以从 ArcGIS 图像提取的冰川山脊线为依据, 将分水岭的高度平均值作为冰川的山脊高度计算得出的。Dong 等[39]认为喜马拉雅地区的冰川 TRAM 平均值为 0.5, 本研究区冰川的 TRAM平均值为 0.52, 但部分区域冰川的 TRAM 值有较大偏差。可能的原因是 TRAM 方法需要使用分水岭的平均高度, 而不同学者对同一条冰川选取的最高峰或鞍部的值会有差异; 另外, 对于地形较复杂的地区, 计算分水岭平均高度的难度也增大, 导致部分地区的TRAM值异常。

由此得出研究区冰川平衡线的分布特征: 接近冰川的中值高度处, 且 THAR 与 TRAM 值越小说明平衡线位置越低, THAR与 TRAM值越大说明平衡线的位置越高。

AAR 值与冰川面积密切相关。从前面的分析已知, 各条冰川面积变化的跨度大, 极易受到地理因素的控制。较陡的冰川积雪容易滑落, 形成上部为裸露岩石、深度达数十米的积雪盆, 给冰川的面积测量带来极大的影响, 因此也影响冰川的 AAR值。相反地, 如果冰川的地形较为平缓, 冰川均匀分布, AAR值则是确定平衡线位置的重要参数。虽然个别冰川的 AAR 值有一定程度的变化, 但各分区的平均值却稳定在 0.52±0.05 (表 1)。从 ArcGIS 图像(图 1)上可以看到, 白马林岗日地区的冰川形状变化明显, 部分冰舌延伸极长, 有些冰川朝向完全相反, 与研究区冰川的总体朝向差别甚大。白马林岗日地区的冰川面积变化幅度比其他分区都大, 但总体上稳定在 0.5 km2, 说明虽然个别冰川平衡线位置分布异常, 但绝大多数冰川符合现代冰川的平衡线分布规律。

3.2 ELA

根据表 1 中各分区的平衡线分布, 得到 ELA的变化规律(图 2)。研究区 ELA 总平均值为 5717 m,最高值 6350 m 出现在库拉岗日北坡, 最低值 4950 m 出现在白马林岗北坡。囿于资料, 对泡罕里、卓木拉日、冲巴雍和查拉岗日 4 个地区只能分析分水岭北侧中国境内的冰川。

研究区东侧的白马林岗日冰川和库拉岗日冰川分列分水岭南北, ELA 差别明显, 区域性特征显著,反映降水和坡向对 ELA 的控制。白马林岗日冰川ELA 平均值南坡为 5333 m, 北坡为 5373 m, 南坡比北坡低 40 m; 库拉岗日冰川 ELA 平均值南坡为5840 m, 北坡为 5957 m, 南坡比北坡低 117 m。两区冰川ELA南坡相差 507 m, 北坡相差584 m。

查拉岗日冰川大多朝向北, 受东西走向高耸分水岭影响, ELA值平均为 5940 m。卓木拉日冰川和冲巴雍冰川 ELA 平均值分别为 5597和5497 m, 在研究区是较低的。

4 讨论

冰川的基本特征之一是物质平衡线将其分为积累区和消融区两个部分, 能够引起冰川积累区和消融区冰量变化的因素都会直接影响冰川的平衡线分布[40]。本研究区冰川地处中低纬度高山环境, 气候深受印度季风影响, 坡向和地势对冰川发育影响较大, 冰面碎屑覆盖程度和雪崩等对冰川规模亦有明显影响[5–6]。

4.1 气候

山地冰川物质平衡线是山地冰川变化的良好指标, 而冰川进退与气候变化之间密切相关[41]。气候变化又取决于温度和降水的变化, 因此, 要了解冰川平衡线的分布概况, 必须先了解当地的温度和降水情况。东亚季风中的夏季风来自南中国海的越赤道气流, 与南半球澳洲冬季的高气压有关。前者为热带季风, 后者为亚热带季风[42]。在青藏高原, 气温高的时段高原季风增强, 使得“季风多雨区”变湿,同时使“季风少雨区”变干[43]。也就是说, 青藏高原存在降水变化趋势相反的两个区域。

虽然印度洋季风为内陆带来丰富的水汽资源,但由于青藏高原阻断了来自热带海洋的暖湿气流,使暖湿空气只能在印度上空积聚[44]。在全球升温背景下, 气温是影响物质平衡变化的主导因子[45],现代冰川的 ELA 对区域气温与降水变化的敏感程度很高[46–47]。并且, 冰川在平衡线处积累量的减少与夏季气温升高有很好的相关性, 研究表明, 在青藏高原内部区域, 夏季气温的升高加剧了冰川物质的亏损[12]。另外, 对天山乌鲁木齐河源 1 号冰川的研究也表明, 如果夏季平均气温升高或降低 1ºC,则 ELA 将上升或下降约 82 m; 如果年降水量增加或减少 100 mm, 则ELA将下降或上升约41 m[9]。本研究区主导气候系统是印度季风[48], 青藏高原及其周缘山地冰川的退缩反映了当地气候系统的变化特征。

喜马拉雅山迎风坡强劲的降水更有利于冰川平衡线降低。例如, 位于不丹王国 Chamkhar Chu 盆地 Chamkhar 谷地的 Thana 冰川, 海拔 5250~5700 m,ELA 为 5480 m①http://www.icimod.org/?q=24504。不丹王国西北和北部现代冰川1998 年的 ELA 为 5200~5300 m, 是喜马拉雅中部和东部最低的, 强劲的印度季风带来的降水是影响冰川ELA的主导因素[49]。

根据图 2 以及 3.2 节对 ELA 的分析可知, 由于区域内冰川分布面积不大, 且冰川朝向相对一致,泡罕里地区、卓木拉日地区以及冲巴雍地区冰川ELA 的变化范围不超过 600 m, 较为稳定。但是,从图 2 可以看出, 各分区中朝北的冰川, 其平衡线相对分布在低海拔位置。查拉岗日地区大部分冰川位于青藏高原内陆, 由于受库拉岗日山的阻挡, 水汽进一步减少, 导致冰川 ELA 陡然升高。白马林岗日地区和库拉岗日地区在分水岭的南北侧皆有冰川分布, 两区南坡冰川 ELA 均低于北坡。尤其是最东部的白马林岗日地区, 冰川 ELA 值整体上比其他区域小得多。这得益于白马林岗日地区的地理优势, 该区最先接受来自东南地区的水汽, 其特征更偏向海洋型冰川。库拉岗日地区同样位于高原内部, 同时白马林岗日山阻挡了来自东南地区的水汽, 使得库拉岗日地区冰川平衡线比白马林岗日地区高出很多, 且库拉岗日北坡冰川的 ELA 平均值是所有分区中最大的, 达 5957 m。

在季风容易到达的卓木拉日地区, 降水增多,冰川 ELA 也比其他地区低。相反, 在 ELA 值最大的更靠近内陆的库拉岗日北坡冰川和查拉岗日冰川, 由于受青藏高原北部干旱、严寒的气候影响,冰川ELA值居高不下。

4.2 地形

除区域气候因素外, 冰川的几何形态也会影响冰川 ELA 的分布, 因此地形特征是冰川研究中的基本要素[50]。单条冰川的 ELA 值还受冰川的地形条件(如面积、高度分布、长度、冰面坡度与地形遮蔽条件)影响[51], 更有一些特殊的地形(如陡峭的冰斗后壁、高山谷侧缘、不规则的地形起伏等)会导致冰川的平衡线位置异常。亚洲高山冰川地貌类型多样, 地形多变, 积累区的面积和坡度各地有所不同[52]。Bhambri等[53]在对印度境内阿勒格嫩达河流域的 83 条冰川分析中得出结论: 规模较大、覆盖在混合盆地的冰川倾向于延伸到更低的海拔, 而小型冰川的末端一般位置较高。但是, 高度居中的冰川 ELA 的变化范围较大[54]。在 THAR 和 AAR方法中, 冰川末端高度以及冰川整体面积都是直接影响 ELA 值的要素。图 3(a)中的冰川位于卓木拉日分区, 其 ELA 为 5670 m, 是该分区的最高值。该冰川除末端高度较高外, 不对称的粒雪盆侧壁和后缘陡坎也是导致其 ELA 升高的重要原因。当冰川谷地纵剖面是冰盆与冰坎相间时, 陡峻巨大的冰坎处出现冰川瀑布, 冰川减薄退缩时会在冰坎处出现冰川断开的现象, 在冰川瀑布下面形成再生冰川(reconstituted glacier)。图3(b)中是一条位于泡罕里地区的再生冰川, 其ELA值(5880 m)只略低于泡罕里分区均值(5949 m), 说明这里的再生冰川对 ELA的影响不大。但是, 在多数情况下, 再生冰川的出现会使ELA的计算变得相当困难[5]。

4.3 冰面碎屑

在青藏高原干燥的气候环境中, 风力吹扬会使较多的尘埃物质降落在冰川表面。另外, 冰川对基岩有侵蚀作用, 使得部分碎屑混合于冰川中, 并由于冰川的运动, 经常堆积于冰川前端表面[55], 降低了冰面的反射率, 使冰面吸收较多的太阳辐射, 导致冰川消融作用加强, ELA升高。Benn 等[6]的研究结果表明, 珠穆朗玛峰地区因冰碛覆盖物引起的物质损耗导致冰川以平均0.32 m/a的速率退缩。当冰碛物堆积过厚时, 对冰川的物质损耗则产生反向的影响。在降水量稀少且多风的青藏高原, 被冰碛物覆盖的冰川分布广泛, 从整体上影响冰川的长度、物质平衡和流动[56–57]。Bajracharya 等[58]的研究表明, 1980—2010 年, 不丹王国境内 885 条现代冰川的面积退缩 23.3%, 总面积变为 642 km2; 冰川 ELA从 5170 m 上升到5350 m, 海拔5600 m高度的冰川损失面积量最大, 且干净冰川(冰面碎屑较少)损失更大。图 3(c)中的冰川位于查拉岗日分区, 冰川侧缘的基岩谷坡风化碎屑崩落在冰川表面, 增强了冰面的消融作用, 因此其 ELA值(6030 m)比该分区均值(5940 m)高 90 m。图 3(d)展示泡罕里地区一条表面光洁的冰川和一条几乎全部被冰碛物覆盖的冰川, 二者的 ELA 分别为 5510 和 5220 m, 相差近300 m, 也反映出冰川表碛对 ELA值的控制。

4.4 雪崩

除风力吹扬带来的尘埃物质和冰川携带的杂质外, 雪崩也会给冰川带来一部分冰碛, 并带来一定的物质补给。雪崩点可能在冰川顶部, 也可能在两翼, 以雪崩为主要补给的冰川积累量最大的地区是根据雪崩的体积决定的, 而不是只考虑高度。雪崩带来的积累量受很多因素控制, 包括流域和地势、降水的高度、主风向、接收区海拔以及积累区地形特征[5]。位于珠穆朗玛峰南坡的昆布冰川(Khumbu Glacier)是喜马拉雅山有大量雪崩和岩屑物质补给的代表, 冰川表面布满裂隙, 使实测 ELA几乎成为不可能[59]。Iwata[49]依据实地考察、地形图和遥感影像解译等方法, 研究了不丹王国喜马拉雅山现代冰川发育特征, 指出碎屑覆盖和无碎屑覆盖两种冰川普遍存在, 有碎屑盖层冰川末端的高度普遍比无碎屑覆盖冰川末端的高度低, 前者为4200 m, 后者为4700 m。本研究区雪崩现象无处不在, 例如, 冲巴雍冰川冰斗后壁的雪崩槽和雪崩堆(图3(e)), 泡罕里冰川槽谷上规模不等的雪崩槽和冰面上巨大的雪崩堆(图3(f))。卓木拉日和冲巴雍的冰川区山势特别陡峻, 雪崩成为冰川补给的重要方式。这也是这两个区域ELA值较低的原因之一。

5 结论

本文基于《第二次冰川编目》[36]的数据及卫星影像资料, 运用赫斯法、THAR值法、AAR法及TRAM 法, 对喜马拉雅山亚东-康马段现代冰川ELA值进行分析研究, 得到以下初步认识。

1) 研究区现代冰川平衡线平均高度为5717 m,最高值 6360 m 出现在库拉岗日山南坡, 最低值4950 m 出现在白马林岗日山北坡。研究区东侧白马林岗日和库拉岗日地区的冰川分列在分水岭的南北坡, 冰川ELA值有明显差别, 反映降水和坡向对ELA 的控制。

2) 研究区 AAR 值在0.25~0.89之间, 平均值为0.52; THAR 值在0.16~0.84之间, 平均值为0.44;TRAM 值在0.14~0.90之间, 平均值为0.52。研究结果可以作为喜马拉雅山东南区现代冰川与古冰川研究的数据参考。

3) 影响研究区现代冰川规模、分布以及 ELA的主要因素是气候和地形, 冰面碎屑覆盖程度和雪崩等也是重要的影响因素。

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