0 引言

冰川物质平衡是单位时间内冰川上以固态降水形式为主的物质收入(积累)和以冰川消融为主的物质支出(消融)的代数和[1]，是冰川反映气候变化的最敏感的指标之一[2-3]，而且冰川物质平衡的气候敏感性研究是冰川未来变化趋势预测的关键因素[4-5]。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，随着全球变暖被广泛关注，冰川物质平衡研究在全球气候变化研究中尤为重要。冰川表面平衡线所对应的平均海拔高度称为平衡线高度，是冰川积累区和消融区分界线的海拔，对气候的变化十分敏感，是一个地区能否发育冰川的标志[6-8]。平衡线高度的变化与冰川的前进、 后退或消亡联系密切，是气候变化最直接的反映[9]，是衡量冰川变化的重要指标。对冰川物质平衡动态变化进行研究有利于正确认知冰川响应全球气候变化的机理及气候变化的总趋势，捕捉全球气候变化的初始信号，为我国生态环境的可持续发展提供决策依据。

近年来关于冰川物质平衡方面的研究较多[10-13]，但仅限于单条冰川年际物质平衡变化分析，缺乏对整个区域以及不同区域之间冰川物质平衡变化的分析，对冰川平衡线高度变化的研究相对较少。董志文等[14]和王宁练等[15]分别研究了乌源1号和七一冰川近50年来的平衡线高度变化。叶万花等[16]研究了高亚洲定位监测冰川平衡线高度时空分布特征。本文从冰川物质平衡和平衡线高度两个指标入手，对比分析斯瓦尔巴、 高亚洲和阿尔卑斯山三个地区的冰川物质平衡特征和平衡线高度变化，以便全面认识北半球的冰川变化。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

斯瓦尔巴群岛[图1(a)]位于北冰洋上，隶属于挪威，总面积为62 248 km2。北部盛行的东风和东北风与北大西洋暖流汇合，易形成极峰，在冬季发生极端天气和气候波动的概率较大。斯瓦尔巴有众多的海湾，冰川总数为2 100多条[17]，冰体覆盖面积约为34 560 km2，即60%的陆地为冰川所覆盖，冰川类型多样[18]。末端伸入海洋且由崩解脱落形成的冰川被称为潮汐型冰川，通常是一块巨大的脱落冰体，末端有一个陡峭的、 近乎垂直的冰塔存在，冰川长度和物质损失主要受冰川崩解的影响，变化速率极快[19]。20世纪初之前，该地区的冰川规模和它们在末次小冰期时的最大规模相当，20世纪增温最为显著，冰川发生普遍退缩。

高亚洲[图1(c)]，也称为中央亚洲，是以青藏高原为中心的位于亚洲中央的高山及高原。高亚洲西南部受印度季风的影响，东南部受东亚季风的影响，北部和西部主要受西风环流的影响，还受到青藏高原隆升产生的高原季风的影响[20]。高亚洲是中低纬度地区最大的现代冰川区，冰川总面积为5.94×104 km2，占全球山地冰川面积的25%，是亚洲中部干旱半干旱地区宝贵的淡水资源。19世纪60-90年代时其冰川退缩对全球海平面上升的贡献可达20%[21]； 20世纪的全球变暖已导致山地冰川发生显著的变化，高亚洲冰川与全球其他区域一样，呈现出明显的退缩和物质亏损。

阿尔卑斯山[图1(b)]是世界上最有名的褶皱山系之一，是欧洲中部最高大的山脉，面积约为2.1×105 km2。阿尔卑斯山濒临地中海，距大西洋较近，受大西洋暖流的影响，气温温和，降水丰沛，发育有许多高山冰川，总覆盖面积达3 600 km2，冬、 春季有深厚的积雪。近30年来，阿尔卑斯山中段瑞士地区冰川面积减少了364 km2，退缩速率为12.6 km2·a-1[22]。

1.2 数据来源

本研究选用斯瓦尔巴(7条)、 高亚洲(19条)及阿尔卑斯山(10条)共36条冰川近60年的物质平衡和平衡线高度资料。除乌鲁木齐河源1号冰川(乌源1号冰川)、 七一冰川、 小冬克玛底冰川、 帕隆94号冰川资料来自野外观测、 天山冰川观测试验站年报和各类文献及专著外，其余冰川年均物质平衡数据均来自世界冰川监测服务处(WGMS)。所选冰川基本覆盖了研究区，能较好地代表相应区域冰川变化的基本情况。冰川空间位置分布见图1，冰川基本信息见表1。

2 结果与分析

2.1 冰川物质平衡变化

2.1.1 斯瓦尔巴

Austre Broeggerbreen冰川净平衡为-453 mm，Kongsvegen冰川净平衡为42 mm，Midtre Lovenbreen冰川净平衡为-380 mm，上述3条冰川物质平衡年际波动较大但负平衡趋势较弱，冰川消融保持平稳状态，Austre Broeggerbreen冰川物质平衡较其他2条冰川大。Austre Lovenbreen冰川物质平衡年际变化波动大且呈负平衡发展的趋势，年均物质平衡为-372 mm，2014年达极大正平衡值82 mm，其余均为负平衡年。Irenbreen冰川年均物质平衡为-840 mm，Waldemarbreen冰川年均物质平衡为-700 mm，上述2条冰川物质平衡年际变化波动大且负平衡趋势明显，冰川处于强烈消融状态。Irenbreen冰川是斯瓦尔巴消融最强烈的冰川之一，2010年后该冰川消融进一步加剧。Hansbreen冰川年均物质平衡为-298 mm，2005年之后出现较多正物质平衡值，但该冰川仍处于退缩状态。

Austre Broggerbreen、 Midtre Lovenbreen和Austre Lovenbreen冰川位置相邻且均为山谷型冰川，累积物质平衡变化呈相似波动特征，物质平衡年际变化主要受夏季气温的影响。由于冬季积累相对较少，夏季消融较大，Irenbreen冰川和Waldemarbreen冰川一直处于退缩状态且具有较高的消融量。位于南部的潮汐型冰川Hansbreen冰川自身活动性较强，受风潮影响物质平衡年际变化较大[23]，累积物质平衡为-7.15 m，年均亏损相对较慢。Kongsvegen冰川具有面积大、 海拔高的特征，且粒雪带分布范围广，是该区变化最不稳定的冰川之一。Hansbreen和Kongsvegen冰川在1997-2004年物质损失呈加速趋势，2005-2008年出现物质积累，2009年后呈较小的负物质平衡[24]。

斯瓦尔巴冰川物质平衡变化主要呈负平衡/平衡、 略微增长两种状态，冰川物质平衡年际变化波动大且呈负平衡趋势，累积物质平衡表现出长期稳定的负平衡增长趋势。

2.1.2 高亚洲

Ts.Tuyuksuyskiy、 乌源1号、 Golubin、 Abramov、 Maliy Aktru、 Vodopadniy(No.125)、 Leviy Aktru、 帕隆94号、 小冬克玛底和七一冰川年均物质平衡分别为-395、 -320、 -346、 -445、 -183、 -139、 -170、 -356、 -166和-116 mm。Abramov冰川负物质平衡值最大，七一冰川最小。高亚洲所选冰川物质平衡整体呈下降趋势，冰川处于退缩状态，位于青藏高原的帕隆94号冰川退缩速率最大，位于帕米尔高原的Abramov和阿尔泰山的Maliy Aktru冰川退缩最慢。

Ts.Tuyuksuyskiy冰川累积物质平衡值为-23.71 m，1971年起冰川加速消融，物质损失由76 mm·a-1增至502 mm·a-1。乌源1号冰川累积物质平衡为-18.57 m，1986年出现第一次加速消融，1997年出现第二次加速消融，物质亏损达674 mm·a-1。Golubin冰川累积物质平衡为-10.72 m，冰川一直处于强烈消融期。Abramov冰川累积物质平衡为-15.57 m，1967-1985年冰川消融较为强烈，年均亏损为544 mm； 1987-1993年出现了短暂的冰川前进，年均物质积累为44 mm； 1994-2015年冰川进一步加速消融，物质亏损达580 mm·a-1。Maliy Aktru冰川累积物质平衡为-9.51 m，该冰川1962-1983年呈消融状态，年均物质亏损为278 mm； 1984-1998年出现短暂的冰川前进，年均物质积累为79 mm； 1999-2013年冰川加速消融，物质亏损达306 mm·a-1。Vodopadniy(No.125)和Leviy Aktru冰川累积物质平衡分别为-5.02 m和-6.11 m，两条冰川均于1997年出现加速消融，年均物质亏损分别为284 mm和328 mm。帕隆94号冰川累积物质平衡为-12.81 m，1980-1990年和1995-2003年出现短暂的冰川前进，2004年起冰川加速消融，年均物质亏损达799 mm。小冬克玛底和七一冰川累积物质平衡分别为-9.81 m和-6.28 m，两条冰川均于1994年出现加速消融，不同的是小冬克玛底冰川一直处于消融状态，而七一冰川在1957-1993年处于冰进期。

高亚洲冰川年均物质平衡均为负值，整体处于退缩状态。但部分冰川在20世纪80-90年代出现短暂的冰川前进，90年代中后期出现加速消融趋势。

2.1.3 阿尔卑斯山

Sarennes、 Ciardoney、 Fontana Bianca、 Pendente、 Careser、 Hintereis F.、 Wurten K.和Vernagt F. 冰川的年均物质平衡分别为-1 095、 -1 291、 -856、 -1 052、 -1 071、 -607、 -881和-406 mm，Ciardoney冰川负物质平衡值最大，Vernagt F.冰川最小。位于阿尔卑斯山中部的Careser冰川退缩速率最快，东部的Wurten K.冰川退缩最慢。

Sarennes、 Ciardoney、 Fontana Bianca、 Pendente、 Careser、 Hintereis F.、 Wurten K.和Vernagt F.冰川的累积物质平衡值分别为-74.46、 -30.99、 -25.68、 -22.08、 -53.56、 -38.82、 -29.08和-22.79 m。该地区冰川在20世纪均处于稳定的退缩状态，2000年之后开始出现加速消融的趋势，自2002年开始Sarennes冰川物质亏损较其他冰川明显，达2 617 mm·a-1。

阿尔卑斯山的冰川年均负物质平衡值最大，为-907 mm； 其次是斯瓦尔巴，为-431 mm； 高亚洲最小，为-264 mm。

2.1.4 区域对比分析

把斯瓦尔巴、 高亚洲、 阿尔卑斯山各区域内冰川物质平衡观测数据通过算术平均法计算出各区域冰川物质平衡和累积物质平衡，三者变化趋势特征各异(图2)。斯瓦尔巴和高亚洲冰川物质平衡年振幅较小、 年际变化较小，年均物质平衡分别为-431 mm 和-258 mm。阿尔卑斯山冰川物质平衡年振幅较大、 年际变化较大，年均物质平衡为-864 mm。斯瓦尔巴冰川物质平衡趋于正平衡，阿尔卑斯山和高亚洲冰川物质平衡趋于负平衡。三个区域物质平衡出现最大值或较大值的时段各不相同，斯瓦尔巴出现在20世纪80年代中期至90年代末，高亚洲出现在20世纪60年代初至70年代初，阿尔卑斯山出现在20世纪60年代中期至80年代初。

斯瓦尔巴和高亚洲冰川近48年均呈消融趋势，阿尔卑斯山冰川在1975-1982年出现短暂的物质积累，但总体上也呈物质亏损加速的态势。斯瓦尔巴和高亚洲冰川消融速率变化趋势相似，消融较快的时段均在20世纪70年代初至80年代中期。斯瓦尔巴冰川在1987-1997年间有个短暂稳定期，累积物质平衡自1997年开始保持稳定的负平衡状态，年物质亏损最慢。高亚洲冰川20世纪90年代中期开始加速消融，年均物质亏损达433 mm。阿尔卑斯山冰川20世纪80年代初起物质亏损加速，年均物质亏损达920 mm，消融速率远大于斯瓦尔巴和高亚洲。这可能与阿尔卑斯山自20世纪80年代初出现的气温大幅度升高有关，其气温总体平均升高1 ℃，单个站点的升温可达到2 ℃，对冰川和冰缘带产生显著的影响[25]。自小冰期末欧洲阿尔卑斯山冰川区面积减小了30%～40%，冰川体积减少了约一半[26]。

2.2 冰川平衡线高度变化

2.2.1 斯瓦尔巴

如图3所示，自观测以来，Austre Broeggerbreen冰川平衡线高度波动范围为200～695 m，均平衡线高度为429 m，至2015年平衡线高度升高了51 m。Austre Lovenbreen冰川平衡线高度波动范围为330～550 m，均平衡线高度为431 m，至2016年平衡线高度升高了76 m。Hansbreen冰川平衡线高度波动范围为240～600 m，均平衡线高度为358 m，至2015年平衡线高度下降了124 m。Irenbreen冰川平衡线高度波动范围为380～674 m，均平衡线高度为473 m，至2015年平衡线高度升高了211 m。Midtre Lovenbreen冰川平衡线高度波动范围为225～650 m，均平衡线高度为407 m，至2015年平衡线高度升高了14 m。Kongsvegen冰川平衡线高度波动范围为400～705 m，至2015年平衡线高度升高了54 m。Waldemarbreen冰川平衡线高度波动范围为270～591 m，均平衡线高度为427 m，至2015年平衡线高度升高了105 m。

斯瓦尔巴所选冰川只有南部的Hansbreen冰川平衡线高度下降，其余冰川均升高。Irenbreen冰川平衡线高度升高最大，冰川物质负平衡最大，说明该冰川消融最为强烈。比较发现，斯瓦尔巴内陆的冰川平衡线高度高于沿海地区，斯匹次卑尔根岛西海岸北部海拔较高的冰川平衡线高度低，南部海拔较高的冰川平衡线高度高。这与冰川所处位置的气候有关，在斯匹次卑尔根岛西海岸，年降水量约400 mm，年平均气温约为-6 ℃，由沿海向内陆地区降水量下降至200 mm，气温略微变冷，气候更具大陆性[27]。

2.2.2 高亚洲

如图4所示，从喜马拉雅山的绒布冰川(6 420 m)到昆仑山的煤矿冰川(5 278 m)、 天山乌源1号冰川(4 054 m)，直至阿尔泰山Maliy Aktru冰川(3 213 m)，随着冰川所处纬度的升高，平衡线高度降低，说明气温是影响平衡线高度变化的重要因素之一。这与Wang等[28]利用NCEP/NCAR再分析数据与探空资料计算的1971-2010年夏季自由大气平均0 ℃层高度呈自南向北逐渐降低的变化趋势一致。

如图4所示，从高原东部的祁连山老虎沟12号冰川(4 900 m)到中部的昆仑山东段煤矿冰川(5 278 m)、 昆仑山中段鱼鳞冰川(5 757 m)、 昆仑山西段崇测冰川(6 151 m)，直至高原西部喀喇昆仑山洋布拉克冰川(6 061 m)，冰川平衡线高度随着冰川所处位置呈升高趋势，距海越远大气携带的水汽越少[29]，对冰川的补给越小，冰川平衡线高度越高，说明降水是影响平衡线高度的另一个重要因素。

从青藏高原周边的祁连山老虎沟12号冰川(4 900 m)、 横断山白水1号冰川(5 025 m)到昆仑山耶和龙冰川(5 181 m)、 煤矿冰川(5 278 m)，再到高原内部的念青唐古拉山西布冰川(5 842 m)，直至喜马拉雅山绒布冰川(6 420 m)，冰川平衡线高度逐步升高。青藏高原在抬升的过程中，一方面伴随降温过程，另一方面阻挡了来自海洋的暖湿气流，使高原内部出现寒旱化，降水对冰川的补给减少，高原边缘山地降水较多[30]，说明地势起伏变化也是影响平衡线高度分布的重要因素。

高亚洲冰川平衡线高度变化呈现明显的纬度地带性、 经度地带性和区域地带性。

2.2.3 阿尔卑斯山

如图5所示，自有观测记录以来，Sarennes冰川平衡线高度波动范围为2 937～3 150 m，至2015年平衡线高度升高了177 m。Ciardoney冰川平衡线高度波动范围为2 900～3 150 m，至2015年平衡线高度上升了35 m。Fontana Bianca冰川平衡线高度约为3 325 m，该冰川平衡线高度呈下降趋势，至2016年下降了77 m。Pendente冰川平衡线高度约2 987 m，至2015年上升了36 m。Careser冰川平衡线高度约3 276 m，至2016年上升了239 m。Hintereis F.冰川平衡线高度约3 078 m，至2016年上升了377 m，是该地区所选冰川中平衡线高度上升最多的冰川，说明该冰川消融强烈。Wurten K.冰川平衡线高度约3 001 m，自观测以来平衡线高度呈下降趋势，说明冰川处于积累期。Vernagt F.冰川平衡线高度约3 186 m，至2015年上升了272 m。Argentiere和Gebroulaz冰川平衡线高度分别约为2 421 m和2 632 m，上升了232 m和287 m。

阿尔卑斯山的冰川平衡线高度主要受冰川所处海拔的影响。东部冰川海拔低于中部冰川(除了Pendente冰川)，其平衡线高度也低于中部； Argentiere冰川海拔最低(2 500 m)，该冰川的平衡线高度也最低。中部海拔较高的冰川平衡线高度较高，海拔较低的Pendente冰川(2 802 m)平衡线高度也较低。

2.2.4 区域对比分析

选择三个区域中有较长时间序列平衡线高度资料的8条冰川，分析其平衡线高度变化(图6)。阿尔卑斯山冰川平衡线高度升高幅度最大，Hintereis F.、 Careser和Vernagt F.冰川平衡线高度分别升高了449 m、 300 m和255 m； 其次为高亚洲Maliy Aktru冰川，平衡线高度升高了198 m，乌源1号冰川升高了109 m，斯瓦尔巴Austre Broeggerbreen和Midtre Lovenbreen冰川平衡线高度分别升高了54 m 和8 m，平衡线高度升高最小的是高亚洲Ts.Tuyuksuyskiy冰川，升高了约1 m。

上述分析发现，同位于天山的Ts.Tuyuksu-yskiy冰川平衡线高度增幅远小于乌源1号冰川，甚至小于Austre Broeggerbreen和Midtre Lovenbreen冰川。这与其所处的气候模式以及东、 西天山冰川水汽交换特征及其对气候变化响应的敏感性不同有关[31]。天山受西风环流控制，大量水汽自西向东运动，随着距离的增加，降水量自西向东减少[32]。

高亚洲天山冰川均平衡线高度(乌源1号冰川为4 074 m，Ts.Tuyuksuyskiy冰川为3 847 m)高于阿尔卑斯山(Hintereis F.冰川为3 118 m、 Careser冰川为3 283 m、 Vernagt F.冰川为3 201 m)和高亚洲阿尔泰山(Maliy Aktru冰川为3 185 m)的冰川平衡线高度，斯瓦尔巴平衡线高度最低(Austre Broeggerbreen和Midtre Lovenbreen冰川平衡线高度分别为428 m、 405 m)。

3 结论

(1) 斯瓦尔巴冰川物质平衡变化主要呈负平衡/平衡、 略微增长两种状态，冰川净平衡年际变化波动幅度较大且呈负平衡趋势； 累积物质平衡表现出长期稳定的负平衡增长态势，除Kongsvegen冰川外，其他冰川不存在短期内的平衡波动。高亚洲冰川年均物质平衡均为负值，整体处于退缩状态； 部分冰川在20世纪80-90年代出现短暂的冰川前进，90年代中后期出现加速消融趋势。阿尔卑斯山的冰川年均负物质平衡值最大，为-907 mm； 其次是斯瓦尔巴，为-431 mm； 高亚洲最小，为-264 mm。

(2) 高亚洲和斯瓦尔巴冰川物质平衡年振幅较小，年际变化较小； 阿尔卑斯山冰川物质平衡年振幅较大，年际变化较大。斯瓦尔巴冰川物质平衡趋向正平衡，阿尔卑斯山和高亚洲冰川物质平衡趋向负平衡。斯瓦尔巴和高亚洲冰川20世纪90年代中期开始加速消融，阿尔卑斯山冰川20世纪80年代初起物质亏损加速。

(3) 斯瓦尔巴内陆的冰川平衡线高度高于沿海地区，斯匹次卑尔根岛西海岸北部海拔较高的冰川平衡线高度低，南部海拔较高的冰川平衡线高度高。高亚洲冰川平衡线高度呈纬向地带性、 经向地带性和区域地带性的分布规律。阿尔卑斯山的冰川平衡线高度主要受冰川所处海拔的影响。

(4) 对三个区域8条冰川平衡线高度对比分析发现，高亚洲天山冰川均平衡线高度高于阿尔卑斯山和高亚洲阿尔泰山，斯瓦尔巴平衡线高度最低。

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