0 引言

冰川是气候的产物，对气候变化有着高度的敏感性和反馈作用［1-2］，尤其是山岳冰川，因其规模远小于极地冰盖，对全球气候变化的反应相对更敏感、更直接，被认为是上世纪以来气候变化的卓越指示器［3-4］.研究表明:20 世纪以来，随着全球性升温和降水变化，世界上大多数山岳冰川都处于不同程度的退缩状态，而且这一退缩在最近二、三十年来又出现了强烈的加速趋势［4-8］.

物质平衡作为冰川对气候变化最直接的响应，它反映着冰川物质收入和支出的关系［3，9-11］，是引起冰川规模和径流变化的物质基础，也是连结冰川与气候、冰川与水资源的重要纽带［12］.通过研究冰川的物质平衡变化可以反映气候的波动过程，而且对流域的径流研究和水资源管理评价具有重要意义［13-14］.因此，自从20 世纪50 年代世界范围内开展冰川监测以来，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的作用更加明显［15-16］.

天山山脉和阿尔卑斯山脉都是世界上典型的山岳冰川分布区［17-19］，它们均位于世界上最大的大陆——亚欧大陆，并且都处在盛行西风带.但是由于天山横亘亚洲内陆［20］，距海遥远，而阿尔卑斯山临近地中海和大西洋，并且大西洋暖流增温增湿作用强烈，所以天山地区大陆性明显，而阿尔卑斯山地区海洋性显著，因此天山和阿尔卑斯山也分别成为了世界上典型的大陆型冰川和海洋型冰川分布区［17］.

大陆型冰川和海洋型冰川是根据冰川发育条件、成冰作用、物理性质和冰川作用进行分类的，其实大陆型冰川也可进一步划分为亚大陆型冰川和极大陆型冰川［21-22］，但因其都属于大陆型冰川，本文不再详细讨论.大陆型冰川即冷冰川，发育在降水较少的大陆性气候区，冰川具有补给少、温度低(冰温恒为负温)、运动速度慢、地质地貌作用弱等特点;海洋型冰川，即温冰川，发育在降水充沛的海洋性气候区，冰川区降水丰富，消融强烈，冰温接近0 ℃，具有运动速度快，地质地貌作用强等特点［22-23］.

鉴于大陆型冰川和海洋型冰川发育的水热环境、物理性质和冰川作用大不相同，它们对气候变化的响应过程、程度和机理也存在很大差异，因此在全球变暖背景下对这两类不同性质冰川物质平衡变化及其对气候变化的响应过程和机理做一全面的对比研究意义重大.然而国内外对冰川物质平衡的研究主要集中于对区域参照冰川的研究［11］，虽然有的学者也在部分区域冰川物质平衡对比研究中涉及到这两种不同性质冰川物质平衡变化及其对气候变化响应的差异［24］，但是都未对这两种不同性质冰川做一全面的对比研究.基于此，本研究以天山和阿尔卑斯山典型参照冰川为例，对20 世纪中期以来大陆型冰川和海洋型冰川物质平衡变化特征及其机理进行了全面的对比研究.

1 数据来源

当冰川之间空间距离不大时，其物质平衡变化基本一致，但是随着空间距离增加，物质平衡变化的区域差异逐渐明显，因此，合理布设区域物质平衡监测网时需要充分考虑这一点［25］，其实进行研究时在某一地区选择典型冰川作为参照冰川同样也是基于这一原理.考虑到两区域冰川的代表性、冰川资料的丰富性和可获取性，在本次研究中，共选取了5 条典型冰川作为参照冰川，它们分别是天山东部和西部的乌鲁木齐河源1 号冰川(以下简称1号冰川)和图尤克苏冰川，以及阿尔卑斯山东部、中部和西部的欣特雷斯冰川、Caresèr 冰川和Sarennes 冰川(图1)，这5 条冰川都具有较长的观测时间序列，具有丰富的研究资料，在当地区域极具代表性［26］，而且他们都处在同一纬度带(43°～45°N)，在西风环流下，自西向东降水量逐渐减少，气温年较差逐渐增大，发育的气候条件由海洋性向大陆性逐渐增强，所以在对比研究大陆型冰川和海洋型冰川中具有很好的代表性.

世界冰川监测服务处(WGMS)，1986 年诞生于瑞士苏黎世，是目前世界上最具权威的冰川监测机构，其专门组织协调涵盖全球6 000 多条冰川的冰川监测网络，负责定期评估这些冰川的变化，出版代表性冰川的观测资料，制定相应的观测研究重点等，并每2 a 一次选出其中10 条(1994 年后不断增加)典型参照冰川，公布其详细数据［27］.本次研究所选用的5 条冰川都是WGMS 重点监测的冰川，除1 号冰川物质平衡资料来自于《中国科学院天山冰川观测试验站年报》数据［28］外，其他4 条冰川都来自于WGMS 官方出版的《Fluctuations of Glaciers》［29］与《Glacier Mass Balance Bulletin》［30］上的数据.

2 结果与讨论

2.1 参照冰川物质平衡变化特征研究及其结果

冰川物质平衡作为联结冰川波动与气候变化的桥梁和纽带，其净平衡的大小直接影响着冰川的进退，也直接反映着气候变化的强烈程度［31］.如图2所示，随着全球气候的变暖，5 条参照冰川自监测以来净物质平衡整体都表现为减小趋势，但是物质平衡变化又存在显著差异，这种差异集中体现在物质平衡年波动幅度、年净物质亏损程度、以及物质平衡阶段性变化差异上，为统一研究，本文将年波动幅度和年净物质亏损程度差异统称为物质平衡变化幅度差异.

变化幅度差异从图2 中不难看出，但阶段性变化特征较难确定，为更好研究物质平衡的阶段性差异，我们进一步对冰川物质平衡变化进行阶段划分:对总时间段累积物质平衡根据拟合最佳效果不断尝试进行分段线性拟合，确定物质平衡分段结果，是一个简单而科学的方法.李忠勤［11］曾用这种方法对1 号冰川1959-2008 年物质平衡变化进行了阶段划分，发现1 号冰川自监测以来共经历了三个阶段，即稳定变化阶段(1959-1984 年)、加速消融阶段(1985-1996 年)和快速消融阶段(1997-2008 年)，这种划分结果与当地大西沟气象站气象资料显示的气温变化基本一致［27］，曾得到了许多学者的一致认可，也在1 号冰川的冰川变化研究中得到了广泛运用［32-33］.本文运用这种方法对本研究中的5 条参照冰川自监测以来至2014 年的物质平衡变化做了阶段划分，结果如图3 所示.综合图2 和图3，把5 条参照冰川物质平衡变化特征值研究结果进行了汇总(如表1)，表1 系统呈现了5 条参照冰川基本信息和它们自监测以来的阶段变化及其特征值.

2.2 参照冰川物质平衡阶段性变化研究

1 号冰川和图尤克苏冰川是东、西天山的代表性冰川［28］.研究发现位于东天山河源区的1号冰川，在20 世纪60 年代-80 年代中期冰川物质平衡处在正负交错变化状态，减少幅度较小，冰川变化较稳定，而在当时气温和降水都较小，物质平衡由气温和降水共同决定，并且降水起主导作用;而在80 年代中期以来，随着当地气候向暖湿的转型，冰川负平衡明显增多，物质亏损增加;尤其从1997 年以来，由于气温的显著增加冰川快速消融，除2009年为正平衡外，其他年份全为负平衡，物质亏损非常严重，在此阶段虽然降水也有显著增加，但是降水增加的物质积累远远抵消不了温度升高带来的冰川消融［11，27，32］.而位于西天山的图尤克苏冰川，在1973 年以前，冰川物质平衡变化和1 号冰川类似，即以微弱负平衡为主，但是图尤克苏冰川从1973年开始，随着夏季气温的显著增加，加之降水减少，冰川加速消融［34］，除1981 年，其他年份全为负平衡，物质亏损非常严重，胡汝骥研究显示这次增温与当时苏联人类经济活动引起温室效应加重有重要关系［35］;但是自1993 年以来，随着当地降水在这一时期大幅增加［34］，该冰川退缩趋势略有放缓，负平衡趋势有所减小.

与天山乌鲁木齐河源1 号冰川和图尤克苏冰川物质平衡阶段性变化不同，研究发现欣特雷斯冰川、Caresèr 冰川和Sarennes 冰川物质平衡表现出相似的阶段性，在20 世纪50 年代-70 年代中期左右，这一阶段冰川较快消融，负平衡占较大多数，物质亏损较大;而在70 年代中期至80 年代中期，这一较短时期中，正平衡年份多于负平衡年份，平均积累大于消融，出现了较短的弱正平衡主导阶段，已有学者对这一原因做过探究，如E.Thibert1等人在研究Sarennes 冰川物质平衡对气候的响应时发现［3］，当地气温转高和一年中有利于冰川消融的日数增加的时间转折点出现在1982 年，而当地降水增加和一年中有利于冰川积累的日数增加的转折点提早出现在1976 年，因此在1976 ～1982 年甚至到1985 年，由于当地气温变化不大而降水增加，有利于冰川积累，所以这一时期冰川处在正平衡主导的阶段.发现除了这三条参照冰川，WGMS 监测的阿尔卑斯山其他所有冰川物质平衡变化在这一时期基本都出现了微弱的正平衡［36］.而自80 年代中期以后，该地区冰川处于快速消融阶段，阶段内各年份基本都为负平衡，物质亏损非常严重，这显然与当地气温升高有关.

2.3 参照冰川物质平衡变化幅度研究

从图2 可以看出，随着冰川地理位置在亚欧大陆从东向西，1 号冰川到Sarennes 冰川物质平衡年波动幅度和年净物质亏损程度逐渐增大.笔者从冰川发育水热条件及冰川对气候变化的敏感性两个方面进行了解释:

(1)水热条件是冰川发育的基础，为冰川发育和变化提供物质和能量来源［1，17］.发育在暖湿环境的冰川积累量和消融量都大，物质和能量基础好;而发育在干冷环境的冰川其积累量和消融量都小，物质和能量基础较差.这从冰川积累区比率变化中(如表2，Sarennes 由于缺乏资料除外)不难看出:除Caresèr 冰川外，1 号冰川和图尤克苏冰川正、负平衡年积累区比率范围和平均值都要小于欣特雷斯冰川.而Caresèr 冰川正好是个例外，因为它已经处于全部消融状态，且由于Caresèr 冰川监测时间迟于其他三条冰川，所以其正、负平衡年积累区比率范围和平均值都很小.总体而言，从1 号冰川到Sarennes 冰川，随着距大西洋越近，冰川的水热条件越充足，为冰川物质平衡变化提供的物质和能量基础也越好.

(2)本研究表明，物质平衡每增加(减小)100 mm，1 号冰川、图尤克苏冰川、欣特雷斯冰川、Caresèr 冰川和Sarennes 冰川平衡线高度分别降低(升高)17、21、31、16、61 m;并且1 号冰川、图尤克苏冰川、欣特雷斯冰川和Caresèr 冰川负物质平衡年平均平衡线高度分别大于正平衡年平均平衡线高度115.8、154.7、237、129.4 m，可见，从1 号冰川、图尤克苏冰川、欣特雷斯冰川、Caresèr冰川到Sarennes 冰川，其对平衡线高度(气候变化)响应越敏感(Caresèr 冰川除外，其原因在上面已经讨论).其实这个原因不难解释:

一方面，因为冰川温度与气温变化总体是一致的［27］，所以发育在温度较高环境的冰川冰温也高，但是这样反而造成冰川冷储能力降低，因此，发育在温度较高环境的冰川响应气温升高时，用于使冰川温度升高到融点的能量较少，大多数热量能够用于冰川消融，所以其物质平衡变化幅度较大;而发育在温度较低环境的冰川响应气温升高时，用于使冰川温度升高到融点的能量较多，用于冰川消融的能量相对较少，所以其物质平衡变化幅度较小.

另一方面，发育在温度较高环境的冰川在水交换及多年水交换中的作用要强于发育在温度较低环境的冰川.这可以用物质平衡水平(公式为m=(c t+at)/2)和物质平衡结构(即冰川稳定性系数，公式为K=(b sc/c t+b sa/at)/2)来表示，它们是反映冰川对气候变化响应敏感程度的主要指标，一般情况下，m 值越大，K 值越小，反映冰川水交换作用越强［37］，通过实测资料不难发现，发育在温度较高环境的冰川物质平衡水平远大于发育在温度较低环境的冰川，而稳定性系数远小于发育在温度较低环境的冰川［34，37］.正是因为发育在温度较高环境的冰川物质水平高，稳定性系数小，水交换能力强，所以只要气温的稍微波动，就能很快反映在这类冰川物质平衡变化上，其物质平衡变化幅度也较大，如表2，水热条件越好的冰川其积累区比率年际变化负倾向率越大.

2.4 大陆性和海洋型冰川物质平衡比较

以上分别从阶段性变化和变化幅度两个方面对参照冰川的物质平衡变化进行了分析，在此基础上，从阶段性变化和变化幅度两个方面对大陆型冰川和海洋型冰川物质平衡变化特征进行比较:

在阶段性变化上，一方面不同性质冰川物质平衡变化存在阶段性差异，例如天山和阿尔卑斯山冰川物质平衡变化就存在很大的阶段性差异，这主要在于天山和阿尔卑斯山这两个区域之间水热变化差异.另一方面即使同一性质的冰川其物质平衡变化也可能存在很大的阶段性差异，如1 号冰川和图尤克苏冰川都为大陆型冰川，冰川退缩都主要由夏季气温决定，但是它们的物质平衡变化也存在很大的阶段性差异，原因在于区域内部水热变化差异.可见，无论不同性质冰川还是同一性质的不同冰川，其物质平衡的阶段性变化差异都是由不同冰川水热变化的时间差异决定的，而这种差异是大气环流、气候转型、人类活动等因素综合作用的结果，与冰川性质无关.

在变化幅度上，从以上研究不难看出，海洋型冰川物质平衡年际波动振幅和年亏损程度明显大于大陆型冰川，而且海洋性越强，物质平衡年际波动振幅和年退缩程度越大;相反，大陆性越强，物质平衡年际波动振幅和年退缩程度越小.这主要是由于冰川发育的水热差异以及冰川对气候变化的响应程度差异决定的:海洋型冰川发育在比较暖湿的气候条件下，冰川补给量和消融量均大，物质平衡水平高，物质和能量基础好，而且海洋型冰川冰温高，水交换作用强，稳定性系数低，气温的稍微波动，就能很快反映在海洋型冰川变化上，所以其对气候变化的响应更敏感，而大陆型冰川则相反.

进一步来说，冰川发育的水热环境及其冰川对气候变化的敏感性差异是大陆型冰川与海洋型冰川的重要差异，其差别用物质平衡变化幅度可以反映出来;而物质平衡阶段性差异不能用来作为区别不同性质冰川的标志，阶段性差异在不同性质冰川或同一性质冰川上都有可能存在.

2.5 大陆型冰川与海洋型冰川物质平衡变化机理比较

在全球变暖背景下，大陆型冰川与海洋型冰川物质平衡均呈现普遍减小趋势，冰川加速消融，但是从上面的研究不难看出，大陆型冰川与海洋型冰川物质平衡加速下降的机理还是存在一定差异，因此，本文在总结前人的研究基础上，对大陆型冰川与海洋型冰川加速消融的机理也进行了比较.

李忠勤等在对1 号冰川多年观测基础上，研究发现1 号冰川近30 多年来加剧退缩有以下三大机理［11，38］:一是消融期温度的升高直接造成冰川消融量增加;二是冰川冰体温度的升高，使得用于冰川消融的热量的增加，并且减少了再冻结下渗水量;三是由于消融区面积的不断增加、冰川表面高含量的矿物粉尘和冰尘等造成的冰川表明反照率的降低.作为中亚大陆型冰川的典型冰川之一，1 号冰川的这三大机理同样适用于其他大陆型冰川［38］，其在我国的其他地区大陆性参照冰川上也都有体现:如青藏高原小冬克玛底冰川物质平衡加剧下降的主要原因是夏季平均气温升高和冰面反照率降低［39］;祁连山老虎沟12 号冰川20 世纪90 年代中期以来退缩与当时升温幅度增大有关［40］，七一冰川退缩也与气温升高有关［41］.

至于海洋型冰川，首先和大陆型冰川一样，消融期温度的增加和反照率的下降也是海洋型冰川物质平衡下降的最重要的原因，并且温度的增加是普遍性的，几乎所有冰川的加速消融都与消融期温度增加有关，而冰面反照率的降低则因地而异.这在本文海洋性参照冰川和其他地区海洋型冰川上都有反映［3，26，42-44］.不同的是，由于海洋型冰川冰温处在亚融点，在0 ～4 ℃之间，经常高于-1 ℃［23］，因此冰川消融的热量主要来自于消融期气温的增加，而与冰温增加关系不大.其次，海洋型冰川物质亏损还有其独特的机制，我国学者近年来对横断山区海洋型冰川考察发现［22，45-46］，近年来这里部分冰川的冰内结构发生了明显的改变，具体表现在:冰裂隙、冰洞广布并增大增加，冰瀑布段崩塌频繁发生，冰面破碎严重.这一变化严重破坏了冰川的整体性和自适应机制，增加了冰川的消融面积，从而加速了冰川的消融和退缩.因此认为海洋型冰川的破碎化是其物质平衡下降、冰川退缩的一个重要机理.另外，也有学者认为［10］，非固态降水频率和总量增加是加速冰川消融的一个重要机理，但是这一说法缺乏足够的证据，海洋型冰川区是否有液态降水以及液态降水总量是否真有增加有待进一步的考察和论证.

3 结论

大陆型冰川与海洋型冰川发育在不同的水热条件下，它们对气候变化的响应程度、过程和机理也存在很大差异，因此在全球变暖背景下对这两类不同性质冰川物质平衡变化做一全面的对比研究意义重大.本文把东、西天山的乌鲁木齐河源1 号冰川、图尤克苏冰川以及阿尔卑斯山东、中、西部的欣特雷斯冰川、Caresèr 冰川和Sarennes 冰川作为参照冰川，在对比分析参照冰川近60 年来物质平衡变化幅度差异和阶段性差异基础上，对大陆型冰川和海洋型冰川物质平衡变化特征及其机理进行了对比研究.得出了以下结论:

(1)在物质平衡阶段性变化上，阿尔卑斯山几乎所有参照冰川物质平衡变化存在相似的阶段性，而天山和阿尔卑斯山参照冰川之间以及天山内部两条参照冰川之间物质平衡阶段性变化存在很大的差异，这表明，不但不同性质冰川其物质平衡变化存在阶段性差异，而且相同性质的不同冰川也存在阶段性差异，这主要取决于局地水热变化的时间差异，而与冰川性质无关.

(2)在物质平衡变化幅度上，海洋型冰川物质平衡年际波动振幅和年亏损程度明显大于大陆型冰川，而且海洋性越强，物质平衡年际波动振幅和年退缩程度越大;相反，大陆性越强，物质平衡年际波动振幅和年退缩程度越小，这主要是由不同性质冰川发育的水热差异以及冰川对气候变化的敏感性差异决定的.

(3)消融期温度的增加和反照率的下降是大陆型冰川与海洋型冰川加速消融的共同机理.另外，冰温增加和冰川破碎化分别是大陆型冰川和海洋型冰川加速消融的另一个不可忽视的机理.

致谢:衷心感谢审稿专家对文章修改提出宝贵意见，同时感谢中国科学院天山站团队在文章写作和数据资料获取方面给予大力支持.

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