0 引言

西天山托木尔峰地区是中亚山地冰川作用中心之一，集中发育着许多大型山谷冰川，冰川总储水量约为4 959.29×108 m3，冰川融水量占出山径流量的56%［1］.冰雪融水不仅是这一地区最主要的补给水源，同时冰雪融水的高比例也为河川径流对绿洲的稳定补给起到重要调节作用，是塔里木盆地重要的水资源，哺育了天山南麓众多大型绿洲.早在20世纪80年代初，我国学者就对托木尔地区的冰川进行了考察，并开展了冰川、气象和冰川水文研究［1－5］，为认识这一地区冰川基本特征、高寒山地气象特点和冰川融水过程获取了第一手资料，奠定了较好基础.21世纪初以来，随着气候变暖对冰川的影响不断加剧，对这一地区冰川变化开展了一系列研究，尤其是对科其喀尔冰川、青峰滩72号冰川的定位观测研究及基于遥感信息的区域冰川变化研究［6－14］，对认识这一地区冰川面积及物质平衡变化提供了重要的科学依据.

已有的研究表明，在过去数十年升温背景下，中国西部大部分冰川呈现退缩趋势，冰川面积的减少和厚度的减薄是冰川退缩的具体表现［15－18］.冰川退缩已经对我国西部水资源产生了显著影响［19－24］.然而，由于山地冰川面积大小差异较大，冰川变化对水资源的影响不仅与气候变化有关，其影响的速度和强度、水文过程变化的时空尺度还与流域冰川规模及其组成有密切关系［23，25］，尤其是流域内大型冰川的存在，对流域水文过程的变化具有主控作用.天山南麓托木尔地区的冰川不仅规模较大，而且形成独具特色的“托木尔型”冰川，其主要特点就是规模巨大的冰川消融区表碛广泛覆盖，表碛的厚度对冰面消融起着加速或抑制两种完全不同的作用，表碛的分布对冰川消融影响十分显著［8，26－31］.因此，了解表碛对冰面消融的影响特征，是深入认识这类大型山谷冰川变化及其对流域水资源影响的重要内容.本文基于对托木尔峰南麓冰川区的考察研究认识，以及在科其喀尔冰川上的观测资料为依据，对本区大型山谷冰川冰舌区消融特征进行了初步分析，以期对未来相关研究有所帮助.

1 研究区及野外观测概况

托木尔峰是天山最高峰，海拔7 483.5m，位于我国天山西段，与位于中国和吉尔吉斯斯坦边境的汗腾格里峰等40多座海拔6 000 m以上的高峰共同组成天山最高部分，即托木尔－汗腾格里山汇.这里不但是天山最大的冰川作用中心，而且也是世界上有名的山岳冰川区之一.托木尔峰地区的冰川面积是珠穆朗玛峰地区冰川总面积的2.4倍，比整个祁连山冰川总面积(1979.8 km2)大2倍.相当于珠穆朗玛峰地区冰川储量(1326.02×108 m3)的4倍［2－3］.平均每年山区产生的径流量约为63.4×108 m3［1］，冰雪融水是塔里木河最重要的源流－阿克苏河的补给水源.

托木尔峰地区冰川分布相当集中，是中国最主要的大型冰川作用中心之一.冰川主要以大型山谷冰川为主［2］，托木尔峰南麓面积超过20 km2以上的冰川有托木尔冰川、台兰冰川、科其喀尔冰川(又称科契卡尔巴西冰川)等十多条大型山谷冰川.1977－1978年中国科学院组织的托木尔峰地区综合考察中，将这一地区的大型山谷冰川称为托木尔型山谷冰川.托木尔型山谷冰川具有以下几个方面的特点［2－3］:1)冰川规模大，水量丰富，多为树枝状山谷冰川;2)冰川补给除降水外，主要靠冰、雪崩和接纳冰川汇流;3)消融区冰面表碛密布;4)冰舌区热融喀斯特现象相当发育;5)冰舌末端现代终碛不发育.由于上述特点的存在，本区冰川物质平衡、冰川消融过程、冰面形态等亦表现出这类冰川的显著特征.

2003 年以来，我们在以科其喀尔冰川区为典型区进行了多年的考察，对表碛对冰川消融的影响进行了定位观测，野外工作主要在科其喀尔冰川消融区进行.科其喀尔冰川是一条典型的托木尔型大型树枝状山谷冰川，该冰川位于托木尔峰山汇南部，新疆阿克苏地区温宿县境内，由东西两条主谷冰川和众多的冰斗冰川、悬冰川汇合形成(图1).冰川上限为科其喀尔峰，海拔6 342 m，冰舌末端海拔3 020 m.冰川总长25.1 km，面积83.56 km2，冰储量15.79 km3，其中消融区面积为30.6 km2，长度约19.0 km.冰舌区自海拔3 850 m以下区域基本为表碛层覆盖，表碛的存在对冰川冰舌区消融具有深远的影响.

沿科其喀尔冰川消融区末端的海拔3 000 m至消融区中部、表碛显著减少的海拔3 800 m左右的冰面布设有冰面消融观测花杆，在冰川末端和冰面布设了微气象观测站，在冰面设立了辐射观测仪，开展了相关观测.同时，在冰川消融区开展了冰面湖调查及雷达测量.本文的分析基于上述观测资料展开.

2 表碛空间分布与冰面消融的关系

托木尔峰南部的大型山谷冰川雪线高度一般介于海拔4 300～4 600 m之间，而冰舌末端在海拔2 800～3 500 m之间.本区冰川末端明显低于同一纬度的其他冰川，其原因除存在着较大的冰川作用正差(2 000 m左右)外，消融区广泛分布的表碛对抑制冰舌区消融、保护冰川起到了重要作用.以科其喀尔冰川为例，其末端海拔3 000 m左右，地势相对开阔，6－9月平均气温6.8℃，地形上利于消融、理论上也应该是冰川消融最强烈的部位.但实际的观测表明，冰川末端并不是消融强度最大的区域，消融强度最大的区域位于表碛层与裸露冰区交接的部位［7－8］.观测到海拔4 250 m的平衡线附近6－9月平均温度只有2.5℃，2004年在海拔3 900 m处测得一个消融期内(5－9月)的消融深度超过5 000mm，日最大消融量超过90 mm，可见冰川消融区表碛的存在对冰川消融的影响之大.若没有表碛的存在，海拔较低的冰舌区消融量将是惊人的，按海拔3 900 m处消融量推算，冰川末端不可能在海拔3 000 m左右的高度上存在，应该远高于现在的高度.

为此，我们进行表碛与能量传输的关系研究.表碛使太阳辐射热和乱流交换热不能直接到达冰面，只能先加热增温表碛，然后热量再由表碛层向冰面传导.当表碛厚度较大时，向下传导的热量大量消耗于表层砾石，而无法传递到深层砾石及下覆冰面，因此，表碛对冰面消融起到了抑制作用.但当表碛层小于一定厚度时，由于表碛层能明显降低表面反射率，增加辐射热量的吸收，同时由碎石砂粒组成的冰碛物热容量较小，极易加热，以及薄层冰碛层内水分较好的导热性能，表碛层的存在又促进了冰面的消融［1，7－8］.表碛的存在改变了冰川表面原有的能量收支平衡，也改变了冰面消融获取能量的主要方式.对西琼台兰冰川海拔4 000 m的表碛区能量平衡计算表明，辐射平衡收入占到了73%，感热能量占23%，凝结潜热仅占4%左右;同一高度裸冰面的比例分别为净辐射59%，感热36%，潜热5%，表碛覆盖区感热和潜热比例下降，而辐射平衡比例提高［5］.韩海东等［8］对科其喀尔冰川下部海拔3 350处厚层表碛区能量平衡计算表明，净辐射所占的比例为73.3%，感热为6.5%，潜热为7.0%，而地热通量占到了13.2%.本文对科其喀尔冰川海拔3 750 m裸露冰面能量平衡计算得出辐射平衡、感热、潜热三项分别占总热量收入的56%、31%和13%，与1978年试验结果基本一致.主要原因是裸冰面的低温保证了感热通量向下传导送所需的逆温层结，而表碛区，特别是厚层表碛区，表碛加热场破坏了逆温层结，使地面向上传送感热能量的现象普遍存在.浅层表碛向下传输热量的能力是很强的，台兰冰川区的试验表明，在晴天无云时，每分钟表碛面向下导热通量为1.11 J·cm－2，而10 cm深表碛与冰交接面的导热通量为0.55 J·cm－2，相当于表面的一半，再下到20 cm深的冰中，只有 0.013 J·cm－2，仅为表面的1%［9］.由此可以看出，随表碛厚度的增大，冰面可获取用于消融的能量迅速减少.

2004 年在科其喀尔冰川冰舌区的观测表明，当表碛厚度小于3 cm时，表碛的存在对冰面消融有明显的促进作用，而当表碛物厚度大于3.0 cm时(图2)，对消融有明显的抑制作用.研究表明，10 cm厚的表碛能减少10%的消融量，而20 cm厚的表碛则一般要减少56%左右的消融量［1］.由图2可以看出，表碛物厚度超过3.0 cm后，冰川消融量下降明显，而当冰面无表碛时，也较3.0 cm左右厚度表碛覆盖的冰面消融小，表明冰面少量冰碛物对冰面污化是加速冰面消融的主要因素.科其喀尔冰川表碛最大厚度在冰川末端，达到2.0 m以上，并随海拔的上升逐渐递减(图3).在表碛物厚度随海拔减少及消融区热量随海拔降低的共同作用下，科其喀尔冰川区最大的消融量出现在海拔3 800～3 900 m之间、表碛物厚度小于10 cm的区域内，冰川消融强度由此向上随着海拔的升高而下降，向下随表碛厚度的增大而减弱的趋势(图4).另外，由于冰舌区表碛层很厚，并且不同程度地发育有土壤层，对下覆冰体有很好的保护作用.在目前冰川全面退缩的趋势下，冰川末端非主流线上的部分冰体不再参与冰川的运动而成为“死冰”，与多年冻土区埋藏冰类似，这一现象在珠穆朗玛峰的绒布冰川、贡嘎山的海螺沟冰川、喀喇昆仑山的许多大型山谷冰川中均可见到，也是托木尔型山谷冰川共有的特征.

3 表碛对冰面形态的影响

热喀斯特地形是现代冰川区和多年冻土区由于热力消融和融水侵蚀等造成的类似岩溶区喀斯特地形的一种寒区地貌.冰面热喀斯特地形的大量发育，是托木尔峰地区现代冰川表面的一个显著特征.冰面湖、冰坎、冰溶洞等溶蚀地形在科其喀尔冰川和台兰冰川等大型冰川区分布十分广泛，在不同形态的冰面热喀斯特地形中，冰面湖的快速发育和不断扩张，是近年来托木尔峰地区冰面形态变化的普遍现象.如科其喀尔冰川冰舌区1980年代初期考察时观测到的最大冰面湖直径仅30 m左右［32］，2004年在该冰川区实际测量到的最大冰面湖直径超过200 m，最大深度达到40 m以上，目前面积超过1.0×104 m2的冰面湖有十多个.台兰冰川区原先比较平整的冰面，目前已经变得支离破碎，冰舌区消融量明显增大.冰面湖等热喀斯特地形的不断扩张，使大量的冰雪融水滞留于冰面湖塘中，一方面使融水不能产生径流;另一方面又通过冰面湖水的热融作用使湖周冰面加速消融，湖底融穿会形成突发的径流过程.因此，冰面湖改变了冰川表面原有的能水平衡模式及融水径流过程.而冰面湖融穿排水有时往往会形成洪峰型径流过程，湖泊储水量足够多时，会造成冰川洪水，进而引发冰川泥石流.在科其喀尔冰川区海拔3 280 m处的冰面湖，2005年6月观测到湖泊融穿形成洪峰的过程，湖泊总共排出了大约4.3×105 m3的水量，相当于4.9 m3·s－1的日均流量，这一数量与5月份整个冰川的日均流量相当，表明冰面湖对整个冰川径流过程影响是显著的.对比湖水排泄前后的照片(图5)，可以看到湖盆两侧形态呈明显阶坎状，是湖融蚀冰侧壁坍塌所致.湖底有较多冰碛物堆积，是由于表碛融化后进入湖底形成.从冰面湖湖水等深线(图6)可以看出，冰面湖排泄前后水位变化很大，从等值线也可看出，该湖具有一定的储水能力.

冰面湖主要由差异消融形成，冰面湖等热喀斯地形的大量发育造成原本被厚层表碛覆盖的冰面出露，使这些区域的消融明显加快，这一现象是厚层表碛覆盖区冰川消融的最主要形式.这是因为湖水中储存了大量的热量，对周边冰体产生很强的融蚀能力.从对消融期科其喀尔冰川冰舌区水体温度实际测定值来看，岸边融水补给的封闭冰面湖水温通常在4℃以上，最大可达8℃;过水湖水温通常在0.8～2.0℃之间;冰面河道水温在0.4℃左右，而冰面融水初步汇流后温度只有0.1～0.2℃.冰面湖及过水湖较高的水体温度明显加剧了湖岸冰体的消融，使冰湖、冰坎、冰面河道等地形更加发育.在科其喀尔冰川区考察发现，一个消融期内可以从无到有，快速发育形成面积超过1 000 m2的冰面湖或高达20～30 m的冰坎断面.当封闭的冰湖发育到一定程度后，由于岸边的不断融蚀而使原本高出湖水面的下游冰体出现缺口，或与冰下河道等其他通道贯通，经过冰湖水流出时的冲刷扩大造成冰面湖溃决，形成冰川区低地或其他形态的热喀斯特地形.从冰川区实际考察来看，冰面湖等热喀斯特地形的形成、扩张融蚀、溃决、湖区低地的形成这一周而复始的过程是托木尔峰南麓大型山谷冰川厚层表碛覆盖区主要的消融方式之一.如科其喀尔冰川海拔3 170 m剖面线上的冰量损失主要是由东部靠近侧碛的纵向融蚀冰沟造成的，这条冰沟深40～50 m，宽 70～100 m，长约 300 m，介于海拔3 130～3 200 m之间.该冰沟造成的冰量损失约达0.001 km3，而海拔3 280m处冰面湖溃决后形成的融蚀坑冰量损失大约0.0013 km3.两、三个冰面湖溃决形成的融蚀坑冰量就相当于冰川末端退缩造成的冰量损失，冰面湖等热喀斯特地形在托木尔峰南麓地区冰川消融中的作用可见一斑.

从已有文献和近期不同冰川区多次考察表明，以冰面湖为主的冰面热喀斯特地形的大量发育，在我国西部许多冰川区有一定的普遍性.如珠穆朗玛峰地区大型冰川区冰面湖面积逐年扩大，在夏季已经形成大片的连续水体;贡嘎山海螺沟冰川冰舌区的冰面湖也由1980年代中期的直径10～20 m，扩张到目前的100 m以上［33］;喜玛拉雅山南坡的部分冰川区冰面湖面积超过 1.0 km2［31，34］，足以与冰川阻塞湖媲美;甚至在著名的天山乌鲁木齐河源1号冰川积累区，令人震惊地出现了冰面湖［35］.众多迹象表明，冰面湖等热喀斯特地形的大量发育和不断扩张，成为目前我国西部许多大型冰川对气候不断变暖响应的一个显著特征［29－30］，应该引起目前冰川水资源研究的足够重视.

4 表碛对冰川变化的影响

表碛的存在不但造成了托木尔峰型冰川表面消融的空间差异特征，而且使这类冰川变化和对气候的响应模式也独具特色.1977年考察时对托木尔峰南麓的10条冰川进退情况进行的研究表明，其中6条冰川处于退缩状态，3条冰川处于前进状态，一条基本稳定［2－3］.科其喀尔冰川是当时认为比较典型的前进冰川之一.近来考察发现，1990年代初以来，科其喀尔冰川开始了持续的退缩，平均的退缩幅度在15～20 m·a－1.定位观测结果表明，2003年9月到2004年11月冰川末端退缩了35 m，2004年9月冰川末端位置相对于1974年地形图最大退缩达380 m左右.与科其喀尔冰川处于同一流域的依什塔拉格冰川退缩趋势更加明显，相对于1974年地图标定的位置，冰川退缩了900 m左右.本区部分原先退缩的冰川，近年来退缩趋势也有所加强.如位于科其喀尔冰川西北大约30 km处的西琼台兰冰川，小冰期以来大约退缩了1.3 km，在1942年以来平均以每年17 m的速度在退缩［2，36］.另外，小冰川退缩幅度明显大于大型山谷冰川，近30 a来许多小冰川面积大幅减小，部分小冰川已经消失.如柯柯牙尔河源区的小冰川退缩幅度明显大于同一区域的科其喀尔冰川.科其喀尔冰川等原先前进或比较稳定的冰川出现大幅退缩，标志着托木尔峰南麓地区的冰川处于全面的退缩状态.然而从总体上来说，托木尔峰南麓大型山谷冰川的退缩幅度在我国西部冰川区是比较小的.如近30 a来科其喀尔冰川、台兰冰川等大型山谷冰川退缩幅度均不到冰川总长度的2%，而冰川面积的变化均不足0.1%，与近来西部其他冰川区相比还是比较稳定的(表1).

已有研究表明，由于表碛的覆盖使冰川的积累区和消融区面积比例发生了变化，消融区面积明显增大.相对于表面洁净的冰川，有表碛覆盖的冰川对气候响应明显滞后，同时冰川表面高度变化对气候变化的响应比冰川长度的变化更敏感［37］.1981中国科学院兰州冰川冻土研究所利用自行研制的B－1型雷达对天山数十条冰川厚度进行了测量，其中对科其喀尔冰川冰舌区海拔3 300 m和海拔3 170 m两个剖面进行了测量.为了分析托木尔峰南麓冰川近20多年来的变化情况，2004年我们用改进了的B－1型雷达对科其喀尔冰川厚度进行了第二次测量.主要对冰舌区海拔3 750 m向下至海拔3 200 m的区域进行了冰川厚度纵向变化对比测量，同时再次在海拔3 750 m、3 300 m和3 170 m三个高度进行了横剖面线测量(图7).通过对两次测量获取的数据对比发现，近30 a来科其喀尔冰川冰舌区在明显减薄.3个断面厚度20多年来的变化均十分显著，海拔3 170 m断面处的平均厚度由原先74 m减小为63 m，20多年来平均减薄了11 m，平均减幅为0.5 m·a－1;海拔3 300 m断面平均厚度由1981年的95.3 m减少到目前的78 m左右，平均减薄了15～20 m，减幅为0.5～1.0 m·a－1;海拔3 750m断面平均减薄了20～30m左右，减幅为1.0～1.5 m·a－1(图7).实际考察中发现，冰舌区厚度减小最大的区域同样是位于海拔3 800～3 900 m左右，随着海拔的升高和降低，厚度减小的比率均在下降.通过对科其喀尔冰川冰舌区厚度减小造成冰储量损失简单估算，该冰川冰舌区20多年来冰量减小了约0.33 km3，相当于20多年来平均每年给阿特奥依拉克河(柯柯牙尔河支流)多提供了13%的径流量.这一减小量远大于冰川退缩损失的冰量(不足0.003 km3).由于在托木尔峰南麓冰川积累区很难到达，对本区冰川积累区如何变化没有直接的观测数据.据沈永平等［20］利用流域的径流量和相关降水资料研究表明，从1982年以后，台兰河流域冰川物质平衡一直呈负平衡，1982－2000年平均物质平衡为－445 mm·a－1，比1957－1981年平均负平衡净值增大了277 mm·a－1.台兰河流域44 a来由于气温升高引起的冰雪净消融相当于每年多补给河流1.24×108m3，约占河流年径流量的15%.同样，台兰冰川区冰川厚度的减小是冰川冰量亏损的主要来源.由此可以看出，托木尔峰南麓地区大型冰川由于受表碛覆盖影响，其变化主要表现在厚度减薄上，而不是像大多数冰川的变化在面积减少上就十分显著.因此，进行托木尔峰南麓大型冰川变化的研究，必须将冰川厚度的变化研究作为重要内容之一，这其中表碛因素是应重点关注的内容.

5 结论

本文重点针对大型山谷冰川表碛对冰川消融的影响进行了初步分析，获得如下初步结论:

(1)西天山托木尔峰南麓托木尔型山谷冰川冰舌区消融特征是由这一地区冰川长大的冰舌和广泛覆盖的表碛决定的.表碛的空间分布表现为由冰川末端向上，表碛厚度逐渐减薄，冰川末端表碛厚度可达2 m以上.厚层表碛的覆盖，对冰川消融起到抑制作用，而少量表碛覆盖，则直到加速消融作用.科其喀尔冰川上观测结果为3 cm左右的表碛厚度是影响冰面消融的界线值，大于3 cm的表碛覆盖，具有明显减弱冰面消融的作用.冰碛的存在也改变了冰面热量分配，使得热量平衡中净辐射显明增加，感热明显降低.由于表碛的影响，科其喀尔冰川区最大的消融量出现在海拔3 800～3 900 m之间、表碛物厚度小于10 cm的区域内，冰川消融强度由此向上随着海拔的升高而下降，向下随表碛厚度的增大而减弱.

(2)冰面热喀斯特地形的大量发育，是托木尔峰地区现代冰川表面的一个显著特征.冰面湖主要由差异消融形成，冰面湖等热喀斯地形的大量发育造成原本被厚层表碛覆盖的冰面出露，使这些区域的消融明显加快，这一现象是厚层表碛覆盖区冰川消融的最主要形式.从对消融期科其喀尔冰川冰舌区水体温度实际测定值来看，封闭冰面湖水温通常在4℃以上，最大可达8℃，远比冰水的0.1～0.2℃要高得多，是导致湖壁冰面快速融蚀、湖泊不断扩张的主要原因.两、三个冰面湖排泄形成的融蚀坑冰量就相当于冰川末端退缩造成的冰量损失.因此，冰面湖等热喀斯特地形的形成、扩张融蚀、融穿排泄、湖区低地的形成这一周而复始的过程，是托木尔峰南麓大型山谷冰川厚层表碛覆盖区主要的消融方式之一.

(3)表碛的存在不但造成了托木尔峰型冰川表面消融的空间差异特征，而且使这类冰川变化和对气候的响应模式也独具特色.由于表碛的覆盖使冰川的积累区和消融区面积比例发生了变化，消融区面积明显增大.相对于表面洁净的冰川，有表碛覆盖的冰川对气候响应明显滞后.通过对两次测量获取的数据对比发现，近30 a来科其喀尔冰川冰舌区在明显减薄，平均减幅为0.5～1.0 m·a－1.托木尔峰南麓地区大型冰川由于受表碛覆盖影响，其变化主要表现在厚度减薄上，而不是像大多数冰川，其变化在末端和面积减少上十分显著［17－18，21，24，37－42］.因此，进行托木尔峰南麓大型冰川变化的研究，必须将冰川厚度的变化研究作为重要内容之一，这其中表碛因素是应重点关注的内容.

致谢:本文得到冰冻圈科学国家重点实验室托木尔冰川观测研究站的大力支持，并提供部分数据;中国科学院寒区旱区环境与工程研究所青藏高原冰冻圈国家观测研究站在学习和工作中给予了大力帮助，在此一并致以衷心感谢.

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